聚合物基复合材料界面和性能

第五章 聚合物基复合材料的性能
5.1 PMC的热性能
热性能包括：
● 热传导与热容量：决定了PMC与外界热交换和自身温度 的变化。
● 热膨胀性能：决定PMC结构的稳定性， 态与抗热震性能。
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应力分布状
● 耐热性能：决定PMC的使用温度范围。
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
q = −λgrdT
⑵ 增强纤维表面活化 通过各种表面处理方法，如表面氧化、等离子处理，可在
惰性的碳纤维或玻璃纤维表面上引入活性官能团，例如： OH、-COOH、 C=O、-NH2等。
这些官能团一方面与基体中活性基团反应，另一方面也可 提高纤维与基体相容性，从而提高强度。
4.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善
⑵ 增强纤维表面活化
图 4-3 碳纳米管经处理后表面官能团的红外测定结果
4.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善
⑶ 使用聚合物涂层 聚合物涂层与增强纤维和基体都有良好的浸润性，所以能
有效地改善PMC界面粘接状况。 聚合物涂层的另一个作用是改善界面的应力状态，降低界
面的残余应力改善聚合物基复合材料的冲击韧性和疲劳性 能。
-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：
∑ mCp = miCpi
5.1.1 热传导
表 5-3 20°C 下 GF/环氧树脂复合材料的导热 系数的计算值与实测值的比较
Vr λT (实测值) λT (计算值) 误差(%)
0.21 0.279
0.289
+3.5
0.33 0.336
0.326
-3.1
0.385 0.341
0.345
+1.2
0.425 0.375
0.358
1.50
复合材料的比热的复合效应与其复合状态无关，而只与组分 材料因素有关，表现为最简单的平均效应。
5.1 PMC的热性能
5.1.3 热膨胀性能 热膨胀系数：表征材料受热时线度或体积的变化程度。 α=（∂L/∂T）P/L β=（∂V/∂T）P/V
（mCP + mT • CPT) (T-TB) = mk • CPK (TB -TK) 其中，m—试样的质量；CP—试样的比热； mT —试样筒的质 量； CPT —试样筒的比热； mk —铜卡的质量； CPK —铜卡的比 热。
空白试验中试样筒与铜卡计达成热平衡后的温度为TB`，则 有：
mT • CPT (T- TB` ) = mk • CPK (TB` -TK)
CP = （mk • CPK /m) (TB - TB` )/ (T-TB)
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
常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。 有机硅偶联剂的结构通式为：R-Si-(OR`)3
4.2 聚合物基复合材料界面的设计改善
4.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善
有机硅偶联剂对玻璃纤维的作用机制：偶联剂在玻璃纤维 表面上的水解、吸附、自聚及偶联等。
4.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善
1.22
0.26
1.21
0.18
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
λC
=
λVr r
λ • (1−Vr) m
λCT = λr • λm /[Vr • λm + (1 −Vr ) • λr ]
λCL = Vrλr + (1 −Vr )λm
5.1 PMC的热性能
界面表征的目的：了解增强材料表面的组成、结构及 物理化学性质、基体与增强材料表面的作用、偶联剂与增 强材料及基体的作用、界面层性质、界面粘接强度的大 小、残余应力的大小与作用等。
手段与方法：电子显微镜（SEM、TEM），光电子能 谱（ESCA、AES）、红外光谱（FTIR）、拉曼光谱 （RAMAN）、色谱等。
第四章 聚合物基复合材料界面
4.1 聚合物基复合材料界面的特点
● 大多数界面为物理粘接，粘接强度较低。 ● PMC 一般在较低温度下使用，故界面可保持相对稳定。 ● PMC界面增强本体一般不与基体发生反应。
第四章 聚合物基复合材料界面
聚合物基复合材料界面的表征:
聚合物基复合材料界面层结构主要包括增强材料表 面、与基体的反应层或与偶联剂的反应层，以及接近反应 层的基体抑制层。
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热 比热的测试方法主要有 卡计法、电脉冲加热法 与比较法。
图 5-2 下落等温铜卡计比热测试法 装置原理图
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热
测试温度为T的试样及度样筒在很短的时间内落入温度为 TK的铜卡计中，若试样筒与铜卡计达成热泪盈眶平衡后的温度 为TB，则试样及试样筒的总热焓的减少量等于铜卡计的热焓增 加量，即：
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
第四章 聚合物基复合材料界面
界面强度的测量方法有两种： ¾ 单纤维测试方法 ¾ 基于实际复合材料的测试技术
4.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善
界面设计的基本原则：改善浸润性，提高界面的粘接强 度。
提高PMC界面粘接强度的措施： ⑴ 使用偶联剂
偶联剂：也称活性浸润剂，它既与增强用玻璃纤维表面形 成化学键，又与基体具有良好的相容性或与基体反应的化学 试剂。