聚合物基复合材料 知识点总结

第二章增强材料1.增强材料的品种：1）无机纤维：（1）玻璃纤维（2）碳纤维：①聚丙烯腈碳纤维②沥青基碳纤维（3）硼纤维，（4）碳化硅纤维，（5）氧化铝纤维2）有机纤维：（1）刚性分子链——液晶（干喷湿纺）：①对位芳酰胺②聚苯并噁唑③聚芳酯（2）柔性分子链：①聚乙烯②聚乙烯醇2.玻璃纤维的分类：1）按化学组成份：有碱玻璃纤维，碱金属含量>12%；中碱玻璃纤维，碱金属含量6%~12%；低碱玻璃纤维，碱金属含量2%~6%；微碱玻璃纤维，碱金属含量<2%2）按纤维使用特性分：普通玻纤（A-GF）；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；高模玻纤（M-GF）；耐化学药品玻纤（C玻纤）……3）按产品特点分：长度（定长玻纤<6-50mm>，连续玻纤）；直径（粗纤维30μm，初级纤维20μm，中级纤维10-20μm，高级纤维3-9μm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，磨细纤维和玻璃粉）3.玻璃纤维的制备：目前生产玻璃纤维最多的方法有坩埚拉丝法（玻璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法）4.玻璃纤维的力学特性：1）玻璃纤维的拉伸应力--应变关系：玻璃纤维直到拉断前其应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段，呈脆性材料特征2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低；解释：（1）Griffith微裂纹理论：玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。

当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。

所以，缺陷尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低（2）分子取向理论：玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。

3）玻璃纤维强度特点：单丝直径越小，拉伸强度σb越高；试样测试段长度L越大，拉伸强度σb越低。

这两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应和体积效应，即体积或尺寸越大，测试的强度越低4）缺点：①强度分散性大，生产工艺影响②强度受湿度影响，吸水后，湿态强度下降③拉伸模量较低（70GPa），断裂伸长率约为2.6%5.玻璃纤维纱的常用术语、参数：（填空）1）原纱：指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱2）表示纤维粗细的指标：①支数β：指1g原纱的长度(m)，支数越大表示原纱越细②特(tex)：指1000m长原纱的质量(g)，tex数越大，纱越粗③旦、袋(den)：指9000m长原纱的质量(g)，den 数越大纱越粗3）捻度：表示纱的加捻程度，指每米长原纱的加捻数，即捻/m。

S：右捻，Z：左捻。

增加抱合力4）股数N：指由几根原纱合股组成。

纱的合股数指以一根原纱为一股，几根原纱合并起来的原纱根数即为合股纱的合股数N。

玻璃纱的公称支数为原纱支数除以股数（β=β0/N）6.预氧化阶段施加张力的目的，是使纤维中形成的梯形结构取向。

热定型后的聚丙烯纤维在温度高于玻璃化温度后，在纤维长轴方向上会发生收缩。

预氧化过程前期为物理收缩，表现为取向度急剧下降；后期是化学收缩，其特征是纤维出现空洞。

无论是物理收缩还是化学收缩，都会使纤维力学性能显著减弱。

所以，从而促进腈基的环化，获得稳定的环化结构，提高梯形结构的取向度，最终使纤维的拉伸强度和弹性模量显著提高 7石墨化的处理：8.CF 结构与性能的关系：1）热处理温度（HTT)对CF 强度和模量的影响：热处理温度的提高，碳纤维模量的提高，强度会出现峰值2）润湿与粘接：表面缺陷小，与树脂润湿性差，需表面处理3）缺陷是影响CF 强度的重要因素：缺陷（内部杂质、外来杂质、裂缝、空穴、气泡、表面污染）缺陷来源：原丝存在的缺陷（杂质、裂缝），碳化过程产生缺陷（空穴、气泡）9.碳纤维的力学性能：碳纤维的模量随碳化过程处理温度的提高而提高，只是因为随碳化温度升高，结晶区的长大，碳六元环规整排列区域扩大，结晶区域温度提高。

经2500℃高温处理（也可陈作石墨化处理）后，陈高模量碳纤维（或石墨纤维）--I 型碳纤维。

在1300-1700℃范围内处理的碳纤维称为高强度碳纤维或称II 型碳纤维 10.高性能有机纤维：（1）三个共同特点：①非常高的分子取向（结晶度）②有序的侧向排列③非常低的轴向缺陷含量（2）刚性分子链有机纤维：①芳香族聚酰胺纤维（芳纶）②聚芳酯纤维③聚苯并噁唑（BPO ）纤维（3）柔性分子链有机纤维：①聚乙烯纤维②聚乙烯醇纤维11.Kevlar-49化学结构的三个特点①含大量苯环，内旋转困难，处于拉伸状态的刚性伸直链晶体②苯环与酰胺键交替排列，全处于对位，规律性好，对称性好，结晶性好③分子间有氢键，形成梯形化合物12.Kevlar-49纤维的力学性能：（1）弹性模量高(2)强度高（3）σ-ε曲线为直线（4）密度最小（5）良好的韧性（6）各向异性（7）抗压性能、抗扭性能较低（8）强度分散性大(9)纺织性能好（10）抗蠕变性好，抗疲劳性好13.课本81-82页：2，8，13，21，22，29，31第三章 基体材料1、稀释剂：稀释剂一般分为非活性和活性两大类。

非活性稀释剂不参与树脂的固化反应，通常在浸胶后都要经过烘干过程，将大部分稀释剂除去，一般用量为10%-60%。

当基体树脂不允许加入挥发性物质是，为了降低粘度，可加活性稀释剂，它参加树脂的固化反应，成为网状结构的组成部分。

一般为树脂质量的5%-10%。

2.、提高树脂耐热性的途径有以下三个方面：1）增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构；2）进行结晶：引入极性基团，如-C-O-C-、酰胺、酰亚胺、-OH 、-NH2、-CN 等； 3）进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。

3、环氧树脂型号的命名原则：型号：1-2汉语拼音字母+2位阿拉伯数字CF-IICF-I第一个字母：主组分（若同加第二个字母） 第二个字母：改性物3、4位数字：主要性能值，环氧值的算术平均值4、环氧树脂交联固化所用的固化剂可分为两类：1）反应性固化剂：可与环氧树脂进行加成反应，并通过逐步聚合反应的历程使它交联成体形网状结构。

如：多元伯胺、多元羧酸、多元硫醇、多元酚。

2）催化性固化剂：它可引发树脂分子中的环氧基按阳离子或阴离子聚合的历程进行固化反应。

如：叔胺、三氟化硼络合物。

5、氮基氮原子上每一个活泼氢原子都可使一个环氧基打开 胺当量=胺的相对分子质量/胺中活泼氢的数目 胺的用量=胺当量×环氧值6、芳香族多元胺，由于氮原子上电子云密度降低，碱性较低，以及芳环的立体位阻效应，使它与环氧基团的反应比脂肪族胺慢。

7、酸酐用量（phr ）=C ×酸酐当量×环氧值一般的酸酐C=0.858、叔胺对固化反应的促进效果与其结构中氮原子上的电子密度及分子链长度有关，氮原子上的电子密度越大，分子链越小，促进效果便越大。

9、环氧树脂的增韧途径有以下几种：① 橡胶弹性体增韧（聚硫橡胶、丁腈橡胶）机理：橡胶颗粒脱胶或断裂后所形成孔洞的塑性体膨胀；颗粒或孔洞所诱发的剪切屈服变形。

② 热塑性树脂增韧（聚酰胺、聚氨酯）机理：热塑性树脂颗粒对裂纹扩展起约束、闭合作用和钉锚作用，阻止裂纹扩展。

热塑性树脂与环氧树脂形成半互穿网络聚合物(S-IPN)。

③ 热致液晶增韧机理：热致液晶聚合物(LCP)以原纤的形式存在于环氧树脂连续相中，可以阻止裂缝，提高基体韧性，不降低材料的耐热性和刚度。

用量小，效果好。

④ 核壳结构聚合物增韧机理：CSLP 粒子空穴化—塑性形变，吸收外加能量。

⑤ 刚性纳米粒子增韧机理:：在基体受冲击时，纳米粒子与基体之间产生微裂纹(银纹)，吸收能量；基体塑性变形吸收冲击能。

10、不饱和聚酯树脂的性能：合成时所用的酸和醇的性质决定着聚酯树脂的物理机械性能。

一般来说，二元醇越长：柔韧性越好。

不饱和酸增多：提高耐热性和硬度，降低弹性。

饱和酸增多或链增长：提高柔韧性。

11、BMI 的性能：反应活性较强；优良耐热性：苯环、酰亚胺杂环及交联密度高；较高强度和模量；有较大的脆性，冲击强度差，断裂延伸率小，断裂韧性低；优良电性能，耐化学介质性能，耐辐射。

酸酐基团数酸酐分子量酸酐当量第四章聚合物基复合材料界面1、复合材料界面效应：①物理效应：各组分相互浸润、扩散、相容性、界面自由能结构网络互穿②化学效应：界面化学反应、形成新的界面层结构③力学效应：引起界面上的应力分布2、界面作用机理①浸润吸附理论：浸润：布朗运动，高聚物大分子移动到被粘物体表面，大分子链节靠近被粘体极性基团吸附：被粘体与粘结剂分子间距<0.5nm时，范德华力开始发生作用：偶极-偶极键、偶极-诱导偶极键、氢键等粘结力决定于次价键力局限：黏结功大于克服分子间力所需的能量；黏结功取决于粘结层剥离的速率；非极性聚合物间也有粘结力②化学键理论：偶联剂分子应至少含有两种官能团，第一种官能团在理论上可于增强材料起化学反应，第二种官能团在理论上应能参与树脂的固化反应，与树脂分子链形成化学键结合，于是，偶联剂分子像“桥”一样，将增强材料与基体通过共价键牢固地连接在一起了。

③扩散理论④电子静电理论⑤机械联结理论⑥变形层理论⑦优先吸附理论3、影响界面粘结强度的因素纤维表面晶体大小及比表面积：晶体增大、粘结性能变差，粘结强度降低；比表面积大，粘结强度高浸润性：浸润性↑，粘结强度↑，空隙率↑，粘结强度↓界面反应性：界面反应性↑，粘结强度↑残余应力：4、基体和增强材料间形成的键分为：物理键，范德华力，6kcal/mol化学键，30kcal/mol5、水对复合材料界面的破坏作用1）水的浸入扩散进入界面：宏观裂缝；内部杂质产生微裂纹；气泡吸附迅速，多层吸附形成较厚的水膜，厚度约为水分子直径的100倍。

比表面积越大，吸附的水越多 结合牢固：110-150℃，1/2；150-350℃，3/4 2）水对玻璃纤维表面的化学腐蚀作用碱金属溶于水中，溶液呈碱性，加速表面腐蚀，导致SiO2骨架解体，强度下降。

3）水对树脂的降解作用两种效应：物理效应（增塑），可逆 化学效应（降解），不可逆4）水溶胀树脂导致界面脱粘破坏5）水进入孔隙产生渗透压导致界面脱粘破坏 6）水促使破坏裂纹的扩展6、玻璃纤维表面处理——化学处理：即采用偶联剂处理玻璃纤维，使纤维与基体之间形成化学键，获得良好的粘结，并有效地降低水的侵蚀。

（1）有机硅烷类偶联剂的结构与作用机理R(CH2)nSiX3 （n=0~3）R ：有机官能团 X ：可水解的基团 作用机理：水解生成硅醇→与玻璃纤维表面作用→与树脂基体作用7、偶联剂的配制（硅烷偶联剂：现配现用）“沃兰”：pH=4~6 吸附层：多层不均匀沉积物物理吸附层98%，约270个单分子层厚度，可被冷水冲走；化学吸附层，10个单分子层厚度，冷水冲不走，可沸水煮一段时间被除去；化学吸附单分子层，稳定。

化学吸附层对界面起粘合作用；物理吸附层造成弱界面层，降低材料界面粘合强度 偶联剂浓度一般为：0.1%~1.5% 8、碳纤维的表面处理表面处理：气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、等离子体氧化法、表面涂层改性法、表面电R CO OR'H 2OOH -R C OOHR'OH++Si R'OR OR'Si HOROHOHH 2OSi HOROOH H H SiSi HOR O OH H SiSi OR OOHH H Si HSi R OOH H SiSi R OH H Si n脱水聚合改性法和表面等离子体聚合接枝改性法 9、芳纶的表面处理——冷等离子体表面处理 抗拉强度上升原因：①由于等离子体处理作用仅发生在表面浅层，不损伤本体强度，而且等离子体的缓慢刻蚀作用能完全消除去表面的裂纹，减少应力集中源，间接提高了纤维的抗拉强度；②纤维在高频场中受等离子体反复的撞击作用下，纤维内部发生松弛，使生产过程中积累的内应力得以释放降低，也等同于间接提高了纤维的抗拉强度。