热塑性复合材料分类及特性(剖析)

树
玻璃态 高弹态 粘流态
脂
基
物态的变化受其化学组成，分子结构，所受应力和
体
环境温度的影响
的
成
型
性
能
热塑性复合材料分类及特性(剖析)
第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.1
纺丝
注射
吹塑
树
挤出
脂
压延
基
中空吹塑
体
真空压力成型
热拉伸
的
冷拉伸
成
型
Tx
Tg
玻璃态
高弹态
Tf
Td
粘流态
性 图10-2 热塑性聚合物温度－形变曲线与成型方法的关系。
的
大分子链段的重新排列需要一定的热运动能量和分子间
结 足够的内聚能量。因此，只有在适当的温度范围内，聚合
晶 物才能形成结晶。聚合物的结晶过程一般发生在Tg～Tm
和 之间。
定
向
热塑性复合材料分类及特性(剖析)
第十章 热塑性复合材料
课件
10.3.3
需要说明的是：
1、并非所有的聚合物都能结晶，能够结晶的聚合物称
PRTP的成型过程 使物料变形或流动
取得形状
保持形状
的
成 FRTP成型的基础理论
型
树脂基体的成型性能
工
艺
聚合物熔体的流变性
理
成型过程中的物理和化学变化
论
基
热塑性复合材料分类及特性(剖析)
课件
第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.1
10.2.1 树脂基体的成型性能 粘流状态
1 可挤压性 可挤压性是指树脂通过挤压作用变形时 获得形状和保持形状的能力。
10.2.2
对非牛顿体
聚 合
n1
a k
物 熔
——非牛顿流体表观粘度
体
k、n——非牛顿参数
的
γ——剪切速率
流
聚合物成型时的剪切速率大都在10～104 S-1之间。
变
行
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第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.2
聚合物(FRTP)熔体有以下流动特性
(1)聚合物(FRTP)熔体流动本质，不同于低分子液体，其
树
脂
注意：树脂只有在粘流状态时才能通过挤压而获得需 要的变形。树脂的熔体流动速率与温度、压力有关。
基
体
的
树脂的可挤压性主要取决于熔体的剪切粘度和拉伸 粘度。
成
剪切速率↑，熔体粘度↓
型
性
挤压力↑，熔体流动速率↑
能
热塑性复合材料分类及特性(剖析)
第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.1
2 可模塑性 是指树脂在温度和压力作用下，产生变形 充满模具的成型能力。
分
艺来设计。
类
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第十章 热塑性复合材料
课件
10.1.1
(3)耐热性
一般地认为其耐热性比热固性树脂差。热塑性复合
材料耐热性一般在100℃左右。用玻纤增强后的热塑性
热 塑
塑料的使用温度可大大提高。例如：尼龙6的热变形温 度为50℃左右，增强后可提高到190℃以上，高性能热 塑性复合材料的耐热可达250℃以上。
体 压力降，来完成管内变形，这部分能量贮存于大分子的弹性
的 流动。
流
变
行
热塑性复合材料分类及特性(剖析)
10.2.2
第十章 热塑性复合材料
课件
(2)熔体破碎
熔体破碎是聚合物熔体从模口挤出后，挤出物表面出 现凹凸不平或外形畸变，乃至断裂的总称。
聚 合
产生的原因：
物
熔体流动时，在流道管 壁出现滑移和熔体中的
第十章 热塑性复合材料
课件
10.1.1
(5)电性能
CM的电性能取决于树脂基体和增强材料的性能，其电
性能可以根据使用要求进行设计。
热
热塑性CM具有良好的介电性能，优于热固性CM，不
塑 受电磁作用，不反射无线电波。
性
(6)加工性能
复
热塑性CM的工艺性能优于热固性CM，它可以多次成
合
型，废料可回收利用等。
合 材
eg：碳纤维、芳纶纤维 聚苯硫醚、聚醚酮
料
特点：比强度、比模量高，能在200℃以上长期使用
的 通用型复合材料 以玻纤及制品增强一般通用的热塑性树脂。
分
eg：PP、PE、PVC
类
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第十章 热塑性复合材料
课件
10.1.1
增强材料在复合材料中的形状
热
短纤维增强热 长纤维粒料 塑性复合材料
第十章 热塑性复合材料
课件
10.1.1
10 热塑性复合材料及其工艺
定义 热 塑 性 复 合 材 料 (Fiber Reinforced Thermo
热
PlasticsFRTP)是指以热塑性树脂为基体，以各种
塑
纤维为增强材料而制成的复合材料。
性 分类 按树脂基体及复合后的性能
复 高性能复合材料 以优良纤维增强热塑性树脂。
树
取决于树脂流变性、热性能和力学性能等
脂 基 T↑，流动性↑ 体
充模能力强， T过高，收缩率↑，易分解
易成型
T过低，粘度↑，成型困难。
的 P↑，流动性↑ 成 型 性
易成型
P过高，易溢料和增加制品的内 应力，脱模后变形。
P过低，造成缺料，产生废品。
能
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第十章 热塑性复合材料
“晶态聚合物”，不能结晶的聚合物为“非晶态聚合
物”。
聚
合
2、即使是晶态聚合物也只能部分结晶，不能与低分子一 样全部结晶。
物
的 结
3、同一种晶态聚合物的结晶度不同，会使其物理性质有 很二大次差结异晶。：比如硬度、密度、软化点、强度等。
晶 后结晶：
和
后处理：可以降低制品的内应力，提高制品的尺寸和
定 形状稳定性。
聚
分子运动是通过分子链段运动来实现，首先是若干链段
合
运动，然后是另一部分链段运动，最终导致整个大分子
物
重心移动而产生流动。 (2)聚合物熔体流动时呈非牛顿流体的流变性质，其流动
熔
特征是粘度除与流体温度有关外，还随剪切力和剪切速
体
率的变化而改变。
的
(3)聚合物熔体为粘弹体系，它在流变过程中包含有不
流
可恢复的粘性变形和可恢复的弹性变形。 (4)聚合物熔体的粘度很大，流动困难，成型时需要加
3 聚合物熔体的弹性表现
(1)端末效应
入口收缩 效应
出口膨胀 效应
聚
当熔体流出管口端头时，由于弹性变形的回复，使熔体
合 膨胀，聚合物熔体的这种弹性变形，称为端末效应。
物 产生原因：熔体由大管逼近小管时，它必须变形且有适当
熔
的压缩以适应新的流道内流动。但聚合物熔体有弹性，对变 形具有抵抗力。因此，就须消耗适当的能量，即消耗相当的
的 粘流温度是高分子链开始运动的最低温度，不仅和聚合物 成 的结构有关，还与分子质量大小有关。 型 粘流态：纺丝、注射、吹塑、挤出、压延。 性 高弹态：真空压力成型、热拉伸、冷拉伸
能
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第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.2
10．2．2 聚合物熔体的流变行为
1 聚合物熔体的流变特性
长0.2～0.7mm，均匀无定 向分布在树脂基体中，纤维
塑 性
短纤维粒料 含量30％，各向同性。
复
合
连续纤维增强热 塑性复合材料
连续纤维毡或布，按铺层方向分布， 属非均质材料。
材
料 一般说，用连续纤维增强的热塑性复合材料的力学性能优 的 于短纤维增强的复合材料。
分
类
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第十章 热塑性复合材料
外筒
R1: 内半径； R2：外半径； h ：流体浸没内筒高度； ω ：外筒旋转角速度； M ：力偶（即内筒受到的 转矩）
Margules 方程
M 4 h
1 R12
1
R
2 2
变
行
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第十章 热塑性复合材料
课件
除少数几种热塑性聚合物（聚碳酸酯、聚砜）外， 绝大多数热塑性聚合物的流动规律属非牛顿型流动。
T↑→η↓，但T过高，会使聚合物降解。 T→，加入GF，η↑
体
(3)压力对粘度影响
的 P↑，η↑ 主要是熔体体积收缩，分子间的作用力增加所
流 致。
变
(4)剪切速率对粘度的影响
行
大多数聚合物熔体的粘度随剪切应力或剪切速率的增
加而下降。
热塑性复合材料分类及特性(剖析)
第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.2
向
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第十章 热塑性复合材料
课件
10.3.3
（2）聚合物的结态结构模型
a、两相结构模型
模型：聚合物结晶时总不能完全结晶，而只能部分
结晶，是晶区与非晶区同时共存的两相结构。每个长
聚 链高分子贯穿几个晶区与非晶区，在晶区中分子链段
合 整齐排列成晶体，在非晶区中，大分子呈卷曲无序状
熔
弹性回复所引起的。
体
的
a、剪切速率不能过大；
流
b、模口应光滑
变
图10-8 有机玻璃于170℃不同应力 下发生不稳定流动时挤出物试样。
行
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第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.2
作业：
聚
1、热塑性聚合物（FRTP）具有哪些流动特征？
合
2、聚合物熔体的端末效应、熔体破碎是什么？
变
大作用力。
行
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第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.2
2 影响聚合物流变的主要因素
(1)聚合物结构和组分对粘度影响
a、聚合物分子链的刚性和极性愈小，熔体粘度愈小。
b、分子量分布愈宽（相同平均分子量），熔体粘度愈小。
聚 c、玻璃纤维的加入提高粘度；
合 物 熔
d、增塑剂等可降低粘度。 (2)温度对粘度的影响
课件
10.2.1
3 可延展性 高弹态聚合物受单向或双向拉伸时的变 形能力称为可延展性。
树 脂
线型聚合物的可延展性取决于分子长链结构和拉伸
体
拉伸在Tg以上，称为热拉伸
的
成
型
性
能
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10.2.1
4 热塑性聚合物的物理状态与温度关系
物
3、热塑性树脂的成型性能表现为哪几个方面？
熔
体
的
流
变
行
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10.3.3 聚合物的结晶和定向
10.3.3
聚合物在成型过程中受到某些条件的作用，能发生结 晶或使结晶度改变，在外力作用下大分子会发生取向。
聚 1 成型过程中聚合物的结晶
合 （1）聚合物结晶：大分子链段重新排列进入晶格，分子 物 链段由无规变为有规的松弛过程。
物
态。 这个模型可用来解释为什么结晶高聚物中晶区尺寸
的 比高分子链的长度要小得多的实验结果（X－衍射实
结 验），以及在X－射线衍射图中除了有代表晶态结构
晶 的衍射环外还存在代表非晶态结构的弥散环的实验事
和
实。但它无法解释为什么有的高聚物结晶速度很快， 如聚乙烯、聚酰胺等高聚物几乎能瞬时结晶，因为一
定 堆缠结的卷曲大分子链运动是很困难的，它们很难在
性
导热系数：0.3～0.36 w/m.k 与热固性CM相当
复 (4)耐化学腐蚀性 合
材
CM的耐化学腐蚀性能一般取决于基体材料的特性。
料
耐腐蚀性较好的热塑性树脂有：氟塑料、聚苯硫醚、聚
的
乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀等。表10-2列出了防腐性能。 热塑性复合材料的耐水性普遍比热固性复合材料好。
分
类
热塑性复合材料分类及特性(剖析)
材
料
的
分
类
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第十章 热塑性复合材料
课件
10.1.2 FRTP
10.1.2 FRTP的成型方法
热塑性CM的发展非常迅速，特别是近些年来，出现了许 多 热 塑 性 CM 的 成 型 方 法 。 其 产 量 美 、 日 、 西 欧 等 国 占 CM28％，我国占4％。
(1)短纤维增强FRTP成型方法： 1)注射成型工艺 2)挤出成型工艺
(2)连续纤维及长纤维增强FRTP成型方法
的
1)片状模塑料冲压成型工艺
成
2)预浸料模压成型工艺 3)片状模塑料真空成型工艺
型
4)预浸纱缠绕成型工艺
方
5)拉挤成型工艺
法 主要用途：汽车制造、机电工业、化工防腐、建筑工程等。
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第十章 热塑性复合材料
10.1.2 FRTP
10．2 热塑性复合材料成型工艺理论基础
对牛顿体
ξ
聚
n<1
合 物 熔
(d)n •
•
n
dt
体 n＝1时，牛顿体
的 流
n<1时，假塑体 σ↑ η↓
变
n>1时，胀流体 σ↑η↑
行
热塑性复合材料分类及特性(剖析)
n＝1 n>1
σ
第十章 热塑性复合材料
课件
同轴回转粘度计
10.2.2
聚
合h 物
熔
体 假设：1、层流；
的
2、忽略体积变化。
流
吊丝 内筒 熔体
能
热塑性复合材料分类及特性(剖析)
第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.1
Tg－玻璃化温度；Tf－粘流温度；Td－分解温度
当T<Tg时，坚硬的固体，具有普通弹性物质的性能，力 学强度大，可进行机加工，E高，ξ小。
树 当T在Tg～Tf时，高弹态，E↓，ξ↑，可逆的。
脂 当T在Tf～Td时，粘流态，呈液状熔体，表现出流动性能， 基 这个温度区间越宽，聚合物越不易分开。当>Tf时，E最 体 小，粘度较小，变形不可逆的。
向
极短的时间内相互热塑解性复开合材并料规分类整及特排性列(剖析形) 成结晶。
课件
10.1.1
热塑性复合材料的特性
(1)密度小、强度高
热
ρ钢 ＝ 7.8 g/cm3,
塑 性
ρ热固性CM ＝ 1.7～2.0 g/cm3
复
ρ热塑性CM ＝ 1.1～1.6 g/cm3
合
(2)性能可设计性
材
与热固性复合材料相比，热塑性树脂种类多，可
料
选择性大，其可设计性好。
的
热塑性复合材料的物理性能、化学性能及力学性 能都可以根据使用要求，通过合理的选择材料及工