第七章聚合物基复合材料PPT课件
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• 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。
• 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。
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Laminar Composites
• 层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合 材料，是一种各向异性的复合材料（层内两维同性）。多层粘合、表 面涂层高分子材料等也是层状复合材料。
• 层合结构复合材料由二维片状材料组成，单层材料在某一方向上具有 更高强度。
• 层压就是不同的层的简单粘合。这些粘合材料一般都是热固性塑料和 树脂。被粘合的材料可以是：纸张、布料、木材或者是纤维。
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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。
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Fiber reinforced composites
Continuous fiber Discrete fiber
Woven fabric
Using for laminated composites
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Particle reinforced composites
３ 基体应具有一定的强度、耐热、耐候、耐水性， 不能影响复合材料的性能；
４Leabharlann Baidu基体与纤维的粘附性要好；
５ 基体与纤维复合时，加*工应简单易行。
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7.1.3 制造及成型方法
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7.1.4 界面
• 聚合物基复合材料一般是由增强纤维和基 体树脂两相组成，两相之间存在界面，通 过界面使纤维与基体结合成为一个整体， 使复合材料具备了原组成材料所没有的性 能，并且由于界面存在，纤维和基体所发 挥的作用，是各自独立又相互依存的。
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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。
face sheet adhesive honey comb
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7.1.1 增强剂
玻璃纤维 碳纤维
芳纶纤维
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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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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。
• 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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7.1.2 基体
塑料 １. 热固性塑料：酚醛、环氧、不饱和聚酯、
有机硅、呋喃树脂等。 ２. 热塑性塑料：聚乙烯、聚丙烯、ＡＢＳ、
ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＣ、 ＰＰＯ 、ＰＡ、ＰＴＦＥ等。 橡胶 １. 合成橡胶：丁苯、顺丁、异戊、乙丙、丁基、 丁腈、硅橡胶等。 ２. 天然橡胶
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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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7.1.4.3 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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• （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。
• 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。
• 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。
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Laminar Composites
• 层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合 材料，是一种各向异性的复合材料（层内两维同性）。多层粘合、表 面涂层高分子材料等也是层状复合材料。
• 层合结构复合材料由二维片状材料组成，单层材料在某一方向上具有 更高强度。
• 层压就是不同的层的简单粘合。这些粘合材料一般都是热固性塑料和 树脂。被粘合的材料可以是：纸张、布料、木材或者是纤维。
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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。
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Continuous fiber Discrete fiber
Woven fabric
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３ 基体应具有一定的强度、耐热、耐候、耐水性， 不能影响复合材料的性能；
４Leabharlann Baidu基体与纤维的粘附性要好；
５ 基体与纤维复合时，加*工应简单易行。
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7.1.3 制造及成型方法
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• 聚合物基复合材料一般是由增强纤维和基 体树脂两相组成，两相之间存在界面，通 过界面使纤维与基体结合成为一个整体， 使复合材料具备了原组成材料所没有的性 能，并且由于界面存在，纤维和基体所发 挥的作用，是各自独立又相互依存的。
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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。
face sheet adhesive honey comb
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7.1.1 增强剂
玻璃纤维 碳纤维
芳纶纤维
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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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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。
• 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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塑料 １. 热固性塑料：酚醛、环氧、不饱和聚酯、
有机硅、呋喃树脂等。 ２. 热塑性塑料：聚乙烯、聚丙烯、ＡＢＳ、
ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＣ、 ＰＰＯ 、ＰＡ、ＰＴＦＥ等。 橡胶 １. 合成橡胶：丁苯、顺丁、异戊、乙丙、丁基、 丁腈、硅橡胶等。 ２. 天然橡胶
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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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7.1.4.3 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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• （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。