復(fù)合材料物理和化學(xué)性能的復(fù)合規(guī)律.ppt

復(fù)合材料物理和化學(xué)性能的復(fù)合規(guī)律,8.1 密度 8.2 熱性能 8.3 燃燒特性 8.4 光學(xué)性能 8.5 耐化學(xué)性,復(fù)合材料中，基體或填料的含量通常以質(zhì)量百分率表示，必須將質(zhì)量百分率換算成體積百分率，才能應(yīng)用復(fù)合規(guī)則來估算復(fù)合材料的密度。,8.1 密度,c復(fù)合材料的密度； m基體的密度； f增強(qiáng)體的密度； Vf增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)。,復(fù)合材料的最基本物性,(8.1),如果以基體在復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wm為已知數(shù)：,對(duì)于聚合物基復(fù)合材料，由于m對(duì)大多數(shù)聚合物來說差別不大，當(dāng)填料一定時(shí)，復(fù)合材料的密度主要取決于填料的含量。,(8.1),8.2 熱性能,熱性能,熱基礎(chǔ)物性,耐熱性,熱膨脹系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù),比熱,熱功能復(fù)合材料的最重要性質(zhì),與力學(xué)性能并列為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最重要的特性, 熱膨脹系數(shù)； Vf增強(qiáng)體的容積分?jǐn)?shù)； 角標(biāo)c、m、f分別代表復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體。,8.2.1 熱基礎(chǔ)物性,熱膨脹系數(shù),基本上可按復(fù)合規(guī)則加以估算：,一般無(wú)機(jī)填料的熱膨脹系數(shù)較聚合物的要小得多，所以，填充無(wú)機(jī)填料的復(fù)合塑料其熱膨脹系數(shù)要較純聚合物的小，其數(shù)值接近于金屬的熱膨脹系數(shù)。,聚合物、填料及其復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)(10-5),膨脹系數(shù)的各向異性,由于纖維在流動(dòng)方向的取向，使流動(dòng)方向上及與之垂直方向上的熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生很大的差異。,導(dǎo)熱系數(shù),影響成型速度,制備導(dǎo)熱或隔熱性制品,塑料的成型工藝幾乎都伴隨著加熱和冷卻過程。填料的加入，如果提高混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，可縮短加熱或冷卻時(shí)間，也就是提高成型速度。 隨著填料的不同，復(fù)合塑料可用作隔熱或?qū)岵牧?。以空氣為填料的泡沫塑料是良好的隔熱材料，而以碳纖維、金屬粉等為填料的復(fù)合塑料則可作為導(dǎo)熱性復(fù)合材料使用。,復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)在理想情況下可由下列復(fù)合規(guī)則估算：,Pf填料的最高填充容積分?jǐn)?shù),實(shí)際的復(fù)合材料由于填料的形態(tài)等因素的影響，其導(dǎo)熱系數(shù)各異。Nielsen考慮了這些因素后提出下列公式：,AKE1,KE愛因斯坦系數(shù),各種材料的導(dǎo)熱系數(shù),填料的導(dǎo)熱系數(shù)一般比聚合物的大，可預(yù)計(jì)，復(fù)合塑料的導(dǎo)熱系數(shù)要比單純聚合物的大。,比熱,復(fù)合材料在一定溫度下的比熱基本上可由復(fù)合規(guī)則估算：,使單位物量的某種物質(zhì)升高單位溫度所需的熱量,質(zhì)量比熱,容量比熱,摩爾比熱,填料的質(zhì)量比熱一般比聚合物的稍小，因此復(fù)合材料的質(zhì)量比熱也比單一聚合物的稍小。但兩者的容量比熱則無(wú)大差異。,設(shè)各元素在處于液體和固體時(shí)的摩爾比熱：,以碳酸鈣為例，其比熱可計(jì)算如下： Ca C O3(固體) 6.21.834.020 碳酸鈣的分子質(zhì)量40.08 + 12.0l + 316100.09 故其質(zhì)量比熱cf20100.090.20calg8.38Jg 這個(gè)值與碳酸鈣在20時(shí)的實(shí)測(cè)值為8.57Jg基本吻合。,一般表現(xiàn)為隨著填料的加入，玻璃化溫度升高，玻璃化溫度的升高程度與填料加入量成正比。,8.2.2 耐熱性,表征非結(jié)晶性聚合物耐熱性的物理量是玻璃化溫度Tg，結(jié)晶性聚合物是熔點(diǎn)Tm。,聚合基復(fù)合材料的Tg與填充物含量的關(guān)系,在聚甲基丙烯酸甲酯中加入10白堊，玻璃化溫度可下降10左右。,在界面上由于填料-聚合物分子間作用力的存在，使聚合物大分子鏈段運(yùn)動(dòng)受到阻礙，因而使聚合物的玻璃化溫度升高。這種聚合物大分子鏈段運(yùn)動(dòng)受阻的程度隨著填料-聚合物分子間作用力增大而增高。,填料的加入引起聚合物微觀結(jié)構(gòu)的改變,引起界面層 聚合物大分子斂集密度的改變(一般情況下是密度降低)，隨著大分子斂集密度的改變，改變了分子間作用力，因而改變分子鏈段的活動(dòng)能力，使聚合物的玻璃化溫度隨之而發(fā)生變化。,基體聚合物的耐熱性和FRTP的熱變形溫度,材料在1.86MPa或0.46MPa的受壓負(fù)荷下，材料變形達(dá)一定尺寸時(shí)的溫度。,經(jīng)填料填充后熱變形溫度明顯上升,經(jīng)填料填充后熱變形溫度上升不大,一般來講，如果填料具有高的表面能，或聚合物分子的極性較大，則填料-聚合物分子間引力也較大，即提高聚合物玻璃化溫度較明顯。如在填料聚合物界面能形成氫鍵，則填料的加入促使聚合物玻璃化溫度的升高就更加明顯。例如，玻璃纖維增強(qiáng)尼龍塑料，由于玻璃尼龍界面上可能形成氫鍵，因此，玻璃纖維加入后可使尼龍的玻璃化溫度有顯著的提高。,熱變形溫度的負(fù)荷依賴性,聚合物的燃燒過程由兩個(gè)相繼的化學(xué)過程分解和燃燒所組成，兩者通過著火和熱反饋相互聯(lián)系。,8.3 燃燒特性,8.3.1 聚合物的燃燒特性,聚合物,熱分解,熱散失,不燃物,可燃物,焦,熔融物,燃燒,氣體,煙,碳粒,-Q1,+Q2,+Q2,熱散失,熱反饋,以氧指數(shù)作為聚合物阻燃性的判據(jù)是Fenimore和Martin于1966年引入的。它是指聚合物著火后剛夠維持燃燒時(shí)氧氣在試驗(yàn)氣體(氧、氮混合氣體)中的最小百分含量。試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件25和氣流線速度為(4土1)cms下進(jìn)行。,一些聚合物的氧指數(shù),832 填料對(duì)聚合物基復(fù)合材料燃燒性的影響 8321 三氧化二銻 三氧化二銻(Sb2O3)是最常用的阻燃填料之一，它是很多家電部件的難燃塑料基本配方的核心。三氧化二銻在單獨(dú)使用時(shí)幾乎沒有阻燃效果，但與有機(jī)鹵化物并用時(shí)卻具有明顯的阻燃效果。 Sb2O3-有機(jī)鹵化物的阻燃機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，一般認(rèn)為三氧化二銻和有機(jī)鹵化物發(fā)生以下反應(yīng)。 三氧化二銻與含氯有機(jī)物分解生成的氯化氫相作用生成三氯化銻,Sb2O33HCl2SbOClH2O 5SbOCl 2SbOCISb2O3(固)SbCl3(氣) 42SbOClSb2O3(固) 5SbOClSb2O3(固) SbCl3(氣) 3SbOClSb2O3(固) 4 Sb2O3 (固)SbCl3(氣) 2 Sb2O3 (固) Sb4O6(液) 生成的三氯化銻在氣相捕捉H 、HO和CH3等活性自由基從而減緩燃燒過程的進(jìn)行：,SbCl3HHClSbCl2 SbCl3 C1SbCl2 SbCl3CH3CH3C1SbCl2 SbCl2H(CH3) HCl(CH3C1)SbCl SbClH(CH3) HCl(CH3C1)Sb SbOMSbOM SbOHMSbOHM SbOHHSbOH2 SbOHSbOH,表87 Sb2O3鹵化物的阻燃效果,832。2 鉬化物 三氧化鉬和鉬酸銻等鉬化物通常被用作PVC和含鹵聚酯等塑料的阻燃劑。 鉬化物的阻燃效果雖略低于三氧化二銻，但它具有抑制燃燒時(shí)發(fā)煙的特點(diǎn)。表8.8為鉬化物在玻璃纖維增強(qiáng)鹵化聚酯中的阻燃效果。從表中數(shù)據(jù)可見，無(wú)論鉬化物單獨(dú)使用，或與Sb2O3或與氫氧化鋁并用都能發(fā)揮出優(yōu)異的阻燃效果和明顯的抑制發(fā)煙效果。 鉬化物之所以有與Sb2O3如此不同的效果，可從與PVC復(fù)合塑料燃燒殘?jiān)脑胤治鼋Y(jié)果來看，鉬化物的阻燃機(jī)理主要不是通過氣相反應(yīng)，而是在固相上促進(jìn)碳化層的生成或者促進(jìn)鹵素或鹵化氫的生成以實(shí)現(xiàn)其阻燃效果。,表8.8 鉬化物在玻璃纖維增強(qiáng)鹵化聚酯中的阻燃效果,8323 含磷化合物 用作聚合物阻燃添加劑的含磷化合物是多種多樣的，例如，紅磷、多磷酸銨、有機(jī)磷酸酯和亞磷酸酪、含磷聚合物等等。它們的阻燃機(jī)理不盡相同，取決于含磷阻燃劑的類別和被阻燃對(duì)象的類別。 不同含磷化合物對(duì)燃燒時(shí)不成焦的聚合物(聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚甲醛)和成焦聚合物(環(huán)氧樹脂)的阻燃效果見表89。,表89 含磷化合物的阻燃效果,8324 氫氧化鋁(三水合氧化鋁) 對(duì)大多數(shù)熱塑性和熱固性聚合物，氫氧化鋁是最常用的阻燃性填料之一。 eg：添加40(質(zhì)量比)的氫氧化鋁即可顯著地減緩聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和ABS等聚合物的熱分解速度，對(duì)熱分解溫度較低的聚苯乙烯，氫氧化鋁的阻燃效果要差一些。 一般認(rèn)為氫氧化鋁的阻燃作用主要由于它脫水時(shí)的吸熱效應(yīng)，降低了凝聚相的溫度，因而有效地減緩了聚合物的分解速度。其次，氫氧化鋁脫水放出的水稀釋了由聚合物熱解所生成的可燃性氣體并減少了煙霧的生成。,除氫氧化鋁外，凡在受熱時(shí)可產(chǎn)生大量的水和二氧化碳?xì)怏w的無(wú)機(jī)填料都具有一定的阻燃作用，例如，氫氧化鎂、堿性碳酸鎂(3MgCO3Mg(OH)23H2O)、堿式碳酸鈉鋁(Na2OA12O32CO2。2H20)和硼酸鋅(2ZnO2B2033.5H2O)等。 當(dāng)然，并不是所有可產(chǎn)生不燃性氣體的填料都有良好的阻燃效果，只有滿足以下條件的才能成為有效的阻燃劑：產(chǎn)生不燃性氣體的溫度略低于聚合物熱分解溫度；在復(fù)合塑料的混煉、成型溫度下不產(chǎn)生不燃性氣體。,84 光學(xué)性能 金屬和陶瓷基復(fù)合材料都不透光，唯獨(dú)聚合物基復(fù)合材料可制成透光性復(fù)合材料。由于透明玻璃鋼具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、透入光柔和和具有透過紫外線的能力，目前已少量用于農(nóng)用溫室、養(yǎng)殖場(chǎng)和工廠采光等場(chǎng)合。 玻璃鋼屬于光學(xué)上非均一物體，當(dāng)可見光通過玻璃鋼時(shí)便產(chǎn)生散射現(xiàn)象。由于玻璃纖維的直徑(610um)要比可見光的波長(zhǎng)(0.4-0.76um)大好幾倍，且相鄰兩根纖維之間的距離一般都不超過纖維直徑的2倍，因此，需要用多次散射理論來描述光通過玻璃鋼介質(zhì)時(shí)的現(xiàn)象。,根據(jù)多次散射理論，一束平行光經(jīng)過厚度為h的散射層后，其透過部分T(透光率)可用 其中 式中 P吸收系數(shù)； S反射系數(shù)。,對(duì)于玻璃鋼，可?。?式中 nf玻璃纖維的折射指數(shù)； nm粘結(jié)劑的折射指數(shù)； Kf玻璃纖維的吸收系數(shù)； Km粘結(jié)劑的吸收系數(shù)； Vf玻璃纖維的體積含量； d玻璃纖維的直徑。,85 耐化學(xué)性 在復(fù)合材料中，玻璃鋼作為非金屬耐腐蝕材料目前已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。這是由于玻璃鋼與金屬耐腐蝕材料相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)大多數(shù)酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)穩(wěn)定，輕質(zhì)高強(qiáng)，成型工藝簡(jiǎn)單，使用安全可靠和維修方便。一般說來，采用合理設(shè)計(jì)所制得的玻璃鋼耐腐蝕制品，在100以下的介質(zhì)侵蝕下，其使用壽命可達(dá)5年以上。但是，如果設(shè)計(jì)不合理或選材不恰當(dāng)，所制得的耐腐蝕玻璃鋼制品，在介質(zhì)的侵蝕下也可能在短期內(nèi)損壞報(bào)廢。 耐腐蝕玻璃鋼制品的材料設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮以下兩個(gè)問題：材料是否經(jīng)得起介質(zhì)的長(zhǎng)期侵蝕?材料在受力情況下是否滲漏?,851 玻璃鋼的耐蝕性 玻璃纖維由于其巨大的比表面，易受到水、酸和堿的侵蝕，它相對(duì)于聚合物