湘潭大学高分子材料课件 第12讲 结构与性能--高分子复合材料

1.树脂基复合材料的定义和分类

分类 按基体材料分： 热固性树脂基复合材料（Thermosetting matrix composites） 热塑性树脂基复合材料（Thermoplastic matr.1先进增强材料 2.2高性能树脂基体
方法 液相氧化 法 气相氧化 法 1 2 3 4 5 涂层 沉积 接枝 其他 6 7 8 9 10
内容 硝酸，盐酸，过硫酸钾、硫酸，次氯酸钠，铬酸盐，双氧水 阳极氧化；电解质为酸、碱或盐等。氧化缓和及均匀，可控性好 空气氧化：工艺条件苛刻，但设备简单，氧化后碳纤维强度有所下 降 臭氧氧化：工艺简单，氧化缓和及可控 氧等离子：研究开发阶段 涂层PVP，PVA等 沉积：CVD，晶须 接枝：电聚合MMA，SMA等 气液双效法：先涂层，后氧化 离子注入法：如硼离子

2.1先进增强材料
2.1先进增强材料



2.1.1碳纤维 2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶） 2.1.3聚芳酯纤维 2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维 2.1.4.2聚苯并噻唑（PBT）纤维 2.1.4.3聚苯并咪唑（PBI）纤维 2.1.4.4刚性高性能纤维—M5



2.1.5超高分子量聚乙烯纤维 2.1.6连续玄武岩纤维
2.1先进增强材料

2.1.1碳纤维
按制造先驱体分类:
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维 沥青基碳纤维 粘胶丝基碳纤维（<1%） 酚醛基碳纤维、聚乙烯醇基碳纤 维、聚酰亚胺基碳纤维（实验室 研制）
按力学性能分类 :
高强型（HT） 超高强型（UHT） 高模量型（HM） 超高模量型（UHM）
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.3聚苯并咪唑（PBI）纤维
聚苯并咪唑纤维是一种具有耐高温和阻燃性能的合成纤维 品种之一，商品名为PBI和托基纶（Togylon）。
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.3聚苯并咪唑（PBI）纤维


PBI纤维有复丝和短纤维两种，有较好的耐化学药品性，织物具 有穿着舒适性，是很好的消防阻燃服，即使碳化后仍保持柔软绝 缘性。有消防服、炼钢服、焊工服、宇宙服、军服、防护手套、 围裙、阻燃装饰品、高温滤带和阻燃复合材料增强纤维，高性能 缝线材料及石棉代用品和缆绳等。 该纤维已用作宇宙飞船重返地球时的膨胀结构件、登月服，此外 制成中空纤维具有耐压性、半透性及耐热性，可作为海水淡化的 反渗透膜等，是用途广泛的一种纤维。
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维

2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维
2.1.4.1.1PBO纤维的性能
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维



2.1.4.1.2PBO纤维的改性 压缩性能 在纤维制备过程中消除温度的剧烈变化和采用共聚 的方法改善纤维之间的相互作用。 粘接性能 主要通过等离子体、溶剂表面微纤（溶胀）化、化 学接枝与共混等方法来改善PBO纤维的粘接性能。针对PBO纤 维的特性，中国采用反应性单体并利用高能射线辐照技术对 PBO纤维表面接枝处理，以改善纤维与环氧树脂基体的界面粘 接性能。 溶解性 拜耳公司通过引入烷氧取代基来改善溶解性； 道化学公司曾研制一种联苯并双噁唑类的纤维；
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.4刚性高性能纤维—M5
1998 年 Akzo Nobel 公开报道了他们最新开发成功的一种 刚性的聚合物纤维，商品名为Ｍ５，缩写为 PIPD。
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.4刚性高性能纤维—M5

2.1.4.4.1M5的力学性能

2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维

2.1.4.1.3PBO纤维的应用



高强绳索以及高性能帆布； 高强复合材料，PBO纤维已成为高性能的新一代增强纤维，可以 同时满足重量轻、高强度、高模量、耐高温性要求，因此在特种 压力容器结构材料、高级体育运动竞技用品等方面已显现出巨大 的应用潜力； 防弹抗冲击材料，PBO纤维复合材料抗冲击性能极为优秀。因此 在防弹抗冲击吸能材料领域已经得到应用，如制造飞机机身、防 弹衣、头盔等； 其他特种防护材料，利用其优越的耐热性、阻燃性、耐剪、耐磨 等特性可以制造轻质、柔软的光缆保护外套材料、安全手套、耐 热毡、特种传送带、灭火皮带、防火服和鞋类等。
说明 间歇操作 广泛用于在线配套 可在线配套 可在线配套
可在线配套 研究
2.1先进增强材料

2.1.1碳纤维
2.1.1.2碳纤维发展趋势 不断提高拉伸强度：现已研制碳纤维的拉伸强度仅为理论强 度的5%，强度提高潜力大； 研制MJ系列碳纤维：高纯度PAN基原丝，高温技术，高温设 备； 制取均质碳纤维：均质PAN原丝，均质预氧丝； 大丝束碳纤维普及：产量扩大，价格日趋下降； 纳米碳纤维：将成为新的成长点。
1.树脂基复合材料的定义和分类

分类 按分散相的形状分： 长纤维（连续）增强树脂基复合材料 颗粒增强树脂基复合材料 晶须增强树脂基复合材料 短纤维（不连续）增强树脂基复合材料
1.树脂基复合材料的定义和分类

分类 按增强体的纤维分： 玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP） 碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP） 芳纶纤维增强树脂基复合材料（AFRP） 硼纤维增强树脂基复合材料（BFRP）
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维

2.1.4.2聚苯并噻唑（PBT）纤维 在高分子主链中含有苯并噻唑重复单元的耐高温、高模量 芳杂环聚合物。
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.2聚苯并噻唑（PBT）纤维



PBT纤维之所以具有高性能，除了必要的芳杂环化学结构外，还 有其分子链在轴向方向的高度取向，这是直棒状高分子在溶致性 液晶态下纺丝成形的结果，从而获得迫近理想结构和性能的纤维 。 PBT纤维可用于石棉替代物和缆绳，是高性能复合材料的新型增 强体。织物用于防弹服、航天领域中的火箭发动机壳体、太阳能 阵列、压力阀和空间结构架，是未来的宇航材料。 中国曾进行合成工艺的基础研究和工艺与性能的研究，由于合成 工艺复杂，溶剂成本高，限制了PBT纤维的发展和应用。
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.4刚性高性能纤维—M5

2.1.4.4.2M5的阻燃性能

M5的耐氧化降解与PBO纤维相当，要高于 PPTA 纤维阻 燃性能上，M5 要远远好于PPTA 纤维，对 M5 和 PPTA 纤维的燃烧实验显示，前者即使在明火中也不能燃烧，而 后者能够在同样的条件下连续燃烧。与PBO纤维相比， M5的LOI 值相对较低。
第十二讲 树脂基复合材料
内容


0.引言 1.树脂基复合材料的定义和分类 2.增强纤维和基体 3. 树脂基复合材料的制造工艺和方法 4.树脂基复合材料的应用
0.引言
0.引言
大飞机计划与研发目标
1.树脂基复合材料的定义和分类

定义
复合材料（composites
materials）包含两种或两种 以上物理上不同并可能用机械方法分离的材料。一般 其中一种为连续相，另一种为功能增强相。 几种材料通过某种方法混合在一起获得复合性能。 复合材料的总体性能优于各单独组分材料，并在某些 方面可能具有独特性能。 树脂基复合材料（PMCs: Polymer matrix composites）是一种或多种细小形状（直径为微米级 ）的材料（分散相或称增强体），分散于树脂基体中 组成的。
“Ekonol”纤维的化学结构
“Vectron”纤维的化学结构
2.1先进增强材料

2.1.3聚芳酯纤维
2.1.3.1聚芳酯纤维的性能


聚芳酯纤维最突出的性能是强度和模量与对位芳纶（ PPTA）处于同一水平，但在湿态下强度保持率为 100%，吸湿性、蠕变及干湿态熟化处理后的收缩率皆 为零，在干热和湿热处理后的强度优于PPTA纤维； 耐磨性、耐切割性、耐溶剂和耐酸碱性、振动能吸收 性和耐冲击周期性也优于PPTA纤维； 同时，自燃性、燃烧时不熔滴、耐侯性与PPTA相似。
2.1先进增强材料

2.1.3聚芳酯纤维
2.1.3.2聚芳酯纤维的应用
聚芳酯纤维几乎不吸水，尺寸稳定性良好，当用于增 强橡胶和聚合物时，其界面粘结性和耐疲劳性稍差。
2.1先进增强材料

2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维

聚对亚苯基苯并双噁唑纤维(PBO纤维) 在主链中含有 苯环及芳杂环组成的刚性棒状分子结构，以及链在液 晶态纺丝形成的高度取向的有序结构，是杂环类耐高 温阻燃的高强度、高模量纤维。具有蠕变小、耐磨性 极好、高温下不熔融等特性。该纤维手感好，非常纤 细，可制备不同的形式如连续纤维、精纺细纱、布、 缝合织物、短切纤维、浆粕等。 PBO产品有美国和日本东洋纺织公司生产的PBO—AS ，随后日本东洋纺织公司开发出名为Zylon和PBO— HM的高性能PBO纤维，还有荷兰阿克苏的PBO—M5 ，杜邦公司的PBO等九种牌号。



2.1先进增强材料

2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶）



2.1.2.2芳纶纤维的发展趋势
KOREX蜂窝芯：较NOMEX做的纸蜂窝芯的性能有很大的提高； 土木建筑基础补强材料：应用芳纶浸渍环氧树脂(FiBRA)可使构 件轻量化、耐久性好； IT用高性能印刷线路板：耐更高的温度，更轻更薄，生产效率更 高； 交通运输产业：轮胎，高速车厢内部隔板和天花板，质轻耐高温 不燃烧； 取向纤维增强热塑性材料(0-TPC)：力学性能较普通短纤维增强 塑料高出许多，强韧，耐冲击性好，操作环境无污染，存放和后 加工性比较方便，适应性强