关于复合材料概论第章聚合物基复合材料课件

5.1.2 玻璃纤维增强热塑性塑料(代号FR-TP)
• 玻璃纤维增强热塑性塑料是指玻璃纤维做为增强材料，热 塑性塑料(包括聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂 、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料)为基体的纤维 增强塑料。
• 玻璃纤维增强热塑性塑料除了具有纤维增强塑料的共同特 点外，它与玻璃纤维增强热固性塑料相比较，特点是具有 更轻的比重，在1.1—1.6之间，为钢材的1／5—1／6；比 强度高，蠕变性大大改善。
• 玻璃纤维增强聚酯树脂突出特点是加工性好，加 入引发剂和促进剂后，可在室温下固化成型，由 于树脂中的交联剂也起稀释剂的作用，所以树脂 的粘度大大降低了，可采用各种成型方法进行加 工成型，可制作大型构件，扩大了应用的范围。 它的透光性好，透光率可达60％－80％，可制作 采光瓦。价格便宜。不足之处是固化时收缩率大 ，可达4％—8％，耐酸、碱性差，不宜制作耐酸 碱的设备及管件。
• 5.1.3 高强度、高模量纤维增强塑料 • 高强度、高模量纤维增强塑料主要是指以环氧树脂为基体
，以各种高强度、高模量的纤维(包括碳纤维、硼纤维、 芳香族聚酰胺纤维、各种晶须等)做为增强材料的高强度 、高模量纤维增强塑料。该种材料由于受增强纤维高强度 、高模量这一性能的影响．致使其具有共同的特点：
• 3．玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料
• 聚苯乙烯类树脂目前已成为系列产品，多为橡胶改 性树脂，例如：丁二烯—苯乙烯共聚物(BS)、丙烯 腈—苯乙烯共聚物(AB)、丙烯腈一丁二烯—苯乙烯 共聚物(ABS)等。这些共聚物大大改善了纯聚苯乙 烯的性能，使原来只是一种通用塑料的聚苯乙烯改 性成为工程塑料。耐冲击性和耐热性提高了。这些 聚合物再用长玻璃纤维或短切玻璃纤维增强后，其 机械强度及耐高、低温性、尺寸稳定性均大有提高 。也要加入偶联剂，不然聚苯乙烯类塑料与玻璃纤 维粘结不牢。影响强度。
玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维(包括长纤维、 布、带、毡等)做为增强材料，热固性塑料(包括环氧 树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等)做为基体的纤维 增强塑料。俗称玻璃钢。根据基体种类不同，可将 GFRP分成三类，即玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤 维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂。
• GFRP的突出特点是比重小、比强度高。比金属铝 轻而比强度比高级合金钢还高。“玻璃钢”这个名 称便由此而来。
• １．玻璃纤维增强聚丙烯(代号FR—PP) • 特点是机械强度大大提高，当短切玻璃纤维增加到30％—
40％时，其强度达到顶峰，抗拉强度达到100MPa，大大 高于工程塑料，尤其是低温脆性得到了大大改善，随玻璃 纤维含量提高，低温时的抗冲击强度也有所提高。
• 吸水率很小，是聚甲醛和聚碳酸酯的十分之一。在耐沸水 和水蒸气方面更加突出，含有20％短切纤维的FR—PP， 在水中煮1500小时，其抗拉强度比初始强度降低10％，如 在23℃水里浸泡时强度不变。在高温、高浓度的强酸、强 碱中会使机械强度下降。在有机化合物的浸泡下会降低机
• 还具有良好的耐腐蚀性，在酸、碱、有机溶剂、海 水中均很稳定，良好的电绝缘材料，电阻率和击穿 电压强度达到了电绝缘材料的标准，可做为耐高压 的电器零件。
• 不反射无线电波，微波透过性好，可制造扫雷艇和 雷达罩。具有保温、隔热、隔音、减振等性能。
• 缺点是刚性差。会因日光照射空气中的氧化作用、 有机溶剂的作用产生老化现象，比塑料要缓慢。玻 璃纤维增强环氧、酚醛、聚酯树脂除具有上述共同 的性能特点而外，各自有其特殊的性能。
复合材料概论第章聚合物基复 合材料
聚合物基复合材料：聚合物基复合材料是以有机聚 合物为基体，纤维类增强材料为增强剂的复合材料。
基体材料由于其粘接性能好，把纤维牢固地 粘接起来。同时，基体又能使载荷均匀分布，并 传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载 荷。纤维和基体之间的良好的复合显示了各自的 优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特 性。
• 6．玻璃纤维增强聚甲醛(代号FR—POM)
• 聚甲醛是一种性能较好的工程塑料，加入玻璃纤维 后，不但起到增强的作用，而且耐疲劳性和耐蠕变 性有很大提高。含有25％玻璃纤维的FR—POM的抗 拉强度为纯POM的两倍、弹性模量为纯POM的三倍 ，耐疲劳强度为纯POM的两倍，高温下仍具有良好 的耐蠕变性，同时耐老化性也很好。但不耐紫外线 照射，因此在塑料中要加入紫外线吸收剂。不足之 处是加入玻璃纤维后其摩接系数和磨耗量大大提高 了，即耐磨性降低了。为了改善其耐磨牡，可用聚 四氟乙烯粉末做为填料加入聚甲醛中，或加入碳纤 维来改性。
发展简况
聚合物基复合材料发展史第一阶段：20世纪40年代初~20世纪 60年代。
聚合物基复合材料发展史第二阶段：20世纪60年代中期~20世纪80 年代初
聚合物基复合材料发展史第二阶段：20世纪60年代中期~20世纪80 年代初
聚合物基复合材料的特点
1.比强度和比模量高
聚合物基复合材料的突出优点是比强度及比模量高。比强度 是材料的强度与密度之比值，比模量是材料的模量与密度之 比值，其量纲均为长度。复合材料的高比强度和高比模量来 源于增强纤维的高性能和低密度。玻璃纤维由于模量相对较 低、密度较高，其玻璃纤维树脂基复合材
金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。 复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏 总是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展或损伤逐步进行，时间 长，破坏前有明显的预兆。
复合材料的破坏不像传统材料由于主裂纹的失稳扩展而突 然发生，而是经历基体开裂、界而脱粘、纤维拔出、断裂等一 系列损伤的发展过程。基体中有大量独立的纤维，当少数纤维 发生断裂时，其失支部分载荷又会通过基体的传递面迅速分散 到其他完好的纤维上去，复合材料在短期内不会因此而丧失承 载能力。内部有缺陷、裂纹时，也不会突然发展而断裂。
• 2．玻璃纤维聚酰胺(代号FR-PA) • 聚酰胺是一种热塑性工程塑料，本身的强度就比
一般通用塑料的强度高，耐磨性好，但因吸水率 太大，影响了尺寸稳定性，耐热性也较低。用玻 璃纤维增强的聚酰氨，这些性能就会大大改善。 玻璃纤维增强聚酰胺的品种很多。有玻璃纤维增 强尼龙6(FR-PA6)、玻璃纤维增强尼龙66(FRPA66)、玻璃纤维增强尼龙1010(FR-PA1010)等。
(2)优异的电绝缘性能和高频介电性能。玻璃钢是性能优异的高频绝缘材料。 同时具有良好的高频介电性能，可用作雷达罩的高频透波材料。
(3)良好的摩擦性能。碳纤维的低摩擦系数和自润滑性，其复合材料具有良好 的摩阻特性和减摩特性。
(4)优良的耐腐蚀性。 (5)有特殊的光学、电学、磁学的特性。
5.良好的加工工艺性 (1)可以根据制品的使用条件、性能要求选择纤维、基体等原材料
PET的热变形温度为85 ℃ ，PR-PFT为240 ℃ ，仍能保持机
械强度，是玻璃纤维增强热塑性塑料中耐热温度最高的一种 。耐低温度性能好，超过了FR-PA6，在温度高低交替变化时 ，机械性能变化不大；电绝缘性好，可制造耐高温电器零件 ；高温下耐老化性好，胜过玻璃钢，尤其是耐光老化性能好 ，所以使用寿命长。不足之处是在高温下易水解，使机械强 度下降。不适于在高温水蒸气下使用。
• 4．玻璃纤维增强聚碳酸酯(代号FR-PC)
• 聚碳酸酯是一种透明度较高的工程塑料，它 的刚韧相兼的特性是其他塑料无法相比的，唯 一不足之处是易产生应力开裂、耐疲劳性差。 加入玻璃纤维以后，FR-PＣ比PＣ的耐疲劳强 度提高2-3倍，耐应力开裂性能可提高6-8倍，
耐热性比PＣ提高10-20 ℃ ，线膨胀系数缩小 为1.6-2.4×10-６m/ ℃ ，因而可制成耐热的机
，即材料具有可设计性。
(2)可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。
(3)可整体成型，减少装配果件的数量，节省工时，节省材料，减 轻质量。
6.各向异性和性能的可设计性 纤维复合材料一个突出的特点是各向异性，与之相关的是性能 的可设计性。纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树 脂的种类和体积含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层次序 和层数密切相关。因此，可以根据工程结构的载荷分布及使用 条件的不问，选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。 利用这一特点，可以实现制件的优化设计，做到安全可靠，经 济合理。
分类 复 合 材 料
增强纤维种类
基体材料性能
复合材料成型 固化方式 聚合物基体的 结构形式
玻璃纤维增强型 碳纤维增强型 芳纶纤维增强型
通用型 耐化学介质腐蚀型 耐高温型 阻燃型
常温常压固化成型 高温加压固化成型
热固性树脂基复合材料
热塑性树脂基复合材料
5.1.1玻璃纤维增强热固性塑料(代号GFRP)
• 玻璃纤维的含量达到30％-35％时，其增强效果最 为理想，抗拉强度可提高2-3倍，抗压强度提高 1.5倍，最突出的是耐热性提高幅度最大。
合材料，这方面的性能是其他材料无法相提并论的。比重 小、刚度大、抗冲击强度特别突出，耐疲劳强度很大．摩 擦系数很小，这方面性能均超过了钢材。耐热性特别好，
可在12000 ℃高温下经受10秒钟，保持不变。不足之处一
是碳纤维与塑料的粘结性差，且各向异性，这方面不如金 属材料。目前已有解决办法，使碳纤维氧化和晶须化来提 高其粘结性。用碳纤维编织法来解决各向异性的问题。另 一个不足之处是价格昂贵，因而虽然有上述一些优良性能 ，但还只是应用于宇航工业，其他领域应用较少。
3.阻尼减震性好
复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振。同时，复 合材料基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料 的振动阻尼很高，一旦震动起来，在较短时间内也可停下来。
4.具有多种功能性
(1)瞬时耐高温性、耐烧蚀性好。玻璃钢的导热系数只有金属材料的1％，同 时可制成具有较高比热容、熔融热和气化热的材料，可用作导弹头锥的耐 烧烛防护材料。（P79）
械零件。
• 5．玻璃纤维增强聚酯 • 聚酯作为基体材料主要有两种，一种是聚苯二甲酸乙二酯(代
号PET)，另一种为聚苯二甲酸丁二酯(代号PBT)。
• 未增强的纯聚酯结晶性高，成型时收缩率大，尺寸稳定性差 、耐温性差。质脆。用玻璃纤维增强后，机械强度比其他玻 璃纤维增强热塑性塑料均高，抗拉强度135-145MPa，抗弯强 度209-250MPa，耐疲劳强度达52MPa。耐热性提高最大，
• （1）比重轻、强度高、模量高和低的热膨胀系数。是目 前力学性能最好的高分子复合材料。
• （2）加工工艺简单。该种增强塑料可采用ＧＦＲＰ的各 种成型方法，如模压法、缠绕法、手糊法等。
• （3）价格昂贵。该种材料唯一的缺点是价格比较贵。
• 1．碳纤维增强塑料 • 碳纤维增强环氧塑料是一种强度、刚度、耐热性均好的复
• 玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好 的一种。因环氧树脂的粘结能力最强，与玻璃纤 维复合时，界面剪切强度最高。机械强度高于其 他GFRP。环氧树脂固化时无小分子放出，故尺 寸稳定性最好，收缩率只有1％－2％，环氧树脂 的固化反应是放热反应，易产生气泡，但因添加 剂少，很少发生鼓泡现象。唯一不足的是环氧树 脂粘度大，加工不太方便，成型时需要加热，室 温下成型会导致环氧树脂固化反应不完全。不能 制造大型制件。
械强度，并有增重现象。
• 2．玻璃纤维增强聚酰胺
• 在聚酰胺中加入玻璃纤维后，唯一的缺点是 使本来耐磨性好的性能变差了。因为聚酰胺 的制品表面光滑，光洁度越好越耐磨。而加 入玻璃纤维以后，如果将制品经过二次加工 或者被磨损时，玻璃纤维就会暴露于表面上 ，这时材料的磨擦系数和磨耗量就会增大。
• 因此，如果用它来制造耐磨性要求高的制品 时，一定要加入润滑剂。
• 玻璃纤维增强酚醛树脂是各种GFRP中耐热性最
好的一种，可在200℃下长期使用，在1000 ℃以
上的高温下，也可短期使用。是耐烧蚀材料，可 做宇宙飞船的外壳。耐电弧性，可用于制做绝缘 材料。价格便宜，原料来源丰富。不足处是性能 较脆，机械强度不如环氧树脂。固化时有小分子 副产物放出，故尺寸不稳定，收缩率大。对人体 皮肤有刺激，会使手和脸肿胀。