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
0.12 0.58
0.09 0.55 0.30 0.84 0.24 0.84 0.38 1.00 0.29 0.81 0.25 0.77
本章主要内容
聚合物基体介绍 聚合物基复合材料种类和性能
聚合物基复合材料制备工艺和结构设计
聚合物基复合材料的应用
聚合物基体的复合材料即以聚合物为基体的复合
材料，是结构复合材料中发展最早、研究最多、
应用最广、规模最大的一类。 目前，全世界的所有复合材料生产中，聚合物复 合材料占90%以上。世界的聚合物复合材料生产 量的发展平均增长率为50% 世界聚合物复合材料生产量分布，欧洲共同体和 美国各占1/3，日本占1/10。
树脂，断裂伸长率>40%，而吸湿性比环氧树脂要低得多。
除了液体氢氟酸、浓硫酸等强酸，聚醚醚酮耐绝大多数有 机溶剂和酸碱。还具有优秀的阻燃性、低发烟率和有毒气
体释放以及极好的耐辐射性。
聚合物基体的选择
对聚合物基体的选择应遵循下列原则： （１）根据基体自身的性能，要能够满足需要； 如使用温度、强度、刚度、耐药品性、耐腐蚀 性等。
聚 合 物 基 复 合 材 料
按纤维种类
晶须增强 层片增强 粒子增强
碳化硅晶须、氧化铝晶须等 云母、玻璃、金属等 氧化铝、碳化硅、石墨、金属等
聚合物基体复合材料分类
按照增强纤维类型，可以分为：
玻璃纤维增强聚合物复合材料
碳纤维增强聚合物复合材料 硼纤维增强聚合物复合材料
按聚合物基体类型，可以分为：
热固性基体复合材料、 热塑性基体复合材料 橡胶基体复合材料
(5)价格合理。往往一种粘结剂很难具备全面的条件，选择 时应尽可能从上述因素出发，重点考虑主要方面的要求， 适当兼顾其他
4.2 聚合物基复合材料
比强度和比模量高 密度小，1.4～2.2g/cm3，强度与
碳素钢相近
耐腐蚀性、电绝缘性、耐热性好，耐光性好，阻燃 性好，透光性好，
减振性好
大量的界面对振动有反射吸收作用。且
疲劳极限多为静态抗拉强度的70 -
自振动频率高，不易产生共振 耐疲劳性能好 80 ％ 工艺性好
聚合物基复合材料的分类
按增强相类型及在基体中的分布，如下图：
按纤维形态 纤维增强 按铺层方式 连续纤维 不连续纤维 单向 角铺层 织物 三维 玻璃纤维 碳纤维 芳纶纤维 超高分子量聚乙烯纤维等 长纤维（毡） 短切纤维
疲劳强度。短纤维增强塑料可广泛应用于机械
零件、汽车、化工设备等。
耐高温的特种工程塑料通常以连续长纤维增强 热塑性树脂。
典型的热塑性聚合物
1．聚酰胺 2．聚碳酸酯 3．聚醚砜
4. 聚醚醚酮
1．聚酰胺
聚酰胺是具有许多重复的酰胺基 的一类 线型聚合物的总称．通常叫做尼龙。尼龙中的主要 品种是尼龙6和尼龙66
特点：力学性能较好，耐磨性，耐腐蚀性，广
泛的应用于各种机械、电气部件，如轴承、齿轮、 辊轴。
2．聚碳酸酯
聚碳酸酯有下述的化学结构
其中n在100~500的范围内。工业生产的聚碳 酸酯平均分子量为25000—70000。
聚碳酸酯特点
优点 缺点 无色透明，耐热，抗冲击，阻燃，在普通使 制品易产生应力开裂，耐溶剂、耐碱性差， 用温度内都有良好的机械性能。 高温易水解。
4.1 聚合物基体
聚合物又称高分子化合物，一般是指相对分子 量在104以上，主要以共价键结合的一类化合物。
例如：纤维素、蛋白质、蚕丝、橡胶、淀粉等
天然高分子化合物，以及以高聚物为基础的合
成材料，如各种塑料，合成橡胶，合成纤维、
涂料与粘接剂等
固态高聚物的性能
高聚物特征温度：玻璃化转变温度 Tg，熔点Tm
有：橡胶弹性增韧、热塑性树脂增韧、热致液晶
增韧、核壳结构聚合物增韧、刚性纳米粒子增韧 等。
酚醛树脂(PF)
由酚类由酚类（苯酚、甲酚、二甲酚等）和醛类（甲醛、
乙醛、糠醛等），在酸或碱催化剂作用下缩聚而成的树脂 的统称。主要是苯酚和甲醛的缩聚物。
特点：价格低廉、合成方便、固化后具有一些特殊性能，如
良好的机械强度、阻燃性、低发烟和耐热性，尤其是瞬时耐 高温烧蚀性能。缺点是粘附性差；耐碱性差；固化后较脆 主要应用于胶粘剂、涂料及布、纸、玻璃布的层压复合材 料等。
热导率 /[W/m∙K]
线膨胀系数 /(×10-6/℃) 比强度 /MPa
0.732～ 1.751
1.1～3.5 2800
0.157～.86 9
0.012 500
0.884～ 0.962
0.23 －
热塑性塑料与玻璃纤维增强后性能对比
品种 密度 /(g/cm3) 拉伸强 度/MPa 抗弯强 度/MPa 压缩强 度/MPa 弯曲模量 /×104MPa 冲击强 度/MPa 变形温 度 /℃ 成型收 缩率/%
各种玻璃钢性能
材料名称 性能 相对密度 拉伸强度 /MPa 压缩强度 /MPa 弯曲强度 /MPa 吸水率/% 聚酯玻璃钢 1.7～1.9 180～350 210～250 210～350 0.2～0.5 1.206 － 1600 环氧玻璃钢 1.8～2.0 70.3～298.5 180～300 70.3～470 0.05～0.2 酚醛玻璃 钢 1.6～1.85 70～280 100～270 1100 1.5～5 － 0.35～ 1.07 1150 钢 7.8 700～840 350～420 420～460 － 铝 2.7 80～250 30～100 70～110 － 高级合金 8.0 12.8 － － － － － 1600
渍困难，预浸料制备及制品成型需要在高温高压下
进行；聚碳酸酯或尼龙这样一些工程塑料，因耐热
性、抗蠕变性或耐药品性等方面问题而使应用受到
限制。
通常用20～40%的短纤维增强，拉伸强度可以 提高1～2倍，可明显改变蠕变性能，提高热变 形温度和导热系数，降低线膨胀系数，增加尺
寸稳定性，降低吸湿性，抑制应力开裂，提高
包括不饱合聚酯树脂、环氧 树脂、酚醛树脂
不饱合聚酯树脂
主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一 类聚合物。不饱和聚酯的种类很多，按化学 结构分类可分为顺酐型、丙烯酸型、和丙烯 酸环氧酯型聚酯树脂。不饱和聚酯树脂在热
固性树指中是工业化较早，产量较多的一类，
它主要应用于玻璃纤维复合材料
不饱合聚酯树脂特点
高拉伸(或剪切)模量、高拉伸强度、高断裂韧
性的基体有利于提高FRP力学性能。
(2)对纤维具有良好的浸润性和粘接力；对于浸润性，一方 面与纤维表面状态有关系，一方面也与基体有密切的关系。 高强度的结构件，几乎都使用环氧树脂。低粘度是保证纤 维浸润性好的必要条件。
(3)良好的工艺性，如要求胶液具有足够长的适用期、预浸 料具有足够长的贮存期、固化收缩小等。制品脱模性好， 可轻易完整脱模 (4)低毒性、低刺激性。
能。耐紫外线和耐候性较差，耐疲劳强度差。
短切玻璃纤维和碳纤维复合材料多用注射成型进行加工，成型 温度360～380℃，长纤维增强通常用溶液预浸或膜层叠技术制 造。 主要用于制作电器线圈骨架、绝缘材料、轴承支持架、发动机
齿轮等，也用于宇宙飞船的关键部位。
4、聚醚醚酮
半结晶热塑性树脂，具有良好的热加工性能，可采用注射、 挤出、压制、旋转等成型方法。 玻璃化温度143℃，熔点334℃，热变形温度160℃在空气 中的热分解温度为650℃，加工成型温度为370~420℃，复 合材料在250℃可长期使用。室温情况下，强度优于环氧
热塑性聚合物
它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反
复加工而无化学变化。在加热到一定温度时可以软化甚至
流动，从而在压力和模具的作用下成型，并在冷却后硬化 固定。
优点：其高断裂韧性(高断裂应变和高冲击强度) 。
具有预浸料不需冷藏且贮存期无限、成型周期短、
可再成型、易于修补、废品及边角料可再生利用等 优点。 缺点：热塑性基体的熔体或溶液粘度很高，纤维浸
常见的应用有光碟，眼镜片，水瓶，防弹玻璃，护
目镜、银行防子弹玻璃、车头灯、动物笼子等等。
3．聚醚砜（PES ）
PES是略带琥珀色非晶型聚合物，在180℃温度下可长期使
用,线膨胀系数随温度变化很小，无毒、耐燃、有熄性、发烟
率低、耐辐射, 化学稳定性好，除浓硝酸、浓硫酸、卤代烃外，
能耐一般酸、碱、盐，在酮，酯中溶胀。力学性能优异，刚性 大，耐磨、高强度，在宽广的温度和频率整体并使纤维位臵固定，在纤维间
传递载荷，并使载荷均衡；
基体决定复合材料的一些性能。如复合材料的高
温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐 介质性能(如耐水、耐化学品性能)等；
基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选
择等。
基体保护纤维免受各种损伤。
第四章 聚合物基复合材料
期、粘度、与固化时间均可在很大范围内调节。
2）良好的粘合性。-OH, - C-O-C-使EP可形成
H键等； 3） 收缩性小。 4） 化学稳定性好。 苯环与脂肪羟基不受碱的侵蚀，且耐酸。
单纯的环氧树脂固化后脆性较高，常向体系中加
入增韧剂，改善树脂的抗冲击强度和耐热冲击性 能，减少固化时的反应热和收缩率。但增韧剂的 加入会降低树脂的耐热性、电性能、耐化学腐蚀 性能及某些力学性能。目前环氧树脂的增韧途径
聚丙烯
高密度聚 乙烯 聚苯乙烯 聚碳酸脂
原 增强
原 增强 原 增强 原 增强 原 增强 原 增强 原 增强
910 1140
960 1170 1040 1280 1200 1430 1370 1630 83 180 1050 1280
35 85
30 80 50 95 67 110 74 140 83 180 45 100
和粘流温度Tf。
高分子材料的柔顺性 聚合物的机械性能 聚合物的电绝缘性、绝热、隔音性能 聚合物的老化
热塑性聚合物状态与温度的关系 1－非晶态聚合物的温度- 形变曲线 2－结晶态聚合物的温度- 形变曲线
聚合物基体介绍
• 热固性基体 • 热塑性基体
热固性基体
通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化 剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固化阶段后，形成不 溶、不熔的三维网状高分子 热固性树脂在初始阶段流动性很好、粘度低，容易浸透增 强体，同时工艺过程比较容易控制。这些树脂几乎适合于 各种类型的增强体。
凡是含有二个以上环氧基的化合物统称为环氧 树脂
在所有的环氧树脂中，工业上用得最广泛的是双 酚A型环氧树脂，占环氧树脂总产量的90 %。环 氧树脂本身是热塑性的线型结构，必须向树脂中 加入固化剂，进行交联固化反应，生成网状结构 的高聚物后（热固性树脂）。
环氧树脂（EP）特点
1）工艺性好。室温操作、固化剂种类多，适用