聚合物基复合材料-1-2章

2.2 纤维增强复合材料的制备方法
1.聚合物基复合材料的工艺特点
材料的形成与制品的成型是同时完成的。 工艺水平直接影响制品的性能 如：界面性质、固化工艺、纤维的预处理及排 布方式、驱除气泡情况等。 成型比较方便 树脂在固化前有流动性、纤维柔软、依靠模具 易制得具有一定形状和尺寸要求的制品。 尤其是在制备单件和小批量制品时较方便。
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。
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。
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。
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.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。
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 。
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
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
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。）
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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。

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
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
不锈钢丝 不锈钢微丝
陶瓷纤维纸
8. 混杂纤维 玻璃纤维混碳纤维 玻璃纤维混芳纶纤维 等


电性能 电绝缘性好，阻尼性好。 其他性能 抗磨擦、磨耗，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
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
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
②主要性能 力学性能 密度小、比强度、比模量高（高于金属材料24倍）、断裂伸长率低。 热性能 耐高低温 -180℃ 仍弱软，1900 ℃ 以上才出 现永久塑性变形，导热好、线膨胀系数小（比 钢材小几十倍）。
化学性能 耐腐蚀性好，可在王水中长期使用。 电性能 沿纤维方向导电性好，可与铜相比。 摩擦系数小、自润滑 诸多优良性能使它在宇宙航空、汽车、体育用品等领域 有重要应用。 目前，我国沿用日本东丽的碳纤维系列，如T300、T700、 T800，尚未建立实用而完整的自主品牌号系列。
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。

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 ，
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按分散相的形态和配置分类
弥散强化复合材料 颗粒增强复合材料 颗料分散相复合材料 薄片增强复合材料 单项纤维复合材料 非纺织纤维层复合材料 连续纤维复合材料 料 复合材料 三相及多相纤维复合材 三相织物层合复合材料 纤维状分散相复合材料 随机排列 晶须复合材料 定向排列 不连续纤维复合材料 随机排列 短切纤维复合材料 定向排列
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

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：


性能特点 较高的比强度和比模量（刚度）、抗疲 劳性能好、减震性好、耐高温、成型工 艺简单、可设计性强。
①玻璃纤维增强热固性塑料（GFRP） 以玻璃纤维作为增强材料，热固性塑料为基 体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢。 特点：密度小（1.6-2.0 g/cm3 比铝轻、)、比 强度高（比合金钢高），耐腐蚀、电绝缘。
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。
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
石棉板
6.碳化硅纤维
连续纤维、直径10-15µm. 碳化硅包覆在钨丝或碳纤维等芯丝上而形成的 连续丝或纺丝和热解而得到纯碳化硅长丝。
① 制备：聚硅烷在400℃以上,发生热转位反应， 使侧链上的甲基以亚甲基的形式，导入主链的 硅-硅间，形成聚碳硅烷（ PCS）,再以PCS为 先驱体经熔融纺丝、不熔化处理及高温烧成而 制得。