聚合物复合材料

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树枝聚合物
树枝聚合物结构 --- 芯 --- 支化单元 --- 表面基团
Y. LU
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二、增强体（纤维和填料）
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炭纤维 （无机）
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炭纤维性能
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炭纤维应用
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芳纶和芳砜纶（有机）
防弹衣，头盔
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天然纤维（纤维素、木质素）
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纤维的表面处理
• 炭纤维：电解 • 芳纶纤维：等离子体 • 天然纤维：酸、碱
Functional Polymer Matrix Composites
聚合物基功能复合材料
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What is Composite?
Composite: com = together, posite = to put or place composite = put together or made up of separate parts Polymer: poly = many, mer = part polymer = many parts Monomer: mono = single
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Why Composites？ • 复合是一种方法：改善原有材料的某 些不足，创造新材料 • 增强 古代：稻草+黏土（坯）比黏土砖好 • 赋予功能 电、磁、光、热、--复合是自然界的基本规律-如天然纤维 复合是科学的基本思想-新材料发展趋势之一
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内容
• 1 复合材料基础：四要素，一追求 • 2 功能复合材料：电、光、磁、热等 • 3 复合材料存在的问题与解：环境复合材料， 组合材料研究，梯度功能材料，智能复合材 料等 • 4 复合材料进展：仿生复合材料等
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复合原理
• 平均效应 1+1=2（加法）
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乘法
• 1+1>2 （非线性） 如：导电复合材料
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一追求：无中生有
• 0+0>0 如：纳米技术，反应加工
纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化 学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原 来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导 电。 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的 富贵光泽而呈黑色。
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复合材料定义
• 组成：2或多组分（基体、 增强体） 形态：异相微结构 性能：与组成材料不同 • 与单一材料（高分子材料） 不同：多组分、多相和界面 相 • 功能复合材料：除机械性能 以外而提供其他物理性能的 复合材料
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复合原理
• • •
正效应 1+1>2 （乘法）和 0+0>0 （无中生有） 负效应 1+1<2 平均效应 1+1=2（加法）
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四要素：缺一不可
基体
增强体
复合材料
• 复合方式 • 三个内因 + 一个外因
界面相
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一、高分子基 体
熔点 度 强度 模量 伸长率 热膨胀系数 密
金属
陶瓷 高分子
高
中 低
高
中 低
高
中 低
低
中 高
低
中 高
中
高 低
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高分子基体的类型和结构
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高分子材料数据库
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高分子材料的序列性
- 结晶性
• 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯
[ CH2 CH2 ]n
[ CH2
[ CH2 CH ]n CH3 Cl [ CH2 C ]n CH ]n COOCH3 CH
3
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高分子材料的序列性Baidu Nhomakorabea
亲水-疏水，熔点
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高分子材料的序列性 - 水溶性，结晶性
• 聚甲醛 聚氧化乙烯 聚氧化丙烯
• -CH2O- -CH2CH2O- -CH2CH2(CH3)O-
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碳填料：富勒烯和碳纳米管
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反应加工
新物质产生
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发展
• 第一代：1940-1960 聚合物基常用复合 材料 • 第二代：1960-1980 聚合物基先进复合 材料 • 第三代：1980-1990 金属基复合材料 • 第四代：1990- 陶瓷基和功能复合材料 • 第五代：21世纪 环境和生物复合材料
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分类-应用
• 结构复合材料（承载，力学性能和耐热性，工程应用） 国产碳纤维复合材料即将 装机猎鹰高教机。目前， 国产碳纤维复合材料已推 广至机头罩、方向舵等数 个大部件，这些也是即将 在猎鹰06架上实现装机的 部件。
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有机功能填料
• 光：偶氮化合物，液晶，螺旋聚合物 • 电：共轭化合物 • 磁：手性聚合物 •光：螺吡喃、俘精酸酐 •防弹：芳纶、UHMW聚乙烯纤维 • ---（需要总结）
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1、无机材料
笼状硅材料（POSS）
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层状硅酸盐 - 插层复合材料
1987年日本丰田公司
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插层材料
• 膨胀石墨 • 黏土（蒙脱土、高岭土） • 层状金属氧化物（V2O5, MoO3, WO3) • ---（需要总结）
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材料谱的概念 • 高分子材料的耐热性谱 • 高分子材料的强度谱 • 高分子材料的熔点谱 • 高分子材料的导电性谱 • 高分子材料的导热性谱 • ------
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聚合物结构的进化
• 20世纪30年代：线性 • 20世纪40年代：交联 • 20世纪60年代：支化 • 20世纪70年代：树枝
Y. LU
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References
• 张佐光，《功能复合材料》，化工出版社，2004.
• 益小苏等，《复合材料手册》，化工出版社，2009. • 刘云圻等，《有机纳米与分子器件》科学出版社， 2010. • 黄丽，《高分子材料》化工出版社，2010.
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第一章 复合材料基础：功能填料和填料的 功能化
（四要素，一追求）
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填料的重要特征一
• 内表面和外表面的表面特征：极性（润湿性， 表面能，反应性）
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内表面的修饰
• 插层
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填料的重要特征二
• 内表面和外表面的表面特征：电子态（电子给 体或受体）和表观形态
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填料的重要特征三 • 拓扑性
废轮胎粉+硅石 碳黑/橡胶
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无机功能填料
• 导电：碳黑、炭纤维、金属粉、超导体 • 导热：BN, AlN, Si3N4 • 磁：铁氧体、稀土 • 吸波：氰酸酯晶须、羰基铁粉 • 阻燃：Al(OH)3, Mg(OH)2 • 阻尼：粗片石墨 • 负膨胀系数：PbTiO3 • 抗紫外线：ZnO, TiO2, CeO • 抗菌性 ---（需要总结）
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分类-增强体形态
• • • • • • 颗粒填充复合材料 纤维复合材料 纺织复合材料 蜂窝复合材料 纳米复合材料 ------
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分类-基体
• 金属基（MMC）
• 陶瓷基（CMC） • 碳基（C/C）
• 聚合物基（PMC）
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功能复合材料
• 物理：导电复合材料, 导热 复合材料, 磁性复合材料, 吸 波（隐身）复合材料, 光功 能复合材料（聚合物分散液 晶，聚合物稳定液晶）, 光 电功能复合材料（复合材料 二极管，聚合物太阳能电池） • 力学：梯度功能复合材料， 摩擦材料（干和湿汽车摩擦 材料，自润滑复合材料, 阻 尼复合材料），修饰（玻璃 钢花盆） • 生物：生物医用复合材料 • 仿生和智能复合材料 • 生态环境复合材料 • 化学：膜材料，催化剂
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分类-应用
• 功能复合材料（非承载，电， 光，声，磁，生物医用，化 学---） • 智能复合材料（信息）
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分类-力学性能
• •
常用复合材料：以玻璃纤维，短纤维和颗粒填料为增强体 先进复合材料：比强度>4 106 cm，比模量>4 108 cm，以炭纤 维，芳纶等高性能连续纤维或织物为增强体
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织物
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填料的定义
• 一般在复合材料中的分散相，也可为连续相（短纤维 的缠结、织物、颗粒形成网络结构）
SiC
Al2O3
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MoS2
填料的分类
• • • • 无机、金属、碳、有机（晶体）和高分子 纳米填料 天然或合成 功能填料和填料的功能化
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填料的重要特征
• 单个填料和团簇的形态和尺寸