第七章-聚合物基复合材料备课讲稿
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第七章-聚合物基复合材料
复合材料组成
复合材料的复合结构类型
Fiber reinforced composites
Continuous fiber
Discrete fiber
Woven fabric Using for laminated composites
Particle reinforced composites
（1）界面结合力存在于两相的界面间，形成两相之 间的界面强度并产生复合效果。界面力有宏观和微观 之分，宏观结合力指材料的几何因素所产生的机械铰 合力，微观结合离包括包括次价键和化学键。
（2）界面区是由基体和增强材料的界面再加上基体 和增强材料表面的薄层而构成。
（3）界面的微观结构如下： １ 粉状填料复合材料的界面结构：
2）碳纤维表面处理 ① 表面氧化处理。 碳纤维用各种方法进行表面氧 化可增加比表面积和表面反应官能团数目。 ② 表面涂层 常用聚合物有聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯、 聚氨酯、环氧树脂。 ③ 碳表面气相沉积 在碳纤维表面化学沉积微粒碳，可提高其耐热 性，改善与基体聚合物的粘结性能。 ④ 表面生长晶须
飞行器的减重的作用效果 和飞行速度有关，飞行速 度越快，每减重一克，或 者一公斤，所取得的效益 就越大。
我国在“风云二号气象卫 星”及“神舟”系列飞船 上均采用了碳/环氧ACM做 主承力构件，大大减轻了 整星的质量，降低了发射 成本。
向阳面与背阳面温差260OC
7.2 聚合物基纳米复合材料
Characteristic of nanocomposites
根据填料的表面能Ea和树脂内聚能密度Ec的相对大 小，可把填料分为：Ea＞Ec，为活性填料， Ea≤Ec，为非活性填料；
基体／松散层／致密层／活性填料，
基体／松散层／非活性填料
２ 连续纤维增强复合材料的界面结构：在总体或微 观结构上与上面的基本一致。
复合材料复合效应产生根源是界面层的存在。 1 通过界面区使基体和增强材料形成一个整体，并通过它传
7.1.3.1 塑料
塑料 １. 热固性塑料：酚醛、环氧、不饱和聚酯、
有机硅、呋喃树脂等。 ２. 热塑性塑料：聚乙烯、聚丙烯、ＡＢＳ、
ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＣ、 ＰＰＯ 、ＰＡ、ＰＴＦＥ等。 橡胶 １. 合成橡胶：丁苯、顺丁、异戊、乙丙、丁基、 丁腈、硅橡胶等。 ２. 天然橡胶
7.1.4 制造及成型方法
当复合材料的分散相达到纳米尺度时，其界面原子占极大比例，从 而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。其独特的表面 效应、体积效应和量子尺寸效应使得材料具有非常特殊的力、热、 光、电性能。
Hale Waihona Puke Baidu
Polymer nanocomposites
Nanoparticles for composites
纳米层状粘土（层状硅酸盐，layer silicate） 包括：蒙脱土、硅藻土、锂皂石、蛭石等
Laminar Composites
层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合 材料，是一种各向异性的复合材料（层内两维同性）。多层粘合、表 面涂层高分子材料等也是层状复合材料。
层合结构复合材料由二维片状材料组成，单层材料在某一方向上具有 更高强度。
层压就是不同的层的简单粘合。这些粘合材料一般都是热固性塑料和 树脂。被粘合的材料可以是：纸张、布料、木材或者是纤维。
添加纳米粘土可以提高聚合物复合材料的强度、韧性、热稳定性、阻 燃性、气体阻隔性等优点。
Nanoparticles for composites
碳纳米管（Carbon nanotube） 碳纳米管可以赋予复合材料优异的力学性
能、热性能、阻燃性能和导电性能等。
Preparation of nanocomposites
材料对基体分子的各种基团或基体中各种组分的吸 附能力不同，它优先吸附那些能够较多地降低它的 表面自由能的物质，因此界面聚合物层与聚合物本 体结构不同；
二是聚合物的固化过程，聚合物通过物理的或化学 的变化使其分子处在能量降低、结构最稳定的状态 ，形成固定界面。
界面结构：包括界面结合力、界面的区域（厚度）和 界面的微观结构。
纳米单元与高分子直接共混 将制备好的纳米单元与高分子直接共混，可以是溶液、乳液、悬浮液共混
，也可以是加热熔融形式共混。 在高分子基体中原位生成纳米单元 利用聚合物特有的官能团对金属离子的络合吸附及基体对反应物运动的空
face sheet adhesive honey comb
7.1.1.2 类型及特点
7.1.2 增强剂
玻璃纤维
芳纶纤维
碳纤维
7.1.2.2增强材料的表面处理
1）玻璃纤维表面处理 除掉玻璃纤维表面浸润剂。 表里纤维表面进行化学处理，提高纤维与基体 之间的粘接性能。表面处理剂称为偶联剂。玻 璃纤维偶联剂品种多，按其化学组成分为有机 硅烷和有机络合物两种。
高分子粒子增强复合材料即是将小尺寸的粒子高度弥散地分布在聚合物 基体中。
与纤维复合材料相比，粒子复合材料通常是各向同性的，承受载荷的主 要是聚合物基体材料，粒子材料起到阻碍导致塑性变形的分子链运动的 作用，因此粒子复合通常可以同时起到增强和增韧的作用。
粒子直径一般在0.01~0.1μ范围内时增强效果最好，直径过大时，引起应 力集中，直径小于0.01μ时，则近于固溶体结构，作用不大。
递应力。 2 界面的存在有阻止裂纹的扩展和减缓应力集中的作用。 3 由于界面存在，复合材料产生物理性能的不连续性、界面
摩擦现象以及抗电性、耐热性、隔音隔热性、耐冲击性 等机能效应。
7.1.7 聚合物基复合材料的应用
Application of polymer composites
在卫星和宇航器上的应用
聚合物复合材料制备包括：预浸料制备、制件 铺层、固化及制件后处理与机械加工。 1.预浸料制备 2.制件成型固化工艺 1）手糊成型及喷射成型 2）缠绕成型 3）剂拉成型 4）连续成型
7.1.5 界面
7.1.5.1 界面的形成与界面结构 界面形成分为两个阶段： 一是基体与增强材料的接触与润湿过程，由于增强
复合材料组成
复合材料的复合结构类型
Fiber reinforced composites
Continuous fiber
Discrete fiber
Woven fabric Using for laminated composites
Particle reinforced composites
（1）界面结合力存在于两相的界面间，形成两相之 间的界面强度并产生复合效果。界面力有宏观和微观 之分，宏观结合力指材料的几何因素所产生的机械铰 合力，微观结合离包括包括次价键和化学键。
（2）界面区是由基体和增强材料的界面再加上基体 和增强材料表面的薄层而构成。
（3）界面的微观结构如下： １ 粉状填料复合材料的界面结构：
2）碳纤维表面处理 ① 表面氧化处理。 碳纤维用各种方法进行表面氧 化可增加比表面积和表面反应官能团数目。 ② 表面涂层 常用聚合物有聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯、 聚氨酯、环氧树脂。 ③ 碳表面气相沉积 在碳纤维表面化学沉积微粒碳，可提高其耐热 性，改善与基体聚合物的粘结性能。 ④ 表面生长晶须
飞行器的减重的作用效果 和飞行速度有关，飞行速 度越快，每减重一克，或 者一公斤，所取得的效益 就越大。
我国在“风云二号气象卫 星”及“神舟”系列飞船 上均采用了碳/环氧ACM做 主承力构件，大大减轻了 整星的质量，降低了发射 成本。
向阳面与背阳面温差260OC
7.2 聚合物基纳米复合材料
Characteristic of nanocomposites
根据填料的表面能Ea和树脂内聚能密度Ec的相对大 小，可把填料分为：Ea＞Ec，为活性填料， Ea≤Ec，为非活性填料；
基体／松散层／致密层／活性填料，
基体／松散层／非活性填料
２ 连续纤维增强复合材料的界面结构：在总体或微 观结构上与上面的基本一致。
复合材料复合效应产生根源是界面层的存在。 1 通过界面区使基体和增强材料形成一个整体，并通过它传
7.1.3.1 塑料
塑料 １. 热固性塑料：酚醛、环氧、不饱和聚酯、
有机硅、呋喃树脂等。 ２. 热塑性塑料：聚乙烯、聚丙烯、ＡＢＳ、
ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＣ、 ＰＰＯ 、ＰＡ、ＰＴＦＥ等。 橡胶 １. 合成橡胶：丁苯、顺丁、异戊、乙丙、丁基、 丁腈、硅橡胶等。 ２. 天然橡胶
7.1.4 制造及成型方法
当复合材料的分散相达到纳米尺度时，其界面原子占极大比例，从 而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。其独特的表面 效应、体积效应和量子尺寸效应使得材料具有非常特殊的力、热、 光、电性能。
Hale Waihona Puke Baidu
Polymer nanocomposites
Nanoparticles for composites
纳米层状粘土（层状硅酸盐，layer silicate） 包括：蒙脱土、硅藻土、锂皂石、蛭石等
Laminar Composites
层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合 材料，是一种各向异性的复合材料（层内两维同性）。多层粘合、表 面涂层高分子材料等也是层状复合材料。
层合结构复合材料由二维片状材料组成，单层材料在某一方向上具有 更高强度。
层压就是不同的层的简单粘合。这些粘合材料一般都是热固性塑料和 树脂。被粘合的材料可以是：纸张、布料、木材或者是纤维。
添加纳米粘土可以提高聚合物复合材料的强度、韧性、热稳定性、阻 燃性、气体阻隔性等优点。
Nanoparticles for composites
碳纳米管（Carbon nanotube） 碳纳米管可以赋予复合材料优异的力学性
能、热性能、阻燃性能和导电性能等。
Preparation of nanocomposites
材料对基体分子的各种基团或基体中各种组分的吸 附能力不同，它优先吸附那些能够较多地降低它的 表面自由能的物质，因此界面聚合物层与聚合物本 体结构不同；
二是聚合物的固化过程，聚合物通过物理的或化学 的变化使其分子处在能量降低、结构最稳定的状态 ，形成固定界面。
界面结构：包括界面结合力、界面的区域（厚度）和 界面的微观结构。
纳米单元与高分子直接共混 将制备好的纳米单元与高分子直接共混，可以是溶液、乳液、悬浮液共混
，也可以是加热熔融形式共混。 在高分子基体中原位生成纳米单元 利用聚合物特有的官能团对金属离子的络合吸附及基体对反应物运动的空
face sheet adhesive honey comb
7.1.1.2 类型及特点
7.1.2 增强剂
玻璃纤维
芳纶纤维
碳纤维
7.1.2.2增强材料的表面处理
1）玻璃纤维表面处理 除掉玻璃纤维表面浸润剂。 表里纤维表面进行化学处理，提高纤维与基体 之间的粘接性能。表面处理剂称为偶联剂。玻 璃纤维偶联剂品种多，按其化学组成分为有机 硅烷和有机络合物两种。
高分子粒子增强复合材料即是将小尺寸的粒子高度弥散地分布在聚合物 基体中。
与纤维复合材料相比，粒子复合材料通常是各向同性的，承受载荷的主 要是聚合物基体材料，粒子材料起到阻碍导致塑性变形的分子链运动的 作用，因此粒子复合通常可以同时起到增强和增韧的作用。
粒子直径一般在0.01~0.1μ范围内时增强效果最好，直径过大时，引起应 力集中，直径小于0.01μ时，则近于固溶体结构，作用不大。
递应力。 2 界面的存在有阻止裂纹的扩展和减缓应力集中的作用。 3 由于界面存在，复合材料产生物理性能的不连续性、界面
摩擦现象以及抗电性、耐热性、隔音隔热性、耐冲击性 等机能效应。
7.1.7 聚合物基复合材料的应用
Application of polymer composites
在卫星和宇航器上的应用
聚合物复合材料制备包括：预浸料制备、制件 铺层、固化及制件后处理与机械加工。 1.预浸料制备 2.制件成型固化工艺 1）手糊成型及喷射成型 2）缠绕成型 3）剂拉成型 4）连续成型
7.1.5 界面
7.1.5.1 界面的形成与界面结构 界面形成分为两个阶段： 一是基体与增强材料的接触与润湿过程，由于增强