聚合物基复合材料-性能
聚合物基复合材料的力学性能研究
聚合物基复合材料的力学性能研究聚合物基复合材料是一种由聚合物基体和纳米或微米级增强物组成的材料。
随着科学技术的进步，聚合物基复合材料在工程领域中的应用越来越广泛。
由于其具有良好的力学性能、低密度和优异的耐腐蚀性能，因此成为了替代传统材料的理想选择。
复合材料的力学性能是研究和评价复合材料性能的关键指标之一。
聚合物基复合材料的力学性能主要包括强度、刚度、韧性和疲劳性能等方面。
首先，聚合物基复合材料的强度是指材料在外力作用下抵抗断裂的能力。
聚合物基复合材料的强度受到聚合物基体的强度和增强物的强度影响。
聚合物基体通常具有较高的延伸性，而增强物则具有较高的强度。
这种组合能够充分发挥聚合物基复合材料的优势，提高材料的强度。
近年来，研究者们通过调控聚合物基体和增强物的界面相互作用，进一步提高了聚合物基复合材料的强度。
其次，刚度是指材料在受到外力时的变形程度。
聚合物基复合材料的刚度取决于聚合物基体的刚度和增强物的刚度。
一般来说，增强物的刚度较高，能够有效提高复合材料的刚度。
研究者通过改变增强物的形状和大小，控制复合材料的刚度，以满足不同工程应用的需求。
韧性是指材料在受力时能够吸收和消散能量的能力。
聚合物基复合材料的韧性通常较低，特别是在低温和高负载条件下容易发生断裂。
为了提高材料的韧性，研究者们采用了各种方法，如添加韧化剂、改变增强物的形状和布局等。
这些方法可以提高复合材料的韧性，从而增加其在工程应用中的可靠性。
最后，疲劳性能是指材料在长期受到交变载荷时的抗疲劳断裂能力。
聚合物基复合材料的疲劳性能通常较差，很容易出现疲劳裂纹的生成和扩展。
为了提高复合材料的疲劳性能，研究者们通过优化材料的微观结构和界面相互作用等手段，改善了复合材料的疲劳性能。
总的来说，聚合物基复合材料由于其优异的力学性能，在工程领域中具有广阔的应用前景。
然而，目前对于聚合物基复合材料的力学性能的研究还存在一些问题，如材料的疲劳性能和耐久性等方面需要进一步研究。
聚合物基复合材料-性能
性能 0º
剪切强度(MPa) 85
方向 15º 30º 45º 60º 75º 90º 83.2 95.0 99.2 98.1 90.7 89.5
工程材料
6
3. 疲劳特性
影响FRP疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强度 高的FRP，其疲劳强度也高。与静态强度不同，每种FRP存在一 个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于或高 于最佳值，其疲劳强度都会下降。
工程材料
20
提高FRP耐水性的方法： (1) 纤维进行偶联剂表面处理； (2) 选用耐水性好的树脂； (3) 表面采用表面毡形成富树脂层； (4) 表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等。
工程材料
21
单向FRP的压缩强度随纤维含量增加而提高，但并非成比例 增长。
工程材料
5
(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增加。纤维
制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。
(4)剪切特性 纤维含量增大，FRP的剪切弹性模量上升，FRP的剪切特性也
呈现方向性。
E-42环氧FRP垂பைடு நூலகம்板面剪切性能
分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂的 电性能。
工程材料
8
FRP的电性能对于纤维与树脂的界面粘结状态并不敏 感，但杂质尤其是水分对其影响很大。当FRP处于潮湿环 境中或在水中浸泡之后，其体积电阻、表面电阻以及电 击穿强度急速下降。
工程材料
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2. FRP的温度特性
（1）热性能
包括导热系数、比热容、线膨胀系数和热变形温度
工程材料
13
影响热固性树脂耐热性的主要因素：大分子链刚性、固 化剂性质和体型树脂的固化交联密度等。
聚合物基复合材料的结构和性能
• ②层合板的力学性能
复 合
单向板有5个弹性常数：纵向弹性模量、横向弹性模量、纵 向剪切模量、纵向泊松比、横向泊松比（独立变量有四个）
材 料
单向板有5个强度参数：纵向拉伸强度、纵向压缩强度、横
工 程
向拉伸强度、横向压缩强度、纵横剪切强度
常
数
影响层合板的力学性能的因素：单向板的力学性能、铺层 角度、铺层比例及铺层的顺序（具体示例见教材196页表 12-5）
4.5 4.6
介电损耗 正切 0.004~0.0
09
0.002
0.008~0.0 1
⑥断裂性能 与纤维、基体、界面的物理性能密切相关
单向板纵向拉伸的三种破坏模式： ① 基体断裂； ② 界面脱粘； ③ 纤维断裂，
单向板横向拉伸的三种破坏模式： ① 基体破坏； ②界面脱粘； ③ 纤维破坏
⑧层合板的燃烧性能 层合板的燃烧性能与复合材料体系有关，
在强酸、强碱介质浸泡下，层合板弯曲强度下降明显
介质对层合板的影响顺序为： H2SO4<HCL<NH4OH<HNO3<NaOH<王水 层合板对盐类、苯、甲醇、乙醇、丙酮、各种燃油、润 滑剂、液压油、防水液有很好的耐腐蚀性能
冲击实验中的典型加载历程
• ③湿热综合作用 聚合物基体通过扩散方式吸收湿气，使得对纤维的支撑削 弱，从而导致复合材料的力学性能降低，同时传递剪切载 荷的能力降低
⑦ 层合板的电性能
材料
介电常数
玻璃/环氧 4.2~4.7 树脂
石英玻璃/ 环氧树脂
玻璃/双马 来酰亚胺
2.8~3.7 4.0~4.4
介电损耗 角正切 0.007~0.0
14
0.006~0.0 13
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是由聚合物基体和增强物相互作用形成的复合材料，具有优异的力学性能、热稳定性和电绝缘性能，广泛应用于航空航天、汽车、建筑以及电子等领域。
聚合物基复合材料由于具有低密度、高强度、高刚度、耐腐蚀和自润滑等特点，在航空航天领域得到了广泛应用。
例如，碳纤维增强聚合物基复合材料具有高强度、低密度和耐高温性能，被广泛应用于制造飞机机身、翼面和发动机部件，能有效降低飞机的重量，提高燃油效率，提高飞机的载荷能力和飞行速度。
此外，聚合物基复合材料还被广泛应用于汽车制造领域。
相较于传统金属材料，聚合物基复合材料具有低密度、优异的力学性能和杰出的吸能能力，能够降低汽车整车重量，提高汽车燃油经济性和减少尾气排放。
因此，聚合物基复合材料被广泛应用于汽车车身、车顶、车门、引擎罩、底盘和车辆内部部件等。
在建筑领域，聚合物基复合材料也具有广泛的应用前景。
聚合物基复合材料具有轻质、高强度、耐候性和可塑性等特点，能够有效替代传统的建筑材料，例如水泥、钢材等。
聚合物基外墙材料、地板材料、隔热材料等聚合物基复合材料产品在建筑装饰、隔音隔热、防水防潮等方面具有广泛的应用。
此外，聚合物基复合材料还在电子领域得到了广泛应用。
聚合物基复合材料具有优异的电绝缘性能和低介电常数特点，能够有效隔离和保护电子元器件。
聚合物基复合材料在电路板、电子封装材料、电缆套管等领域具有广泛应用。
总之，聚合物基复合材料具有轻质高强、耐高温、抗腐蚀、电绝缘等一系列优异的特性，广泛应用于航空航天、汽车、建筑和电子等领域，为各行业的发展提供了更多的可能性。
聚合物基复合材料的优势
聚合物基复合材料是由聚合物基质与纤维增强材料（如碳纤维、玻璃纤维等）或颗粒填充材料（如硅灰石、陶瓷等）组成的一种新型材料。
它的优势包括：
1. 轻质高强：由于纤维增强材料的加入，聚合物基复合材料具有轻质高强的特点，比传统材料如钢铁、铝等重量轻，但强度却更高。
2. 耐腐蚀：聚合物基复合材料的耐腐蚀性能很好，可以在恶劣环境下长期使用而不受到腐蚀和氧化的影响。
3. 抗疲劳：与金属材料相比，聚合物基复合材料的抗疲劳性能更好，可以在重复载荷下长期使用而不致疲劳断裂。
4. 自润滑：某些聚合物基复合材料中加入适当的固体润滑剂，可以在使用过程中自动释放出润滑剂，从而改善材料的摩擦性能和耐磨性。
5. 高温性能：某些聚合物基复合材料具有很好的高温性能，可以在高温环境下使用而不失效。
6. 成型性好：聚合物基复合材料易于成形，可采用热压、注
塑、挤出等多种加工方式，可以生产出各种形状和尺寸的复合材料制品。
7.热膨胀系数低：与金属相比，聚合物基复合材料的热膨胀系数较低，这意味着它们在温度变化时变形较小。
8.加工成本效益：尽管初始材料成本可能较高，但在生产过程中，聚合物基复合材料通过减少装配步骤、降低废料和能源消耗等方式，可以带来总体成本效益的提高。
9.环保可持续：某些类型的聚合物基复合材料可以使用可再生或回收资源制造，有助于实现可持续发展目标。
10美学效果：一些聚合物基复合材料可以通过染色或表面处理产生美观的效果，使其适合于建筑装饰和其他需要视觉吸引力的应用。
基于这些优势，聚合物基复合材料得到了广泛应用，包括航空航天、汽车、建筑、电子等领域，成为了一种重要的结构材料。
聚合物基复合材料的结构与性能研究
聚合物基复合材料的结构与性能研究近年来，聚合物基复合材料因其优良的力学性能、尺寸稳定性和化学稳定性，在各个领域得到了广泛应用。
复合材料的性能受其结构和成分的影响，因此研究复合材料的结构与性能关系对其应用具有重要意义。
一、聚合物基复合材料的结构及其影响因素聚合物基复合材料是将一种聚合物作为基体，通过加入填料、增强剂、改性剂等制得的一种新型复合材料。
其结构由基体聚合物和强化相、填充相等多种组成部分构成，其结构多样性决定了其性能的多样性。
1. 基体聚合物作为聚合物基复合材料的主要组分，基体聚合物的选择直接决定了复合材料的性能。
常用的基体聚合物有聚酰亚胺、聚丙烯、聚酰胺、聚酯等。
2. 填充相填充相是指在基体聚合物中加入的填料或固化剂，其作用是增加复合材料的硬度、强度和耐磨性。
填充相的种类包括炭黑、氧化铝、碳纤维等。
3. 强化相强化相是指在基体聚合物中加入的增强剂，其作用是增强复合材料的强度和刚度。
强化相的种类包括玻璃纤维、碳纤维等。
二、聚合物基复合材料的性能1. 机械性能聚合物基复合材料具有优异的强度和模量，广泛应用于各种领域。
复合材料的力学性能包括拉伸强度、伸长率、弯曲强度、压缩强度等。
2. 热学性能聚合物基复合材料的热学性能受复合材料的结构和成分等因素影响，主要包括热膨胀系数、热导率等。
其中热膨胀系数是热学性能的关键参数之一，它直接影响复合材料在热膨胀、热收缩方面的性能。
3. 电学性能聚合物基复合材料的电学性能是其应用于电子器件和电力设备等领域的关键因素之一。
常用的评价指标有介电常数、电阻率等。
三、结构与性能的关系聚合物基复合材料的结构与性能之间存在密切的关系。
在复合材料的制备过程中，填料和增强剂的种类、性质、组分以及加入量等都会影响复合材料的结构和性能。
为了探究聚合物基复合材料的结构与性能之间的关系，目前采用的方法主要包括分子模拟、力学测试、表面接触角测量法、分析表面形貌和结构等手段。
结构的改变可以通过增加填料的量，改变填料种类以及改变填料的粒径等方法来实现。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料聚合物基复合材料是一种由聚合物基体和强化材料组成的复合材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。
聚合物基复合材料的研究和应用已经成为材料科学领域的热点之一。
首先，聚合物基复合材料的基本组成是聚合物基体和强化材料。
聚合物基体通常采用树脂类材料，如环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等，而强化材料则可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。
这些强化材料可以有效地提高复合材料的强度和刚度，使其具有优异的力学性能。
其次，聚合物基复合材料具有许多优越的性能。
首先是轻质性能，由于聚合物基体的密度较低，加上强化材料的高强度，使得复合材料具有很高的比强度和比刚度。
其次是耐腐蚀性能，聚合物基复合材料在恶劣环境下具有良好的耐腐蚀性能，可以替代传统的金属材料。
此外，聚合物基复合材料还具有良好的设计自由度，可以根据实际需求进行定制加工，满足不同领域的应用需求。
再次，聚合物基复合材料的制备工艺多样。
常见的制备工艺包括手工层叠、注塑成型、压缩成型等，其中注塑成型是目前应用最广泛的工艺之一。
通过不同的制备工艺，可以得到不同性能的聚合物基复合材料，满足不同领域的需求。
最后，聚合物基复合材料的应用领域非常广泛。
在航空航天领域，聚合物基复合材料被广泛应用于飞机机身、发动机零部件等；在汽车制造领域，聚合物基复合材料被应用于车身结构、内饰件等；在建筑材料领域，聚合物基复合材料被应用于地板、墙板、梁柱等。
可以说，聚合物基复合材料已经成为现代工程领域不可或缺的材料之一。
综上所述，聚合物基复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，具有广阔的应用前景。
随着材料科学的不断发展，相信聚合物基复合材料将会在更多领域展现其无穷魅力。
聚合物基复合材料界面和性能
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热
表 5-4 几种复合材料常温下的比热
复 合 材 料 比热(kJ/kg·K)
环氧/酚醛树脂
1.92
玻璃小球/硅橡胶
1.96
GF/硅橡胶/酚醛
1.34
尼龙/酚醛
1.46
GF/酚醛
1.67
石墨纤维/环氧
340
~ 220
~ 180
~ 130
~ 180
~ 20
~ 14
~ 60
~ 35
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-2 典型热固性树脂 35°C 下的导热系数
材料 酚醛树脂
环氧树脂
聚酯树脂
密度(g/ cm3) λ (W/ m·K)
1.36
0.27
1.25
0.29
1.22
0.20
1.18
0.29
λ: 导热系数，W/(m • K)，表征材料的导热能力。 ¾ 材料本身的特性 ¾ 温度的函数
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-1 几种材料的导热系数 （W / mּK）
材料 金刚石 银 铜 铝 铜-35% 锌 钛 低碳钢
λ （300 K） λ （900 K）
600
-
425
325
400
-4.7
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热 定义：单位质量的物质升温 1 ℃所需的热量称之。
CP = (1/ m) • (∂Q / ∂T )P CV = (1/ m) • (∂Q / ∂T )V
与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的 关系比较简单，符合加和性原理：
聚合物基复合材料力学性能
3.1 正交复合材料单轴拉伸的应力－应变曲线
单向复合材料纵向 拉伸应力－应变曲线是 一条直线。用单向玻璃 纤维预浸料铺层的双向 正交复合材料的单轴拉 伸应力－应变曲线却是 一条折线。
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原因：
①单向复合材料纵 向拉伸强度和模量取决 于纤维，而基体的影响 很小。所以单向纤维复 合材料的应力－应变体 现了玻璃纤维的力学特 征，呈现线性的应力－ 应变关系。
复合材料应力－应变曲线的位置:
如果纤维的体积分数越高，复合材料应力－应变曲线越 接近纤维的应力－应变曲线； 反之，当基体体积分数高时，复合材料应力-应变曲线 则接近基体的应力－应变曲线。
24
了解载荷在复合材料的组分之间怎样分配和组分所承担的 应力是具有重要意义的。 载荷分配： Pf/Pm=(Ef/Em) × Vf/V m
第一点，基体材料本身力学性能较好，能满足复合材料力学性能 对基体的性能要求。这包括，有较高的内聚强度、弹性模量；与增 强纤维有相适应的断裂伸长率，满足使用要求的耐热性、韧性等。 第二点，对增强材料有较好的润湿能力和黏附力，保证良好的 界面粘接。
第三点，工艺性优良。成型和固化的方法与条件简单，固化收 缩率低，形成的内应力小。
L、拉伸模量EL
L fbV fb mVm
EL E fbV fb EmVm
（8-10） （8-11）
式（8-10）和（8-11）表明，纤维和基体对复合 材料的力学性能所做的贡献与它们的体积分数成正比， 这种关系称为混合定则（Rule of Mixtures）。显然，
V f Vm 1
14
②碳纤维的力学特性。
第一：具有脆性材料特征。
第二：碳纤维的拉伸强度和拉伸模量均较高。 Ⅱ型碳纤维或称高强型(HS)碳纤维的强度可达3GPa以上。模量 230~270GPa，断裂伸长率1％~1.5％。 Ⅰ型碳纤维或称高模型(HM)碳纤维的模量390~420GPa，强度2GPa左右， 断裂延伸率0.5％~1.0％。 碳纤维的缺点在于脆性比玻璃纤维大．与树脂基体的界面结合强度 比玻璃纤维差。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是一种由聚合物基体（如聚合物树脂）和强化材料（如纤维、颗粒等）组成的复合材料。
这种复合材料结合了聚合物的可塑性和强度，以及强化材料的刚度和强度，具有优异的力学性能和工程性能。
聚合物基复合材料的制备通常包括以下几个步骤：
1. 选择合适的聚合物基体，常用的包括聚丙烯、聚酯、环氧树脂等。
2. 选择适当的强化材料，常用的有玻璃纤维、碳纤维、纳米颗粒等。
3. 基体和强化材料进行混合，可以通过热压、挤出、注塑等方法将它们混合在一起。
4. 根据需要进行后续的加工和成型，如冷却、切割、修整等。
聚合物基复合材料具有许多优点，包括：
1. 轻质高强度：与金属相比，聚合物基复合材料具有较低的密度和较高的强度，可以实现轻量化设计。
2. 耐腐蚀性：聚合物基复合材料对化学品和湿气的腐蚀性能较好，不容易受到腐蚀和氧化。
3. 良好的耐热性：聚合物基复合材料通常具有较高的耐热性和耐高温性能。
4. 良好的绝缘性能：聚合物基复合材料具有良好的绝缘性能，适用于电气和电子领域。
5. 自润滑性：聚合物基复合材料中的聚合物基体可以提供良好的自润滑性能，减少了摩擦和磨损。
由于聚合物基复合材料具有以上优点，因此广泛应用于航空航天、汽车、建筑、电子、医疗等领域，成为现代工程材料中的重要一类。
聚合物基复合材料的性能课件
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。
聚合物基复合材料的定义
聚合物基复合材料的定义一、引言聚合物基复合材料是一种由聚合物基质和增强材料组成的复合材料。
它具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，在航空、汽车、建筑等领域得到广泛应用。
二、聚合物基复合材料的定义聚合物基复合材料是指由聚合物作为基质，同时加入增强材料和填充剂制成的一种新型复合材料。
其中，增强材料可以是纤维、颗粒或片状的无机或有机物质，填充剂则主要用于改善复合材料的性能，如增加硬度、改善耐磨性等。
三、聚合物基复合材料的优点1. 轻质：相比于金属，聚合物基复合材料具有更轻的重量，能够减轻产品重量，提高运载能力。
2. 高强度：由于增强材料的加入，使得复合材料具有更高的抗拉强度和抗压强度。
3. 耐腐蚀：由于聚合物本身就具有较好的耐腐蚀性能，再加上增强材料的加入，使得复合材料具有更好的耐腐蚀性能。
4. 良好的设计自由度：聚合物基复合材料可以根据需要进行设计，具有良好的可塑性和可成型性，可以制成各种形状和尺寸的产品。
5. 能够满足多种应用需求：聚合物基复合材料可以根据需要进行调整，以满足不同领域的应用需求。
四、聚合物基复合材料的分类1. 根据增强材料分类：(1) 碳纤维增强聚合物基复合材料：由碳纤维作为增强材料，聚酰亚胺、环氧等聚合物作为基质制成。
具有高强度、高刚度、低密度等特点，在航空、汽车等领域得到广泛应用。
(2) 玻璃纤维增强聚合物基复合材料：由玻璃纤维作为增强材料，环氧、不饱和聚酯等聚合物作为基质制成。
具有较高的抗拉强度和抗压强度，在建筑、船舶等领域得到广泛应用。
2. 根据成型方式分类：(1) 压缩成型：将预先加工好的增强材料和聚合物基质一起放入模具中，施加压力使其成形。
(2) 注塑成型：将预先加工好的增强材料和聚合物基质混合后注入模具中，通过高温高压使其成形。
(3) 拉伸成型：将预先加工好的增强材料和聚合物基质放置在拉伸机上，通过拉伸使其成形。
五、聚合物基复合材料的应用1. 航空领域：由于聚合物基复合材料具有轻质、高强度等特点，被广泛应用于飞机的机身、翼面等部件制造中。
聚合物基复合材料的微观结构及力学性能分析
聚合物基复合材料的微观结构及力学性能分析随着材料科学的不断发展，聚合物基复合材料已经成为了重要的研究热点之一。
聚合物基复合材料由多种不同的材料组成，具有优良的力学性能、化学稳定性和热性能等特点。
本文将从微观结构和力学性能两个角度对聚合物基复合材料进行分析。
一、微观结构分析聚合物基复合材料由基体和增强相组成，基体通常是聚合物，增强相则是纤维、颗粒或板片等。
增强相能够增强复合材料的强度和刚度，而基体则能够提高复合材料的耐久性和韧性。
以下将从基体和增强相两个方面对聚合物基复合材料的微观结构进行分析。
1. 基体的微观结构聚合物基复合材料的基体通常由热塑性或热固性聚合物组成。
热塑性聚合物通常具有线性结构，而热固性聚合物则具有三维交联结构。
热塑性聚合物的分子量较低，易于加工，但强度和刚度相对较低；而热固性聚合物则分子量较高，强度和刚度较高，但加工难度较大。
除了基体的组成外，其结构也对复合材料的性能产生影响。
在热塑性聚合物中，分子链通常是线性排列的，因此力学性能较为均匀。
而在热固性聚合物中，由于交联结构的存在，材料的硬度和脆性会增加。
2. 增强相的微观结构增强相通常分为无定形颗粒、颗粒状颗料、难以转移的填料、不规则形状纤维、连续纤维、网状纤维和薄板等。
这些增强相在复合材料中起到了增强作用，其中连续纤维的强化效果最明显，其次是无定形颗粒。
纤维增强复合材料的微观结构通常为纤维束，纤维之间的结合力对材料的力学性质产生了很大的影响。
纤维和基体之间的结合力必须足够强才能提高材料的强度和刚度。
二、力学性能分析聚合物基复合材料具有优异的力学性能，包括强度、刚度、韧性和疲劳寿命等。
以下将从强度、刚度和韧性三个方面对其力学性能进行分析。
1. 强度分析聚合物基复合材料的强度受到基体和增强相的影响。
纤维增强复合材料的强度一般比颗粒增强材料高，而且强度随着纤维长度的增加而增加。
此外，复合材料中纤维的质量分数也会对其强度产生影响，一般来说，纤维含量越高，复合材料的强度越大。
6.聚合物基复合材料的性能
钛
玻璃钢 碳纤维Ⅰ/ 环氧 碳纤维Ⅱ/ 环氧 有机纤维 / 环氧
硼纤维 / 环氧
7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1
1.03 0.47 0.96 1.06 1.5 1.07 1.4 1.38
2.1 0.75 1.14 0.4 1.4 2.4 0.8 2.1
0.13 0.17 0.21 0.53 1.03 0.7 1.0 0.66
直线上的两个力F作用时，发生简单剪切。 g = △l / l0 = tan q, s s = F/ A0 • 均匀压缩： gv = △V / V0
力学性能的基本指标—弹性模量
弹性模量（模量）
单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。
三种形变对应三种模量 拉伸模量（杨氏模量）：E = s / e 剪切模量 ：G = ss / g 体积模量（本体模量）：B = P / gv
应变
受到外力作用而又不产生惯性移动时，材料的几何形状和尺寸发生的变化
应力
定义为单位面积上的内力，内力是材料宏观变形时，其内部分子及原子间 发生相对位移，产生分子间及原子间对抗外力的附加内力。
材料的受力方式
• 简单拉伸：张应变e = △l / l0, 习用应力s = F/ A0.
• 简单剪切：材料受到与截面相平行、大小相等、方向相反且不在同一
会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件在短期内不致于失去承 载能力。
聚合物基复合材料的总体性能(3)
可设计性强、成型工艺简单
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、 铺层结构等可满足材料结构和性能的各种设计要求。 整体成型，一般不需二次加工，可采用手糊成型、模压成型、缠绕成 型、注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的产品。
聚合物复合材料性能及测试标准
精品文档1．拉伸性能聚合物复合材料性能解释以及测试标准指南1拉伸性能包括拉伸强度，弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。
对于如高压容器、高压管、叶片等产品，必须要测出聚合物复合材料的拉伸性能，才能进行产品设计及检验。
GB/T1447 对于不同的聚合物复合材料，拉伸性能试验方法是不同。
对于普通的，用国标进行测试；对于定向纤维增强的，用国标进行测试；对于缠绕成型的，用国标GB/T1458进行测试。
使用最多的是进行测试；对于拉挤成型的，用国标GB/T13096-1GB/T33541 GB/T1447。
型、，对于不同成型工艺复合材料，又规定不同形状的拉伸试样，有带R 国标GB/T1447使用拉伸试验机或万能试验按规定的加载速度对试样施加拉伸载荷直到试直条型及哑铃型。
应变曲线的直线样破坏。
用破坏载荷除以试样横截面面积则为拉伸强度。
从测出的应力----破坏时的应变称为断裂伸长试样横向应变与纵向应变比为泊松比。
段的斜率则为弹性模量，率。
的应力。
1N/mm2（兆帕）表示，1MPa相当于单位面积上的力，称为应力，通常用MPa 应变是单位长度的伸长量，是没有量刚（单位）的。
玻璃钢，11：不同的现代复合材料其拉伸性能大不一样，以玻璃纤维增强的玻璃钢为例：）（250-350：1玻璃钢，拉伸强度为（MPa，弹性模量为10-16）GPa；4）拉伸强度为（200-250，800MPa）15-22GPa；单向纤维的玻璃钢（如缠绕），拉伸强度大于MPa，弹性模量为（DMCGPa；弹性模量为，（5-8）40-80SMC弹性模量大于24GPa；材料，拉伸强度为（）MPa 。
）GPa4-620-60材料，拉伸强度为（）MPa，弹性模量为（1. 2弯曲性能往往用弯曲性能来进行原材料，弯曲性能是很重要的，同时，一般产品普遍存在弯曲载荷，成型工艺参数，产品使用条件因素等的选择。
精品文档．精品文档进行进行测试；对于拉挤材料，用国标GB/T13096.2 弯曲性能，一般采用国标GB/T1449GB/T3356进行测试。
聚合物复合材料的力学性能测试与分析
聚合物复合材料的力学性能测试与分析聚合物复合材料是由聚合物基质和填充物组成的一种新型材料，具有轻质、高强度和耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、汽车、建筑等领域。
然而，为了确保复合材料的可靠性和安全性，需要进行力学性能测试与分析。
一、引言聚合物复合材料由于其优越的力学性能在许多领域得到广泛应用。
然而，在实际使用过程中，复合材料会受到外界环境的影响，如温度、湿度和荷载等。
因此，对复合材料的力学性能进行测试和分析是十分重要的。
二、拉伸性能测试与分析拉伸性能是评价聚合物复合材料力学性能的重要指标之一。
拉伸试验通过施加拉伸力来测量复合材料在拉伸过程中的变形和破坏行为。
通过拉伸试验可以获得材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率等参数。
在拉伸性能测试后，需要对测试数据进行分析。
通过绘制应力-应变曲线，可以了解到材料在不同应变下的力学响应情况。
此外，还可以利用杨氏模量计算复合材料的刚度。
三、压缩性能测试与分析压缩性能是指材料在受到压力时的抵抗能力。
压缩试验是通过施加压缩力来测量材料的强度和变形行为。
通过压缩试验可以得到材料的弹性模量、屈服强度、抗压强度和压缩应变等参数。
压缩性能的测试和分析与拉伸性能类似，都需要绘制应力-应变曲线，并计算杨氏模量。
不同的是，在压缩过程中，材料的破坏方式通常是屈曲，对于复合材料而言，还可能出现层间剥离的现象。
四、弯曲性能测试与分析弯曲性能是指材料在施加弯曲力时的抵抗能力。
弯曲试验是通过施加弯曲力来测量材料的刚度和弯曲行为。
通过弯曲试验可以得到材料的弯曲模量、弯曲强度和断裂伸长率等参数。
弯曲性能的测试和分析也类似于拉伸性能和压缩性能。
通过绘制应力-应变曲线，可以了解材料在不同应变下的力学响应情况。
此外，还可以利用弯曲模量计算复合材料的刚度。
五、疲劳性能测试与分析疲劳性能是指材料在反复加载下的耐久能力。
疲劳试验是通过施加交变载荷来模拟材料在实际使用中的循环加载，并测量材料的寿命和损伤程度。
第12章聚合物基复合材料的力学性能
2.压缩弹性模量：在比例极限范围内应力和应变之比。
l 3 P Ef 4bh3 f
2019/4/9
Ef—弯曲弹性模量，MPa； △P—载荷―挠度曲线上初始直线段的载荷增量，N； △f—与载荷增量△P对应的跨距中点处的挠度增量， 9 cm。
f
3PL 2bh 2
12.2.3弯曲试验 试验方法GB1440-83，包括弯曲强度、弯曲弹性模量、 规定挠度下的弯曲应力、弯曲载荷-挠度曲线。 1.弯曲强度：采用简支梁，将试样放在两支点上，在两点 间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破坏时的强 度为弯曲强度。 3PL f 2
2019/4/9
18
12.3.3 平均比热
比热：1g物质升高1℃所吸收的热量。各种物质的比热不同， 同一物质比热的大小与加热时的条件（如温度、压强、体积） 有关，同一物质在不同物态下的比热也不同。 试样的平均比热：
Cp—试样平均比热，J/（g· ℃）；H—凉热计热值，J/℃；t0—落样时量 热计温度，℃；tm—量热计最高温度，℃；M—试验后的试样重量，g； t0—量热计温度修正值，℃；t—试样在保温期的温度，℃。
③层间剪切强度：层压材料中沿层间单位面积上所能承受的 最大剪切载荷，MPa ④断纹剪切强度：沿垂直于板面的方向剪断的剪切强度， MPa ⑤剪切弹性模量：材料在比例极限内剪应力与剪应变之比。
2019/4/9 12
12.2.5 冲击 衡量复合材料在经受高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵 抗能力的试验方法。 三种：摆锤式冲击试验（包括简支梁型和悬臂梁型）； 落球式冲击试验； 高速拉伸冲击试验。
2019/4/9
8
12.2.2 压缩 常温下对标准试样的两端施加均匀的、连续的轴向静 压缩载荷。直至破坏或达到最大载荷时，求得压缩性能 参数。试验方法GB1448—83。 1.压缩强度：试样直至破坏或达到最大载荷时所受的最大 压缩应力
聚合物复合材料性能分析
聚合物复合材料性能分析聚合物复合材料是一种结构性材料，由聚合物基质和强化材料构成。
这种材料具有高强度、高刚度、低密度、优良的腐蚀性能和良好的耐热性能等众多优点。
因此，聚合物复合材料被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑、体育用品等领域。
本文将对聚合物复合材料的性能进行分析。
一、强度与刚度聚合物复合材料的高强度和高刚度使得它广泛应用于结构设计中。
由于聚合物分子间键能较弱，因此聚合物基质材料单独使用往往会出现强度较低、易变形等问题。
为了克服这些问题，聚合物复合材料通常采用一种或多种强化材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，与聚合物基质材料复合而成。
这些强化材料能够增加复合材料的强度和刚度，从而使其在受力情况下不易发生变形。
具体来说，强度是指材料在承受外力时的抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
而刚度是指材料抵抗形变的能力。
聚合物复合材料通常具有较高的强度和刚度，并且这些性能可以通过选择合适的强化材料和处理工艺的方式进行调整和改进。
二、密度聚合物复合材料通常具有较低的密度，这意味着在同等体积下，它比传统的金属材料更轻。
这种轻量化的特点使得聚合物复合材料在航空航天、汽车制造、体育用品等领域得到广泛应用。
同时，它的轻量化也可以降低整个产品的重量和成本，并且在燃油效率、运载能力、性能等方面也具有显著的优势。
三、腐蚀性能传统材料常会受到腐蚀的影响，但是聚合物复合材料由于具有耐腐蚀性能，使得其广泛地应用于环境恶劣、易腐蚀的场合。
这种耐腐蚀性能是由于其主要都是由有机物组成，其分子间的键强度小，在环境中比金属的更稳定，具有极强的抗氧化、耐酸、耐碱等特性。
四、耐热性能聚合物复合材料还具有出色的耐热性能，并且可以用于高温环境下的部件制造。
传统的金属材料在高温下容易软化、变形、氧化。
而聚合物复合材料可以在600℃以下的高温环境中工作，其一般具有更好的耐热性能。
总之，聚合物复合材料是一种优秀的材料，具有多种性能优势，与传统的材料相比更具有良好的综合性能。
聚合物基复合材料(PMC)
05
PMC的制造设备与工具
预处理设备
混合设备
用于将各种组分（如树脂、填料、增强材料等） 混合均匀，形成预浸料或浆料。
切割和裁剪设备
用于将纤维材料切割成所需的尺寸和形状，以便 与树脂进行混合。
清洁和干燥设备
用于确保所有原材料在使用前都已清洁并干燥。
复合设备
热压成型机
用于将预浸料或浆料在高温和压力下固化，形成复合材料部件。
切割与加工
根据需要，对复合材料进行切割、 打磨、钻孔等加工，以满足实际应 用需求。
质量检测
对复合材料进行外观、尺寸、性能 等方面的检测，确保其符合设计要 求。
03
PMC的性能与优化
力学性能
1 2 3
高强度和刚度
聚合物基复合材料具有较高的抗拉、抗压和抗弯 强度，以及良好的刚性，能够满足各种复杂应力 条件下的应用需求。
复合工艺
层叠铺放
根据设计要求，将预浸料 层叠铺放在模具或制件上。
热压成型
在一定温度和压力下，使 预浸料熔融流动并均匀填 充模具或制件，形成致密 的复合材料。
固化
使聚合物基体在一定温度 和压力下进行固化反应， 形成稳定的复合材料。
后处理工艺
冷却
将热压成型的复合材料缓慢冷却 至室温，防止材料内部产生应力。
聚合物基复合材料 (PMC)
• PMC的概述 • PMC的制造工艺 • PMC的性能与优化 • PMC的设计与选材 • PMC的制造设备与工具 • PMC的市场与发展前景
目录
01
PMC的概述
PMC的定义与特性
定义
聚合物基复合材料（PMC）是由两种或两种以上材料组成的一种复合 材料，其中一种材料为聚合物基体，其他材料为增强剂或填料。
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0.313 0.174
0.189
0.266
0.180
0.496
0.408
0.432
0.177
0.268 0.193
增强材料及成型方法和强度的关系
成型方法 性能
增强材料
手糊成型 玻璃毡 (600g/m2) 无捻粗纱布 (900g/m2) 玻璃布 (340g/m2)
真空袋成型 玻璃毡
(600g/m2) 玻璃布
(340g/m2)
加压袋成型 玻璃毡
(600g/m2)
热压釜成型 玻璃毡
(600g/m2)
模压成型 玻璃毡 (600g/m2)
成型压力(MPa) 0~0.07 纤维含量(%) 23 51 46
0.84 38 50
密度(g/cm3) 1.52 1.64 1.63 1.50 1.67
拉伸强度(MPa) 8) 6.4 14.4 13.6 6.7 弯曲强度(MPa) 143 190 217 190 弯曲模量(GPa) 5.7 12.7 13.8 8.7 压缩强度(MPa) 118 119 132 157 压缩模量(GPa) 6.5 17.1 17.2 8.1
27.7 247 13.8 148 10.8
Questions
• 纤维增强塑料（FRP)的基本性能包括哪些？ • 影响纤维增强塑料（FRP)性能的因素有那些？
举例说明。
12.3 聚合物基复合材料的基本性能
影响纤维增强塑料（FRP)性能的因素：原材料、结构设 计方法及成型工艺。
(1)增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学 稳定性等是决定FRP性能的主要因素;
FRP密度为1.4～2.2g/cm3，约为钢1/4~1/5，而强度与一 般的碳素钢相近。因此FRP的比强度很高。 （2）各向异性
明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强 纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。
（3）弹性模量和层间剪切强度低 弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与 木材接近。 （4）性能分散性大 FRP的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。
(2)增强材料的含量及其排布方式与方向次之; (3)增强纤维与基体树脂的界面粘结状况
玻璃纤维的构成与FRP的机械性能
构成 性能
玻璃纤维毡 玻璃布 无捻粗纱布 玻 玻 玻 玻 玻 玻
四层
八层
三层
璃 璃 璃 璃 璃璃 布 毡 布 布 毡布
二 四 二 二 四二
层 层 层 层 层层
板厚(mm)
6
3
2.5
7.5
4.0
角度 0º45º90º0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º
拉伸强度 86
171
207
109
208
(MPa)
84
109
91
175
77 244
85 104
93 204
拉伸模量 8.5 9.1
16.1 19.8
10.2
10.9
11.0
8.7
16.9 10.7
(GPa)
117
185 203
212 129
(MPa)
204
182
188
193
230
压缩模量 5.7
11.2
15.7
7.4
12.7
(GPa)
5.7
7.2
6.7
12.3
7.6
8.3
15.1
7.3
7.1 12.3
构成 性能
玻璃纤维毡 玻璃布 无捻粗纱布 玻 玻 玻 玻 玻 玻
四层
八层
三层
璃 璃 璃 璃 璃璃 布 毡 布 布 毡布
双向FRP其纤维方向的主弹性模量大约是单向FRP的 0.50~0.55倍；随机纤维增强FRP近似于各向同性，其弹性模量 大约是单向FRP的0.35~0.40倍。
E-42环氧FRP不同方向的拉伸性能
性能 0º
比例极限 178
拉伸强度 (MPa)
破坏强度
269
离散系数 12.6
弹性模量 E1×10-4 1.67 (MPa) E2×10-4 1.43
9.3
16.9
19.9
10.0
16.7
弯曲强度 137
262
403
199
295
(MPa)
139
206
225
104
211
142
253
407
201
274
构成 性能
玻璃纤维毡 玻璃布 无捻粗纱布 玻 玻 玻 玻 玻 玻
四层
八层
三层
璃 璃 璃 璃 璃璃 布 毡 布 布 毡布
二 四 二 二 四二
层 层 层 层 层层
弯管芯模，灰色为圆 环面，绿色为柱面
机器缠绕芯模数个 来回后的纤维分布
导丝头缠绕芯模一 层后的纤维分布
复合材料弯管成品
12 聚合物基复合材料-2 材料的性能
主要内容
• 12.3 聚合物基复合材料的基本性能
– 12.3.1 FRP的机械性能 – 12.3.2 FRP的物理性能 – 12.2.3 FRP的老化性能
10.5~28.0 41 1.53 136 8.5 204 9.0 159 8.5
17.5~70.0 48 1.61 150 8.6 218 9.7 162 8.7
35.0~120.0 50 1.63 156 9.0 227 10.0 163 9.0
12.3.1 FRP的机械性能
1、机械性能的特点 （1）比强度高
• FRP的基本静态特性包括哪些性能？ • 影响FRP的拉伸特性的因素有哪些？ • 影响FRP的压缩特性的因素有哪些？ • 影响FRP的弯曲特性、剪切特性的因素有哪些？
2. FRP的静态特性
FRP的基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。
(1) 拉伸特性
对于单向增强FRP，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均 随纤维体积含量Vf的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡 和玻璃布增强的FRP层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不 与Vf成正比增加，但仍随Vf增加而增加 。
板厚(mm)
6
3
2.5
7.5
4.0
角度 0º45º90º0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º
弯曲模量 7.7
13.7 14.7
11.8
13.7
(GPa)
7.7
8.5
7.7
13.4
9.6 15.7
8.6 11.3
8.7 13.1
压缩强度
192 193
156
166
145
二 四 二 二 四二
层 层 层 层 层层
板厚(mm)
6
3
2.5
7.5
4.0
角度 0º45º90º0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º
剪切强度 97
107
124
99
119
(MPa)
96
113
95
108
136
98
128
99
129 118
拉伸泊松 比
0.319
0.162
0.327 0.396