复合材料概论12-聚合物基复合材料PPT课件
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复合材料及其聚合物基体概论课件
1.3.4 电性能 树脂分子由共价键组成，是一种优良的绝缘材料。 影响树脂电绝缘性能的因素有两个： 一是大分子链的极性；二是已固化树脂中杂质的存在。 1 ）树脂大分子链中极性基团越多，极性越强，则电绝缘性越差； 2）已固化树脂中的杂质越少，则电性能越好。
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料及其聚合物基体概论课件
3、树脂的断裂伸长率与结构的关系 1）大分子链的柔顺性：由C－C键组成的脂肪链是柔性链的代表，具有柔性链结构的树脂，伸长率较大；具有刚性链结构（苯环、萘环、联苯环等）的树脂，具有相当大的刚性，伸长率较小。 2）大分子链间的交联密度：交联密度越大，树脂的伸长率越小，呈现脆性。
复合材料及其聚合物基体概论课件
问题1 基体材料在复合材料中所起的作用是什么？
复合材料及其聚合物基体概论课件
基体材料在复合材料中的作用
1、粘结作用 基体材料作为连续相，把单根纤维粘成一个整体，使纤维共同承载。 2、均衡载荷、传递载荷 在复合材料受力时，力通过基体传给纤维。 3、保护纤维 在复合材料的生产与应用中，基体可以防止纤维受到磨损、遭受浸蚀。
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料的分类
1、按基体材料类型分为 聚合物基复合材料（PMC） 金属基复合材料（MMC） 无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料 和水泥基复合材料（CMC）等 2、按增强材料类型分为 玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料 芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料 UHMW-PE纤维增强复合材料等 3、按用途分为 结构复合材料、功能复合材料、 结构功能一体化复合材料
2）按用途分类： 纤维、橡胶、塑料（树脂）、涂料、粘结剂 3）按聚集态分类： 玻璃态、高弹态、粘流态
温度
变形
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料及其聚合物基体概论课件
3、树脂的断裂伸长率与结构的关系 1）大分子链的柔顺性：由C－C键组成的脂肪链是柔性链的代表，具有柔性链结构的树脂，伸长率较大；具有刚性链结构（苯环、萘环、联苯环等）的树脂，具有相当大的刚性，伸长率较小。 2）大分子链间的交联密度：交联密度越大，树脂的伸长率越小，呈现脆性。
复合材料及其聚合物基体概论课件
问题1 基体材料在复合材料中所起的作用是什么？
复合材料及其聚合物基体概论课件
基体材料在复合材料中的作用
1、粘结作用 基体材料作为连续相，把单根纤维粘成一个整体，使纤维共同承载。 2、均衡载荷、传递载荷 在复合材料受力时，力通过基体传给纤维。 3、保护纤维 在复合材料的生产与应用中，基体可以防止纤维受到磨损、遭受浸蚀。
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料的分类
1、按基体材料类型分为 聚合物基复合材料（PMC） 金属基复合材料（MMC） 无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料 和水泥基复合材料（CMC）等 2、按增强材料类型分为 玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料 芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料 UHMW-PE纤维增强复合材料等 3、按用途分为 结构复合材料、功能复合材料、 结构功能一体化复合材料
2）按用途分类： 纤维、橡胶、塑料（树脂）、涂料、粘结剂 3）按聚集态分类： 玻璃态、高弹态、粘流态
温度
变形
《聚合物基复合材料》ppt课件
c、水热合成法
是在高温、高压反响环境中，采用水作为 反响介质，使得通常难溶或不溶的物质 溶解、反响，还可进展结晶操作。
d 、 溶胶-凝胶(Sol-Gel)法的根本过程是: 一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇 盐)在某些溶剂中与水发生反响,经过水解与 缩聚过程,首先生成溶胶，再生成具有网状 构造的凝胶，然后经过枯燥、烧结等后处 置工序，制成所需资料。例如，
改性方法
离子交换法 硅烷偶联剂法 冠醚改性法 单体或活性有机物插层法
高分子/层状硅酸盐纳米复合资 料的制备方法
➢插层复合法是制备高分子/层状硅酸盐纳米复合资料的 方法，即将单体或聚合物插入层状硅酸盐片层之间，进 而破坏硅酸盐的片层构造，使其剥离成层状根本单元， 并均匀分散在聚合物基体中，实现高分子与层状硅酸盐 在纳米尺度上的复合。 ➢一些常见的层状硅酸盐 ：
(1) 小尺寸效应：当颗粒尺寸减小到纳米量 级时，一定条件下导致资料宏观物理、化学性 质发生变化。
由于比外表积大大添加，使纳米资料具有 极强的吸附才干。如光吸收显著加强；纳米陶 瓷可以被弯曲，其塑性变形可达100%；纳米微 粒的熔点低于块状金属，如块状金熔点为1337K， 而2nm的金微粒的熔点只需600K。
纳米微粒的外表修饰
由于纳米资料粒径小，大部分原子暴露在微粒外 表，因此外表能极大，非常容易聚会在一同，这 就为制造纳米微粒资料带来很大困难。
在制备纳米高分子复合资料时，需对纳米资料的 外表进展改性，目的是降低粒子的外表能态，消 除粒子的外表电荷，提高纳米粒子与有机相的亲 合力，减弱纳米粒子的外表特性。
的纳米粉
c、喷雾法
经过将含有制备资料的溶液雾化以制备 微粒的方法。
d 、冷冻枯燥法
首先制备金属盐的水溶液，然后将溶液 冻结，在高真空下使水分升华，原来溶 解的溶质来不及凝聚，那么可以得到枯 燥的纳米粉体。
(医学课件)聚合物基复合材料PPT演示课件
HOR`OCORCOOH + HOR``OH HOR`OCORCOOR``OH + H2O
由羟基酸出发进行的聚酯反应同二元酸与二元醇的线型缩 聚反应相同。 不饱和聚酯链中由于有不饱和双键，因此可以在加热、光 照、高能幅射或引发剂的作用下与交联单体共聚，交联固化 成具有三维网络的体型结构。 .
18
聚合物基体材料
按纤维形态 纤维增强 按铺层方式 连续纤维 不连续纤维 单向 角铺层 织物 三维 玻璃纤维 碳纤维 芳纶纤维 超高分子量聚乙烯纤维等 长纤维（毡） 短切纤维
聚 合 物 基 复 合 材 料
按纤维种类
晶须增强 层片增强 粒子增强
碳化硅晶须、氧化铝晶须等 云母、玻璃、金属等 . 氧化铝、碳化硅、石墨、金属等
8
聚合物基体材料
聚合物材料的介绍
热固性树脂 在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的 进行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化成型。再加热不会 软化，不溶、不熔。 其高分子聚合物属于三维体型网状结构。 常用热固性树脂：环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等。 热塑性树脂 加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。 冷却后变硬，再加热可软化。 其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。 常用的热塑性树脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）、 . 9 聚碳酸脂等。
聚合物基体材料
不饱和聚酯树脂 ( UP)
不饱和聚脂树脂为低粘度液体，可在室温下固化，成型工艺 简单，适合于大型异形部件的制造。 不饱和聚脂树脂在固化程中 可分为三个阶段： 1 凝胶：失去流动性形成半固态凝胶。 2 定型：从凝胶到具有一定硬度和固定的形状。 3 熟化：要使其达到最好的力学和化学性能，还要在高温 加热几小时或在室温中放置几周。 不饱和聚脂树脂的固化采用引发剂。其优点为： 1 可以有效地控制反应速度。 2 最终固化可趋于完全，固化后树脂性能稳定。 3 在配以适当的促进剂后，可以满足各种固化工艺的要求。 引发剂：能使单体分子或含双键的线型高分子活化而成为 游离基并进行连锁聚合反应的物质。 . 20
由羟基酸出发进行的聚酯反应同二元酸与二元醇的线型缩 聚反应相同。 不饱和聚酯链中由于有不饱和双键，因此可以在加热、光 照、高能幅射或引发剂的作用下与交联单体共聚，交联固化 成具有三维网络的体型结构。 .
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聚合物基体材料
按纤维形态 纤维增强 按铺层方式 连续纤维 不连续纤维 单向 角铺层 织物 三维 玻璃纤维 碳纤维 芳纶纤维 超高分子量聚乙烯纤维等 长纤维（毡） 短切纤维
聚 合 物 基 复 合 材 料
按纤维种类
晶须增强 层片增强 粒子增强
碳化硅晶须、氧化铝晶须等 云母、玻璃、金属等 . 氧化铝、碳化硅、石墨、金属等
8
聚合物基体材料
聚合物材料的介绍
热固性树脂 在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的 进行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化成型。再加热不会 软化，不溶、不熔。 其高分子聚合物属于三维体型网状结构。 常用热固性树脂：环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等。 热塑性树脂 加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。 冷却后变硬，再加热可软化。 其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。 常用的热塑性树脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）、 . 9 聚碳酸脂等。
聚合物基体材料
不饱和聚酯树脂 ( UP)
不饱和聚脂树脂为低粘度液体，可在室温下固化，成型工艺 简单，适合于大型异形部件的制造。 不饱和聚脂树脂在固化程中 可分为三个阶段： 1 凝胶：失去流动性形成半固态凝胶。 2 定型：从凝胶到具有一定硬度和固定的形状。 3 熟化：要使其达到最好的力学和化学性能，还要在高温 加热几小时或在室温中放置几周。 不饱和聚脂树脂的固化采用引发剂。其优点为： 1 可以有效地控制反应速度。 2 最终固化可趋于完全，固化后树脂性能稳定。 3 在配以适当的促进剂后，可以满足各种固化工艺的要求。 引发剂：能使单体分子或含双键的线型高分子活化而成为 游离基并进行连锁聚合反应的物质。 . 20
聚合物基复合材料 ppt课件
⊥45∘层分散应力均衡负荷。
·厚度变化区以阶梯过渡。
冲击载荷
0
主承载
45
分散应力
6、实验校核
按拉伸、压缩、剪切，根据国标或行标实验校核， 结果与设计值比较。
璃纤维
2～3
• 高强度纤维
1.5～2
• 民用取上限，军事用途可取低些。
自然界的纳米高手
聚合物基复合材料的特性
通过改变纤维、基体的种类 及相对含量、纤维集合形式 及排列方式、铺层结构等可 以满足对复合材料结构与性 能的各种设计要求。
复合材料制品的制造始于 整体成型,一般不需焊、铆、 切割等二次加工,工艺过程 比较简单。
©2003 Brooks/Cole, a division of Tomson Learning, Inc. Thomson
合物水解，形成半互穿 网络。
插层法
层间插入法是利用层状 无机物的膨胀性、吸附 性和离子交换性，使之 作为无机主体，将聚合 物或单体作为客体插入 无机相的层间，制得聚 合物基纳米复合材料。
a 插层聚合（intercalation polymerization）
b 溶液插层（solution intercalation）
量、固化时的压力和温度、固化后的尺寸收缩率等。
基体材料树脂的选取：
受力结构件首选热固性树脂；大量使用、连续挤压 次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）。 <150℃，聚酯或环氧 150～400℃，聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂 内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）
3、单层设计 目的：为层合板设计提供依据 ---- 强度、刚度。 一般过程：确定复合比 → 性能预测 → 实验校核
芳 纶 纤 维 增 强
聚合物基复合材料设计
·厚度变化区以阶梯过渡。
冲击载荷
0
主承载
45
分散应力
6、实验校核
按拉伸、压缩、剪切，根据国标或行标实验校核， 结果与设计值比较。
璃纤维
2～3
• 高强度纤维
1.5～2
• 民用取上限，军事用途可取低些。
自然界的纳米高手
聚合物基复合材料的特性
通过改变纤维、基体的种类 及相对含量、纤维集合形式 及排列方式、铺层结构等可 以满足对复合材料结构与性 能的各种设计要求。
复合材料制品的制造始于 整体成型,一般不需焊、铆、 切割等二次加工,工艺过程 比较简单。
©2003 Brooks/Cole, a division of Tomson Learning, Inc. Thomson
合物水解，形成半互穿 网络。
插层法
层间插入法是利用层状 无机物的膨胀性、吸附 性和离子交换性，使之 作为无机主体，将聚合 物或单体作为客体插入 无机相的层间，制得聚 合物基纳米复合材料。
a 插层聚合（intercalation polymerization）
b 溶液插层（solution intercalation）
量、固化时的压力和温度、固化后的尺寸收缩率等。
基体材料树脂的选取：
受力结构件首选热固性树脂；大量使用、连续挤压 次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）。 <150℃，聚酯或环氧 150～400℃，聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂 内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）
3、单层设计 目的：为层合板设计提供依据 ---- 强度、刚度。 一般过程：确定复合比 → 性能预测 → 实验校核
芳 纶 纤 维 增 强
聚合物基复合材料设计
聚合物基复合材料PPT课件
• 制备工艺：不饱和聚酯的合成（反应釜）和用苯 乙烯稀释聚酯（稀释釜）两部分。
• 不饱和聚酯树脂的生产工艺流程图 • 1——反应釜；2——坚冷凝器；3——横冷凝器；4——接
受器；5——稀释釜；6——液体加料管
表3-2 常见热固性树脂材料的物理性能
性能
聚酯树脂 环氧树脂
密度/（g·cm3）
拉伸强度/MPa
1.22～ 1.40
41～82
4.1～4.8
1.3～2.3
聚酰亚胺 有机硅
～1.32 41～82 ～3.9
1.7～1.9 21～49 ～1.0
1.3～2.3 ～1.0
热变形温度/℃ 60～100 100～200 78～82
线膨胀系数 /10-5K-1
5.5～10 4.6～6.5
6～8
30.8
固化收缩率/% 4～6
3 聚合物基复合材料
3.1 概述
• 3.1.1 聚合物基复合材料的发展
• 第一阶段：1942年至1960年代，玻璃纤维/不饱和聚酯树 脂（GFRP）
• 第二阶段：1965年，发明碳纤维，高比模量、高比强度先 进聚合物基复合材料
• 第三阶段：1972年，发明芳纶纤维，高比模量、高比强度 先进聚合物基复合材料
• （3）按成型工艺分：手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕 用树脂、拉挤用树脂、RTM用树脂、SMC用树脂等。
图3-1 晶态聚合物分子晶区和非晶区示意图
• 3.2.1.3 固态高聚物的性能 • 三个特征温度：玻璃化温度Tg、熔点Tm、粘流温度Tf
（图3-2）。 • 热塑性树脂的Tg是固定的，热固性树脂的Tg随交联程度
图3-2 聚合物玻璃态、高弹态、粘流随温度 的转变关系
• 3.2.2 热固性基体
• 不饱和聚酯树脂的生产工艺流程图 • 1——反应釜；2——坚冷凝器；3——横冷凝器；4——接
受器；5——稀释釜；6——液体加料管
表3-2 常见热固性树脂材料的物理性能
性能
聚酯树脂 环氧树脂
密度/（g·cm3）
拉伸强度/MPa
1.22～ 1.40
41～82
4.1～4.8
1.3～2.3
聚酰亚胺 有机硅
～1.32 41～82 ～3.9
1.7～1.9 21～49 ～1.0
1.3～2.3 ～1.0
热变形温度/℃ 60～100 100～200 78～82
线膨胀系数 /10-5K-1
5.5～10 4.6～6.5
6～8
30.8
固化收缩率/% 4～6
3 聚合物基复合材料
3.1 概述
• 3.1.1 聚合物基复合材料的发展
• 第一阶段：1942年至1960年代，玻璃纤维/不饱和聚酯树 脂（GFRP）
• 第二阶段：1965年，发明碳纤维，高比模量、高比强度先 进聚合物基复合材料
• 第三阶段：1972年，发明芳纶纤维，高比模量、高比强度 先进聚合物基复合材料
• （3）按成型工艺分：手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕 用树脂、拉挤用树脂、RTM用树脂、SMC用树脂等。
图3-1 晶态聚合物分子晶区和非晶区示意图
• 3.2.1.3 固态高聚物的性能 • 三个特征温度：玻璃化温度Tg、熔点Tm、粘流温度Tf
（图3-2）。 • 热塑性树脂的Tg是固定的，热固性树脂的Tg随交联程度
图3-2 聚合物玻璃态、高弹态、粘流随温度 的转变关系
• 3.2.2 热固性基体
聚合物基复合材料的性能课件
兼容性
聚合物基复合材料与其它材料具有 良好的相容性，能够通过粘合、复 合等方式与其它材料结合使用。
环境老化性能
01
抗老化性能
聚合物基复合材料具有良好的抗 老化性能，能够在各种环境条件 下保持较长的使用寿命。
02
03
耐紫外线性能
温度稳定性
聚合物基复合材料能够抵抗紫外 线的照射，不易变色、龟裂或失 去性能。
反射与吸收光谱特性
反射光谱特性
聚合物基复合材料的反射光谱特 性与材料的折射率和表面反射率 有关，不同波长的光在材料表面 反射的情况不同。
吸收光谱特性
聚合物基复合材料的吸收光谱特 性与材料中存在的杂质、缺陷、 链段运动等因素有关，不同波长 的光被吸收的情况不同。物基复合材料在激光的作用下， 可以产生光热、光化学、光物理等效 应，对激光的吸收和传输特性产生影 响。
耐候性
聚合物基复合材料能够承受各种气候条件， 包括紫外线、潮湿、高温和低温等，保持材 料的性能和外观。
化学稳定性与反应性
稳定性
聚合物基复合材料具有稳定的化 学性质，不易与其它物质发生反
应，适用于各种化学环境。
反应性
某些聚合物基复合材料具有一定的 反应性，能够参与化学反应或与其 它物质进行改性，拓展了材料的应 用范围。
聚合物基复合材料的性能课件
目录 CONTENTS
• 聚合物基复合材料的概述 • 聚合物基复合材料的力学性能 • 聚合物基复合材料的热性能 • 聚合物基复合材料的电性能 • 聚合物基复合材料的光性能 • 聚合物基复合材料的化学性能
01
聚合物基复合材料的概述
定义与分类
定义
聚合物基复合材料是由两种或两种以上材料组成，其中聚合物材料作为基体， 通过物理或化学方法与增强材料（如纤维、颗粒等）复合而成的新型材料。
聚合物基复合材料与其它材料具有 良好的相容性，能够通过粘合、复 合等方式与其它材料结合使用。
环境老化性能
01
抗老化性能
聚合物基复合材料具有良好的抗 老化性能，能够在各种环境条件 下保持较长的使用寿命。
02
03
耐紫外线性能
温度稳定性
聚合物基复合材料能够抵抗紫外 线的照射，不易变色、龟裂或失 去性能。
反射与吸收光谱特性
反射光谱特性
聚合物基复合材料的反射光谱特 性与材料的折射率和表面反射率 有关，不同波长的光在材料表面 反射的情况不同。
吸收光谱特性
聚合物基复合材料的吸收光谱特 性与材料中存在的杂质、缺陷、 链段运动等因素有关，不同波长 的光被吸收的情况不同。物基复合材料在激光的作用下， 可以产生光热、光化学、光物理等效 应，对激光的吸收和传输特性产生影 响。
耐候性
聚合物基复合材料能够承受各种气候条件， 包括紫外线、潮湿、高温和低温等，保持材 料的性能和外观。
化学稳定性与反应性
稳定性
聚合物基复合材料具有稳定的化 学性质，不易与其它物质发生反
应，适用于各种化学环境。
反应性
某些聚合物基复合材料具有一定的 反应性，能够参与化学反应或与其 它物质进行改性，拓展了材料的应 用范围。
聚合物基复合材料的性能课件
目录 CONTENTS
• 聚合物基复合材料的概述 • 聚合物基复合材料的力学性能 • 聚合物基复合材料的热性能 • 聚合物基复合材料的电性能 • 聚合物基复合材料的光性能 • 聚合物基复合材料的化学性能
01
聚合物基复合材料的概述
定义与分类
定义
聚合物基复合材料是由两种或两种以上材料组成，其中聚合物材料作为基体， 通过物理或化学方法与增强材料（如纤维、颗粒等）复合而成的新型材料。
《聚合物复合材料》PPT课件
安全ppt
25
第二章 基体材料
安全ppt
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2.1 概述
➢ 复合材料是由增强材料和基体材料通过一定的 成型工艺，经过一定的物理和化学变化过程， 复合而成的具有特定性状的整体材料。
➢ 基体材料的作用：使增强材料粘结成为一个整 体，向增强材料传递载荷（以剪切力的形式）， 保护增强材料免受外界环境作用和物理损伤。
1.2 复合材料的定义、命名及分类
❖ 按增强纤维种类分类
1、无机纤维（玻璃纤维、碳纤维及其他陶瓷纤 维、矿物纤维）复合材料。
2、有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚脂 纤维、高强度聚烯烃纤维等）复合材料。
3、金属纤维（钨丝、不锈钢丝等）复合材料。
4、陶瓷纤维（氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤 维等）复合材料。
▪ 良好的工艺性能：包括各组分间的混溶性、流动
性、成型性。
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2.2 聚合物基体
➢聚合物：合成树脂的种类、数量远大于 天然有机高分子。
➢随着合成工业的发展和新的聚合方法的 出现，种类和数量不断增长。
➢包括热固性树脂、热塑性树脂、橡胶。
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2.2.1热固性树脂基体
1、不饱和聚酯树脂(UPR)：unsaturated polyester resin,
构成
木材的微纤丝 A. 微纤丝 B. 结晶区 C. 非结晶区
电子显微镜下木材管胞壁的分层结构模式 ML.胞间层； P.初生壁； S1.次生壁外层
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3
1.1 复合材料的发展史
例如骨骼：由30%的有机质和70%无机质所组成，而 70%的无机质当中磷酸钙占了95%。简单说，钙质约 占骨骼的65%-70%，是骨的主要成分 。
聚合物复合材料PPT课件
17
界面
组分材料之间存在界面，要有效发挥组分材料的作用， 良好的界面粘合是必须的
Figure - Interfaces between phases in a composite material: (a) direct bonding between primary and secondary phases
6
Figure - Possible physical shapes of imbedded phases in composite materials: (a) fiber, (b) particle, and (c) flake
7
聚合物纳米复合材料
聚合物-层状硅酸Βιβλιοθήκη 纳米复合材料• 至少一维分散相尺寸 < 100 nm • 纳米效应 — 鲜明的性能特征 • 分类:
18
界面相
界面往往需要添加第三组分以增加粘合，第三组分 往往会形成界面相
Figure - Interfaces between phases: (b) addition of a third ingredient to bond the primary phases and form an interphase
20
复合材料的微观形貌
陶瓷纤维复合材料
聚合物基体复合材料
21
复合材料的历史
➢ 自然界的复合材料：树干、竹子等。 ➢ 钢筋混凝土：它是用有抗压的水泥，碎石或砖和抗拉钢筋
组合而成。 ➢ 历史上的复合材料 ： ➢ 草秸增强泥巴筑墙、 ➢ 万里长城的糯米石灰浆、 ➢ 铜雀台的核桃油浸地砖、 ➢ 古埃及的木乃伊等
聚合物复合材料简介
1
应用于各行各业的复合材料
2
3
界面
组分材料之间存在界面，要有效发挥组分材料的作用， 良好的界面粘合是必须的
Figure - Interfaces between phases in a composite material: (a) direct bonding between primary and secondary phases
6
Figure - Possible physical shapes of imbedded phases in composite materials: (a) fiber, (b) particle, and (c) flake
7
聚合物纳米复合材料
聚合物-层状硅酸Βιβλιοθήκη 纳米复合材料• 至少一维分散相尺寸 < 100 nm • 纳米效应 — 鲜明的性能特征 • 分类:
18
界面相
界面往往需要添加第三组分以增加粘合，第三组分 往往会形成界面相
Figure - Interfaces between phases: (b) addition of a third ingredient to bond the primary phases and form an interphase
20
复合材料的微观形貌
陶瓷纤维复合材料
聚合物基体复合材料
21
复合材料的历史
➢ 自然界的复合材料：树干、竹子等。 ➢ 钢筋混凝土：它是用有抗压的水泥，碎石或砖和抗拉钢筋
组合而成。 ➢ 历史上的复合材料 ： ➢ 草秸增强泥巴筑墙、 ➢ 万里长城的糯米石灰浆、 ➢ 铜雀台的核桃油浸地砖、 ➢ 古埃及的木乃伊等
聚合物复合材料简介
1
应用于各行各业的复合材料
2
3
聚合物基复合材料ppt完美版
1、网状结构 楔、高压绝缘子、带电操作工具等。
第二阶段是聚合物的固化。 不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
2、层状结构，两种组分均为二维连续相 玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，
含碳量99%左右的称为石墨纤维。
增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善
和增强。
的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力
第二阶段是聚合物的固化。
(2)在交通运输方面的应用
其他因素（表面形状与光滑程度、纤维的含量与形态、固化剂的种类和用量、着色剂、填料的种类与含量等）。
增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
二、复合材料的分类
• 1、按基体材料分类，可分为聚合物基、 陶瓷基和金属基复合材料。
• 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强
复合材料、粒子增强复合材料和层状复合 SiC颗粒
增
材料。
强 相
• 3、按复合材料的性能分类，可分为结构
三 种
类
复合材料和功能复合材料。
Al2O3片
挤出成型工艺示意图
（4）挤拉成型
将预浸纤维连续地通过模具，挤出多余的 树脂，在牵伸条件下进行固化。
（5）连续成型
把连续纤维不断地浸滞树脂并通过口模和 固化炉固化成棒、板或其他型材。
（6）袋压成型
在模具上放置预浸料后，通过软的薄膜施 加压力而固化成型。
九、界面
复合材料的界面是指基体与增强物之间 化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、 能起载荷传递作用的微小区域。
第二阶段是聚合物的固化。 不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
2、层状结构，两种组分均为二维连续相 玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，
含碳量99%左右的称为石墨纤维。
增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善
和增强。
的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力
第二阶段是聚合物的固化。
(2)在交通运输方面的应用
其他因素（表面形状与光滑程度、纤维的含量与形态、固化剂的种类和用量、着色剂、填料的种类与含量等）。
增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
二、复合材料的分类
• 1、按基体材料分类，可分为聚合物基、 陶瓷基和金属基复合材料。
• 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强
复合材料、粒子增强复合材料和层状复合 SiC颗粒
增
材料。
强 相
• 3、按复合材料的性能分类，可分为结构
三 种
类
复合材料和功能复合材料。
Al2O3片
挤出成型工艺示意图
（4）挤拉成型
将预浸纤维连续地通过模具，挤出多余的 树脂，在牵伸条件下进行固化。
（5）连续成型
把连续纤维不断地浸滞树脂并通过口模和 固化炉固化成棒、板或其他型材。
（6）袋压成型
在模具上放置预浸料后，通过软的薄膜施 加压力而固化成型。
九、界面
复合材料的界面是指基体与增强物之间 化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、 能起载荷传递作用的微小区域。
聚合物基复合材料(全套课件320P)
2018/10/2
30
第 1章 绪 论
1.6 复合材料的应用
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31
第 1章 绪 论
1.6 复合材料的应用
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第 1章 绪 论
1.6 复合材料的应用
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第 18/10/2
34
第 1章 绪 论
1.7 复合材料的进展
金属氧化物：（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3）
改善制备玻璃纤维的工艺条件(Na2O,K2O为助熔剂，降低熔点) 和性能(BeO，模量 ；B2O3，耐酸 )
2018/10/2 41
第2章 增强材料 2.2 玻璃纤维
玻璃纤维的分类 按化学组成分：有碱玻璃纤维（碱金属氧化物MxOy含量大
于12%）；中碱玻纤（ MxOy：6~12% ）；低碱玻纤（ MxOy： 2~6% ）；微碱玻纤（ MxOy：＜2% ）
按纤维使用特性：普通玻纤；电工玻纤（E玻纤）；高强
玻纤（S玻纤或R玻纤）；耐化学药品玻纤（C玻纤）
按产品特点分：长度（定长玻纤，连续玻纤）；
直径（粗纤
维d>30µm，初级纤维20µm <d<30µm ，中级纤维10µm <d<20µm ， 高级纤维3µm <d<9µm ）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤， 玻璃粉） 2018/10/2 42
优点：
2）耐疲劳性能好，破损安全性能高 3）阻尼减振性好 4）多种功能性（电绝缘、摩擦、耐腐蚀、光、磁） 5）良好的加工工艺性（可设计性、多种成型方法、整体成型）
6）各向异性和性能的可设计性
2018/10/2
聚合物基复合材料-性能ppt课件
耐候性：FRP在户外运用时，抵抗各种气体气候要素 的侵蚀破坏的才干。
(1) 温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维-树脂界中， 破坏界面粘结，降低FRP的弯曲强度。
(2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，树脂发生光氧化、光 降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。
(3) 风沙作用：风沙对FRP产活力械磨损，导致外表光泽 度下降、外表层零落、纤维外露等.
方向性：加振方向与纤维方向的夹角由0º上升到45º，疲劳强度 急剧下降。
存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降
12.3.2 FRP的物理性能
1. 电性能 包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和外表电阻系数，
击穿强度等 FRP的电性能普通介于纤维的电性能与树脂的电性能之间 改善纤维或树脂的电性能，有利于改善FRP的电性能 树脂的极性越大，电绝缘性越差。分子中极性基团的存在
12.3 聚合物基复合资料的根本性能
影响纤维加强塑料〔FRP)性能的要素：原资料、构造设 计方法及成型工艺。
(1)加强资料的强度及弹性模量以及基体资料的强度及化学 稳定性等是决议FRP性能的主要要素;
(2)加强资料的含量及其排布方式与方向次之; (3)加强纤维与基体树脂的界面粘结情况
12.3.1 FRP的机械性能
化学介质对FRP的腐蚀作用
与玻纤作用：酸、碱和水都是经过破坏SiO2网络而腐 蚀玻璃的。普通而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻 璃纤维更甚；而耐酸性那么以有碱玻璃纤维为好。
与基体作用：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定 性越差，多数化学反响不可逆。
也破坏玻纤与基体界面的作用
2. FRP的耐侯性能
单向FRP的紧缩强度随纤维含量添加而提高，但并非成比 例增长。
(3) 弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而添加。纤
(1) 温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维-树脂界中， 破坏界面粘结，降低FRP的弯曲强度。
(2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，树脂发生光氧化、光 降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。
(3) 风沙作用：风沙对FRP产活力械磨损，导致外表光泽 度下降、外表层零落、纤维外露等.
方向性：加振方向与纤维方向的夹角由0º上升到45º，疲劳强度 急剧下降。
存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降
12.3.2 FRP的物理性能
1. 电性能 包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和外表电阻系数，
击穿强度等 FRP的电性能普通介于纤维的电性能与树脂的电性能之间 改善纤维或树脂的电性能，有利于改善FRP的电性能 树脂的极性越大，电绝缘性越差。分子中极性基团的存在
12.3 聚合物基复合资料的根本性能
影响纤维加强塑料〔FRP)性能的要素：原资料、构造设 计方法及成型工艺。
(1)加强资料的强度及弹性模量以及基体资料的强度及化学 稳定性等是决议FRP性能的主要要素;
(2)加强资料的含量及其排布方式与方向次之; (3)加强纤维与基体树脂的界面粘结情况
12.3.1 FRP的机械性能
化学介质对FRP的腐蚀作用
与玻纤作用：酸、碱和水都是经过破坏SiO2网络而腐 蚀玻璃的。普通而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻 璃纤维更甚；而耐酸性那么以有碱玻璃纤维为好。
与基体作用：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定 性越差，多数化学反响不可逆。
也破坏玻纤与基体界面的作用
2. FRP的耐侯性能
单向FRP的紧缩强度随纤维含量添加而提高，但并非成比 例增长。
(3) 弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而添加。纤
聚合物基复合材料基体材料ppt课件
影响树脂体积收缩的因素是固化前树脂系统密度、基体 固化后的网络结构的紧密程度、固化过程有无小分子析出等。
降低树脂固化收缩率主要原理是调节树脂大分子链充分 伸直，使其固化后有紧密的空间网络。
如在未固化的聚酯树脂体系中加入甲基丙烯酸甲酯，聚 苯乙烯、聚邻苯二甲酸二稀丙酯等，这个体系在固化前，由 于溶解或加热，其大分子链能充分地伸长，从而使聚酯树脂 在固化后形成紧密的空间网络结构，使固化收缩率只有1％。
这种改善不饱和聚酯树脂收缩率的办法，在大型复合 材料制件生产中得到了应用。
17
3.2.2 耐热性能（温度升高时，其性能的变化）
物理耐热性：指树脂在一定条件下仍然能保留其 作为基体材料的强度，包括模量、强度、变形等；
化学耐热性：是树脂在发生热老化时的温度范围， 包括失重、分解、氧化等。 提高树脂耐热性的途径有： 1）增加高分子链的刚性
2
基体的黏度、使用期直接影响增强材料 的浸渍、复合材料的铺层和预浸料的储存。
因此，研究和了解基体材料的构成、作 用和性能是十分重要的。
3
3.1.1基体材料的基本组分及其作用
1）聚合物基体 聚合物是基体的主要组分，它对复合材料的技术性能、成型工
艺及产品的价格都有直接影响。
作为复合材料树脂的要求
①力学性能
5、可用水和醇的混合溶剂，良
5、机械和电性能优良
操作方便
6、固化物无异味，能用于 6、可用于多种手段实现固化
6、价格低廉
食品行业
5
三大热固性树脂的特点
酚醛树脂
环氧树脂
不饱和聚酯树脂
缺 1.固化比不饱和聚酯树脂慢， 1.固化剂毒性太大，操作应 1.一般空气中氧的存在会防
到完全固化需较长时间
十分注意
降低树脂固化收缩率主要原理是调节树脂大分子链充分 伸直，使其固化后有紧密的空间网络。
如在未固化的聚酯树脂体系中加入甲基丙烯酸甲酯，聚 苯乙烯、聚邻苯二甲酸二稀丙酯等，这个体系在固化前，由 于溶解或加热，其大分子链能充分地伸长，从而使聚酯树脂 在固化后形成紧密的空间网络结构，使固化收缩率只有1％。
这种改善不饱和聚酯树脂收缩率的办法，在大型复合 材料制件生产中得到了应用。
17
3.2.2 耐热性能（温度升高时，其性能的变化）
物理耐热性：指树脂在一定条件下仍然能保留其 作为基体材料的强度，包括模量、强度、变形等；
化学耐热性：是树脂在发生热老化时的温度范围， 包括失重、分解、氧化等。 提高树脂耐热性的途径有： 1）增加高分子链的刚性
2
基体的黏度、使用期直接影响增强材料 的浸渍、复合材料的铺层和预浸料的储存。
因此，研究和了解基体材料的构成、作 用和性能是十分重要的。
3
3.1.1基体材料的基本组分及其作用
1）聚合物基体 聚合物是基体的主要组分，它对复合材料的技术性能、成型工
艺及产品的价格都有直接影响。
作为复合材料树脂的要求
①力学性能
5、可用水和醇的混合溶剂，良
5、机械和电性能优良
操作方便
6、固化物无异味，能用于 6、可用于多种手段实现固化
6、价格低廉
食品行业
5
三大热固性树脂的特点
酚醛树脂
环氧树脂
不饱和聚酯树脂
缺 1.固化比不饱和聚酯树脂慢， 1.固化剂毒性太大，操作应 1.一般空气中氧的存在会防
到完全固化需较长时间
十分注意
聚合物基复合材料ppt课件
料的称量
料预热 成预成型
压制前准备
装模 压制 脱模
后处理
打底及辅 助加工
压制
检验 成品
模压成型工艺流程
层压工艺：
将浸有或涂有树脂的片材层叠， 送入层压机，在加热加压条件下，固 化成型玻璃钢制品的一种成型工艺。
生产的机械化、自动化程度 较高；产品质量稳定；但一次 性投资较大，适合于批量生产。
干法成型，先将纸、布、玻璃布等浸胶， 制成浸胶布(纸)半制品，再经加温加压成型。
工艺过程：
先将树脂和增强纤维制成粒料， 然后再将粒料加入挤出机内，经塑 化、挤出、冷却定型而成制品。
1、能加工绝大多数热塑性复合材料 及部分热固性复合材料； 2、生产过程连续，自动化程度高； 3、工艺易掌握及产品质量稳定等。
只能生产线型制品
注射成型适用于热塑性和热固性复合材料，以热 塑性复合材料应用最广。
聚丙烯
CH2 CH n
CH2 CH Cl
聚氯乙烯
聚苯乙烯
CH2 O n
聚甲醛
O HO CH2CH2 O C
HO
CH3 C CH3
聚碳酸酯
O OC
n
O
C O n 聚对苯二甲酸乙二醇酯
O
+ HO CH2CH2 OH
HO C
O C OH
12.2 聚合物基复合材料的制造技术
聚合物基复合材料的制造把复合材料的制 造和产品的制造融合为一体。
O
C OH + MO
O C OMOH
O
C OH + M(OH)2
O
C OMOH + H2O
碱式盐之间或与聚酯之间进一步脱水使分子量成倍增加
O
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不饱和聚酯树脂：在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定 量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之 为不饱和聚酯树脂。
分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化 合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。
分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征， 环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由 于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型 的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状 结构的高聚物。
12 聚合物基复合材料
聚合物基复合材料：以聚合物为基体的复合材料。
复合材料中研究最早、发展最快的一类复合 材料。在现代复合材料领域中占有重要的地位， 在国民经济建设中发挥了越来越重要的作用。
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
将混有引发剂和促进剂的不饱和聚酯树脂从喷枪喷 出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷 枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。待沉 为积改到进一手定糊厚成度型，工用艺手而辊开滚发压的，一使种纤半维机浸械透化树成脂型、工压艺，是 手糊实工并艺除的去变气形泡。，最后固化成制品。
玻璃纤维无捻粗纱
聚酯树脂
聚丙烯
CH2 CH n
CH2 CH Cl
聚氯乙烯
聚苯乙烯
CH2 O n
聚甲醛
O HO CH2CH2 O C
HO
CH3 C CH3
聚碳酸酯
O OC
n
O
C O n 聚对苯二甲酸乙二醇酯
O
+ HO CH2CH2 OH
HO C
O C OH
12.2 聚合物基复合材料的制造技术
聚合物基复合材料的制造把复合材料的制 造和产品的制造融合为一体。
定义
将一定量的模压料放入金属 对模中，在一定温度、压力作用 下，固化成型制品的方法。
ห้องสมุดไป่ตู้加热加压的作用
使模压料塑化、流动，充满 空腔，并使树脂发生固化反应。
有较高的生产效率，适于大批量生产，制品 尺寸精确，表面光洁，可以有两个精制表面， 价格低廉，容易实现机械化和自动化，多数结 构复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性 能的辅助加工，制品外观及尺寸的重复性好。
根据增强体和基体材料种类的不同，需要 应用不同的制造工艺和方法。
根据基体材料不同分类：
热固性树脂复合材料的制造方法：手糊成型 法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、 RTM成型法(注射成型法)等。
热塑性复合材料的制造方法：模压成型法、 注射成型法、RTM成型法、真空热压成型法、 缠绕成型法等。
模具 准备
树脂胶 液配制
增强材 料准备
涂脱模剂
手糊成型
纤维增强材料和树 脂胶液在模具上铺 覆成型，室温(或加 热)、无压(或低压) 条件下固化，脱模 成制品的工艺方法。
固化 脱模 后处理 手糊成型工艺流程
检验
制品
胶衣是赋予复合材料制品表 面的一层美观、耐化学品侵 待增浸强树材脂料其蚀的起、到耐保擦护伤作和用耐的老表化面等涂的层对。 可选用胶衣
压实辊 树脂
手糊成型示意图
(1) 不受尺寸、形状的限制，适宜尺寸大、批量小、 形状复杂产品的生产； (2) 设备简单、投资少、设备折旧费低，成本低； (3) 工艺简单； (4) 可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要 求； (5) 产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。
(1) 生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条 件差； (2) 产品质量不易控制，性能稳定性差； (3) 产品力学性能较低。
102
应用较广的增稠剂
10
特点：增稠速度快，短时
间内能达到最高粘度。
1.0
MgO增稠的效果，与MgO活性和 加入量有很大的关系。
MgO
10 份
5份
2份 1份
60 120 180 时间（min）
MgO用量对不饱 和聚酯增稠特性 的影响
加热
引发剂 促进剂
静态混合 脱模
模具
切割 喷枪
固化
喷射 成型
辊压
工艺流程
(1)生产效率比手糊法提高2~4倍； (2)利用粗纱代替织物，降低了材料成本； (3)成型过程中无接缝，制品的整体性好； (4)减少了飞边、裁屑和剩余胶液的损耗； (5)可自由调节产品壁厚、纤维与树脂的比 例及纤维的长度。
(1) 产品的均匀程度在很大程度上取决于操 作工人的熟练程度； (2) 树脂含量高，增强纤维短，制品的强度 较低，耐温性能差； (3) 因过量喷涂而造成原材料损耗大； (4) 阴模成型比阳模成型难度大，小型制品 比大型制品难度大； (5) 现场粉尘大，工作环境恶劣； (6) 初期投资比手糊成型大。
CH2 CH O
酚类化合物与醛类化合物缩聚而得的树脂，一般 常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂。
OH 苯酚
O HCH
甲醛
12.1.2 热塑性树脂基复合材料
具有线型或支链型结构的一类有机高分子化合物， 受热软化(或熔化)，冷却变硬，这个过程可反复进行。
CH2 CH2 n
聚乙烯
CH2 CH n CH3
压模的设计与制造较复杂，初次 投资较高，制品尺寸受设备限制，一 般只适于制备中、小型玻璃钢制品。
SMC(片状模塑料，Sheet Molding Compound) 的特点
SMC基本组成：不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、 交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂、着色剂等混合 物浸渍短切玻纤粗纱或玻纤毡，两表面加上保护膜(聚乙烯 或聚丙烯薄膜)形成的片状模压成型材料。
使用时除去薄膜，按尺寸裁剪，然后进行模压成型。
增稠剂
SMC在压制成型、贮存、运输 过程中均需要有较高的粘度(制备 SMC时要求粘度低，浸渍纤维)，粘 度的提高通过增稠剂实现。
通过增稠剂控制SMC从生产到 使用全过程的粘度变化。
常用的增稠剂：
粘度（Pa.S）
IIA族金属氧化物或氢氧化物：
103
MgO、 Mg(OH)2、 CaO、 Ca(OH)2
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
12.1.1 热固性树脂基复合材料
聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。 饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键
O CO
不饱和聚酯：含有非芳族的不饱和键,由不饱和二元羧酸或酸 酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和不 饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物。