复合材料原理第7章PPT课件
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塑料的成型工艺几乎都伴随着加热和冷却过程。 填料的加入，如果提高混合物的导热系数，可缩短加 热或冷却时间，也就是提高成型速度。
随着填料的不同，复合塑料可用作隔热或导热材 料。以空气为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料，而 以碳纤维、金属粉等为填料的复合塑料则可作为导热 性复合材料使用。
复合材料的导热系数在理想情 况下可由下列复合规则估算：
8.2.2 耐热性
表征非结晶性聚合物 耐热性的物理量是玻 璃化温度Tg，结晶性 聚合物是熔点Tm。
一般表现为随着填料 的加入，玻璃化温度升高， 玻璃化温度的升高程度与 填料加入量成正比。
在聚甲基丙烯酸甲酯中 加入10％白垩，玻璃化 温度可下降10℃左右。
聚合基复合材料的Tg与 填充物含量的关系
填料的加入引 起聚合物微观 结构的改变
0.87
12.0
PC 非增强
7.6
7.6
FRTP（含GF30％）
1.9
6.8
改性 PPO 非增强
7.7
8.5
FRTP（含GF30％）
2.3
7.1
PET FRTP（含GF30％）
0.75
4.5
由于纤维在流动方向的取向，使流动方向上及 与之垂直方向上的热膨胀系数产生很大的差异。
影响成型速度
制备导热或隔热性制品
热膨胀系数 聚合物 （1/℃）
填料
热膨胀系数 （1/℃）
复合材料
热膨胀系数 （1/℃）
PP
10-11
玻璃纤维E
0.5
PP(含30％GF，质 量比)
3.2
PVC(硬质)
7-8
碳纤维（PAN系） （0.3-0.5）
PC（含30％GF， 质量比）
2.7
PC
7
滑石粉
0.8
尼龙66（含30％GF， 质量比）
2.2
引起界面层 聚合物大分子敛集密 度的改变(一般情况下是密度降低)， 随着大分子敛集密度的改变，改变了 分子间作用力，因而改变分子链段的 活动能力，使聚合物的玻璃化温度随 之而发生变化。
cm(1Vf)fVf
实际的复合材料由于填料的形态等因素的影响，其导热 系数各异。Nielsen考虑了这些因素后提出下列公式：
c 1 ABVf m 1 BVf
A＝KE－1 KE——爱因斯坦系数
f B ( m 1)
f (m A)
11 Pf Pf 2
Vf
Pf——填料的最 高填充容积分数
各种材料的导热系数
尼龙－6
8
CaCO3
1
AS（含30％GF， 质量比）
2.8
尼龙－66 10-15
铝
2.4
PP（含33％ CaCO3，质量比）
4.2
AS
6-7
铁
1.2
PVC（含33％木粉， 质量比）
3.2
膨胀系数的各向异性
材料
热膨胀系数①（╳10-5/℃）
流动方向
垂直流动方向
尼龙-6 非增强
11.7
13.7
FRTP（含GF30％）
设各元素在处于液体和固体时的摩尔比热：
元素
液体
固体
C
2.8
1.8
H
4.8
2.3
O
6.0
4.0
S、P
7.4
5.4
F
7.0
5.0
Si
5.8
3.8
B
4.7
2.7
其他元素
8.0
6.2
以碳酸钙为例，其比热可计算如下：
Ca C O3(固体)
6.2＋1.8＋3×4.0＝20
碳酸钙的分子质量＝40.08 + 12.0l + 3×16＝100.09 故其质量比热cf＝20／100.09＝0.20cal／g＝8.38J／g 这个值与碳酸钙在20℃时的实测值为8.57J／g基本吻合。
聚合物 尼龙-66 尼龙-12
PPS PSU PP
导热系数 [W/(m·K)]
0.25 0.29 0.28 0.26 0.13
填料的导热系数一 般比聚合物的大， 可预计，复合塑料 的导热系数要比单 纯聚合物的大。
填料 E－玻纤 碳纤维 碳酸钙 滑石粉 铁（钢）
铝 杉（纵向） 杉（横向）
导热系数 [W/(m·K)]
复合材料物理和化学性能的复合规律
8.1 密度 8.2 热性能 8.3 燃烧特性 8.4 光学性能 8.5 耐化学性
8.1 密度
复合材料的最基本物 性
复合材料中，基体或填料的含量通常以质量百分 率表示，必须将质量百分率换算成体积百分率， 才能应用复合规则来估算复合材料的密度。
cm(1Vf)fVf (8.1)
mf
Wmf (1Wm)m
对于聚合物基复合材料，
由于ρm对大多数聚合物来 说差别不大，当填料一定
时，复合材料的密度主要
取决于填料的含量。
8.2 热性能
热膨胀系数
热性能
热基础物性
导热系数
热功能复合材料 的最重要性质
比热
耐热性
与力学性能并列为结构 复合材料最重要的特性
8.2.1 热基础物性
基本上可按复合规则加以估算：
导热系数 [W/(m·K)]
0.50 1.21 0.24 0.40 0.75 0.31 0.80 0.33 0.35
使单位物量的某种物质升 高单位温度所需的热量
质量比热 容量比热 摩尔比热 复合材料在一定温度下的比热基本上可由复合规则估算：
cccm(1Vf)cfVf
填料的质量比热一般比聚合物的稍小，因此复 合材料的质量比热也比单一聚合物的稍小。但两者 的容量比热则无大差异。
Vf
(1Wm)m Wmf (1Wm)m
cm(1Vf)fVf (8.1)
Vf
(1Wm)m Wmf (1Wm)m
cm [ 1 W m ( 1 f W ( 1 m ) W m m )m ]f• W m ( 1 f W ( 1 m ) W m m )m
mWmf fm(1Wm) Wmf (1Wm)m
1.30 2.10-10.45
2.34 2.10 58.52 209 0.42 0.11
Байду номын сангаас
复合材料
尼龙-66（含 40％玻纤）
尼龙-66（含 40％碳纤）
尼龙-12（含 30％玻纤）
PPS（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PSU（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PP（含30％ 玻纤）
PP（含30％ CaCO3）
cm(1Vf)fVf
α ——热膨胀系数； Vf——增强体的容积分数； 角标c、m、f分别代表复合材料、基体和增强体。
一般无机填料的热膨胀系数较聚合物的要小得多， 所以，填充无机填料的复合塑料其热膨胀系数要较纯 聚合物的小，其数值接近于金属的热膨胀系数。
聚合物、填料及其复合材料的热膨胀系数(×10-5)
ρc——复合材料的密度； ρm——基体的密度； ρf——增强体的密度； Vf——增强体的体积分数。
如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数：
Wm
m(1Vf ) fVf m(1Vf
)
W m fV f W m m W m V f m m m V f
V f[ W mfm ( 1 W m ) ]m ( 1 W m )
随着填料的不同，复合塑料可用作隔热或导热材 料。以空气为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料，而 以碳纤维、金属粉等为填料的复合塑料则可作为导热 性复合材料使用。
复合材料的导热系数在理想情 况下可由下列复合规则估算：
8.2.2 耐热性
表征非结晶性聚合物 耐热性的物理量是玻 璃化温度Tg，结晶性 聚合物是熔点Tm。
一般表现为随着填料 的加入，玻璃化温度升高， 玻璃化温度的升高程度与 填料加入量成正比。
在聚甲基丙烯酸甲酯中 加入10％白垩，玻璃化 温度可下降10℃左右。
聚合基复合材料的Tg与 填充物含量的关系
填料的加入引 起聚合物微观 结构的改变
0.87
12.0
PC 非增强
7.6
7.6
FRTP（含GF30％）
1.9
6.8
改性 PPO 非增强
7.7
8.5
FRTP（含GF30％）
2.3
7.1
PET FRTP（含GF30％）
0.75
4.5
由于纤维在流动方向的取向，使流动方向上及 与之垂直方向上的热膨胀系数产生很大的差异。
影响成型速度
制备导热或隔热性制品
热膨胀系数 聚合物 （1/℃）
填料
热膨胀系数 （1/℃）
复合材料
热膨胀系数 （1/℃）
PP
10-11
玻璃纤维E
0.5
PP(含30％GF，质 量比)
3.2
PVC(硬质)
7-8
碳纤维（PAN系） （0.3-0.5）
PC（含30％GF， 质量比）
2.7
PC
7
滑石粉
0.8
尼龙66（含30％GF， 质量比）
2.2
引起界面层 聚合物大分子敛集密 度的改变(一般情况下是密度降低)， 随着大分子敛集密度的改变，改变了 分子间作用力，因而改变分子链段的 活动能力，使聚合物的玻璃化温度随 之而发生变化。
cm(1Vf)fVf
实际的复合材料由于填料的形态等因素的影响，其导热 系数各异。Nielsen考虑了这些因素后提出下列公式：
c 1 ABVf m 1 BVf
A＝KE－1 KE——爱因斯坦系数
f B ( m 1)
f (m A)
11 Pf Pf 2
Vf
Pf——填料的最 高填充容积分数
各种材料的导热系数
尼龙－6
8
CaCO3
1
AS（含30％GF， 质量比）
2.8
尼龙－66 10-15
铝
2.4
PP（含33％ CaCO3，质量比）
4.2
AS
6-7
铁
1.2
PVC（含33％木粉， 质量比）
3.2
膨胀系数的各向异性
材料
热膨胀系数①（╳10-5/℃）
流动方向
垂直流动方向
尼龙-6 非增强
11.7
13.7
FRTP（含GF30％）
设各元素在处于液体和固体时的摩尔比热：
元素
液体
固体
C
2.8
1.8
H
4.8
2.3
O
6.0
4.0
S、P
7.4
5.4
F
7.0
5.0
Si
5.8
3.8
B
4.7
2.7
其他元素
8.0
6.2
以碳酸钙为例，其比热可计算如下：
Ca C O3(固体)
6.2＋1.8＋3×4.0＝20
碳酸钙的分子质量＝40.08 + 12.0l + 3×16＝100.09 故其质量比热cf＝20／100.09＝0.20cal／g＝8.38J／g 这个值与碳酸钙在20℃时的实测值为8.57J／g基本吻合。
聚合物 尼龙-66 尼龙-12
PPS PSU PP
导热系数 [W/(m·K)]
0.25 0.29 0.28 0.26 0.13
填料的导热系数一 般比聚合物的大， 可预计，复合塑料 的导热系数要比单 纯聚合物的大。
填料 E－玻纤 碳纤维 碳酸钙 滑石粉 铁（钢）
铝 杉（纵向） 杉（横向）
导热系数 [W/(m·K)]
复合材料物理和化学性能的复合规律
8.1 密度 8.2 热性能 8.3 燃烧特性 8.4 光学性能 8.5 耐化学性
8.1 密度
复合材料的最基本物 性
复合材料中，基体或填料的含量通常以质量百分 率表示，必须将质量百分率换算成体积百分率， 才能应用复合规则来估算复合材料的密度。
cm(1Vf)fVf (8.1)
mf
Wmf (1Wm)m
对于聚合物基复合材料，
由于ρm对大多数聚合物来 说差别不大，当填料一定
时，复合材料的密度主要
取决于填料的含量。
8.2 热性能
热膨胀系数
热性能
热基础物性
导热系数
热功能复合材料 的最重要性质
比热
耐热性
与力学性能并列为结构 复合材料最重要的特性
8.2.1 热基础物性
基本上可按复合规则加以估算：
导热系数 [W/(m·K)]
0.50 1.21 0.24 0.40 0.75 0.31 0.80 0.33 0.35
使单位物量的某种物质升 高单位温度所需的热量
质量比热 容量比热 摩尔比热 复合材料在一定温度下的比热基本上可由复合规则估算：
cccm(1Vf)cfVf
填料的质量比热一般比聚合物的稍小，因此复 合材料的质量比热也比单一聚合物的稍小。但两者 的容量比热则无大差异。
Vf
(1Wm)m Wmf (1Wm)m
cm(1Vf)fVf (8.1)
Vf
(1Wm)m Wmf (1Wm)m
cm [ 1 W m ( 1 f W ( 1 m ) W m m )m ]f• W m ( 1 f W ( 1 m ) W m m )m
mWmf fm(1Wm) Wmf (1Wm)m
1.30 2.10-10.45
2.34 2.10 58.52 209 0.42 0.11
Байду номын сангаас
复合材料
尼龙-66（含 40％玻纤）
尼龙-66（含 40％碳纤）
尼龙-12（含 30％玻纤）
PPS（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PSU（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PP（含30％ 玻纤）
PP（含30％ CaCO3）
cm(1Vf)fVf
α ——热膨胀系数； Vf——增强体的容积分数； 角标c、m、f分别代表复合材料、基体和增强体。
一般无机填料的热膨胀系数较聚合物的要小得多， 所以，填充无机填料的复合塑料其热膨胀系数要较纯 聚合物的小，其数值接近于金属的热膨胀系数。
聚合物、填料及其复合材料的热膨胀系数(×10-5)
ρc——复合材料的密度； ρm——基体的密度； ρf——增强体的密度； Vf——增强体的体积分数。
如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数：
Wm
m(1Vf ) fVf m(1Vf
)
W m fV f W m m W m V f m m m V f
V f[ W mfm ( 1 W m ) ]m ( 1 W m )