聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展

补。 （2）
一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50℃以上强度就明显下降， 一般只在100℃以下使用；通用型环氧FRP在60℃以上，强度有明显下降。但可 以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200~300℃是可能的。 （3）
老化现象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外线、风纱雨雪、化学介质、 机械应力等作用下容易导致性能下降。 （4）
和卷面成绩 (70%)综合计算。
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.1 前言：
一、材料的发展与人类社会的进步
➢ 材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步 的里程碑。 ➢ 当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的四大 支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。 ➢ 20世纪出现的高性能塑料和复合材料，以历史上少有 的发展速度渗透到国民经济和人们生活的各个领域，成为 传统材料的替代品，并显示出奇特的优异性能。 ➢ 二十一世纪将是一个新材料时代。
（1）微观上是非均相材料，组分材料间有明显的界面； （2）组分材料性能差异很大； （3）组成复合材料后性能有较大的改进； （4）组分材料的体积分数应大于10%。
三种基本的物理相：
（1）基体相：连续的 （2）增强相：分散的、被基体所包容 （3）界面相：增强相与基体相之间的交界面
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.1 前言：
3、复合材料举例
印刷电路板(玻璃钢)，轮胎（纤维增强橡胶） 雷达罩（玻璃纤维增强树脂）
面广
火箭外壳（碳纤维/树脂）（碳/碳复合材料）
人造卫星天线（碳纤维/镁合金）
尖端
航天飞机框架（硼纤维/铝合金）
网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇 → 休闲
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.1 前言：
二、 复合材料的提出
➢ 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同 时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。 ➢ 很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当 前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日 新月异地发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限 性而不能满足现代科学技术发展的需要。 ➢ 复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高 技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是 应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。
• 一是浸渍法，即用增强体浸渍熔融的石油或沥青，再经 碳化和石墨处理，它的基体是石墨碳，呈层状条带结构，性 能是各向异性的。还有用增强体浸渍糠醇(呋喃甲醇)或酚醛 等热固性树脂，只经碳化处理，它的基体是玻璃碳，即无定 型碳结构，性能是各向同性的；
• 另一是CVD法，即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体 上来进行复合，这种方法的碳基体是类似玻璃碳的热解碳。 碳/碳复合材料不耐氧化，所以有时需要加抗氧化涂层。
（3） 是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。已广泛用于雷达
天线罩。
（4） FRP热导率低，只有金属的1/100~1/1000，是
优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热 防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上 承受高速气流的冲刷。
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玻璃钢简介
1.玻璃钢材料是一种具有可设计性的材料品种: 可以根据不同的使用环境及特殊的性能要求，自
如果用玻璃纤维去增强热固性塑 料，就叫做
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目前生产的玻璃钢
主要指
而言。
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玻璃钢简介
（1） 相对密度在1.5~2.0之间，只有碳钢的1/4~1/5，可是拉 伸强度却接近，而比强度可以与高级合金钢相比。
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玻璃钢简介
（2）
FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、 碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.1 前言：
三、复合材料的发展历史和意义
1、复合材料的发展历史 6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材
料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝 等的建筑，发挥着极为重要的作用；
20世纪40年代，美国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替 木材，发展成为玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这种广泛 应用的比较现代化复合材料。
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.5 复合材料的特性
1.5.3 阻尼减振性好
复合材料有较高的自振频率，不易产生共振。基体与 纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力。
1.5.4 具有多种功能性
（1）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好 （2）优异的电绝缘性能和高频介电性能 （3）良好的摩擦性能（碳纤维：低摩擦系数和自润滑性） （4）良好的耐腐蚀性 （5）有特殊的光学、电学、磁学的特性
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课程简介
二、课程教学目标
本课程是材料科学与工程专业扩大知识面的一门专 业必修课，它为以后从事复合材料生产、研发等工作奠 定了一定的基础。本课程的主要任务是让学生能够对聚 合物基复合材料的基本概念、组分材料、界面特征及复 合材料的成型工艺有所了解和掌握。能够对聚合物复合 材料的基本知识及其在国民经济中的用途有全面的了解， 同时具有初步的复合材料设计能力，为学生今后在复合 材料领域的深造和专门研究奠定较坚实的基础。
玻璃钢是一种品种繁多，性能各别用途广泛的复合 材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺，制作而 成的一种功能型的新型材料。
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玻璃钢简介
用
作筋骨
用
（酚醛
塑料、环氧树脂及
聚酯树脂）作肌肉
用 作筋骨 (钢材耐拉)
作肌肉(水 泥块耐压)
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玻璃钢简介
热塑性 热固性
热塑性 热固性
如果用玻璃纤维去增强热塑性塑 料，可称为
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玻 璃 钢 制 的 花 盆
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可视电话罩壳
格栅
垃圾筒
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玻璃钢游艇
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玻璃钢在汽车中的应用
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板材 电 表 箱
玻 璃 钢 门
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冷却塔
管道
容器
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玻 璃 钢 制 的 浮 雕 工 艺 品 高压电缆护罩
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在轨道交通车辆中的应用
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1、 机车导流罩 2、 司机室 3、 外顶板 4、 上顶板和下层地板 5、 内墙板 6、 通过台 7、 卫生间 8、 外部门板 9、 设备保护外壳 10、 内板家具 和座椅 11、 行李箱 12、 内板隔板和门板
汽车活塞、连杆、自行车飞轮等 → 民用工业
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.1 前言：
人类第一架全 复合材料飞机
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.1 前言：
羽毛球拍 高尔夫球杆
复合材料制品
机器零件
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.2 复合材料简介
composite material：定义
由两种或两种以上不同性能、不同形态的 组分材料（通常是增强材料和基体材料）通过 复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持 了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材 料所没有的新性能。
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.2 复合材料简介
特征：
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课程简介
• 教材： 王汝敏等编，《聚合物基复合材料（第二版）》，科学出 版社， 2011年
➢ 教学参考书： 黄丽等编，《聚合物复合材料》，中国轻工业出版社 吴人洁等编，《复合材料》，天津大学出版社 沃丁柱等编，《复合材料大全》，化学工业出版社 陈祥宝等编，《高性能树脂基体》，化学工业出版社
➢ 课程教学形式: 以课堂讲授为主，作业: 习题和查阅资料。 ➢ 考试课程，考试形式是闭卷，考试成绩按平时成绩(30%)
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.4 复合材料的成型方法
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.5 复合材料的特性
1.5.1 比强度、比模量高
• 比强度 = 强度/密度；比模量 = 模量/密度。 • 碳纤维树脂基复合材料：较高的比模量和比强度 • 玻璃纤维由于模量相对较低、密度较高，其玻璃纤维树脂基
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.3 复合材料的命名及分类
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基体材料类型
(1)金属基 (2)无机非金属基 ★ 陶瓷基 ★ 碳基 (3)聚合物基 ★ 热固性树脂基 ★ 热塑性树脂基
分散相形态
(1)连续纤维增强 (2)纤维织物增强 (3)片状材料增强 (4)短纤维增强 (5)颗粒增强 (6)纳米增强
1.3 复合材料的命名及分类
按基体材料类型命名：
金属基复合材料、无机非金属基复合材料、聚合物基 复合材料
以增强纤维的类型来命名：
玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、混杂复合材料
例：
➢ 玻璃/环氧复合材料：玻璃纤维环氧树脂复合材料 （环氧玻璃钢）
➢ 碳/金属复合材料：碳纤维和金属基体构成的复合材料 ➢ 碳/碳复合材料（C/C复合材料）：碳纤维和碳基体构成 的复合材料
复合材料
课程简介
一、课程性质与地位
单一聚合物材料往往难以满足社会对聚合物 材料愈来愈高的要求，多相复合材料成为当前材 料研究的重要对象。聚合物基复合材料是目前研 究最为深入、工艺最为成熟、品种最为齐全、应 用最为广泛的一类复合材料。它已经成为航空、 航天、兵器等领域的骨干材料之一，其在化工、 船舶、桥梁、体育用品、建筑等领域已经获得广 泛的应用。
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玻璃钢简介
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3.玻璃钢材料，还是一种节能型材料: 若采用手工糊制的方法，其成型时的温度一般在室温 下，或者在100℃以下进行，因此它的成型制作能耗 很低。
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玻璃钢简介
（1） FRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1×106）小10倍，因此在产品
结构中常感到刚性不足，容易变形。 可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥
复合材料的比模量略低于金属材料
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.5 复合材料的特性
1.5.2 耐疲劳性能好、破损安全性能高
➢ 金属材料的疲劳破坏：没有明显预兆的突发性破坏； ➢ 复合材料：纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其 疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展逐步进行， 时间长，破坏没有明显的预兆。 ➢ 金属材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的30-50%，聚 合物基复合材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的70-80%
层间剪切强度是靠树脂来承担的，所以很低。可以通过选择工艺、使用偶联剂 等方法来提高层间粘结力，最主要的是在产品设计时，尽量避免使层间受剪。
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玻璃钢简介
如按工艺特点来分，有手糊成型、层压成型、RTM法(树脂 传递模塑成型技术)、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。
目前世界上使用最多的成型方法有以下四种。 ① 手糊法：主要使用国家有挪威、日本、英国、丹
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增强纤维的类型
(1)碳纤维 (2)玻璃纤维 (3)有机纤维 (4)硼纤维 (5)碳化硅 (5)混杂纤维
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玻璃钢简介
以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑 料，称为玻璃纤维增强塑料，或称为玻璃钢。 (国际公认的缩写符号为GFRP)
由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯 玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.1 前言：
2、复合材料的意义 现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如：火
箭壳体材料对射程的影响:
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第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
碳/碳复合材料
以碳纤维或碳化硅纤维(或织物)为增强体，以碳为基体 的复合材料的总称。碳基复合材料有两种制备方法：
行设计复合制作而成，因此只要选择适宜的原材料品 种，基本上可以满足各种不同用途对于产品使用时的 性能要求。
2.玻璃钢产品，制作成型时的一次性: 只要根据产品的设计，选择合适的原材料铺设方
法和排列程序，就可以将玻璃钢材料和结构一次性地 完成，避免了金属材料通常所需要的二次加工，从而 可以大大降低产品的物质消耗，减少了人力和物力的 浪费。
麦等。 ② 喷射法：主要使用国家有瑞典、美国、挪威等。 ③ 模压法：主要使用国家有德国等。 ④ RTM法：主要使用国家有欧美各国、日本。
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它的应用范围相当广泛，主要有以下应用领域： 1.化工、制药、石油等行业 2.船舶行业 3.汽车、摩托车及自行车行业 4.航空航天、军工业 5.运动娱乐制品及设施 6.电气、电子、电器、通信行业 7.交通、物流行业 8.工艺品 9.建筑行业 10.暖通、空调及水工程 11.其他