聚合物基復合材料教案課件

會計學1聚合物基復合材料會計學1聚合物基復合材料2鏈 節(jié)： 聚合物鏈狀分子中的重復結(jié)構(gòu)單元。聚合度： 大分子中的鏈節(jié)數(shù)目。分子量： 鏈節(jié)分子量與聚合度的乘積。聚合反應(yīng)： 加聚反應(yīng)（反應(yīng)過程無副產(chǎn)物）、 縮聚反應(yīng)（反應(yīng)過程產(chǎn)生低分子化合物）有無反應(yīng)副產(chǎn)物與聚合物收縮率的關(guān)系？第1頁/共100頁2鏈 節(jié)： 聚合物鏈狀分子中的重復結(jié)構(gòu)單元。第1頁/共1003大分子鏈分類（化學成分）：a．碳鏈大分子： 主鏈全部由碳原子構(gòu)成；b.雜鏈大分子： 主鏈中除了碳外，還有O、N、S、P等c.元素有機大分子： 主鏈無碳原子（Si、O、N、Al、B、P） 且側(cè)鏈為有機取代基；d.元素無機大分子：主鏈無碳原子，且側(cè)鏈無有機取代基。第2頁/共100頁3大分子鏈分類（化學成分）：第2頁/共100頁41.1.2結(jié)構(gòu)特征（1）聚合物鏈的結(jié)構(gòu)：包括空間構(gòu)型、構(gòu)象

和形態(tài)。a.聚合物鏈空間構(gòu)型：指聚合物鏈中原子或原子團

在空間的排列方式。當分子鏈的側(cè)基為氫原子時，只有一種鏈結(jié)構(gòu)。當分子鏈側(cè)基除了氫原子外包含其它原子或原子團時，根據(jù)其在分子鏈中占據(jù)位置的不同，有三種空間構(gòu)型。第3頁/共100頁41.1.2結(jié)構(gòu)特征第3頁/共100頁5圖4.1聚合物鏈的三種空間構(gòu)型三種空間構(gòu)型：

全同立構(gòu)：其它原子或原子團只占據(jù)分子鏈的一側(cè)

間同立構(gòu)：其它原子或原子團相間占據(jù)分子鏈的兩側(cè)

無規(guī)立構(gòu)：其它原子或原子團無規(guī)律地分布在分子鏈的兩側(cè)第4頁/共100頁5圖4.1聚合物鏈的三種空間構(gòu)型三種空間構(gòu)型：第4頁/共6b.聚合物鏈的構(gòu)象：以單鍵連接的原子由于熱運動，兩個原子可以在保持鍵角、鍵長不變的前提下作相對旋轉(zhuǎn)，稱為單鍵內(nèi)旋，由此而產(chǎn)生的聚合物鏈的空間形態(tài)稱為聚合物鏈的構(gòu)象。圖4.2聚合物鏈的構(gòu)象

第5頁/共100頁6b.聚合物鏈的構(gòu)象：圖4.2聚合物鏈的構(gòu)象第5頁/共7實際聚合物鏈的構(gòu)象：帶有不同形式和大小的側(cè)基，很難發(fā)生單鍵內(nèi)旋，而是以幾個單鍵為一個獨立單元進行內(nèi)旋轉(zhuǎn)，形成鏈段運動。高頻率鏈段運動可以隨時改變聚合物鏈構(gòu)象，使線性分子鏈在空間呈卷曲狀。在拉力作用下可以伸展拉直，外力除去后又縮回到原來卷曲狀，從而使聚合物具有柔性。聚合物的柔性主要受構(gòu)成單鍵的元素、分子鏈的側(cè)基或支鏈、鏈節(jié)數(shù)、溫度等的影響。第6頁/共100頁7實際聚合物鏈的構(gòu)象：第6頁/共100頁8c.聚合物鏈的形態(tài)：線型及支化型：構(gòu)成線性聚合物，具有高彈性和熱塑性， 又稱為熱塑性聚合物，如滌綸、尼龍、生膠等。交聯(lián)型及網(wǎng)絡(luò)型：構(gòu)成體型聚合物，具有較高的強度和熱固性， 又稱為熱固性聚合物，如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。圖4.3聚合物鏈的形態(tài)第7頁/共100頁8c.聚合物鏈的形態(tài)：圖4.3聚合物鏈的形態(tài)第7頁/共19（2）聚合物鏈的聚集態(tài)聚合物大分子通過分子間作用力（范德華力、氫鍵）聚集而成，按照大分子排列的有序程度，聚合物聚集態(tài)有晶態(tài)、非晶態(tài)和混合態(tài)三種。對于混合態(tài)，可用結(jié)晶區(qū)域所占百分數(shù)表示聚合物結(jié)晶程度，稱為結(jié)晶度。圖4.4聚合物的聚集態(tài)（a和b為晶態(tài)結(jié)構(gòu)，c為混合態(tài)，d為非晶態(tài)）第8頁/共100頁9（2）聚合物鏈的聚集態(tài)圖4.4聚合物的聚集態(tài)（a和b10影響聚合物結(jié)晶度因素：冷卻速度、單體復雜程度、鏈空間構(gòu)型和鏈形態(tài)冷卻慢、單體簡單、側(cè)基原子或原子團極性大，容易結(jié)晶聚集態(tài)分子鏈特點性能特點晶態(tài)規(guī)則排列，分子間作用力大，運動困難熔點、相對密度、強度高，剛性、耐熱性好非晶態(tài)無規(guī)則排列，運動容易彈性、延伸率和韌性好混合態(tài)介于以上兩者之間介于以上兩者之間表5.1聚合物的結(jié)晶度與性能的關(guān)系

第9頁/共100頁10影響聚合物結(jié)晶度因素：聚集態(tài)分子鏈特點性能特點晶態(tài)規(guī)則排11強 度：取決于聚合物分子內(nèi)和分子間相互作用力；實際強度較低（雜質(zhì)、內(nèi)部缺陷等）彈性模量：與溫度有關(guān)（低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時模量較高） 溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時迅速降低熱膨脹系數(shù)：隨溫度增加而成非線性增加；高于金屬和陶瓷

(環(huán)氧樹脂50-100x10-6/K，不飽和聚酯100-200x10-6/K)耐熱性：聚合物致命弱點，受熱時發(fā)生物理及化學變化 （軟化、熔融、環(huán)化、交聯(lián)、降解、氧化、水解）耐化學腐蝕：優(yōu)于金屬但不如陶瓷；熱導率：熱的不良導體電導率：電的不良導體。1.1.3聚合物的一般性能特點第10頁/共100頁11強 度：取決于聚合物分子內(nèi)和分子間相互作用力；1.12聚合物用作基體材料時的要求：

黏附力大、固化收縮率小、有良好物理性能匹配聚合物用作基體材料時的作用：

（1）固結(jié)分散的增強體以形成復合材料的整體； （2）賦予制件形狀； （3）保護增強體不受或少受環(huán)境的不利影響； （4）向增強體傳遞載荷以發(fā)揮承力功能。聚合物基體的類型：（1）熱固性樹脂：受熱軟化，發(fā)生交聯(lián)，轉(zhuǎn)化不可逆

環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、呋喃樹脂（2）熱塑性樹脂：加熱可變軟或熔化，轉(zhuǎn)化可逆

聚烯烴、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、氟樹脂第11頁/共100頁12聚合物用作基體材料時的要求：第11頁/共100頁131.2熱固性聚合物1.2.1環(huán)氧樹脂（1）環(huán)氧樹脂的定義指含有兩個或者兩個以上的環(huán)氧基團的有機高分子化合物，環(huán)氧基團十分活潑，可位于分子鏈的末端或中間，能與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。環(huán)氧樹脂最早出現(xiàn)于20世紀三十年代且于40年代工業(yè)化，已廣泛用于碳纖維增強復合材料，是PMC最重要的載體。第12頁/共100頁131.2熱固性聚合物第12頁/共100頁14（2）環(huán)氧樹脂的性能力學性能：固化后有優(yōu)異的力學性能；電性能：絕緣性能優(yōu)良，高介電性、耐表面漏電、耐電弧化學穩(wěn)定性：很強化學穩(wěn)定性，耐酸、耐堿、耐溶劑等突出尺寸穩(wěn)定性和環(huán)境耐久性（耐酶菌，可濕熱環(huán)境使用）第13頁/共100頁14（2）環(huán)氧樹脂的性能第13頁/共100頁15（3）環(huán)氧樹脂的工藝性可供選擇的品種多樣：有多種多樣的環(huán)氧樹脂、固化劑和改性劑體系，可以適應(yīng)各種應(yīng)用范圍所提出的要求；固化方便：選用不同環(huán)氧樹脂品種、不同的固化劑和固化劑配方，可以在０～１８０度范圍內(nèi)的不同溫度下進行固化；黏附力強：結(jié)構(gòu)中羥基和醚鍵對各種物質(zhì)均有很強黏附力；固化收縮率：固化反應(yīng)直接進行，沒有水或者其它揮發(fā)性副產(chǎn)物放出，所以固化收縮率低（小于２％）。第14頁/共100頁15（3）環(huán)氧樹脂的工藝性第14頁/共100頁16（４）環(huán)氧樹脂的分類環(huán)氧樹脂種類繁多，根據(jù)分子結(jié)構(gòu)大體可分為五大類：縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯類環(huán)氧樹脂、縮水甘油胺類環(huán)氧樹脂、線型脂肪族類環(huán)氧樹脂、脂環(huán)族類環(huán)氧樹脂。復合材料工業(yè)上使用量最大的是縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂，其中又以二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂（簡稱雙酚A型環(huán)氧樹脂）為主第15頁/共100頁16（４）環(huán)氧樹脂的分類第15頁/共100頁171.2.2酚醛樹脂定義：酚類和醛類的縮聚產(chǎn)物，常指由苯酚和甲醛經(jīng)縮聚而得到的樹脂，是最早發(fā)明的一類熱固性樹脂。性能：良好機械強度、突出的瞬時耐高溫燒蝕性能應(yīng)用：最老熱固性樹脂，但原料易得、合成方便、性能突出且有廣泛改性的余地，仍廣泛用于玻璃纖維、碳纖維增強的復合材料，在宇航工業(yè)方面作為瞬時耐高溫和燒蝕的結(jié)構(gòu)材料有重要用途（空間飛行器、火箭、導彈等）。第16頁/共100頁171.2.2酚醛樹脂定義：酚類和醛類的縮聚產(chǎn)物，常指由18第17頁/共100頁18第17頁/共100頁191.2.3不飽和聚酯樹脂(unsaturatedpolyesterresins,UPR或UP)（1）定義不飽和二元酸(或酸酐)或它們與飽和二元酸(或酸酐)組成的混合酸與多元醇縮聚而成，通常在190～220℃進行。（2）化學性質(zhì) 結(jié)構(gòu)：骨架主鏈上有聚酯鏈鍵和不飽和雙鍵，

大分子鏈兩端各帶有羧基和羥基。 酸性介質(zhì)：水解是可逆的，能耐酸性介質(zhì)的侵蝕； 堿性介質(zhì)：水解不可逆的，耐堿性較差。第18頁/共100頁191.2.3不飽和聚酯樹脂(unsaturatedpo20（3）物理性質(zhì)密度：約1.11～1.20g/cm3，固化時體積收縮率較大耐熱性：熱變形溫度約50～60℃，耐熱性好的可達120℃力學性能：具有較高拉伸、彎曲、壓縮等強度耐化學腐蝕性能：耐水、稀酸、稀堿較好，耐有機溶劑差介電性能：介電性能良好第19頁/共100頁20（3）物理性質(zhì)第19頁/共100頁211.2.4呋喃樹脂定義：分子鏈中含有呋喃環(huán)結(jié)構(gòu)。未固化的呋喃樹脂與許多熱塑性和熱固性樹脂有很好的混溶性，可與環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂混合起來進行改性。性能：固化后呋喃樹脂耐強酸（強氧化性硝酸和硫酸除外）、強堿

和有機溶劑的侵蝕，在高溫下仍很穩(wěn)定，主要用作各種耐化學腐蝕和耐高濁的材料。環(huán)內(nèi)含有四個碳原子和一個氧原子第20頁/共100頁211.2.4呋喃樹脂環(huán)內(nèi)含有四個碳原子和一個氧原子第2022耐化學腐蝕材料：可用來制備防腐蝕膠泥，用作化工設(shè)備襯里或其它耐腐材料。

耐熱材料：玻璃纖維增強呋喃復合材料耐熱性比一般的玻璃纖維增強酚醛復合材料高，可在150℃左右長期使用。

與環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂混合改性：將呋喃樹脂與環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂混合使用，可改進玻璃纖維增強呋喃復合材料的力學性能以及制備時的工藝性能，已廣泛用來制備化工反應(yīng)器的攪拌裝置、貯槽及管道等化工設(shè)備。第21頁/共100頁22耐化學腐蝕材料：可用來制備防腐蝕膠泥，用作化工設(shè)備襯里或231.2.5有機硅樹脂

有機硅樹脂是聚有機硅氧烷中一類分子量不高的熱固性樹脂。用這類樹脂制造的玻璃纖維增強復合材料，在較高的溫度范圍內(nèi)（200～250℃）長時間連續(xù)使用后，仍能保持優(yōu)良的電性能，同時，還具有良好耐電弧性能及憎水防潮性能。第22頁/共100頁231.2.5有機硅樹脂

第22頁/共100頁24

（1）熱穩(wěn)定性：耐熱性和耐高溫性能均很高，熱穩(wěn)定性范圍可達200～250℃

（Si-O鍵有較高的鍵能：363kJ/mol）。（2）力學性能：有機硅樹脂固化后的力學性能不高，若在大分子主鏈上引進氯代苯基，可提高力學性能。第23頁/共100頁24 （1）熱穩(wěn)定性：耐熱性和耐高溫性能均很高，熱穩(wěn)定性范圍25（3）電性能：具有優(yōu)良的電絕緣性能（擊穿強度、耐高壓電弧及電火花性能均較優(yōu)異）。受電弧及電火花作用時，樹脂即使裂解而除去有機基團，表面剩下的二氧化硅同樣具有良好的介電性能。

（4）憎水性：吸水性很低（水珠在表面只能滾落而不能潤濕，因此潮濕環(huán)境下復合材料仍能保持其優(yōu)良性能）。第24頁/共100頁25（3）電性能：具有優(yōu)良的電絕緣性能（擊穿強度、耐高壓電26（5）耐腐蝕性能：有機硅樹脂玻璃纖維增強復合材料可耐濃度10%～30%硫酸、10%鹽酸、10%～15%氫氧化鈉、2%碳酸鈉及3%過氧化氫。醇類、脂肪烴和潤滑油對它影響較小，但耐濃硫酸及某些溶劑（如四氯化碳、丙酮和甲苯）的能力較差。第25頁/共100頁26（5）耐腐蝕性能：有機硅樹脂玻璃纖維增強復合材料可耐濃度27結(jié)構(gòu)特點：線型、分枝型，遇熱軟化或熔融且可反復進行力學性能： ①具有明顯的力學松弛現(xiàn)象； ②較大的斷裂延伸率； ③抗沖擊性能好。電學性能：優(yōu)異的絕緣性能，對腐蝕性介質(zhì)穩(wěn)定。舉 例：聚烯烴、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚甲醛、

聚丙烯-十二烯-苯乙烯（ABS樹脂）等。1.3熱塑性聚合物1.3.1熱塑性聚合物第26頁/共100頁27結(jié)構(gòu)特點：線型、分枝型，遇熱軟化或熔融且可反復進行1.3281.3.2聚烯烴包括聚乙烯（產(chǎn)量最大）、聚丙烯、聚苯乙烯和聚丁烯等1.3.3聚酰胺定義：分子鏈中含有酰胺基團（尼龍）性能：具有良好的力學性能 良好的耐磨性和耐腐蝕性較之金屬材料剛性較差，但比拉伸強度高于金屬第27頁/共100頁281.3.2聚烯烴第27頁/共100頁291.3.4聚碳酸酯（PC）

O定義：分子鏈中含有（-ORO-C-）基團的線性聚合物。性能：硬度高、韌性好，良好耐蠕變性、耐熱性和電絕緣性

制品易產(chǎn)生應(yīng)力開裂，耐溶劑和水能力差，

高溫下易水解第28頁/共100頁291.3.4聚碳酸酯（PC）第28頁/共100頁301.3.5聚甲醛定義：分子鏈中含有（-CH2-O-）基團

高熔點、高結(jié)晶的熱塑性塑料性能：優(yōu)異的力學性能（力學性能最接近金屬的塑料）

很高的比強度和比剛度

（在某些場合可以替代鋼、鋁、銅等金屬）第29頁/共100頁301.3.5聚甲醛第29頁/共100頁311.3.6氟樹脂定義：分子鏈中含有氟單體，應(yīng)用最多為聚四氟乙烯，分子式為－(ＣＦ２－ＣＦ２)ｎ－，產(chǎn)量約占氟塑料的９０％。性能：聚四氟乙烯是高度結(jié)晶的聚合物，分解溫度為400度，可在２６０度以下長期使用，具有優(yōu)異的力學性能,耐化學腐蝕性極強，能耐王水及沸騰的氫氟酸（塑料王）第30頁/共100頁311.3.6氟樹脂第30頁/共100頁321.4橡膠橡膠是指具有顯著高彈性的一類高分子化合物，也可用作復合材料的基體材料，包括天然橡膠和人造橡膠，如丁苯橡膠、氯丁橡膠、聚丁二烯橡膠等。不同于樹脂基復合材料，橡膠基復合材料除了要具有輕質(zhì)高強的特點外，還應(yīng)具有柔性和較大的彈性。橡膠基復合材料主要用來制備輪胎、傳動皮帶等。第31頁/共100頁321.4橡膠第31頁/共100頁33（1）按聚合物基體的結(jié)構(gòu)形式分類（最重要的分類方法）

熱固性樹脂基、熱塑性樹脂基、橡膠基

復合材料（2）按增強體類型分類

纖維增強、晶須增強、顆粒增強

聚合物基復合材料；（3）按增強纖維種類分類

玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、其它纖維增強聚合物基復合材料（4）按基體材料性能分類

通用型、耐化學介質(zhì)腐蝕型、耐高溫型、阻燃型

聚合物基復合材料1.5聚合物基復合材料的分類第32頁/共100頁33（1）按聚合物基體的結(jié)構(gòu)形式分類（最重要的分類方法）1.34第33頁/共100頁34第33頁/共100頁35

2.1聚合物基復合材料制備方法分類

2.2聚合物基復合材料的制造工藝§2聚合物基復合材料的制備和加工

第34頁/共100頁352.1聚合物基復合材料制備方法分類§2聚合物362.1.1聚合物基復合材料制備工藝的特點（1）材料的形成和制品的成形是同時完成的（簡化制品結(jié)構(gòu)、減輕制品質(zhì)量、降低工藝消耗）（2）方法多樣、工藝簡便、設(shè)備簡單、成本很低2.1聚合物基復合材料制備方法分類第35頁/共100頁362.1.1聚合物基復合材料制備工藝的特點2.1聚合372.1.2聚合物復合材料成形方法分類（1）預浸料/預混料制備（2）接觸成型（手糊成型）（3）壓力成型（袋壓成型、模壓成型、層壓成型）（4）纏繞成型

（5）樹脂傳遞成型

（6）注射成型

（7）拉擠成型上述各種成形方法之間存在著共性！第36頁/共100頁372.1.2聚合物復合材料成形方法分類第36頁/共1038圖4.5復合材料制品的生產(chǎn)流程圖

第37頁/共100頁38圖4.5復合材料制品的生產(chǎn)流程圖第37頁/共100頁392.2聚合物基復合材料的制造工藝2.2.1預浸料/預混料制備（1）預浸料：定向排列連續(xù)纖維浸漬樹脂形成薄片狀半成品

熱固性預浸料：輪鼓纏繞法、陳列排鋪法（設(shè)備不同） 濕法、干法（樹脂狀態(tài)不同）

熱塑性預浸料：預浸漬技術(shù)（樹脂完全浸漬纖維）

后浸漬技術(shù)（樹脂以粉末等形式存在，

完全浸漬在成型過程中完成）第38頁/共100頁392.2聚合物基復合材料的制造工藝第38頁/共100頁40圖4.6輪鼓纏繞法預浸料制備示意圖第39頁/共100頁40圖4.6輪鼓纏繞法預浸料制備示意圖第39頁/共10041（2）預混料：工藝對象：不連續(xù)纖維浸漬或混合樹脂制品特征：片狀模塑料（Sheetmoldingcompound，SMC）

塊狀模塑料（BulkMoldingCompound，BMC）

注射模塑料（Injectionmoldingcompound，IMC）第40頁/共100頁41（2）預混料：第40頁/共100頁422.2.2手糊成型（HandLay-up）（1）工藝概要模具表面施加脫模劑、膠衣；涂刷樹脂液體、鋪增強材料；

手持

輥子使樹脂浸漬增強體、壓實并驅(qū)除氣泡；重復鋪層操作，達到制品設(shè)計厚度；固化最原始、最簡單的制備方法！第41頁/共100頁422.2.2手糊成型（HandLay-up）第4143圖4.7手糊成型工藝使用的模具及成型示意圖第42頁/共100頁43圖4.7手糊成型工藝使用的模具及成型示意圖第42頁/共44（2）優(yōu)點

1）適合少量生產(chǎn)； 2）設(shè)備投資少；

3）可制形狀復雜產(chǎn)品； 4）可進行材料設(shè)計（3）缺點

1）勞動密集型生產(chǎn)； 2）增強體含量不太高（4）典型產(chǎn)品

艦艇、風力發(fā)電機葉片、游樂設(shè)備、建筑模型第43頁/共100頁44（2）優(yōu)點第43頁/共100頁452.2.3樹脂傳遞成型（ResinTransferMolding，RTM）（1）工藝概要（閉模低壓成型方法）增強體置于上下模之間；合模并將模具夾緊；壓力注射樹脂；固化后打開模具，取下產(chǎn)品。工藝關(guān)鍵：樹脂要充滿模腔；注射壓力0.4-0.5MPa第44頁/共100頁452.2.3樹脂傳遞成型（ResinTransfer46

圖4.8樹脂傳遞成型示意圖第45頁/共100頁46

圖4.8樹脂傳遞成型示意圖第45頁/共100頁47（2）優(yōu)點

1）增強體含量較高； 2）勞動強度低；

3）成型周期較短； 4）產(chǎn)品大型化（3）缺點

1）不易制作小產(chǎn)品； 2）模具復雜且成本高（4）典型產(chǎn)品

小型飛機與汽車零部件、客車座椅、儀表殼第46頁/共100頁47（2）優(yōu)點

第46頁/共100頁482.2.4噴射成型（１）工藝概要（半機械化成型方法）樹脂+引發(fā)劑、樹脂+促進劑

分別從噴槍噴出；纖維經(jīng)切斷器切斷并從噴槍中心噴出；樹脂與纖維一起同時均勻沉積在模具上；沉積一定厚度后用手輥壓實除去氣泡；固化（２）優(yōu)點：生產(chǎn)效率高、制品孔隙率?。ǎ常┤秉c：不易制作小產(chǎn)品、模具復雜且成本高第47頁/共100頁482.2.4噴射成型第47頁/共100頁49圖4.9噴射成型原理圖第48頁/共100頁49圖4.9噴射成型原理圖第48頁/共100頁502.2.5袋壓成型（1）工藝概要（最早最廣泛用于預浸料成型）將鋪層在模具中鋪放；依次鋪上可剝保護層、脫模膜、袋膜等；熱壓固化脫模獲得具有一定結(jié)構(gòu)形狀的制品（2）袋壓分類： 真空袋成型、壓力袋成型、熱壓袋成型（3）真空袋成型： 排除蒸汽、包埋空氣、其它揮發(fā)物第49頁/共100頁502.2.5袋壓成型第49頁/共100頁51圖4.10真空袋成型原理圖第50頁/共100頁51圖4.10真空袋成型原理圖第50頁/共100頁522.2.６纏繞成型（1）工藝概要增強體（無捻粗紗）排列在紗架上；粗紗自紗架退繞、通過樹脂槽、繞絲嘴（浸漬過程）；小車往復移動并帶動已浸漬粗沙纏繞在回轉(zhuǎn)芯軸上；固化、脫模（兩端密閉產(chǎn)品不用脫模，芯模作為內(nèi)襯）工藝關(guān)鍵：纏繞角度與排列密度由芯軸與小車速度之比控制第51頁/共100頁522.2.６纏繞成型第51頁/共100頁53圖4.11濕法纏繞的工藝原理圖

第52頁/共100頁53圖4.11濕法纏繞的工藝原理圖第52頁/共100頁54圖4.12纏繞成型繞線示意圖第53頁/共100頁54圖4.12纏繞成型繞線示意圖第53頁/共100頁55（2）優(yōu)點

1）制品結(jié)構(gòu)性能可達很高；

2）可制耐腐蝕、耐壓、耐熱制品；

3）可制造兩端封閉制品；

4）生產(chǎn)周期短、增強體成本低；（3）缺點

1）制品限于回轉(zhuǎn)體；

2）纖維不易沿制品長度方向精確排列；

（4）典型產(chǎn)品

管道、貯罐、氣瓶、固體火箭發(fā)動機殼體第54頁/共100頁55（2）優(yōu)點第54頁/共100頁562.2.7拉擠成型（1）工藝概要預置在紗架上的玻璃纖維無捻粗紗經(jīng)樹脂槽浸漬樹脂預成型后進入加熱模具，進一步浸漬、固化、定型將型材按要求長度切斷第55頁/共100頁562.2.7拉擠成型第55頁/共100頁57圖4.13拉擠成型工藝原理第56頁/共100頁57圖4.13拉擠成型工藝原理第56頁/共100頁58（2）優(yōu)點

1）生產(chǎn)效率高，可批量生產(chǎn)； 2）樹脂含量可精確控制；

3）制品軸向性能優(yōu)異； 4）原材料成本低（3）缺點

1）模具費用較高； 2）制品橫斷面恒定（4）典型產(chǎn)品

建筑屋頂橫梁、帳篷竿、汽車板簧、電纜管、釣魚竿第57頁/共100頁58（2）優(yōu)點第57頁/共100頁592.2.8模壓成型（1）工藝概要制備具有制品形狀的預浸料或預混料半成品；將半成品在模具中熱壓；固化、脫模

工藝關(guān)鍵：模壓溫度、壓力、時間第58頁/共100頁592.2.8模壓成型第58頁/共100頁60圖4.14模壓成型工藝原理第59頁/共100頁60圖4.14模壓成型工藝原理第59頁/共100頁61（2）工藝優(yōu)點

1）制品尺寸精度高； 2）可大批量生產(chǎn)；

3）孔隙率低； 4）原材料成本低（3）缺點

1）模具費用較高； 2）制品性能各向同性第60頁/共100頁61（2）工藝優(yōu)點第60頁/共100頁622.2.9擠出成型

工藝概要（熱塑性塑料主要加工方法）干燥熱塑性塑料粉料從料斗進入擠出機加熱料筒；物料隨料筒螺桿旋轉(zhuǎn)而沿螺槽前移；物料受機械剪切和料筒加熱而逐漸熔融；熔融物料受螺桿軸向推力而通過機頭和口模；

與口模形狀相似的連續(xù)體冷卻定型。第61頁/共100頁622.2.9擠出成型第61頁/共100頁63圖4.15擠出成型工藝示意圖第62頁/共100頁63圖4.15擠出成型工藝示意圖第62頁/共100頁642.2.10反應(yīng)注射成型（1）工藝概要兩種組分在混合區(qū)低壓混合（0.5MPa）；低壓注射到閉模中（0.5-1.5MPa）；模具中反應(yīng)成型工藝關(guān)鍵：在一種組分內(nèi)加入磨碎玻纖原絲（增加強度）第63頁/共100頁642.2.10反應(yīng)注射成型（1）工藝概要第63頁/共165圖4.16反應(yīng)注射成型示意圖第64頁/共100頁65圖4.16反應(yīng)注射成型示意圖第64頁/共100頁66（2）優(yōu)點

1）工藝成本較低； 2）可快速生產(chǎn)（固化快）

3）可制造大尺寸、形狀復雜制品；（3）缺點

采用磨碎玻璃纖維增強原料費用高（4）主要產(chǎn)品

汽車儀表盤、建筑門、窗、桌、沙發(fā)、電絕緣件第65頁/共100頁66（2）優(yōu)點第65頁/共100頁672.2.11樹脂膜熔浸成型（1）工藝概要將增強物與樹脂片交替鋪放在模具內(nèi)；用真空袋包覆鋪層并抽真空；

加熱熔化樹脂并流浸增強物；經(jīng)過一段時間使其固化第66頁/共100頁672.2.11樹脂膜熔浸成型（1）工藝概要第66頁/共68圖4.17樹脂膜熔浸成型示意圖

第67頁/共100頁68圖4.17樹脂膜熔浸成型示意圖第67頁/共100頁69（2）優(yōu)點

1）空隙率低，纖維含量高； 2）較預浸法成本低（3）缺點

1）模具能經(jīng)受一定溫度； 2）尚未推廣

（4）典型產(chǎn)品

飛機雷達罩、艦艇聲納整流罩第68頁/共100頁69（2）優(yōu)點

1）空隙率低，纖維含量高； 2）較703.1纖維增強聚合物基復合材料一般性能特點3.1.1力學性能（1）力學性能特點

比強度高（密度?。?/p>

性能各向異性（短纖維增強時各向同性）

性能分散性大（影響因素太多）（2）靜態(tài)拉伸性能：完全彈性形變（無屈服點、塑性區(qū)）第69頁/共100頁703.1纖維增強聚合物基復合材料一般性能特點第69頁/共71圖4.18纖維增強聚合物基復合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線CFRP(HM)：高模碳纖維；CFRP(HT)：高強碳纖維；KFRP：Kevlar纖維；GFRP：玻璃纖維第70頁/共100頁71圖4.18纖維增強聚合物基復合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線第70頁72

軸向拉伸強度和模量：隨纖維體積分數(shù)增大而增大

橫向拉伸強度和模量：主要由基體和界面控制

彎曲強度和彈性模量：性能分散性較大

剪切強度和模量：與界面和基體材料有關(guān)，有方向性第71頁/共100頁72軸向拉伸強度和模量：隨纖維體積分數(shù)增大而增大73

（3）高溫力學性能：主要由基體控制圖4.19FRP的高溫力學性能UP：不飽和聚酯EP：環(huán)氧樹脂PEEK：聚醚醚酮PI：聚酰亞胺第72頁/共100頁73 （3）高溫力學性能：主要由基體控制圖4.19FRP的74（4）疲勞性能

疲勞破壞：低于靜態(tài)強度極限動載荷，作用一段時間的破壞

S-N曲線：最大應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

影響因素：纖維類型；基體類型；鋪層形式；界面性質(zhì)；

載荷形式；平均應(yīng)力；應(yīng)力頻率；環(huán)境條件

FRP疲勞強度：與靜態(tài)強度比值約0.22-0.41（循環(huán)107）第73頁/共100頁74（4）疲勞性能第73頁/共100頁75圖4.20FRP與金屬鋁的疲勞性能對比KF：Kevlar纖維；BF：硼纖維；S-GF：高強玻璃纖維；E-GF：E玻璃纖維；EP：環(huán)氧樹脂第74頁/共100頁75圖4.20FRP與金屬鋁的疲勞性能對比第74頁/共1076（5）沖擊韌性

沖擊試驗：測量標準沖擊試樣

破壞所需能量

DI指數(shù)：裂紋擴展能QP與裂紋引發(fā)能Qi之比

DI=QP/Qi

QP+Qi=Q（Q：沖擊破壞所吸收能量）

DI越大，材料韌性越好；對完全脆性材料，DI=0

第75頁/共100頁76（5）沖擊韌性第75頁/共100頁77圖4.21沖擊試驗中的典型加載歷程第76頁/共100頁77圖4.21沖擊試驗中的典型加載歷程第76頁/共100頁78FRP的能量吸收方式：纖維脫膠、纖維拔出、纖維破壞、基體變形和開裂、分層裂紋圖4.22纖維復合材料中裂紋擴展模式第77頁/共100頁78FRP的能量吸收方式：圖4.22纖維復合材料中裂紋擴展79纖維非常顯著地影響破壞模式 （韌性纖維較脆性纖維有更高的沖擊強度）基體變形要吸收較多的能量 （較之熱固性，熱塑性基體有較大塑性變形而沖擊強度高）纖維與基體界面粘結(jié)強度強烈地影響沖擊破壞模式 （纖維脫膠可吸收大量能量）第78頁/共100頁79纖維非常顯著地影響破壞模式第78頁/共100頁80

材料體積比（Vol%）沖擊強度（KJ/m2）石墨/EPKavlar-40/EPS–GF/EPBF/EP4130合金鋼4340合金鋼2024–T3鋁合金6061–T6鋁合金556572601146936937859221584153表4.3各種材料的典型沖擊強度第79頁/共100頁80材料體積比沖擊強度石墨/EP5813.1.2物理及化學性能（1）電性能：介于增強纖維和基體樹脂電性能之間 （樹脂品種、纖維表面處理等影響電性能）

水的影響：很大(潮濕環(huán)境或者水中浸泡電阻下降很大)第80頁/共100頁813.1.2物理及化學性能第80頁/共100頁82（2）熱性能 導熱性能：良好隔熱材料 熱膨脹系數(shù)：在一定溫度范圍內(nèi)有較好尺寸穩(wěn)定性 熱變形溫度：很差（不超過250度）（3）耐熱性（溫度對力學性能影響）

較大溫度依賴性（常溫下較好，溫度升高急劇下降）第81頁/共100頁82（2）熱性能第81頁/共100頁83（4）阻燃性及耐火性：依賴于基體樹脂（5）光學性能：取決于基體和增強體對光透過性和折射性（6）耐化學腐蝕性：優(yōu)良耐化學腐蝕性（7）耐候性：戶外使用時抵抗各種氣候因素的能力

（日光、O2、O3、熱、雨、風、沙、鹽霧）

FRP耐候性：表面失去光澤、起毛、變黃、纖維外露

力學性能無顯著變化(就力學性能而言優(yōu)秀)第82頁/共100頁83（4）阻燃性及耐火性：依賴于基體樹脂第82頁/共100頁843.2玻璃纖維增強熱塑性樹脂（FR-TP）3.2.1玻璃纖維增強熱塑性樹脂

基體樹脂：聚丙烯、ABS樹脂、聚甲醛、聚酰胺、聚酯

性能改善：力學性能、物理化學性能均有明顯提高

突出優(yōu)點：更高的比性能（更小的密度）第83頁/共100頁843.2玻璃纖維增強熱塑性樹脂（FR-TP）第83頁/共85玻璃纖維增強聚丙烯（FR-PP）

增強方式：玻璃短纖維，含量一般為30%-40%； 性能特點：抗拉強度可達100MPa

明顯改善低溫脆性、抗沖擊性、熱變形性

吸水率小第84頁/共100頁85玻璃纖維增強聚丙烯（FR-PP）第84頁/共100頁86玻璃纖維增強聚酰胺（FR-PA） 基體特點：強度高、耐磨性好、吸水率大、耐熱性差 增強方式：玻璃纖維含量30%-35%； 性能改進：抗拉強度提高2-3倍

耐熱性、電絕緣性明顯提高

耐磨性有所降低 常見舉例：玻璃纖維增強尼龍6（尼龍66、尼龍1010）第85頁/共100頁86玻璃纖維增強聚酰胺（FR-PA）第85頁/共100頁87玻璃纖維增強聚苯乙烯類塑料（FR-ABS） 基體樹脂：丁二烯-苯乙烯共聚物（BS） 丙烯腈-苯乙烯共聚物（AS） 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS） 性能改進：強度、彈性模量有成倍提高

耐高溫、耐低溫、尺寸穩(wěn)定性等都有所改善第86頁/共100頁87玻璃纖維增強聚苯乙烯類塑料（FR-ABS）第86頁/共188玻璃纖維增強聚酯（FR-PET、FR-PBT） 基體樹脂：聚苯二甲酸乙二醇酯（PET） 聚苯二甲酸丁二醇酯（PBT）

結(jié)晶度高、成型收縮率大、尺寸穩(wěn)定性差 性能改進：強度很高（較其它玻璃增強熱塑性塑料）

耐高溫性、耐低溫性、電絕緣性都好

高溫下易發(fā)生水解第87頁/共100頁88玻璃纖維增強聚酯（FR-PET、FR-PBT）第87頁/893.2.2玻璃纖維增強熱塑性樹脂對比表4.4各種塑料與玻璃纖維增強后的性能對比第88頁/共100頁893.2.2玻璃纖維增強熱塑性樹脂對比第88頁/共10090基體樹脂：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂GFRP優(yōu)點：

1）密度小、比強度高：密度為1.6～2.0g/cm3

（“玻璃鋼”：質(zhì)輕而強度高）

2）良好的耐腐蝕性：耐酸、堿、有機溶劑、海水等；

3）良好的電絕緣性3.3玻璃纖維增強熱固性樹脂（GFRP）第89頁/共100頁90基體樹脂：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂3.3玻璃91

GFRP缺點：

1）剛性差

（彈性模量比鋼材小十倍）

2）耐熱性較低

（連續(xù)使用溫度350℃以下）

3）導熱性較差

（摩擦產(chǎn)生熱量不易散出）

4）容易老化 （日光照射、空氣氧化、有機溶劑溶解）第90頁/共100頁91 GFRP缺點：第90頁/共100頁92玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂

綜合性能最好的熱固性樹脂基復合材料！

1）強度高于其它GFRP（樹脂黏結(jié)能力強、界面結(jié)合好）

2）固化收縮率小、制品尺寸穩(wěn)定性好（無副產(chǎn)物）

3）加工不方便（固化反應(yīng)大多需要加熱）

4）不易制造大型制件第91頁/共100頁92玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂第91頁/共100頁93玻璃纖維增強酚醛樹脂

1）耐熱性最好（200度以下長期使用）

2）良好耐電弧性

3）原料豐富、價格便宜

4）脆性大

5）強度不如環(huán)氧樹脂基復合材料

6）收縮率大、尺寸穩(wěn)定性差第92頁/共100頁93玻璃纖維增強酚醛樹脂第92頁/共100頁94玻璃纖維增強聚酯樹脂

1）加工性能好 （成型容易，可制造大型構(gòu)件）

2）透光性好

3）固化收縮率大

（生成小分子化合物）

4）耐酸堿性差第93頁/共100頁94玻璃纖維增強聚酯樹脂第93頁/共100頁953.4.1高強度、高模量纖維增強塑料 基體樹脂：環(huán)氧樹脂 增強材料：碳、硼、芳香族纖維、晶須等高強、高模纖維 性能特點：密度小、強度模量高、熱膨脹系數(shù)??；

制備工藝簡單、成型方法多；

纖維價格昂貴，使用范圍到限3.4其它纖維增強塑料第94頁/共100頁953.4.1高強度、高模量纖維增強塑料3.4其它纖維增96

碳纖維增強樹脂:

強度、剛度、耐熱性均好

硼纖維增強樹脂：剛性好（模量高于碳纖維增強）

Kevlar纖維增強樹脂：良好壓延性、耐沖擊、

良好振動衰減性、優(yōu)異的耐疲勞性第95頁/共100頁96 碳纖維增強樹脂: 強度、剛度、耐熱性均好第95頁97表4.6常見高性能纖維增強環(huán)氧樹脂性能對比增強纖維碳纖維Kevlar纖維硼纖維相對密度1.61.42.0拉伸強度，MPa150014001750彈性模量，GPa1276120第96頁/共100頁97表4.6常見高性能纖維增強環(huán)氧樹脂性能對比增強纖維碳纖983.4.2其它纖維增強塑料 其它纖維：石棉、礦物、棉、麻、木質(zhì)、合成纖維 基體材料：熱塑性、熱固性樹脂 應(yīng)用現(xiàn)狀：發(fā)展早、應(yīng)用廣（參閱教材５１頁內(nèi)容）第97頁/共100頁983.4.2其它纖維增強塑料第97頁/共100頁993.5玻璃纖維增強聚合物基復合材料應(yīng)用材料密度，g/cm3拉伸強度，MPa彎曲模量，MPa用途尼龍661.3718291軸承、齒輪等精密件、電工件、汽車儀表等ABS1.2810177化工裝置、管道、容器等聚苯乙烯1.289591汽車內(nèi)裝、收音機機殼、空調(diào)葉片等聚碳酸酯1.4313084耐磨、絕緣儀表等表4.7常見玻璃纖維增強熱塑性樹脂的性能和用途第98頁/共100頁993.5玻璃纖維增強聚合物基復合材料應(yīng)用材料密度，g/100表4.8常見玻璃纖維增強熱固性樹脂的性能和用途基體樹脂聚酯樹脂環(huán)氧樹脂酚醛樹脂雙馬來酰亞胺聚酰亞胺工藝性力學性能耐熱性價格韌性成形收縮率好比較好80℃低差中好優(yōu)秀120~180℃中比較好小比較好比較好約180℃低差大好好230℃中比較好

比較好好240~310℃高比較好

應(yīng)用范圍用于絕大部分玻璃纖維增強制品一般要求的結(jié)構(gòu),如汽車、船舶、化工、電器、電子等適用范圍廣，性能最好，用于主承力結(jié)構(gòu)或耐腐蝕性制品等，如飛機、宇航等發(fā)煙率低，用于燒蝕材料、飛機內(nèi)部裝飾、電工材料等具有良好的性能、中等使用溫度、部分代替環(huán)氧，用于飛機結(jié)構(gòu)材料具有最好的耐熱性，用于耐高溫結(jié)構(gòu)，如衛(wèi)星等空間飛行器的構(gòu)件第99頁/共100頁100表4.8常見玻璃纖維增強熱固性樹脂的性能和用途基體樹脂101感謝您的觀看！第100頁/共100頁101感謝您的觀看！第100頁/共100頁會計學102聚合物基復合材料會計學1聚合物基復合材料103鏈 節(jié)： 聚合物鏈狀分子中的重復結(jié)構(gòu)單元。聚合度： 大分子中的鏈節(jié)數(shù)目。分子量： 鏈節(jié)分子量與聚合度的乘積。聚合反應(yīng)： 加聚反應(yīng)（反應(yīng)過程無副產(chǎn)物）、 縮聚反應(yīng)（反應(yīng)過程產(chǎn)生低分子化合物）有無反應(yīng)副產(chǎn)物與聚合物收縮率的關(guān)系？第1頁/共100頁2鏈 節(jié)： 聚合物鏈狀分子中的重復結(jié)構(gòu)單元。第1頁/共100104大分子鏈分類（化學成分）：a．碳鏈大分子： 主鏈全部由碳原子構(gòu)成；b.雜鏈大分子： 主鏈中除了碳外，還有O、N、S、P等c.元素有機大分子： 主鏈無碳原子（Si、O、N、Al、B、P） 且側(cè)鏈為有機取代基；d.元素無機大分子：主鏈無碳原子，且側(cè)鏈無有機取代基。第2頁/共100頁3大分子鏈分類（化學成分）：第2頁/共100頁1051.1.2結(jié)構(gòu)特征（1）聚合物鏈的結(jié)構(gòu)：包括空間構(gòu)型、構(gòu)象

和形態(tài)。a.聚合物鏈空間構(gòu)型：指聚合物鏈中原子或原子團

在空間的排列方式。當分子鏈的側(cè)基為氫原子時，只有一種鏈結(jié)構(gòu)。當分子鏈側(cè)基除了氫原子外包含其它原子或原子團時，根據(jù)其在分子鏈中占據(jù)位置的不同，有三種空間構(gòu)型。第3頁/共100頁41.1.2結(jié)構(gòu)特征第3頁/共100頁106圖4.1聚合物鏈的三種空間構(gòu)型三種空間構(gòu)型：

全同立構(gòu)：其它原子或原子團只占據(jù)分子鏈的一側(cè)

間同立構(gòu)：其它原子或原子團相間占據(jù)分子鏈的兩側(cè)

無規(guī)立構(gòu)：其它原子或原子團無規(guī)律地分布在分子鏈的兩側(cè)第4頁/共100頁5圖4.1聚合物鏈的三種空間構(gòu)型三種空間構(gòu)型：第4頁/共107b.聚合物鏈的構(gòu)象：以單鍵連接的原子由于熱運動，兩個原子可以在保持鍵角、鍵長不變的前提下作相對旋轉(zhuǎn)，稱為單鍵內(nèi)旋，由此而產(chǎn)生的聚合物鏈的空間形態(tài)稱為聚合物鏈的構(gòu)象。圖4.2聚合物鏈的構(gòu)象

第5頁/共100頁6b.聚合物鏈的構(gòu)象：圖4.2聚合物鏈的構(gòu)象第5頁/共108實際聚合物鏈的構(gòu)象：帶有不同形式和大小的側(cè)基，很難發(fā)生單鍵內(nèi)旋，而是以幾個單鍵為一個獨立單元進行內(nèi)旋轉(zhuǎn)，形成鏈段運動。高頻率鏈段運動可以隨時改變聚合物鏈構(gòu)象，使線性分子鏈在空間呈卷曲狀。在拉力作用下可以伸展拉直，外力除去后又縮回到原來卷曲狀，從而使聚合物具有柔性。聚合物的柔性主要受構(gòu)成單鍵的元素、分子鏈的側(cè)基或支鏈、鏈節(jié)數(shù)、溫度等的影響。第6頁/共100頁7實際聚合物鏈的構(gòu)象：第6頁/共100頁109c.聚合物鏈的形態(tài)：線型及支化型：構(gòu)成線性聚合物，具有高彈性和熱塑性， 又稱為熱塑性聚合物，如滌綸、尼龍、生膠等。交聯(lián)型及網(wǎng)絡(luò)型：構(gòu)成體型聚合物，具有較高的強度和熱固性， 又稱為熱固性聚合物，如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。圖4.3聚合物鏈的形態(tài)第7頁/共100頁8c.聚合物鏈的形態(tài)：圖4.3聚合物鏈的形態(tài)第7頁/共1110（2）聚合物鏈的聚集態(tài)聚合物大分子通過分子間作用力（范德華力、氫鍵）聚集而成，按照大分子排列的有序程度，聚合物聚集態(tài)有晶態(tài)、非晶態(tài)和混合態(tài)三種。對于混合態(tài)，可用結(jié)晶區(qū)域所占百分數(shù)表示聚合物結(jié)晶程度，稱為結(jié)晶度。圖4.4聚合物的聚集態(tài)（a和b為晶態(tài)結(jié)構(gòu)，c為混合態(tài)，d為非晶態(tài)）第8頁/共100頁9（2）聚合物鏈的聚集態(tài)圖4.4聚合物的聚集態(tài)（a和b111影響聚合物結(jié)晶度因素：冷卻速度、單體復雜程度、鏈空間構(gòu)型和鏈形態(tài)冷卻慢、單體簡單、側(cè)基原子或原子團極性大，容易結(jié)晶聚集態(tài)分子鏈特點性能特點晶態(tài)規(guī)則排列，分子間作用力大，運動困難熔點、相對密度、強度高，剛性、耐熱性好非晶態(tài)無規(guī)則排列，運動容易彈性、延伸率和韌性好混合態(tài)介于以上兩者之間介于以上兩者之間表5.1聚合物的結(jié)晶度與性能的關(guān)系

第9頁/共100頁10影響聚合物結(jié)晶度因素：聚集態(tài)分子鏈特點性能特點晶態(tài)規(guī)則排112強 度：取決于聚合物分子內(nèi)和分子間相互作用力；實際強度較低（雜質(zhì)、內(nèi)部缺陷等）彈性模量：與溫度有關(guān)（低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時模量較高） 溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時迅速降低熱膨脹系數(shù)：隨溫度增加而成非線性增加；高于金屬和陶瓷

(環(huán)氧樹脂50-100x10-6/K，不飽和聚酯100-200x10-6/K)耐熱性：聚合物致命弱點，受熱時發(fā)生物理及化學變化 （軟化、熔融、環(huán)化、交聯(lián)、降解、氧化、水解）耐化學腐蝕：優(yōu)于金屬但不如陶瓷；熱導率：熱的不良導體電導率：電的不良導體。1.1.3聚合物的一般性能特點第10頁/共100頁11強 度：取決于聚合物分子內(nèi)和分子間相互作用力；1.113聚合物用作基體材料時的要求：

黏附力大、固化收縮率小、有良好物理性能匹配聚合物用作基體材料時的作用：

（1）固結(jié)分散的增強體以形成復合材料的整體； （2）賦予制件形狀； （3）保護增強體不受或少受環(huán)境的不利影響； （4）向增強體傳遞載荷以發(fā)揮承力功能。聚合物基體的類型：（1）熱固性樹脂：受熱軟化，發(fā)生交聯(lián)，轉(zhuǎn)化不可逆

環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、呋喃樹脂（2）熱塑性樹脂：加熱可變軟或熔化，轉(zhuǎn)化可逆

聚烯烴、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、氟樹脂第11頁/共100頁12聚合物用作基體材料時的要求：第11頁/共100頁1141.2熱固性聚合物1.2.1環(huán)氧樹脂（1）環(huán)氧樹脂的定義指含有兩個或者兩個以上的環(huán)氧基團的有機高分子化合物，環(huán)氧基團十分活潑，可位于分子鏈的末端或中間，能與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。環(huán)氧樹脂最早出現(xiàn)于20世紀三十年代且于40年代工業(yè)化，已廣泛用于碳纖維增強復合材料，是PMC最重要的載體。第12頁/共100頁131.2熱固性聚合物第12頁/共100頁115（2）環(huán)氧樹脂的性能力學性能：固化后有優(yōu)異的力學性能；電性能：絕緣性能優(yōu)良，高介電性、耐表面漏電、耐電弧化學穩(wěn)定性：很強化學穩(wěn)定性，耐酸、耐堿、耐溶劑等突出尺寸穩(wěn)定性和環(huán)境耐久性（耐酶菌，可濕熱環(huán)境使用）第13頁/共100頁14（2）環(huán)氧樹脂的性能第13頁/共100頁116（3）環(huán)氧樹脂的工藝性可供選擇的品種多樣：有多種多樣的環(huán)氧樹脂、固化劑和改性劑體系，可以適應(yīng)各種應(yīng)用范圍所提出的要求；固化方便：選用不同環(huán)氧樹脂品種、不同的固化劑和固化劑配方，可以在０～１８０度范圍內(nèi)的不同溫度下進行固化；黏附力強：結(jié)構(gòu)中羥基和醚鍵對各種物質(zhì)均有很強黏附力；固化收縮率：固化反應(yīng)直接進行，沒有水或者其它揮發(fā)性副產(chǎn)物放出，所以固化收縮率低（小于２％）。第14頁/共100頁15（3）環(huán)氧樹脂的工藝性第14頁/共100頁117（４）環(huán)氧樹脂的分類環(huán)氧樹脂種類繁多，根據(jù)分子結(jié)構(gòu)大體可分為五大類：縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯類環(huán)氧樹脂、縮水甘油胺類環(huán)氧樹脂、線型脂肪族類環(huán)氧樹脂、脂環(huán)族類環(huán)氧樹脂。復合材料工業(yè)上使用量最大的是縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂，其中又以二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂（簡稱雙酚A型環(huán)氧樹脂）為主第15頁/共100頁16（４）環(huán)氧樹脂的分類第15頁/共100頁1181.2.2酚醛樹脂定義：酚類和醛類的縮聚產(chǎn)物，常指由苯酚和甲醛經(jīng)縮聚而得到的樹脂，是最早發(fā)明的一類熱固性樹脂。性能：良好機械強度、突出的瞬時耐高溫燒蝕性能應(yīng)用：最老熱固性樹脂，但原料易得、合成方便、性能突出且有廣泛改性的余地，仍廣泛用于玻璃纖維、碳纖維增強的復合材料，在宇航工業(yè)方面作為瞬時耐高溫和燒蝕的結(jié)構(gòu)材料有重要用途（空間飛行器、火箭、導彈等）。第16頁/共100頁171.2.2酚醛樹脂定義：酚類和醛類的縮聚產(chǎn)物，常指由119第17頁/共100頁18第17頁/共100頁1201.2.3不飽和聚酯樹脂(unsaturatedpolyesterresins,UPR或UP)（1）定義不飽和二元酸(或酸酐)或它們與飽和二元酸(或酸酐)組成的混合酸與多元醇縮聚而成，通常在190～220℃進行。（2）化學性質(zhì) 結(jié)構(gòu)：骨架主鏈上有聚酯鏈鍵和不飽和雙鍵，

大分子鏈兩端各帶有羧基和羥基。 酸性介質(zhì)：水解是可逆的，能耐酸性介質(zhì)的侵蝕； 堿性介質(zhì)：水解不可逆的，耐堿性較差。第18頁/共100頁191.2.3不飽和聚酯樹脂(unsaturatedpo121（3）物理性質(zhì)密度：約1.11～1.20g/cm3，固化時體積收縮率較大耐熱性：熱變形溫度約50～60℃，耐熱性好的可達120℃力學性能：具有較高拉伸、彎曲、壓縮等強度耐化學腐蝕性能：耐水、稀酸、稀堿較好，耐有機溶劑差介電性能：介電性能良好第19頁/共100頁20（3）物理性質(zhì)第19頁/共100頁1221.2.4呋喃樹脂定義：分子鏈中含有呋喃環(huán)結(jié)構(gòu)。未固化的呋喃樹脂與許多熱塑性和熱固性樹脂有很好的混溶性，可與環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂混合起來進行改性。性能：固化后呋喃樹脂耐強酸（強氧化性硝酸和硫酸除外）、強堿

和有機溶劑的侵蝕，在高溫下仍很穩(wěn)定，主要用作各種耐化學腐蝕和耐高濁的材料。環(huán)內(nèi)含有四個碳原子和一個氧原子第20頁/共100頁211.2.4呋喃樹脂環(huán)內(nèi)含有四個碳原子和一個氧原子第20123耐化學腐蝕材料：可用來制備防腐蝕膠泥，用作化工設(shè)備襯里或其它耐腐材料。

耐熱材料：玻璃纖維增強呋喃復合材料耐熱性比一般的玻璃纖維增強酚醛復合材料高，可在150℃左右長期使用。

與環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂混合改性：將呋喃樹脂與環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂混合使用，可改進玻璃纖維增強呋喃復合材料的力學性能以及制備時的工藝性能，已廣泛用來制備化工反應(yīng)器的攪拌裝置、貯槽及管道等化工設(shè)備。第21頁/共100頁22耐化學腐蝕材料：可用來制備防腐蝕膠泥，用作化工設(shè)備襯里或1241.2.5有機硅樹脂

有機硅樹脂是聚有機硅氧烷中一類分子量不高的熱固性樹脂。用這類樹脂制造的玻璃纖維增強復合材料，在較高的溫度范圍內(nèi)（200～250℃）長時間連續(xù)使用后，仍能保持優(yōu)良的電性能，同時，還具有良好耐電弧性能及憎水防潮性能。第22頁/共100頁231.2.5有機硅樹脂

第22頁/共100頁125

（1）熱穩(wěn)定性：耐熱性和耐高溫性能均很高，熱穩(wěn)定性范圍可達200～250℃

（Si-O鍵有較高的鍵能：363kJ/mol）。（2）力學性能：有機硅樹脂固化后的力學性能不高，若在大分子主鏈上引進氯代苯基，可提高力學性能。第23頁/共100頁24 （1）熱穩(wěn)定性：耐熱性和耐高溫性能均很高，熱穩(wěn)定性范圍126（3）電性能：具有優(yōu)良的電絕緣性能（擊穿強度、耐高壓電弧及電火花性能均較優(yōu)異）。受電弧及電火花作用時，樹脂即使裂解而除去有機基團，表面剩下的二氧化硅同樣具有良好的介電性能。

（4）憎水性：吸水性很低（水珠在表面只能滾落而不能潤濕，因此潮濕環(huán)境下復合材料仍能保持其優(yōu)良性能）。第24頁/共100頁25（3）電性能：具有優(yōu)良的電絕緣性能（擊穿強度、耐高壓電127（5）耐腐蝕性能：有機硅樹脂玻璃纖維增強復合材料可耐濃度10%～30%硫酸、10%鹽酸、10%～15%氫氧化鈉、2%碳酸鈉及3%過氧化氫。醇類、脂肪烴和潤滑油對它影響較小，但耐濃硫酸及某些溶劑（如四氯化碳、丙酮和甲苯）的能力較差。第25頁/共100頁26（5）耐腐蝕性能：有機硅樹脂玻璃纖維增強復合材料可耐濃度128結(jié)構(gòu)特點：線型、分枝型，遇熱軟化或熔融且可反復進行力學性能： ①具有明顯的力學松弛現(xiàn)象； ②較大的斷裂延伸率； ③抗沖擊性能好。電學性能：優(yōu)異的絕緣性能，對腐蝕性介質(zhì)穩(wěn)定。舉 例：聚烯烴、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚甲醛、

聚丙烯-十二烯-苯乙烯（ABS樹脂）等。1.3熱塑性聚合物1.3.1熱塑性聚合物第26頁/共100頁27結(jié)構(gòu)特點：線型、分枝型，遇熱軟化或熔融且可反復進行1.31291.3.2聚烯烴包括聚乙烯（產(chǎn)量最大）、聚丙烯、聚苯乙烯和聚丁烯等1.3.3聚酰胺定義：分子鏈中含有酰胺基團（尼龍）性能：具有良好的力學性能 良好的耐磨性和耐腐蝕性較之金屬材料剛性較差，但比拉伸強度高于金屬第27頁/共100頁281.3.2聚烯烴第27頁/共100頁1301.3.4聚碳酸酯（PC）

O定義：分子鏈中含有（-ORO-C-）基團的線性聚合物。性能：硬度高、韌性好，良好耐蠕變性、耐熱性和電絕緣性

制品易產(chǎn)生應(yīng)力開裂，耐溶劑和水能力差，

高溫下易水解第28頁/共100頁291.3.4聚碳酸酯（PC）第28頁/共100頁1311.3.5聚甲醛定義：分子鏈中含有（-CH2-O-）基團

高熔點、高結(jié)晶的熱塑性塑料性能：優(yōu)異的力學性能（力學性能最接近金屬的塑料）

很高的比強度和比剛度

（在某些場合可以替代鋼、鋁、銅等金屬）第29頁/共100頁301.3.5聚甲醛第29頁/共100頁1321.3.6氟樹脂定義：分子鏈中含有氟單體，應(yīng)用最多為聚四氟乙烯，分子式為－(ＣＦ２－ＣＦ２)ｎ－，產(chǎn)量約占氟塑料的９０％。性能：聚四氟乙烯是高度結(jié)晶的聚合物，分解溫度為400度，可在２６０度以下長期使用，具有優(yōu)異的力學性能,耐化學腐蝕性極強，能耐王水及沸騰的氫氟酸（塑料王）第30頁/共100頁311.3.6氟樹脂第30頁/共100頁1331.4橡膠橡膠是指具有顯著高彈性的一類高分子化合物，也可用作復合材料的基體材料，包括天然橡膠和人造橡膠，如丁苯橡膠、氯丁橡膠、聚丁二烯橡膠等。不同于樹脂基復合材料，橡膠基復合材料除了要具有輕質(zhì)高強的特點外，還應(yīng)具有柔性和較大的彈性。橡膠基復合材料主要用來制備輪胎、傳動皮帶等。第31頁/共100頁321.4橡膠第31頁/共100頁134（1）按聚合物基體的結(jié)構(gòu)形式分類（最重要的分類方法）

熱固性樹脂基、熱塑性樹脂基、橡膠基

復合材料（2）按增強體類型分類

纖維增強、晶須增強、顆粒增強

聚合物基復合材料；（3）按增強纖維種類分類

玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、其它纖維增強聚合物基復合材料（4）按基體材料性能分類

通用型、耐化學介質(zhì)腐蝕型、耐高溫型、阻燃型

聚合物基復合材料1.5聚合物基復合材料的分類第32頁/共100頁33（1）按聚合物基體的結(jié)構(gòu)形式分類（最重要的分類方法）1.135第33頁/共100頁34第33頁/共100頁136

2.1聚合物基復合材料制備方法分類

2.2聚合物基復合材料的制造工藝§2聚合物基復合材料的制備和加工

第34頁/共100頁352.1聚合物基復合材料制備方法分類§2聚合物1372.1.1聚合物基復合材料制備工藝的特點（1）材料的形成和制品的成形是同時完成的（簡化制品結(jié)構(gòu)、減輕制品質(zhì)量、降低工藝消耗）（2）方法多樣、工藝簡便、設(shè)備簡單、成本很低2.1聚合物基復合材料制備方法分類第35頁/共100頁362.1.1聚合物基復合材料制備工藝的特點2.1聚合1382.1.2聚合物復合材料成形方法分類（1）預浸料/預混料制備（2）接觸成型（手糊成型）（3）壓力成型（袋壓成型、模壓成型、層壓成型）（4）纏繞成型

（5）樹脂傳遞成型

（6）注射成型

（7）拉擠成型上述各種成形方法之間存在著共性！第36頁/共100頁372.1.2聚合物復合材料成形方法分類第36頁/共10139圖4.5復合材料制品的生產(chǎn)流程圖

第37頁/共100頁38圖4.5復合材料制品的生產(chǎn)流程圖第37頁/共100頁1402.2聚合物基復合材料的制造工藝2.2.1預浸料/預混料制備（1）預浸料：定向排列連續(xù)纖維浸漬樹脂形成薄片狀半成品

熱固性預浸料：輪鼓纏繞法、陳列排鋪法（設(shè)備不同） 濕法、干法（樹脂狀態(tài)不同）

熱塑性預浸料：預浸漬技術(shù)（樹脂完全浸漬纖維）

后浸漬技術(shù)（樹脂以粉末等形式存在，

完全浸漬在成型過程中完成）第38頁/共100頁392.2聚合物基復合材料的制造工藝第38頁/共100頁141圖4.6輪鼓纏繞法預浸料制備示意圖第39頁/共100頁40圖4.6輪鼓纏繞法預浸料制備示意圖第39頁/共100142（2）預混料：工藝對象：不連續(xù)纖維浸漬或混合樹脂制品特征：片狀模塑料（Sheetmoldingcompound，SMC）

塊狀模塑料（BulkMoldingCompound，BMC）

注射模塑料（Injectionmoldingcompound，IMC）第40頁/共100頁41（2）預混料：第40頁/共100頁1432.2.2手糊成型（HandLay-up）（1）工藝概要模具表面施加脫模劑、膠衣；涂刷樹脂液體、鋪增強材料；

手持

輥子使樹脂浸漬增強體、壓實并驅(qū)除氣泡；重復鋪層操作，達到制品設(shè)計厚度；固化最原始、最簡單的制備方法！第41頁/共100頁422.2.2手糊成型（HandLay-up）第41144圖4.7手糊成型工藝使用的模具及成型示意圖第42頁/共100頁43圖4.7手糊成型工藝使用的模具及成型示意圖第42頁/共145（2）優(yōu)點

1）適合少量生產(chǎn)； 2）設(shè)備投資少；

3）可制形狀復雜產(chǎn)品； 4）可進行材料設(shè)計（3）缺點

1）勞動密集型生產(chǎn)； 2）增強體含量不太高（4）典型產(chǎn)品

艦艇、風力發(fā)電機葉片、游樂設(shè)備、建筑模型第43頁/共100頁44（2）優(yōu)點第43頁/共100頁1462.2.3樹脂傳遞成型（ResinTransferMolding，RTM）（1）工藝概要（閉模低壓成型方法）增強體置于上下模之間；合模并將模具夾緊；壓力注射樹脂；固化后打開模具，取下產(chǎn)品。工藝關(guān)鍵：樹脂要充滿模腔；注射壓力0.4-0.5MPa第44頁/共100頁452.2.3樹脂傳遞成型（ResinTransfer147

圖4.8樹脂傳遞成型示意圖第45頁/共100頁46

圖4.8樹脂傳遞成型示意圖第45頁/共100頁148（2）優(yōu)點

1）增強體含量較高； 2）勞動強度低；

3）成型周期較短； 4）產(chǎn)品大型化（3）缺點

1）不易制作小產(chǎn)品； 2）模具復雜且成本高（4）典型產(chǎn)品

小型飛機與汽車零部件、客車座椅、儀表殼第46頁/共100頁47（2）優(yōu)點

第46頁/共100頁1492.2.4噴射成型（１）工藝概要（半機械化成型方法）樹脂+引發(fā)劑、樹脂+促進劑

分別從噴槍噴出；纖維經(jīng)切斷器切斷并從噴槍中心噴出；樹脂與纖維一起同時均勻沉積在模具上；沉積一定厚度后用手輥壓實除去氣泡；固化（２）優(yōu)點：生產(chǎn)效率高、制品孔隙率?。ǎ常┤秉c：不易制作小產(chǎn)品、模具復雜且成本高第47頁/共100頁482.2.4噴射成型第47頁/共100頁150圖4.9噴射成型原理圖第48頁/共100頁49圖4.9噴射成型原理圖第48頁/共100頁1512.2.5袋壓成型（1）工藝概要（最早最廣泛用于預浸料成型）將鋪層在模具中鋪放；依次鋪上可剝保護層、脫模膜、袋膜等；熱壓固化脫模獲得具有一定結(jié)構(gòu)形狀的制品（2）袋壓分類： 真空袋成型、壓力袋成型、熱壓袋成型（3）真空袋成型： 排除蒸汽、包埋空氣、其它揮發(fā)物第49頁/共100頁502.2.5袋壓成型第49頁/共100頁152圖4.10真空袋成型原理圖第50頁/共100頁51圖4.10真空袋成型原理圖第50頁/共100頁1532.2.６纏繞成型（1）工藝概要增強體（無捻粗紗）排列在紗架上；粗紗自紗架退繞、通過樹脂槽、繞絲嘴（浸漬過程）；小車往復移動并帶動已浸漬粗沙纏繞在回轉(zhuǎn)芯軸上；固化、脫模（兩端密閉產(chǎn)品不用脫模，芯模作為內(nèi)襯）工藝關(guān)鍵：纏繞角度與排列密度由芯軸與小車速度之比控制第51頁/共100頁522.2.６纏繞成型第51頁/共100頁154圖4.11濕法纏繞的工藝原理圖

第52頁/共100頁53圖4.11濕法纏繞的工藝原理圖第52頁/共100頁155圖4.12纏繞成型繞線示意圖第53頁/共100頁54圖4.12纏繞成型繞線示意圖第53頁/共100頁156（2）優(yōu)點

1）制品結(jié)構(gòu)性能可達很高；

2）可制耐腐蝕、耐壓、耐熱制品；

3）可制造兩端封閉制品；

4）生產(chǎn)周期短、增強體成本低；（3）缺點

1）制品限于回轉(zhuǎn)體；

2）纖維不易沿制品長度方向精確排列；

（4）典型產(chǎn)品

管道、貯罐、氣瓶、固體火箭發(fā)動機殼體第54頁/共100頁