(精品文档)高分子材料PPT演示文档

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Polymer nanocomposites
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Nanoparticles for composites
• 纳米层状粘土（层状硅酸盐，layer silicate） • 包括：蒙脱土、硅藻土、锂皂石、蛭石等 • 添加纳米粘土可以提高聚合物复合材料的强度、韧性、热稳定性、阻
燃性、气体阻隔性等优点。
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• 界面结构：包括界面结合力、界面的区域 （厚度）和界面的微观结构。
• （1）界面结合力存在于两相的界面间，形 成两相之间的界面强度并产生复合效果。 界面力有宏观和微观之分，宏观结合力指 材料的几何因素所产生的机械铰合力，微 观结合离包括包括次价键和化学键。
• （2）界面区是由基体和增强材料的界面再 加上基体和增强材料表面的薄层而构成。
的区域，容易产生应力集中。
• 因此纤维既可使抗冲强度提高，也可使抗冲强度下降。 • （1） 当冲击负荷与纤维平行时，则粘附性差和纤维较短
时，冲击强度最大；粘附性好、纤维长时，可使强韧性基 体的抗冲击强度大幅度下降。
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• （2） 当冲击负荷与纤维垂直，良好的粘附性能 获得较好的抗冲强度。横向抗冲强度比纵向抗冲 强度小，也小于聚合物基体的强度。
也可以是加热熔融形式共混。 在高分子基体中原位生成纳米单元 • 利用聚合物特有的官能团对金属离子的络合吸附及基体对反应物运动的空
间位阻，或基体提供了纳米级的空间限制，从而原位反应生成纳米复合材 料。 在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成 • 这种方法主要是指在含有纳米单元胶体粒子的溶液中单体分子原位聚合生 成高分子，其关键是保持胶体粒子的稳定性, 使之不易发生团聚。 高分子及纳米单元和高分子同时生成 • 此法包括插层原位聚合制备聚合物基有机-无机纳米复合材料, 蒸发沉积法 制备纳米金属- 有机聚合物复合膜及. 溶胶-凝胶法等。
• 纵向强度随纤维浓度增大而提高，剪切强度和横向强度随 纤维浓度增加而下降。 .
• 2 复合材料的抗冲击强度： • 复合材料的纤维可从两方向逸散冲击能： • 当纤维从基体拔出时，由于力学摩擦使能量逸散，同时纤
维的拉动可削弱应力集中；纤维脱胶，使能量逸散，终止 或阻缓裂纹的发展。
• 然而存在纤维也使抗冲强度减小： • 纤维存在使破坏伸长率减小； • 在纤维末端附近和粘接性差的部分，以及在纤维相互接触
• （3） 不同的抗冲实验方法测出的性能不同，缺 口悬臂梁抗冲强度随纤维浓度增加而提高，而拉 伸抗冲强度随纤维浓度增加而下降。
• （4） 向脆性聚合物基体加入纤维可使抗冲强度 提高，而向高韧性基体中填充玻纤，抗冲强度反 而显著下降。
• （5） 高模量纤维（如硼纤维、石墨纤维）的复 合材料抗冲强度差，常加入少量低模量玻纤混杂 复合提高抗冲强度。
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7.1.4.1 界面的形成与结构
• 界面形成分为两个阶段： • 一是基体与增强材料的接触与润湿过程，由于增强材料对基体分子的
各种基团或基体中各种组分的吸附能力不同，它优先吸附那些能够较 多地降低它的表面自由能的物质，因此界面聚合物层与聚合物本体结 构不同； • 二是聚合物的固化过程，聚合物通过物理的或化学的变化使其分子处 在能量降低、结构最稳定的状态，形成固定界面。 • 上述两个过程是连续进行的。如在热固性树脂借助固化剂固化过程中， 固化反应从固化剂所在的位置以辐射状向四周延伸，形成中心密度大， 边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分叫胶束或胶粒，密度小 的叫胶絮。 • 在复合材料中，由于增强剂表面的吸附作用，因此越接近表面，上述 微胶束排列越有序。在增强剂表面形成的树脂微胶束的有序层称为树 脂抑制层，此抑制层中树脂力学性能与本体有很大差别。
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7.1.5.2 界面的机能效应
• １ 分割效应：由于界面的存在将复合材料分割成 许多的区域，因此将产生一些效应，如阻止裂纹 的扩展，减缓应力集中等。
• ２ 不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续 性、界面的摩擦现象，以及抗电性、电感应性、 磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
• ３ 反射与吸收效应：光、音、冲击波通过界面的 反射与吸收。光的透过性、隔热性、隔音、耐冲 击性等。
向阳面与背阳面温差260OC
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耐极低温复合材料 世界第一个全超导非圆截面 托卡马克核聚变实验装置 （英文名称：EAST）
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Nanocomposites
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Characteristic of nanocomposites
• 当复合材料的分散相达到纳米尺度时，其界面原子占极大比例，从 而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。其独特的表面 效应、体积效应和量子尺寸效应使得材料具有非常特殊的力、热、 光、电性能。
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• （3）界面的微观结构如下： • １ 粉状填料复合材料的界面结构： • 根据填料的表面能Ea和树脂内聚能密度Ec的
相对大小，可把填料分为：Ea＞Ec，为活性 填料，Ea≤Ec，为非活性填料； • 基体／松散层／致密层／活性填料， • 基体／松散层／非活性填料 • ２ 连续纤维增强复合材料的界面结构：在总 体或微观结构上与上面的基本一致。
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7.1.4.2 界面的作用
• 复合材料复合效应产生根源是界面层的存在。 • 1 通过界面区使基体和增强材料形成一个整
体，并通过它传递应力。 • 2 界面的存在有阻止裂纹的扩展和减缓应力
集中的作用。 • 3 由于界面存在，复合材料产生物理性能的
不连续性、界面摩擦现象以及抗电性、耐热 性、隔音隔热性、耐冲击性等机能效应。
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7.1.4.3 界面作用机理
• １ 化学键理论：最古老、应用最广泛的理论。认为偶联 剂是双官能团物质，其分子的一部分能与玻纤表面形成化 学键，而另一部分与树脂形成化学键，这样偶联剂把树脂 和玻纤表面牢固连接起来。在无偶联剂存在时，如果基体 与纤维表面上官能团起化学反应，产生化学键，也能形成 牢固界面。其在玻纤增强材料中因偶联剂的应用而得到证 实，也称偶联理论。
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• 基体的特性与作用：
纵向拉伸性能主要取决于增强剂，但不可忽视 基体作用，基体将增强纤维粘接成整体，在纤 维间传递载荷并使载荷均衡，从而充分发挥增 强材料作用。至于复合材料的横向拉伸、压缩、 剪切、耐热性能等与基体更密切相关。
１ 基体材料必须是连续相，决不能是分散相；
２ 基体当受热或外力冲击时，必须能够产生塑性流 动，而把能量传递给增强纤维；
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7.1.5 性能
• 7.1.5.1 复合效果 • １ 组分效果：在已知组分的物理、力学性能情况
下，不考虑组分的形状、取向、尺寸等状态复杂 的变量影响，而只把组成（体积分数、重量分数 等）作为变量来考虑所产生的效果。分为加和效 果和相补效果。 • ２ 结构效果：指复合物性能仅用组分性质及组成 的函数描述时，必须考虑连续相和分散相的结构 形状、取向（定向）、尺寸等因素。分为形状效 果，取向效果和尺寸效果。 • ３ 界面效果：复合效果主要是界面效果，由于界 面的存在显示出复合材料的各种性能。
• 高分子粒子增强复合材料即是将小尺寸的粒子高度弥散地分布在聚合物 基体中。
• 与纤维复合材料相比，粒子复合材料通常是各向同性的，承受载荷的主 要是聚合物基体材料，粒子材料起到阻碍导致塑性变形的分子链运动的 作用，因此粒子复合通常可以同时起到增强和增韧的作用。
• 粒子直径一般在0.01~0.1μ范围内时增强效果最好，直径过大时，引起应 力集中，直径小于0.01μ时，则近于固溶体结构，作用不大。
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Fiber reinforced composites
Continuous fiber
Discrete fiber
Woven fabric Using for laminated composites
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Particle reinforced composites
• 2 物理吸附理论：认为两相间的结合属于机械铰合和基于 次价键的物理吸收，偶联剂作用主要是促进基体与增强剂 的完全润湿。其仅是化学键理论的一种补充。
• 3 浸润理论：两组分间如能实现完全浸润，则树脂在高能 表面的物理吸附所提供的粘接强度将大大超过树脂的内聚 强度。浸润理论认为两相间的结合模式属于机械粘接与润 湿吸附。要获得好的表面浸润，基体起初必须是低粘度， 且表面张力低于无机物表面临界张力。
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Nanoparticles for composites
• 碳纳米管（Carbon nanotube） • 碳纳米管可以赋予复合材料优异的力学性
能、热性能、阻燃性能和导电性能等。
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Preparation of nanocomposites
纳米单元与高分子直接共混 • 将制备好的纳米单元与高分子直接共混，可以是溶液、乳液、悬浮液共混，
face sheet adhesive honey comb
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7.1.1 增强剂
玻璃纤维
芳纶纤维
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碳纤维
强化纤维的功能
• 承受主要负荷 • 限制微裂纹延伸 • 提高材料强度与刚性 • 改善材料抗疲劳、抗蠕变特性 • 提高材料使用寿命及可靠性
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Application of polymer composites
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Application of polymer composites
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复合材料应用
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在卫星和宇航器上的应用
• 飞行器的减重的作用效果 和飞行速度有关，飞行速 度越快，每减重一克，或 者一公斤，所取得的效益 就越大。
• 我国在“风云二号气象卫 星”及“神舟”系列飞船 上均采用了碳/环氧ACM做 主承力构件，大大减轻了 整星的质量，降低了发射 成本。