聚合物基复合材料PPT课件
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• 制备工艺：不饱和聚酯的合成（反应釜）和用苯 乙烯稀释聚酯（稀释釜）两部分。
• 不饱和聚酯树脂的生产工艺流程图 • 1——反应釜；2——坚冷凝器；3——横冷凝器；4——接
受器；5——稀释釜；6——液体加料管
表3-2 常见热固性树脂材料的物理性能
性能
聚酯树脂 环氧树脂
密度/（g·cm3）
拉伸强度/MPa
1.22～ 1.40
41～82
4.1～4.8
1.3～2.3
聚酰亚胺 有机硅
～1.32 41～82 ～3.9
1.7～1.9 21～49 ～1.0
1.3～2.3 ～1.0
热变形温度/℃ 60～100 100～200 78～82
线膨胀系数 /10-5K-1
5.5～10 4.6～6.5
6～8
30.8
固化收缩率/% 4～6
3 聚合物基复合材料
3.1 概述
• 3.1.1 聚合物基复合材料的发展
• 第一阶段：1942年至1960年代，玻璃纤维/不饱和聚酯树 脂（GFRP）
• 第二阶段：1965年，发明碳纤维，高比模量、高比强度先 进聚合物基复合材料
• 第三阶段：1972年，发明芳纶纤维，高比模量、高比强度 先进聚合物基复合材料
• （3）按成型工艺分：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、RTM用树脂、SMC用树脂等。
图3-1 晶态聚合物分子晶区和非晶区示意图
• 3.2.1.3 固态高聚物的性能 • 三个特征温度：玻璃化温度Tg、熔点Tm、粘流温度Tf
（图3-2）。 • 热塑性树脂的Tg是固定的，热固性树脂的Tg随交联程度
图3-2 聚合物玻璃态、高弹态、粘流随温度 的转变关系
• 3.2.2 热固性基体
• 不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、 聚双马来酰亚胺、聚氨酯、有机硅等。
• 3.2.2.1 不饱和聚酯树脂
• 1．定义
• 不饱和聚酯树脂：指不饱和聚酯在乙烯基类交联 单体中的溶液，由不饱和的二元羧酸或酸酐、饱 和的二元羧酸或酸酐与二元醇缩聚而成，在缩聚 反应后加入乙烯基类单体（通常苯乙烯）配成黏 稠的液体树脂。
• 缺点：部分原材料昂贵，湿热环境下性能变化、 断裂伸长率小、抗冲击强度差等。
表3-1 各种单向连续纤维增强聚合物基复合 材料（Vf=60%）与金属性能的对比
性能 密度/g·cm-3
GFR CFR KFR BFR AFR SFR 钢 铝 钛 PPPPPP
2.0 1.6 1.4 2.1 2.4 2.0 7.8 2.8 4.5
1～2
8～10
4～8
• 2．不饱和聚酯树脂的原料 • （1）原材料 • A．二元酸
• 不饱和二元酸（酐）：提供分子链中的双键。顺酐
（顺丁烯二酸酐，即马来酸酐）最常用。
• 饱和二元酸（酐）：降低聚酯的结晶性，增加与交 联单体的相容性。邻苯二甲酸酐（苯酐）常用。
• 第四阶段：1980年代后期，发明超高分子量聚乙烯纤维 • 第五阶段：1990年代，美国陶氏和日本东洋纺合作开发聚
对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO），具有高阻燃性（在空气 中分解温度高达650℃）。
• 3.1.2 聚合物基复合材料的定义和分类
• 1．定义：由一种或多种微米级或纳米级的增强材料，分 散于聚合物基体中，并通过适当制造工艺过程制备的复合 材料。
弹性模量/GPa
1.1～1.4 34～105 2.0～4.4
1.2～1.3
55～130 2.75～
4.10
断裂伸长率/% 1.0～3.0 1.0～3.5
24h吸水率/%
0.15～ 0.60
0.08～ 0.15
酚醛树 脂
1.3～ 1.32
42～64
～3.2
1.5～ 2.0
0.12～ 0.36
双马来酰 亚胺
• 2．分类
• （1）按增强材料的几何形状分：连续纤维、颗粒、晶须、 短纤维增强聚合物基复合材料；
• （2）按增强材料的种类分：玻璃纤维增强、碳纤维增强、 芳纶纤维增强、硼纤维增强聚合物基复合材料。
• （3）按基体材料分类：热固性树脂基复合材料（不饱和 聚酯、环氧树脂、聚酰亚胺、聚双马来酰亚胺等），热塑 性树脂基复合材料（聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚 （PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK） 等）。
拉伸强度/GPa 1.2 1.8 1.5 1.6 1.7 1.5 1.4 0.48 1.0
比强度/m 600 1120 1150 750 710 650 180 170 210
弹性模量/GPa 42 130 80 220 120 130 210 77 110
比模量/m
21 81 57 104 54 56 27 27 25
增加而增加。
• 3.2.1.4 基体的选择 • （1）能够满足制品的应用技术要求、某些特殊使用要求，
具有高强度、高模量。 • （2）对纤维、织物具有良好的润湿性和粘结性。 • （3）具有合适的粘度和流动性。 • （4）固化条件适当，应在室温、中温，无压或低压下固
化。 • （5）脱模性能好0 22.6 8.36
/kJ·(m·h·k)-1
7
271. 688. 221. 7 8 54
热膨胀系数/K-1 8 0.2 1.8 4.0 4.0 2.6 12 23 9.0
3.2 聚合物基体
• 3.2.1 概述 • 3.2.1.1 基体作用
• （1）将增强纤维粘合成整体并使纤维位置固定，传递载荷，并使载 荷均匀。
• （2）决定复合材料的一些性能，如耐热性、横向性能、剪切性能、 压缩性能、疲劳性能、断裂韧性、耐水性等。
• （3）决定复合材料的成型工艺及工艺参数选用。 • （4）保护纤维免受损伤。
• 3.2.1.2 分类
• （1）按热加工特性分：热固性和热塑性树脂。有非晶和结晶两类结 构。
• （2）按树脂性能和用途特点分：一般用途树脂、耐热树脂、耐候树 脂、阻燃树脂等。
• 3.1.3 聚合物基复合材料的特点
• 1．比强度和比模量高（见表3-1）。 • 2．可设计性好。整体成型，一般不需焊、铆、切
割等二次加工，工艺过程比较简单。
• 3．尺寸稳定性好。比金属的热膨胀系数低，成型 后收缩也小。
• 4．卓越的耐腐蚀性。可用于防腐设施。 • 5．抗疲劳性能好。
• 此外，还具有良好的加工性能、优越较低的综合 成本、优良的减振性能、过载安全性等。
• 不饱和聚酯树脂的生产工艺流程图 • 1——反应釜；2——坚冷凝器；3——横冷凝器；4——接
受器；5——稀释釜；6——液体加料管
表3-2 常见热固性树脂材料的物理性能
性能
聚酯树脂 环氧树脂
密度/（g·cm3）
拉伸强度/MPa
1.22～ 1.40
41～82
4.1～4.8
1.3～2.3
聚酰亚胺 有机硅
～1.32 41～82 ～3.9
1.7～1.9 21～49 ～1.0
1.3～2.3 ～1.0
热变形温度/℃ 60～100 100～200 78～82
线膨胀系数 /10-5K-1
5.5～10 4.6～6.5
6～8
30.8
固化收缩率/% 4～6
3 聚合物基复合材料
3.1 概述
• 3.1.1 聚合物基复合材料的发展
• 第一阶段：1942年至1960年代，玻璃纤维/不饱和聚酯树 脂（GFRP）
• 第二阶段：1965年，发明碳纤维，高比模量、高比强度先 进聚合物基复合材料
• 第三阶段：1972年，发明芳纶纤维，高比模量、高比强度 先进聚合物基复合材料
• （3）按成型工艺分：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、RTM用树脂、SMC用树脂等。
图3-1 晶态聚合物分子晶区和非晶区示意图
• 3.2.1.3 固态高聚物的性能 • 三个特征温度：玻璃化温度Tg、熔点Tm、粘流温度Tf
（图3-2）。 • 热塑性树脂的Tg是固定的，热固性树脂的Tg随交联程度
图3-2 聚合物玻璃态、高弹态、粘流随温度 的转变关系
• 3.2.2 热固性基体
• 不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、 聚双马来酰亚胺、聚氨酯、有机硅等。
• 3.2.2.1 不饱和聚酯树脂
• 1．定义
• 不饱和聚酯树脂：指不饱和聚酯在乙烯基类交联 单体中的溶液，由不饱和的二元羧酸或酸酐、饱 和的二元羧酸或酸酐与二元醇缩聚而成，在缩聚 反应后加入乙烯基类单体（通常苯乙烯）配成黏 稠的液体树脂。
• 缺点：部分原材料昂贵，湿热环境下性能变化、 断裂伸长率小、抗冲击强度差等。
表3-1 各种单向连续纤维增强聚合物基复合 材料（Vf=60%）与金属性能的对比
性能 密度/g·cm-3
GFR CFR KFR BFR AFR SFR 钢 铝 钛 PPPPPP
2.0 1.6 1.4 2.1 2.4 2.0 7.8 2.8 4.5
1～2
8～10
4～8
• 2．不饱和聚酯树脂的原料 • （1）原材料 • A．二元酸
• 不饱和二元酸（酐）：提供分子链中的双键。顺酐
（顺丁烯二酸酐，即马来酸酐）最常用。
• 饱和二元酸（酐）：降低聚酯的结晶性，增加与交 联单体的相容性。邻苯二甲酸酐（苯酐）常用。
• 第四阶段：1980年代后期，发明超高分子量聚乙烯纤维 • 第五阶段：1990年代，美国陶氏和日本东洋纺合作开发聚
对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO），具有高阻燃性（在空气 中分解温度高达650℃）。
• 3.1.2 聚合物基复合材料的定义和分类
• 1．定义：由一种或多种微米级或纳米级的增强材料，分 散于聚合物基体中，并通过适当制造工艺过程制备的复合 材料。
弹性模量/GPa
1.1～1.4 34～105 2.0～4.4
1.2～1.3
55～130 2.75～
4.10
断裂伸长率/% 1.0～3.0 1.0～3.5
24h吸水率/%
0.15～ 0.60
0.08～ 0.15
酚醛树 脂
1.3～ 1.32
42～64
～3.2
1.5～ 2.0
0.12～ 0.36
双马来酰 亚胺
• 2．分类
• （1）按增强材料的几何形状分：连续纤维、颗粒、晶须、 短纤维增强聚合物基复合材料；
• （2）按增强材料的种类分：玻璃纤维增强、碳纤维增强、 芳纶纤维增强、硼纤维增强聚合物基复合材料。
• （3）按基体材料分类：热固性树脂基复合材料（不饱和 聚酯、环氧树脂、聚酰亚胺、聚双马来酰亚胺等），热塑 性树脂基复合材料（聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚 （PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK） 等）。
拉伸强度/GPa 1.2 1.8 1.5 1.6 1.7 1.5 1.4 0.48 1.0
比强度/m 600 1120 1150 750 710 650 180 170 210
弹性模量/GPa 42 130 80 220 120 130 210 77 110
比模量/m
21 81 57 104 54 56 27 27 25
增加而增加。
• 3.2.1.4 基体的选择 • （1）能够满足制品的应用技术要求、某些特殊使用要求，
具有高强度、高模量。 • （2）对纤维、织物具有良好的润湿性和粘结性。 • （3）具有合适的粘度和流动性。 • （4）固化条件适当，应在室温、中温，无压或低压下固
化。 • （5）脱模性能好0 22.6 8.36
/kJ·(m·h·k)-1
7
271. 688. 221. 7 8 54
热膨胀系数/K-1 8 0.2 1.8 4.0 4.0 2.6 12 23 9.0
3.2 聚合物基体
• 3.2.1 概述 • 3.2.1.1 基体作用
• （1）将增强纤维粘合成整体并使纤维位置固定，传递载荷，并使载 荷均匀。
• （2）决定复合材料的一些性能，如耐热性、横向性能、剪切性能、 压缩性能、疲劳性能、断裂韧性、耐水性等。
• （3）决定复合材料的成型工艺及工艺参数选用。 • （4）保护纤维免受损伤。
• 3.2.1.2 分类
• （1）按热加工特性分：热固性和热塑性树脂。有非晶和结晶两类结 构。
• （2）按树脂性能和用途特点分：一般用途树脂、耐热树脂、耐候树 脂、阻燃树脂等。
• 3.1.3 聚合物基复合材料的特点
• 1．比强度和比模量高（见表3-1）。 • 2．可设计性好。整体成型，一般不需焊、铆、切
割等二次加工，工艺过程比较简单。
• 3．尺寸稳定性好。比金属的热膨胀系数低，成型 后收缩也小。
• 4．卓越的耐腐蚀性。可用于防腐设施。 • 5．抗疲劳性能好。
• 此外，还具有良好的加工性能、优越较低的综合 成本、优良的减振性能、过载安全性等。