济南大学复合材料原理PPT课件

复合材料
尼龙-66（含 40％玻纤）
尼龙-66（含 40％碳纤）
尼龙-12（含 30％玻纤）
PPS（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PSU（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PP（含30％ 玻纤）
PP（含30％ CaCO3）
导热系数 [W/(m·K)]
0.50 1.21 0.24 0.40 0.75 0.31 0.80 0.33 0.35
c 1 ABVf m 1 BV f
A＝KE－1 KE—爱因斯坦系数
f B f (m 1)
(m A)

1 1 Pf Pf 2
Vf
Pf—填料的最高
填充容积分数 9
各种材料的导热系数
聚合物 尼龙-66 尼龙-12
PPS PSU PP
导热系数 [W/(m·K)]
(8.1)
1
如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数：
Wm

m (1 V f ) f V f m (1 V f
)
如何推导Vf？
Wm f V f Wm m WmV f m m mV f
V f [Wm f m (1 Wm )] m (1 Wm )
随着填料的不同，复合塑料可用作隔热或导热 材料。以空气为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料， 而以碳纤维、金属粉等为填料的复合塑料则可作为导 热性复合材料使用。
8
复合材料的导热系数在理想情 况下可由下列复合规则估算：
c m(1V f ) f V f
实际的复合材料由于填料的形态等因素的影响，其导 热系数各异。Nielsen考虑了这些因素后提出下列公式：
13
8.2.2 耐热性
表征非结晶性聚合物
mWm f f m (1 Wm ) Wm f (1 Wm )m

m f
Wm f (1Wm )m
对于聚合物基复合材料， 由 于 ρm 对 大 多 数 聚 合 物 来 说差别不大，当填料一定 时，复合材料的密度主要 取决于填料的含量。
3
8.2 热性能
8.1 密度
复合材料的最基本物性
复合材料中，基体或填料的含量通常以质量百分 率表示，必须将质量百分率换算成体积百分率， 才能应用复合规则来估算复合材料的密度。
c m (1V f ) f V f
ρc——复合材料的密度； ρm——基体的密度； ρf——增强体的密度； Vf——增强体的体积分数。
FRTP（含GF30％）
2.3
7.1
PET FRTP（含GF30％）
0.75
4.5
由于纤维在流动方向的取向，使流动方 向上及与之垂直方向上的热膨胀系数产生很大的 7
影响成型速度
制备导热或隔热性制品
塑料的成型工艺几乎都伴随着加热和冷却过 程。填料的加入，如果提高混合物的导热系数，可缩 短加热或冷却时间，也就是提高成型速度。
热膨胀系数
热性能
热基础物性
导热系数
热功能复合材料 的最重要性质
比 热
耐热性
与力学性能并列为结构 复合材料最重要的特性
4
8.2.1 热基础物 性
基本上可按复合规则加以估算：
c m (1V f ) f V f
α ——热膨胀系数；
Vf——增强体的容积分数； 角标c、m、f分别代表复合材料、基体和增强体。
0.5
PP(含30％GF，质 量比)
3.2
PVC(硬质)
7-8
碳纤维（PAN系） （0.3-0.5）
PC（含30％GF， 质量比）
2.7
PC
7
滑石粉
0.8
尼龙66（含30％GF， 质量比）
2.2
尼龙－6
8
CaCO3
1
AS（含30％GF， 质量比）
2.8
尼龙－66 10-15
铝
2.4
PP（含33％ CaCO3，质量比）
0.25 0.29 0.28 0.26 0.13
填料的导热系数一 般比聚合物的大， 可预计，复合塑料 的导热系数要比单 纯聚合物的大。
填料 E－玻纤 碳纤维 碳酸钙 滑石粉 铁（钢）
铝 杉（纵向） 杉（横向）
导热系数 [W/(m·K)]
1.30 2.10-10.45
2.34 2.10 58.52 209 0.42 0.11
4.2
AS
6-7
铁
1.2
Fra Baidu bibliotek
PVC（含33％木粉， 质量比）
3.2
6
膨胀系数的各向异性
材料
热膨胀系数①（╳10-5/℃）
流动方向
垂直流动方向
尼龙-6 非增强
11.7
13.7
FRTP（含GF30％）
0.87
12.0
PC 非增强
7.6
7.6
FRTP（含GF30％）
1.9
6.8
改性 PPO 非增强
7.7
8.5
设各元素在处于液体和固体时的摩尔比热：
元素
液体
固体
C
2.8
1.8
H
4.8
2.3
O
6.0
4.0
S、P
7.4
5.4
F
7.0
5.0
Si
5.8
3.8
B
4.7
2.7
其他元素
8.0
6.2
12
以碳酸钙为例，其比热可计算如下： Ca C O3(固体) 6.2＋1.8＋3×4.0＝20
碳酸钙的分子质量＝40.08 + 12.01 + 3×16＝100.09 故其质量比热cf＝20／100.09＝0.20cal／g＝0.837J／g. ℃ 这个值与碳酸钙在20℃时的实测值为0.857J／g.℃基本吻合 。
Vf

(1Wm )m
Wm f (1 Wm )m
2
c m (1V f ) f V f (8.1)
Vf

(1Wm )m
Wm f (1 Wm )m
c


m
[1

Wm
(1
f

Wm )m
(1 Wm
)

m
]

f
(1 Wm )m Wm f (1 Wm )m
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使单位物量的某种物质升 高单位温度所需的热量
质量比热
容量比热 摩尔比热 复合材料在一定温度下的比热基本上可由复合规则估算：
cc cm (1 V f ) c f V f
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填料的质量比热一般比聚合物的稍小，因 此复合材料的质量比热也比单一聚合物的稍小。但 两者的容量比热则无大差异。
一般无机填料的热膨胀系数较聚合物的要小 得多，所以，填充无机填料的复合塑料其热膨胀系数 要较纯聚合物的小，其数值接近于金属的热膨胀系数。
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聚合物、填料及其复合材料的热膨胀系数(×10-5)
热膨胀系数 聚合物 （1/℃）
填料
热膨胀系数 （1/℃）
复合材料
热膨胀系数 （1/℃）
PP
10-11
玻璃纤维E