聚合物復合材料第四章結構與性能

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

2、于對于結構復合材料結構復合材料，分散相的強度、模量通常高于基體，分散相的強度、模量通常高于基體相，分散相當加入往往使復合材料的力學性能高于基體相，相，分散相當加入往往使復合材料的力學性能高于基體相，故人們習慣地把這類分散相稱為故人們習慣地把這類分散相稱為增強體增強體。對于對于功能復合材料功能復合材料，分散相往往賦予復合材料以特殊的，分散相往往賦予復合材料以特殊的化學或物理機械功能，故稱之為化學或物理機械功能，故稱之為功能體功能體。聚合物基復合材料由聚合物與粒子填料或纖維狀填料組聚合物基復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，填料、纖維為分散相，聚合物為連

3、續(xù)相，填料、纖維為分散相，個個別的形成兩相共連續(xù)結構別的形成兩相共連續(xù)結構顆粒填充聚合物復合材料：顆粒填充聚合物復合材料：無機粒子為分散相、聚合物為無機粒子為分散相、聚合物為連續(xù)相連續(xù)相各向異性各向異性纖維增強聚合物基復合材料：纖維增強聚合物基復合材料：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：復合體系中的任何相，在空間的零維、一復合體系中的任何相，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，是零維材料（0 0維）維）而包圍它們的介質是網(wǎng)絡體狀的

4、連續(xù)材料，連通性為而包圍它們的介質是網(wǎng)絡體狀的連續(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）相應的片狀材料連通性為相應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，理論上可以把復合材料劃分為以下幾種，理論上可以把復合材料劃分為以下幾種結構：結構：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）增強結構（含顆粒、（彌散）增強結構（含顆粒、晶須、短纖維）晶須、短纖維）連續(xù)長纖連續(xù)長纖單向增強結構（單向板）單向增強結構（單向板）層合層合( (板板)

5、 )結構結構( (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結構增強結構夾層夾層結構（蜂窩夾層等）結構（蜂窩夾層等）混雜混雜結構結構增強體的排增強體的排列方式列方式彌散結構彌散結構顆粒增強顆粒增強短纖維增強短纖維增強片狀物增強片狀物增強單向板結構單向板結構單向連續(xù)纖維增強復合材料示意圖單向連續(xù)纖維增強復合材料示意圖 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合材料叫單向連續(xù)纖維增強的復合材料叫單向連續(xù)纖維增強復合材料（單向板）。復合材料（單向板）。 沿纖維方向具有較高的強度，與纖沿纖維方向具有較高的強度，與纖維任意夾角方

6、向的強度明顯下降。維任意夾角方向的強度明顯下降。層合（板）結構層合（板）結構雙向板雙向板正交織物增強（雙向板）正交織物增強（雙向板）多向板多向板層向強度最差層向強度最差 三維正交非織造的纖維結構 (a)非線性法平面增強非線性法平面增強 (b) 一種開式格狀結構一種開式格狀結構 (c）一種柔性結構）一種柔性結構管、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)三維編織纖維結構三維編織纖維結構厚度方向有增強纖維，可以獲得較高的層間強度厚度方向有增強纖維，可以獲得較高的層間強度夾層夾層結構結構 夾層結構一般都是夾層結構一般都是由由高強度的蒙皮高強度的蒙皮( (表層表層

7、) )與與輕質芯材輕質芯材組成組成的一種的一種結構材料結構材料。由于芯材的容重由于芯材的容重小，用它制成的小，用它制成的夾層結構，能在夾層結構，能在同樣承載能力下同樣承載能力下，大大減輕結構，大大減輕結構的自重。的自重?；祀s混雜復復合材料合材料的混雜的混雜類型類型 與傳統(tǒng)的均質材料相比，聚合物復合材料具有許多優(yōu)與傳統(tǒng)的均質材料相比，聚合物復合材料具有許多優(yōu)異的性能：異的性能： 1 1、設計制造方法有許多優(yōu)點：投資少、上馬快、設、設計制造方法有許多優(yōu)點：投資少、上馬快、設計自由度大、成型簡單、制品尺寸不限、著色自由等；計自由度大、成型簡單、制品尺寸不限、著色自由等； 2 2、具有優(yōu)異的基本性能：

8、比強度和比剛度高、電性、具有優(yōu)異的基本性能：比強度和比剛度高、電性能和熱性能良好、耐化學腐蝕性良好、耐水性優(yōu)異、能和熱性能良好、耐化學腐蝕性良好、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。特點。影響復合材料性能的因素：影響復合材料性能的因素：增強材料的強度及彈性模量、基體材料的強度及化學增強材料的強度及彈性模量、基體材料的強度及化學穩(wěn)定性等是決定復合材料性能的最主要因素；穩(wěn)定性等是決定復合材料性能的最主要因素； 原材料選定，增強材料的含量及其排布方式與方向又原材料選定，增強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

9、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，增強纖維與基體樹脂的界面粘結狀況很大程度最后，增強纖維與基體樹脂的界面粘結狀況很大程度上影響復合材料的性能。上影響復合材料的性能。 基體材料力學性能對復合材料力學性能的影響。基體材料力學性能對復合材料力學性能的影響。 縱向拉伸強度縱向拉伸強度 弱弱 縱向壓縮強度縱向壓縮強度 強強 橫向拉伸強度橫向拉伸強度 強強 橫向壓縮強度橫向壓縮強度 弱弱 邊緣剪切強度邊緣剪切強度 強強 層間剪切強度層間剪切強度 很強很強 彎曲強度彎曲強度 弱、強弱、強復合效應：復合效應：對于由對于由a a、b b兩

10、種原材料復合而成的材料兩種原材料復合而成的材料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、相互補充的結果。依存、相互補充的結果。復合效應表現(xiàn)為復合材料的性能在其組分材料基礎上的復合效應表現(xiàn)為復合材料的性能在其組分材料基礎上的線線性性和和非線性非線性的綜合。的綜合。復合材料的復合效應復合材料的復合效應復合效應復合效應線性效應線性效應非線性效應非線性效應平均效應平均

11、效應相乘效應相乘效應平行效應平行效應誘導效應誘導效應相補效應相補效應共振效應共振效應相抵效應相抵效應系統(tǒng)效應系統(tǒng)效應不同復合效應的類別不同復合效應的類別復合材料的性質復合材料的性質與增強組元（功與增強組元（功能組元）的含量能組元）的含量有線性關系有線性關系符合混合規(guī)則符合混合規(guī)則正效應正效應負效應負效應突變突變復合材料的復合效應復合材料的復合效應1.1.平均效應：平均效應：復合材料的某項性能等于各組分的該項復合材料的某項性能等于各組分的該項性能乘以該組分體積分數(shù)之加和。性能乘以該組分體積分數(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

12、積含量，角標積含量，角標c、m、f分別表示復合材料、基體和增強體。分別表示復合材料、基體和增強體。如復合材料的彈性模量，若用如復合材料的彈性模量，若用混合率混合率來表示，則為：來表示，則為：ec=emvm+efvf線性效應線性效應復合材料的復合效應復合材料的復合效應2.2.平行效應：平行效應：即組成復合材料的各組分在復合材料中，即組成復合材料的各組分在復合材料中，均保留本身的作用，既無制約也無補償。均保留本身的作用，既無制約也無補償。 kc ki 對于對于增強體（如纖維）增強體（如纖維）與與基體界面結合很弱的復合材料基體界面結合很弱的復合材料所顯示所顯示的復合效應，可以看作是平行效應。的復合效

13、應，可以看作是平行效應。3.3.相補效應：相補效應：組成復合材料的基體與增強體，在性能上組成復合材料的基體與增強體，在性能上能互補，從而提高了綜合性能，則顯示出相補效應。能互補，從而提高了綜合性能，則顯示出相補效應。c = ab對于脆性的高強度纖維增強體與韌性基體復合時，兩相間若能得到對于脆性的高強度纖維增強體與韌性基體復合時，兩相間若能得到適宜的結合而形成的復合材料，其性能顯示為增強體與基體的互補。適宜的結合而形成的復合材料，其性能顯示為增強體與基體的互補。線性效應線性效應復合材料的復合效應復合材料的復合效應4.4.相抵效應：相抵效應：基體與增強體組成復合材料時，若組分間基體與增強體組成復合

14、材料時，若組分間能相互制約，限制了整體性能提高，則復合后顯示出相抵能相互制約，限制了整體性能提高，則復合后顯示出相抵效應。效應。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 實際復合材料的實際復合材料的a比上式計算值還小，這是與填料粒子束縛比上式計算值還小，這是與填料粒子束縛了其周圍聚合物的運動有關；了其周圍聚合物的運動有關； 一般無機填料的一般無機填料的a比聚合物比聚合物a低低1-2個數(shù)量級，因此，填充材個數(shù)量級，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

15、合物的小得多，而與金屬的a接近；接近； 通常通常a降低會使成型收縮率降低，制品尺寸精度提高；對于降低會使成型收縮率降低，制品尺寸精度提高；對于纖維增強材料，流動方向與橫向方向的纖維增強材料，流動方向與橫向方向的a有異，于是產生翹有異，于是產生翹曲，尺寸穩(wěn)定性反而會因此變差；曲，尺寸穩(wěn)定性反而會因此變差； 復合材料的熱膨脹系數(shù)復合材料的熱膨脹系數(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，纖維含量越高，其熱膨脹系數(shù)越小。有關，纖維含量越高，其熱膨脹系數(shù)越小。復合材料的熱膨脹系數(shù)復合材料的熱膨脹系數(shù)導熱系數(shù)導熱系數(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（1

16、vf ）kfvf實際上由于填料的形態(tài)等因素不同而導熱系數(shù)有所不同，實際上由于填料的形態(tài)等因素不同而導熱系數(shù)有所不同，也對上式提出修正也對上式提出修正填料的導熱系數(shù)一般比聚合物大，因此，復合塑料的導熱填料的導熱系數(shù)一般比聚合物大，因此，復合塑料的導熱系數(shù)通常比單純聚合物大系數(shù)通常比單純聚合物大導熱系數(shù)的增加有利于導熱系數(shù)的增加有利于提高成型速度提高成型速度和制備導熱性材料和制備導熱性材料復合材料的導熱系數(shù)復合材料的導熱系數(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重要指標（是指在高低的一個重要指標（是指在18.6kg/cm2負荷下的負荷下

17、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有很大關系：的性質有很大關系：復合材料的熱變形溫度復合材料的熱變形溫度原因：結晶性樹脂復合材料的原因：結晶性樹脂復合材料的hdthdt主要由樹脂熔點來控制，未主要由樹脂熔點來控制，未填充前其填充前其hdthdt受鏈段運動影響而比其熔點低得多。填充填料后，受鏈段運動影響而比其熔點低得多。填充填料后，填料限制其鏈段運動而填料限制其鏈段運動而hdthdt明顯提高明顯提高a a、結晶性樹脂如、結晶性樹脂如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，接近其熔點大幅度提高，接近其熔點b b、結晶性聚合物復合材料、結晶性聚合物復合材料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系，提高復合材料的剛性，同樣提高其程度有密切關系，提高復合材料的剛性，同樣提高其hdthdtc c、非晶性樹脂如、非晶性樹脂如psp