青島科技大學(xué)高分子基復(fù)合材料課件第一章

1、 (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，成型工藝性好熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤，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)定性好耐熱性好，但性脆 iii) 制備過程伴有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)制備過程伴有復(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，浸漬與浸潤困難，需較高溫度和壓力下成熔體粘度大，浸漬與浸潤困難，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，

2、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、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、浸潤性較差，由于樹脂基體與增強(qiáng)體相容性、浸潤性較差，增強(qiáng)體多經(jīng)過表面處理與表面改性，以及浸潤劑、增強(qiáng)體多經(jīng)過表面處理與表面改性，以及浸潤劑、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

3、結(jié)構(gòu)(structure of composites) 無規(guī)分散（彌散）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)無規(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)長纖維單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)連續(xù)長纖維單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（單向板）（單向板）(aligned) 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)(laminate) 三維編織體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)三維編織體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(braided fabric or filament winding) 夾 層 結(jié) 構(gòu)夾 層 結(jié) 構(gòu) （ 蜂 窩 夾 層 等 ）（ 蜂 窩 夾 層 等 ） ( s a

4、 n d w i c h constructure) 混雜結(jié)構(gòu)混雜結(jié)構(gòu)(hybrid constructure) 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)三維編織三維編織纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu) 三維正交非織造的纖維結(jié)構(gòu)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 各種玻各種玻璃璃夾層夾層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

5、 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)混雜混雜復(fù)復(fù)合材料合材料的混雜的混雜類型類型 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表面吸附作用與浸潤 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

6、過程復(fù)合材料的界面形成過程 PMC、MMC、CMC、C/C等復(fù)合材料體系對(duì)界面要求各等復(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)，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)合材料界面形成過程十分復(fù)雜，理論上可分為使復(fù)合材料界面形成過程十分復(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

7、：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)的接觸與浸潤過程時(shí)的接觸與浸潤過程 i) 接觸接觸吸附與浸潤吸附與浸潤交互擴(kuò)散交互擴(kuò)散化學(xué)結(jié)合或化學(xué)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?；瘜W(xué)結(jié)合可看作是一種特殊的浸 潤過程潤過程 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)）組分的固化固化過程，即凝過程，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)

8、合材料界面形成過程中涉及：在復(fù)合材料界面形成過程中涉及： i) 界面間的界面間的相互置換相互置換：如，潤濕過程是一個(gè)固：如，潤濕過程是一個(gè)固- 液界面置換固液界面置換固-氣表面的過程氣表面的過程 i i) 界面間的界面間的相互轉(zhuǎn)化相互轉(zhuǎn)化：如，固化過程是固：如，固化過程是固-液液 界面向固界面向固-固界面轉(zhuǎn)化的過程固界面轉(zhuǎn)化的過程 后處理過程：固后處理過程：固-固界面自身完善與平衡的過程固界面自身完善與平衡的過程 PMC界面區(qū)域界面區(qū)域(interface zone of PMC)示意圖示意圖1-外力場(chǎng)；外力場(chǎng)；2-樹脂基體；樹脂基體；3-基體表面區(qū)；基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)；相互滲透區(qū)；5

9、-增強(qiáng)劑表面區(qū)；增強(qiáng)劑表面區(qū)；6-增強(qiáng)劑增強(qiáng)劑 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），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

10、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)體破壞過程中的體破壞過

11、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)力來源：。殘余應(yīng)力來源： 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 成型過程中，由高溫成型過程中，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

12、板中，由鋪層方向不同所帶來的層間殘余應(yīng)力（層層合板中，由鋪層方向不同所帶來的層間殘余應(yīng)力（層合板的翹曲）合板的翹曲） 流變過程中，組元間的塑性變形差異引起的流變殘余應(yīng)流變過程中，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）破壞的來源）破壞的來源 基體內(nèi)、增基體內(nèi)、增強(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

13、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 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 o

14、f 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，不一定帶來材料整體的高強(qiáng)度耗散愈多。高的界面粘接強(qiáng)度，不一定帶來材料整體的高強(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

15、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)

16、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 浸潤浸潤理論理論 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

17、論模型。界面響應(yīng)理論模型。 界面分子充分接觸界面分子充分接觸粘接，作用力粘接，作用力聚合物基復(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

18、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政災(zāi)害高層建筑抗地政災(zāi)害提高健康水平提高健康水平修復(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基礎(chǔ)設(shè)施使基礎(chǔ)設(shè)施延長壽命延長壽命提高太陽能的轉(zhuǎn)換率（光電池、框架）提高太陽能的轉(zhuǎn)換率（光電池、框架）風(fēng)力發(fā)電裝置（大型化的葉片、支柱）風(fēng)力發(fā)電裝置（大型化的葉片、支柱）核燃料（鈾分離轉(zhuǎn)子）；潮汐發(fā)電核燃料（鈾分離轉(zhuǎn)子）；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