聚合物复合材料(第四章结构与性能)
聚合物复合材料结构与性能
聚合物复合材料结构与性能聚合物复合材料是一种由聚合物基体和强化材料组成的复合材料。
它们通常由一种或多种聚合物基体和一种或多种强化材料（如纤维、颗粒或片状材料）组成。
聚合物复合材料结构与性能的关系是这个领域中的一个重要研究方向。
聚合物复合材料的结构对其性能起着至关重要的作用。
一种常见的结构是增强相和基体相之间的相互作用。
增强相通常是纤维或颗粒形状的材料，如碳纤维或玻璃纤维，它们在材料中起到增强的作用。
基体相则是聚合物基体，负责保护和支持增强相。
增强相和基体相之间的相互作用可以通过化学键或物理吸附等方式实现。
这种相互作用能够有效地传递载荷和提高材料的强度和刚度。
除了增强相和基体相之外，还有其他的结构元素对聚合物复合材料的性能有影响。
例如，界面区域的结构对材料的耐磨性、耐腐蚀性和耐热性等性能有重要影响。
界面区域是增强相和基体相之间的过渡区域，通常存在有界面粘接剂和界面改性剂。
这些物质能够改善增强相和基体相之间的相互作用，提高界面的粘结强度和界面的相容性。
聚合物复合材料的性能主要取决于结构和组成。
通常，具有优异性能的材料应具备以下几个特点：1. 高强度和刚度：由于增强相的存在，聚合物复合材料具有比纯聚合物更高的强度和刚度。
这使得它们在结构工程和航空航天等领域具有广泛的应用前景。
2. 轻质化：聚合物复合材料通常比金属材料更轻，具有优异的比强度和比刚度。
这使得它们成为替代金属的理想选择，可以减轻结构负荷，提高产品的能源效率。
3. 耐腐蚀性：由于基体相通常是聚合物材料，聚合物复合材料具有优异的耐腐蚀性能，不容易受到酸、碱和其他化学品的侵蚀。
这使得它们在化工和油气行业等领域中得到广泛应用。
4. 耐热性：聚合物复合材料通常具有较高的耐热性能，可以在高温环境下长时间工作而不失效。
这使得它们在航空航天和汽车工业等高温应用中具有重要意义。
总之，聚合物复合材料的结构与性能是密不可分的。
通过合理设计复合材料的结构，可以实现材料性能的优化，满足各种工程应用的需求。
第4章_聚合物基复合材料的界面
尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中 有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且
也形成了应力集中点。
20
（6）变形层理论
该理论认为，压件表面有一层偶联剂涂层是柔性层，提供 具有“自愈能力”的化学键，在外载作用下，处于不断形 成于断裂的动态平衡。
（7）优先吸附理论
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：复合材料复合效应产生的根源
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
6
复合材料的综合性能并不是由各单一组分性能
的简单加合，而是一种线性关系；
各组分既独立又相互依存，这种是由复合材料
的界面决定的。
7
界面效应
和，即物理和化学吸附作用。
高聚物的粘结作用分两个阶段： 第一阶段：高聚物大分子借助于宏观布朗运动从液体或熔 体中，移动到纤维表面，大分子链节逐渐向纤维表面极性 基团靠近； 第二阶段：发生吸附作用。当纤维与聚合物分子间距 <0.5nm，形成各种分子间作用力（吸附产生的根本原因）。
16
润湿吸附理论的局限性：
11
在复合材料的指制备中，一般都有一个要求，即 要求组分间能牢固地结合，并且有足够的强度。 要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量 的最低结合，存在液体对固体的良好浸润。 浸润： 是把液滴放到固体表面，液滴会立即铺展开来，遮盖 固体表面，这一现象称为浸润。
Water droplet on a lotus leaf
纤维及树脂间的化学变化，引起界面粘结破坏。 （1）水的浸入 水分子体积小，极性大，易浸入界面； 水 吸 附 特 点
玻璃纤维吸附水能力很强，且吸附可通过水膜进行传递， 形成多层吸附，即较厚的水膜；
聚合物基复合材料-性能
性能 0º
剪切强度(MPa) 85
方向 15º 30º 45º 60º 75º 90º 83.2 95.0 99.2 98.1 90.7 89.5
工程材料
6
3. 疲劳特性
影响FRP疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强度 高的FRP，其疲劳强度也高。与静态强度不同，每种FRP存在一 个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于或高 于最佳值，其疲劳强度都会下降。
工程材料
20
提高FRP耐水性的方法： (1) 纤维进行偶联剂表面处理； (2) 选用耐水性好的树脂； (3) 表面采用表面毡形成富树脂层； (4) 表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等。
工程材料
21
单向FRP的压缩强度随纤维含量增加而提高，但并非成比例 增长。
工程材料
5
(3) 弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤维
制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。
(4)剪切特性 纤维含量增大，FRP的剪切弹性模量上升，FRP的剪切特性也
呈现方向性。
E-42环氧FRP垂பைடு நூலகம்板面剪切性能
分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂的 电性能。
工程材料
8
FRP的电性能对于纤维与树脂的界面粘结状态并不敏 感，但杂质尤其是水分对其影响很大。当FRP处于潮湿环 境中或在水中浸泡之后，其体积电阻、表面电阻以及电 击穿强度急速下降。
工程材料
9
2. FRP的温度特性
（1）热性能
包括导热系数、比热容、线膨胀系数和热变形温度
工程材料
13
影响热固性树脂耐热性的主要因素：大分子链刚性、固 化剂性质和体型树脂的固化交联密度等。
第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜
幻灯片20
(1)纯弹性型
A陶瓷、岩石、大多数玻璃
B高度交联的聚合物
C以及一些低温下的金属材料。
(2)弹性-均匀塑性型
A许多金属及合金、
B部分陶瓷
C非晶态高聚物。
(3)弹性-不均匀塑性型
A低温和高应变速率下的面心立方金属，
B某些含碳原子的体心立方铁合金
C以及铝合金低溶质固溶体。
K=σ/(ΔV/V)=6.89Mpa/[1-0.9883]=193.7Mpa
E=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa
ν=0.5(1-E/3K)=0.48
幻灯片36
金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为普弹性，主要的特点是：
A应变在应力作用下瞬时产生，
B应力去除后瞬时消失，
C服从虎克定律。
比例极限
弹性变形时应力与应变严格成正比关系的上限应力
p = F p / S 0
条件比例极限
tan’/tan=150%
p50
代表材料对极微量塑性变形的抗力
切线
幻灯片45
（条件）弹性极限最大弹性变形时的应力值。
弹性比功弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生
永久变形的能力W=/2=2/2E
残留变形时的应力
高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性
幻灯片37
幻灯片38
2.有机聚合物的弹性、粘弹性
Elasticity and Visco-elasticity of Polymers
⑴高弹性，即橡胶弹性(rubberlike elasticity)
①弹性模量小、形变大。
A一般材料，如铜、钢等，形
变量最大为1左右，
聚合物基复合材料的结构与性能研究
聚合物基复合材料的结构与性能研究近年来，聚合物基复合材料因其优良的力学性能、尺寸稳定性和化学稳定性，在各个领域得到了广泛应用。
复合材料的性能受其结构和成分的影响，因此研究复合材料的结构与性能关系对其应用具有重要意义。
一、聚合物基复合材料的结构及其影响因素聚合物基复合材料是将一种聚合物作为基体，通过加入填料、增强剂、改性剂等制得的一种新型复合材料。
其结构由基体聚合物和强化相、填充相等多种组成部分构成，其结构多样性决定了其性能的多样性。
1. 基体聚合物作为聚合物基复合材料的主要组分，基体聚合物的选择直接决定了复合材料的性能。
常用的基体聚合物有聚酰亚胺、聚丙烯、聚酰胺、聚酯等。
2. 填充相填充相是指在基体聚合物中加入的填料或固化剂，其作用是增加复合材料的硬度、强度和耐磨性。
填充相的种类包括炭黑、氧化铝、碳纤维等。
3. 强化相强化相是指在基体聚合物中加入的增强剂，其作用是增强复合材料的强度和刚度。
强化相的种类包括玻璃纤维、碳纤维等。
二、聚合物基复合材料的性能1. 机械性能聚合物基复合材料具有优异的强度和模量，广泛应用于各种领域。
复合材料的力学性能包括拉伸强度、伸长率、弯曲强度、压缩强度等。
2. 热学性能聚合物基复合材料的热学性能受复合材料的结构和成分等因素影响，主要包括热膨胀系数、热导率等。
其中热膨胀系数是热学性能的关键参数之一，它直接影响复合材料在热膨胀、热收缩方面的性能。
3. 电学性能聚合物基复合材料的电学性能是其应用于电子器件和电力设备等领域的关键因素之一。
常用的评价指标有介电常数、电阻率等。
三、结构与性能的关系聚合物基复合材料的结构与性能之间存在密切的关系。
在复合材料的制备过程中，填料和增强剂的种类、性质、组分以及加入量等都会影响复合材料的结构和性能。
为了探究聚合物基复合材料的结构与性能之间的关系，目前采用的方法主要包括分子模拟、力学测试、表面接触角测量法、分析表面形貌和结构等手段。
结构的改变可以通过增加填料的量，改变填料种类以及改变填料的粒径等方法来实现。
聚合物材料制备工艺的结构与性能优化
聚合物材料制备工艺的结构与性能优化聚合物材料是由多个单体分子经过聚合反应形成的高分子化合物，具有多种优异的性能，如高强度、优良的耐热性和耐化学腐蚀性等。
聚合物材料的结构与性能直接相关，通过优化制备工艺，可以提高聚合物材料的结构组成和性能表现。
聚合物材料的结构与性能主要包括以下几个方面：1. 分子量：聚合物材料的分子量决定了其物理性能，如强度、弹性等。
分子量大的聚合物通常具有更高的强度和更好的耐热性。
在制备过程中，可以通过控制反应时间和添加适当的调节剂来控制分子量。
2. 支链结构：聚合物材料的支链结构对其性能有显著的影响。
适量的支链可以提高聚合物材料的韧性和抗冲击性。
通过在聚合反应中引入适量的共聚单体或交联剂，可以控制支链的数量和长度。
3. 结晶性：聚合物材料中的结晶结构可以影响其力学性能、热性能和光学性能等。
通过控制聚合反应的温度和挤出、拉伸等制备工艺，可以调控聚合物材料的结晶行为。
4. 分子排列方式：聚合物材料中的分子排列方式也对其性能有重要影响，如聚丙烯的区域结晶和畸变排列对其力学性能具有重要影响。
通过控制制备工艺和添加适当的添加剂，可以改变聚合物分子的排列方式，从而改善聚合物材料的性能。
为了优化聚合物材料的结构与性能，需要结合具体的要求和应用场景，采取适当的制备工艺。
一种常用的制备工艺是挤出熔融法，通过将聚合物料粒加热熔融后挤出成型。
在这个过程中，可以通过改变挤出温度、挤出速度、挤出模具的设计等参数，来优化聚合物材料的结构和性能。
此外，还可以采用溶液法、乳液法、熔体共混法等不同的制备工艺，针对不同的聚合物材料和要求进行优化。
例如，采用溶液法制备聚合物材料可以获得高分子量、低聚合度分散性好的成分，适用于制备具有高强度要求的材料。
综上所述，聚合物材料的结构与性能是相互关联的，通过优化制备工艺，可以改变聚合物材料的结构组成和性能表现。
根据具体要求和应用场景，选择适当的制备工艺，调控聚合物的分子量、支链结构、结晶性和分子排列方式等因素，可以提高聚合物材料的性能，并且满足不同领域的需求。
聚合物结构与性能
1、分析HIPS结构组成、加工原理、结构特点与性能高抗冲聚苯乙烯，是将少量聚丁二烯接技到聚苯乙烯基体上。
具有“海岛结构”，基体是塑料，分散相是橡胶 .具有诸多的特性 :①耐冲击聚苯乙烯为热塑性树脂；②无臭、无味、硬质材料、成形后尺寸安定性良好；③有优秀的高介电性绝缘性；④为非晶质低吸水性材料；⑤其光泽性良好易于涂装。
2、分析ABS结构组成、结构特点、性能ABS树脂是丙烯酸、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。
共聚的方式是无规共聚与接枝共聚相结合：它可以是以丁苯橡胶为主链，将苯乙烯、丙烯腈接在支链上；也可以是丁腈橡胶为主链，将苯乙烯接在支链上；也可以以苯乙烯-丙烯腈的共聚物为主链，将丁二烯和丙烯腈接在支链上等等。
ABS三元接枝共聚物兼有三种组分的特性。
其中丙烯腈有氰基，能使聚合物耐化学腐蚀，提高制品的抗张强度和硬度；丁二烯能使聚合物呈现橡胶状的韧性，这是材料抗张强度增强的主要因素；苯乙烯的高温流动性能好，便于加工成型，且可改善制品的表面光洁度，是一种性能优良的热塑性塑料。
3、聚合物的增韧增强增韧：①橡胶增韧，如通过橡胶增韧苯乙烯-丙烯腈共聚物树脂，制备性能优良的ABS工程塑料。
②刚性无机填料增韧，如纳米碳酸钙粒子增韧高密度聚乙烯。
③热塑性塑料增韧，如热塑性塑料增韧双马来酰亚胺树脂。
④液晶聚合物增韧，如热致性液晶聚合物增韧环氧树脂。
增强：添加无机纳米粒子如TiO2、SiO2、Al2O3、CaCO3 等和橡胶纳米粒子以及蒙脱土等片状硅酸盐等形成聚合物基纳米复合材料；添加纤维状填料如碳纤维、石墨纤维、硼纤维和单晶纤维-晶须或短玻璃纤维等。
4、PE结构、材料的加工原理聚乙烯的分子是长链线型结构或支结构，为典型的结晶聚合物。
在固体状态下，结晶部分与无定型共存。
结晶度视加工条件和原处理条件而异，一般情况下，密度高结晶度就越大。
LDPE结晶度通常为55 %-- 65%，HDPE结晶度为80%-90%。
高密度聚乙烯通常使用Ziegler-Natta聚合法制造，其特点是分子链上没有支链，因此分子链排布规整，具有较高的密度。
聚合物结构与性能
一、名词解释（5个）聚合物分子（高聚物分子，通常简称为高分子）：(1)这些部分是由相对低分子质量的分子衍生的单元(所谓的单体单元或链节) (2)并且只有一种或少数几种链节(3)这些需要的链节多重重复重现。
长周期：在纤维轴方向片晶和非晶能重复出现的最短距离，即片晶和非晶的平均厚度之和 缚结分子：连结至少两个晶体的分子。
初期结晶：是指液态或气态初步形成晶体的过程预先成核：晶核预先存在，成核速率与时间无关。
二、概念的区别与联系（4对）1、微构象与宏构象微构象：分子中的一小部分由于一个或数个键的内旋转所引起的构象。
宏构象：表示在单键周围的原子和原子基团的旋转产生的空间排列。
2、玻璃化转变温度与熔融温度玻璃化转变温度：非晶态聚合物或部分结晶聚合物中非晶相发生玻璃化转变所对应的温度。
熔融温度：晶体物质由固态向液态转变时固液两相共存的温度。
3. 应力与应变应力：受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。
应变：物体内任一点因各种作用引起的相对变形。
4、质量结晶度与体积结晶度质量结晶度：X-射线被高聚物中原子散射的强度与原子所处的状态无关，原子的聚集状态只决定衍射线的位置与形状，不影响总强度。
因此可以认为非晶部分的质量与结晶部分的质量之比，等于非晶部分的衍射强度与结晶部分的衍射强度之比。
即(m m m a a c c I I I ∝∝∝,,)。
理论上，只要知道晶区和非晶区衍射的X 射线的总强度，就可计算结晶度。
在实际工作中，只能在一定的角度范围收集衍射强度数据，无法收集到样品衍射或散射X 射线的总强度。
这样，在所收集的数据中，晶区或非晶区对衍射强度的贡献可能偏高或偏低。
所以，应加入比例常数 即c a ca I I k m m =，a c c a c c x c kI I I m m m w +=+=,，式中， K 为比例常数。
体积结晶度： 用X-射线衍射法体积结晶度。
根据微原纤结构模型即可测得结晶度L Dx c =,φ式中，D 为晶片厚度，L 为长周期。
复合材料-第四章复合材料界面
（1）物理因素
例1 粉末冶金制备的W丝/Ni，钨在镍中有很大的固溶度，在1100℃左右使用50小时后，钨丝发生溶解，造成钨丝直径仅为原来的60%，大大影响钨丝的增强作用，如不采取措施，将产生严重后果。为此，可采用钨丝涂覆阻挡层或在镍基合金中添加少量合金元素，如钛和铝，可以起到一定的防止钨丝溶入镍基合金的作用。
如何防止碳在镍中先溶解后析出的问题，就成为获得性能稳定的Cf / Ni的关键。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降。
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1.界面的形成 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： ①基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。 ②聚合物的固化阶段。聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。
1
2
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层组成。
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以下几种效应。……P61
复合材料界面设计的原则(总的原则)
界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。
纤维增强聚合物复合材料结构与性能概述
聚合物复合材料纤维增强聚合物复合材料结构与性能概述班级 1120741学号 25姓名王彦辉纤维增强聚合物复合材料结构与性能概述一前言纤维增强复合材料简称（FRP)是由增强纤维材料,如玻璃纤维,碳纤维,芳纶纤维等,与基体材料经过缠绕,模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。
根据增强材料的不同,常见的纤维增强复合材料分为：玻璃纤维增强复合材料(GFRP),碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。
由于纤维增强复合材料具有如下特点:(1)比强度高,比模量大;(2)材料性能具有可设计性:(3)抗腐蚀性和耐久性能好;(4)热膨胀系数与混凝土的相近。
这些特点使得FRP材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要,同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求,因此被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中。
纤维增强聚合物基复合材料也存在着一些缺点和问题，纤维的加入虽然提高了复合材料的力学性能，但同时由于其组分的多样性和制造工艺过程中稳定性问题，都会导致材料中出现缺陷 ( 比如空隙、分层、夹杂、纤维分布不均等 )。
由于这些缺陷的存在，降低了纤维增强聚合物基复合材料料的延展性、断裂韧性、疲劳寿命、抗蠕变损伤的能力。
二、纤维增强聚合物基复合材料的特性1.比强度、比模量大碳纤维、硼纤维等有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度比钛合金高3-5倍，比模量比金属高4倍。
这种性能因增强的纤维排列不同会在一定的范围内浮动。
2.耐疲劳性能好金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏，二聚合物基复合材料中纤维与集体的界面能阻止材料的受力所致裂纹的扩展。
因此，其疲劳破坏总能从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。
大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30-50%，而碳纤维聚酯复合材料的疲劳强度极限可为其拉伸强度的70-80%。
聚合物基复合材料(PMC)
粘着理论
对一个简单系统来说，界面的粘结是由纤维与基 体间的粘着力引起的。然而，纤维上常涂有一层涂料， 这层涂料形成纤维与基体之间的结合层，对粘着可以 认为主要是发生在界面上的五种机理，即吸附和浸润、 相互扩散、静电吸引、化学键结合、机械粘着所造成 的。它们或者独立作用或者联合作用产生界面的粘结。
PMC界面粘接强度测定源自预浸料及预混料制造工艺（续）
SMC的生产一般是在专用SMC机组上进行。生产 上，一般先把除增强纤维以外的其它组分配成树脂糊， 再在SMC机组上与增强纤维复合成SMC。
成型固化工艺
复合材料及其制件的成型方法，是根据产品 的外形、结构与使用要求并结合材料的工艺 性来确定的。 已在生产中采用的成型方法有：1）接触成型 类：手糊成型、湿法铺层成型、注射成型；2） 压力成型类：真空袋压法成型、压力袋成型、 热压罐成型、模压成型、层压或卷制成型；3） 其他成型：纤维缠绕成型、拉挤成型、连续 板材成型、热塑性片状模塑料热冲压成型、 树脂注射和树脂传递成型、喷射成型、真空 辅助树脂注射成型、夹层结构成型、挤出成 型、离心浇铸成型等。
成型固化工艺（续）
模压成型工艺简介
模压成型是一种对热固性树脂和热 塑性树脂都适用的纤维复合材料成 型方法。 具体方法是：将定量的模塑料或颗 粒状树脂与短纤维的混合物放入敞 开的金属对模中、闭模后加热使其 熔化，并在压力作用下充满模腔， 形成与模腔相同形状的模制品，再 经加热使树脂进一步发生交联反应 而固化，或者冷却使热塑性树脂硬 化，脱模后得到复合材料制品。
预浸料/预混料的制造。预浸料或预混料是一类PMC的半成品形
式，它们是其它一些制品制造工艺(如压力成型)的原材料。
成型。就是将预浸料根据产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是
4-第四章_复合材料层合板的弹性特性重大
N x N y N xy
h 2
h
x
dz
Mx
2 h 2
h
2 h
y
dz
（ 4.16）M
y
2
h
2
x
y
dz
M xy
h 2
h
x
zdz
2 h 2
h
2 h
y
zdz
（4.17）
2
h
2
xy
zdz
式（4.16）中的三个内力 N x , N y , N xy 是处于同一个面内、单位宽度上的轴力和剪
Q11 Q21
Q12 Q22
Q16
Q26
0 x
0 y
Q11 z Q21
Q12 Q22
Q16
Q26
kx ky
xy
k
Q16
Q26
Q66
k
0 xy
Q16
Q26
Q66
k
k
xy
（4.14）
N N
x y
n
N xy k1
hk hk 1
x y
dz （4.18）
xy k
层合板变形后仍保持直线，并垂直于变形后的中面。因此
2.
层合板横截面上的剪应变为0，即： 等法线假设：原垂直于中面的
xz
0,
yz 0
3.
法线受载后长度不变，应变为0： 平面应力假设：各单层处于
z
w 0 z
平面应力状态，即有： z xz yz 0
4. 线弹性和小变形假设： 各单层应力应变关系 是线弹性的。层合板 是小变形板(满足弹 性力学的基本方程)。
复合材料学 第四章 复合材料的界面.
于复合材料的破坏形式随作用力的类型、原 材料结构组成不同而异，故破坏可开始在树 脂基体或增强剂，也可开始在界面。有人通 过力学分析指出，界面性能较差的材料大多 呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、 纤维拔出、纤维应力松弛等现象。但界面间 粘结过强的材料呈脆性也降低了材料的复合 性能。界面最佳态的衡量是当受力发生开裂 时，这一裂纹能转为区域化而不产生进一步 界面脱粘。即这时的复合材料具有最大断裂 能和一定的韧性。由此可见，在研究和设计 界面时， 不应只追求界面粘结而应考虑到最
第四章 复合材料的界面
4.1 概 述 复合材料的界面是指基体与增强物之间化 学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能 起载荷传递作用的微小区域。界面虽然很小， 但它是有尺寸的，约几个纳米到几个微米， 是一个区域或一个带、或一层，厚度不均匀， 它包含了基体和增强物的部分原始接触面、 基体与增强物相互作用生成的反应产物、此 产物与基体及增强物的接触面，基体和增强 物的互扩散层，增强物上的表面涂层、基体 和增强物上的氧化物及它们的反应产物等。
基体的表面薄层构成的，基体表面层的厚度 约为增强纤维的数十倍，它在界面层中所占 的比例对复合材料的力学性能有很大影响。 对于玻璃纤维复合材料，界面层还包括偶联 剂生成的偶联化合物。增强纤维与基体表面 之间的距离受化学结合力、原子基团大小、 界面固化后收缩等方面因素影响。 2. 界面作用机理 界面层使纤维与基体形成一个整体，并通 过它传递应力，若纤维与基体之间的相容性 不好，界面不完整，则应力的传递面仅为纤 维总面积的一部分。 因此，为使复合材料内
界面虽然很小但它是有尺寸的约几个纳米到几个微米是一个区域或一个带或一层厚度不均匀它包含了基体和增强物的部分原始接触面基体与增强物相互作用生成的反应产物此产物与基体及增强物的接触面基体和增强物的互扩散层增强物上的表面涂层基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物等
第四章 4.3复合材料加工原理--纤维增强复合材料的制备工艺
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
3.液态金属浸渍法 3.液态金属浸渍法 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 属而制成金属基复合材料的方法。 属而制成金属基复合材料的方法。 熔浸方法有两种，一 熔浸方法有两种， 种是在上部真空炉中熔化 金属后， 金属后，浇入下部放有预 成形体的型中进行熔浸； 成形体的型中进行熔浸； 另一种是将真空熔化的金 属浇入放有顶成形体的型 内后， 内后，用压缩空气或惰性 气体加压实现强制熔浸， 气体加压实现强制熔浸， 叫加压熔浸。 叫加压熔浸。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
7.电镀法 7.电镀法 利用电解沉积的原理在纤维表面附着一层金属 而制成金属基复合材料。如：将液态金属放置在电 而制成金属基复合材料。 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴， 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴，在卷轴与液 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极， 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极，卷轴为 阴极，在金属不断电解的同时， 阴极，在金属不断电解的同时，卷轴以一定速度卷 集附着金属层的纤维。 集附着金属层的纤维。将电镀后的纤维按一定方式 层叠、热压，制成复合材料。 层叠、热压，制成复合材料。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
6.等离子喷涂法 6.等离子喷涂法 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子，从 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子， 而制备金属基纤维增强复合材料。 而制备金属基纤维增强复合材料。如：将碳化硅连 续纤维缠绕在滚筒上， 续纤维缠绕在滚筒上，用等离子喷涂的方法将铝合 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/ 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/铝合金复合材料 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。
复合材料的结构与性能
复合材料的结构与性能复合材料是指由两种或两种以上的成分组成的材料，其具有优良的综合性能。
本文将从复合材料的结构和性能两个方面进行探讨。
一、复合材料的结构复合材料的结构由纤维增强体和基体组成。
纤维增强体是复合材料的主要组成部分，常见的纤维增强体有玻璃纤维、碳纤维和聚合物纤维等。
纤维增强体的作用是提供强度和刚度，同时还可以耐受拉伸和压缩等力的作用。
基体是纤维增强体的粘结剂，常见的基体有热固性树脂和热塑性树脂等。
基体的作用是保护纤维增强体、分散外部作用力以及提供耐化学腐蚀的能力。
在复合材料的结构中，还有一个重要的部分是界面层。
界面层位于纤维增强体和基体之间，起着连接和传递力的作用。
一个好的界面层能够提高复合材料的力学性能，并且能够防止纤维增强体与基体之间的剪切滑移。
二、复合材料的性能1.力学性能复合材料的力学性能包括强度、刚度、韧性和疲劳性能等。
由于纤维增强体的加入，复合材料具有较高的强度和刚度，能够承受较大的力。
同时，纤维增强体还可以提高复合材料的韧性，使其在受到冲击或者拉伸时不易断裂。
此外，复合材料还具有良好的疲劳性能，能够承受多次循环加载而不产生破坏。
2.导热性能复合材料的导热性能取决于纤维增强体和基体的热导率，以及界面层的热阻抗。
通常情况下，纤维增强体具有较高的导热性能，而基体则具有较低的导热性能。
界面层能够减少热量的传递，降低导热性能。
这种导热性能的差异使得复合材料在一些特定的应用中起到优异的绝缘和隔热效果。
3.耐化学性能复合材料具有良好的耐化学性能，能够在各种酸、碱、盐等腐蚀介质中长期使用。
这主要是由于纤维增强体和基体的化学稳定性较高，能够抵御腐蚀介质的侵蚀。
同时，界面层的存在也能够减缓腐蚀的发生。
4.重量轻由于纤维增强体的加入，复合材料具有很轻的重量。
相比于传统的金属材料，复合材料的重量可以减轻30%到50%。
这使得复合材料成为航空航天、汽车、体育器材等领域的理想选择。
结论：综上所述，复合材料的结构和性能密不可分，其结构特点决定了其优异的力学性能、导热性能和耐化学性能。
第四章聚合物基体复合材料
0.4 0.8
0.6 0.8 0.2 0.4 0.14 0.20 0.4 0.10 0.4 0.1 0.1 0.6
63 155
50 127 80 96 140 149 85 240 70 250 83 100
1.3~1.6 0.2~0.8
1.5~2.5 0.3~1.0 0.3~0.6 0.1~0.3 0.5~0.7 0.1~0.3 0.8~2.0 0.3~0.6 0.7~1.4 0.4~0.8 0.4~0.6 0.1~0.3
可以通过手糊、模压、缠绕、拉挤等各种工艺制备复合 材料。可根据制品性能要求和成型工艺方法来选择不同 牌号的树脂。 固化时收缩率较大，预浸料贮存期限短，含苯乙烯，有刺 激性气体，长期接触对身体健康不利。树脂的耐热性差。 但价格便宜、制备工艺性好。 广泛应用于电器、建筑、防腐、交通等诸多领域。
环氧树脂（EP）
聚酯
尼龙66
ABS树脂
高强度高模量纤维增强塑料
各种高强、高模纤维增强复合材料性能
常用的热固性树脂其它物理性能
热固性高聚物一直在连续纤维增强树脂基复合材
料中占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主
要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，
约占总量的80％，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀
性或先进复合材料基体。
传统的聚合物基体，固化前热固性树脂粘度很 低，宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较低的 温度和压力下固化成型；固化后具有良好的耐 药品性和抗蠕变性。缺点是热固性树脂所用的 预浸料需要低温冷藏，且贮存期较短；成型周 期长，材料的韧性差。
35 85
21 90 70 110 95 200 130 200 110 260 67 130
45 60
20 35 100 130 88 150 130 150 34 170 80 100
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
弥散结构
颗粒增强
短纤维增强
片状物增强 10
单向板结构
单向连续纤维增强复合材料示意图
连续纤维在基体中呈同向平行排列 的复合材料叫单向连续纤维增强复合
材料（单向板）。
沿纤维方向具有较高的强度，与纤维
任意夹角方向的强度明显下降。
11
层合（板）结构
正交织物增强（双向板）
层向强度最差
双向板
12
多向板
三维编织纤维结构
聚合物复合材料(第四章结构与性能)
1 聚合物基复合材料的结构
➢聚合物基复合材料由聚合物与粒子填料或纤维状填料组 成，通常形成聚合物为连续相，填料、纤维为分散相，个 别的形成两相共连续结构
4
1 聚合物基复合材料的结构
颗粒填充聚合物复合材料：无机粒子为分散相、聚合物为 连续相
5
1 聚合物基复合材料的结构
三维正交非织造的纤维结构
(a)非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构 (c）一种柔性结构
(a)
(b)
(c)
厚度方向有增强纤维，可以获得较高的层间强度
管、容器的螺旋缠绕、平面缠绕线型
13
夹层结构一般都是由高强度的蒙皮(表层)与轻质芯材组成的 一种结构材料。
夹层 结构
由于芯材的容重 小，用它制成的 夹层结构，能在 同样承载能力下 ，大大减轻结构 的自重。
7
1 聚合物基复合材料的结构
按照连通性，理论上可以把复合材料划分为以下几种 结构：
各向同 性
各向异 性
8
1 聚合物基复合材料的结构
增强体的排 列方式
①无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、 晶须、短纤维） ②连续长纤单向增强结构（单向板） ③层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层 ，每层不同) ④三维编织体增强结构 ⑤夹层结构（蜂窝夹层等） ⑥混杂结构
➢比如CF/GF混杂复合材料，强度不高、韧性差。
24
复合材料的复合效应
非线性效应
5.相乘效应：两种具有转换效应的材料复合在一起，即可
发生相乘效应。 ➢电磁效应·磁光效应=电光效应。 ➢通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和 另一种换能材料Y/Z复合起来，即：
X/Y·Y/Z＝X/Z 式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。
源于耦合：原相材料及其所形成的界面相互作用、相互
依存、相互补充的结果。
复合效应表现为复合材料的性能在其组分材料基础上的线 性和非线性的综合。
19
复合材料的性质 与增强组元（功 能组元）的含量 有线性关系
复合材料的复合效应
不同复合效应的类别
20
复合材料的复合效应
符合混合规则 负效应
正效应
突变
21
复合材料的复合效应
纤维增强聚合物基复合材料：纤维为分散相、聚合物为连续 相
各向异性
6
1 聚合物基复合材料的结构
连通性：复合体系中的任何相，在空间的零维、一 维、二维或三维方向上是相互连通的。
➢任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0，是零维材料（0维） ➢而包围它们的介质是网络体状的连续材料，连通性为3， 即是三维材料（3维） ➢纤维状材料的连通性为1，是一维材料（1维） ➢相应的片状材料连通性为2，即二维材料（2维）
线性效应 1.平均效应：复合材料的某项性能等于各组分的Pc=PmVm+PfVf，式中P为材料性能，V为材料体 积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体。
如复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为： Ec=EmVm+EfVf
22
复合材料的复合效应
➢对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到 适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补23。
复合材料的复合效应
线性效应 4.相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，若组分间
能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵 效应。Kc <ΣKiφi ➢比如脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当 两者间界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。
➢有机热敏电阻：温度/体积·体积/电阻 25
复合材料的复合效应
非线性效应
6.诱导效应：在一定条件下，复合材料中的一组分材料
可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体 性能或产生新的效应。 ➢例如结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或结晶基 体的晶形取向作用。
26
纤维/树脂界面横晶形态：A碳纤维/聚苯硫醚
线性效应 2.平行效应：即组成复合材料的各组分在复合材料中，
均保留本身的作用，既无制约也无补偿。 Kc ≌ Ki
➢对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱的复合材料所显示 的复合效应，可以看作是平行效应。
3.相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上能
互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。C = A×B
16
2 聚合物基复合材料的基本性能
➢ 影响复合材料性能的因素： ✓ 增强材料的强度及弹性模量、基体材料的强度及化学
稳定性等是决定复合材料性能的最主要因素； ✓ 原材料选定，增强材料的含量及其排布方式与方向又
跃居重要地位； ✓ 此外，采用不同的成型工艺，制品性能亦有较大差异； ✓ 最后，增强纤维与基体树脂的界面粘结状况很大程度
14
混杂复 合材料 的混杂 类型
15
2 聚合物基复合材料的基本性能
➢ 与传统的均质材料相比，聚合物复合材料具有许多优异 的性能： 1、设计制造方法有许多优点：投资少、上马快、设计 自由度大、成型简单、制品尺寸不限、着色自由等； 2、具有优异的基本性能：比强度和比刚度高、电性能 和热性能良好、耐化学腐蚀性良好、耐水性优异、耐候 性和耐紫外线性良好、阻燃性和半透明、透明等特点。
上影响复合材料的性能。
17
基体材料力学性能对复合材料力学性能的影响。
纵向拉伸强度 纵向压缩强度 横向拉伸强度 横向压缩强度 边缘剪切强度 层间剪切强度 弯曲强度
弱 强 强 弱 强 很强 弱、强
18
2 聚合物基复合材料的基本性能
复合效应：对于由A、B两种原材料复合而成的材料C，其
性能既包含A、B两种原材料所固有的性能，又具有A、B两 种原材料所不具备的新性能。
B 碳纤维/尼龙66 C 石墨纤维/聚醚醚酮
27
横晶
球晶
涤纶纤维增强聚丙烯复合材料
28
复合材料的复合效应
非线性效应
7.共振效应：两个相邻的材料在一定条件下，会产生机
械的或电、磁共振。 由不同材料组分组成的复合材料其固有频率不同于原