濟(jì)南大學(xué)復(fù)合材料原理第9章

1、1結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料工程應(yīng)用的角度工程應(yīng)用的角度結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料以其力學(xué)性能如強(qiáng)以其力學(xué)性能如強(qiáng)度、剛度、形變等度、剛度、形變等特性為工程所應(yīng)用特性為工程所應(yīng)用以其聲、光、電、熱、磁等物理以其聲、光、電、熱、磁等物理特性為工程所應(yīng)用，諸如壓電材特性為工程所應(yīng)用，諸如壓電材料、阻尼材料、自控發(fā)熱材料、料、阻尼材料、自控發(fā)熱材料、吸波屏蔽材料、磁性材料、生物吸波屏蔽材料、磁性材料、生物相容性材料、磁性分離材料。相容性材料、磁性分離材料。2 作用：作用：主要用作承力和次承力結(jié)構(gòu)。主要用作承力和次承力結(jié)構(gòu)。 要求：要求：質(zhì)量輕、強(qiáng)度和剛度高，且能耐一定的溫度。質(zhì)量

2、輕、強(qiáng)度和剛度高，且能耐一定的溫度。 組成：組成：由增強(qiáng)體和基體復(fù)合而成，前者是復(fù)合材料中承受由增強(qiáng)體和基體復(fù)合而成，前者是復(fù)合材料中承受載荷的主要組元，后者則使增強(qiáng)體彼此粘接形成整體，并載荷的主要組元，后者則使增強(qiáng)體彼此粘接形成整體，并起傳遞應(yīng)力和增韌的作用。起傳遞應(yīng)力和增韌的作用。3無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料基體材料基體材料樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料、石膏基陶瓷基復(fù)合材料、石膏基復(fù)合材料、水泥基復(fù)合材復(fù)合材料、水泥基復(fù)合材料、氯氧鎂基復(fù)合材料、料、氯氧鎂基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料 分類：分類：4增強(qiáng)纖維的類型增強(qiáng)纖維的類型

3、碳纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料有機(jī)纖維復(fù)合材料有機(jī)纖維復(fù)合材料增強(qiáng)物的外形增強(qiáng)物的外形連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維織物或片狀纖維纖維織物或片狀纖維短纖維短纖維硼纖維復(fù)合材料硼纖維復(fù)合材料混雜纖維復(fù)合材料混雜纖維復(fù)合材料粒狀填料粒狀填料5 9.1 玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料 近代復(fù)合材料中的第一代產(chǎn)品，集中了玻近代復(fù)合材料中的第一代產(chǎn)品，集中了玻璃纖維和聚合物的優(yōu)點(diǎn)，比強(qiáng)度高、絕熱、耐璃纖維和聚合物的優(yōu)點(diǎn)，比強(qiáng)度高、絕熱、耐燒蝕、電絕緣、抗磁和成型制造方便等優(yōu)點(diǎn)。燒蝕、電絕緣、抗磁和成型制造方便等優(yōu)點(diǎn)。增強(qiáng)體增強(qiáng)體玻璃纖維玻

4、璃纖維基體基體聚合物聚合物不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂酚醛樹脂酚醛樹脂環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂6影響復(fù)合材料性能的因素：原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法影響復(fù)合材料性能的因素：原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及成型工藝。及成型工藝。(1) 基體材料的含量及化學(xué)性質(zhì)基體材料的含量及化學(xué)性質(zhì);(2) 增強(qiáng)材料的含量及其排布方式與方向次之增強(qiáng)材料的含量及其排布方式與方向次之;(3) 增強(qiáng)纖維與基體樹脂的界面粘結(jié)狀況。增強(qiáng)纖維與基體樹脂的界面粘結(jié)狀況。7構(gòu)成構(gòu)成性能性能玻璃纖維氈玻璃纖維氈 四層四層玻璃布玻璃布八層八層無(wú)捻粗紗布無(wú)捻粗紗布三層三層玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 氈氈 布布二二 四四 二二層層 層層 層層玻玻 玻

5、玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 氈氈 布布二二 四四 二二層層 層層 層層板厚板厚(mm)632.57.54.0角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度(MPa) 86 84 91171 109 175207 77 244109 85 104208 93 204拉伸模量拉伸模量(GPa)8.5 9.1 9.316.1 10.9 16.919.8 11.0 19.910.2 8.7 10.016.9 10.7 16.7彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度(MPa)137 139 142262 206 253403 225 407199 104 201295 2

6、11 274玻璃纖維的構(gòu)成與玻璃纖維的構(gòu)成與FRP的機(jī)械性能的機(jī)械性能8構(gòu)成構(gòu)成性能性能玻璃纖維氈玻璃纖維氈 四層四層玻璃布玻璃布八層八層無(wú)捻粗紗布無(wú)捻粗紗布三層三層玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 氈氈 布布二二 四四 二二層層 層層 層層玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 氈氈 布布二二 四四 二二層層 層層 層層板厚板厚(mm)632.57.54.0角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90彎曲模量彎曲模量(GPa) 7.7 7.7 7.713.7 8.5 13.414.7 9.6 15.711.8 8.6 11.313.7 8.7 13.1

7、壓縮強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度(MPa)192 193 204156 145 182166 117 188185 203 193212 129 230壓縮模量壓縮模量(GPa)5.7 5.7 6.711.2 7.2 12.315.7 7.6 15.17.4 8.3 7.312.7 7.1 12.39構(gòu)成構(gòu)成性能性能玻璃纖維氈玻璃纖維氈 四層四層玻璃布玻璃布八層八層無(wú)捻粗紗布無(wú)捻粗紗布三層三層玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 氈氈 布布二二 四四 二二層層 層層 層層玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 氈氈 布布二二 四四 二二層層 層層 層層板厚板厚(mm)632.57.54.0角度角度0 45 90

8、 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度(MPa) 97 96 95107 113 108124 136 12899 98 99119 129 118拉伸泊松拉伸泊松比比0.319 0.327 0.313 0.162 0.396 0.1740.189 0.496 0.1770.266 0.408 0.2680.180 0.432 0.19310增強(qiáng)材料及成型方法和強(qiáng)度的關(guān)系增強(qiáng)材料及成型方法和強(qiáng)度的關(guān)系 成型方法成型方法性能性能手糊成型手糊成型真空袋成型真空袋成型加壓袋成型加壓袋成型熱壓釜成型熱壓釜成型模壓成型模壓成型增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料玻璃氈玻璃氈(600g/

9、m2)無(wú)捻粗紗布無(wú)捻粗紗布(900g/m2)玻璃布玻璃布(340g/m2)玻璃氈玻璃氈(600g/m2)玻璃布玻璃布(340g/m2)玻璃氈玻璃氈(600g/m2)玻璃氈玻璃氈(600g/m2)玻璃氈玻璃氈(600g/m2)成型壓力成型壓力(MPa)00.070.8410.528.017.570.035.0120.0纖維含量纖維含量(%)23 51 4638 50414850密度密度(g/cm3)1.52 1.64 1.63 1.50 1.671.531.611.63拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度(MPa) 81 231 168130 169136150156拉伸模量拉伸模量(GPa) 6.4 14.4 1

10、3.6 6.7 27.78.58.69.0彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度(MPa) 143 190 217 190 247204218227彎曲模量彎曲模量(GPa) 5.7 12.7 13.8 8.7 13.89.09.710.0 壓縮強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度(MPa) 118 119 132 157 148159 162163111、機(jī)械性能的特點(diǎn)、機(jī)械性能的特點(diǎn)（1）比強(qiáng)度高）比強(qiáng)度高 FRP密度為密度為1.42.2g/cm3，約為鋼，約為鋼1/41/5，而強(qiáng)度與一，而強(qiáng)度與一般的碳素鋼相近。因此般的碳素鋼相近。因此FRP的比強(qiáng)度很高。的比強(qiáng)度很高。（2）各向異性）各向異性 明顯的方向依賴性，應(yīng)盡量在最大外力方向

11、上排布增強(qiáng)明顯的方向依賴性，應(yīng)盡量在最大外力方向上排布增強(qiáng)纖維，以求充分發(fā)揮材料的潛力，降低材料消耗。纖維，以求充分發(fā)揮材料的潛力，降低材料消耗。12（3）彈性模量和層間剪切強(qiáng)度低）彈性模量和層間剪切強(qiáng)度低彈性模量低，剛度不足。準(zhǔn)各向同性板，其彈性模量與彈性模量低，剛度不足。準(zhǔn)各向同性板，其彈性模量與木材接近。木材接近。（4）性能分散性大）性能分散性大 FRP的性能受一系列因素的影響，性能不穩(wěn)定。的性能受一系列因素的影響，性能不穩(wěn)定。132. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性基本靜態(tài)特性包括拉伸、壓縮和彎曲強(qiáng)度及彈性模量。基本靜態(tài)特性包括拉伸、壓縮和彎曲強(qiáng)度及彈性模量。(1) 拉伸特性拉伸特性 對(duì)于單向增強(qiáng)對(duì)

12、于單向增強(qiáng)FRP，沿纖維方向的拉伸強(qiáng)度及彈性模量均，沿纖維方向的拉伸強(qiáng)度及彈性模量均隨纖維體積含量隨纖維體積含量Vf的增大而正比例增加。對(duì)于采用短切纖維氈的增大而正比例增加。對(duì)于采用短切纖維氈和玻璃布增強(qiáng)的和玻璃布增強(qiáng)的FRP層合板來(lái)說，其拉伸強(qiáng)度及彈性模量雖不層合板來(lái)說，其拉伸強(qiáng)度及彈性模量雖不與與Vf成正比增加，但仍隨成正比增加，但仍隨Vf增加而增加增加而增加 。 雙向雙向FRP其纖維方向的主彈性模量大約是單向其纖維方向的主彈性模量大約是單向FRP的的0.500.55倍；隨機(jī)纖維增強(qiáng)倍；隨機(jī)纖維增強(qiáng)FRP近似于各向同性，其彈性模量近似于各向同性，其彈性模量大約是單向大約是單向FRP的的0.

13、350.40倍。倍。14性能性能方向方向0153045607590拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度(MPa)比例極限比例極限1788450455080160破壞強(qiáng)度破壞強(qiáng)度269210173158163194263離散系數(shù)離散系數(shù)12.67.917.311.312.88.311.9彈性模量彈性模量(MPa)E110-41.671.331.111.01.001.251.52E210-41.430.630.160.130.160.501.22延伸率延伸率(%)1.62.54.84.84.82.61.9E-42環(huán)氧環(huán)氧FRP不同方向的拉伸性能不同方向的拉伸性能注：原材料：無(wú)堿注：原材料：無(wú)堿100平紋布平紋布9層，

14、層，E-42環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂。試驗(yàn)溫度：試驗(yàn)溫度：1522 ；144根試件。根試件。15(2) 壓縮特性壓縮特性 在應(yīng)力很小、纖維未壓彎的時(shí)候，壓縮彈性模量與拉伸彈在應(yīng)力很小、纖維未壓彎的時(shí)候，壓縮彈性模量與拉伸彈性模量接近。玻璃布增強(qiáng)性模量接近。玻璃布增強(qiáng)FRP的壓縮彈性模量大體是單向的壓縮彈性模量大體是單向FRP的的0.500.55倍；纖維氈增強(qiáng)倍；纖維氈增強(qiáng)FRP的大致是單向的大致是單向FRP的的0.4倍。倍。 單向單向FRP的壓縮強(qiáng)度隨纖維含量增加而提高，但并非成比的壓縮強(qiáng)度隨纖維含量增加而提高，但并非成比例增長(zhǎng)。例增長(zhǎng)。16E-42環(huán)氧環(huán)氧FRP不同方向的壓縮性能不同方向的壓縮性能

15、注：原材料：無(wú)堿注：原材料：無(wú)堿100平紋布平紋布18層，層，E-42環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂。樹脂含量：樹脂含量：42.3%。性能性能方向方向022.54567.590壓縮強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度(MPa)256159134.1167218.7壓縮模量壓縮模量(GPa)19.513.610.812.917.5試件數(shù)試件數(shù)(根根)4465417(3) 彎曲特性彎曲特性 FRP的彎曲強(qiáng)度及彈性模量都隨纖維含量的上升而增加。纖的彎曲強(qiáng)度及彈性模量都隨纖維含量的上升而增加。纖維制品類型不同，方向不同，則彎曲性能亦不同。維制品類型不同，方向不同，則彎曲性能亦不同。(4)剪切特性剪切特性 纖維含量增大，纖維含量增大，F(xiàn)R

16、P的剪切彈性模量上升，的剪切彈性模量上升，F(xiàn)RP的剪切特性的剪切特性也呈現(xiàn)方向性。也呈現(xiàn)方向性。性能性能方向方向0153045607590剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度(MPa)8583.295.099.298.190.789.5E-42環(huán)氧環(huán)氧FRP垂直板面剪切性能垂直板面剪切性能183. 疲勞特性疲勞特性 影響影響FRP疲勞特性的因素是多方面的，實(shí)驗(yàn)表明，靜態(tài)強(qiáng)疲勞特性的因素是多方面的，實(shí)驗(yàn)表明，靜態(tài)強(qiáng)度高的度高的FRP，其疲勞強(qiáng)度也高。與靜態(tài)強(qiáng)度不同，每種，其疲勞強(qiáng)度也高。與靜態(tài)強(qiáng)度不同，每種FRP存存在一個(gè)最佳體積含量，疲勞強(qiáng)度最高。實(shí)際纖維體積含量低于在一個(gè)最佳體積含量，疲勞強(qiáng)度最高。實(shí)際纖維體積

17、含量低于或高于最佳值，其疲勞強(qiáng)度都會(huì)下降?；蚋哂谧罴阎?，其疲勞強(qiáng)度都會(huì)下降。方向性：加振方向與纖維方向的夾角由方向性：加振方向與纖維方向的夾角由0上升到上升到45，疲勞強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度急劇下降。急劇下降。存在缺陷，溫度上升，疲勞強(qiáng)度下降存在缺陷，溫度上升，疲勞強(qiáng)度下降191. 電性能電性能 包括介電常數(shù)、介電損耗角正切值、體積和表面電阻系數(shù)，包括介電常數(shù)、介電損耗角正切值、體積和表面電阻系數(shù)，擊穿強(qiáng)度等擊穿強(qiáng)度等 FRP的電性能一般介于纖維的電性能與樹脂的電性能之間的電性能一般介于纖維的電性能與樹脂的電性能之間 改善纖維或樹脂的電性能，有利于改善改善纖維或樹脂的電性能，有利于改善FRP的電性能的

18、電性能 樹脂的極性越大，電絕緣性越差。分子中極性基團(tuán)的存在樹脂的極性越大，電絕緣性越差。分子中極性基團(tuán)的存在及分子結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性均影響樹脂分子的極性，從而影響樹脂及分子結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性均影響樹脂分子的極性，從而影響樹脂的電性能。的電性能。202. FRP的溫度特性的溫度特性（1）熱性能）熱性能包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、線膨脹系數(shù)和熱變形溫度包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、線膨脹系數(shù)和熱變形溫度 在室溫下，在室溫下，F(xiàn)RP的導(dǎo)熱系數(shù)一般在的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.17W/(mK)0.33 W/(mK)范圍內(nèi)，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)多在范圍內(nèi)，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)多在35W/(mK) 232 W/(mK)范圍之間，范圍之間，

19、 FRP具有良好的隔熱性能，可作隔熱材料具有良好的隔熱性能，可作隔熱材料使用。使用。21 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)(436)10-6 C-1與金屬相近，在一定溫與金屬相近，在一定溫度范圍內(nèi)具有較好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。但熱變形度范圍內(nèi)具有較好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。但熱變形溫度和耐熱溫度極限較低，耐熱性不好。溫度和耐熱溫度極限較低，耐熱性不好。 溫度升高時(shí)，增強(qiáng)纖維與基體樹脂的熱膨脹系數(shù)差溫度升高時(shí)，增強(qiáng)纖維與基體樹脂的熱膨脹系數(shù)差距較大，在溫度升高時(shí)，易于在纖維樹脂界面產(chǎn)生熱距較大，在溫度升高時(shí)，易于在纖維樹脂界面產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響應(yīng)力，影響FRP的機(jī)械性能。的機(jī)械性能。22(2) 耐熱性耐熱性

20、 溫度對(duì)于聚合物基體的影響溫度對(duì)于聚合物基體的影響 纖維增強(qiáng)材料一般具有很好的熱穩(wěn)定性，但纖維增強(qiáng)材料一般具有很好的熱穩(wěn)定性，但樹脂基體易受溫度的影響。樹脂基體易受溫度的影響。 熱固性樹脂基體已交聯(lián)成體型網(wǎng)狀大分子，只熱固性樹脂基體已交聯(lián)成體型網(wǎng)狀大分子，只有玻璃態(tài)和橡膠態(tài)。聚合物物理狀態(tài)的改變將導(dǎo)致有玻璃態(tài)和橡膠態(tài)。聚合物物理狀態(tài)的改變將導(dǎo)致FRP的機(jī)械性能發(fā)生巨大變化。的機(jī)械性能發(fā)生巨大變化。23影響熱固性樹脂耐熱性的主要因素：影響熱固性樹脂耐熱性的主要因素： 大分子鏈剛性提高，交聯(lián)密度增大，則樹脂大分子鏈剛性提高，交聯(lián)密度增大，則樹脂玻璃化溫度升高，熱變形溫度升高，但同時(shí)柔韌玻璃化溫度升

21、高，熱變形溫度升高，但同時(shí)柔韌性減小，延伸率降低，脆性增加。性減小，延伸率降低，脆性增加。大分子鏈剛性大分子鏈剛性固化劑性質(zhì)固化劑性質(zhì)體型樹脂的固化交聯(lián)密度體型樹脂的固化交聯(lián)密度24 溫度對(duì)溫度對(duì)FRP拉伸性能的影響拉伸性能的影響溫度對(duì)溫度對(duì) FRP拉伸強(qiáng)度和彈性模量的影響具有的特征：拉伸強(qiáng)度和彈性模量的影響具有的特征：i) 低溫范圍內(nèi)，拉伸性能好，隨溫度上升，強(qiáng)度降低；低溫范圍內(nèi)，拉伸性能好，隨溫度上升，強(qiáng)度降低；ii) 在低溫范圍內(nèi)，無(wú)捻粗紗布在低溫范圍內(nèi)，無(wú)捻粗紗布FRP于濕態(tài)下拉伸強(qiáng)度于濕態(tài)下拉伸強(qiáng)度大，而平紋布大，而平紋布FRP無(wú)此傾向；無(wú)此傾向；iii) 在中溫范圍內(nèi)，平紋布在中溫

22、范圍內(nèi)，平紋布FRP在在50C左右拉伸強(qiáng)度最左右拉伸強(qiáng)度最高，而緞紋布和無(wú)捻粗紗布都隨溫度上升拉伸性能下降；高，而緞紋布和無(wú)捻粗紗布都隨溫度上升拉伸性能下降；iv) 隨著纖維含量的增加，隨著纖維含量的增加，F(xiàn)RP的耐熱性提高。的耐熱性提高。25 溫度對(duì)溫度對(duì)FRP彎曲性能的影響彎曲性能的影響 FRP的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量均隨溫度升高的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量均隨溫度升高而降低。特別是溫度超過而降低。特別是溫度超過70C100C后，急劇降低。后，急劇降低。26性能性能溫度溫度室溫室溫60C100C150C200C拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度(MPa)306.0272.0243.0220.0221.0壓縮強(qiáng)度

23、壓縮強(qiáng)度(MPa)179.087.057.226.0彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度(MPa)264.0140.068.023.9剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度(MPa)24.614.39.97.5197 聚酯聚酯FRP在不同溫度下的機(jī)械性能在不同溫度下的機(jī)械性能27E-51環(huán)氧環(huán)氧(固化劑：三乙醇胺固化劑：三乙醇胺)FRP在不同溫度下的機(jī)械性能在不同溫度下的機(jī)械性能性能性能溫度溫度C-60-45010254560拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度(MPa)300300300300220170150拉伸模量拉伸模量(GPa)19.017.017.016.011.0彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度(MPa)470330120彎曲模量彎曲模量(GPa)16.0

24、14.03.0沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度(kJ/m2)39028027028（3）FRP阻燃性及耐火性阻燃性及耐火性 阻燃性主要決定于樹脂基體。阻燃性主要決定于樹脂基體。 聚酯中引入鹵素；添加銻、磷等的化合物以及難燃的無(wú)聚酯中引入鹵素；添加銻、磷等的化合物以及難燃的無(wú)機(jī)填料；機(jī)填料； 三氧化二銻與鹵素并用；磷化合物與鹵素并用；氫氧化三氧化二銻與鹵素并用；磷化合物與鹵素并用；氫氧化鋁和水合氧化鋁與鹵素共用；鋁和水合氧化鋁與鹵素共用； 玻璃纖維含量升高，長(zhǎng)度增大，可抑制發(fā)煙量玻璃纖維含量升高，長(zhǎng)度增大，可抑制發(fā)煙量29耐化學(xué)腐蝕性耐化學(xué)腐蝕性耐候性能耐候性能耐水性能耐水性能30FRP具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性具

25、有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性耐化學(xué)腐蝕性耐化學(xué)腐蝕性抵抗酸、堿、鹽及有機(jī)抵抗酸、堿、鹽及有機(jī)溶劑等化學(xué)介質(zhì)腐蝕破溶劑等化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞的長(zhǎng)期工作性能。壞的長(zhǎng)期工作性能。化學(xué)介質(zhì)對(duì)化學(xué)介質(zhì)對(duì)FRP的腐蝕作用的腐蝕作用 與玻纖作用與玻纖作用：酸、堿和水都是通過破壞：酸、堿和水都是通過破壞SiO2網(wǎng)絡(luò)而腐網(wǎng)絡(luò)而腐蝕玻璃的。一般而言，玻璃纖維的耐堿性均較差，有堿玻蝕玻璃的。一般而言，玻璃纖維的耐堿性均較差，有堿玻璃纖維更甚；而耐酸性則以有堿玻璃纖維為好。璃纖維更甚；而耐酸性則以有堿玻璃纖維為好。 與基體作用與基體作用：樹脂分子中活性官能團(tuán)愈多，化學(xué)穩(wěn)定：樹脂分子中活性官能團(tuán)愈多，化學(xué)穩(wěn)定性越差，多數(shù)化學(xué)反應(yīng)不

26、可逆。性越差，多數(shù)化學(xué)反應(yīng)不可逆。 也破壞玻纖與基體界面的作用也破壞玻纖與基體界面的作用31(1) 溫濕度：空氣中的水分可以侵入樹脂或纖維溫濕度：空氣中的水分可以侵入樹脂或纖維-樹脂界面樹脂界面中，破壞界面粘結(jié)，降低中，破壞界面粘結(jié)，降低FRP的彎曲強(qiáng)度。的彎曲強(qiáng)度。(2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，樹脂發(fā)生光氧化、光光氧作用：受紫外光和氧作用，樹脂發(fā)生光氧化、光降解、交聯(lián)，生成氧化產(chǎn)物，發(fā)生分子鏈斷裂。降解、交聯(lián)，生成氧化產(chǎn)物，發(fā)生分子鏈斷裂。(3) 風(fēng)沙作用：風(fēng)沙對(duì)風(fēng)沙作用：風(fēng)沙對(duì)FRP產(chǎn)生機(jī)械磨損，導(dǎo)致表面光澤產(chǎn)生機(jī)械磨損，導(dǎo)致表面光澤度下降、表面層脫落、纖維外露等度下降、表面層脫落、

27、纖維外露等.耐候性能耐候性能FRP在戶外使用時(shí)，抵抗各種氣在戶外使用時(shí)，抵抗各種氣體氣候因素的侵蝕破壞的能力。體氣候因素的侵蝕破壞的能力。 老化實(shí)驗(yàn)：人工老化，自然老化老化實(shí)驗(yàn)：人工老化，自然老化32耐候性能的改善：耐候性能的改善：保持保持FRP透光率的防老化措施透光率的防老化措施思路思路措施措施防止變黃防止變黃 防止白化防止白化 防止微裂紋防止微裂紋 防止侵蝕及裸露防止侵蝕及裸露針對(duì)針對(duì)樹脂樹脂添加紫外線吸收劑添加紫外線吸收劑采用采用MMA單體單體提高耐水性及韌性提高耐水性及韌性針對(duì)針對(duì)玻纖玻纖改進(jìn)偶聯(lián)劑、浸潤(rùn)劑改進(jìn)偶聯(lián)劑、浸潤(rùn)劑減少紗中單絲根數(shù)減少紗中單絲根數(shù)針對(duì)針對(duì)FRP表面表面表面覆蓋

28、氟薄膜表面覆蓋氟薄膜表面覆蓋聚酯薄膜表面覆蓋聚酯薄膜膠衣層膠衣層表面氈與富樹脂層表面氈與富樹脂層提高固化劑提高固化劑其其他他采用適當(dāng)固化劑采用適當(dāng)固化劑降低玻璃纖維含量降低玻璃纖維含量注：效果顯著；注：效果顯著； ：效果較好：效果較好33 水能溶解和破壞玻纖的水能溶解和破壞玻纖的SiO2網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)加速玻纖網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)加速玻纖表面微裂紋的擴(kuò)展，從而降低玻纖的拉伸性能。表面微裂紋的擴(kuò)展，從而降低玻纖的拉伸性能。 水可使樹脂大分子溶脹，導(dǎo)致樹脂內(nèi)聚強(qiáng)度降低；水可使樹脂大分子溶脹，導(dǎo)致樹脂內(nèi)聚強(qiáng)度降低；水對(duì)樹脂產(chǎn)生增塑作用，降低其彈性模量；能使酯鍵、水對(duì)樹脂產(chǎn)生增塑作用，降低其彈性模量；能使酯鍵、醚鍵發(fā)

29、生水解，造成斷鏈、降解等，醚鍵發(fā)生水解，造成斷鏈、降解等， 水能破壞纖維水能破壞纖維-樹脂界面，沿界面漸漸侵入，從而樹脂界面，沿界面漸漸侵入，從而降低了降低了FRP的層間剪切性能和彎曲性能的層間剪切性能和彎曲性能耐水性能耐水性能34(1) 纖維進(jìn)行偶聯(lián)劑表面處理纖維進(jìn)行偶聯(lián)劑表面處理提高提高FRP耐水性的方法：耐水性的方法：(2) 選用耐水性好的樹脂選用耐水性好的樹脂(3) 表面采用表面氈形成富樹脂層表面采用表面氈形成富樹脂層(4) 表面涂層，表面貼附氟薄膜、聚酯薄膜等表面涂層，表面貼附氟薄膜、聚酯薄膜等359. 2 碳纖維及其復(fù)合材料碳纖維及其復(fù)合材料 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(

30、CFRP)作為第二代高性能復(fù)作為第二代高性能復(fù)合材料，在性能、價(jià)格平衡關(guān)系中被公認(rèn)為航空、航合材料，在性能、價(jià)格平衡關(guān)系中被公認(rèn)為航空、航天工業(yè)杰出的高性能結(jié)構(gòu)材料。天工業(yè)杰出的高性能結(jié)構(gòu)材料。 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量都分別高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量都分別高于國(guó)外公認(rèn)的作為高性能復(fù)合材料的最低值于國(guó)外公認(rèn)的作為高性能復(fù)合材料的最低值4106cm和和4108cm。36GFRP和和CFRP的部分性能對(duì)比的部分性能對(duì)比材料材料密度密度(gcm3)拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度(MPa)比強(qiáng)度比強(qiáng)度(106cm)模量模量（GPa）比模量比模量(108cm)GFRP2.01206.04.22.1

31、CFRP1.618011.212.88.037 未來(lái)的大型航天空間站的結(jié)構(gòu)材料將建立在這未來(lái)的大型航天空間站的結(jié)構(gòu)材料將建立在這些熱膨脹系數(shù)低的輕質(zhì)、高強(qiáng)材料基礎(chǔ)上；傳統(tǒng)用些熱膨脹系數(shù)低的輕質(zhì)、高強(qiáng)材料基礎(chǔ)上；傳統(tǒng)用的精細(xì)量具亦需用熱膨脹系數(shù)低的材料。的精細(xì)量具亦需用熱膨脹系數(shù)低的材料。CF增強(qiáng)環(huán)增強(qiáng)環(huán)氧塑料具有隨溫度降低而力學(xué)性能提高的特性，可氧塑料具有隨溫度降低而力學(xué)性能提高的特性，可用于低溫環(huán)境，并具有抗熱沖擊性。用于低溫環(huán)境，并具有抗熱沖擊性。CFRP可以制作可以制作優(yōu)質(zhì)的話筒、擴(kuò)音器材以及其他音響器材。優(yōu)質(zhì)的話筒、擴(kuò)音器材以及其他音響器材。性能性能 密度小，高強(qiáng)度，高剛度，熱密度小，

32、高強(qiáng)度，高剛度，熱膨脹系數(shù)低，耐疲勞和耐腐蝕等。膨脹系數(shù)低，耐疲勞和耐腐蝕等。應(yīng)用：應(yīng)用：航空、航天工業(yè)，機(jī)械工業(yè)和體育用品航空、航天工業(yè)，機(jī)械工業(yè)和體育用品耐疲勞性優(yōu)良，在運(yùn)輸、耐疲勞性優(yōu)良，在運(yùn)輸、機(jī)械工業(yè)中用作工程材機(jī)械工業(yè)中用作工程材料、載重橋梁等，是金料、載重橋梁等，是金屬材料所不能匹敵的。屬材料所不能匹敵的。解決了一般金屬所不能解解決了一般金屬所不能解決的耐海水腐蝕問題。海決的耐海水腐蝕問題。海洋油田鉆井用的外套管材洋油田鉆井用的外套管材料，各種耐化學(xué)品容器和料，各種耐化學(xué)品容器和反應(yīng)器材、零部件等。反應(yīng)器材、零部件等。38缺點(diǎn)缺點(diǎn)脆性，斷裂延伸率低。脆性，斷裂延伸率低。導(dǎo)致沖擊強(qiáng)

33、度導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)和層間剪切強(qiáng)度等性能變壞度等性能變壞解決措施解決措施 用碳纖維和玻璃纖維或芳綸纖維混合用碳纖維和玻璃纖維或芳綸纖維混合增強(qiáng)的形式，由這些混合纖維增強(qiáng)的復(fù)合增強(qiáng)的形式，由這些混合纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料兼顧了高性能復(fù)合材料對(duì)模量、強(qiáng)度材料兼顧了高性能復(fù)合材料對(duì)模量、強(qiáng)度和韌性的要求，能夠同時(shí)滿足多種性能的和韌性的要求，能夠同時(shí)滿足多種性能的需要，增加了材料設(shè)計(jì)的自由度，擴(kuò)大了需要，增加了材料設(shè)計(jì)的自由度，擴(kuò)大了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。 39以碳為基體的碳纖維增強(qiáng)材料。以碳為基體的碳纖維增強(qiáng)材料。60年代發(fā)展起來(lái)，目前最理想的耐高溫材料。年代發(fā)展起來(lái)

34、，目前最理想的耐高溫材料。 碳碳復(fù)合材料碳碳復(fù)合材料優(yōu)越性優(yōu)越性 兼?zhèn)涮嫉亩栊院吞祭w維的高強(qiáng)度，在高達(dá)兼?zhèn)涮嫉亩栊院吞祭w維的高強(qiáng)度，在高達(dá)3000缺氧的條件下，依然能保持一定的強(qiáng)度。具有低密度、缺氧的條件下，依然能保持一定的強(qiáng)度。具有低密度、高強(qiáng)度、高剛度和高溫穩(wěn)定等優(yōu)良性能，是航天飛機(jī)高強(qiáng)度、高剛度和高溫穩(wěn)定等優(yōu)良性能，是航天飛機(jī)和其他軍事裝備的理想耐高溫結(jié)構(gòu)材料。和其他軍事裝備的理想耐高溫結(jié)構(gòu)材料。 40 碳碳/碳復(fù)合材料的整體都是碳。碳原子間碳復(fù)合材料的整體都是碳。碳原子間極強(qiáng)的結(jié)合力賦予材料極強(qiáng)的惰性，這種惰性極強(qiáng)的結(jié)合力賦予材料極強(qiáng)的惰性，這種惰性又賦予碳又賦予碳/碳復(fù)合材料在其他材

35、料都無(wú)法承受碳復(fù)合材料在其他材料都無(wú)法承受的苛刻環(huán)境中仍保持自己的形態(tài)和性能。的苛刻環(huán)境中仍保持自己的形態(tài)和性能。惰性惰性41碳碳 碳的性能碳的性能耐高溫性耐高溫性耐化學(xué)藥品性耐化學(xué)藥品性碳的加工溫度可高達(dá)碳的加工溫度可高達(dá)2755K，處于如此高的溫處于如此高的溫度下碳的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)度下碳的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成仍不發(fā)生改變，高溫組成仍不發(fā)生改變，高溫尺寸穩(wěn)定性極佳。尺寸穩(wěn)定性極佳。 對(duì)化學(xué)品也顯示出奇的惰對(duì)化學(xué)品也顯示出奇的惰性，僅在高溫下才與氫和周期性，僅在高溫下才與氫和周期表第表第6和第和第7列中的元素起反應(yīng)，列中的元素起反應(yīng)，諸如氧、硫、氟和氯等。諸如氧、硫、氟和氯等。42碳纖維碳纖維

36、賦予賦予CFRC高強(qiáng)度和抗沖擊性。在常溫高強(qiáng)度和抗沖擊性。在常溫或中溫下或中溫下CFRC的強(qiáng)度一般比耐熱合金低，的強(qiáng)度一般比耐熱合金低，但在高溫條件下，金屬合金的強(qiáng)度迅速下降，但在高溫條件下，金屬合金的強(qiáng)度迅速下降，而碳而碳/碳復(fù)合材料的強(qiáng)度卻略有升高。單向碳碳復(fù)合材料的強(qiáng)度卻略有升高。單向碳纖維增強(qiáng)的纖維增強(qiáng)的CFRC其沿纖維軸向的強(qiáng)度甚至其沿纖維軸向的強(qiáng)度甚至在常溫下都比超耐熱合金高。在常溫下都比超耐熱合金高。43缺點(diǎn)缺點(diǎn)碳的易氧化性碳的易氧化性 在周期性高應(yīng)力條件下，基體碳素容在周期性高應(yīng)力條件下，基體碳素容易塵?；涠斐刹牧掀茡p。易塵?；涠斐刹牧掀茡p。 碳的氧化溫度不高，在碳

37、的氧化溫度不高，在866.5K即氧化即氧化燃燒，產(chǎn)生燃燒，產(chǎn)生CO或或CO2。44碳纖維碳纖維/熱固性樹脂復(fù)合材料熱分解而制成熱固性樹脂復(fù)合材料熱分解而制成第一步第一步 熱固性樹脂基體經(jīng)緩慢加熱，熱固性樹脂基體經(jīng)緩慢加熱，樹脂裂解轉(zhuǎn)化成碳，其他的所有元樹脂裂解轉(zhuǎn)化成碳，其他的所有元素呈氣態(tài)逸散。素呈氣態(tài)逸散。第二步第二步加密加密化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法液相浸漬法液相浸漬法45化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 將碳?xì)浠衔?，如甲烷、丙烷、天然氣將碳?xì)浠衔?，如甲烷、丙烷、天然氣等通入預(yù)制件，并使其分解，析出的碳沉積。等通入預(yù)制件，并使其分解，析出的碳沉積。達(dá)到要求的碳密度后再進(jìn)行石墨化處理。達(dá)到

38、要求的碳密度后再進(jìn)行石墨化處理。強(qiáng)度和模量都比較高，缺點(diǎn)是工藝周期比較長(zhǎng)強(qiáng)度和模量都比較高，缺點(diǎn)是工藝周期比較長(zhǎng) 把碳纖維增強(qiáng)材料浸入瀝青、酚醛或其他把碳纖維增強(qiáng)材料浸入瀝青、酚醛或其他熱固性樹脂中，浸滲后再經(jīng)過其他熱解碳化處熱固性樹脂中，浸滲后再經(jīng)過其他熱解碳化處理，反復(fù)數(shù)次以達(dá)到所要求的碳密度。理，反復(fù)數(shù)次以達(dá)到所要求的碳密度。液相浸漬法液相浸漬法46 輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高硬度和耐高溫特殊性能在輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高硬度和耐高溫特殊性能在航空和航天領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)地位。傳統(tǒng)的應(yīng)用航空和航天領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)地位。傳統(tǒng)的應(yīng)用是作航天飛機(jī)的機(jī)頭和翼前緣，火箭噴口和頭錐是作航天飛機(jī)的機(jī)頭和翼前緣，火箭噴口和

39、頭錐等饒蝕材料。等饒蝕材料。 與良好生物相容性，可用于與血液、軟組織、與良好生物相容性，可用于與血液、軟組織、骨骼相接觸的人體外科醫(yī)學(xué)部門。骨骼相接觸的人體外科醫(yī)學(xué)部門。479. 3 有機(jī)纖維及其復(fù)合材料有機(jī)纖維及其復(fù)合材料芳綸纖維芳綸纖維 芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國(guó)外商芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國(guó)外商品牌號(hào)為凱芙拉（品牌號(hào)為凱芙拉（Kevlar）纖維（美國(guó)杜邦）纖維（美國(guó)杜邦公司公司1968年開始研究，年開始研究，1973年研制成功），年研制成功），我國(guó)命名為芳綸纖維。我國(guó)命名為芳綸纖維。特點(diǎn)：特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度48對(duì)位芳香族

40、聚酰胺纖維對(duì)位芳香族聚酰胺纖維間位芳香族聚酰胺纖維間位芳香族聚酰胺纖維芳香族聚酰胺共聚纖維芳香族聚酰胺共聚纖維 芳環(huán)和雜環(huán)的二芳環(huán)和雜環(huán)的二胺和二酰氯與對(duì)苯二胺和二酰氯與對(duì)苯二酰氯和對(duì)苯二胺共聚。酰氯和對(duì)苯二胺共聚。491. 對(duì)位芳香族聚酰胺纖維對(duì)位芳香族聚酰胺纖維(1) 聚對(duì)苯甲酰胺（聚對(duì)胺基苯甲酰）纖維聚對(duì)苯甲酰胺（聚對(duì)胺基苯甲酰）纖維Poly（P-benzamide）簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱PBA纖維。纖維。NHCOnNH2COCH350(2)聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維Poly（P-Phenlene terephthalamide）簡(jiǎn)稱）簡(jiǎn)稱PPTA纖維纖維COCONHNHnCCO

41、OClClNH2NH2+目前世界上生產(chǎn)的主要品種目前世界上生產(chǎn)的主要品種512. 間位芳香族聚酰胺纖維間位芳香族聚酰胺纖維(1)聚間苯二甲酰間苯二胺纖維聚間苯二甲酰間苯二胺纖維COCONHNHnCCOOClClNH2NH2+特點(diǎn)：特點(diǎn)：高溫性能好，高溫下的強(qiáng)度保持率好，以及尺寸穩(wěn)高溫性能好，高溫下的強(qiáng)度保持率好，以及尺寸穩(wěn)定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃燒，具有自熄性，耐定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃燒，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化學(xué)試劑，絕熱性能也較好。磨和耐多次曲折性好，耐化學(xué)試劑，絕熱性能也較好。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：強(qiáng)度和模量低，耐光性較差。強(qiáng)度和模量低，耐光性較差。用途：用途：主要

42、用于易燃易爆環(huán)境的工作服，耐高主要用于易燃易爆環(huán)境的工作服，耐高 溫絕緣材料，耐高溫的蜂窩結(jié)構(gòu)。溫絕緣材料，耐高溫的蜂窩結(jié)構(gòu)。52(2)聚聚N, N-間苯雙間苯雙-(間苯甲酰胺間苯甲酰胺)對(duì)苯二甲酰胺纖維對(duì)苯二甲酰胺纖維HNCOHNHNCOCOnH2NCOOHH2NNH2CCHOOHOO+主要用作抗燃纖維及耐高溫絕緣材料主要用作抗燃纖維及耐高溫絕緣材料53芳香族聚酰胺共聚纖維芳香族聚酰胺共聚纖維 為了制得更高強(qiáng)度和模量的纖維，為了制得更高強(qiáng)度和模量的纖維，且改進(jìn)纖維的耐疲勞性能，采用芳環(huán)和且改進(jìn)纖維的耐疲勞性能，采用芳環(huán)和雜環(huán)的二胺和二酰氯，與對(duì)苯二酰氯和雜環(huán)的二胺和二酰氯，與對(duì)苯二酰氯和對(duì)苯二胺共聚，得到一些性能更好的纖對(duì)苯