聚合物基复合材料

聚合物基复合材料

摘要：本文主要研究的是聚合物基复合材料的制备、性能、和应用。聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组成的复合材料。它有许多突出的性能：比强度大、比模量大；耐疲劳性能好；减振性好；过载时安全性好等。聚合物基复合材料的结构和性能存在广泛的灵活关系，通过不同的工艺控制，可以形成不同的结构形态，从而获得目标性能。

关键词：聚合物基复合材料制备性能应用

1、聚合物基复合材料的制备

1.1.聚合物复合材料概述及其制备流程

聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。

实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。

1.2.基体及其制备：

基体是聚合物基复合材料的主要成分。用于复合材料的聚合物基体主要按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砚、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变比。热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分于量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子。

1.2.1热固性聚合物的制备

热固性树脂是指在加热、加压下或在固化剂、紫外线作用下。进行化学反应，交联固化成为不溶物质的一大类合成树脂。这种树脂在固化前一般为分子

量不高的固体或粘稠液体；在成型过程中能软化或流动，具有可塑性，可制成

一定形状，同时有发生化学反应而交联固化；有事放出一些副产物，如水等。

这反映是不可逆的，一经固化，再加压、加热也不可能再度软化或流动；温度

过高，则分解或碳化。热固性树脂多用于缩聚法生产。常用热固性树脂有酚醛

树脂、尿醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯、聚酰亚胺等。热固性树脂主要用于制造增强塑料、泡沫塑料、各种电工用模塑料、浇铸制品等，还有相当数量用于胶黏剂和涂料。

根据浸渍设备或制造方式不同，热固性FRP预浸料的制造分轮鼓缠绕法和

阵列排铺法；按浸渍树脂状态分湿法(溶液预浸法)和干法(热熔预浸法)。

1.2.2.热塑性聚合物的制备

热塑性聚合物包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。它们是

一类线型或有支链的固态高分子，可溶可熔，课反复加工而无化学变化，加热

时软化并熔融，可塑造成型，冷却后即成型并保持既得形状，而且该过程可反

复进行。

连续纤维被切成一定长度的短纤维，散落在连续输送的涂有含填料的糊状树脂的塑料薄膜上，将含有纤维、填料和树脂混合物的塑料薄膜卷绕起来就成为

片状模塑料（SMC）。

1.2.3.增强体的制备

在现代复合材料的发展历史中，纤维增强材料是最大的功臣，也可以说是

现代复合材料的支柱。最早使用的复合材料就是玻璃纤维增强塑料，至今在高

技术新材料领域纤维增强复合材料仍然在发挥重要的作用。

为了进一步提高复合材料的性能，纤维增强材料的研究与开发显得特别活跃，先后开发出几十种纤维增强材料。主要有玻璃纤维、芳纶纤维（kevlar纤维）、尼龙纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及金属

纤维（如钨、钼、不锈钢丝等）。其中在各类复合材料中得到大量使用的是玻

璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。 1.3.聚合物基复合材料

成型工艺

2、性能

2.1.比强度、比模量大

比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。

2.2.耐疲劳性能好

疲劳破坏是材料在变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而形成的低应力破坏。聚合物复合材料疲劳破坏总是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，而且纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展。大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗拉强度的20％-50％，而碳纤维/聚酯复合材料的疲劳极限可为其抗拉强度的70％-80％。

2.3.减振性好

许多机器和设备如汽车、动力机械等的振动问题十分突出，而复合材料的减振性能好。原因是纤维增强复合材料比模量大，则自振频率高，可避免产生共振而引起的早期破坏。另外纤维与界面吸振能力强，故振动阻尼性好，即便发生振动也会很快衰减。

2.4.断裂安全性好

纤维复合材料中有大量独立的纤维，当构件过载而有少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件不至于在极短时间内有整体破坏的危险，所以断裂安全性好。

2.5.热性能良好

玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较小的导热系数，一般在室温下为0.3－0.4 kcal/(m.h.K)，只有金属的1/1000-1/100，是一种优良的绝热材料。

2.6.电性能好

复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如玻璃纤维增强的树脂基复合材料

是一种优良的电气绝缘材料，用于制造仪表、电机与电器中的绝缘零部件。

2.7.有很好的加工工艺性

连续纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，可以通过手糊成型、缠绕成型和拉挤成型等复合材料特有的工艺方法制造制品。它能满足各种类型

制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造。

3、聚合物基复合材料的应用领域

复合材料范围广，产品多，在国防工业和国民经济各部门中都有广泛的应用。在复合材料中，聚合物基复合材料的应用最广，发展也最快。例如在汽车、船舶、飞机、通讯、建筑．电子电气、机械设备、体育用品等各个方面部有应用。

3.1.玻璃纤维增强塑料(GFRP)的应用

(1)GFRP在石油化工工业中的应用

石油化工工业利用GFRP的特点，解决了许多工业生产过程中的关健问题，尤其是耐腐蚀性和降低设备维修费等方向。GFRP管道和罐车是原油陆上运输的主要设备。聚酯和环氧GFRP均可做输油管和储油设备，以及天然气和汽油GFRP罐车和贮槽。

(2).GFRP在建筑业中的应用

建筑业使用GFRP，主要是代替钢筋、树木、水泥、砖等。并己占有相当的

地位。其中应用最多的是GFRP透明瓦，这是一种聚酯树脂浸渍玻璃布压制而

成的。

(3).GFRP在造船业中的应用

用GFRP可制造各种船舶，如赛艇、警艇、游艇、碰碰船、交通艇、救生艇、帆船、鱼轮、扫雷艇等。

(4).GFRP在铁路运输上的应用