复合材料及其聚合物基体概论
复合材料及其聚合物基体概论课件
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3、树脂的断裂伸长率与结构的关系 1）大分子链的柔顺性：由C－C键组成的脂肪链是柔性链的代表，具有柔性链结构的树脂，伸长率较大；具有刚性链结构（苯环、萘环、联苯环等）的树脂，具有相当大的刚性，伸长率较小。 2）大分子链间的交联密度：交联密度越大，树脂的伸长率越小，呈现脆性。
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问题1 基体材料在复合材料中所起的作用是什么？
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基体材料在复合材料中的作用
1、粘结作用 基体材料作为连续相，把单根纤维粘成一个整体，使纤维共同承载。 2、均衡载荷、传递载荷 在复合材料受力时，力通过基体传给纤维。 3、保护纤维 在复合材料的生产与应用中，基体可以防止纤维受到磨损、遭受浸蚀。
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复合材料的分类
1、按基体材料类型分为 聚合物基复合材料（PMC） 金属基复合材料（MMC） 无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料 和水泥基复合材料（CMC）等 2、按增强材料类型分为 玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料 芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料 UHMW-PE纤维增强复合材料等 3、按用途分为 结构复合材料、功能复合材料、 结构功能一体化复合材料
2）按用途分类： 纤维、橡胶、塑料（树脂）、涂料、粘结剂 3）按聚集态分类： 玻璃态、高弹态、粘流态
温度
变形
复合材料基体(Matrix)材料
2、非氧化物陶瓷
主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。 特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆
性也很强。碳化物、硼化物的抗热氧 化温度约900-1000C，氮化物略低些 ，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所 以抗热氧化温度可达1300-1700C。
★ 氮化硅（Si3N4）属六方晶系，有、两种 晶相。其强度和硬度高、抗热震和抗高温蠕变 性好、摩擦系数小，具有良好的耐（酸、碱和 有色金属）腐蚀（侵蚀）性。抗氧化温度可达 1000C，电绝缘性好。
★ -SiC属六方晶系，- SiC属等轴晶系。 高温强度高，具有很高的热传导能力以及较 好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。
★ 氮化硼具有两种结构： A、类似石墨的六方结构，可作为高温自润滑材料
在高温（1360C）和高压作用下可转变成立方 结构的-氮化硼。 B、 -氮化硼立方结构，耐热温度高达2000C， 硬度极高，可作为金刚石的代用品。
其熔点在1700C以上，主要为单相多晶结构， 还可能有少量气相（气孔）。微晶氧化物的强度 较高；粗晶结构时，晶界残余应力较大，对强度 不利。氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低。 这类材料应避免在高应力和高温环境下使用。这 是因为Al2O3和ZrO2的抗热震性差；SiO2在高温下 容易发生蠕变和相变等。
复合材料--基体（Matrix）材料
一、聚合物及其分类
聚合物包括：热固性聚合物和热塑性聚合物。 1、热固性聚合物:
通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加 热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固 化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子。
主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。 各种热固性树脂的固化反应机理不同，根据使
4、 玻璃陶瓷（微晶玻璃）
许多无机玻璃可通过适当的热处理使其由非 晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。对于 某些玻璃反玻璃化过程可以控制，最后能够形成 无残余应力的微晶玻璃。这种材料成为玻璃陶瓷。
复合材料概论13-聚合物基复合材料-性能[1]解读
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• FRP的物理性能包括几方面？影响FRP物理性能 的因素有哪些？举例说明。
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。
热膨胀系数[(4~36)×10-6 º C-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 的机械性能。
(2) 耐热性
性能
压缩强度 (MPa) 压缩模量 (GPa) 试件数(根)
0º
22.5º
方向 45º
67.5º
90º
256
19.5
159
13.6
134.1
10.8
167
12.9
218.7
17.5
4
4
6
5
4
注：原材料：无碱100平纹布184层，E-42环氧树脂。 树脂含量：42.3%。
(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。
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。
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。 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。
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。
复合材料聚合物基体
(五)工艺件好，适应性强，不仅本身品种多，可 按一定比例相互渗混调节粘度与性能，且可选择 不同固化剂，满足不同操作工序与不同用途的要 求。环氧树脂体系可在5-180℃温度范围内固化， 不需要高压成型；
(六)具有良好的尺寸稳定性和耐久性。树脂本身 稳定性高，贮存的间长；
(七)能耐大多数霉菌，因此可在热带条件下使用； (八)成本比聚酯和酚醛树脂高，其些固化剂的毒
热固性酚醛树脂也可用来使二阶树脂固化，因为 它们分子中的羟甲基可与热塑性酚醛树脂酚环上 的活泼氢作用，交联成三向网状结构的产物
六次甲基四胺是热塑性酚醛树脂采用最广泛的固 化剂。热塑性酚醛树脂最广泛用于酚醛模压料， 大约有80％的模压料是用六次甲基四胺固化的。 用六次甲基四胺固化的二阶树脂还用作胶粘剂和 浇铸树脂。
酚醛树脂的脆性比较大、收缩率大、不耐碱、易 吸潮、电性能差，不及聚酯和环氧树脂；
耐热性和玻璃化转变温度较高； 极限氧指数32-36； 酚醛树脂在高温800-2500℃下在材料表面形成炭
化层，使内部材料得到保护，因此酚醛树脂广泛 用作烧蚀材料，用于火箭、导弹、飞机、宇宙飞 船等。
主要问题
酚醛树脂反应三个阶段
酚醛树脂根据反应程度可分为三个阶段； 甲阶（A阶）酚醛树脂，其反应程度低，分子量
低，具有可溶、可熔性；
乙阶（B阶）酚醛树脂，其反应程度及分子量均 有所提高，具有半熔性，呈凝料态；---凝胶速度
丙阶（C阶）酚醛树脂，其反应程度及分子量最 高，为交联网状结构，呈不熔不溶的固态。---固 化速度
7、无机氯：环氧树脂中的无机氯主要由氮化钠（副产物） 的残留引起的。它对环氧树脂固化后产物的电气性能、耐 水性能均有影响。树脂中的氯离子能与胺类固化剂发生反 应而影响树脂的固化，同时影响树脂的电性能。
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
第二章聚合物基复合材料的基体
第二章聚合物基复合材料的基体1．聚合物基体的作用复合材料＝基体+增强剂（填充剂）复合材料的原材料包括基体材料和增强材料聚合物基体是FRP的一个必需组分。
在复合材料成型过程中，基体经过复杂的物理、化学变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体，因而整体性能直接影响复合材料性能。
基体的作用主要包括以下四个部分①将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡；②基体决定复合材料的一些性能。
耐热性、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水、耐化学品性能)等；③基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选择等。
④基体保护纤维免受各种损伤。
此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。
2．聚合物基体材料的分类用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。
热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。
热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。
聚合物基体按树脂特性及用途分为：一般用途树脂、耐热性树脂、耐候性树脂、阻燃树脂等。
按成型工艺分为：手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕用树脂、拉挤用树脂等。
不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及被称为三大通用型热固性树脂。
它们是热固性树脂中用量最大、应用最广的品种。
3．聚合物基体的选择对聚合物基体的选择应遵循下列原则：（１）能够满足产品的使用需要；如使用温度、强度、刚度、耐药品性、耐腐蚀性等。
高拉伸(或剪切)模量、高拉伸强度、高断裂韧性的基体有利于提高FRP力学性能。
(2)对纤维具有良好的浸润性和粘接力；(3)容易操作，如要求胶液具有足够长的适用期、预浸料具有足够长的贮存期、固化收缩小等。
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。
聚合物基体在聚合物复合材料中的作用
聚合物基体在聚合物复合材料中的作用聚合物复合材料是由聚合物基体和填充物组成的材料，其中聚合物基体起到了至关重要的作用。
聚合物基体作为复合材料的主要组成部分，不仅决定了复合材料的结构和性能，还对其应用领域和使用效果产生重要影响。
聚合物基体在聚合物复合材料中具有增强材料的作用。
聚合物基体能够有效地包裹和固定填充物，使其分散均匀并增加复合材料的强度和刚性。
聚合物基体还能够通过与填充物之间的相互作用，增强复合材料的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能。
同时，聚合物基体的选择还可以根据填充物的特性进行调整，以实现更好的增强效果。
聚合物基体在聚合物复合材料中具有增加材料韧性的作用。
聚合物基体的高分子链结构具有良好的延展性和变形能力，可以有效吸收和分散外部应力，降低复合材料的脆性，提高其韧性。
这使得聚合物复合材料在受到冲击或振动时能够更好地抵抗损伤和破坏，提高材料的可靠性和寿命。
聚合物基体还在聚合物复合材料中起到了粘合剂的作用。
由于聚合物基体具有良好的粘附性和可塑性，它能够将填充物与基体牢固地结合在一起，形成一个整体的复合材料。
这种粘合作用不仅可以提高复合材料的强度和刚度，还可以增加其抗剪切和抗拉伸的能力。
同时，聚合物基体还可以通过调整其粘附性和可塑性，实现与不同填充物的粘结和兼容性，从而改善复合材料的性能和使用效果。
聚合物基体还可以提供阻燃和耐候性能。
许多聚合物基体具有良好的耐高温和阻燃性能，能够有效阻止复合材料在高温下燃烧，提高材料的安全性。
聚合物基体还能够通过添加特殊的添加剂或进行表面处理，提高复合材料的耐候性，使其能够在恶劣的环境条件下长时间稳定使用。
聚合物基体在聚合物复合材料中起到了至关重要的作用。
它不仅增强了复合材料的强度和刚性，还增加了材料的韧性和粘结性，提供了阻燃和耐候性能。
因此，在设计和制备聚合物复合材料时，应该充分考虑聚合物基体的选择和特性，以实现最佳的材料性能和使用效果。
同时，对聚合物基体的研究和开发也是提高复合材料性能和推动材料科学发展的重要方向。
聚合物基体在聚合物复合材料中的作用
聚合物基体在聚合物复合材料中的作用1.承载载荷：聚合物基体作为复合材料的主要载荷承载部分，负责吸收和传递来自外部环境的应力和载荷。
它能够在受力时承担拉伸、压缩、剪切等多种载荷，确保复合材料的强度和刚度。
2.分散增强：聚合物基体可以有效地分散和固定增强材料（如纤维、颗粒等）在复合材料中，提高增强材料的力学性能。
通过良好的分散，聚合物基体能够限制增强材料间的相互接触和滑移，提高复合材料的抗拉强度、屈服强度和韧性。
3.良好的界面粘结：聚合物基体能够与增强材料形成良好的界面粘结，增强复合材料的耐久性和力学性能。
在界面处，聚合物基体能够与增强材料发生物理化学作用，形成强大的界面粘结力，防止界面剥离、滑移和开裂等问题。
4.阻燃和耐腐蚀：聚合物基体可通过添加烟煤、红磷等阻燃剂和抗氧化剂、紫外线吸收剂等防腐剂，提高复合材料的耐燃性和耐腐蚀性。
这样可以保护增强材料不受热、化学物质和环境引起的损伤，延长复合材料的使用寿命。
5.调节热膨胀系数：聚合物基体的热膨胀系数可以通过选择不同的聚合物树脂以及添加填充剂进行调节，与增强材料的热膨胀系数匹配，减少由于温度变化引起的热应力和热变形。
这有助于提高复合材料的尺寸稳定性和精度。
6.加工性能：聚合物基体具有良好的加工性能，容易通过热成型、挤出、注塑等常规成型工艺进行加工。
这使得聚合物复合材料能够以不同形式的成型件，满足不同应用需求。
总的来说，聚合物基体在聚合物复合材料中起着关键的作用。
它不仅提供载荷承载能力，还能分散增强材料、形成良好的界面、阻燃耐腐蚀、调节热膨胀系数，并具有良好的加工性能。
这些功能使聚合物基体成为具有优异综合性能的聚合物复合材料的核心部分。
复合材料概论第2章--复合材料的基体材料[研究材料]
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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
17
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
18
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
26
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
37
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
41
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
42
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
36
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
第四章聚合物基体复合材料
0.4 0.8
0.6 0.8 0.2 0.4 0.14 0.20 0.4 0.10 0.4 0.1 0.1 0.6
63 155
50 127 80 96 140 149 85 240 70 250 83 100
1.3~1.6 0.2~0.8
1.5~2.5 0.3~1.0 0.3~0.6 0.1~0.3 0.5~0.7 0.1~0.3 0.8~2.0 0.3~0.6 0.7~1.4 0.4~0.8 0.4~0.6 0.1~0.3
可以通过手糊、模压、缠绕、拉挤等各种工艺制备复合 材料。可根据制品性能要求和成型工艺方法来选择不同 牌号的树脂。 固化时收缩率较大，预浸料贮存期限短，含苯乙烯，有刺 激性气体，长期接触对身体健康不利。树脂的耐热性差。 但价格便宜、制备工艺性好。 广泛应用于电器、建筑、防腐、交通等诸多领域。
环氧树脂（EP）
聚酯
尼龙66
ABS树脂
高强度高模量纤维增强塑料
各种高强、高模纤维增强复合材料性能
常用的热固性树脂其它物理性能
热固性高聚物一直在连续纤维增强树脂基复合材
料中占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主
要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，
约占总量的80％，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀
性或先进复合材料基体。
传统的聚合物基体，固化前热固性树脂粘度很 低，宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较低的 温度和压力下固化成型；固化后具有良好的耐 药品性和抗蠕变性。缺点是热固性树脂所用的 预浸料需要低温冷藏，且贮存期较短；成型周 期长，材料的韧性差。
35 85
21 90 70 110 95 200 130 200 110 260 67 130
45 60
20 35 100 130 88 150 130 150 34 170 80 100
聚合物基体在聚合物复合材料中的作用
聚合物基体在聚合物复合材料中的作用聚合物复合材料是由聚合物基体和填充物组成的一种材料。
聚合物基体在复合材料中起着重要的作用，它不仅为材料提供了力学性能，还影响着材料的综合性能。
聚合物基体能够提供复合材料的力学性能。
聚合物基体具有较好的韧性和强度，能够承受外部载荷并分散到整个复合材料中。
聚合物基体的强度决定了复合材料的抗拉强度和抗压强度，而其韧性则决定了材料的断裂韧性和抗冲击性能。
因此，选择合适的聚合物基体可以使复合材料具有良好的力学性能，提高材料的强度和韧性。
聚合物基体能够增强复合材料的耐热性和耐腐蚀性。
聚合物基体通常具有较高的耐热性和耐腐蚀性，能够在高温环境和腐蚀介质中保持材料的性能稳定。
在一些特殊工作环境中，如航空航天领域和化学工业中，需要使用具有优异耐热性和耐腐蚀性的复合材料，而聚合物基体可以满足这些要求。
聚合物基体还能够影响复合材料的导热性和导电性。
一些聚合物基体具有较低的导热性和导电性，可以用于制备绝缘性能良好的复合材料。
而另一些聚合物基体具有较好的导热性和导电性，可以用于制备导热导电性能优异的复合材料。
根据不同的应用需求，可以选择合适的聚合物基体来调控复合材料的导热性和导电性。
聚合物基体还能够影响复合材料的加工性能和成本。
聚合物基体的加工性能决定了复合材料的成型工艺和成本。
一些聚合物基体具有良好的可塑性和可加工性，可以通过注塑、挤出等常规加工工艺进行成型。
而另一些聚合物基体则需要采用特殊的加工工艺，如层压、浸渍等工艺，增加了复合材料的制备难度和成本。
因此，在选择聚合物基体时需要考虑材料的加工性能和成本因素。
聚合物基体在聚合物复合材料中起着至关重要的作用。
它不仅为材料提供了力学性能，还影响着材料的耐热性、耐腐蚀性、导热性、导电性、加工性能和成本等方面。
选择合适的聚合物基体可以使复合材料具有优异的综合性能，满足不同领域的应用需求。
随着科学技术的不断进步，聚合物基体的研发和应用将进一步推动聚合物复合材料的发展与应用。
1.1-1.5 复合材料及其聚合物基体概论
物理作用：指树脂吸附介质引起溶胀或溶解导致 树脂结构破坏，性能下降。
化学作用：指树脂分子在介质作用下引起化学键 的破坏。或生成新的化学键而导致结构破坏，性能 下降。
历经20年，我国玻璃钢/复合材料年产量已超过日本、 欧洲，跃居世界第二大国，显示了当今我国FRP行业的活 力。
1986-2006，我国玻璃钢（热固性）增长51倍。总量 在上世纪90年代末期超过德国，本世纪初超过日本，热固 性玻璃钢已超过欧洲总和。我国玻璃钢的总产量现仅次于 美国（美国2005年热固性玻璃钢186万吨，热塑性玻璃钢 140万吨）。
影响树脂耐溶剂介质能力的最根本的内因是组成 体系的化学结构所决定，相互间极性大小、电负性 与相互间溶剂化能力都影响耐化学腐蚀性能。（相 似相溶原理：溶解度参数相近）
结论：一般树脂的极性越弱，交联密度越 大，耐介质腐蚀性越好。
1.3.4 电性能
树脂分子由共价键组成，是一种优良的绝缘材料。 影响树脂电绝缘性能的因素有两个： 一是大分子链的极性；二是已固化树脂中杂质的 存在。 1 ）树脂大分子链中极性基团越多，极性越强，则 电绝缘性越差； 2）已固化树脂中的杂质越少，则电性能越好。
例：玻璃钢、水泥砂浆、钢筋混凝土、篱笆等都是复合 材料。
复合材料的分类
1、按基体材料类型分为 聚合物基复合材料（PMC） 金属基复合材料（MMC） 无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料 和水泥基复合材料（CMC）等 2、按增强材料类型分为 玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料 芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料 UHMW-PE纤维增强复合材料等 3、按用途分为 结构复合材料、功能复合材料、 结构功能一体化复合材料
聚合物基复合材料基体材料ppt课件
降低树脂固化收缩率主要原理是调节树脂大分子链充分 伸直，使其固化后有紧密的空间网络。
如在未固化的聚酯树脂体系中加入甲基丙烯酸甲酯，聚 苯乙烯、聚邻苯二甲酸二稀丙酯等，这个体系在固化前，由 于溶解或加热，其大分子链能充分地伸长，从而使聚酯树脂 在固化后形成紧密的空间网络结构，使固化收缩率只有1％。
这种改善不饱和聚酯树脂收缩率的办法，在大型复合 材料制件生产中得到了应用。
17
3.2.2 耐热性能（温度升高时，其性能的变化）
物理耐热性：指树脂在一定条件下仍然能保留其 作为基体材料的强度，包括模量、强度、变形等；
化学耐热性：是树脂在发生热老化时的温度范围， 包括失重、分解、氧化等。 提高树脂耐热性的途径有： 1）增加高分子链的刚性
2
基体的黏度、使用期直接影响增强材料 的浸渍、复合材料的铺层和预浸料的储存。
因此，研究和了解基体材料的构成、作 用和性能是十分重要的。
3
3.1.1基体材料的基本组分及其作用
1）聚合物基体 聚合物是基体的主要组分，它对复合材料的技术性能、成型工
艺及产品的价格都有直接影响。
作为复合材料树脂的要求
①力学性能
5、可用水和醇的混合溶剂，良
5、机械和电性能优良
操作方便
6、固化物无异味，能用于 6、可用于多种手段实现固化
6、价格低廉
食品行业
5
三大热固性树脂的特点
酚醛树脂
环氧树脂
不饱和聚酯树脂
缺 1.固化比不饱和聚酯树脂慢， 1.固化剂毒性太大，操作应 1.一般空气中氧的存在会防
到完全固化需较长时间
十分注意
复合材料聚合物基体
聚合物基体的分类
根据聚合物的来源和化学结构， 可分为天然聚合物和合成聚合物 两大类。常见的聚合物基体包括 聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。
聚合物基体的性能
聚合物基体具有良好的加工性、 韧性、耐化学腐蚀性和电绝缘性 等。同时，聚合物的性能可通过 改变其化学结构、分子量、添加
剂等进行调控。
热导率
基体材料应具备较低的热导率，以减少热量在复 合材料中的传递，提高隔热性能。
热膨胀系数
与增强纤维相匹配的热膨胀系数有助于减少温度 变化引起的内应力。
环境因素影响
耐候性
聚合物基体应具有良好的耐候性，能抵抗紫外线、氧 化、酸碱等环境因素的侵蚀。
耐化学腐蚀性
基体材料应具备优异的耐化学腐蚀性，以在腐蚀性环 境中保持性能稳定。
热固性聚合物基体
1 2 3
不可逆的固化过程
热固性聚合物基体在加热时会发生交联反应，形 成三维网络结构，一旦固化就无法再次加工。
优异的耐热性和耐化学腐蚀性
热固性聚合物基体固化后具有较高的耐热性和耐 化学腐蚀性，适用于高温和腐蚀性环境下的复合 材料。
广泛的应用领域
热固性聚合物基体被广泛应用于建筑、船舶、化 工等领域。
聚合物基体的作用
聚合物作为复合材料的基体，对于复合材料的性能起着至关重要的 作用，如力学性能、热稳定性、耐腐蚀性等。
研究意义
深入研究聚合物基体的性能及其与增强材料之间的相互作用，有助 于优化复合材料的性能，推动复合材料领域的发展。
聚合物基体概述
聚合物的定义
聚合物是由大量重复单元通过共 价键连接而成的高分子化合物，
增强作用
提高力学性能
聚合物基体能够有效地增强复合材料 的力学性能，如拉伸强度、弯曲强度 和冲击韧性等。
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3、树脂的断裂伸长率与结构的关系
1）大分子链的柔顺性：由C－C键组成的脂肪链 是柔性链的代表，具有柔性链结构的树脂，伸长 率较大；具有刚性链结构（苯环、萘环、联苯环 等）的树脂，具有相当大的刚性，伸长率较小。 2）大分子链间的交联密度：交联密度越大，树脂 的伸长率越小，呈现脆性。
4、树脂的体积收缩率与其结构的关系
热固性树脂在固化时伴随着体积收缩现象。 影响树脂体积收缩的因素是固化前树脂系统密度、 固化网络结构的紧密程度、固化过程有无小分子 释放等。 低收缩添加剂（LPA）：热塑性聚合物
几种树脂的固化收缩率如下： 环氧树脂：1～2％ 不饱和聚酯树脂： 4～6％ 酚醛树脂： 8～10％ 问题2：环氧树脂固化收缩率小的原因？
热塑性： 分子链呈线形或支化、部分交联形态存在，可 以通过加热改变其形状。 问题3 热固性与热塑性的本质区别是什么？
1.5 聚合物的发展概述
• • • • • • •
1907年酚醛树脂成为第一种合成树脂 1927年聚氯乙烯（PVC） 1931年聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 1938年尼龙66纤维 1939年三聚氰胺-甲醛树脂 1941年不饱和聚酯树脂 1942年环氧树脂
聚合物及其复合材料的进展
神舟飞船主承力结构、低密度模塑料等FRP件荣获国 家科技进步二等奖，标志着我国复合材料科学技术已达到 世界先进水平； 历经20年，我国玻璃钢/复合材料年产量已超过日本、 欧洲，跃居世界第二大国，显示了当今我国FRP行业的活 力。 1986-2006，我国玻璃钢（热固性）增长51倍。总量 在上世纪90年代末期超过德国，本世纪初超过日本，热固 性玻璃钢已超过欧洲总和。我国玻璃钢的总产量现仅次于 美国（美国2005年热固性玻璃钢186万吨，热塑性玻璃钢 140万吨）。
复合材料聚合物基体
课程性质：专业必修 考核方式：闭卷考试 学时学分：32学时2学分 单 位：材料学院复合材料系 主讲教师：王 钧（教 授） 段华军（副教授）
教学目的及要求
教学目的：使学生掌握以下三方面的内容 1、聚合物基复合材料中基体材料的种类、合成原理、 合成工艺方法、性能特点及应用； 2、各类聚合物基体常用固化剂的种类、固化机理、 性能特点及应用； 3、分子结构对性能的影响（重点领会）。 教学要求： 学以致用。能灵活应用所学知识指导将 来研究与工作实践。
• 酚醛树脂（PH）：2006年我国酚醛树脂产量达45万吨，
居世界第三位；近几年以15%左右的速度增长，预计 2010年将达到78.7万吨 。
船艇 3% 车辆与地面设 施 3%
其他 11%
管道与贮罐 40%
工业器材 10%
建筑 33%
当前我国主要玻璃钢产品市场比例
“十五”末期我国GF/UPR各类成型工艺产品比例
复合材料的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ类
1、按基体材料类型分为 聚合物基复合材料（PMC） 金属基复合材料（MMC） 无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料 和水泥基复合材料（CMC）等 2、按增强材料类型分为 玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料 芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料 UHMW-PE纤维增强复合材料等 3、按用途分为 结构复合材料、功能复合材料、 结构功能一体化复合材料
基体材料系统的选配原则
基体材料从使用性能、工艺性能以及经济性 三方面统筹考虑，择优选用。 （1）使用性能（性能） （2）工艺性能（工艺） （3）经济性（成本） 重要性次序：使用性能＞工艺性能＞经济性
1.2 基体材料的基本组分及其作用
1、聚合物 是基体的主要组分，对复合材料的工艺性能 和成型方法起决定作用。 如：UP、EP、PP、PVC等。 2、助剂 改进工艺性能、或降低成本。 如：固化剂（引发剂/促进剂）、稀释剂、增 韧剂（增塑剂）、触变剂、填料和颜料等。
第一章
概论
1.1 复合材料的定义、组成及特点 1.2 基体材料的组分及其作用（次重点） 1.3 基体材料的基本性能(重点） 1.4 聚合物的分类 1.5 聚合物及其复合材料发展历程 1.6 PMC主要性能特点(重点） 1.7 PMC的应用
1.1 复合材料的定义、组成及特点
简而言之，复合材料是指将两种或两种以上不同性能 的材料，用适当的方法复合而成的一种新材料，其性能比 单一材料性能优越。 材料界资深专家、两院院士师昌绪在《材料大词典》 中给出比较全面完整的定义：复合材料是由有机高分子、 无机非金属或金属等几类不同的材料通过复合工艺组合而 成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通 过复合效应获得原组分所不具备的特殊性能。可以通过材 料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联。从而获得新 的优越性能，与一般材料简单混合有本质的区别。 例：玻璃钢、砂浆、混凝土、篱笆等都是复合材料。
1.3.2 耐热性能
将聚合物加热，一般会发生物理及化学变化。 物理变化指树脂的变形、软化、流动、熔融。 化学变化指分子链断裂、交联、氧化、产生气体、 质量变化（热失重）等。 物理耐热性：以树脂在一定条件下仍然保留其作 为基体材料的强度或强度保留率来表示。 化学耐热性：以树脂在发生热老化时的温度范围 来表示。如：玻璃化转变温度（Tg）、热变形温 度等。
1.3.1 力学性能
1、强度与模量 决定聚合物强度的主要因素是分子内和分子间 力。聚合物材料的破坏，是由主链上化学键的断 裂或是聚合物分子链间相互作用力的破坏造成。 基体的粘结力和模量是支配基体传递应力的两 个最重要的因素。这两个因素联合作用，可影响 到复合材料拉伸时的破坏形式。
2、树脂的内聚强度与其结构的关系
我国已超过美国成为世界上不饱和聚酯树脂产量与用量 最大的国家。（美国2006年产量为87万吨）2008年：145 万吨；2009年：153万吨；2010年：170万吨。
• 环氧树脂（EP）：我国现在已经是环氧树脂产量、进口
量、消费量最大的国家。 2006年我国产量52万吨。预计 2010年产能达到100万吨，占全球总产能的50%以上。
提高树脂耐热性的途径
1）增加高分子链的刚性 如在主链中尽量减少单键，引进共轭双键、三键 或环状结构（包括苯环和杂环）。 2）进行结晶 在主链上引入醚键、酰胺键或在侧基上引入羟基、 氨基或氰基，都能提高结晶高聚物的熔融温度。 3）进行交联 随交联密度的增加。树脂耐热性不断提高。
1.3.3 耐腐蚀性
手糊 （含喷射）
纤维缠绕
SMC/BMC 拉挤 连续板材 其它
40
30
14
9
4
3
下次课内容
聚合物基复合材料的主要性能特点
材 料
制品 结 构 测 试
工 艺
复合材料制品与各要素关系图
问题1 基体材料在复合材料中所起的 作用是什么？
基体材料在复合材料中的作用
1、粘结作用
基体材料作为连续相，把单根纤维粘成一个整体， 使纤维共同承载。
2、均衡载荷、传递载荷
在复合材料受力时，力通过基体传给纤维。
3、保护纤维
在复合材料的生产与应用中，基体可以防止纤维 受到磨损、遭受浸蚀。
复合材料的组成与特点
复合材料是一种多相材料。 包含三种基本 的物理相： 基体相：连续相材料 增强相：分散相材料 界面相：增强相与基体相之间的交界面 特 点：非均质材料，各向异性； 可设计性强。
PMC（材料与制品）组成关系
基体材料 产品及结构设计
增强材料
制品
辅助材料
加工工艺
与传统材料相比，复合材料既是一种材料，也是一种 结构，而且材料、结构、功能具有一致性。这种材料和结 构特性，只能通过具体的制品才能得以体现，因此无论是 从事复合材料理论研究，还是工程技术研究的目标都是研 制出更能发挥材料特性与效率的制品及制备方法。
产量（104吨）
产量（104吨）
200
181
美国
日本
180 160 140 120
103.4 146
140
中国
100 80 60 40 20
2.7
47.9 27.1
35.9 24
0
1986 1996 2006
年代
1986－2006年中、美、日热固性玻璃钢产量
基体材料方面现状
• 不饱和聚酯树脂（UPR）：2006年年产量达到110万吨。
学习内容
1、三大热固性树脂及其常用固化剂（重点）
不饱和聚酯树脂（UP）、环氧树脂（EP）、酚醛树 脂（PH）
2、其它热固性树脂（自学）
呋喃树脂、有机硅树脂
3、常用热塑性树脂（自学）
聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙稀（PVC）、 聚苯乙烯（PS）、ABS树脂
4、高性能树脂基体（一般介绍）
聚酰亚胺树脂(PI)、双马来酰亚胺树脂(BMI)
基体对水、酸和碱的抵抗能力一般比玻纤好， 而对有机溶剂的抵抗能力要比玻纤差。树脂和介 质之间作用引起的腐蚀，主要有物理作用与化学 作用。 物理作用：指树脂吸附介质引起溶胀或溶解导 致树脂结构破坏，性能下降。 化学作用：指树脂分子在介质作用下引起化学 键的破坏。或生成新的化学键而导致结构破坏， 性能下降。
影响树脂耐溶剂介质能力的最根本的内因是组 成体系的化学结构所决定，相互间极性大小、电 负性与相互间溶剂化能力都影响耐化学腐蚀性能。 （相似相溶原理：溶解度参数相近）
结论：一般树脂的极性越弱，交联密度 越大，耐介质腐蚀性越好。
1.3.4 电性能
树脂分子由共价键组成，是一种优良的绝缘材料。 影响树脂电绝缘性能的因素有两个： 一是大分子链的极性；二是已固化树脂中杂质的 存在。 1 ）树脂大分子链中极性基团越多，极性越大，则 电绝缘性越差； 2）已固化树脂中的杂质越少，则电性能越好。
1.4 聚合物的分类