復合材料大綜述課件

Generalplasticbasedcomposites

(聚合物基復合材料大類)Icanfly!Ibelieve*Generalplasticbasedc1聚合物基復合材料應包括聚合物基宏觀復合材料和聚合物基納米復合材料。微觀復合材料是指分散相至少有一維是在納米尺寸范圍。Icanfly!Ibelieve*聚合物基復合材料應包括聚合物基宏觀復合材料和聚合物基納米復合2

一、復合材料的定義和特點：1、復合材料的定義：兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復合材料應滿足下面三個條件：（1）組元含量大于5%；（2）復合材料的性能顯著不同于各組元的性能；（3）通過各種方法混合而成。Icanfly!Ibelieve*一、復合材料的定義和特點：Icanfly!Ibel32、復合材料的特點：

1）由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微觀復合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯的界面。

2）各組分保持各自固有特性的同時可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。3）復合材料具有可設計性。Icanfly!Ibelieve*2、復合材料的特點：Icanfly!Ib43、復合材料的基本結(jié)構(gòu)模式復合材料由基體和增強劑兩個組分構(gòu)成：

基體：構(gòu)成復合材料的連續(xù)相；增強劑（增強相、增強體）：復合材料中獨立的形態(tài)分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和增強。增強劑（相）一般較基體硬，強度、模量較基體大，或具有其它特性?？梢允抢w維狀、顆粒狀或彌散狀。增強劑（相）與基體之間存在著明顯界面。

Icanfly!Ibelieve*3、復合材料的基本結(jié)構(gòu)模式Icanfly!5二、復合材料的分類

1、按基體材料分類，可分為聚合物基、陶瓷基和金屬基復合材料。2、按增強相形狀分類，可分為纖維增強復合材料、粒子增強復合材料和層狀復合材料。3、按復合材料的性能分類，可分為結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料。SiC顆粒Al2O3片Al2O3纖維增強相三種類型Icanfly!Ibelieve*二、復合材料的分類1、按基體材料分類，可分為聚合物基、陶瓷6通常聚合物基復合材料是指以有機聚合物為基體、纖維類增強材料為增強劑的復合材料。按聚合物特性分類：塑料基復合材料和橡膠基復合材料按增強劑分類：玻璃纖維增強塑料、碳纖維增強塑料Icanfly!Ibelieve*通常聚合物基復合材料是指以有機聚合物為基體、纖維類增強材料為7三、復合材料結(jié)構(gòu)類型1、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)2、層狀結(jié)構(gòu)，兩種組分均為二維連續(xù)相3、單向結(jié)構(gòu)，纖維單向增強及筒狀結(jié)構(gòu)的復合材料4、分散狀結(jié)構(gòu)，以不連續(xù)的粒狀或短纖維為填料的復合材料5、鋃嵌結(jié)構(gòu)Icanfly!Ibelieve*三、復合材料結(jié)構(gòu)類型1、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Icanfly!Ib8

四、復合材料的基本性能指標：

1、高比強度、高比模量（剛度）：比強度=強度/密度MPa/（g/cm3）,比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。Icanfly!Ibelieve*四、復合材料的基本性能指標：

1、高比強度9

2、耐疲勞性能好3、減震性好4、耐燒蝕性能好，高溫下能吸收大量熱能，是良好的耐燒蝕性材料。5、工藝性好

Icanfly!Ibelieve*2、耐疲勞性能好Icanfly!Ibel10聚合物基體中常用的增強劑即指增強材料，是聚合物基復合材料的骨架。它是決定復合材料強度和剛度的主要因素。1、玻璃纖維玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經(jīng)熔融后以快的速度抽絲而成。質(zhì)地柔軟，可紡織成各種玻璃布、帶等。伸長率和熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕，耐高溫性能較好，價格便宜，品種多。缺點是不耐磨、易折斷，易受機械損傷。Icanfly!Ibelieve*聚合物基體中常用的增強劑即指增強材料，是聚合物11其次，碳纖維是由有機纖維經(jīng)固相反應轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量95%左右的稱為碳纖維；含碳量99%左右的稱為石墨纖維。碳纖維比重小，比強度、比模量大，耐熱性和耐腐蝕性好，成本低，批生產(chǎn)量大，是一類極為重要的高性能增強劑。Icanfly!Ibelieve*Icanfly!Ibelieve*12硼纖維硼纖維一般是用還原硼的鹵化物來生產(chǎn)的。硼纖維的優(yōu)點是強度高、耐高溫、彈性模量高。但價格昂貴。芳綸纖維聚芳酰胺纖維，力學性能好、穩(wěn)定性高、耐化學腐蝕性。具壓延性，與金屬相似。耐沖擊性是石墨纖維的6倍；自由振動的衰減性為鋼筋的8倍，Icanfly!Ibelieve*硼纖維Icanfly!Ibelieve*13其中增強材料的表面處理：1、玻璃纖維的表面處理必須將纖維表面上的浸潤及劑除掉；采用化學處理劑對纖維表面進行處理，偶聯(lián)劑。Icanfly!Ibelieve*其中增強材料的表面處理：Icanfly!Ibelie142、碳纖維的表面處理a、表面氧化處理把碳纖維用各種方法進行表面氧化可增加比表面積和表面反應性官能團的數(shù)量。b、表面涂層氧化處理后，常使其表面附著一層聚合物以便進一步改善其與聚合物基體的黏接性能。c、碳的表面氣相沉積在碳纖維表面上化學沉積微粒碳，可提高其耐熱性、改善與基體聚合物的黏接性能。d、表面生長晶須Icanfly!Ibelieve*2、碳纖維的表面處理Icanfly!Ibelieve15聚合物基體的分類：聚合物基體將增強纖維黏接成整體，在纖維間傳遞載荷并使載荷均衡，從而充分發(fā)揮增強材料的作用。熱固性塑料熱塑性塑料橡膠Icanfly!Ibelieve*聚合物基體的分類：聚合物基體將增強纖維黏接成整體，在纖維間傳16聚合物復合材料的制造及成型原理聚合物基復合材料的制造大體包括如下：預浸料的制造、制件的鋪層、固化及制件的后處理與機械加工。1、預浸料制備預浸料是指定向排列的連續(xù)纖維（單向、織物）浸漬樹脂后所形成的厚度均勻的薄片狀半成品。

Icanfly!Ibelieve*聚合物復合材料的制造及成型原理Icanfly!Ibe17預浸料制備：Icanfly!Ibelieve*預浸料制備：Icanfly!Ibelieve*182、制件成型固化工藝一是成型，即將預浸料按產(chǎn)品的要求，鋪置成一定的形狀，一般就是產(chǎn)品的形狀;二是固化，即把已鋪置成一定形狀的疊層預浸料，在溫度、時間和壓力等因素影響下使形狀固定下來，并能達到預期的性能要求。Icanfly!Ibelieve*2、制件成型固化工藝一是成型，即將預浸料按產(chǎn)品的要求，鋪置成19生產(chǎn)中采用的成型工藝(1)手糊成型（2）噴射成型 (3)纏繞成型(4)擠拉成型(5)連續(xù)成型(6)袋壓成型Icanfly!Ibelieve*生產(chǎn)中采用的成型工藝Icanfly!Ibelieve20（1）手糊成型在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸膠并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復上述過程直至達到所需厚度為止。

Icanfly!Ibelieve*（1）手糊成型Icanfly!Ibelieve*21（2）噴射成型 將分別混有促進劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍兩側(cè)（或在噴槍內(nèi)混合）噴出，同時將玻璃纖維無捻粗紗用切割機切斷并由噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻沉積到模具上。

Icanfly!Ibelieve*（2）噴射成型 Icanfly!Ibelieve*22

噴射成型原理圖

Icanfly!Ibelieve*噴射成型原理圖Icanfly!Ibelieve*23（3）纏繞成型：纏繞成型是一種將浸漬了樹脂的紗或絲束纏繞在回轉(zhuǎn)芯模上、常壓下在室溫或較高溫度下固化成型的一種復合材料制造工藝。

Icanfly!Ibelieve*（3）纏繞成型：纏繞成型是一種將浸漬了樹脂的紗或Ican24（6）擠出成型是熱塑性塑料主要加工方法之一。干燥的熱塑性塑料（粉料或粒料）從料斗進入擠出機加熱料筒，料筒中螺桿旋轉(zhuǎn)，物料沿螺槽前移。前移過程中物料受機械剪切作用摩擦熱和料筒的加熱逐漸熔融成熔體，熔體受螺桿軸向推力的作用通過機頭和口模，獲得與口模形狀相似的連續(xù)體。

Icanfly!Ibelieve*（6）擠出成型Icanfly!Ibelieve*25

擠出成型工藝示意圖

Icanfly!Ibelieve*擠出成型工藝示意圖Icanfly!Ibeliev26（4）擠拉成型將預浸纖維連續(xù)地通過模具，擠出多余的樹脂，在牽伸條件下進行固化。（5）連續(xù)成型把連續(xù)纖維不斷地浸滯樹脂并通過口模和固化爐固化成棒、板或其他型材。（6）袋壓成型在模具上放置預浸料后，通過軟的薄膜施加壓力而固化成型。Icanfly!Ibelieve*（4）擠拉成型Icanfly!Ibelieve*27

復合材料的界面是指基體與增強物之間化學成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。Icanfly!Ibelieve*復合材料的界面是指基體與增強物之間化學成分281.形成：第一階段是基體與增強纖維的接觸與浸潤；第二階段是聚合物的固化。固化反應從中心以輻射狀向四周延伸，結(jié)果形成了中心密度大、邊緣密度小的非均勻固化結(jié)構(gòu)，密度大的部分叫膠束或膠粒，密度小的叫膠絮。Icanfly!Ibelieve*1.形成：第一階段是基體與增強纖維的接觸與浸潤；Ica292.界面層的結(jié)構(gòu)：①界面的結(jié)合力：存在于兩相之間，并由此產(chǎn)生復合效果和界面強度。它又可以分為宏觀結(jié)合力和微觀結(jié)合力，前者主要指材料的幾何因素，如表面的凹凸不平、裂紋、孔隙等所產(chǎn)生的機械鉸合力，后者包括化學鍵和次價鍵。②界面的區(qū)域（厚度）：界面區(qū)由基體和增強材料的界面再加上基體和增強材料表面的薄層而構(gòu)成。③界面的微觀結(jié)構(gòu)Icanfly!Ibelieve*2.界面層的結(jié)構(gòu)：Icanfly!Ibelieve30復合材料兩相界面間的作用1.傳遞效應：界面能傳遞力，在基體與增強物之間起橋梁作用。2.阻斷效應：結(jié)合適當?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、中斷材料破壞、減緩應力集中的作用。3.不連續(xù)效應：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦的現(xiàn)象，如抗電性、電感應性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。

Icanfly!Ibelieve*復合材料兩相界面間的作用1.傳遞效應：界面能傳遞力，在基體與314.散射和吸附效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊及耐熱沖擊性等。5.誘導效應：一種物質(zhì)（通常為增強物）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常為聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性、耐熱性等。Icanfly!Ibelieve*4.散射和吸附效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生324、界面作用機理界面作用機理是指界面發(fā)揮作用的微觀機理。偶聯(lián)劑之類的表面處理劑對界面作用起著關鍵性的影響。

1）、化學鍵理論偶聯(lián)劑就在樹脂與玻璃纖維表面起到一個化學的媒介作用，從而把它們牢固地連接起來。這種理論的實質(zhì)是增加界面的化學結(jié)合，是改進復合材料性能的關鍵因素。Icanfly!Ibelieve*4、界面作用機理Icanfly!Ibelieve*332）物理吸附理論兩相間的結(jié)合屬于機械鉸合和基于次價鍵作用的物理吸收，偶聯(lián)劑的作用主要是促進基體與增強劑表面的完全潤濕。這種理論僅是化學鍵理論的一種補充。

浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，導致界面缺陷和應力集中，使界面強度下降。良好的或完全浸潤可使界面強度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強度。Icanfly!Ibelieve*2）物理吸附理論Icanfly!Ibelieve*343）可變層理論和抑制層理論增強劑經(jīng)表面處理后，在界面上形成了一層塑性層，它能松弛界面應力，減小界面應力。這種理論稱為可變層理論。處理劑是界面區(qū)的組成部分，其模量介于增強劑和樹脂基體之間，能起到均勻傳遞應力，從而減弱界面應力的作用，稱為抑制層理論。Icanfly!Ibelieve*3）可變層理論和抑制層理論Icanfly!Ibeli354）減弱界面局部都應力作用理論基體和增強劑之間的處理劑，提供了一種具有愈能力”的化學鍵，在負荷下，它處于不斷形成與斷裂的動平衡狀態(tài)。低分子物（主要是水）的應力浸蝕將使界面化學鍵斷裂，同時，在應力作用下，處理劑能沿增強劑表面滑移，使已斷裂的鍵重新結(jié)合。這個變化過程的同時使應力得以松弛，使界面的應力集中降低。Icanfly!Ibelieve*4）減弱界面局部都應力作用理論Icanfly!Ibe36十、復合材料性能1、復合效果1）組分效果加和效果:簡單的混合法則相補效果是加和效果的特殊情況，是指性質(zhì)的相互彌補而起到揚長避短的效果。Icanfly!Ibelieve*十、復合材料性能1、復合效果Icanfly!Ibel372）結(jié)構(gòu)效果考慮復合物性能時，必須考慮連續(xù)相和分散相的結(jié)構(gòu)形態(tài)、取向及尺寸等因素。又分為形狀效果、取向效果和尺寸效果。形狀效果是指兩相的連續(xù)性以及分散的形狀。取向效果，對纖維增強復合材料就是指纖維的取向所產(chǎn)生的影響。尺寸效果，對纖維增強復合材料主要是指纖維的長度、直徑以及長徑比所起的影響。3）界面效果（復合效果的主要部分）Icanfly!Ibelieve*2）結(jié)構(gòu)效果Icanfly!Ibelieve*38

熱性能包括： 熱傳導與熱容量：決定了復材與外界熱交換和自身溫度 的變化。 熱膨脹性能：決定復材結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應力分布狀 態(tài)與抗熱震性能。 耐熱性能：決定復材的使用溫度范圍。2、復材的熱性能Icanfly!Ibelieve* 熱性能包括：2、復材的熱性能Icanfly!I391） 熱傳導: 導熱系數(shù)，W/(mK)，表征材料的導熱能力。 材料本身的特性 溫度的函數(shù)

Icanfly!Ibelieve*1） 熱傳導Icanfly!Ibelieve*40

比熱定義：單位質(zhì)量的物質(zhì)升溫1℃所需的熱量稱之。與別的性質(zhì)不同，復合材料的比熱與組材料的比熱間的關系比較簡單，符合加和性原理：Icanfly!Ibelieve* 比熱Icanfly!Ibelieve*412） 熱膨脹性能 熱膨脹系數(shù)：表征材料受熱時線度或體積的變化程度。纖維限制了基體的縱向膨脹，使橫向膨脹增加。Icanfly!Ibelieve*2） 熱膨脹性能纖維限制了基體的縱向膨脹，使橫向膨脹增加。I42

3） 耐熱性能 復合材料的耐熱性能主要決定于其聚合物基體的耐熱性能。Icanfly!Ibelieve*3） 耐熱性能Icanfly!Ibelieve*43

復合材料的力學性能主要包括靜態(tài)性能（拉、壓、彎、扭等）和動態(tài)性能（斷裂韌性、蠕變性能、疲勞、沖擊等）。 聚合物基的復合材料種類可能非常多，但決定一種復合材料性能的主要因素是纖維類型、纖維體積分數(shù)、纖維形式及基體類型等。1） 靜態(tài)力學性能 復材一般直到斷裂都是完全彈性的，沒有屈服點或塑性區(qū)。此外，復材的斷裂應變很小，與金屬相比，斷裂功小、韌性差。Icanfly!Ibelieve* 復合材料的力學性能主要包括靜態(tài)性能（拉、壓、彎、扭等）和442）動態(tài)力學性能（蠕變及疲勞）

聚合物基體中添加纖維可使蠕變大幅度降低。其下降幅度與兩種材料（纖維和基體）的模量之比成比例。玻璃纖維用偶聯(lián)劑處理之后，復合材料的抗蠕變性有明顯改善。

長徑比在200以內(nèi)，疲勞壽命隨纖維長度的增加而增加。在高頻下疲勞壽命縮短的主要原因是熱積累。Icanfly!Ibelieve*2）動態(tài)力學性能（蠕變及疲勞）Icanfly!Ibe454、 光學性能 PMC波形板和平板的透光性最好，其全透光率為85-90%，接近普通玻璃的透光率。但由于其散射光占全透光很大的比例，因此，沒有普通平板玻璃那樣透明。 影響透光性的主要因素： 玻璃纖維與樹脂基體的透光性； 玻璃纖維與樹脂基體的折射率； 其他因素（表面形狀與光滑程度、纖維的含量與形態(tài)、固化劑的種類和用量、著色劑、填料的種類與含量等）。Icanfly!Ibelieve*4、 光學性能Icanfly!Ibelieve*46與傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、水泥等)相比，復合材料是一種新型材料。它具有許多優(yōu)良的性能，并且其成本在逐漸地下降，成型工藝的機械化、白動化程度也在不斷地提高。團此，復合材料的應用領域日益廣泛。十一、復合材料的應用Icanfly!Ibelieve*與傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、水泥等)相比，復合47氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機的防熱瓦Icanfly!Ibelieve*氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機的防熱瓦Icanfly!I48硼纖維金屬基復合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件Icanfly!Ibelieve*硼纖維金屬基復合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件Ican49美國B-2隱形轟炸機表面為具有良好吸波性能的碳纖維復合材料Icanfly!Ibelieve*美國B-2隱形轟炸機表面為具有良好吸波性能的碳纖維復合材料I50由光導纖維構(gòu)成的光纜Icanfly!Ibelieve*由光導纖維構(gòu)成的光纜Icanfly!Ibelieve51先進橡膠輪胎使汽車成為交通主宰賽車上使用的特殊輪胎Icanfly!Ibelieve*先進橡膠輪胎使汽車成為交通主宰賽車上使用的特殊輪胎Ican52人工合成的金剛石Icanfly!Ibelieve*人工合成的金剛石Icanfly!Ibelieve*53高分子分離膜已被用來制造高效家庭凈水器Icanfly!Ibelieve*高分子分離膜已被用來制造高效家庭凈水器Icanfly!54人工腎臟Icanfly!Ibelieve*人工腎臟Icanfly!Ibelieve*55生物陶瓷人造關節(jié)Icanfly!Ibelieve*生物陶瓷人造關節(jié)Icanfly!Ibelieve*56可調(diào)節(jié)的太陽鏡耐高溫纖維制成的消防人員的服裝Icanfly!Ibelieve*可調(diào)節(jié)的太陽鏡耐高溫纖維制成的消防人員的服裝Icanfl57(1)在航空、航天方面的應用

由于復合材料的輕質(zhì)高強持性，使其在航空航天領域得到廣泛的應用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機的機冀蒙皮、機身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強筋等主承力構(gòu)件。Icanfly!Ibelieve*(1)在航空、航天方面的應用Icanfly!Ibe58

(2)在交通運輸方面的應用由復合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的1／4，而且在受到撞擊時復合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護人員的安全。Icanfly!Ibelieve*(2)在交通運輸方面的應用Icanfly!Ibel59

用復合材料制造的汽車部件較多，如車體、駕駛室、擋泥板、保險杠、引擎罩、儀表盤、驅(qū)動軸、板黃等。隨著列車速度的不斷提高，火車部件用復合材料來制造是最好的選擇。復合材料常被用于制造高速列車的車箱外殼、內(nèi)裝飾材料、整體衛(wèi)生間、車門窗、水箱等。Icanfly!Ibelieve*用復合材料制造的汽車部件較多，如車體、駕駛室、擋泥板、保60

(3)在化學工業(yè)方面的應用

在化學工業(yè)方面，復合材料主要被用于制造防腐蝕制品。聚合物基復合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。例如，在酸性介質(zhì)中，聚合物基復合材料的耐腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。Icanfly!Ibelieve*(3)在化學工業(yè)方面的應用Icanfly!Ibel61(4)在電氣工業(yè)方面的應用聚合物基復合材料是一種優(yōu)異的電絕緣材料，被廣泛地用于電機、電工器材的制造，如絕緣板、絕緣管、印刷線路板、電機護環(huán)、槽楔、高壓絕緣子、帶電操作工具等。Icanfly!Ibelieve*(4)在電氣工業(yè)方面的應用Icanfly!Ibeli62(5)在建筑工業(yè)方面的應用

玻璃纖維增強的聚合物基復合材料(玻璃鋼)具有力學性能優(yōu)異，隔熱、隔聲性能良好，吸水率低，耐腐蝕性能好和裝飾性能好的特點，因此，它是一種理想的建筑材料。在建筑上，玻璃鋼被用作承力結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)、冷卻塔、水箱、衛(wèi)生潔具、門窗等。Icanfly!Ibelieve*(5)在建筑工業(yè)方面的應用Icanfly!Ibel63

(6)在機械工業(yè)方面的應用

復合材料在機械制造工業(yè)中，用于制造各種葉片、風機、各種機械部件如齒輪、皮帶輪和防護罩等。用復合材料制造叫片具力制造容易、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點，各種風力發(fā)電機葉片都是由復合材料制造的。Icanfly!Ibelieve*(6)在機械工業(yè)方面的應用Icanfly!Ibel64(7)在體育用品方面的應用

在體育用品方面，復合材料被用于制造賽車、賽艇、皮艇、劃槳、撐桿、球拍、弓箭、雪橇等。Icanfly!Ibelieve*(7)在體育用品方面的應用Icanfly!Ibeli65復合材料參考書目：1.《復合材料》TB33/167。周曦亞編化學工業(yè)出版社

20052.《復合材料》TB3/88-2

吳人潔主編天津大學出版社

20003.《復合材料成型技術》TQ320.66/72

黃家康,岳紅軍,董永祺主編化學工業(yè)出版社

1999Icanfly!Ibelieve*復合材料參考書目：1.《復合材料》TB33/167。Ic66Thankyouforreviewing!Icanfly!Ibelieve*Icanfly!Ibelieve*67Generalplasticbasedcomposites

(聚合物基復合材料大類)Icanfly!Ibelieve*Generalplasticbasedc68聚合物基復合材料應包括聚合物基宏觀復合材料和聚合物基納米復合材料。微觀復合材料是指分散相至少有一維是在納米尺寸范圍。Icanfly!Ibelieve*聚合物基復合材料應包括聚合物基宏觀復合材料和聚合物基納米復合69

一、復合材料的定義和特點：1、復合材料的定義：兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復合材料應滿足下面三個條件：（1）組元含量大于5%；（2）復合材料的性能顯著不同于各組元的性能；（3）通過各種方法混合而成。Icanfly!Ibelieve*一、復合材料的定義和特點：Icanfly!Ibel702、復合材料的特點：

1）由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微觀復合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯的界面。

2）各組分保持各自固有特性的同時可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。3）復合材料具有可設計性。Icanfly!Ibelieve*2、復合材料的特點：Icanfly!Ib713、復合材料的基本結(jié)構(gòu)模式復合材料由基體和增強劑兩個組分構(gòu)成：

基體：構(gòu)成復合材料的連續(xù)相；增強劑（增強相、增強體）：復合材料中獨立的形態(tài)分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和增強。增強劑（相）一般較基體硬，強度、模量較基體大，或具有其它特性?？梢允抢w維狀、顆粒狀或彌散狀。增強劑（相）與基體之間存在著明顯界面。

Icanfly!Ibelieve*3、復合材料的基本結(jié)構(gòu)模式Icanfly!72二、復合材料的分類

1、按基體材料分類，可分為聚合物基、陶瓷基和金屬基復合材料。2、按增強相形狀分類，可分為纖維增強復合材料、粒子增強復合材料和層狀復合材料。3、按復合材料的性能分類，可分為結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料。SiC顆粒Al2O3片Al2O3纖維增強相三種類型Icanfly!Ibelieve*二、復合材料的分類1、按基體材料分類，可分為聚合物基、陶瓷73通常聚合物基復合材料是指以有機聚合物為基體、纖維類增強材料為增強劑的復合材料。按聚合物特性分類：塑料基復合材料和橡膠基復合材料按增強劑分類：玻璃纖維增強塑料、碳纖維增強塑料Icanfly!Ibelieve*通常聚合物基復合材料是指以有機聚合物為基體、纖維類增強材料為74三、復合材料結(jié)構(gòu)類型1、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)2、層狀結(jié)構(gòu)，兩種組分均為二維連續(xù)相3、單向結(jié)構(gòu)，纖維單向增強及筒狀結(jié)構(gòu)的復合材料4、分散狀結(jié)構(gòu)，以不連續(xù)的粒狀或短纖維為填料的復合材料5、鋃嵌結(jié)構(gòu)Icanfly!Ibelieve*三、復合材料結(jié)構(gòu)類型1、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Icanfly!Ib75

四、復合材料的基本性能指標：

1、高比強度、高比模量（剛度）：比強度=強度/密度MPa/（g/cm3）,比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。Icanfly!Ibelieve*四、復合材料的基本性能指標：

1、高比強度76

2、耐疲勞性能好3、減震性好4、耐燒蝕性能好，高溫下能吸收大量熱能，是良好的耐燒蝕性材料。5、工藝性好

Icanfly!Ibelieve*2、耐疲勞性能好Icanfly!Ibel77聚合物基體中常用的增強劑即指增強材料，是聚合物基復合材料的骨架。它是決定復合材料強度和剛度的主要因素。1、玻璃纖維玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經(jīng)熔融后以快的速度抽絲而成。質(zhì)地柔軟，可紡織成各種玻璃布、帶等。伸長率和熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕，耐高溫性能較好，價格便宜，品種多。缺點是不耐磨、易折斷，易受機械損傷。Icanfly!Ibelieve*聚合物基體中常用的增強劑即指增強材料，是聚合物78其次，碳纖維是由有機纖維經(jīng)固相反應轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量95%左右的稱為碳纖維；含碳量99%左右的稱為石墨纖維。碳纖維比重小，比強度、比模量大，耐熱性和耐腐蝕性好，成本低，批生產(chǎn)量大，是一類極為重要的高性能增強劑。Icanfly!Ibelieve*Icanfly!Ibelieve*79硼纖維硼纖維一般是用還原硼的鹵化物來生產(chǎn)的。硼纖維的優(yōu)點是強度高、耐高溫、彈性模量高。但價格昂貴。芳綸纖維聚芳酰胺纖維，力學性能好、穩(wěn)定性高、耐化學腐蝕性。具壓延性，與金屬相似。耐沖擊性是石墨纖維的6倍；自由振動的衰減性為鋼筋的8倍，Icanfly!Ibelieve*硼纖維Icanfly!Ibelieve*80其中增強材料的表面處理：1、玻璃纖維的表面處理必須將纖維表面上的浸潤及劑除掉；采用化學處理劑對纖維表面進行處理，偶聯(lián)劑。Icanfly!Ibelieve*其中增強材料的表面處理：Icanfly!Ibelie812、碳纖維的表面處理a、表面氧化處理把碳纖維用各種方法進行表面氧化可增加比表面積和表面反應性官能團的數(shù)量。b、表面涂層氧化處理后，常使其表面附著一層聚合物以便進一步改善其與聚合物基體的黏接性能。c、碳的表面氣相沉積在碳纖維表面上化學沉積微粒碳，可提高其耐熱性、改善與基體聚合物的黏接性能。d、表面生長晶須Icanfly!Ibelieve*2、碳纖維的表面處理Icanfly!Ibelieve82聚合物基體的分類：聚合物基體將增強纖維黏接成整體，在纖維間傳遞載荷并使載荷均衡，從而充分發(fā)揮增強材料的作用。熱固性塑料熱塑性塑料橡膠Icanfly!Ibelieve*聚合物基體的分類：聚合物基體將增強纖維黏接成整體，在纖維間傳83聚合物復合材料的制造及成型原理聚合物基復合材料的制造大體包括如下：預浸料的制造、制件的鋪層、固化及制件的后處理與機械加工。1、預浸料制備預浸料是指定向排列的連續(xù)纖維（單向、織物）浸漬樹脂后所形成的厚度均勻的薄片狀半成品。

Icanfly!Ibelieve*聚合物復合材料的制造及成型原理Icanfly!Ibe84預浸料制備：Icanfly!Ibelieve*預浸料制備：Icanfly!Ibelieve*852、制件成型固化工藝一是成型，即將預浸料按產(chǎn)品的要求，鋪置成一定的形狀，一般就是產(chǎn)品的形狀;二是固化，即把已鋪置成一定形狀的疊層預浸料，在溫度、時間和壓力等因素影響下使形狀固定下來，并能達到預期的性能要求。Icanfly!Ibelieve*2、制件成型固化工藝一是成型，即將預浸料按產(chǎn)品的要求，鋪置成86生產(chǎn)中采用的成型工藝(1)手糊成型（2）噴射成型 (3)纏繞成型(4)擠拉成型(5)連續(xù)成型(6)袋壓成型Icanfly!Ibelieve*生產(chǎn)中采用的成型工藝Icanfly!Ibelieve87（1）手糊成型在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸膠并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復上述過程直至達到所需厚度為止。

Icanfly!Ibelieve*（1）手糊成型Icanfly!Ibelieve*88（2）噴射成型 將分別混有促進劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍兩側(cè)（或在噴槍內(nèi)混合）噴出，同時將玻璃纖維無捻粗紗用切割機切斷并由噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻沉積到模具上。

Icanfly!Ibelieve*（2）噴射成型 Icanfly!Ibelieve*89

噴射成型原理圖

Icanfly!Ibelieve*噴射成型原理圖Icanfly!Ibelieve*90（3）纏繞成型：纏繞成型是一種將浸漬了樹脂的紗或絲束纏繞在回轉(zhuǎn)芯模上、常壓下在室溫或較高溫度下固化成型的一種復合材料制造工藝。

Icanfly!Ibelieve*（3）纏繞成型：纏繞成型是一種將浸漬了樹脂的紗或Ican91（6）擠出成型是熱塑性塑料主要加工方法之一。干燥的熱塑性塑料（粉料或粒料）從料斗進入擠出機加熱料筒，料筒中螺桿旋轉(zhuǎn)，物料沿螺槽前移。前移過程中物料受機械剪切作用摩擦熱和料筒的加熱逐漸熔融成熔體，熔體受螺桿軸向推力的作用通過機頭和口模，獲得與口模形狀相似的連續(xù)體。

Icanfly!Ibelieve*（6）擠出成型Icanfly!Ibelieve*92

擠出成型工藝示意圖

Icanfly!Ibelieve*擠出成型工藝示意圖Icanfly!Ibeliev93（4）擠拉成型將預浸纖維連續(xù)地通過模具，擠出多余的樹脂，在牽伸條件下進行固化。（5）連續(xù)成型把連續(xù)纖維不斷地浸滯樹脂并通過口模和固化爐固化成棒、板或其他型材。（6）袋壓成型在模具上放置預浸料后，通過軟的薄膜施加壓力而固化成型。Icanfly!Ibelieve*（4）擠拉成型Icanfly!Ibelieve*94

復合材料的界面是指基體與增強物之間化學成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。Icanfly!Ibelieve*復合材料的界面是指基體與增強物之間化學成分951.形成：第一階段是基體與增強纖維的接觸與浸潤；第二階段是聚合物的固化。固化反應從中心以輻射狀向四周延伸，結(jié)果形成了中心密度大、邊緣密度小的非均勻固化結(jié)構(gòu)，密度大的部分叫膠束或膠粒，密度小的叫膠絮。Icanfly!Ibelieve*1.形成：第一階段是基體與增強纖維的接觸與浸潤；Ica962.界面層的結(jié)構(gòu)：①界面的結(jié)合力：存在于兩相之間，并由此產(chǎn)生復合效果和界面強度。它又可以分為宏觀結(jié)合力和微觀結(jié)合力，前者主要指材料的幾何因素，如表面的凹凸不平、裂紋、孔隙等所產(chǎn)生的機械鉸合力，后者包括化學鍵和次價鍵。②界面的區(qū)域（厚度）：界面區(qū)由基體和增強材料的界面再加上基體和增強材料表面的薄層而構(gòu)成。③界面的微觀結(jié)構(gòu)Icanfly!Ibelieve*2.界面層的結(jié)構(gòu)：Icanfly!Ibelieve97復合材料兩相界面間的作用1.傳遞效應：界面能傳遞力，在基體與增強物之間起橋梁作用。2.阻斷效應：結(jié)合適當?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、中斷材料破壞、減緩應力集中的作用。3.不連續(xù)效應：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦的現(xiàn)象，如抗電性、電感應性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。

Icanfly!Ibelieve*復合材料兩相界面間的作用1.傳遞效應：界面能傳遞力，在基體與984.散射和吸附效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊及耐熱沖擊性等。5.誘導效應：一種物質(zhì)（通常為增強物）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常為聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性、耐熱性等。Icanfly!Ibelieve*4.散射和吸附效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生994、界面作用機理界面作用機理是指界面發(fā)揮作用的微觀機理。偶聯(lián)劑之類的表面處理劑對界面作用起著關鍵性的影響。

1）、化學鍵理論偶聯(lián)劑就在樹脂與玻璃纖維表面起到一個化學的媒介作用，從而把它們牢固地連接起來。這種理論的實質(zhì)是增加界面的化學結(jié)合，是改進復合材料性能的關鍵因素。Icanfly!Ibelieve*4、界面作用機理Icanfly!Ibelieve*1002）物理吸附理論兩相間的結(jié)合屬于機械鉸合和基于次價鍵作用的物理吸收，偶聯(lián)劑的作用主要是促進基體與增強劑表面的完全潤濕。這種理論僅是化學鍵理論的一種補充。

浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，導致界面缺陷和應力集中，使界面強度下降。良好的或完全浸潤可使界面強度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強度。Icanfly!Ibelieve*2）物理吸附理論Icanfly!Ibelieve*1013）可變層理論和抑制層理論增強劑經(jīng)表面處理后，在界面上形成了一層塑性層，它能松弛界面應力，減小界面應力。這種理論稱為可變層理論。處理劑是界面區(qū)的組成部分，其模量介于增強劑和樹脂基體之間，能起到均勻傳遞應力，從而減弱界面應力的作用，稱為抑制層理論。Icanfly!Ibelieve*3）可變層理論和抑制層理論Icanfly!Ibeli1024）減弱界面局部都應力作用理論基體和增強劑之間的處理劑，提供了一種具有愈能力”的化學鍵，在負荷下，它處于不斷形成與斷裂的動平衡狀態(tài)。低分子物（主要是水）的應力浸蝕將使界面化學鍵斷裂，同時，在應力作用下，處理劑能沿增強劑表面滑移，使已斷裂的鍵重新結(jié)合。這個變化過程的同時使應力得以松弛，使界面的應力集中降低。Icanfly!Ibelieve*4）減弱界面局部都應力作用理論Icanfly!Ibe103十、復合材料性能1、復合效果1）組分效果加和效果:簡單的混合法則相補效果是加和效果的特殊情況，是指性質(zhì)的相互彌補而起到揚長避短的效果。Icanfly!Ibelieve*十、復合材料性能1、復合效果Icanfly!Ibel1042）結(jié)構(gòu)效果考慮復合物性能時，必須考慮連續(xù)相和分散相的結(jié)構(gòu)形態(tài)、取向及尺寸等因素。又分為形狀效果、取向效果和尺寸效果。形狀效果是指兩相的連續(xù)性以及分散的形狀。取向效果，對纖維增強復合材料就是指纖維的取向所產(chǎn)生的影響。尺寸效果，對纖維增強復合材料主要是指纖維的長度、直徑以及長徑比所起的影響。3）界面效果（復合效果的主要部分）Icanfly!Ibelieve*2）結(jié)構(gòu)效果Icanfly!Ibelieve*105

熱性能包括： 熱傳導與熱容量：決定了復材與外界熱交換和自身溫度 的變化。 熱膨脹性能：決定復材結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應力分布狀 態(tài)與抗熱震性能。 耐熱性能：決定復材的使用溫度范圍。2、復材的熱性能Icanfly!Ibelieve* 熱性能包括：2、復材的熱性能Icanfly!I1061） 熱傳導: 導熱系數(shù)，W/(mK)，表征材料的導熱能力。 材料本身的特性 溫度的函數(shù)

Icanfly!Ibelieve*1） 熱傳導Icanfly!Ibelieve*107

比熱定義：單位質(zhì)量的物質(zhì)升溫1℃所需的熱量稱之。與別的性質(zhì)不同，復合材料的比熱與組材料的比熱間的關系比較簡單，符合加和性原理：Icanfly!Ibelieve* 比熱Icanfly!Ibelieve*1082） 熱膨脹性能 熱膨脹系數(shù)：表征材料受熱時線度或體積的變化程度。纖維限制了基體的縱向膨脹，使橫向膨脹增加。Icanfly!Ibelieve*2） 熱膨脹性能纖維限制了基體的縱向膨脹，使橫向膨脹增加。I109

3） 耐熱性能 復合材料的耐熱性能主要決定于其聚合物基體的耐熱性能。Icanfly!Ibelieve*3） 耐熱性能Icanfly!Ibelieve*110

復合材料的力學性能主要包括靜態(tài)性能（拉、壓、彎、扭等）和動態(tài)性能（斷裂韌性、蠕變性能、疲勞、沖擊等）。 聚合物基的復合材料種類可能非常多，但決定一種復合材料性能的主要因素是纖維類型、纖維體積分數(shù)、纖維形式及基體類型等。1） 靜態(tài)力學性能 復材一般直到斷裂都是完全彈性的，沒有屈服點或塑性區(qū)。此外，復材的斷裂應變很小，與金屬相比，斷裂功小、韌性差。Icanfly!Ibelieve* 復合材料的力學性能主要包括靜態(tài)性能（拉、壓、彎、扭等）和1112）動態(tài)力學性能（蠕變及疲勞）

聚合物基體中添加纖維可使蠕變大幅度降低。其下降幅度與兩種材料（纖維和基體）的模量之比成比例。玻璃纖維用偶聯(lián)劑處理之后，復合材料的抗蠕變性有明顯改善。

長徑比在200以內(nèi)，疲勞壽命隨纖維長度的增加而增加。在高頻下疲勞壽命縮短的主要原因是熱積累。Icanfly!Ibelieve*2）動態(tài)力學性能（蠕變及疲勞）Icanfly!Ibe1124、 光學性能 PMC波形板和平板的透光性最好，其全透光率為85-90%，接近普通玻璃的透光率。但由于其散射光占全透光很大的比例，因此，沒有普通平板玻璃那樣透明。 影響透光性的主要因素： 玻璃纖維與樹脂基體的透光性； 玻璃纖維與樹脂基體的折射率； 其他因素（表面形狀與光滑程度、纖維的含量與形態(tài)、固化劑的種類和用量、著色劑、填料的種類與含量等）。Icanfly!Ibelieve*4、 光學性能Icanfly!Ibelieve*113與傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、水泥等)相比，復合材料是一種新型材料。它具有許多優(yōu)良的性能，并且其成本在逐漸地下降，成型工藝的機械化、白動化程度也在不斷地提高。團此，復合材料的應用領域日益廣泛。十一、復合材料的應用Icanfly!Ibelieve*與傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、水泥等)相比，復合114氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機的防熱瓦Icanfly!Ibelieve*氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機的防熱瓦Icanfly!I115硼纖維金屬基復合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件Icanfly!Ibelieve*硼纖維金屬基復合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件Ican116美國B-2隱形轟炸機表面為具有良好吸波性能的碳纖維復合材料Icanfly!Ibelieve*美國B-2隱形轟炸機表面為具有良好吸波性能的碳纖維復合材料I117由光導