聚合物復(fù)合材料(第四章結(jié)構(gòu)與性能)

1、 1 1 聚合物基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)聚合物基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 2 2 聚合物基復(fù)合材料的性能聚合物基復(fù)合材料的性能 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的組分相所組成。組分相復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的組分相所組成。組分相 由性質(zhì)、形態(tài)和分布狀態(tài)的不同，可形成不同結(jié)構(gòu)類型的由性質(zhì)、形態(tài)和分布狀態(tài)的不同，可形成不同結(jié)構(gòu)類型的 復(fù)合材料。復(fù)合材料。 在復(fù)合材料，基體通常是三維連續(xù)的物質(zhì)，也就是將不在復(fù)合材料，基體通常是三維連續(xù)的物質(zhì)，也就是將不 同組分相形成整體材料的物質(zhì)，而另一個(gè)（或幾個(gè)）以獨(dú)同組分相形成整體材料的物質(zhì)，而另一個(gè)（或幾個(gè)）以獨(dú) 立的形態(tài)分布于整個(gè)連續(xù)相中的相稱為立的形態(tài)分布于整個(gè)連續(xù)相中的相稱為

2、分散相分散相。 對(duì)于對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，分散相的強(qiáng)度、模量通常高于基體，分散相的強(qiáng)度、模量通常高于基體 相，分散相當(dāng)加入往往使復(fù)合材料的力學(xué)性能高于基體相，相，分散相當(dāng)加入往往使復(fù)合材料的力學(xué)性能高于基體相， 故人們習(xí)慣地把這類分散相稱為故人們習(xí)慣地把這類分散相稱為增強(qiáng)體增強(qiáng)體。 對(duì)于對(duì)于功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料，分散相往往賦予復(fù)合材料以特殊的，分散相往往賦予復(fù)合材料以特殊的 化學(xué)或物理機(jī)械功能，故稱之為化學(xué)或物理機(jī)械功能，故稱之為功能體功能體。 聚合物基復(fù)合材料由聚合物與粒子填料或纖維狀填料組聚合物基復(fù)合材料由聚合物與粒子填料或纖維狀填料組 成，通常形成成，通常形成聚合物為連續(xù)相，

3、填料、纖維為分散相，聚合物為連續(xù)相，填料、纖維為分散相，個(gè)個(gè) 別的形成兩相共連續(xù)結(jié)構(gòu)別的形成兩相共連續(xù)結(jié)構(gòu) 顆粒填充聚合物復(fù)合材料：顆粒填充聚合物復(fù)合材料：無機(jī)粒子為分散相、聚合物為無機(jī)粒子為分散相、聚合物為 連續(xù)相連續(xù)相 各向異性各向異性 纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料：纖維為分散相、聚合物為連續(xù)纖維為分散相、聚合物為連續(xù) 相相 連通性：連通性：復(fù)合體系中的任何相，在空間的零維、一復(fù)合體系中的任何相，在空間的零維、一 維、二維或三維方向上是相互連通的。維、二維或三維方向上是相互連通的。 任意彌散和孤立的顆粒的連通性為任意彌散和孤立的顆粒的連通性為0 0，是零維材料，是零維

4、材料（0 0維）維） 而包圍它們的介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)體狀的連續(xù)材料，連通性為而包圍它們的介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)體狀的連續(xù)材料，連通性為3 3， 即是三維材料即是三維材料（3 3維）維） 纖維狀材料的連通性為纖維狀材料的連通性為1 1，是一維材料，是一維材料（1 1維）維） 相應(yīng)的片狀材料連通性為相應(yīng)的片狀材料連通性為2 2，即二維材料，即二維材料（2 2維）維） 按照按照連通性連通性，理論上可以把復(fù)合材料劃分為以下幾種，理論上可以把復(fù)合材料劃分為以下幾種 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 各向同各向同 性性 各向異各向異 性性 無規(guī)分散無規(guī)分散（彌散）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（含顆粒、（彌散）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（含顆粒、 晶須、短纖維）晶須、短纖維） 連續(xù)長(zhǎng)

5、纖連續(xù)長(zhǎng)纖單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（單向板）單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（單向板） 層合層合( (板板) )結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)( (二維織布或連續(xù)纖維鋪二維織布或連續(xù)纖維鋪 層，每層層，每層不同不同) ) 三維編織體三維編織體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)結(jié)構(gòu) 夾層夾層結(jié)構(gòu)（蜂窩夾層等）結(jié)構(gòu)（蜂窩夾層等） 混雜混雜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 增強(qiáng)體的排增強(qiáng)體的排 列方式列方式 彌散結(jié)構(gòu)彌散結(jié)構(gòu) 顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng) 短纖維增強(qiáng)短纖維增強(qiáng)片狀物增強(qiáng)片狀物增強(qiáng) 單向板結(jié)構(gòu)單向板結(jié)構(gòu) 單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料示意圖單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料示意圖 連續(xù)纖維在基體中呈連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排同向平行排 列列的復(fù)合材料叫單向連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料叫單向連續(xù)纖維增強(qiáng) 復(fù)合材料（單

6、向板）。復(fù)合材料（單向板）。 沿纖維方向具有較高的強(qiáng)度，與纖沿纖維方向具有較高的強(qiáng)度，與纖 維任意夾角方向的強(qiáng)度明顯下降。維任意夾角方向的強(qiáng)度明顯下降。 層合（板）結(jié)構(gòu)層合（板）結(jié)構(gòu) 雙向板雙向板 正交織物增強(qiáng)（雙向板）正交織物增強(qiáng)（雙向板） 多向板多向板 層向強(qiáng)度最差層向強(qiáng)度最差 三維正交非織造的纖維結(jié)構(gòu) (a)非線性法平面增強(qiáng)非線性法平面增強(qiáng) (b) 一種開式格狀結(jié)構(gòu)一種開式格狀結(jié)構(gòu) (c）一種柔性結(jié)構(gòu)）一種柔性結(jié)構(gòu) 管、容器的螺旋纏繞、平面纏繞線型管、容器的螺旋纏繞、平面纏繞線型 (a)(b)(c) 三維編織纖維結(jié)構(gòu)三維編織纖維結(jié)構(gòu) 厚度方向有增強(qiáng)纖維，可以獲得較高的層間強(qiáng)度厚度方向有增

7、強(qiáng)纖維，可以獲得較高的層間強(qiáng)度 夾層夾層 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 夾層結(jié)構(gòu)一般都是夾層結(jié)構(gòu)一般都是由由高強(qiáng)度的蒙皮高強(qiáng)度的蒙皮( (表層表層) )與與輕質(zhì)芯材輕質(zhì)芯材組成組成 的一種的一種結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料。 由于芯材的容重由于芯材的容重 小，用它制成的小，用它制成的 夾層結(jié)構(gòu)，能在夾層結(jié)構(gòu)，能在 同樣承載能力下同樣承載能力下 ，大大減輕結(jié)構(gòu)，大大減輕結(jié)構(gòu) 的自重。的自重。 混雜混雜復(fù)復(fù) 合材料合材料 的混雜的混雜 類型類型 與傳統(tǒng)的均質(zhì)材料相比，聚合物復(fù)合材料具有許多優(yōu)與傳統(tǒng)的均質(zhì)材料相比，聚合物復(fù)合材料具有許多優(yōu) 異的性能：異的性能： 1 1、設(shè)計(jì)制造方法有許多優(yōu)點(diǎn)：投資少、上馬快、設(shè)、設(shè)計(jì)制造方法有許多

8、優(yōu)點(diǎn)：投資少、上馬快、設(shè) 計(jì)自由度大、成型簡(jiǎn)單、制品尺寸不限、著色自由等；計(jì)自由度大、成型簡(jiǎn)單、制品尺寸不限、著色自由等； 2 2、具有優(yōu)異的基本性能：比強(qiáng)度和比剛度高、電性、具有優(yōu)異的基本性能：比強(qiáng)度和比剛度高、電性 能和熱性能良好、耐化學(xué)腐蝕性良好、耐水性優(yōu)異、能和熱性能良好、耐化學(xué)腐蝕性良好、耐水性優(yōu)異、 耐候性和耐紫外線性良好、阻燃性和半透明、透明等耐候性和耐紫外線性良好、阻燃性和半透明、透明等 特點(diǎn)。特點(diǎn)。 影響復(fù)合材料性能的因素：影響復(fù)合材料性能的因素： 增強(qiáng)材料的強(qiáng)度及彈性模量、基體材料的強(qiáng)度及化學(xué)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度及彈性模量、基體材料的強(qiáng)度及化學(xué) 穩(wěn)定性等是決定復(fù)合材料性能的最主要

9、因素；穩(wěn)定性等是決定復(fù)合材料性能的最主要因素； 原材料選定，增強(qiáng)材料的含量及其排布方式與方向又原材料選定，增強(qiáng)材料的含量及其排布方式與方向又 躍居重要地位；躍居重要地位； 此外，采用不同的成型工藝，制品性能亦有較大差異；此外，采用不同的成型工藝，制品性能亦有較大差異； 最后，增強(qiáng)纖維與基體樹脂的界面粘結(jié)狀況很大程度最后，增強(qiáng)纖維與基體樹脂的界面粘結(jié)狀況很大程度 上影響復(fù)合材料的性能。上影響復(fù)合材料的性能。 基體材料力學(xué)性能對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響?；w材料力學(xué)性能對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。 縱向拉伸強(qiáng)度縱向拉伸強(qiáng)度 弱弱 縱向壓縮強(qiáng)度縱向壓縮強(qiáng)度 強(qiáng)強(qiáng) 橫向拉伸強(qiáng)度橫向拉伸強(qiáng)度 強(qiáng)強(qiáng) 橫向壓縮

10、強(qiáng)度橫向壓縮強(qiáng)度 弱弱 邊緣剪切強(qiáng)度邊緣剪切強(qiáng)度 強(qiáng)強(qiáng) 層間剪切強(qiáng)度層間剪切強(qiáng)度 很強(qiáng)很強(qiáng) 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度 弱、強(qiáng)弱、強(qiáng) 復(fù)合效應(yīng)：復(fù)合效應(yīng)：對(duì)于由對(duì)于由A A、B B兩種原材料復(fù)合而成的材料兩種原材料復(fù)合而成的材料C C，其，其 性能既包含性能既包含A A、B B兩種原材料所固有的性能，又具有兩種原材料所固有的性能，又具有A A、B B兩種兩種 原材料所不具備的新性能。原材料所不具備的新性能。 源于耦合：源于耦合：原相材料及其所形成的界面相互作用、相互原相材料及其所形成的界面相互作用、相互 依存、相互補(bǔ)充的結(jié)果。依存、相互補(bǔ)充的結(jié)果。 復(fù)合效應(yīng)表現(xiàn)為復(fù)合材料的性能在其組分材料基礎(chǔ)上的復(fù)合效

11、應(yīng)表現(xiàn)為復(fù)合材料的性能在其組分材料基礎(chǔ)上的線線 性性和和非線性非線性的綜合。的綜合。 復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng) 復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng) 線性效應(yīng)線性效應(yīng)非線性效應(yīng)非線性效應(yīng) 平均效應(yīng)平均效應(yīng)相乘效應(yīng)相乘效應(yīng) 平行效應(yīng)平行效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng) 相補(bǔ)效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)共振效應(yīng)共振效應(yīng) 相抵效應(yīng)相抵效應(yīng)系統(tǒng)效應(yīng)系統(tǒng)效應(yīng) 不同復(fù)合效應(yīng)的類別不同復(fù)合效應(yīng)的類別 復(fù)合材料的性質(zhì)復(fù)合材料的性質(zhì) 與增強(qiáng)組元（功與增強(qiáng)組元（功 能組元）的含量能組元）的含量 有線性關(guān)系有線性關(guān)系 符合混合規(guī)則符合混合規(guī)則 正效應(yīng)正效應(yīng) 負(fù)效應(yīng)負(fù)效應(yīng) 突變突變 復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng) 1.1.平均效應(yīng)：平均效應(yīng)：復(fù)合

12、材料的某項(xiàng)性能等于各組分的該項(xiàng)復(fù)合材料的某項(xiàng)性能等于各組分的該項(xiàng) 性能乘以該組分體積分?jǐn)?shù)之加和。性能乘以該組分體積分?jǐn)?shù)之加和。 表示為：表示為：Pc=PmVm+PfVf，式中，式中P為材料性能，為材料性能，V為材料體為材料體 積含量，角標(biāo)積含量，角標(biāo)c、m、f分別表示復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體。分別表示復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體。 如復(fù)合材料的彈性模量，若用如復(fù)合材料的彈性模量，若用混合率混合率來表示，則為：來表示，則為： Ec=EmVm+EfVf 線性效應(yīng)線性效應(yīng) 復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng) 2.2.平行效應(yīng)：平行效應(yīng)：即組成復(fù)合材料的各組分在復(fù)合材料中，即組成復(fù)合材料的各組分在復(fù)合材料中

13、， 均保留本身的作用，既無制約也無補(bǔ)償。均保留本身的作用，既無制約也無補(bǔ)償。 Kc Ki 對(duì)于對(duì)于增強(qiáng)體（如纖維）增強(qiáng)體（如纖維）與與基體界面結(jié)合很弱的復(fù)合材料基體界面結(jié)合很弱的復(fù)合材料所顯示所顯示 的復(fù)合效應(yīng)，可以看作是平行效應(yīng)。的復(fù)合效應(yīng)，可以看作是平行效應(yīng)。 3.3.相補(bǔ)效應(yīng)：相補(bǔ)效應(yīng)：組成復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體，在性能上組成復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體，在性能上 能互補(bǔ)，從而提高了綜合性能，則顯示出相補(bǔ)效應(yīng)。能互補(bǔ)，從而提高了綜合性能，則顯示出相補(bǔ)效應(yīng)。C = AB 對(duì)于脆性的高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)體與韌性基體復(fù)合時(shí)，兩相間若能得到對(duì)于脆性的高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)體與韌性基體復(fù)合時(shí)，兩相間若能得到 適宜的結(jié)

14、合而形成的復(fù)合材料，其性能顯示為增強(qiáng)體與基體的互補(bǔ)。適宜的結(jié)合而形成的復(fù)合材料，其性能顯示為增強(qiáng)體與基體的互補(bǔ)。 線性效應(yīng)線性效應(yīng) 復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng) 4.4.相抵效應(yīng)：相抵效應(yīng)：基體與增強(qiáng)體組成復(fù)合材料時(shí)，若組分間基體與增強(qiáng)體組成復(fù)合材料時(shí)，若組分間 能相互制約，限制了整體性能提高，則復(fù)合后顯示出相抵能相互制約，限制了整體性能提高，則復(fù)合后顯示出相抵 效應(yīng)。效應(yīng)。Kc PC PSF PC POM PA66 PA6POM PA66 PA6。 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) a 基本符合混合規(guī)則基本符合混合規(guī)則 acam（1Vf ）afVf 實(shí)際復(fù)合材料的實(shí)際復(fù)合材料的a比上式計(jì)算值還小

15、，這是與填料粒子束縛比上式計(jì)算值還小，這是與填料粒子束縛 了其周圍聚合物的運(yùn)動(dòng)有關(guān)；了其周圍聚合物的運(yùn)動(dòng)有關(guān)； 一般無機(jī)填料的一般無機(jī)填料的a比聚合物比聚合物a低低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，填充材個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，填充材 料的料的a較純聚合物的小得多，而與金屬的較純聚合物的小得多，而與金屬的a接近；接近； 通常通常a降低會(huì)使成型收縮率降低，制品尺寸精度提高；對(duì)于降低會(huì)使成型收縮率降低，制品尺寸精度提高；對(duì)于 纖維增強(qiáng)材料，流動(dòng)方向與橫向方向的纖維增強(qiáng)材料，流動(dòng)方向與橫向方向的a有異，于是產(chǎn)生翹有異，于是產(chǎn)生翹 曲，尺寸穩(wěn)定性反而會(huì)因此變差；曲，尺寸穩(wěn)定性反而會(huì)因此變差； 復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)復(fù)合材料

16、的熱膨脹系數(shù)取決于樹脂基體取決于樹脂基體，但還與纖維含量，但還與纖維含量 有關(guān)，纖維含量越高，其熱膨脹系數(shù)越小。有關(guān)，纖維含量越高，其熱膨脹系數(shù)越小。 復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)K K在理論上也符合混合規(guī)則在理論上也符合混合規(guī)則 KcKm（1Vf ）KfVf 實(shí)際上由于填料的形態(tài)等因素不同而導(dǎo)熱系數(shù)有所不同，實(shí)際上由于填料的形態(tài)等因素不同而導(dǎo)熱系數(shù)有所不同， 也對(duì)上式提出修正也對(duì)上式提出修正 填料的導(dǎo)熱系數(shù)一般比聚合物大，因此，復(fù)合塑料的導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)一般比聚合物大，因此，復(fù)合塑料的導(dǎo)熱 系數(shù)通常比單純聚合物大系數(shù)通常比單純聚合物大 導(dǎo)熱系數(shù)的增加有利于導(dǎo)熱

17、系數(shù)的增加有利于提高成型速度提高成型速度和制備導(dǎo)熱性材料和制備導(dǎo)熱性材料 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù) 熱變形溫度（熱變形溫度（HDT）是衡量材料的耐熱性和使用溫度）是衡量材料的耐熱性和使用溫度 高低的一個(gè)重要指標(biāo)（是指在高低的一個(gè)重要指標(biāo)（是指在18.6Kg/cm2負(fù)荷下的負(fù)荷下的HDT） 填料的加入提高基體的熱變形溫度，但其與基體樹脂填料的加入提高基體的熱變形溫度，但其與基體樹脂 的性質(zhì)有很大關(guān)系：的性質(zhì)有很大關(guān)系： 復(fù)合材料的熱變形溫度復(fù)合材料的熱變形溫度 原因：結(jié)晶性樹脂復(fù)合材料的原因：結(jié)晶性樹脂復(fù)合材料的HDTHDT主要由樹脂熔點(diǎn)來控制，未主要由樹脂熔點(diǎn)來控制，未 填充前其填

18、充前其HDTHDT受鏈段運(yùn)動(dòng)影響而比其熔點(diǎn)低得多。填充填料后，受鏈段運(yùn)動(dòng)影響而比其熔點(diǎn)低得多。填充填料后， 填料限制其鏈段運(yùn)動(dòng)而填料限制其鏈段運(yùn)動(dòng)而HDTHDT明顯提高明顯提高 a a、結(jié)晶性樹脂如、結(jié)晶性樹脂如PPPP、PAPA、PBTPBT、PPSPPS、PEEKPEEK等，加入等，加入 填料后可使填料后可使HDTHDT大幅度提高，接近其熔點(diǎn)大幅度提高，接近其熔點(diǎn) b b、結(jié)晶性聚合物復(fù)合材料、結(jié)晶性聚合物復(fù)合材料HDTHDT提高程度與其剛性提高提高程度與其剛性提高 程度有密切關(guān)系，提高復(fù)合材料的剛性，同樣提高其程度有密切關(guān)系，提高復(fù)合材料的剛性，同樣提高其 HDTHDT c c、非晶性樹脂如、非晶性樹脂如PSPS、PCPC、P