聚合物基复合材料
纤维增强的聚合物基复合材料
一、复合材料
1、定义
复合材料是一种多相的复合体系，由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料。
2、分类
根据组成复合材料的不同物质在复合材料中的形态，可将它们分为基体材料和分散材料。复合材料按分散材料形式不同可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料、晶须增强复合材料等；按基体材料不同可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。
二、纤维增强聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是以高分子聚合物为基体，添加增强纤维制得的一种复合材料。
它有许多优异的性能：（1）质轻高强。若按比强
度计算（强度与密度的比值），玻璃纤维增强的聚合物基复合材料不仅大大超过碳钢，而且可超过某些特殊合金钢。特别是有机纤维、碳纤维复合材料有更低的密度和更高的强度。（2）耐疲劳性能好。聚合物复合材料中的纤维与基体的界面能阻止裂纹的发展，金属的疲劳强度是其拉伸强度的30~50%，碳纤维/不饱和聚酯复合材料是70~80%。（3）耐热性强。虽然聚合物基复合材料的耐热性不及金属基和陶瓷基复合材料，但随着高性能树脂和高性能增强材料的发展，它的耐热性也达到很优异的效果。甲基二苯乙炔基硅烷树脂为基体的复合材料在500℃下仍能保持较好的力学性能。（4）介电性能好。通过选择树脂基体和增强纤维可制备低介电损耗角正切（小于0.005）的复合材料.如，热固性丁苯树脂基、聚酰亚胺树脂基复合材料。
1、聚合物基体
目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂等，另一类为热塑性树脂，如尼龙、聚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺等。
聚合物的选择应考虑：A、基体材料能在结构使用温度范围内正常使用；B、基体材料具有一定的力学
性能；C、要求基体材料的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用；D、要求具有一定的工艺性。
聚合物具体的选择是依赖我们对制品不同性能的要求和制品的使用环境来具体选择的。树脂基体中用的最多的是热固性树脂，尤其是各种品牌的环氧树脂，它有较高的力学性能，成本低，但工作温度偏低。一般在40℃—150℃范围工作。对于需耐高温的复合材料，目前主要用聚酰亚胺作为基体，它能在200—259℃温度下长期工作，短期工作温度可达350—409℃。内部装饰件常采用酚醛树脂，因为酚醛树脂具有良好的耐火性、自熄性、低烟性、无毒性。
2、增强纤维
目前，用于增强复合材料的纤维品种很多，如各种玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。下面简单介绍几种：
（1）玻璃纤维
玻璃纤维是以玻璃为原料，在高温熔融状态下拉丝而成的，直径在0.5-30μm。它的密度在
2.4-2.7g/cm3范围，比有机纤维高，比金属要低很
多。玻璃纤维化学组成主要是二氧化硅、三氧化硼、钾、钙、铝的氧化物。
玻璃纤维的力学性能：拉伸强度可高达2000-3000MPa,甚至可高过金属材料。关于玻璃纤维高强的原因，其中微裂纹假说比较有说服力。玻璃和玻璃纤维中存在数量不等、尺寸不同的微裂纹，它们的存在会使在外力作用下在裂纹处产生应力集中，首先发生破坏，特别以表面的微裂纹危害最大。玻璃纤维比玻璃强度高很多是因为玻璃纤维的断面较小，表面微裂纹存在的概率减小，而且玻璃纤维经高温成型时减少了玻璃溶液的不一致性，使微裂纹产生的机会减少。
影响玻璃纤维强度的重要因素有：A、直径和长度；直径和长度越小（微裂纹减少），强度越高。B、化学组成；如k2O成分多的纤维强度低。C、存放时间；主要原因是空气中的水分对玻璃纤维有侵蚀作用（溶解作用，溶解碱金属氧化物，使其表面微裂纹扩展），损坏纤维结构。
玻璃纤维耐热性能非常好。其软化点为550-850℃，热膨胀系数为4.8*10-6℃-1 ，高温下不会燃烧，在220-250℃下强度不变。耐热性也依赖化学
组成。石英玻璃纤维耐热温度很高，可高达1000℃以上。
玻璃纤维具有良好的化学稳定性。除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其他化学药品和实际有良好化学稳定性。耐化学介质性与取决于化学组成，如增加SiO2、TiO2可以提高耐酸性。
（2）碳纤维
碳纤维是由有机
纤维在惰性气体中加热
至很高的温度后（一般
是1500℃左右）形成的
纤维状碳材料，其碳含
量为90%以上，纤维结
构为沿纤维轴向排列的
不完全石墨结晶，各平
行层原子堆积不规则碳纤维，缺乏三维有序，呈乱层结构。如果将碳纤维在2500℃以上进一步碳化，其碳含量大于99%，乱层结构向三维有序的石墨结构转化，称为石墨纤维。
碳纤维的力学性能：碳纤维密度小，具有较高的比强度和比模量，断裂伸长率低，弹性模量比金属高
两倍；拉伸强度比钢材高四倍。一根手指粗的碳纤维制成的绳子，可以吊起几十吨重的火车头。（）碳纤维热性能：碳纤维耐高低温性能都好，低至-180℃，高至2000℃，仍能保持良好性能。且膨胀系数小，尺寸稳定性好。
碳纤维导热性能好：随着温度的升高，热导率由高降低。
碳纤维化学性能：它可在王水中长期使用而不被腐蚀。
碳纤维中，碳含量、微观结构排列的有序度、纤维的形状（喷丝孔的形状）都会影响碳纤维的各项性能。
前面提到纤维经碳化和石墨化处理后，碳含量达90%以上，表面惰性大大增加，所以碳纤维需表面改性，提高与基体的结合。
（3）芳香族聚酰胺纤维（Kevlar）
芳香族聚酰胺是由对苯二胺和对苯二甲酰氯缩聚反应制的。
对位芳纶纤维（PPTA）是第一个用高分子液晶纺丝技术生产的高强高模纤维。PPTA在浓硫酸中溶解，聚合物质量分数达到临界值后，刚性聚合物
的棒状分子呈平行有序排列，形成“向列型”，溶液黏度开始逐步下降。这种特殊液晶溶液，纺丝原液的浓度高，而黏度低。既能得到分子量大的聚合物，也有利加工成型。PPTA纤维成型技术与传统的熔融、湿法、干法不同，它是典型的由刚性链聚合物形成液晶性纺丝溶液，即所谓干喷湿纺，也称液晶纺丝法。这个干喷湿法是由杜邦公司最先发明的，干喷湿法就是纺丝原液通过喷丝板时在剪切力和伸长流动下，向列型液晶沿纤维轴向取向。纤维出来以后不立即浸入凝固浴，而是先在空气中进一步伸长取向，然后再进入低温凝固浴凝固成型，分子取向结构被保留下来，因此初生丝不经过拉伸就能得到高强高模的纤维。
芳纶纤维的力学性能：芳纶纤维刚性分子链结构和液晶纺丝工艺形成的高度取向结构。使其具有良好的力学性能。它的强度超过了任何有机纤维；抗蠕变性能和抗疲劳性能好。具有良好的韧性，但抗压性能和抗扭性较低。
芳纶纤维的热性能：刚性结构使其具有晶体的特性和高度的尺寸稳定性。耐热性好，可以在-195-260℃温度内使用。热稳定性好，不易燃烧。
芳纶纤维的耐环境性：较好，能耐大多数有
机溶剂，但是耐强酸强碱和紫外线的能力差。
三、复合材料的界面与其增强纤维的表面处理
1、复合材料的界面
复合材料的性能除与基体和增强材料的性能和含量密切有关外，界面也起着至关重要的作用。前面复合材料定义里说到复合材料的性能并不是其组成材料的简单加和，而是产生了1+1＞2的协同效应。如，玻璃纤维的断裂能约为10J/m2,聚酯的断裂能约为100J/m2,而复合后的塑料断裂能达到105J/ m2。为什么会产生协同效应呢？复合后的基体还是原来的基体，纤维还是原来的纤维，两者的差别仅在于复合后基体和纤维之间存在界面，所以协同效应的其根本原因是界面。
界面形成的第一阶段就是增强材料与基体之间的浸润。浸润得好分子间紧密接触而产生吸附，同时排除了黏结体表面媳妇的气体，减少了界面的空隙率，提高了粘结强度。界面形成的第二阶段就是增强材料与基体材料间通过相互作用而使界面固定下来，形成固定的界面层。界面层的作用是能够均匀地传递应力。界面黏合得是否牢固对复合材料性能有决定性影响。
界面黏合力存在于两相之间，可分为宏观结合力与微观结合力。宏观结合力不包含化学键和次价键，它是由裂纹及其表面的凹凸不平而产生的机械铰合力，而微观结合力就是化学键和次价键。
各种复合材料都要求有合适的界面结合强度。结合强度较小时，材料大多呈剪切破坏，且材料断面可观察到脱黏、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。结合强度过大时，材料呈脆性降低了材料的复合性能。界面最佳态的衡量时当受力发生开裂时，这一裂纹能转为区域化而不产生进一步界面脱黏。即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。
2、增强纤维的表面改性
为提高复合材料的界面结合强度，常常对增强纤维进行表面处理，表面处理大体有如下作用：（1）、消除纤维表面的杂质和弱边界层，增大比表面积；
（2）、在纤维表面引入反应性官能团，以与集体树脂形成化学键；
（3）、在纤维表面接枝，形成界面过渡层，起到应力松弛的作用。
增强纤维的表面处理有很多方法，如偶联剂、表
面氧化、低温等离子体等。
（1）偶联剂处理法
所谓偶联剂就是分子中含有两种不同性质集团的化合物，一种基团可与基体发生化学或物理的作用，另一种基团与基体发生化学或物理的作用。通过偶联剂的偶联作用，使基体与增强材料实现良好的结合界面。偶联剂主要分为有机硅烷偶联剂、有机络合物偶联剂、钛酸酯类偶联剂。
有机硅烷偶联剂
它是一类品种多，效果好的表面处理剂，其通式为：R n SiX4-n,式中R为有机基团，可带有—C=C—双键、氨基、环氧基等反应性官能团；X为可水解基团，如卤素、甲氧基、乙氧基等；在复合材料中硅烷偶联剂大多n=1。硅烷偶联剂常用于玻璃和无机填料的表面处理，其作用机理：X基团水解，形成硅醇硅醇的硅羟基之间以及硅羟基和玻璃纤维表面硅羟基之间形成氢键硅羟基之间脱水形成—Si—O—Si—键。
有机络合物偶联剂
有机络偶联剂，是一种由羧酸与三价铬氯化物形成的配位络合物，其偶合原理类似有机硅烷偶联剂。目前应用得较多的甲基丙烯酸氯化铬盐，也叫“沃兰”。
钛酸酯类偶联剂
它的通式：
其中R—O-是可水解的短链烷氧基，能与无机物表面羟基起反应，从而达到化学偶联的目的；钛原子上连接的长链与基体树脂具有亲和性，长链中也可带有反应性官能团，与基体树脂发生化学反应。
工业上采用偶联剂处理纤维表面的方法有两种。以硅烷偶联剂处理玻璃纤维为例，一种是在玻璃纤维表面涂敷硅烷偶联剂或者在维纤纺丝过程中用偶联剂进行处理，另一种是在玻璃纤维增强高聚物成型时把偶联剂掺混到基体中。哪种效果比较好？为什么？
（2）表面氧化处理
氧化法多用来处理碳纤维，主要有气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法。表面氧化法基本原理就是在一定介质中使表面产生羧基、羟基、羰基等含氧的极性基团，以利于纤维与基体树脂的界面结合。这三种方法不同的是它们反应的环境和条件不同。气相氧化法是在加热下用空气、氧气、二氧化碳、臭氧等含氧气体中处理纤维。液相氧化法是用浓HNO3、H3PO4、
HCLO、KMnO4等溶液或混合液为氧化剂处理纤维。阳极氧化法是以碳纤维为阳极，石墨或其他电极为阴极，用电解产生的初生态氧对纤维进行处理。目前工业上采用阳极氧化法比较普遍。
（3）化学气相沉积法（CVD）
化学气相沉积法是在高温还原性气氛中，使烃类、金属卤化物等还原成碳或碳化物、硅化物等，在纤维表面形成沉积膜或生长出晶须，这些物质活性大容易被基体树脂浸润。CVD处理对纤维损伤很少，复合材料的层间剪切强度会有明显增加。反应式如，SiCl4+2H2→Si（生长晶体）+4HCl
SiCl4+2 H2+C(基材)→SiC(生长晶须)+4HCl
（4）低温等离子体处理
等离子体是一种全部或部分电离了的气体状态物质，其中含有亚稳态的激发态的原子、分子、离子和电子，而正电荷类物质和负电荷类物质的含量大致相等，所以称等离子体。等离子体成为“物质的第四态”。低温等离子体是在减压和高频电场下发生辉光放电，少量气体分子被电离产生高温的电子，穿梭在常温或接近常温的气体中并发生碰撞，此时电子温度达
到104—105K,而气体温度和环境相同。
低温等离子体作用原理：低温等离子体的能量均高于一些化学键，足以引起化学键的断裂，在低温等离子体的冲击下，材料表面产生自由基，这样就可引入大量的活性基团到表面。另外，低温等离子体处理技术，还可以在纤维表面发生聚合接枝，不仅能提高界面结合力，还可通过控制接枝聚合物的结构使复合材料显示出更佳的综合性能。
低温等离子除了在处理碳纤维上应用比较多以外，它还可用来处理PPTA纤维表面，因为PPTA在强酸强碱环境下，力学性能会受到不良影响，用低温等离子体的方法效果比较好，又不损害纤维。
低温等离子处理具有对纤维损伤小，处理效果好，无三废污染等优点，是很有前途的的纤维表面处理方法。
复合材料的界面改性
界面及界面改性方法 界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，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，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。 在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。 1、聚合物基复合材料界面 界面结合有机械粘接与润湿吸附、化学键结合等。 大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。 偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。增强剂本身一般不与基体材料反应。 聚合物基复合材料界面改性原则： 1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。２）适度的界面结合强度 ３）减少复合材料中产生的残余应力 ４）调节界面内应力和减缓应力集中 聚合物基体复合材料改性方法 １、颗粒增强体在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增容剂)，则能使液晶微纤与基体间形成结合良好的界面 ２、纤维增强体复合材料界面改善 a)纤维表面偶联剂 b)涂覆界面层 c)增强体表面改性 2、金属基复合材料界面 金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，在冷却凝固热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。 金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。 金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。 金属基复合材料的界面控制研究方法： 1）对增强材料进行表面涂层处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。 2）选择金属元素改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 3）优化制备工艺和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。 3、陶瓷基复合材料的界面 陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。 陶瓷基体复合材料界面控制方法
聚合物基复合材料 知识点总结
第二章增强材料 1.增强材料的品种： 1）无机纤维：（1）玻璃纤维 （2）碳纤维：①聚丙烯腈碳纤维②沥青基碳纤维 （3）硼纤维，（4）碳化硅纤维，（5）氧化铝纤维 2）有机纤维：（1）刚性分子链——液晶（干喷湿纺）： ①对位芳酰胺②聚苯并噁唑③聚芳酯 （2）柔性分子链：①聚乙烯②聚乙烯醇 2.玻璃纤维的分类： 1）按化学组成份：有碱玻璃纤维，碱金属含量>12%；中碱玻璃纤维，碱金属含量6%~12%；低碱玻璃纤维，碱金属含量2%~6%；微碱玻璃纤维，碱金属含量<2% 2）按纤维使用特性分：普通玻纤（A-GF）；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；高模玻纤（M-GF）；耐化学药品玻纤（C玻纤）…… 3）按产品特点分：长度（定长玻纤<6-50mm>，连续玻纤）；直径（粗纤维30μm，初级纤维20μm，中级纤维10-20μm，高级纤维3-9μm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，磨细纤维和玻璃粉） 3.玻璃纤维的制备：目前生产玻璃纤维最多的方法有坩埚拉丝法（玻 璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法） 4.玻璃纤维的力学特性： 1）玻璃纤维的拉伸应力--应变关系：玻璃纤维直到拉断前其应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段，呈脆性材料特征 2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低；解释： （1）Griffith微裂纹理论： 玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。所以，缺陷尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低 （2）分子取向理论： 玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。 3）玻璃纤维强度特点：单丝直径越小，拉伸强度σb越高；试样测试段长度L越大，拉伸强度σb越低。这两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应和体积效应，即体积或尺寸越大，测试的强度越低 4）缺点：①强度分散性大，生产工艺影响②强度受湿度影响，吸水后，湿态强度下降③拉伸模量较低（70GPa），断裂伸长率约为2.6% 5.玻璃纤维纱的常用术语、参数：（填空） 1）原纱：指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱 2）表示纤维粗细的指标：①支数β：指1g原纱的长度(m)，支数越大表示原纱越细②特(tex)：指1000m长原纱的质量(g)，tex数越大，纱越粗③旦、袋(den)：指9000m长原纱的质量(g)，den 数越大纱越粗 3）捻度：表示纱的加捻程度，指每米长原纱的加捻数，即捻/m。S：右捻，Z：左捻。增加抱合力 4）股数N：指由几根原纱合股组成。纱的合股数指以一根原纱为一股，几根原纱合并起来的原纱根数即为合股纱的合股数N。玻璃纱的公称支数为原纱支数除以股数（β=β0/N） 6.预氧化阶段施加张力的目的，是使纤维中形成的梯形结构取向。热定型后的聚丙烯纤维在温度高于玻璃化温度后，在纤维长轴方向上会发生收缩。预氧化过程前期为物理收缩，表现为取向度
聚合物基复合材料试题
第一章 聚合物合金的概念、合金化技术的特点？ 聚合物合金：有两种以上不同的高分子链存在的多组分聚合物体系 合金化技术的特点:1、开发费用低，周期短，易于实现工业化生产。2、易于制得综合性能优良的聚合物材料。3、有利于产品的多品种化和系列化。 热力学相容性和工艺相容性的概念？ 热力学相容性：达到分子程度混合的均相共混物，满足热力学相容条件的体系。 工艺相容性：使用过程中不会发生剥离现象具有一定程度相容的共混体系。 如何从热力学角度判断聚合物合金的相容性？ 1、共混体系的混合自由能（ΔG M ）满足ΔG M =ΔH M -TΔS M <0 2、聚合物间的相互作用参数χ 12 为负值或者小的正值。 3、聚合物分子量越小，且两种聚合物分子量相近。 4、两种聚合物的热膨胀系数相近。 5、两种聚合物的溶度参数相近。 *思考如何从改变聚合物分子链结构入手，改变聚合物间的相容性？ 1、通过共聚使分子链引入极性基团。 2、对聚合物分子链化学改性。 3、通过共聚使分子链引入特殊相互作用基团。 4、形成IPN或交联结构。 5、改变分子量。 第二章 *列举影响聚合物合金相态结构连续性的因素，并说明分别是如何影响的？ 组分比：含量高的组分易形成连续相； 黏度比：黏度低的组分流动性较好，容易形成连续相； 内聚能密度：内聚能密度大的聚合物，在共混物中不易分散，容易形成分散相；溶剂类型：连续相组分会随溶剂的品种而改变； 聚合工艺：首先合成的聚合物倾向于形成连续性程度大的相。 说明聚合物合金的相容性对形态结构有何影响？
共混体系中聚合物间的工艺相容性越好，它们的分子链越容易相互扩散而达到均匀的混合，两相间的过渡区越宽，相界面越模糊，分散相微区尺寸越小。完全相容的体系，相界面消失，微区也随之消失而成为均相体系。两种聚合物间完全不相容的体系，聚合物之间相互扩散的倾向很小，相界面和明显，界面黏接力很差，甚至发生宏观的分层剥离现象。 什么是嵌段共聚物的微相分离？如何控制嵌段共聚物的微相分离结构？ 微相分离：由化学键相连接的不同链段间的相分离 控制溶剂、场诱导、特殊基底控制、嵌段分子量来控制 *简述聚合物合金界面层的特性及其在合金中所起的作用。 特性：1、两种分子链的分布是不均匀的，从相区到界面形成一浓度梯度；2、分子链比各自相区内排列松散，因而密度稍低于两相聚合的平均密度；3、界面层内易聚集更多的表面活性剂、其他添加剂、分子量较低的聚合物分子。 作用：力的传递效应；光学效应；诱导效应。 第三章 简述橡胶增韧塑料的形变机理及形变特点。 形变机理：银纹化和剪切带形变 特点：1、橡胶的存在有利于发生屈服形变；2、力学性能受形变机理影响 简述橡胶增韧塑料形变机理的研究方法及影响形变机理的因素。 定量研究：高精度的蠕变仪同时测定试样在张应力作用下的纵向和横向形变 影响因素：树脂基体；应力和应变速率；温度；橡胶含量；拉伸取向 简述橡胶增韧塑料的增韧机理，并列举实例加以说明。 多重银纹化增韧理论：在橡胶增韧的塑料中，由于橡胶粒子的存在，应力场不再是均匀的，橡胶粒子起着应力集中的作用。（脆性玻璃态高聚物受外力作用发生银纹形变时材料韧性很差） 银纹-剪切带增韧机理：银纹和剪切到之间存在着相互作用和协同作用。（ABS 拉伸过程中既有发白现象，又有细颈形成） 试比较橡胶增韧塑料和刚性粒子工程塑料的异同点。 1、增韧剂种类不同； 2、增韧的对象不同； 3、增韧剂含量对增韧效果的影响不同； 4、改善聚合物合金性能的效果不同； 5、增韧机理不同； 6、对两相界面黏结强度的要求是相同 第四章
聚合物基复合材料的发展现状和最新进展
聚合物基复合材料的发展现状和最新进展 摘要聚合物基复合材料以聚合物为基体，玻璃纤维、碳纤维、芳纶等为增强材料复合而成。主要包括热固性复合材料和热塑性复合材料。本文先介绍聚合物基复合材料的最新性能研究，再简单介绍下最近几年的研究热点，最后从应用角度谈一谈聚合物基复合材料的发展现状和最近进展。 关键词聚合物基复合材料发展现状最近进展 一、引言 我国聚合物基复合材料的研究始于1958 年，第一个产品就是我们所熟知的玻璃钢。我国热塑性树脂基复合材料开始于20世纪80年代末期，近20年来取得了快速发展。迄今，我国已经成功将碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维增强高性能聚合物基复合材料实用化，其中高强度玻璃纤维增强复合材料已达到国际先进水平，形成了年产500t的规模[1]。随着科技的高速发展，传统聚合物基复合材料已不能满足使用需求，对高性能、耐高温、耐磨损、耐老化性能的研究不断深入。新型复合材料的出现也给该领域带来了更大的发展前景，进而在军事、航空航天、交通，乃至日常生活中的广泛运用也使得该领域具有巨大的发展空间和良好的市场前景[2]。 二、性能研究进展 常见的高性能耐高温聚合物材料有聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。研究发现液晶材料能很好的提高PTFE的耐磨损性能，将PEEK与其它聚合物共混或采用碳纤
维(CF)、玻璃纤维(GF)、无机纳米粒子等复合增强，已成为制备摩擦学性能和力学性能更优异的PEEK复合材料的首选[3]。美国一家PI复合材料供应商，主要生产不含MDA型PI／碳纤维、玻璃纤维、石英纤维单向带、织物以及预制品。该公司开发的900HT材料的瓦约为426℃，使用温度最高816℃，可采用热压罐、模压以及某些液体模塑工艺加工[4]。该材料还具有十分优异的热氧化稳定性，因此尤其适用于制造在高温氧气环境中长期工作的发动机以及机身部件[5]。 聚合物基复合材料在自然环境下使用，性能会受到许多环境因子（如紫外辐射、臭氧、氧、水、温度、湿度、微生物、化学介质等）的影响。这些环境因子通过不同的机制作用于复合材料，导致其性能下降、状态改变、直至损坏变质，通常称之为“腐蚀”或“老化”[6]。环境因素对复合材料性能的影响主要是通过树脂基体、增强纤维以及树脂/纤维粘接界面的破坏而引起性能的改变。陈跃良等分析了湿热老化、化学侵蚀和大气老化对复合材料的作用机理及对其力学性能的影响[7]，也提出了复合材料老化寿命预测方法。 对于大多数聚合物材料而言，阻燃性能不佳，加入阻燃剂往往是必须的。从阻燃剂发展趋势来看,以高效、价廉、无卤素、无污染为特征的无机类阻燃剂符合世界各国发展环保型材料,推进可持续发展战略的政策要求。无机阻燃剂可以单独使用,也可以与有机阻燃剂复配使用,产生协同效应,起到很好的阻燃效果,是目前阻燃剂发展的主流。而其中的氢氧化物阻燃剂被认为是最有发展前途的、环境友好的无机阻燃剂, 成为近几年各国研究的热点[8]。Kazuki等研究发现了含
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料 摘要：聚合物基复合材料以其特有的性能近年来越来越受到人们的青睐。本文简单的介绍了聚合物基复合材料，描述了其作为一种新材料的性能特点，并详细描述了其发展历史及应用。 关键词：聚合物、复合材料、应用、历史 1、聚合物基复合材料 复合材料是指：两个或两个以上独立的物理相，包括粘接材料（基体）和粒料纤维或片状材料所组成的一种固体物。 (1) 复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是各组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。（2）复合材料中通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。（3）分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）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，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，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。如：玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料。 而聚合物基复合材料一般都具有以下特性： 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
聚合物基复合材料制备方法
摘自课本《聚合物基复合材料》,针对的是聚合物基纳米复合材料的制备方法。 1、溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是最早用来制备纳米复合材料的方法之一。所谓的溶胶-凝胶工艺过程是将前驱物在一定的有机溶剂中形成均质溶液，均质溶液中的溶质水解形成纳米级粒子并成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶。溶胶-凝胶中通常用酸、碱和中性盐来催化前驱物水解和缩合，因其水解和缩合条件温和，因此在制备上显得特别方便。根据聚合物与无机组分的相互作用情况，可将其分为以下几类： （1）直接将可溶性聚合物嵌入到无机网络中把前驱物溶解在形行成的聚合物溶液中，在酸、碱或中性盐的催化作用下，让前驱化合物水解，形成半互穿网络。（2）嵌入的聚合物与无机网络有共价键作用在聚合物侧基或主链末端引入能与无机组分形成共价键的基团，就可赋予其具有可与无机组分进行共价交联的优点，可明显增加产品的弹性模量和极限强度。在良好溶解的情况下，极性聚合物也可与无机物形成较强的物理作用，如氢键。 （3）有机-无机互穿网络在溶胶-凝胶体系中加入交联单体，使交联聚合和前驱物的水解与缩合同步进行，就可形成有机-无机同步互穿网络。用此方法，聚合物具有交联结构，可减少凝胶的收缩，具有较大的均匀性和较小的微区尺寸，一些完全不溶的聚合物可以原位生成均匀地嵌入到无机网络中。 溶胶-凝胶法的特点是可在温和条件下进行，可使两相分散均匀，通过控制前驱物的水解-缩合来调节溶胶-凝胶化过程，从而在反应早期就能控制材料的表面与界面性能，产生结构极其精细的第二相。存在的问题是在凝胶干燥过程中，由于溶剂、小分子、水的挥发可能导致材料内部产生收缩应力，从而会影响材料的力学和机械性能。另外，该法所选聚合物必须是溶解于所用溶剂中的，因而这种方法受到一定限制。 2、层间插入法 层间插入法是利用层状无机物(如粘土、云母等层状金属盐类)的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作为无机主体，将聚合物(或单体)作为客体插入于无机相的层间，制得聚合物基有机-无机纳米复合材料。层状无机物是一维方向上的纳米材料，其粒子不易团聚且易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范
聚合物基复合材料复习
1.聚合物基复合材料的组成 (1) 基体 热固性基体： i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好 ii) 交联固化后成网状结构，尺寸稳定性好耐热性好，但性脆 iii) 制备过程伴有复杂化学反应 热塑性基体： i) 熔体粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型，工艺性差 ii) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好 iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象 (2) 增强体 主要有碳纤、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等 由于树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，增强体多经过表面处理与表面改性，以及浸润剂、偶联剂和涂复层的使用，使其组成复杂化。 3.复合材料的界面 1)界面现象：①表面吸附作用与浸润 ②扩散与粘结（含界面互穿网络结构） ③界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键合力） 2). 复合材料的界面形成过程 PMC、MMC、CMC等复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。（1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。 i) 界面设计与控制的重要手段 ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分 iii) 为第二阶段作准备 （2）第二阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程 i) 接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合或物理结合。化学结合可看作是一种 特殊的浸润过程 ii) 界面形成与发展的关键阶段 （3）第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应 i) 界面的固定（亚稳态、非平衡态） ii) 界面的稳定（稳态、平衡态） 在复合材料界面形成过程中涉及： i) 界面间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程 ii) 界面间的相互转化：如，固化过程是固-液界面向固-固界面转化的过程后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程 3）复合材料界面结构与性能特点 i) 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样。界面区至少包括： 基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分 ii ) 具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料的性能特征
聚合物基复合材料的界面研究进展
大学研究生课程论文 题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩 专业材料工程 课程名称、代码1512011080405 年级 姓名学号 时间年月 任课教师
聚合物基复合材料的界面研究进展 【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。 【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强 1 前言 界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。 复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。 2 无机刚性粒子增强聚合物基复合材料及其界面 无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。 在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低
聚合物复合材料课后总结
聚合物复合材料课后总结什么是复合材料？这个概念很难说清。由于缺乏严格的定义以及近年来人们用词的随意，模糊了复合材料的概念。关于复合材料有许多种定义。一种定义为：“a mixture of two or more materials that are distinct in composition and form, each being present in significant quantities (e.g., >5%)” (两种或多种不同组成、不同存在形式材料的混合物，各以显著的量存在)。另一定义为：“the union of two or more diverse materials to attain synergistic or superior qualities to those exhibited by individual members”（两种或多种不同材料的结合体，可获得协同的或优于个别材料的质量）。美国ASM的工程材料手册中的定义为：“a combination of two or more materials differing in form or composition on a macroscale. The constituents retain their identities…and can be physically identified.”（两种或多种不同组成、不同存在形式在宏观水平上的结合体。各组分保持各自的特征，并可用物理方法鉴别）。这里“宏观”、“各自特征”是两个关键。不符合这两个关键词的混合物将不被视为复合材料。例如固溶体，是两种材料在原子水平上的混合物，不能算作复合材料。但“宏观”是个什么概念？毫米级还是微米级还是纳米级？橡胶与塑料的混合一般不认为复合材料，原因有二。第一因为橡胶分散相的尺寸在微米级以下，不能视为宏观存在；第二因为橡胶与塑料同属高分子材料，不能视为不同材料的混合。但近年来又出现了“纳米复合材料”，其中有一种是纳米尺寸的无机粒子在塑料中的混合物。纳米尺寸能够称得上“宏观”吗？人们近年来还提出“分子复合材料”，即同系列聚合物棒状分子与线团状分子的混合物。既是分子水平的混合，又是同一种材料，也称为复合材料。但在本书的学习中，我们不必理会复合材料的确切定义，只将讨论的内容限定在ASM规定的材料范围之内。 人类从很早的时期起就认识到将两种或多种材料混合使用的益处。13世纪的蒙古包就是将动物筋、木头和丝用粘合剂粘在一起制成的。在更早的时期，人们就懂得将稻草混入泥巴来盖房子，这一技术直到今日还在我国农村使用。古埃及人已懂得制造轻便坚固的三合板，中世纪的欧洲人用合层的金属片制造盾牌。大自然也创造了不少天然复合材料：如木材、竹子、骨头等。 第二次世界大战期间，诞生了玻璃纤维与聚酯树脂的复合材料。这标志着先进复合材料时代的到来。最早的复合材料被用于制造飞机的门的档板，还用于制造导弹外壳。人们从这种高比强度（强度/密度）、高比刚度（模量/密度）的材料中看到了巨大的前途，开始有意识地开发复合材料，希望能够替代铝和钛等金属。从五十年代起，开始致力于纤维的研制，并开发出高性能的S型玻璃纤维。1963年，硼纤维问世，以后又相继开发出碳纤维、二氧化铍纤维、石墨纤维、芳香尼龙纤维、氧化铝纤维等。纤维可以加入到聚合物基体，也可以加入到金属基体或陶瓷基体，开创出一代高性能的复合材料。为有别于传统的与天然的复合材料，我们称此类材料为先进复合材料。复合材料可以金属、陶瓷、聚合物中任一种材料为基体，可以三种材料中的任一种为增强材料，如图4-1所示。一种复合材料的分类法就是以基体分类，将复合材料分为三大类：金属基复合材料（MMC），陶瓷基复合材料（CMC）和聚合物基复合材料（PMC）。碳材料比较特殊，所以可以单列一类，称为碳基复合材料。本章中我们着重介绍聚合物基复合材料，简单介绍碳基复合材料，陶瓷基和金属基复合材料将放到陶瓷和金属的专章中介绍。
聚合物基复合材料考试答案
1聚合物基复合材料的定义、特征、结构模式。 聚合物基复合材料：是以有机聚合物为基体，以颗粒、纤维等为增 强材料组成的复合材料 特征：1比强度和比模量高，比强度（抗拉强度与密度之比）和比模 量(弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚性大。2 良好的抗 疲劳性能疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复合材料能有效地 阻止疲劳裂纹的扩展。3、减振性能好在工作过程中振动问题十分突出，复合材料为多相系统，大量的界面对振动有反射吸收作用。且 自振动频率高，不易产生共振4、高温性能好复合材料在高温下强度 和模量基本不变5、各项异性和可设计性。6、成型加工性好复合材 料可成型任意型面的零件7、其它优点与其它类材料相比，聚合物基 复合材料耐化学腐蚀、导电、导热率低等特点。 缺点：1耐湿热性差2.材料性能分散性差3.价格过高 复合材料的结构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 2、复合材料的界面效应有哪些？怎么影响材料的性能。 界面在复合材料中所起到的效应： 1、传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。 2、阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。 3、不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现 的现象 4、散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生 散射和吸收。 5、诱导效应：一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常 是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由 此产生一些现象 3.试说明玻璃纤维、碳纤维与芳纶纤维表面处理方法的相同点和不 同点。 相同点是都需要在高温下处理，改善纤维的微结构，使纤维与界面 和基体更加匹配。包括化学键理论，润湿理论，表面形态理论，可
聚合物基复合材料
纤维增强的聚合物基复合材料 一、复合材料 1、定义 复合材料是一种多相的复合体系，由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料。 2、分类 根据组成复合材料的不同物质在复合材料中的形态，可将它们分为基体材料和分散材料。复合材料按分散材料形式不同可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料、晶须增强复合材料等；按基体材料不同可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。 二、纤维增强聚合物基复合材料 聚合物基复合材料是以高分子聚合物为基体，添加增强纤维制得的一种复合材料。 它有许多优异的性能：（1）质轻高强。若按比强
度计算（强度与密度的比值），玻璃纤维增强的聚合物基复合材料不仅大大超过碳钢，而且可超过某些特殊合金钢。特别是有机纤维、碳纤维复合材料有更低的密度和更高的强度。（2）耐疲劳性能好。聚合物复合材料中的纤维与基体的界面能阻止裂纹的发展，金属的疲劳强度是其拉伸强度的30~50%，碳纤维/不饱和聚酯复合材料是70~80%。（3）耐热性强。虽然聚合物基复合材料的耐热性不及金属基和陶瓷基复合材料，但随着高性能树脂和高性能增强材料的发展，它的耐热性也达到很优异的效果。甲基二苯乙炔基硅烷树脂为基体的复合材料在500℃下仍能保持较好的力学性能。（4）介电性能好。通过选择树脂基体和增强纤维可制备低介电损耗角正切（小于0.005）的复合材料.如，热固性丁苯树脂基、聚酰亚胺树脂基复合材料。 1、聚合物基体 目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂等，另一类为热塑性树脂，如尼龙、聚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺等。 聚合物的选择应考虑：A、基体材料能在结构使用温度范围内正常使用；B、基体材料具有一定的力学
(1)纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究
纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究 赵若飞 周晓东 戴干策 (华东理工大学聚合物加工室上海200237) 摘要:本文综述了聚合物基纤维复合材料界面残余热应力的形成、测定方法和各种理论分析方法。阐述了残余应力对界面粘结强度以及复合材料断裂韧性和强度的影响,最后对界面残余应力的控制方法作了评述。 关键词:聚合物基纤维复合材料 残余热应力 界面 1 前 言 聚合物基纤维复合材料的基体和增强纤维的热 膨胀系数存在很大的差异,而复合材料有相当部分 是在升温条件下成型的,当温度降低时,由于基体和 纤维的体积收缩率不同,会产生热残余应力,热固性 树脂在固化过程中发生体积收缩也会形成残余应 力。复合材料的残余应力同时存在于基体、纤维和 界面上,基体中的应力会使基体的性质发生变 化[1、2],使基体的耐冲击性、疲劳强度、压缩强度等下 降,甚至会引起基体的破坏。纤维中主要存在轴向 压缩残余应力,可能引起纤维发生曲折[3]。界面相 的残余应力有径向压缩或拉伸应力、环向拉伸应力 和界面剪切应力[4、5],这些应力都会对界面的粘结强 度和纤维的脱粘产生重要的影响[6～8]。 界面相残余应力的存在显然严重影响复合材料 的宏观性能,因此,人们一直希望能定量测定它,但 是界面层的厚度很小,属于微结构(纳米结构),而且界面存在材料的内部,所以难以直接测量残余应力[9]。纤维和基体中的残余应力则可采用各种实验方法来测定,例如光弹性法[2、10]、Ramman光谱法[11]、纤维总应变法[12]、碳纤维电阻率法[13]、单丝拔除法[14]等,可以通过测定邻近界面的基体或纤维中的残余应力来得到界面残余应力。另一方面,三十年来发展了有限元分析等各种理论分析方法研究复合材料残余应力[15～21],使人们对界面残余应力有了深入的认识。 近年来热塑性树脂基复合材料得到发展和广泛应用,人们对聚合物基复合材料的界面残余应力的研究越来越重视,这是因为与热固性树脂基复合材料相比,这种热塑性树脂在加工冷却过程中多伴有结晶的形成,与纤维的体积收缩比具有更大的差异[1、22] ,可能形成较大的界面残余应力。 2 残余应力的形成 聚合物基纤维复合材料有不少是在高于环境温度(150～300℃)的条件下加工,当体系温度降低时,会由于树脂和纤维的体积收缩不匹配而造成残余应力,表1列举了几种纤维和树脂的热膨胀系数和温度变化时的体积收缩率。由表1可见玻璃纤维是各向同性的,而碳纤维和凯芙拉纤维的横向和纵向热膨胀系数差别很大,当升温时沿纤维纵向收缩,横向膨胀。环氧树脂在固化过程中,伴随着化学反应体积发生收缩,产生残余应力,体积收缩率随树脂类型的不同在1%-6%范围内,固化完成后,环氧树脂随温度的降低继续发生一定的体积收缩,热膨胀系数在较窄的温度范围内(50～150℃)可看作常数(40～80ppm/℃)[24]。热塑性树脂在温度达到固化温度时(T c或者T g),体积收缩开始产生热应力,在达到固化温度以前,热塑性树脂仍然是熔体,虽然也有很大的体积收缩但却不产生残余应力,非晶型热塑性树脂的体积收缩率与环氧树脂相差不大,而结晶型的体积收缩率则相当高。 FRP/CM 2000.No.4
聚合物基复合材料的界面研究进展
深圳大学研究生课程论文 题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩 专业材料工程 课程名称、代码1512011080405 年级 姓名学号 时间年月 任课教师
聚合物基复合材料的界面研究进展 【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。 【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强 1 前言 界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。 复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。 2 无机刚性粒子增强聚合物基复合材料及其界面 无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。 在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低了添加刚性粒子所引起的材料韧性下降的程度；同时由于界面层的引入，使三相复合体系在较低的橡胶含量下具有较高的模量和冲击强度。欧玉春[6]等报道了PP/三元乙丙橡胶(EPDM)/
聚合物基复合材料重点内容
测试题型 一、填空题（1分*10题=10分） 二、判断题（1分*6=6分） 三、名词解释（4分*5=20分） 四、简答题（8分*8题=64分，含1道计算题） 第一章聚合物基复合材料的概念、特性、使用和进展 1.什么是复合材料？和金属材料相比有何主要差别？ 答：定义：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保持了原组分材料的主要特色，又通过符合效应获得原组分所不具备的的新性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并充分并联，从而获得新的优越性能，这和一般的简单的混合有本质的区别。 和金属材料的区别： 2.复合材料有哪些优点？存在的主要问题是什么？ 答：优点：1）比强度、比模量高；2）耐疲劳性好，破损性能高；3）阻尼减振性好：a.受力结构的自振频率除了和结构本身形状有关以外，还和材料的比模量平方根成正比；b.复合材料具有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振；c.复合材料机体和纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料得振动阻尼很高，一旦振起来，也可在较短时间内停下来。4）具有多种功能性：a.瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；b.优异的电绝缘性能和高频介电性能；c.良好的摩擦性能；d.优良的腐蚀性，维护成本低；e.特殊的光学、电学、磁学的特性。5）良好的加工工艺性；6）各向异性和性能的可设计性。 主要问题：工艺方法的自动化、机械化程度低，材料性能的一致性和产品质量的稳定性差，质量的检测方法不完善，破坏模式不确定和长期性能不确定，长期耐高温和环境老化性能不好等。
3.简述复合材料的组成。界面为什么也是一个重要组成部分？ 答：复合材料是由基体材料和增强体材料构成的多项体系。基体材料为连续相，按所用基体材料的不同，可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料。增强材料为分散相，通常为纤维状材料，如玻璃纤维、有机纤维等。 原因：界面也是重要组成部分的原因是因为增强相和基体相的界面区域因为其特殊的结构组成，这种结构对材料的宏观性能产生影响，因此也是不可缺少的重要组成部分。 4.什么是先进复合材料（ACM）？ 答：具有质轻、高比模量、高比强度等优良性能的的纤维复合材料称为先进复合材料(ACM)。 第二章增强材料 1.为什么玻璃纤维和块状玻璃性能不同？纤维的粗细对其强度有什么影响？为 什么？ 答：块状玻璃比玻璃纤维本身尺寸大，其内部和表面存在较大缺陷的概率增大，而材料破坏就是由最危险或尺寸最大的裂纹导致的，所以块状玻璃壁纤维的强度低得多。而且玻璃纤维具有以下特点：1）玻璃纤维的体积效应或尺寸效应，即：体积或尺寸越大，测试的强度越低。2）玻璃纤维强度的分散性较大；3）玻璃纤维强度受湿度影响。吸水后，湿态强度下降。4）玻璃纤维的拉伸模量较低。 2.制备玻璃纤维时，为什么要使用浸润剂？主要有哪三类浸润剂？各有什么不 同？ 答：浸润剂的作用在于：使单丝集束，便和后续的并股、纺织等工序；防止原纱缠绕成卷时，纤维相互粘结；保护纤维，防止纺织时，纤维的表面磨损而降低强度。 浸润剂的类型有如下三类：1）纺织型浸润剂。纺织型浸润剂具有良好的集束性、润滑性、成膜性和抗静电性。主要用于玻璃纤维纺织加工制品。2）增强型
聚合物基复合材料复习
聚合物基复合材料复习要点 常州大学高分子系整理 第一章、概论 复合材料的定义：复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 复合材料的分类 按增强材料形态：①连续纤维复合材料②短纤维复合材料③粒状填料复合材料④编织复合材料 按聚合物基体材料：环氧树脂基、酚醛树脂基、聚氨酯基、聚酰亚胺基、不饱和聚酯基以及其他树脂基复合材料 按增强纤维种类：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、玄武岩纤维有机纤维复合材料、金属纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料 按材料作用：结构复合材料，用于制造受力构性的复合材料 和功能复合材料，具有各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、耐摩擦、屏蔽）的复合材料 复合材料的基本性能：①综合发挥各组分材料优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能 ②按对材料性能的需要进行材料的设计和制造 ③可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序 聚合物基复合材料的主要性能：①轻质高强②可设计性好③具有多种功能性④过载时安全性好⑤耐疲劳性能好⑥减震性好 复合材料设计可分为三个层次： ①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能 ②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排，该层次决定层合板的性能 ③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸 这三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。材料设计和结构设计必须同时进行，并在一个设计方案中同时考虑。 第二章、增强材料 增强材料按物理形态：①纤维状增强材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等②片状增强材料③颗粒状增强材料 玻璃结构比较靠谱的两种假说：①微晶结构假说②网络结构假说 ①微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”所组成，这种“微晶子”在结构上是高度变形的晶体，在“微晶子”之间由无定形中间层隔离，即由硅酸盐过冷溶液所填充 ②网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅四面体、铝氧四面体或硼氧三面体相互连成不规则的三维网络，网络间的空隙由Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na+、K+等阳离子为网络改性物。 为什么玻璃纤维强度远大于块状玻璃？ 答：微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，但实测强度很低，这是由于玻璃或玻璃纤维中存在数量不等、尺寸不同的微裂纹，这些微裂纹使玻璃或玻璃纤维在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂纹处产生应力集中，从而它们强度下降。但玻璃纤维强度仍比块状玻璃高很多，这是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均匀性，不仅使得自身结晶度比块状玻璃高，而且使其微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在的概率也减少，从而减少应力集中，使纤维强度增高。 高强玻璃纤维的特点：直径细、长度短、含碱量低、未老化、未疲劳、玻璃硬化快。玻璃纤维耐热性好，但其耐磨性、耐折性、透光性、耐腐蚀性差（比表面积大）。二氧化硅或三氧化二铝含量越高、碱金属氧化物含量越低，玻璃纤维化学稳定性越好。 玻璃纤维最广泛的两种生产工艺：①坩埚法拉丝工艺②池窑漏板法拉丝工艺 玻璃纤维纱的规格①定量法：用质量为1g的原纱的长度表示②定长法（TEX）：1000m 长的原纱的质量（g）;捻度：指单位长度内纤维与纤维之间所加的转数 玻璃纤维的表面处理：表面处理是在玻璃纤维表面覆一种表面处理剂，使玻璃纤维与合成树脂牢固地黏结在一起，以达到提高玻璃纤维性能的目的。 玻璃纤维表面处理方法：①后处理法②前处理法③迁移法 ①后处理法：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。其主要特点是：处理的各道工序都需要专门的设备，投资大，玻璃纤维强度损失大，但处理效果好，比较稳定，是目前国内外最常用的处理方法。 ②前处理法：这种方法是适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和黏结。将化学处理剂加入到浸润剂中，即为增强型浸润剂，这样，在拉丝的过程中处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。前处理与后处理法比较，省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便，避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失，是很适用的方法。 ③迁移法：是将化学处理剂直接加入到树脂胶囊中整体掺合，在浸胶同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至玻璃纤维表面的迁移作用而与表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用 碳纤维轻质、高强、高模量、耐热、化学稳定性好、低电阻、高热传导系数、低热膨胀系数、耐辐射、X射线透过性好，还具有阻止中子透过性。 碳纤维的制造方法：①气相法②有机纤维碳化法 1.气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃、芳烃等）在高温下沉积成纤维。此方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。 ②有机纤维碳化法：先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中， 于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法可制造连续长纤维。 碳纤维的主要制造方法是热解有机纤维，其流程如下：纤维化稳定（氧化或热固化）碳化石墨化 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的制造工艺流程：复合材料的定义：复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组 合而成的一种多相固体材料。 复合材料的分类 按增强材料形态：①连续纤维复合材料②短纤维复合材料③粒状填料复合材料④编织复合材料 按聚合物基体材料：环氧树脂基、酚醛树脂基、聚氨酯基、聚酰亚胺基、不饱和聚酯基以及其他树脂基复合材料 按增强纤维种类：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、玄武岩纤维有机纤维复合材料、金属纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料 按材料作用：结构复合材料，用于制造受力构性的复合材料 和功能复合材料，具有各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、耐摩擦、屏蔽）的复合材料 复合材料的基本性能：①综合发挥各组分材料优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能 ②按对材料性能的需要进行材料的设计和制造 ③可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序 聚合物基复合材料的主要性能：①轻质高强②可设计性好③具有多种功能性④过载时安全性好⑤耐疲劳性能好⑥减震性好 复合材料设计可分为三个层次： ①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能 ②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排，该层次决定层合板的性能 ③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸 这三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。材料设计和结构设计必须同时进行，并在一个设计方案中同时考虑。 第二章、增强材料增强材料按物理形态：①纤维状增强材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等②片状增强材料③颗粒状增强材料 玻璃结构比较靠谱的两种假说：①微晶结构假说②网络结构假说 ①微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”所组成，这种“微晶子”在结构上是高度变形的晶体，在“微晶子”之间由无定形中间层隔离，即由硅酸盐过冷溶液所填充 ②网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅四面体、铝氧四面体或硼氧三面体相互连成不规则的三维网络，网络间的空隙由Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na+、K+等阳离子为网络改性物。 为什么玻璃纤维强度远大于块状玻璃？ 答：微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，但实测强度很低，这是由于玻璃或玻璃纤维中存在数量不等、尺寸不同的微裂纹，这些微裂纹使玻璃或玻璃纤维在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂纹处产生应力集中，从而它们强度下降。但玻璃纤维强度仍比块状玻璃高很多，这是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均匀性，不仅使得自身结晶度比块状玻璃高，而且使其微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在的概率也减少，从而减少应力集中，使纤维强度增高。 高强玻璃纤维的特点：直径细、长度短、含碱量低、未老化、未疲劳、玻璃硬化快。玻璃纤维耐热性好，但其耐磨性、耐折性、透光性、耐腐蚀性差（比表面积大）。二氧化硅或三氧化二铝含量越高、碱金属氧化物含量越低，玻璃纤维化学稳定性越好。 玻璃纤维最广泛的两种生产工艺：①坩埚法拉丝工艺②池窑漏板法拉丝工艺 玻璃纤维纱的规格①定量法：用质量为1g的原纱的长度表示②定长法（TEX）：1000m 长的原纱的质量（g）;捻度：指单位长度内纤维与纤维之间所加的转数 玻璃纤维的表面处理：表面处理是在玻璃纤维表面覆一种表面处理剂，使玻璃纤维与合成树脂牢固地黏结在一起，以达到提高玻璃纤维性能的目的。 玻璃纤维表面处理方法：①后处理法②前处理法③迁移法 ①后处理法：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。其主要特点是：处理的各道工序都需要专门的设备，投资大，玻璃纤维强度损失大，但处理效果好，比较稳定，是目前国内外最常用的处理方法。 ②前处理法：这种方法是适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和黏结。将化学处理剂加入到浸润剂中，即为增强型浸润剂，这样，在拉丝的过程中处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。前处理与后处理法比较，省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便，避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失，是很适用的方法。 ③迁移法：是将化学处理剂直接加入到树脂胶囊中整体掺合，在浸胶同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至玻璃纤维表面的迁移作用而与表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用 碳纤维轻质、高强、高模量、耐热、化学稳定性好、低电阻、高热传导系数、低热膨胀系数、耐辐射、X射线透过性好，还具有阻止中子透过性。 碳纤维的制造方法：①气相法②有机纤维碳化法 1.气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃、芳烃等）在高温下沉积成纤维。此方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。 ②有机纤维碳化法：先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中， 于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法可制造连续长纤维。 碳纤维的主要制造方法是热解有机纤维，其流程如下：纤维化稳定（氧化或热固化）碳化石墨化 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的制造工艺流程：