12聚合物基复合材料-性能
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
聚合物基复合材料的其他性能
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为了使复合材料满足使用性能，在对其进 行其他方面的性能设计时，必须同时对其进 行有效的热设计，而热设计的依据是复合材 料的热性能。 复合材料的热传导性能和热容量将决定其 与外界的热能交换和自身温度变化； 其热膨胀性能决定了其结构尺寸稳定性， 直接影响应力分布状态和抗热震性能； 其在温度升高时的转变和热分解决定了其 作为承力结构的使用温度上限。
第10章 聚合物基复合材料的其他性能 材料使用环境的温度一般是变化着的， 复合材料也不例外，环境温度的变化将以一 定方式在某种程度上改变材料的结构与性能。 在宇航技术中，环境温度的变化范围 甚至可以从接近零摄氏度到上万摄氏度，作 为结构材料使用的复合材料能否适应其工作 环境的变化，主要取决于其耐热性能。
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(3)使用条件。复合材料的导热系数与温度有关， 影响的程度随纤维含量的改变而改变。
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10.1.2 比热容
1)基本概念 作为物质的基本热性能，比热容是评价、计算和 设计热系统的主要参数之一。 物质的比热容，定义为单位质量的物质升温1℃ 所需的热量。 复合材料的使用范围极其宽广，不同的使用场合， 对比热容有不同的要求。例如，对于短时间使用的 高温防热复合材料，希望具有较高的比热，以期在 使用过程中吸收更多的热量；对于热敏功能复合材 料却希望其具有效小的比热容，以便具有更高的热 敏感度。
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②分散相组分的取向。
取向 导热性能各向异性 分散相组分的取向程度越大，则复合材料 的导热性能各向异性越明显； 分散相组分与基体材料间导热性能差异越 大，分散相的取向所带来的复合材料导热性 能各向异性愈明显；最后，不管分散相组分 的导热性能比基体材料好还是差，复合材料 的导热性能总是纵向的比横向的好。
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影响复合材料热传导的影响因素 影响复合材料热性能的因素主要是组分材料 的相应性能及相关性能和组分材料间的复合 状态，另外还需考虑使用条件的影响。 （1）组分材料 ①组分材料的种类 ②组分材料的含量
聚合物基复合材料的优势及特点详细介绍
聚合物基复合材料的优势及特点详细介绍Advantages of Polymer-based Composite MaterialsPolymer-based composite materials have numerous advantages, making them widely used in various industries. Here are some of the key benefits:1. Lightweight: Polymer composites are known for their low density, making them significantly lighter than traditional materials such as metals. This property makes them ideal for applications where weight reduction is essential, such as aerospace and automotive industries.2. High Strength-to-Weight Ratio: Despite their lightweight nature, polymer composites exhibit excellent strength-to-weight ratios. They possess high tensile strength, allowing them to withstand heavy loads and resist deformation. This strength makes them suitable for structural applications where strength and durability are crucial.3. Corrosion Resistance: Unlike metals, polymer composites are highly resistant to corrosion. They do not rust or corrode whenexposed to moisture or harsh chemicals. This property makes them suitable for applications in marine environments or chemical processing industries.4. Design Flexibility: Polymer composites can be easily molded into complex shapes, offering designers immense flexibility. This versatility allows for the creation of intricate and customized components, meeting specific design requirements. It also enables the integration of multiple functionalities into a single part, reducing the need for assembly.5. Electrical Insulation: Polymer composites possess excellent electrical insulation properties. They can effectively shield against electrical currents and prevent short circuits. This characteristic makes them suitable for applications in electrical and electronic industries, where insulation is critical.6. Cost-Effectiveness: Polymer composites often offer acost-effective solution compared to traditional materials. While the initial manufacturing costs may be higher, their long-term benefits, such as reduced maintenance and longer lifespan, offset the initial investment.In conclusion, the advantages of polymer-based composite materials, including their lightweight nature, highstrength-to-weight ratio, corrosion resistance, design flexibility, electrical insulation, and cost-effectiveness, make them a preferred choice in various industries.中文回答：聚合物基复合材料的优点聚合物基复合材料具有许多优点，广泛应用于各个行业。
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
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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。
聚合物基复合材料实例
聚合物基复合材料实例一、引言聚合物基复合材料是一种具有优异性能的材料，其广泛应用于汽车、航空航天、建筑等领域。
本文将介绍几个聚合物基复合材料的实例，以展示其在不同领域的应用。
二、汽车领域1.碳纤维增强聚酰亚胺树脂复合材料碳纤维增强聚酰亚胺树脂复合材料是一种轻质高强度的材料，其在汽车制造中得到了广泛应用。
这种复合材料可以用于制造轻量化零部件，如车身、底盘等。
与传统的金属车身相比，这种复合材料可以降低汽车的重量，并提高其燃油效率和行驶性能。
2.热塑性聚氨酯/玻璃纤维布层板热塑性聚氨酯/玻璃纤维布层板是一种具有优异耐久性和抗冲击性能的材料，其在汽车制造中得到了广泛应用。
这种复合材料可以用于制造汽车内饰件，如仪表板、门板等。
与传统的塑料内饰相比，这种复合材料可以提高汽车内部的美观性和舒适性，并提高其耐用性和抗冲击性能。
三、航空航天领域1.碳纤维增强环氧树脂复合材料碳纤维增强环氧树脂复合材料是一种轻质高强度的材料，其在航空航天领域得到了广泛应用。
这种复合材料可以用于制造飞机结构件，如机翼、尾翼等。
与传统的金属结构相比，这种复合材料可以降低飞机的重量，并提高其飞行速度和燃油效率。
2.热塑性聚酰胺/玻璃纤维布层板热塑性聚酰胺/玻璃纤维布层板是一种具有优异耐久性和抗冲击性能的材料，其在航空航天领域得到了广泛应用。
这种复合材料可以用于制造飞机内部结构件，如座椅、壁板等。
与传统的塑料结构相比，这种复合材料可以提高飞机内部的美观性和舒适性，并提高其耐用性和抗冲击性能。
四、建筑领域1.玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料是一种具有优异耐久性和抗紫外线性能的材料，其在建筑领域得到了广泛应用。
这种复合材料可以用于制造建筑外墙板、屋顶板等。
与传统的混凝土、砖墙相比，这种复合材料可以降低建筑物的重量，并提高其耐久性和抗紫外线能力。
2.聚氨酯/玻璃纤维布层板聚氨酯/玻璃纤维布层板是一种具有优异隔音性和保温性能的材料，其在建筑领域得到了广泛应用。
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。
聚酰胺12
第 54 卷第 9 期2023 年 9 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.9Sep. 2023聚酰胺12/玻璃纤维复合材料选区激光烧结力学性能研究韦苑，李军超，赵泽，姚丁柔(重庆大学 材料科学与工程学院，重庆，400044)摘要：基于选区激光烧结工艺(SLS)，研究玻璃纤维(GF)含量变化对聚酰胺12(PA12)/GF 复合材料制件力学性能的影响。
首先制备具有不同GF 质量分数(10%~30%)的PA12/GF 复合材料试样，然后，基于力学性能测试和微观组织表征，系统分析GF 质量分数对烧结件力学性能与界面微观特征的影响规律。
研究结果表明：在相同工艺参数条件下(扫描速度为5 000 mm/s 、激光功率为37.7 W 、扫描间距为0.12 mm)，随着GF 质量分数增加，弯曲强度不断增大，拉伸强度先增加再减少，而冲击韧性却呈现单调递减的趋势。
GF 质量分数为10%的烧结制件综合力学性能最优，其拉伸强度和弯曲强度分别为48.65 MPa 和53.54 MPa ，相比于纯PA12分别提高了2.6%和12.0%，而冲击韧性则略有下降，为64.01 kJ/m 2；当GF 质量分数较高时，纤维拔出成为PA12/GF 界面破坏的主要机制，该机制会导致冲击韧性的降低，这一点与力学性能冲击韧性测试结果相符；GF 质量分数为10%时有助于提升材料结晶度，使得烧结试样在既保留聚酰胺基体相优势的条件下，又拥有GF 增强相的特点，同时，发挥聚酰胺基体相和GF 增强相的优势，从而呈现出良好的综合力学性能。
关键词：选区激光烧结；玻璃纤维；聚酰胺12；力学性能；界面中图分类号：TQ327 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2023）09-3444-09Selective laser sintering mechanical properties study of polyamide12/glass fiber compositesWEI Yuan, LI Junchao, ZHAO Ze, YAO Dingrou(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)Abstract: The effect of variation of glass fiber(GF) content on the mechanical properties of the fabricated polyamide 12 (PA12)/GF composites was investigated based on the selected laser sintering process. Firstly, PA12/GF composites with different GF mass fractions(10%−30%) were prepared. Then, based on mechanical property testing and microstructure characterization, the influence of GF mass fraction on the mechanical properties and interfacial microscopic characteristics of sintered parts was systematically analyzed. The results show that at the same process parameters(scanning speed of 5 000 mm/s, laser power of 37.7 W, scan pitch of 0.12 mm),the收稿日期： 2022 −11 −13； 修回日期： 2022 −12 −28基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51775069) (Project(51775069) supported by the National Natural ScienceFoundation of China)通信作者：李军超，博士，副教授，从事增材制造装备及工艺研究；E-mail ：***************DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.09.006引用格式： 韦苑, 李军超, 赵泽, 等. 聚酰胺12/玻璃纤维复合材料选区激光烧结力学性能研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(9): 3444−3452.Citation: WEI Yuan, LI Junchao, ZHAO Ze, et al. Selective laser sintering mechanical properties study of polyamide 12/glass fiber composites[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(9): 3444−3452.第 9 期韦苑，等：聚酰胺12/玻璃纤维复合材料选区激光烧结力学性能研究bending strength increases continuously with the increase of GF mass fraction, the tensile strength increases and then decreases, while the impact toughness shows a monotonic decreasing trend. The overall mechanical properties of the sintered parts with GF mass fraction of 10% are optimal, with tensile and flexural strengths of48.65 MPa and 53.54 MPa, respectively, which are 2.6% and 12.0% higher than those of pure PA12, while theimpact toughness is slightly lower at 64.01 kJ/m2. The fiber pull-out becomes main mechanism of PA12/GF interface damage when the GF mass fraction is high, and this mechanism leads to a reduction in impact toughness, which is consistent with the mechanical properties impact toughness test results. The addition of 10% GF helps to enhance the crystallinity of the material, making the sintered specimens possess the characteristics of the GF reinforced phase while retaining the advantages of the polyamide matrix phase, and taking advantage of both the polyamide matrix phase and the GF reinforced phase, thus presenting good comprehensive mechanical properties.Key words: selective laser sintering; glass fiber; polyamide 12; mechanical properties; interface三维(3D)打印是固体自由形状的制造方法之一，它使塑造复杂的复合材料部件成为可能，这是传统的粉末成形技术无法实现的[1−3]。
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。
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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
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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。
聚合物基复合材料在航空器构件中的应用
聚合物基复合材料在航空器构件中的应用随着航空工业的不断发展，复合材料在航空制造业中的应用越来越广泛。
聚合物基复合材料是一种常见的材料，具有轻质、高强、高刚性、抗腐蚀、耐热、绝缘等优点，因此被广泛应用于航空器构件中。
一、聚合物基复合材料的分类聚合物基复合材料可以分为无机基、有机基和金属基三类，其中有机基是应用最广泛的一种。
有机基聚合物材料又可以分为环氧树脂基、聚酰亚胺树脂基、聚醚酮树脂基、聚酰胺树脂基等。
二、1. 民用航空器中的应用民用航空器中，聚合物基复合材料主要应用于机身、机翼、尾翼、操纵面等重要部件，如空客A350、波音787等。
以空客A350为例，该机身采用了53%的复合材料，其中有大量的环氧树脂基复合材料。
这些材料不仅可以减轻飞机重量，提高燃油效率，还能够提高机身的强度、刚度和耐腐蚀性能。
2. 军用航空器中的应用军用航空器中，聚合物基复合材料主要用于机身、机翼、尾翼、结构支撑等部件的制造。
这些部件需要具备较高的强度、刚度和抗冲击性，因此需要使用复合材料来满足要求。
以中国的歼-20隐身战斗机为例，该飞机采用了大量的复合材料，其中机身和机翼主要采用了碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料。
这些材料具有轻质、高强、高刚性等优点，能够提高飞机的性能和机动性。
三、聚合物基复合材料的优点1. 轻质聚合物基复合材料的密度通常较低，可以减轻航空器自重，提高燃油效率。
2. 高强度、高刚性聚合物基复合材料的强度和刚性比传统材料高，可以更好地满足航空器对强度、刚性和耐冲击性的要求。
3. 耐腐蚀、抗氧化、耐热聚合物基复合材料可在恶劣环境下使用，具有较好的耐腐蚀、抗氧化、耐热等性能，能够提高航空器的使用寿命。
四、聚合物基复合材料的挑战1. 制造难度大聚合物基复合材料的制造过程较为复杂，需要经过多道工艺，包括树脂、纤维预浸、成型、固化等环节，需要大量的经验和技术支持。
2. 成本较高聚合物基复合材料的制造成本较高，需要先进的材料和工艺技术支持，因此目前在民航领域中的应用还存在一定的局限性。
聚合物基复合材料(PMC)
粘着理论
对一个简单系统来说，界面的粘结是由纤维与基 体间的粘着力引起的。然而，纤维上常涂有一层涂料， 这层涂料形成纤维与基体之间的结合层，对粘着可以 认为主要是发生在界面上的五种机理，即吸附和浸润、 相互扩散、静电吸引、化学键结合、机械粘着所造成 的。它们或者独立作用或者联合作用产生界面的粘结。
PMC界面粘接强度测定源自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。
成型固化工艺（续）
模压成型工艺简介
模压成型是一种对热固性树脂和热 塑性树脂都适用的纤维复合材料成 型方法。 具体方法是：将定量的模塑料或颗 粒状树脂与短纤维的混合物放入敞 开的金属对模中、闭模后加热使其 熔化，并在压力作用下充满模腔， 形成与模腔相同形状的模制品，再 经加热使树脂进一步发生交联反应 而固化，或者冷却使热塑性树脂硬 化，脱模后得到复合材料制品。
预浸料/预混料的制造。预浸料或预混料是一类PMC的半成品形
式，它们是其它一些制品制造工艺(如压力成型)的原材料。
成型。就是将预浸料根据产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是
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。
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
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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
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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。
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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。
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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)
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。
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物化性质截然不同的增强材料和有 机高分子化合物通过一定工艺方法复合而成的多相固体材料。
影响聚合物基复合材料性能的因素：
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 2、增强材料的含量及其排布方式与方向 3、不同的成型工艺 4、增强材料与基体的界面粘接状况
三种制备方法
复合方式 溶胶凝胶法 优点 生成的纳米微粒小. 能克服相分离. 分散均匀
聚合物与纳米粒子的 制备分步进行可分别 设计，纳米粒子的形 态及尺寸可控 插层原位聚合的单体多 材料有高强高模、高韧 、耐热的特点
缺点 复合步骤复杂 可供选择的纳米材料 及聚合物的范围有限
纳米粒子的分散均匀 性较差，易团聚
自然界的纳米高手
自然界的纳米高手
自然界的纳米高手
纳米复合材料的定义
纳米材料是指含有纳米结构的材料。尺度为1nm-100nm
范围内的物质即为纳米物质。
纳米复合材料（nanocomposites）是指分散相尺度至少有 一维小于100nm的复合材料。当纳米物质为分散相，有机 聚合物为连续相时，即为聚合物基纳米复合材料。
0
45
分散应力
主承载
• 冲击载荷区以0∘层承载，
⊥45∘层分散应力均衡负荷。
·厚度变化区以阶梯过渡。
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。 设计值 = 安全系数 x 使用值
安全系数选取：
• 民用取上限，军事用途可取低些。
玻璃钢汽车保险杠
玻璃钢型材
赛艇、帆船壳体
体育馆采光
透光型玻璃钢
2、GF增强热塑性塑料 (FR-TP)
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（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。
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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 。
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。
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(2) 压缩特性 在应力很小、纤维未压弯的时候，压缩弹性模量与拉伸弹
性模量接近。玻璃布增强FRP的压缩弹性模量大体是单向FRP 的0.50~0.55倍；纤维毡增强FRP的大致是单向FRP的0.4倍。
(2) 耐热性 ① 温度对于聚合物基体的影响
纤维增强材料一般具有很好的热稳定性，但树脂基体 易受温度的影响。
热固性树脂基体已交联成体型网状大分子，只有玻璃态 和橡胶态。聚合物物理状态的改变将导致FRP的机械性能发 生巨大变化。
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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。
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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、体积和表面电阻系数，
击穿强度等 FRP的电性能一般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
及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。
性能
剪切强度 (MPa)
方向 0º 15º 30º 45º 60º 75º 90º
85 83.2 95.0 99.2 98.1 90.7 89.5
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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。 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
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热膨胀系数[(4~36)×10-6 ºC-1]与金属相近，在一定温度范围 内具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。但热变形温度和耐热温 度极限较低，耐热性不好。
温度升高时，增强纤维与基体树脂的热膨胀系数差距较大 ，在温度升高时，易于在纤维－树脂界面产生热应力，影响FRP 的性能
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;
(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
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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。
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FRP具有优良的耐化学腐蚀性
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化学介质对FRP的腐蚀作用 与玻纤作用：酸、碱和水都是通过破坏SiO2网络而腐蚀
玻璃的。一般而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻璃 纤维更甚；而耐酸性则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，多数化学反应不可逆。
也破坏玻纤与基体界面的作用
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2. FRP的耐侯性能 耐候性：FRP在户外使用时，抵抗各种气体气候因素
的侵蚀破坏的能力。 (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产生机械磨损，导致表面光泽 度下降、表面层脱落、纤维外露等.
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。
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(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垂直板面剪切性能
大分子链刚性提高，交联密度增大，则树脂玻璃化温 度升高，热变形温度升高，但同时柔韧性减小，延伸率降 低，脆性增加。
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② 温度对FRP拉伸性能的影响 温度对 FRP拉伸强度和弹性模量的影响具有的特征：
i) 一般在低温范围内，拉伸性能好，随温度上升，强度降低； ii) 在低温范围内，无捻粗纱布FRP于湿态下拉伸强度大，而平 纹布FRP无此倾向； iii) 在中温范围内，平纹布FRP在50ºC左右拉伸强度最高，而缎 纹布和无捻粗纱布都随温度上升拉伸性能下降； iv) 随着纤维含量的增加，FRP的耐热性提高。
老化实验：人工老化，自然老化
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3. 耐水性能 水能溶解和破坏玻纤的SiO2网络，同时加速玻纤表面微裂
纹的扩展，从而降低玻纤的拉伸性能。 水可使树脂大分子溶胀，导致树脂内聚强度降低；水对树
脂产生增塑作用，降低其弹性模量；能使酯键、醚键发生水解 ，造成断链、降解等，
水能破坏纤维-树脂界面，沿界面渐渐侵入，从而降低了 FRP的层间剪切性能和弯曲性能
铝和水合氧化铝与卤素共用； 玻璃纤维含量升高，长度增大，可抑制发烟量
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4.2.3 FRP的老化性能
FRP在长期的使用和贮存过程中，由于各种物理和化学因 素的作用，发生的物化性能的下降或变差的现象叫劣化或老化 1. 耐化学腐蚀性
FRP的耐化学腐蚀性：抵抗酸、碱、盐及有机溶剂等化学 介质腐蚀破坏的长期工作性能。
③ 温度对FRP弯曲性能的影响 FRP的弯曲强度和弯曲弹性模量均随温度升高而降低。特别是温 度超过70ºC~100ºC后，急剧降低。
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（3）FRP阻燃性及耐火性 阻燃性主要决定于树脂基体。 聚酯中引入卤素；添加锑、磷等的化合物以及难燃的无
机填料； 三氧化二锑与卤素并用；磷化合物与卤素并用；氢氧化
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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。
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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
在室温下，FRP的导热系数一般在0.17W/(m·K)～0.33 W/(m·K)范围内，金属材料的导热系数多在35W/(m·K) ~232 W/(m·K)范围之间， FRP具有良好的隔热性能，可作隔热材料 使用。
12.3.1 FRP的机械性能
1、机械性能的特点 （1）比强度高
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。
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