第5章2復合材料

高分子復合材料

材料科學與工程學院

李曉萌概念復合材料：由兩種或兩種以上物理和化學性能不同的物質，用適當的工藝方法組合而成的具有復合效應的多相固體材料。復合材料的結構組成結構通常由一相為連續(xù)相，另一相以獨立形態(tài)分布于連續(xù)相的分散相；

分散相的存在，使材料性能發(fā)生顯著的變化；構成連續(xù)相的物質稱為基體，構成分散相的物質稱為分散質，或稱增強劑。復合材料的特點：多相體系和復合效應復合材料的分類按使用性能分類

結構復合材料(力學復合材料)：以提高力學性能為目的的復合材料。

功能復合材料：具有特殊功能的復合材料。如以鋯鈦酸鉛粉末與高分子樹脂復合制成壓電復合材料，成型加工性好，而且壓電系數提高。

按基體材料分類

金屬基復合材料

陶瓷基復合材料

樹脂基復合材料

碳基復合材料按分散質分類纖維增強復合材料

粒子填料改性復合材料

聚合物-聚合物復合材料高分子復合材料---樹脂基復合材料減震性樹脂基體和復合材料的界面均具有吸震能力。

比強度、比模量大

指材料強度和模量與相對密度之比，是衡量材料承載能力的指標，其值越大，材料剛性越大。良好的抗疲勞性能及過載安全性抗疲勞性好，金屬疲勞破壞常為無征兆突然破壞，而樹脂基復合材料中纖維與基體的界面可阻止裂紋發(fā)展(金屬的疲勞極限僅為其拉伸強度的40～50%，而復合材料可達70～80%)。耐燒蝕性能好樹脂基體的比熱、熔融熱、汽化熱都高于金屬，短時耐高溫性優(yōu)于金屬材料，可作為有機消融材料用于衛(wèi)星返回艙。長期耐熱性差性一般在200℃以下，高性能復合材料在500℃以下。

工藝性好

常采用整體成型，工藝簡單，加工周期短，成本較低。可設計性強可利用纖維取向控制，使材料在不同的方向具有不同的強度，以滿足不同的需要。耐大氣老化性差

使用壽命短，一般不超過20年。層間剪切強度低

一般不到拉伸強度的10%，且性能分散性大，難以承受受力復雜的情況。聚合物基體的作用將纖維粘結成一個整體；保護纖維免受濕氣、空氣的侵蝕，免受磨損；將所受外力均勻分散于纖維（起傳遞載荷的作用）；承受層間剪切、壓縮、扭曲載荷，基本不承受拉伸載荷。斷裂應變應高于增強體。聚合物基體聚合物基體層間剪切強度壓縮強度扭曲強度耐燃性耐老化成型工藝性能決定聚合物基體的特點基體必須為連續(xù)相；基體受熱或外力沖擊時，必須能產生塑性流動，把能量傳遞給增強纖維；基體應有一定的強度和耐熱性、耐水性；

基體與纖維的粘附性要好。因除強度外，其它性能幾乎都決定于基體、基體與纖維的界面性能；

纖維與基體復合時，加工應簡單易行。聚合物基體的種類酚醛樹脂---耐熱性最好環(huán)氧樹脂---綜合性能最優(yōu)，可室溫固化不飽和聚酯樹脂---加工性能最好

熱固性樹脂預聚物分子量低，固化前流動性好，適合多種工藝。固化后材料的強度和模量高、蠕變小、熱變形溫度高，斷裂伸長率?。?.5～7%），單向強度大。熱固性樹脂占統(tǒng)治地位，包括：環(huán)氧、不飽和聚酯、聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺樹脂。玻璃鋼（GFRP）：以熱固性樹脂為基體，以玻璃纖維為增強劑構成的復合材料，產量占纖維增強樹脂基復合材料總量的90%。常用熱塑性樹脂基體碳鏈：PE、PP、PS、PMMA、PTFE等雜鏈：PA、PET、PBT、PC、PPO、PPS、PSF、PEEK

熱塑性樹脂斷裂伸長率大(20～30%)，韌性好，強度和模量低，易蠕變；制品損傷后易修補，廢料易回收；用常規(guī)塑料成型方法，大多用短纖維，單向強度小，三維強度大體相等；相對分子質量高，對纖維的浸潤性差，用長纖維成型困難；因高性能熱塑性工程塑料的開發(fā)，其作為基體發(fā)展迅速。碳鏈：PE、PP、PS、PMMA、PTFE等添加在樹脂中，使其力學性能得到顯著提高的纖維狀物質或織物。作用

在復合材料中構成骨架，承載外力（主要是拉伸強度和拉伸模量），是力學性能和熱性能的主要提供者。分類無機纖維：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、晶須、石棉、陶瓷纖維及金屬纖維有機纖維：合成纖維(芳綸、超高摩爾質量聚乙烯纖維)、棉、麻、紙增強劑玻璃纖維根據堿金屬氧化物含量大小，分為：無堿玻璃纖維：氧化鈉/鉀的含量低于2%，鋁和硼的含量較高，也叫E（electricalglassfiber）玻璃纖維。強度高，耐水性好，電絕緣性好。中堿玻璃纖維：氧化鈉/鉀含量為8～12%，C(chemicalglassfiber)玻璃纖維。高堿玻璃纖維：氧化鈉/鉀含量為14～17%，強度低，耐水性差，耐酸性好，價格低，alkaliglassfiber,主要化學成分：SiO2、B2O3以及鈉、鉀、鈣、鋁的氧化物。以SiO2為主要成分的稱為硅酸鹽玻璃，以B2O3為主要成分的稱為硼酸鹽玻璃。普通玻璃纖維

優(yōu)點：不燃、不腐、耐高溫(軟化點可達850℃)、拉伸強度高。缺點：模量小、脆性大、不耐磨、扭轉強度和剪切強度均比其它纖維低、易折斷。具備某些特殊物理化學性能的玻璃纖維。如：石英玻璃纖維：。強度高，耐水性好，電絕緣性好。高硅氧玻璃纖維：氧化鈉和氧化鉀含量為8～12%，chemicalglassfiber,C玻璃纖維。高模量玻璃纖維：14～17%，強度低，耐水性差，耐酸性好，價格低，alkaliglassfiber,耐輻射、電絕緣玻璃纖維特種玻璃纖維

由粘膠纖維、天然纖維素纖維、腈綸纖維、瀝青纖維等在隔氧下，高溫碳化而成。一般含碳量在90%以上，表面富含極性基團。

耐高溫(2000℃)，在3000℃無氧下無損；熱膨脹系數小(比鋼材小幾十倍，接近零)。耐摩擦、高強度、高模量(GF的3倍，Keveler-49的2倍)，比強度是鋼的16倍，鋁的12倍。具有較好的導電性，導熱性、防腐性（優(yōu)于GF和KF-49，在王水中長期使用）。碳纖維以比強度、比模量為綜合指標，碳纖維增強環(huán)氧樹脂為現(xiàn)有結構材料中最高的。以13um鎢絲作芯材，在高溫（1000～1200℃）沉積爐中進行BCl3+H2→B+HCl的反應，硼沉積在鎢絲表面，形成約100um直徑的纖維。優(yōu)異的壓縮強度和疲勞強度，彈性模量在所有纖維中最高。耐高溫價格昂貴，僅少量用于軍事。硼纖維即金屬氧化物的連續(xù)纖維，包括氧化鋁、氮化硼、碳化硅、氮化硅、氧化鈦、氧化鋯纖維。具有有機纖維無法比擬的耐高溫、抗氧化和耐化學溶劑性；高模量、卓越的壓縮強度，多用作金屬基復合材料的增強劑。

陶瓷纖維由芳香族聚酰胺經溶液紡絲或液晶紡絲制成的纖維，主要用作高性能樹脂基復合材料。對基材的黏附力好比強度、比模量高熱穩(wěn)定性好，對氧穩(wěn)定，具自熄性Kevlar-29（高韌性）/49（高模量）/149（超高模量）:聚對苯二甲酰對苯二胺，屬高分子液晶，溶液紡絲或液晶紡絲而成。用于火箭發(fā)動機殼體、飛機零部件，防彈頭盔、運鈔車防穿甲彈坦克，代鋼筋材料，輪胎簾子線。Nomex:聚間苯二甲酰間苯二胺，溶液紡絲而成。芳綸纖維

UHMWPE經凝膠紡絲制成，用于防彈服密度最小，比強度高，韌性好，用剪刀剪不斷；能量吸收性能和阻尼性能優(yōu)于芳綸；耐紫外線輻射、耐化學腐蝕、介電常數低、電磁波透射率高、摩擦系數低及突出的抗沖擊、抗切割等優(yōu)異性能。界面黏結性差，不耐高溫（極限使用溫度100～130℃）。超高摩爾質量聚乙烯纖維晶須以單絲形式存在的單晶體，如金屬晶須、陶瓷晶須（碳化硅晶須）直徑僅為1～4um的針狀單晶體具有高強度、高模量；卓越的耐熱性；因直徑小，加入聚合物后很少增加體系粘度，反而使加工流動性改善；基質與骨架之間的界面黏結力是復合材料能否長期承受載荷的關鍵。纖維增強材料的表面處理脫蠟高溫爐加熱（熱處理）使拉伸和紡織時加入的潤滑劑—石蠟分解、碳化，生成極性基團附著在表面，避免對界面黏結力的影響。

使用偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑：分子中同時含有兩種不同性質的功能性基團，可分別與樹脂和纖維產生親和力的物質，又稱架橋劑?？商岣邩渲驮鰪妱┗蛱盍祥g的界面結合力。如環(huán)氧樹脂玻璃鋼中采用KH-550(ｒ-氨基丙基三乙氧基硅烷)，氨基可與環(huán)氧基反應，乙氧基水解產生硅羥基，與玻纖表面的硅羥基反應生成硅氧硅鍵。通過偶聯(lián)劑使玻纖與樹脂產生化學結合，大大提高了復合材料的性能。玻璃纖維的表面處理碳纖維的表面處理氧化法氣相氧化法：空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳液相氧化法（化學腐蝕）：用濃硝酸、次氯酸鈉、磷酸洗液浸泡，使纖維表面粗糙化并引入極性基團（羧基、羰基、羥基），改善纖維表面性能，提高層間剪切強度。但碳纖維吸附的酸不易洗凈，僅用于實驗室。陽極氧化法：以碳纖維為陽極，石墨及金屬材料為陰極，在含有NaOH、HNO3、H2SO4等電解質溶液中通電，進行陽極氧化處理，層間剪切強度可提高40～80%，但需經水洗、干燥等工序。表面涂層在纖維表面浸涂一層樹脂（低黏度、有溶劑），這種纖維在與樹脂復合時界面不易產生空隙。。蒸汽沉積法在高溫及還原性氣氛中，使烴類、金屬鹵化物等以碳、碳化物的形式在碳纖維表面形成沉積膜或晶須。生長晶須法在高溫下使硅在碳纖維表面生成碳化硅晶須，對樹脂產生錨合作用。低溫等離子體刻蝕和沉積處理溫度低，刻蝕深度在納米級，對纖維強度幾乎無影響。目前只能在真空下進行，難以實現(xiàn)連續(xù)化。芳綸的表面處理化學接枝法在高溫下使硅在碳纖維表面生成碳化硅晶須，對樹脂產