聚合物基复合材料复习

1.聚合物基复合材料的组成(1) 基体热固性基体：i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好ii) 交联固化后成网状结构，尺寸稳定性好耐热性好，但性脆iii) 制备过程伴有复杂化学反应热塑性基体：i) 熔体粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型，工艺性差ii) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象(2) 增强体主要有碳纤、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等由于树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，增强体多经过表面处理与表面改性，以及浸润剂、偶联剂和涂复层的使用，使其组成复杂化。

3.复合材料的界面1)界面现象：①表面吸附作用与浸润②扩散与粘结（含界面互穿网络结构）③界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键合力）2). 复合材料的界面形成过程PMC、MMC、CMC等复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。

（1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。

i) 界面设计与控制的重要手段ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分iii) 为第二阶段作准备（2）第二阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程i) 接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合或物理结合。

化学结合可看作是一种特殊的浸润过程ii) 界面形成与发展的关键阶段（3）第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应i) 界面的固定（亚稳态、非平衡态）ii) 界面的稳定（稳态、平衡态）在复合材料界面形成过程中涉及：i) 界面间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程ii) 界面间的相互转化：如，固化过程是固-液界面向固-固界面转化的过程后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程3）复合材料界面结构与性能特点i) 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样。

界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分ii ) 具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料的性能特征iii) 界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米复合材料）界面效应显著：iv) 界面缺陷形式多样（包括残余应力），对复合材料性能影响十分敏感4）在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布，这就是“残余应力”。

残余应力来源：①增强相与基体相热膨胀系数的不匹配②相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均③成型过程中，由高温-室温、由化学和物理变化引起的各组元体积收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等④层合板中，由铺层方向不同所带来的层间残余应力（层合板的翘曲）⑤流变过程中，组元间的塑性变形差异引起的流变残余应力5）. 复合材料界面破坏机制在力场或外界环境如（1）破坏的来源缺陷按本身的规律发展，并消散能量（2）5种破坏形式： i) 基体断裂ii) 纤维断裂iii) 纤维脱粘iv)纤维拔出(摩擦功)v) 裂纹扩展与偏转复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的组合与综合体现的结果。

6）. 复合材料的界面理论(The Interface Theories)（1）界面设计与控制的概念(design and control of interlayer)界面具有双重功能①传递应力，需要一定界面结合强度，但不是愈高愈好②界面破坏。

界面结合适度，界面破坏形式愈丰富，能量耗散愈多。

高的界面粘接强度，不一定带来材料整体的高强度和高韧性。

在脆性纤维-脆性基体复合体系中，强的界面结合往往导致各组元相中及相间的应力集中和脆性断裂、破坏形式单一，不涉及界面破坏，其能量耗散仅限于产生新的断裂表面。

材料易突然失效或发生灾难性破坏。

弱的界面结合强度有时能带来材料整体高的力学强度和韧性。

弱的界面结合可以发生多种界面破坏形式（如纤维拔出、脱粘、应力再分配等），从而消耗大量的外界功，提高材料的强度和韧性，避免脆性断裂或灾难性破坏。

因此，要求界面：①适宜的粘接强度②最佳的界面结构和状态③与界面相联系的理想的微观破坏机制这就是所谓界面设计与界面控制的基本概念4．增强材料概述1）增强材料是复合材料的主要组成部分，性能优越。

作用：提高基体树脂的强度、硬度、模量、耐热及耐磨性、减少成型收缩率。

2）增强材料分类：无机增强材料：Gf、Cf、Bf、晶须、石棉、金属纤维、(Al2O3)f、SiC)f有机增强材料：Kevlar纤维、聚苯并双噁唑纤维、UHMPE纤维、聚酯纤维、棉、麻、纸等。

1.3) 聚合物基复合材料用增强材料所具备的特征2.能明显提高基体所需的某种性能（如高比强度、比模量、尺寸稳定性、耐热性等）3.具有良好的化学稳定性4.与树脂有良好的浸润性，并能形成良好界面粘结5.价廉5. Gf:玻璃纤维即纤维状的玻璃，结构与玻璃相同，是目前用量最大的一类纤维。

价格便宜，拉伸强度高，防火防霉。

在纤维增强塑料（FRP）中的用量一般为20-80%，缺点是脆性大、不耐磨，易受机械损伤。

6.1>影响玻璃纤维强度的因素7.i）直径越细，强度越高8.ii）存放时间越长，强度越低（老化现象），原因是玻纤表面的微裂纹易吸附各种气体、水蒸气、易发生表面反应。

老化程度取决于玻纤对大气中水分等的稳定性。

9.iii>化学组成：含K2O、PbO成分多的玻璃纤维的强度较低，见P11表2.2410.iV).负荷时间：随着玻璃纤维的负荷时间的增加，其拉伸强度降低，环境湿度较高时，更加明显，原因可能是吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展加快，从而导致强度降低。

（5）玻璃纤维及其织物的表面处理处理原因：玻纤表面光滑，不利于与基体相粘结比表面积大，易吸水影响稳定性较脆、不耐磨，纤维之间摩擦系数大，不利于纺织处理目的：使玻纤与基体形成良好的界面粘结，利于纺织（集束、润滑、除静电）处理意义：i）是提高玻璃钢性能的重要途径之一ii）改善了玻纤及其织物的性能，增强了玻纤与基体的界面粘结iii）改善了玻纤的界面状态（防止水分子及其它有害物质侵入、减少或消除界面弱点）玻纤表面处理分为：单丝表面处理：涂覆一层浸润剂（保护膜），目的是润滑，以保护纤维免受大气、水分的侵害。

常用淀粉和石蜡乳剂处理。

此类处理剂在纤维及其织物的表面处理前应除去（洗涤法、烧灼法）纤维及其织物的表面处理：采用偶联剂，目的是使纤维和织物与树脂良好粘结目前所用的偶联剂主要有三大类：硅烷类.有机铬类.钛酸酯类8.芳纶纤维11.1>结构：i）分子对称性高，定向程度及结晶度高12.Ii）力学性能各向异性（轴向是化学键，横向是氢键）13.Iii）刚性分子链难以旋转，不能折叠，呈棒状结构，纤维模量高14.iv）强度高。

（线型结构使分子堆砌密度大；分子链方向结合较强，单位体积承担的外力大15.v) 尺寸稳定性好⑶．化学性能耐中性化学品腐蚀，吸水率高。

强度高、模量高、韧性好、密度小、尺寸稳定性高、热稳定性好9.Cf :CF是聚合态的碳，是由丙烯氰等有机物经固相反应转化成的三维碳化物通常CF是指含碳量为95%的碳纤维和含碳量为99%左右的石墨纤维具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好等特点。

由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构件，如航天航空、高档体育器材中。

分高强、高模、中模和低性能碳纤维碳纤维是指有机纤维在惰性气氛中加热至1500摄氏度，形成的纤维状的碳材料，其含碳量为90%以上，纤维结构为延轴向排列的不完全的石墨结晶。

如果将碳纤维在2500摄氏度下进一步碳化，其含碳量大于99%，碳纤维由乱层结构向三维有序的石墨结构转化，称之为石墨纤维。

1>制备⑴．碳化法——生产长纤维•拉丝：制有机长纤维•牵伸：规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。

•预氧化稳定：低温，～400℃，防止热塑化。

•碳化：1000～2000℃，保护性气氛下，有机化合物在惰性气氛中加热到1000-1500 C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。

•石墨化：2000～3000℃，非碳原子进一步排除，芳环平面逐步增加，排列也较规则，取向度显著提高。

乱层环结构向三维石墨结构转化，形成聚合碳结晶，并平行于轴向，此阶段称为石墨化过程。

形成的石墨纤维弹性模量大大提高。

密度、强度也增高，热膨胀系数下降。

但温度过高强度反而下降。

（3）聚丙烯氰原丝的预氧化•预氧化的目的：使链状聚丙烯腈分子发生交联、环化、氧化、脱氢等化学反应，放出H2O、HCN等分解产物，形成耐热的梯形结构，承受更高的碳化温度，提高碳化收率、改善力学性能（5）碳纤维的石墨化处理•碳纤维-1000摄氏度-1500摄氏度下，石墨纤维指2000-3000，石墨纤维并不是完全的石墨结构，仅是处理温度的不同，两者统称碳纤维•结晶增大、结晶态碳的比例增加，沿纤维轴取向也增加-模量增加、强度下降、断裂伸长变小=脆性材料•石墨化要求在高温，短时间内完成（原因是碳纤维本身结构已经比较规整），增加压力有利于得到高质量的纤维（增加压力，减少碳蒸汽的挥发），常温纤维表面粗糙，有较多的空隙和缺陷•气氛要求为氩气，因为2000以上，氮气与石墨反应生成氰基，氩气要经过特殊处理，防止氧气的带入3>.CF的表面处理处理原因：CF是沿轴向择优取向的同质多晶，与树脂粘结差表面呈惰性，树脂难以润湿具有自润滑性处理目的：增加表面粗糙度、增加表面活性基团、提高复合材料的层间剪切强度处理方法：a)氧化处理:①氧等离子气体的干法氧化②化学或电解进行的湿法氧化b)非氧化处理:①表面沉积无定型碳②化学气相沉积（CVD）法加涂碳化硅、碳化硼、碳化铬等③等离子体气体聚合及共聚涂层改性碳纤维氧化处理后：①能改善碳纤维表面与基体的浸润性、相容性②能在表面形成许多活性官能团，这些官能团能与树脂基体形成化学键合CH4.聚合物基复合材料成型加工方法1．手糊成型：用手工或在机械辅助下将树脂（UP、EP）与增强材料铺覆在模具上，固化成型复合材料制品的一种方法。

工艺流程：增强材料剪裁→磨具准备→涂脱模剂→喷涂胶衣层→成型操作→脱模→修边→装配2.手糊成型特点：（1）操作简便（2）投资少、费用低、能生产大型和复杂制品、制品可设计性好；（3）属劳动密集型、成型效率低；制品质量受操作者技术水平限制；生产周期长，产品强度较其它方法低。

3.玻纤及其织物无捻粗纱：主要用于喷射成型中填充死角或局部增强。

无捻粗纱布：为常用玻纤织物，易被树脂浸润，增厚效率高短切原丝毡（手糊常用）：浸润性好，气泡容易排除加捻布：有平纹、斜纹、缎纹、单向布等，常用斜纹，制成的FRP比无捻布强度高。