聚合物基复合材料-1-2章
第1章_聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展_
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复合材料发展的第二代
先进复合材料的开发时期 复合材料的种类不断增加 基体材料主要为热固性树脂
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年代以后) 第三代复合材料 (80年代以后) 年代以后
1982出现了先进热塑性复合材料; 出现了先进热塑性复合材料; 出现了先进热塑性复合材料 现代复合材料的成熟应用时期: 现代复合材料的成熟应用时期:复合材料不仅在航空 航天领域,而且在几乎所有工业和民用领域得到应用; 航天领域,而且在几乎所有工业和民用领域得到应用; 以金属或陶瓷为基体的先端复合材料也得以应用; 以金属或陶瓷为基体的先端复合材料也得以应用; 多功能复合材料得到 多功能复合材料得到发展 。 得到发展
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近代的复合材料的发展——20世纪 年代 世纪40年代 近代的复合材料的发展 世纪
第二次世界大战中,美国用碎布酚醛树脂 碎布酚醛树脂代替木材制 第二次世界大战中,美国用碎布酚醛树脂代替木材制 备枪托; 备枪托; 采用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂 玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料被美国空 采用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料被美国空 军用于制造飞机构件(如雷达罩、油箱) 军用于制造飞机构件(如雷达罩、油箱)。 年到1960年这 年间,是玻璃纤维增强塑料时 年这20年间 从1940年到 年到 年这 年间, 复合材料发展的第一代。 可以称为复合材料发展的第一代 代,可以称为复合材料发展的第一代。
玻璃钢的缺点:质量较大、模量较低, 玻璃钢的缺点:质量较大、模量较低,不能满足航空航 天飞行器对高比模量和高比强度的要求。 天飞行器对高比模量和高比强度的要求。
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第二代复合材料——1960年到 年到1980年 第二代复合材料 年到 年
1965年英国科学家研制出碳纤维 年英国科学家研制出碳纤维——高比模量、高比强度; 高比模量、 年英国科学家研制出碳纤维 高比模量 高比强度; 1971年美国杜邦公司开发出 年美国杜邦公司开发出Kevler-49 ; 年美国杜邦公司开发出 1975年先进复合材料(ACM)“碳纤维增强、硼纤维及 年先进复合材料( ) 碳纤维增强、硼纤维及 Kevler纤维增强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力 纤维增强环氧树脂复合材料” 纤维增强环氧树脂复合材料 已用于飞机、 件上。 件上。 20世纪 年代后战斗机的机翼、尾翼等部件都基本采用 世纪80年代后战斗机的机翼、 世纪 年代后战斗机的机翼 ACM,ACM用量占到机体质量 , 用量占到机体质量20~30%。 。 用量占到机体质量
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。
聚合物复合材料 基体
2.4.2 环氧树脂
环氧树脂是泛指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。
E-44
E-31 相对分子质量都不高
★ 环氧树脂的性能和特性
a、 形式多样 各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种 应用要求,其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。
基体与增强材料的结合性,包括浸润性和粘合性,决定了复合材 料应力传递途径中最关键的界面层的特性,因此,对复合材料的力学 性能、断裂特性和疲劳性能起着关键的作用。
影响聚合物对增强材料粘结能力的主要因素是聚合物与填料的化 学结构、聚合物的粘度、填料的几何形状等。为了提高基体聚合物对 增强材料、填料的粘附能力: 有时须对增强材料、填料进行表面粘合活化处理 基体中需加增粘剂或偶联剂
(8)交联不饱和聚酯的网状分子结构
①为大致均匀的连续网状结构; ②为不均匀的连续网状结构,在密度 较大的连续网之间有密度较低的链型 分子互相联结; ③为不连续的网状结构,密度较大的 连续分散于未键合的组分中间。
交联不饱和聚酯主要形成 第二种网状结构的大分子
三维网!
(9)不饱和聚酯固化特征—三阶段
粘流态树脂 凝胶阶段
凝胶态
定型阶段
具有硬度的 固态
熟 化 阶 段
交联完全 固态树脂
① ②③
(10)不饱和聚酯固化体系
不饱和聚酯:1mol 交联剂:苯乙烯、氯化苯乙烯、乙烯基甲苯、α-甲基苯乙烯、
2,5-二溴苯乙烯等。用量1.5~3.0mol 引发剂:过氧化物或偶氮化合物,用量1~4% 促进剂:环烷酸钴 增粘剂:MgO,CaO,Ca(OH)2,Mg(OH)2 触变剂:气相法白碳黑(SiO2),用量2~6% 常温固化系统:过氧化甲乙酮+环烷酸钴
聚合物复合材料 基体
关键部件:空隙率<0.5% 重要部件:空隙率<1.0%
耐热性、耐溶剂性、耐盐雾和耐天侯老化性能 复合材料中增强体完全被树脂涂敷包埋,因此,树
脂的特性决定了复合材料的耐环境性能。
(2)对增强材料具有较大的粘附力
聚合物在复合材料中的一项重要作用是作为粘合剂将 增强材料、各种填料粘合成一个整体,从而构成一种具有 崭新性能的新材料。这种粘合作用非常重要。 改善其力学性能 基体部分承载,向增强材料传递载荷 保护增强材料免受周围介质、外界环境的侵蚀和磨蚀
调节双键密度增加树脂韧性降低树脂结晶度提高与乙烯基类交联单体的溶解性饱和二元酸名称树脂特性熔点邻苯二甲酸酐苯酐与交联单体苯乙烯相容性好131四氢邻苯二甲酸酐表面发粘得到改善102己二酸韧性好152韧性好133间苯二甲酸强度韧性耐热性和耐腐蚀性好330对苯二甲酸拉伸强度高348内次甲基四氢邻苯二甲酸酐热稳定性和热变形温度高165六氯内次甲基四氢邻苯二甲酸酐自熄性树脂2393二元醇作用
粘流态树脂 凝胶阶段
凝胶态
定型阶段
具有硬度的 固态
熟 化 阶 段
交联完全 固态树脂
① ②③
(10)不饱和聚酯固化体系
不饱和聚酯:1mol 交联剂:苯乙烯、氯化苯乙烯、乙烯基甲苯、α-甲基苯乙烯、
2,5-二溴苯乙烯等。用量1.5~3.0mol 引发剂:过氧化物或偶氮化合物,用量1~4% 促进剂:环烷酸钴 增粘剂:MgO,CaO,Ca(OH)2,Mg(OH)2 触变剂:气相法白碳黑(SiO2),用量2~6% 常温固化系统:过氧化甲乙酮+环烷酸钴
(3) 具有良好的工艺
粘度是树脂工艺性能的重要指标。聚合物应有恰当的粘度和流动性, 使复合材料易于加工成型。 粘度过大不易浸渍增强纤维及填料 粘度过小,在成型时易于流失
聚合物基复合材料-内容总结
2. 物理性能:密度小、耐热性好、热膨胀系数负效应、黏结性差 3. 化学性能
• 氧化性 易氧化成CO、CO2,空气中耐热性差,200-290℃开始氧化,比GF 差 • 耐腐蚀性 比GF更耐腐蚀,只能被强氧化剂氧化,耐水性好 • 耐热性 不与空气接触时,表现极好的耐热性,在高于1500℃时,强度才
开始下降
• 强度比湿纺原丝提高50%以上
碳纤维
b)PAN原丝的预氧化处理(2h) PAN原丝
二维有序结构
200-300℃
O2,张力
预氧化纤维
六元环梯形结构
① 预氧化作用 通过氧化反应使β碳原子部分氧化成羟基、羰基,在分子间和分子内形成氢键, 利用其诱导作用,使CN在较低的温度下环化形成带有六元共轭环的梯形结构,从 而提高PAN的热稳定性,经受住高温碳化处理。
组成
① 基体相:聚合物基体可分为塑料、橡胶两类 ② 增强相:是聚合物基复合材料的骨架,决定复合材料的强度和刚 度的主要因素 ③ 界面相:是聚合物基体与增强材料间形成的第三相,是产生复合
效果的主要因素
增强材料
增强材料:聚合物基复合材料的骨架,决定复合材料的强度和刚度的主
要因素,显著提高复合材料的机械性能,即赋予复合材料高强度和高模量 等力学性能。形态主要有微粒、薄片、纤维,其中纤维的效果最好。
结构特点-含活泼氢原子,反应过程中伴有氢原子转移
如多元伯胺、多元羧酸、多元硫醇和多元酚 催化型固化剂: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 结构特点-叔胺、三氟化硼络合物 交联剂:能与双酚A型环氧树脂的羟基进行交联
溶解脱泡 挤出纺丝
UHMWPE+溶剂+抗氧剂等
脱溶剂
UHMWPE溶液 UHMWPE纤维
第一章 复合材料绪论
第一章
1-3 复合材料的特性
复合材料的缺点: ➢材料价格高 ➢劳动强度大 ➢抗挤压和抗分层能力差 ➢力学性能受温度/湿度影响 ➢不易检查 ➢对铝会产生电化学腐蚀 ➢固化时间长
第一章
1-3 复合材料的特性
性能:取决于基体相、增强相种类及数量,其次是 它们的结合界面、成型工艺等。 1、主要取决于增强相的性能 ⑴.比强度,比刚度高 ⑵.冲击韧性和断裂韧性高 ⑶.耐疲劳性好 ⑷.减震性 ⑸.热膨胀系数小
70年代民用飞机开始用复合材料做调整片,口盖等. 美国的ACEE计划.从舵面过渡到尾翼.
80-90年代,美国NASA的ACM计划.重点发展DFM-设计制造一体化.
第一章
1-4 复合材料在民用飞机结构上的应用
目前研究低成本的复合材料设计与制造技术 CAI大量的仿真技术.设计,制造,生产一体化仿真实
现异地设计异地制造.80-90年代实现了复合材料向主承力 结构应用的过渡.
金属基复合材料MMC
复合 材料
有机材料基复 合材料
无机非金属基 复合材料
木质基复合材料
聚合物基复 合材料PMC
橡胶基 树脂基
水泥或混凝土基 复合材料
陶瓷基复合材料CMC
热塑性树脂 热固性树脂
第一章
1-2 复合材料的定义与分类
根据第二相(增强体)形态分。 分散强化复合材料
颗粒状分散 相复合材料
颗粒增强复合材料
A380,B787的出现.
第一章
1-4 复合材料在民用飞机结构上的应用
第一章
1-4复合材料在民用飞机结构上的应用
先进树脂基复合材料是民用飞机的主要复合材料.
复合材料在民用飞机的应用出现的几个特征:
➢小型/简单次承力结构
聚合物基复合材料重点内容
考试题型一、填空题〔1分*10题=10分〕二、判断题〔1分*6=6分〕三、名词解释〔4分*5=20分〕四、简答题〔8分*8题=64分,含1道计算题〕第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.什么是复合材料?与金属材料相比有何主要差异?答:定义:复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。
它既保持了原组分材料的主要特色,又通过符合效应获得原组分所不具备的的新性能。
可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并充分并联,从而获得新的优越性能,这与一般的简单的混合有本质的区别。
与金属材料的区别:2.复合材料有哪些优点?存在的主要问题是什么?答:优点:1〕比强度、比模量高;2〕耐疲劳性好,破损性能高;3〕阻尼减振性好:a.受力结构的自振频率除了与结构本身形状有关以外,还与材料的比模量平方根成正比;b.复合材料具有较高的自振频率,其结构一般不易产生共振;c.复合材料机体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力,致使材料得振动阻尼很高,一旦振起来,也可在较短时间内停下来。
4〕具有多种功能性:a.瞬时耐高温性、耐烧蚀性好;b.优异的电绝缘性能和高频介电性能;c.良好的摩擦性能;d.优良的腐蚀性,维护本钱低;e.特殊的光学、电学、磁学的特性。
5〕良好的加工工艺性;6〕各向异性和性能的可设计性。
主要问题:工艺方法的自动化、机械化程度低,材料性能的一致性和产品质量的稳定性差,质量的检测方法不完善,破坏模式不确定和长期性能不确定,长期耐高温和环境老化性能不好等。
3.简述复合材料的组成。
界面为什么也是一个重要组成局部?答:复合材料是由基体材料和增强体材料构成的多项体系。
基体材料为连续相,按所用基体材料的不同,可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料。
增强材料为分散相,通常为纤维状材料,如玻璃纤维、有机纤维等。
原因:界面也是重要组成局部的原因是因为增强相与基体相的界面区域因为其特殊的结构组成,这种结构对材料的宏观性能产生影响,因此也是不可缺少的重要组成局部。
复合材料概论第2章--复合材料的基体材料[研究材料]
调研学习
1
2.1 金属材料
现代科学技术的发展对材料性能的要求越来 越高,特别是航天航空、军事等尖端科学技术的 发展,使得单一材料难以满足实际工程的要求, 这促进了金属基复合材料的迅猛发展。
调研学习
2
1
与传统金属材 料相比,金属 基复合材料具 有较高的比强 度、比刚度和 耐磨性
2
3
与树脂基复合材
与陶瓷材料相
抗弯强度
度(℃) (室温三点)Mpa
密度 /g·cm-3
反应烧结SiC 1600~ 1700
159~424
3.09~3.12
热压SiC
1800~ 2000
718~760
3.19~3.2
CVD SiC涂层 1200~ 1800
重结晶SiC 1600~ 1700
烧结SiC 1950~ (掺SiC-B4C ) 2100
调研学习
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如何增强基体 与增强物的相
容性?
A 对增强纤维进行表面处理改性
B 在金属基体中添加其他成分
C 选择适宜的成型方法
调研学习
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注意:在用铁、镍作为基体时,不适宜用碳(石墨) 纤维作为增强物。
因为,铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化, 破坏了碳纤维的结构,使其丧失原有的强度,而不能 提高复合材料的综合性能。
烧结SiC (掺B)
1950~ 2100
731~993 2.95~3.21
~170
2.6
~280
3.11
~540
3.1
调研学习
弹性模量 /MPa
380~420×103
440×103
480×103 206×103
-
聚合物基复合材料
4、3 纤维增强聚合物复合材料
玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料(FR-ABS)
基体树脂:丁二烯-苯乙烯共聚物(BS) 丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS) 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)
性能改进:强度、弹性模量有成倍提高 耐高温、耐低温、尺寸稳定性等都有所改善
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
玻璃纤维增强聚碳酸酯(FR-PC)
Kevlar纤维增强树脂:良好压延性、耐冲击、 良好振动衰减性、优异得耐疲劳性
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
常见高性能纤维增强环氧树脂性能对比
增强纤维 相对密度 拉伸强度,MPa 弹性模量,GPa
碳纤维 1、6 1500 12
Kevl 2、0 1750 120
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4、4 聚合物基复合材料得制备和加工
轮鼓缠绕法预浸料制备示意图
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4、4 聚合物基复合材料得制备和加工
(2)预混料:
工艺对象:不连续纤维浸渍或混合树脂 制品特征:片状模塑料(Sheet molding pound,SMC)
块状模塑料( Bulk Molding pound,BMC) 注射模塑料(Injection molding pound,IMC)
高强度、高模量纤维增强塑料
基体树脂:环氧树脂 增强材料:碳、硼、芳香族纤维、晶须等高强、高模纤维
性能特点:密度小、强度模量高、热膨胀系数小; 制备工艺简单、成型方法多; 纤维价格昂贵,使用范围到限
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
碳纤维增强树脂: 强度、刚度、耐热性均好
硼纤维增强树脂: 刚性好(模量高于碳纤维增强)
聚合物基复合材料
4、1 概述
4、1 概述
4、1 概述
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料班级:11050301学号;1105030111姓名:王雪一.聚合物基复合材料的基体聚合物基复合材料的基体是有机聚合物.二.聚合物基复合材料的增强材料(1)玻璃纤维增强树脂基复合材料;(2)天然纤维增强树脂基复合材料;(3)碳纤维增强树脂基复合材料;(4)芳纶纤维增强树脂基复合材料;(5)金属纤维增强树脂基复合材料;(6)特种纤维增强聚合物基复合材料;(7)陶瓷颗粒树脂基复合材料;(8)热塑性树脂基复合材料;(聚乙烯,聚丙烯,尼龙,聚苯硫醚(PPS),聚醚醚酮(PEEK),聚醚酮酮(PEKK))(9)热固性树脂基复合材料;(环氧树脂,聚酰亚胺,聚双马来酰亚胺(PBMI),不饱和聚酯等)(10)聚合物基纳米复合材料三.聚合物基复合材料的制备方法1、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是最早用来制备纳米复合材料的方法之一。
所谓的溶胶—凝胶工艺过程是将前驱物在一定的有机溶剂中形成均质溶液,均质溶液中的溶质水解形成纳米级粒子并成为溶胶,然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶.溶胶—凝胶中通常用酸、碱和中性盐来催化前驱物水解和缩合,因其水解和缩合条件温和,因此在制备上显得特别方便。
根据聚合物与无机组分的相互作用情况,可将其分为以下几类:(1)直接将可溶性聚合物嵌入到无机网络中把前驱物溶解在形行成的聚合物溶液中,在酸、碱或中性盐的催化作用下,让前驱化合物水解,形成半互穿网络。
(2)嵌入的聚合物与无机网络有共价键作用(3)有机—无机互穿网络2、层间插入法层间插入法是利用层状无机物(如粘土、云母等层状金属盐类)的膨胀性、吸附性和离子交换功能,使之作为无机主体,将聚合物(或单体)作为客体插入于无机相的层间,制得聚合物基有机—无机纳米复合材料。
层状无机物是一维方向上的纳米材料,其粒子不易团聚且易分散,其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范围1~100 nm内。
层状矿物原料来源极其丰富,而且价廉。
插入法大致可分为以下几种: (1)熔融插层聚合(2)溶液插层聚合(3)聚合物熔融插层 (4)聚合物溶液插层3、共混法共混法类似于聚合物的共混改性,是聚合物与无机纳米粒子的共混,该法是制备纳米复合材料最简单的方法,适合于各种形态的纳米粒子。
聚合物基复合材料
一、1、复合材定义(ISO、GB3961)及定义包含的内容(ISO):有两种或两种以上物和化学性质同的物质组合而成的一种多和固体材。
国标GB3961 :两个或两个以上独的物相,包括粘接材(基体)和纤维或片状材所组成的一种固体物。
定义包含的内容:(1)复合材的组分材虽然保持其相对独性,但复合材的性能却是各组分材性能的简单加和,而是有着重要的改进。
(2)复合材中通常有一相为连续相,称为基体;另一相为分散相,称为增强材。
(3)分散相是以独的形态分布在整个连续相中,两相之间存在着界面。
分散相可以是增强纤维,也可以是颗状或弥散的填。
2、有机纤维碳化法将有机纤维经过稳定化处变成耐焰纤维;在惰性气氛中,于高温下进焙烧碳化,使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子,形成以碳为主要成分的纤维状物。
3、复合材的分类按增强材形态分类:连续纤维复合材、短纤维复合材、状填复合材、编织复合材按增强纤维种类分类:玻璃纤维复合材、碳纤维复合材、玄武岩纤维复合材、有机p纤维复合材、属纤维复合材、陶瓷纤维复合材按基体材分类:环氧树脂基、酚醛树脂基、聚氨酯基、聚萨亚胺基、饱和聚芮基以及其他树脂基复合材按材作用分类:结构复合材、功能复合材4、聚合物基复合材的主要性能和目前存在的缺点:主要性能:1轻质高强(比强、比模大)2可设计性好3具有多种功能性 4过载安全性好5耐疲劳性能好6减振性好(非均相多相体系)存在的缺点:(1)材工艺的稳定性差(2)材性能的分散性大:材和产品是同时完成的,许多因素会影响到每一步的性能,质控制(3)长期耐温与耐环境化性能好(4)抗冲击性能低:大多数增强纤维伸时的断应变代小,纤维增强复合材是脆性材,抗冲击性低(5)横向强和层间剪强好等二、1、聚合物基复合材的增强材应具有的特征:(1)增强材应具有能明显提高树脂基体某种所需特性的性能,如高的比强、比模、高导热性、耐热性、低热膨胀性等,以赋予树脂基体某种所需的特性和综合性能。
聚合物基复合材料(PMC)
成型固化工艺(续)
模压成型工艺优缺点
优点:较高的生产效率,制品尺寸准确,表面光洁,
多数结构复杂的制品可一次成型,无需有损制品性能 的二次加工,制品外观及尺寸的重复性好,容易实现 机械化和自动化等。
缺点:模具设计制造复杂,压机及模具投资高。制
品尺寸受设备限制,一般只适合制造批量大的中、小 型制品。
预浸渍技术包括溶液预浸和熔融预浸两种,其特 点是,预浸料中树脂完全浸渍纤维。 后预浸技术包括膜层叠、粉末浸渍、纤维混杂、 纤维混编等,其特点是,预浸料中树脂是以粉末、 纤维、或包层等形式存在,对纤维的完全浸渍要 在复合材料成型过程中完成。
预浸料及预混料制造工艺(续)
对于制造的预浸料,评价和选择要考虑的参数主要是, 纤维与基体类型、预浸料规格(厚度、宽度、单位面 积重量等)、性能指标(如树脂含量、粘性、凝胶时间 等)。 纤维与基体类型是复合材料性能的决定因素,要根据 制件的使用要求(如强度、刚度、耐热性、耐腐蚀性 等)选择不同类型预浸料。 同一类型预浸料,通常有不同规格以满足用户需要。 预浸料厚度一般在0.08一0.25mm,标准厚度为0.13mm; 宽度在25—1500mm。 评价其性能指标包括树脂含量、粘性、凝胶时间、贮 存期、挥发份含量等,是确定复合材料生产工艺、控 制制品质量的重要参数。
预浸料及预混料制造工艺(续)
SMC的生产一般是在专用SMC机组上进行。生产 上,一般先把除增强纤维以外的其它组分配成树脂糊, 再在SMC机组上与增强纤维复合成SMC。
成型固化工艺
复合材料及其制件的成型方法,是根据产品 的外形、结构与使用要求并结合材料的工艺 性来确定的。 已在生产中采用的成型方法有:1)接触成型 类:手糊成型、湿法铺层成型、注射成型;2) 压力成型类:真空袋压法成型、压力袋成型、 热压罐成型、模压成型、层压或卷制成型;3) 其他成型:纤维缠绕成型、拉挤成型、连续 板材成型、热塑性片状模塑料热冲压成型、 树脂注射和树脂传递成型、喷射成型、真空 辅助树脂注射成型、夹层结构成型、挤出成 型、离心浇铸成型等。
聚合物基复合材料(第二版)11081001-2第2章玻璃纤维
2.54 7.8
σ/ρ
纤维强度的Weibull分布
表2-3各国生产的高强度玻璃纤维的主要性能
种类
美 国 日本 法国 俄 罗 斯 中 国 高 中 国 高
S-2
T
R
ВМП
强2#
强4#
新生态单丝强度, 4580 Mpa
4655 4400 4500-5000 4020
4600
拉伸弹性模量, 85.6 Gpa
Glass fiber manufacture
坩埚拉丝法制备连续玻璃纤维
2.玻纤织物的制造
3 浸润剂的作用与种类
⑴作用 ① 使单丝集束,便于纺织 ② 防止原纱缠绕成卷时,相互粘结 ③ 防止纺织时,纤维表面磨损(保护作用)
⑵种类
① 纺织型浸润剂:去除处理 石蜡型浸润剂——脱蜡处理 淀粉型浸润剂(淀粉、动植物油、表面活性剂) 石蜡型浸润剂的主要组分是石蜡、凡士林、矿物油、
碱、盐、有机溶剂, 因比表面积大,比快状玻璃耐腐蚀性差, 与水反应,SiO2主链断链
与水反应,SiO2主链断链
Si O Na + H2O Si O Si + OHSi O- + H2O
Si OH + Na+ + OHSi O- + Si OH Si OH + OH-
五、玻纤纱/玻纤织物的品种与规格
二、玻纤及玻纤织物的制备
坩埚拉丝法(玻璃球法),直接熔融法(池窑法) 1.坩埚拉丝法制备连续玻璃纤维 制玻璃球——熔融——漏丝(单丝)——浸润剂集束
(原纱)——高速牵引 单丝filament,monofiber——由漏丝板拉出的单根纤维,
直径约6-8um 原纱strand——单丝集束成原纱 2.玻纤织物的制造 玻璃纤维制品生产工艺流程图 3.浸润剂size的作用与种类
聚合物基复合材料的界面
调节界面内应力和减缓应力集中
解决方法:
(1) 控制复合材料成型中的冷却历程;对材料进行适当热处理; (2) 在增强材料与基体间引入一层可形变的界面层。
4.金属基复合材料界面设计
① 希望增强材料与基体之间具有良好的润湿性, 粘着强,有利于界面均匀、有效地传递应力; ② 增强材料与基体润湿后互相间发生一定程度的 溶解,保持适宜的界面结合力,提高复合材料的 强韧性;
界面结合状态抗张强度mpa断口形貌结合不良断口形貌结合不良206纤维大量拔出长度很长呈刷子状结合适中纤维大量拔出长度很长呈刷子状结合适中612有的纤维拔出有一定长度铝基体发生颈缩可观察到劈裂状结合稍强有的纤维拔出有一定长度铝基体发生颈缩可观察到劈裂状结合稍强470出现不规则断面可观察到很短的拔出纤维结合过强224典型的脆性断裂平断口表碳纤维增强铝的抗张强度和断口形貌2
最重要的结合方式。
反应结合的本质:能够发生反应的两种元素或化合物,通 过相互接触和相互扩散发生某种化学反应。随反应程度的 增加,界面结合强度也增大,但由于界面反应产物多为脆 性物质,所以当界面层达到一定厚度时,界面上的残余应 力可使界面破坏,反而降低界面结合强度。要实现良好的 反应结合,必须选择最佳的制造工艺参数(温度、压力、 时间、气氛等)来控制界面反应的程度。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下,在界面碳先溶 入镍,而后又析出,析出的碳是石墨结构,密度增大而在界面留 下空隙,给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的 提高镍渗入量增加,在碳纤维表层产生镍环,严重损伤了碳纤维, 使其强度严重下降。
如何防止碳在镍中先溶解 后析出的问题,就成为获得 性能稳定的Cf / Ni的关键。
在某些金属基复合材料体系中,采用基体合金中添加 某些合金元素以改善增强材料与基体之间的浸润条件或有
复合材料聚合物基复合材料
5.工艺性好。
制造工艺简单,过载时安全性好。
设计性强
由于纤维复合材料的各向异性,与之相关的是性 能的可设计性。由于控制其性能的因素很多,增强剂 类型、基体类型、纤维的排列方向、铺层次层、层数、 成型工艺等都可以根据使用目的和要求不同而进行选 择,因而易于对PMC结构进行最优化设计,做到安全 可靠,经济合理。
•复合材料的破坏有明显预兆,可以在事先检 测出来,而金属的疲劳破坏则是突发性的。
•复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的 扩展,其疲劳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,所以破 坏前有明显的预兆。
3.阻尼减振性好
受力结构的自振频率除了与结构本身形状 有关外,还同结构材料的比模量平方根成 正比。所以复合材料有较高的自振频率。
聚合物基复合材料在中国的发展
中国的复合材料起始于1958年,首先用于军工制 品,而后逐渐扩展到民用。
1958年以手糊工艺研制了玻璃钢艇,以层压 和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹。 1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚 醛树脂烧蚀防热弹头。 1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂 窝夹层结构成型技术,并制造了玻璃钢的直 升机螺旋桨叶和风洞叶片,同年开始纤维缠 绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。
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 阻尼较高,一旦振起来,在短时间内也能 停下来。
第2章 复合材料的界面和优化设计
余应力。因而不能选用模量很低的基体与模量很高的纤维复合,否则
纤维容易发生屈曲。在选择金属基复合材料的组分材料时,为避免过 高的残余应力,要求增强体与基体的热膨胀系数不要相差太大。
界面的作用机理:
界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理。
1、界面浸润性理论
浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。 该理论认为,填充剂被液态树脂良好浸润是非常重要 的,若浸润不好会在界面上产生孔隙,易使应力集中而使 复合材料开裂,如果两组组分完全浸润,则树脂与填充剂 之间的黏结强度将超过基体的内聚强度。
价值、能否推广使用的一个极重要的问题。
界面效应既与界面结合状态、形态和物理--化
学性质等有关,也与界面两侧组分材料的浸润性、
相容性、扩散性等密切相联。
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面,
而是一个多层结构的过渡区域,界面区是从与增
强剂内部性质不同的某一点开始,直到与基体内
整体性质相一致的点间的区域。
31
4、扩散理论
复合材料的基体与增强材料间可以发生 原子或分子的互扩散或发生反应,从而形成反 应结合或互扩散结合。对于聚合物来说,这种 粘结机理可看作为分子链的缠结(如图所示)。
上述每一种理论都有一定的实验支待,
但每一种理论都有它的局限性,这是因为
界面相是一个结构复杂而具有多重行为的相。
二、金属基复合材料的界面
1、界面类型
类型
I类界面
基体与增强材料之 间既不相互反应,也不 互溶,这类界面微观是 平整的,而且只有分子 层厚度,界面除了原组 成物质外,基本上不含 其它物质。
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在体内不产生劣化和分解。
生物体复合材料:生物用金属材料、生物 陶瓷和医用高分子材料 医用高分子材料:看P138 表2-1-7 新领域: 研究既能满足各种生物学和力学 性能的要求,又具备某一生物功能的材 料
7.智能复合材料 智能材料(未来新材料)指材料特性智能 化,即材料特性随时间和场所相应地变 化。如:
电性能 电绝缘性好,阻尼性好。 其他性能 抗磨擦、磨Байду номын сангаас,耐腐蚀、易加工。
密度小的高强、高模增强材料。主要用于宇宙 航空、汽车轮胎(运输带)、建筑加固等领域。
芳纶短纤-Kavlar 1414 芳纶长丝(帝人Technora, 1414)
芳纶纸 (Nomax,1313 耐高温、 绝缘) 芳纶纤维加固增强步 芳纶纤维细纹布
②形态:有纱、布、 带、短切纤维、毡 等形式 如 玻璃钢基布(01.02.03.04),主要用 于制备玻璃钢(GFRP)
玻璃纤维纱 玻璃纤维复合土工布 无碱玻璃纤维布
短切玻璃纤维 玻璃丝布(玻璃钢用布) 玻璃纤维针刺毡
2.碳纤维
①品种:聚丙烯腈基碳纤维 沥青基碳纤维 黏胶基碳纤维 制备工艺:原丝的制备——原丝的预氧化—— 炭化 (保护气氛下N2,含碳90-99%) 有高强度高模碳纤维、活性碳纤维等
2.1增强纤维的种类及基本性能
主要品种有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、尼龙、 聚酯纤维以及硼纤维、晶须等。 1.玻璃纤维 化学组成主要是SiO2 BO3 MgO Al2O3 ①主要性能: 拉伸强度高、模量较低 耐热性非常好、软化点可达850℃左右
良好的绝缘性 取决于含碱量(无碱、中碱等) 不燃、化学稳定性好、尺寸稳定、价廉
制备工艺 P123 图2.1.1 石墨化的C/C复合材料 ②碳纤维与基体的选择
碳纤维:碱金属及杂质含量低,高强、高模和 较大的断裂伸长率。
基体树脂:残碳率高、有粘性、流变性好以及 与碳纤维具有良好的物理相容性。
常用浸渍剂:呋喃树脂、酚醛树脂、石油沥青、 煤焦油等。
③碳基复合材料的应用
特性:高比强度、比模量、耐烧蚀、传热导电、 自润滑等。 导弹、宇航 :高性能烧蚀材料,喷管系统 航空工业:摩擦系数小,热熔大。飞机刹车片 汽车工业:发动机系统部件、传动系统部件等
复合材料发展很快
基质:水泥、石灰 热固性树脂 脂 特种树脂 增强材料:矿物纤维 金属纤维 维 合成纤维 特种纤维 热塑性树
玻璃纤
以满足航空航天、汽车、建筑等领域的应用。
1.2 复合材料的种类
1.复合材料的种类
①按材料基体性质分
金属基复合材料 热塑性树脂基 树脂基复合材料 高聚物复合材料 热固性树脂基 复合材料 非金属基复合材料 橡胶基复合材料 陶瓷基复合材料 碳及碳化物基复合材料 非碳基复合材料
4.混杂纤维复合材料
①定义:两种或两种以上纤维混杂增强一种基体 所构成的复合材料。 如:碳纤维+玻璃纤维 意义:节约成本,实现较宽的物理和力学性能, 达到单一纤维不能达到的单项或组合性能。 ②结构形式 两种纤维在混杂复合材料中的分布 看P127 图2.1.4
③应用
由于成本降低,可用于军工大型件的制备及民 用结构材料的制备。
③按复合材料的性能分类
结构复合材料 功能复合材料 智能复合材料
2. 聚合物基复合材料 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。 聚合物基体:作粘结剂,可使载荷分布均匀,并 传递到纤维上。 增强材料:纤维类,可使材料承受压缩和剪切。
聚合物基体:热固性树脂、热塑性树脂 热固性树脂:环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂 热塑性树脂:PP、PA、ABS、PC、PET、POM 等 增强材料:玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等 形态:长纤维(布、带、毡) 热固性树脂 长纤维、短切纤维 热塑性树脂
特点是具有更轻的密度1.1-1.6 g/cm3 ,比强度 高,蠕变性大大改善。
对于短切纤维、其含量可加到30%-40%,制品 的冲击强度及尺寸稳定性提高。 看P119页 表2-1-2 金属与玻璃纤维增强热塑性塑料的比强度比较
3.碳基复合材料 ①碳/碳复合材料
碳纤维或各种碳织物增强碳或石墨化的树脂 碳(或沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所 形成的复合材料。碳纤维增强碳复合材料。 几乎完全由元素碳组成,故能承受极高的温度 和极大的加热速率,力学性能优,一定的化学 惰性。
通常复合材料中至少有两相,其中一相在复合 材料中是连续的,称为基体,另一相被基体所 包容,称为增强相(或增强材料)。 ③ 发展情况:
古代: 如: 草梗合泥筑墙、麻纤维和土漆复合制漆器 近代: 如: 砂石、水泥及水混合固结的混凝土材料; 在混凝土中加入钢筋后,形成的钢筋混凝土。 现代:聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复 合材料
20世纪初:酚醛树脂+纸、布等 层压制品 1940-1960年代:玻璃纤维增强合成树脂 1960-1970年代:碳纤维、 芳纶(Kevlar) 等纤 维出现,与环氧树脂复合可已用于飞机、火箭 的主承力件上。 1980-1990年代:纤维增强金属基复合材料的时 代,其中以铝基复合材料的应用最为广泛。 1990年以后:碳/碳材料、多功能复合材料,如 智能复合材料和梯度功能材料等。
5. 功能复合材料
指除具有良好的力学性能外,还同时具备某一 其他特殊性能的复合材料。 如导电、磁性、压电、摩擦、含能、隐身、电 磁屏蔽、抗声纳、抗X射线辐射、烧蚀等。
6. 生物体复合材料
生物体材料必须满足的基本生物学要求 化学性能稳定 生物适应性(组织和血液适应性) 不显毒性和过敏反应 不产生代谢异常
日本帝人公司的Technora纤维 俄罗斯的Terlon纤维等。
间位芳酰胺纤维(PMIA)1313
如美国杜邦的Nomex、Conex、Fenelon纤维等 制备:采用液晶纺丝技术,我国成品得率低,成 本高,产品基本无市场竞争力,制备技术急需 提高。
②主要性能
力学性能
弹性模量高( 刚性和无机纤维类似),强度高 (目前是有机纤维中最大的),密度小、韧性 好, 抗压、抗蠕变、抗疲劳。 热性能 耐热性好、可在-195~260℃使用。不易燃
4. 晶须
晶须:由高纯度单晶生长而成的短纤维。一般是 直径<30µm, 长度几微米的针状晶体。
①品种:
金属晶须 如:铁晶须、铜晶须、铝晶须等 陶瓷晶须 如:SiC、SiN、Al2O3、石墨等
制备方法: 晶须可从过饱和气相、熔体、溶液或固 体生长,常生产成不同规格的纤维,其 使用形态有原棉、松纤维、毡或纸。
②主要性能 晶须的高度取向结构不仅使其具有高强 度、高模量和高伸长率,而且还具有电、 光、磁、介电等性质。
如铁晶须就可在磁场中取向,制成定向纤维。
碱式硫酸镁晶须
钛酸钾晶须
钛酸钾纤维:也叫钛酸钾毛 晶。有和玻璃纤维相近的力 学性能,但不会导致复合材 料表面不平整。
5.石棉纤维 天然矿产,比玻璃纤维便宜。不耐热。对 人体有害。许多国家选择了全面禁用。
6K平纹碳纤维布
24K碳纤维
东丽碳纤维布-微量的树 脂浸渗后单向排列
斜纹碳纤维布
碳纤维制成的绳-耐高温绳
碳纤维预浸布
3.芳纶纤维 (芳香族聚酰胺,英文为Aramid
fiber(杜邦公司的商品名为Kevlar )
①品种:
对位芳酰胺纤维(PPTA)(聚对苯二甲酰对 苯二胺)1414 如:美国杜邦的Kevlar 纤维, 荷兰阿克苏诺贝尔(Akzo Nobel)公司 (已与帝人合并)的Twaron纤维 ,
聚合物基复合材料
第一章
第一章 绪论
1.1 复合材料发展史
单一的材料往往很难满足生产和科技部门对材 料性能的要求,因而复合材料得以快速发展。
①复合材料的定义:是由两种或两种以上不同物
理和化学性质的材料,通过复合工艺组合而成
的多相材料。(较之前述聚合物改性,相区尺
寸大。)
②复合材料的特点:
这种通过宏观或微观复合的新型材料,组分之 间存在着明显的界面。 各组分保持各自固有特性的同时可最大限度 地发挥各种组分的优点,赋予单一材料所不具 备的优良特殊性能。 复合材料具有可设计性。
玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好 的;玻璃纤维增强酚醛树脂是GFRP中耐热性较 好的;玻璃纤维增强不饱和聚酯是GFRP中加工 性较好的。 看 P118 页 表2-1-1 各种玻璃钢与金属性能的 比较。 ②玻璃纤维增强热塑性塑料(FR-TP)
玻璃纤维(短切纤维或长纤维 )作为增强材料,热塑 性塑料为基体的纤维增强塑料。
能变硬软变的材料(部分智能水凝胶) 能向外部告知状态的材料(智能传感器) 能产生新陈代谢的材料-(自我修复材料)
作业: 1.什么是复合材料?有何特点? 2.聚合物基复合材料一般有哪两相组成? 性能上有何特点? 3.什么是生物体复合材料和智能复合材料?
第二章 纤维增强复合材料及其制备方法
②性能
具有高强度、高模量 优异的耐高温氧化性、耐化学腐蚀性能, 一种半导体材料(电阻率在106Ω.cm左右),通过 改变原料组成或制备工艺条件可调节碳化硅纤 维的电阻率,使其成为吸波材料(电阻率在 101-103Ω.cm时纤维具有最佳吸波性能)
日本实现了SiC纤维工业化生产,我国国防 科技大学是第二个实现SiC纤维工业化生 产的科研生产单位。 应用于航空、航天、兵器、舰艇、核能、 热机等领域 。
7.金属与陶瓷纤维 金属纤维:钨丝、钼丝、不锈钢丝 陶瓷纤维: SiO2: 45%-55%, Al2O3: 40%-50% 隔热、保温材料、制动摩擦衬垫等。 BC纤维:以碳化硼为皮层,钨丝为芯层,采用 蒸汽沉积法制成的皮芯结构复合纤维。
陶瓷纤维毡 陶瓷纤维折叠块