聚合物基復(fù)合材料0

1、聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料 polymer matrix composite material （pmc） 孫明亮 中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院 本課程講授內(nèi)容本課程講授內(nèi)容 聚合物基復(fù)合材料用增強(qiáng)材料聚合物基復(fù)合材料用增強(qiáng)材料 聚合物基復(fù)合材料用基體（熱塑性、熱固性）聚合物基復(fù)合材料用基體（熱塑性、熱固性） 熱固性復(fù)合材料成型工藝熱固性復(fù)合材料成型工藝 熱塑性復(fù)合材料成型工藝熱塑性復(fù)合材料成型工藝 復(fù)合材料的定義 復(fù)合材料（composite material)是指：兩種或者兩種以上的不 同材料，用適當(dāng)?shù)姆椒◤?fù)合成的一種新材料，其性能比單一 材料更優(yōu)越。 一般而言復(fù)合材料包括兩個(gè)重

2、要組成部分：基體+增強(qiáng)材料 增強(qiáng)材料：主要的承力組分，主要的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、 沖擊強(qiáng)度 基體：將增強(qiáng)材料粘合成一個(gè)整體，平衡應(yīng)力和傳遞應(yīng)力的 作用 通常情況下要求：1+12 復(fù)合材料的性質(zhì)主要取決于三個(gè)方面：1 增強(qiáng)材料的性質(zhì)2 基 體材料的性質(zhì) 3增強(qiáng)材料和基體材料的界面性質(zhì) 復(fù)合材料分類 按照基體類型分類： 樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、無(wú)機(jī) 非金屬?gòu)?fù)合材料 按照增強(qiáng)材料類型分類： 玻璃纖維、碳纖維、有機(jī)纖維、陶瓷纖維 復(fù)合材料 按照用途分類： 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料 復(fù)合材料的特性 （1）輕質(zhì)高強(qiáng) （2）可設(shè)計(jì)性好 （3）電性能好 （4）耐腐蝕性能好 （5）熱性能良好 （6）工

3、藝性能良好 （7）彈性模量：聚合物基復(fù)合材料不高 （8）長(zhǎng)期耐熱性：聚合物基復(fù)合材料不好 （9）老化現(xiàn)象：不好 航空航天方面的應(yīng)用-輕質(zhì)高強(qiáng) 交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用-輕質(zhì)高強(qiáng)，保險(xiǎn)杠吸 收能量 化學(xué)化工工業(yè)-防腐蝕制品 電器工業(yè)應(yīng)用-電絕緣材料 建筑工業(yè)-力學(xué)性能、隔熱、隔音. 機(jī)械 體育器材 聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用 1) 對(duì)信息技術(shù)提供服務(wù)對(duì)信息技術(shù)提供服務(wù) 復(fù)合材料復(fù)合材料 信息獲得信息獲得 敏感器件敏感器件 換能材料換能材料 信息存儲(chǔ)信息存儲(chǔ) 磁記錄磁記錄 光記錄光記錄 信息處理信息處理 芯片封裝芯片封裝 電路板電路板 信息傳播信息傳播 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維 導(dǎo)波管導(dǎo)波管

4、信息執(zhí)行信息執(zhí)行 機(jī)械動(dòng)作機(jī)械動(dòng)作 高強(qiáng)高剛高強(qiáng)高剛 2) 對(duì)提高人類生活質(zhì)量做出貢獻(xiàn)對(duì)提高人類生活質(zhì)量做出貢獻(xiàn) 復(fù)合材料復(fù)合材料 衣衣 紡織機(jī)械紡織機(jī)械 食食 蔬菜大棚蔬菜大棚 住住 建筑材料建筑材料 行行 交通工具交通工具 改善舒適性改善舒適性 輕質(zhì)高強(qiáng)、隔音隔熱輕質(zhì)高強(qiáng)、隔音隔熱 墻體門窗、整體潔具墻體門窗、整體潔具 飛機(jī)車輛、大小船艦飛機(jī)車輛、大小船艦 高速列車的車體結(jié)構(gòu)高速列車的車體結(jié)構(gòu) 提高安全性提高安全性 抗沖韌性、吸收能量抗沖韌性、吸收能量 汽車保險(xiǎn)杠轎車底板汽車保險(xiǎn)杠轎車底板 自診斷機(jī)敏復(fù)合材料自診斷機(jī)敏復(fù)合材料 高層建筑抗地震災(zāi)害高層建筑抗地震災(zāi)害 提高健康水平提高健康水平

5、 修復(fù)植入人造器官修復(fù)植入人造器官 成分設(shè)計(jì)、調(diào)整應(yīng)力成分設(shè)計(jì)、調(diào)整應(yīng)力 生物相容性生物相容性 人工關(guān)節(jié)、夾骨板人工關(guān)節(jié)、夾骨板 3) 在解決資源短缺與能源危機(jī)方面的貢獻(xiàn)在解決資源短缺與能源危機(jī)方面的貢獻(xiàn) 復(fù)復(fù) 合合 材材 料料 開發(fā)新能源與開發(fā)新能源與 節(jié)約能源節(jié)約能源 挖掘尚未被利挖掘尚未被利 用的能源用的能源 開發(fā)海洋開發(fā)海洋 與空間與空間 使使基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)設(shè)施 延長(zhǎng)壽命延長(zhǎng)壽命 提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換率（光電池、框架）提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換率（光電池、框架） 風(fēng)力發(fā)電裝置；潮汐發(fā)電風(fēng)力發(fā)電裝置；潮汐發(fā)電 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要性基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要性 高性能纖維增強(qiáng)混凝土，取代鋼筋高性能纖維增強(qiáng)混凝土，

6、取代鋼筋 鎂（輕量、阻尼性能好，力學(xué)性能差）鎂（輕量、阻尼性能好，力學(xué)性能差） 顆粒增強(qiáng)或晶須增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)或晶須增強(qiáng) 耐高壓、耐海水腐蝕的深?？碧窖b置耐高壓、耐海水腐蝕的深?？碧窖b置 （碳纖維增強(qiáng)樹脂裝置已潛入海下（碳纖維增強(qiáng)樹脂裝置已潛入海下1000m1000m） 海上石油平臺(tái)、空間站、航天器等海上石油平臺(tái)、空間站、航天器等 4 4）在治理環(huán)境中可起的作用）在治理環(huán)境中可起的作用 復(fù)合材料復(fù)合材料 降低污染降低污染 降低原材料用量降低原材料用量 節(jié)約加工能耗節(jié)約加工能耗 延長(zhǎng)設(shè)施壽命延長(zhǎng)設(shè)施壽命 廢水治理廠管道廢水治理廠管道 利用廢棄物利用廢棄物 材料互補(bǔ)材料互補(bǔ) 礦渣礦渣 木屑木屑 廢塑料

7、廢塑料 麥桿麥桿 稻草稻草 野生植物野生植物 “綠色綠色”材材 料料 自然降解自然降解 提高性能提高性能 利用天然纖維利用天然纖維 透明農(nóng)膜透明農(nóng)膜 一此性餐具一此性餐具 降解后變?yōu)榻到夂笞優(yōu)?肥料或飼料肥料或飼料 復(fù)合材料的發(fā)展 降低成本 高性能復(fù)合材料的研制 功能復(fù)合材料 智能復(fù)合材料 仿生復(fù)合材料 環(huán)保型復(fù)合材料 (1) 基體基體 熱固性基體熱固性基體(thermosetting matrix)： i) 熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤(rùn)，成型工藝性好熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤(rùn)，成型工藝性好 ii) 交聯(lián)固化后成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尺寸穩(wěn)定性好耐熱性好，但性脆交聯(lián)固化后成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尺寸穩(wěn)定性好

8、耐熱性好，但性脆 iii) 制備過(guò)程伴有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)制備過(guò)程伴有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng) 熱塑性基體熱塑性基體(thermoplastic matrix)： i) 熔體粘度大，浸漬與浸潤(rùn)困難，需較高溫度和壓力下成熔體粘度大，浸漬與浸潤(rùn)困難，需較高溫度和壓力下成 型，工藝性差型，工藝性差 ii) 線性分子結(jié)構(gòu)，抗蠕變和尺寸穩(wěn)定性差，但韌性好線性分子結(jié)構(gòu)，抗蠕變和尺寸穩(wěn)定性差，但韌性好 iii) 制備過(guò)程中伴有聚集態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及取向、結(jié)晶等物理現(xiàn)象制備過(guò)程中伴有聚集態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及取向、結(jié)晶等物理現(xiàn)象 聚合物基復(fù)合材料（聚合物基復(fù)合材料（ pmc）的組成）的組成 (2) 增強(qiáng)體增強(qiáng)體 主要有碳纖、玻璃纖維、芳綸纖維

9、、硼纖維等主要有碳纖、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維等 由于樹脂基體與增強(qiáng)體相容性、浸潤(rùn)性較差，由于樹脂基體與增強(qiáng)體相容性、浸潤(rùn)性較差， 增強(qiáng)體多經(jīng)過(guò)表面處理與表面改性，以及浸潤(rùn)劑、增強(qiáng)體多經(jīng)過(guò)表面處理與表面改性，以及浸潤(rùn)劑、 偶聯(lián)劑和涂復(fù)層的使用，使其組成復(fù)雜化。偶聯(lián)劑和涂復(fù)層的使用，使其組成復(fù)雜化。 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)(structure of composites) 無(wú)規(guī)分散（彌散）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)無(wú)規(guī)分散（彌散）增強(qiáng)結(jié)構(gòu) （含顆粒、晶須、（含顆粒、晶須、 短纖維）短纖維）(randomly oriented) 連續(xù)長(zhǎng)纖維單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)連續(xù)長(zhǎng)纖維單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（單向板）（單向板）(aligne

10、d) 層合層合(板板)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(二維織布或連續(xù)纖維鋪層，每層二維織布或連續(xù)纖維鋪層，每層 不同不同) 三維編織體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)三維編織體增強(qiáng)結(jié)構(gòu) 夾層結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu) (sandwich structure) 混雜結(jié)構(gòu)混雜結(jié)構(gòu)(hybrid structure) 引入引入相的相的“連通性連通性”概念，理論上可將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)劃分概念，理論上可將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)劃分 為為 0-3型、型、1-3型型、 2-2型、型、2-3型、型、3-3型型等幾種典型結(jié)構(gòu)等幾種典型結(jié)構(gòu) 單向及準(zhǔn)各向同性板的單向及準(zhǔn)各向同性板的鋪層鋪層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 1.基本概念和界面現(xiàn)象基本概念和界面現(xiàn)象 基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張

11、力、界面能基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張力、界面能 接觸角、粘附功接觸角、粘附功 界面現(xiàn)象：界面現(xiàn)象： 表面吸附作用與浸潤(rùn)表面吸附作用與浸潤(rùn) 擴(kuò)散與粘結(jié)（含界面互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）擴(kuò)散與粘結(jié)（含界面互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)） 界面上分子間相互作用力（范氏力和化學(xué)鍵合力）界面上分子間相互作用力（范氏力和化學(xué)鍵合力） 復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面(interface of composites) 2.復(fù)合材料的界面形成過(guò)程復(fù)合材料的界面形成過(guò)程 pmc、mmc、cmc等復(fù)合材料體系對(duì)界面要求各不相同，等復(fù)合材料體系對(duì)界面要求各不相同， 它們的成型加工方法與工藝差別很大，各有特點(diǎn)，使復(fù)合材它們的成型加

12、工方法與工藝差別很大，各有特點(diǎn)，使復(fù)合材 料界面形成過(guò)程十分復(fù)雜，理論上可分為料界面形成過(guò)程十分復(fù)雜，理論上可分為三個(gè)階段三個(gè)階段。 （1）第一階段第一階段：增強(qiáng)體表面預(yù)處理或改性階段。增強(qiáng)體表面預(yù)處理或改性階段。 i) 界面設(shè)計(jì)與控制的重要手段界面設(shè)計(jì)與控制的重要手段 ii) 改性層成為最終界面層的重要組成部分改性層成為最終界面層的重要組成部分 iii) 為第二階段作準(zhǔn)備為第二階段作準(zhǔn)備 （2）第二階段第二階段：增強(qiáng)體與基體在：增強(qiáng)體與基體在一組份為液態(tài)一組份為液態(tài)（或粘流態(tài)）（或粘流態(tài)） 時(shí)的接觸與浸潤(rùn)過(guò)程時(shí)的接觸與浸潤(rùn)過(guò)程 i) 接觸接觸吸附與浸潤(rùn)吸附與浸潤(rùn)交互擴(kuò)散交互擴(kuò)散化學(xué)結(jié)合或化學(xué)

13、結(jié)合或 物理結(jié)合物理結(jié)合?；瘜W(xué)結(jié)合可看作是一種特殊的浸。化學(xué)結(jié)合可看作是一種特殊的浸 潤(rùn)過(guò)程潤(rùn)過(guò)程 ii) 界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段 （3）第三階段第三階段：液態(tài)（或粘流態(tài)）組分的：液態(tài)（或粘流態(tài)）組分的固化固化過(guò)程，即凝過(guò)程，即凝 固或化學(xué)反應(yīng)固或化學(xué)反應(yīng) i) 界面的固定（亞穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)）界面的固定（亞穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)） ii) 界面的穩(wěn)定（穩(wěn)態(tài)、平衡態(tài)）界面的穩(wěn)定（穩(wěn)態(tài)、平衡態(tài)） 在復(fù)合材料界面形成過(guò)程中涉及：在復(fù)合材料界面形成過(guò)程中涉及： i) 界面間的界面間的相互置換相互置換：如，潤(rùn)濕過(guò)程是一個(gè)固：如，潤(rùn)濕過(guò)程是一個(gè)固- 液界面置換固液界面置換固-氣表面的過(guò)程

14、氣表面的過(guò)程 i i) 界面間的界面間的相互轉(zhuǎn)化相互轉(zhuǎn)化：如，固化過(guò)程是固：如，固化過(guò)程是固-液液 界面向固界面向固-固界面轉(zhuǎn)化的過(guò)程固界面轉(zhuǎn)化的過(guò)程 后處理過(guò)程：固后處理過(guò)程：固-固界面自身完善與平衡的過(guò)程固界面自身完善與平衡的過(guò)程 3. 復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn) i) 非單分子層，其組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、形貌十分復(fù)雜、非單分子層，其組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、形貌十分復(fù)雜、 形式多樣。界面區(qū)至少包括：基體表面層、增強(qiáng)體表形式多樣。界面區(qū)至少包括：基體表面層、增強(qiáng)體表 面層、基體面層、基體/增強(qiáng)體界面層三個(gè)部分增強(qiáng)體界面層三個(gè)部分 ii ) 具有具有一定厚度一定厚度的界面相（層），

15、其組成、結(jié)構(gòu)、的界面相（層），其組成、結(jié)構(gòu)、 性能隨厚度方向變化而變化，具有性能隨厚度方向變化而變化，具有“梯度梯度”材料的性能材料的性能 特征特征 iii) 界面的界面的比表面積或界面相的體積分?jǐn)?shù)很大比表面積或界面相的體積分?jǐn)?shù)很大（尤其是（尤其是 納米復(fù)合材料）界面效應(yīng)顯著：復(fù)合材料復(fù)合效應(yīng)納米復(fù)合材料）界面效應(yīng)顯著：復(fù)合材料復(fù)合效應(yīng) 產(chǎn)生的根源產(chǎn)生的根源 iv) 界面界面缺陷形式多樣缺陷形式多樣（包括殘余應(yīng)力）（包括殘余應(yīng)力）(residual stress)， 對(duì)復(fù)合材料性能對(duì)復(fù)合材料性能影響影響十分敏感十分敏感 4. 界面上力的傳遞與殘余應(yīng)力界面上力的傳遞與殘余應(yīng)力 有一定結(jié)合強(qiáng)有一定

16、結(jié)合強(qiáng) 度 的 界 面度 的 界 面 （層），可在（層），可在 基體與增強(qiáng)體基體與增強(qiáng)體 之間進(jìn)行之間進(jìn)行 a. 力的轉(zhuǎn)遞力的轉(zhuǎn)遞 b. 力的分配力的分配 c. 基體或增強(qiáng)基體或增強(qiáng) 體破壞過(guò)程中的體破壞過(guò)程中的 應(yīng)力再分配應(yīng)力再分配 組合力學(xué)性能組合力學(xué)性能 在復(fù)合材料未受外力時(shí)，界面上仍存在應(yīng)力或應(yīng)力分布，在復(fù)合材料未受外力時(shí)，界面上仍存在應(yīng)力或應(yīng)力分布， 這就是這就是“殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力”。殘余應(yīng)力來(lái)源：。殘余應(yīng)力來(lái)源： 增強(qiáng)相與基體相增強(qiáng)相與基體相熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)的不匹配不匹配 相與相之間的彈性系數(shù)不匹配，相內(nèi)的應(yīng)力分布不均相與相之間的彈性系數(shù)不匹配，相內(nèi)的應(yīng)力分布不均 成型過(guò)程中

17、，由高溫成型過(guò)程中，由高溫- -室溫、由化學(xué)和物理變化引起的各室溫、由化學(xué)和物理變化引起的各 組元體積收縮的不同，如：基體固化、聚集態(tài)轉(zhuǎn)變、晶組元體積收縮的不同，如：基體固化、聚集態(tài)轉(zhuǎn)變、晶 相轉(zhuǎn)變等相轉(zhuǎn)變等 層合板中，由鋪層方向不同所帶來(lái)的層間殘余應(yīng)力（層層合板中，由鋪層方向不同所帶來(lái)的層間殘余應(yīng)力（層 合板的翹曲）合板的翹曲） 流變過(guò)程中，組元間的塑性變形差異引起的流變殘余應(yīng)流變過(guò)程中，組元間的塑性變形差異引起的流變殘余應(yīng) 力力 5. 復(fù)合材料界面破壞機(jī)制復(fù)合材料界面破壞機(jī)制(interface failure of composites) （1）破壞的來(lái)源破壞的來(lái)源 基體內(nèi)、增基體內(nèi)、增

18、 強(qiáng)體內(nèi)和層強(qiáng)體內(nèi)和層 面層上均存面層上均存 在微裂紋、在微裂紋、 氣孔、內(nèi)應(yīng)氣孔、內(nèi)應(yīng) 力力 在力場(chǎng)或外界環(huán)在力場(chǎng)或外界環(huán) 境（如介質(zhì)、水）境（如介質(zhì)、水） 微裂紋和缺陷按本身的微裂紋和缺陷按本身的 規(guī)律發(fā)展，并消散能量規(guī)律發(fā)展，并消散能量 （2）破壞形式）破壞形式 5種基本破壞形種基本破壞形 式式 i) 基體斷裂基體斷裂 ii) 纖維斷裂纖維斷裂 iii) 纖維脫粘纖維脫粘 iv)纖維拔出纖維拔出(摩摩 擦功擦功) v) 裂紋擴(kuò)展與偏裂紋擴(kuò)展與偏 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 5 5種形式種形式 綜合體現(xiàn)綜合體現(xiàn) 復(fù)合材料的復(fù)合材料的 破壞與失效破壞與失效 復(fù)合材料的破壞機(jī)制則是上述復(fù)合材料的破壞機(jī)制則是上述5

19、5種基本破壞形式的組合與綜合種基本破壞形式的組合與綜合 體現(xiàn)的結(jié)果。體現(xiàn)的結(jié)果。 6.復(fù)合材料的界面理論復(fù)合材料的界面理論(the interface theories) （1）界面設(shè)計(jì)與控制的概念界面設(shè)計(jì)與控制的概念(design and control of interlayer) 界面具有雙重功能界面具有雙重功能 傳遞應(yīng)力，需要一定界面結(jié)合強(qiáng)度，但不是愈高愈好傳遞應(yīng)力，需要一定界面結(jié)合強(qiáng)度，但不是愈高愈好 界面破壞。界面結(jié)合適度，界面破壞形式愈豐富，能量界面破壞。界面結(jié)合適度，界面破壞形式愈豐富，能量 耗散愈多。高的界面粘接強(qiáng)度，不一定帶來(lái)材料整體的高強(qiáng)度耗散愈多。高的界面粘接強(qiáng)度，不一

20、定帶來(lái)材料整體的高強(qiáng)度 和高韌性。和高韌性。 在脆性纖維在脆性纖維-脆性基體復(fù)合體系中，強(qiáng)的界面結(jié)合往往導(dǎo)脆性基體復(fù)合體系中，強(qiáng)的界面結(jié)合往往導(dǎo) 致各組元相中及相間的應(yīng)力集中和脆性斷裂、破壞形式單一，致各組元相中及相間的應(yīng)力集中和脆性斷裂、破壞形式單一， 不涉及界面破壞，其能量耗散僅限于產(chǎn)生新的斷裂表面。材料不涉及界面破壞，其能量耗散僅限于產(chǎn)生新的斷裂表面。材料 易突然失效或發(fā)生災(zāi)難性破壞。弱的界面結(jié)合強(qiáng)度有時(shí)能帶來(lái)易突然失效或發(fā)生災(zāi)難性破壞。弱的界面結(jié)合強(qiáng)度有時(shí)能帶來(lái) 材料整體高的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。弱的界面結(jié)合可以發(fā)生多種界材料整體高的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。弱的界面結(jié)合可以發(fā)生多種界 面破壞形式（如

21、纖維拔出、脫粘、應(yīng)力再分配等），從而消耗面破壞形式（如纖維拔出、脫粘、應(yīng)力再分配等），從而消耗 大量的外界功，提高材料的強(qiáng)度和韌性，避免脆性斷裂或?yàn)?zāi)難大量的外界功，提高材料的強(qiáng)度和韌性，避免脆性斷裂或?yàn)?zāi)難 性破壞。性破壞。 因此，要求界面：因此，要求界面： . . 適宜的粘接強(qiáng)度適宜的粘接強(qiáng)度 最佳的界面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)最佳的界面結(jié)構(gòu)和狀態(tài) 與界面相聯(lián)系的理想的微觀破壞機(jī)制與界面相聯(lián)系的理想的微觀破壞機(jī)制 這就是所謂界面設(shè)計(jì)與界面控制的基本概念這就是所謂界面設(shè)計(jì)與界面控制的基本概念 （2）界面理論界面理論 浸潤(rùn)浸潤(rùn)理論理論 化學(xué)化學(xué)鍵理鍵理 優(yōu)先吸附理優(yōu)先吸附理 可變形層理論可變形層理論 束縛層理論

22、束縛層理論 每一理論只能部分解每一理論只能部分解 釋某些現(xiàn)象或某些結(jié)釋某些現(xiàn)象或某些結(jié) 果。都有一定局限性。果。都有一定局限性。 實(shí)際的界面現(xiàn)象復(fù)雜實(shí)際的界面現(xiàn)象復(fù)雜 的多，需多方面、多的多，需多方面、多 角度加以分析。迄今，角度加以分析。迄今， 未能建立一個(gè)統(tǒng)一的未能建立一個(gè)統(tǒng)一的 界面響應(yīng)理論模型。界面響應(yīng)理論模型。 第二章第二章 增增 強(qiáng)強(qiáng) 材材 料料 2008.8 2.1 概述概述 1. 增強(qiáng)材料是復(fù)合材料的主要組成部分，性能優(yōu)越。增強(qiáng)材料是復(fù)合材料的主要組成部分，性能優(yōu)越。 作用作用：提高基體樹脂的強(qiáng)度、硬度、模量、耐熱及耐磨性、：提高基體樹脂的強(qiáng)度、硬度、模量、耐熱及耐磨性、 減少

23、成型收縮率。減少成型收縮率。 2. 增強(qiáng)材料分類：增強(qiáng)材料分類： 無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料：gf、cf、bf、晶須、石棉、金屬纖維、晶須、石棉、金屬纖維、 (al2o3)f、 、sic)f 有機(jī)增強(qiáng)材料有機(jī)增強(qiáng)材料：kevlar纖維、聚苯并雙纖維、聚苯并雙噁噁唑纖維、唑纖維、uhmpe 纖維、聚酯纖維、棉、麻、紙等。纖維、聚酯纖維、棉、麻、紙等。 玻璃纖維玻璃纖維 低檔低檔 2040元元/kg 碳纖維碳纖維 高檔高檔 6001000元元/ kg 芳綸纖維芳綸纖維 中檔中檔 200400元元/ kg (sic)f bf ( al2o3)f 金屬絲金屬絲 金屬和陶瓷基金屬和陶瓷基 聚合物基復(fù)合材料

24、用增強(qiáng)材料所具備的特征聚合物基復(fù)合材料用增強(qiáng)材料所具備的特征 1.1.能明顯提高基體所需的某種性能（如高比強(qiáng)度、比模量、能明顯提高基體所需的某種性能（如高比強(qiáng)度、比模量、 尺寸穩(wěn)定性、耐熱性等）尺寸穩(wěn)定性、耐熱性等） 2.2.具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性 3.3.與樹脂有良好的浸潤(rùn)性，并能形成良好界面粘結(jié)與樹脂有良好的浸潤(rùn)性，并能形成良好界面粘結(jié) 4.4.價(jià)廉價(jià)廉 2.2 玻璃纖維玻璃纖維 玻璃纖維即纖維狀的玻璃，結(jié)構(gòu)與玻璃相同，是目前用量玻璃纖維即纖維狀的玻璃，結(jié)構(gòu)與玻璃相同，是目前用量 最大的一類纖維。價(jià)格便宜，拉伸強(qiáng)度高，防火防霉。在纖維最大的一類纖維。價(jià)格便宜，拉伸強(qiáng)度高，

25、防火防霉。在纖維 增強(qiáng)塑料（增強(qiáng)塑料（frp）中的用量一般為）中的用量一般為20-80%，缺點(diǎn)是脆性大、，缺點(diǎn)是脆性大、 不耐磨，易受機(jī)械損傷。不耐磨，易受機(jī)械損傷。 2.2.1 玻璃纖維的化學(xué)組成玻璃纖維的化學(xué)組成 1. 主要是主要是sio2、bo3、cao（降低拉絲溫度）、（降低拉絲溫度）、al2o3（提高（提高 耐水性）耐水性） 2. 成分不同，成分不同，gf的生產(chǎn)工藝和性質(zhì)不同，如：的生產(chǎn)工藝和性質(zhì)不同，如： 硅酸鹽玻璃（以硅酸鹽玻璃（以sio2為主）為主） 硼酸鹽玻璃（以硼酸鹽玻璃（以bo3為主）為主） 2.2.2 玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類 按含堿量（堿性氧化物含量）分按含堿量（

26、堿性氧化物含量）分 12%，有堿玻纖（，有堿玻纖（a玻纖）玻纖） 6-12%， 中堿玻纖中堿玻纖 2-6%， 低堿玻纖低堿玻纖 2%， 無(wú)堿玻纖（無(wú)堿玻纖（e玻纖）玻纖） 含堿量越高，玻璃越易熔、易抽絲、產(chǎn)品成本越低，但玻纖強(qiáng)度低含堿量越高，玻璃越易熔、易抽絲、產(chǎn)品成本越低，但玻纖強(qiáng)度低 按用途分：按用途分： s：高強(qiáng)玻璃纖維，用作結(jié)構(gòu)材料的增強(qiáng)：高強(qiáng)玻璃纖維，用作結(jié)構(gòu)材料的增強(qiáng) d：低介電纖維，電絕緣性及透波性好，用于雷達(dá)材料：低介電纖維，電絕緣性及透波性好，用于雷達(dá)材料 c：耐酸玻璃纖維，用于耐腐蝕件和蓄電池套管：耐酸玻璃纖維，用于耐腐蝕件和蓄電池套管 e：無(wú)堿玻璃纖維：無(wú)堿玻璃纖維 g：

27、抗堿玻璃纖維：抗堿玻璃纖維 a：普通有堿玻璃纖維：普通有堿玻璃纖維 2.2.3 玻璃纖維的物理和化學(xué)性質(zhì)玻璃纖維的物理和化學(xué)性質(zhì) 1. 物理性質(zhì)物理性質(zhì) a： 外觀是表面光滑的圓柱體，不利于與樹脂粘結(jié)外觀是表面光滑的圓柱體，不利于與樹脂粘結(jié) b：影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素 i）直徑越細(xì)，強(qiáng)度越高）直徑越細(xì)，強(qiáng)度越高 ii）存放時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越低（老化現(xiàn)象），原因是玻纖表）存放時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越低（老化現(xiàn)象），原因是玻纖表 面的微裂紋易吸附各種氣體、水蒸氣、易發(fā)生表面反面的微裂紋易吸附各種氣體、水蒸氣、易發(fā)生表面反 應(yīng)。老化程度取決于玻纖對(duì)大氣中水分等的穩(wěn)定性。應(yīng)。老化程度取決于

28、玻纖對(duì)大氣中水分等的穩(wěn)定性。 iii）耐磨性差，怕打折）耐磨性差，怕打折 2. 化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) i) 玻纖直徑越小，耐化學(xué)介質(zhì)性能越弱玻纖直徑越小，耐化學(xué)介質(zhì)性能越弱 ii) 玻纖化學(xué)組成影響其化學(xué)性能。玻纖化學(xué)組成影響其化學(xué)性能。 sio2含量越高，玻纖的化學(xué)穩(wěn)定性越好；堿金屬氧化含量越高，玻纖的化學(xué)穩(wěn)定性越好；堿金屬氧化 物含量越高，玻纖化學(xué)穩(wěn)定性降低。物含量越高，玻纖化學(xué)穩(wěn)定性降低。 增加氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦含量，能提高增加氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦含量，能提高 玻纖的耐酸性；增加氧化硅、氧化鈣、氧化鋯、氧化鋅含玻纖的耐酸性；增加氧化硅、氧化鈣、氧化鋯、氧化鋅含 量，能提

29、高玻纖的耐堿性能；增加氧化鋁、氧化鋯、氧化量，能提高玻纖的耐堿性能；增加氧化鋁、氧化鋯、氧化 鈦含量，可以提高玻纖的耐水性能。鈦含量，可以提高玻纖的耐水性能。 (1).力學(xué)性能力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度：比塊玻璃高一個(gè)數(shù)量級(jí)；抗拉強(qiáng)度：比塊玻璃高一個(gè)數(shù)量級(jí)； 直徑直徑d , 強(qiáng)度強(qiáng)度 ；長(zhǎng)度長(zhǎng)度 ，強(qiáng)度，強(qiáng)度 。 彈性模量：與鋁相當(dāng)，為鋼的彈性模量：與鋁相當(dāng)，為鋼的1/3倍。倍。 因密度低（因密度低（2.5），比模量高。），比模量高。 斷裂延伸率：低斷裂延伸率：低 （3% ） (2).熱學(xué)性能熱學(xué)性能 導(dǎo)熱系數(shù)：比塊玻璃低導(dǎo)熱系數(shù)：比塊玻璃低12個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí) 耐熱性耐熱性：普通普通na-ca-si

30、玻纖玻纖 500; 耐熱玻纖耐熱玻纖(石英，高硅氧石英，高硅氧) kf gf 抗沖擊性能很好?？箾_擊性能很好。 熱學(xué)性能熱學(xué)性能 長(zhǎng)期使用長(zhǎng)期使用 200 熱膨脹系數(shù)縱向?yàn)樨?fù)熱膨脹系數(shù)縱向?yàn)樨?fù) 化學(xué)性能化學(xué)性能 耐中性化學(xué)品腐蝕，吸水率高。耐中性化學(xué)品腐蝕，吸水率高。 強(qiáng)度高、模量高、韌性好、強(qiáng)度高、模量高、韌性好、 密度小、尺寸穩(wěn)定性高、密度小、尺寸穩(wěn)定性高、 熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性好 聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺（ppta）的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為單斜晶系，每個(gè)單胞內(nèi)含 有兩個(gè)大分子鏈，鏈間由氫鍵交聯(lián)形成晶片，只有很少量的非晶區(qū)，纖維 中的分子在縱向平行于纖維軸的取向，在橫向是平行于氫鍵的片層取向。 并且ppta

31、纖維還具有微纖結(jié)構(gòu)等超分子結(jié)構(gòu)這些更高層次的有序結(jié)構(gòu)有 利于纖維承受更大的載荷。 hn-nhcoco n hn-nhcoco n hn-nhcoco n hn-nhcoco n 芳綸編織布芳綸編織布芳綸復(fù)合防彈衣芳綸復(fù)合防彈衣芳綸纖維芳綸纖維 防彈頭盔防彈頭盔自行車鏈輪自行車鏈輪航空、航天器航空、航天器 航空航天、船舶、艦艇飛、汽車、建筑、航空航天、船舶、艦艇飛、汽車、建筑、 體育用品、纜繩、防彈制品體育用品、纜繩、防彈制品 應(yīng)用應(yīng)用 2.4 碳纖維碳纖維cf a) cf是聚合態(tài)的碳，是由丙烯氰等有機(jī)物經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)化是聚合態(tài)的碳，是由丙烯氰等有機(jī)物經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)化 成的三維碳化物成的三維碳化物

32、b) 通常通常cf是指含碳量為是指含碳量為95%的碳纖維和含碳量為的碳纖維和含碳量為99%左右左右 的石墨纖維的石墨纖維 c) 1959年，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司首先以人造絲為原料制出年，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司首先以人造絲為原料制出 cf；1962年日本以年日本以pan為原料制成為原料制成cf；1963年日本以瀝青為年日本以瀝青為 原料制成原料制成cf；1964年以后，年以后，cf向高強(qiáng)高模發(fā)展向高強(qiáng)高模發(fā)展 人造絲：人造絲：人造絲是一種絲質(zhì)的人造人造絲是一種絲質(zhì)的人造纖維，由纖維素（，由纖維素（cellulose）所構(gòu)成，而纖維）所構(gòu)成，而纖維 素是構(gòu)成素是構(gòu)成植物主要組成部分的有機(jī)主要組成部分的有

33、機(jī)化合物。 人造絲、棉 f) 分高強(qiáng)、高模、中模和低性能碳纖維分高強(qiáng)、高模、中模和低性能碳纖維 聚丙烯腈基纖維聚丙烯腈基纖維 高、中性能碳纖維高、中性能碳纖維 人造絲基人造絲基( (粘膠粘膠) )纖維纖維 瀝青基纖維瀝青基纖維 低性能碳纖維低性能碳纖維 其它其它( (多環(huán)結(jié)構(gòu)的天然纖維多環(huán)結(jié)構(gòu)的天然纖維) ) d) 具有重量輕、強(qiáng)度高、模量高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小、具有重量輕、強(qiáng)度高、模量高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小、 自潤(rùn)滑、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。自潤(rùn)滑、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 e) 由于價(jià)格高，一般用于要求高強(qiáng)、耐高溫的重要結(jié)構(gòu)件，由于價(jià)格高，一般用于要求高強(qiáng)、耐高溫的重要結(jié)構(gòu)

34、件， 如航天航空、高檔體育器材中。如航天航空、高檔體育器材中。 碳纖維和石墨纖維 碳纖維是指有機(jī)纖維在惰性氣氛中加熱至 1500攝氏度，形成的纖維狀的碳材料，其 含碳量為90%以上，纖維結(jié)構(gòu)為延軸向排 列的不完全的石磨結(jié)晶。 如果將碳纖維在2500攝氏度下進(jìn)一步碳化， 其含碳量大于99%，碳纖維由亂層結(jié)構(gòu)向 三維有序的石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，稱之為石墨纖 維。 根據(jù)原料不同，碳纖維的分類 聚丙烯氰碳纖維 瀝青基碳纖維 纖維素基碳纖維 酚醛基碳材料 其他有機(jī)纖維基碳纖維 碳纖維編織布碳纖維編織布 碳纖維板碳纖維板碳纖維碳纖維碳纖維編織環(huán)碳纖維編織環(huán) 碳管碳管 碳纖維高爾夫球桿碳纖維高爾夫球桿 碳纖維結(jié)構(gòu)件

35、碳纖維結(jié)構(gòu)件 碳纖維自行車碳纖維自行車 碳纖維齒輪碳纖維齒輪c/c軸承止推環(huán)軸承止推環(huán) 碳化法碳化法 生產(chǎn)長(zhǎng)纖維生產(chǎn)長(zhǎng)纖維 拉絲拉絲： 制有機(jī)長(zhǎng)纖維制有機(jī)長(zhǎng)纖維 牽伸牽伸： 規(guī)整環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其平行于軸向，提高結(jié)晶度。規(guī)整環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其平行于軸向，提高結(jié)晶度。 預(yù)氧化穩(wěn)定預(yù)氧化穩(wěn)定：低溫，：低溫，400 ，防止熱塑化。，防止熱塑化。 碳化碳化： 10002000，保護(hù)性氣氛下，保護(hù)性氣氛下，有機(jī)化合物在惰性有機(jī)化合物在惰性 氣氛中加熱到氣氛中加熱到1000-1500 c時(shí)，非碳原子（氮、氫、氧等）時(shí)，非碳原子（氮、氫、氧等） 將逐步被驅(qū)除，碳含量逐步增加，固相間發(fā)生一系列脫氫、將逐步被驅(qū)除，碳含

36、量逐步增加，固相間發(fā)生一系列脫氫、 環(huán)化、交鏈和縮聚等化學(xué)反應(yīng)，形成由小的亂層石墨晶體組環(huán)化、交鏈和縮聚等化學(xué)反應(yīng)，形成由小的亂層石墨晶體組 成的碳纖維。成的碳纖維。 制制 備備 石墨化：石墨化： 20003000，非碳原子進(jìn)一步排除，芳環(huán)平非碳原子進(jìn)一步排除，芳環(huán)平 面逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著提高。面逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著提高。亂層環(huán)結(jié)亂層環(huán)結(jié) 構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，形成聚合碳結(jié)晶，并平行于軸向，構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，形成聚合碳結(jié)晶，并平行于軸向， 此階段稱為石墨化過(guò)程。形成的石墨纖維彈性模量大大提此階段稱為石墨化過(guò)程。形成的石墨纖維彈性模量大大提 高。高。密度、強(qiáng)度也

37、增高，熱膨脹系數(shù)下降。但溫度過(guò)高強(qiáng)密度、強(qiáng)度也增高，熱膨脹系數(shù)下降。但溫度過(guò)高強(qiáng) 度反而下降。度反而下降。 聚丙烯氰原絲的生產(chǎn) （1）聚丙烯氰原絲的生產(chǎn)影響因素 原絲生產(chǎn)過(guò)程中影響質(zhì)量的因素 雜質(zhì)灰塵 聚合物的相對(duì)分子量 聚合物的結(jié)晶度、分子取向度對(duì)纖維的影響 （2）提高原絲質(zhì)量的方法 單體純度、紡絲液脫氣、環(huán)境干凈無(wú)灰塵、結(jié)晶 度取向度 聚丙烯氰原絲的預(yù)氧化 預(yù)氧化的目的：發(fā)生交聯(lián)、環(huán)化等化學(xué)反應(yīng)，放 出h2o、hcn等分解產(chǎn)物，形成耐熱的梯形結(jié)構(gòu)， 承受更高的碳化溫度，提高碳化收率、改善力學(xué) 性能 影響聚丙烯氰原絲預(yù)氧化的主要因素：溫度、處 理時(shí)間、氣氛介質(zhì)、牽引力 預(yù)氧化程度的控制 （1

38、）含氧量-適量，脫氫的必要，過(guò)量發(fā)生c的氧化 （2）芳構(gòu)化指數(shù)-隨著氧化的增加，x線衍射峰變化 （3）殘存氰基濃度-紅外光譜 （4）吸濕率-前后兩種材料的吸濕性能的區(qū)別 熱處理的溫度和時(shí)間 在不同溫度下，達(dá)到最佳預(yù)氧化的碳纖維 的性質(zhì)不同，溫度的選擇非常重要 連續(xù)升溫或者梯度升溫-大大縮短了預(yù)氧化 的時(shí)間 要求在較低溫度下進(jìn)行-避免劇烈放熱及熱 積累導(dǎo)致的局部過(guò)熱、纖維間相互融結(jié)， 適當(dāng)提高溫度可以提高生產(chǎn)效率 預(yù)氧化時(shí)間：lgt=5900/t-10.6+lg(d/1.85) 溫度和tex對(duì)預(yù)氧化時(shí)間的影響 p24頁(yè)一級(jí)反應(yīng)-溫度對(duì)反應(yīng)速度影 響很大 first order reaction

39、凡是反應(yīng)速度只與反應(yīng) 物濃度的一次方成正比的反應(yīng)。 反應(yīng)速度方程應(yīng)遵守下式： r = -dc/dt = kc 式中，k為反應(yīng)速度常數(shù)。 阿侖尼烏斯(arrhenius)方程 k=ae-e/rt a-頻率因子；e-為活化能；r-為氣體常數(shù) 預(yù)氧絲的碳化 碳化是在高純惰性氣體的保護(hù)下和一定的 張力下將預(yù)氧絲加熱到1000-1200攝氏度， 除去其中的非碳原子。碳化過(guò)程中發(fā)生： 交聯(lián)、環(huán)化、縮聚、芳構(gòu)化等反應(yīng)。 預(yù)處理和反應(yīng)氣氛 去除水分，水分高溫下會(huì)與碳纖維反應(yīng)，使 之強(qiáng)度降低 在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行，高純氬氣有利于丙烯氰 脫氮，但是成本太高 升溫速度，早期認(rèn)為升溫速率不能太快。 后來(lái)研究證明，快速碳化

40、也能得到高質(zhì)量 的碳纖維，梯度升溫 碳纖維的石墨化處理 碳纖維-1000攝氏度-1500攝氏度下，石墨纖維指 2000-3000，石墨纖維并不是完全的石墨結(jié)構(gòu)， 僅是處理溫度的不同，兩者統(tǒng)稱碳纖維 結(jié)晶增大、結(jié)晶態(tài)碳的比例增加，沿纖維軸取向 也增加-模量增加、強(qiáng)度下降、斷裂伸長(zhǎng)變小=脆 性材料 石墨化要求在高溫，短時(shí)間內(nèi)完成（原因是碳纖 維本身結(jié)構(gòu)已經(jīng)比較規(guī)整），增加壓力有利于得 到高質(zhì)量的纖維（增加壓力，減少碳蒸汽的揮 發(fā)），常溫纖維表面粗糙，有較多的空隙和缺陷 氣氛要求為氬氣，因?yàn)?000以上，氮?dú)馀c石墨反 應(yīng)生成氰基，氬氣要經(jīng)過(guò)特殊處理，防止氧氣的 帶入 碳纖維制備工藝流程碳纖維制備工藝

41、流程 基板法 氣相流動(dòng)法 氣相法氣相法 生產(chǎn)短纖維生產(chǎn)短纖維 高溫分解小分子有機(jī)物，氣相沉積纖維結(jié)晶。高溫分解小分子有機(jī)物，氣相沉積纖維結(jié)晶。 碳纖維熱處理溫度與強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系碳纖維熱處理溫度與強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系 力學(xué)性能力學(xué)性能高強(qiáng)、高模高強(qiáng)、高模 強(qiáng)度約強(qiáng)度約為為gf的的2倍倍 模量約為模量約為gf的的35倍倍 密度低密度低1.72，所以比強(qiáng)度、比模量高。，所以比強(qiáng)度、比模量高。 斷裂延伸率斷裂延伸率0.52% 熱學(xué)性能熱學(xué)性能 升華溫度高達(dá)升華溫度高達(dá)3800，耐高溫性好。熱膨脹系數(shù)小，縱向?yàn)樨?fù)。，耐高溫性好。熱膨脹系數(shù)小，縱向?yàn)樨?fù)。 物理性能物理性能 導(dǎo)熱、導(dǎo)電、自潤(rùn)滑。導(dǎo)熱、

42、導(dǎo)電、自潤(rùn)滑。 化學(xué)性能化學(xué)性能 耐酸堿性強(qiáng)，高溫抗氧化性差。耐酸堿性強(qiáng)，高溫抗氧化性差。c纖維電極電位為正，與金纖維電極電位為正，與金 屬?gòu)?fù)合易引起電偶腐蝕。屬?gòu)?fù)合易引起電偶腐蝕。 性性 能能 cf的突出特點(diǎn)的突出特點(diǎn) i） 怕打折、急轉(zhuǎn)彎怕打折、急轉(zhuǎn)彎 ii） 價(jià)高價(jià)高 iii） 目前制造方面發(fā)展趨勢(shì)：向大集束方向發(fā)展以降低成本，目前制造方面發(fā)展趨勢(shì)：向大集束方向發(fā)展以降低成本， 每束可達(dá)每束可達(dá)32萬(wàn)根萬(wàn)根 iv) 表面惰性，與樹脂粘結(jié)差表面惰性，與樹脂粘結(jié)差 cf的表面處理的表面處理 處理原因處理原因 cf是沿軸向擇優(yōu)取向的同質(zhì)多晶，與樹脂粘結(jié)差是沿軸向擇優(yōu)取向的同質(zhì)多晶，與樹脂粘結(jié)差

43、 表面呈惰性，樹脂難以潤(rùn)濕表面呈惰性，樹脂難以潤(rùn)濕 具有自潤(rùn)滑性具有自潤(rùn)滑性 處理目的處理目的 增加表面粗糙度、增加表面活性基團(tuán)、提高復(fù)合材料的層增加表面粗糙度、增加表面活性基團(tuán)、提高復(fù)合材料的層 間剪切強(qiáng)度間剪切強(qiáng)度 氧化處理氧化處理 氧等離子氣體的干法氧化氧等離子氣體的干法氧化 化學(xué)或電解進(jìn)行的濕法氧化化學(xué)或電解進(jìn)行的濕法氧化 非氧化處非氧化處 理理 表面沉積無(wú)定型碳表面沉積無(wú)定型碳 化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（cvdcvd）法加涂法加涂 碳化硅、碳化硼、碳化鉻等碳化硅、碳化硼、碳化鉻等 等離子體氣體聚合及共聚涂層等離子體氣體聚合及共聚涂層 改性改性 高效晶須化高效晶須化 碳纖維氧化處理后

44、：碳纖維氧化處理后： 能改善碳纖維表面與基體的能改善碳纖維表面與基體的浸潤(rùn)性、相容性浸潤(rùn)性、相容性 能在表面形成許多活性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)能與樹脂能在表面形成許多活性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)能與樹脂 基體形成基體形成化學(xué)鍵合化學(xué)鍵合 非氧化處理，主要用于非氧化處理，主要用于c/c復(fù)合、復(fù)合、cmc、mmc復(fù)合體系復(fù)合體系 處理方法處理方法 碳纖維表面官能團(tuán)與樹脂之間相互作用示意圖碳纖維表面官能團(tuán)與樹脂之間相互作用示意圖 cf的應(yīng)用的應(yīng)用 航空航天、交通運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)器材、航空航天、交通運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)器材、 化工領(lǐng)域（耐腐蝕的泵、閥、管道、罐等）化工領(lǐng)域（耐腐蝕的泵、閥、管道、罐等） 2.5 聚苯并雙聚苯并雙

45、噁噁唑唑（pbo）纖維纖維 ho oh h2nnh2 2hcl cl-c-c-cl o o + n o n o n pbo具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、阻燃等優(yōu)異特性。具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、阻燃等優(yōu)異特性。 最初由美國(guó)最初由美國(guó)dow化學(xué)研制，后經(jīng)日本東洋紡織公司開發(fā)?；瘜W(xué)研制，后經(jīng)日本東洋紡織公司開發(fā)。 pbo纖維的拉伸強(qiáng)度和模量是纖維的拉伸強(qiáng)度和模量是kevlar纖維的纖維的2倍，強(qiáng)度是鋼絲的倍，強(qiáng)度是鋼絲的 10倍。倍。 2,6-二氨基間苯二酚鹽二氨基間苯二酚鹽 對(duì)苯二甲酰氯對(duì)苯二甲酰氯 結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能 1. 分子結(jié)構(gòu)決定其具有突出的耐熱性（分子結(jié)構(gòu)決定其具有突出的耐熱性（tf=650

46、oc)、長(zhǎng)期使用溫、長(zhǎng)期使用溫 度度300oc，短期使用溫度，短期使用溫度500-550oc。 2. 纖維成纖時(shí)分子沿軸向高度取向，強(qiáng)度模量高纖維成纖時(shí)分子沿軸向高度取向，強(qiáng)度模量高 3. 結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)中的-c=n-雙鍵使之具有良好的阻燃性能，極限氧指數(shù)在雙鍵使之具有良好的阻燃性能，極限氧指數(shù)在 有機(jī)纖維中最高，達(dá)有機(jī)纖維中最高，達(dá)68 4. 耐稀釋性能好，耐有機(jī)溶劑、耐堿性好，但不耐酸，耐光性耐稀釋性能好，耐有機(jī)溶劑、耐堿性好，但不耐酸，耐光性 差差 應(yīng)應(yīng) 用用 1. bpo纖維產(chǎn)品的形式有長(zhǎng)絲、短切纖維、加捻紗。主要應(yīng)纖維產(chǎn)品的形式有長(zhǎng)絲、短切纖維、加捻紗。主要應(yīng) 用在兩大方面：利用其高強(qiáng)

47、、高模、突出的尺寸穩(wěn)定制造張用在兩大方面：利用其高強(qiáng)、高模、突出的尺寸穩(wěn)定制造張 緊、輔助材料和防彈制品；利用其耐熱性制造防護(hù)服緊、輔助材料和防彈制品；利用其耐熱性制造防護(hù)服 具體講：具體講： 張緊材料：繩索、纜繩、代替鋼絲用于輪胎張緊材料：繩索、纜繩、代替鋼絲用于輪胎 高性能帆布：賽艇用帆布高性能帆布：賽艇用帆布 運(yùn)動(dòng)器材：網(wǎng)球拍、滑雪杖、弓箭、騎馬套裝運(yùn)動(dòng)器材：網(wǎng)球拍、滑雪杖、弓箭、騎馬套裝 消防服消防服 宇航領(lǐng)域：扣子、帶子等宇航領(lǐng)域：扣子、帶子等 2.6 超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯（uhmw-pe）纖維纖維 uhmw-pe是以超高分子量是以超高分子量pe為原料，采用凝膠紡為原料，采用凝膠紡 絲法絲法-超倍拉伸技術(shù)制得。超倍拉伸技術(shù)制得。 uhmw-pe具有高模量、高耐磨性、高韌性和優(yōu)良的自潤(rùn)具有高模量、高耐磨性、高韌性和優(yōu)良的自潤(rùn) 滑性。滑性。 突出性能突出性能是耐磨性（在聚合物中最高）、耐沖擊性是耐磨性（在聚合物中最高）、耐沖擊性 優(yōu)異的介電性能、耐化學(xué)性能優(yōu)異的介電性能、耐化學(xué)性能 2.6.1 uhmw-pe