聚合物基体复合材料

聚合物基复合材料

摘要

首先大概介绍了聚合物基复合材料，然后介绍了该复合材料的基体有热固性树脂基体、热塑性树脂基体和橡胶基体，最后介绍了聚合物基复合材料的制备工艺特点。

正文

凡事以聚合物为基体的复合材料统称为聚合物基复合材料，因此聚合物基复合材料是一个很大的材料体系。聚合物基复合材料体系的分类具有多种不同的划分标准，如按增强纤维的种类可分为玻璃纤维增强聚合物基复合材料、碳纤维增强聚合物基复合材料、硼纤维增强聚合物基复合材料、芳纶纤维增强聚合物基复合材料及其他纤维增强聚合物基复合材料。如按基体材料的性能课分为通用型聚合物基复合材料、耐化学介质腐蚀性聚合物基复合材料、耐高温型聚合物基复合材料、耐阻燃型聚合物基复合材料。但最能反映聚合物基复合材料本质的则是按聚合物基体的结构形式来分类，聚合物基复合材料可分为热固性树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料及橡胶基复合材料。

聚合物基复合材料是最重要的高分子结构材料之一，它比强度大、比模量大。例如高模量碳纤维/环氧树脂的比强度是钢的5倍，喂铝合金的4倍，其比模量喂铝、铜的4倍。耐疲劳性能好。金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。而聚合物基复合材料中，纤维与集体的界面能有效阻止裂纹的扩散，破坏是逐渐发展的破坏前有明显的预兆大多数金属材料的疲劳极限其拉伸强度的30%~50%，而聚合物基复合材料的疲劳极限可达到拉升强度的70%~80%。减振性好。复合材料中集体界面有吸震能力，因而振动阻尼高。耐烧蚀性能好。因聚合物基复合材料是比热容大，熔化热喝汽化热也大，高温下能吸收大量热能，是良好的耐烧蚀材料。工艺性好。制造工艺简单，过载时安全性好。

用于复合材料的聚合物基体课分为热固性树脂基体、热塑性树脂基体和橡胶基体。

热固性聚合物（环氧、酚醛、不饱和聚酯、聚酰亚胺树脂等）通常为分子量脚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。但固化后再加热不再软化，也不溶于溶剂。热固性树脂在初始阶段流动性很好，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。各种热固性树脂反应机理不同，根据使用要求的差异，采用的固化条件也有很大的差异。一般的固化条件有室温固化、中温固化（120℃左右）和高温固化（170℃以上）。这类高分子通常为无定形结构。具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性能和尺寸稳定性好等优点。

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，交联固化成为不溶不熔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。这也就是鱼热塑性树脂的基本区别。

在塑料工业发展初期，热固性树脂所占比例很大，一般在50%以上。随着石油化工的发展，热塑性树脂产量剧增，在20世纪80年代，热固性树脂在世界合成

树脂总产量中仅占10%~20%。

热固性树脂在固化后，由于分子间交联，形成网状结构，因此刚性大、硬度高、耐高温、不易燃、制品尺寸稳定性好，但性脆。婴儿绝大多数热固性树脂在成型为制品前，都加入各种增强材料，如木粉、矿物粉、纤维或纺织品等使其增强，制成增强塑料。在热固性树脂中，加入增强材料和其他添加剂，如固化剂、着色剂、润滑剂等，即能制成热固性塑料，有的呈粉状、粒状，有的做成团状、片状，统称模塑料。热固性塑料常用的加工方法有模压、层压、传递模塑、浇铸等，某些品种还可用于注射成型。

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。

从发展来看，热固性树脂还在进一步改进质量，研制新品种，以满足新加工工艺开发的要求，用弹性体和热塑性树脂进行改性、开发注塑级热固性模塑料以及反应注射成型用专用树脂及配方，近年来已受到很大重视。采用互穿聚合物网络技术将成为热固性树脂的合成开辟新途径。

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，而且该过程课反复进行。例如聚酰胺（PA，俗称尼龙），聚酰胺主链上含有许多重复的酰胺基，用做塑料时称为尼龙，用做合成纤维时称为锦纶，聚酰胺可有二元胺和二元酸制取，可以用ω-氨基酸或环内酰胺来合成。根据二元胺和二元酸或氨基酸中含有碳原子数的不同，可制得多种不同的聚酰胺，目前聚酰胺品种多达几十种，其中以聚酰胺-6，聚酰胺-66和聚酰胺-610的应用最广泛。聚酰胺-6和聚酰胺-66主要用于纺制合成纤维，成为锦纶-6和锦纶-66。尼龙-610则是一种力学性能优良的热塑性工程塑料。

PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，切摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工，适用于玻璃纤维和其他填料填充增强改性,提高性能和扩大应用范围。尼龙为韧性角状半透明或乳白色结晶性树脂，作为工程塑料的尼龙分子量一般为1.5万~3万。尼龙具有很高的机械强度，软化点高，耐热，摩擦系数低，耐磨损，有自润滑性、吸震性和消声性，耐油，耐弱酸，耐碱和耐一般溶剂，电绝缘性好，有自熄性，无毒，无臭，耐候性好，染色性差。缺点是吸水性大，影响尺寸稳定性和电性能，纤维增强可降低树脂吸水率，使其能在高温、高湿下工作。尼龙与玻璃纤维亲和性良好。

聚酰胺主要用于合成纤维，其最突出的的有点是耐磨性高于其他所有纤维，比棉花耐磨性高10倍，比羊毛高20倍，在混纺织物中稍加入一些聚酰胺纤维，可大大提高其耐磨性，当拉伸至3%~6%时，弹性回复率可达100%；能经受上万次折挠而不断裂。聚酰胺纤维的强度比棉花高1~2倍，比羊毛高4~5倍，是黏胶纤维的3倍。但聚酰胺纤维的耐候性和耐光性较差，保持性也不佳，做成的衣服不如涤纶挺括。另外，用于衣着的锦纶-66和锦纶-6都存在吸湿性和染色性差的缺点，为此开发了聚酰胺纤维的新品种——锦纶-3和锦纶-4的新型聚酰胺纤维，具有质轻、防皱性优良。透气性好以及耐候性、染色性良好和热定型等特点，因此被认为是很有发展前途的。

橡胶是有机高分子弹性化合物。在很宽的温度（-50℃~150℃）范围内具有优异的弹性，所以又称弹性体。橡胶按其来源可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶天然橡胶是从自然界含胶植物中制取的一种高弹性物质。合成橡胶是用人工合成的方法制得的高分子弹性材料。合成橡胶品种很多，按其性能和用途课分为通用合成橡胶和特种合成橡胶。凡事性能与天然橡胶相同或相近，广泛用于制造轮胎及其他大量橡胶制品，称为特种合成橡胶。橡胶具有独特的高弹性，还具有良好的耐疲劳强度、电绝缘性、耐化学腐蚀性以及耐磨性等，使它称为国民经济中不可缺少和难以代替的重要材料。

作为橡胶材料使用的聚合物，充分表现橡胶材料的高弹性能，在结构上，大分子链具有足够的柔性，分子间作用力较弱，玻璃化温度（Tg）应比室温低得多。这就要求大分子链内旋转位垒较小，分子间作用力较弱，内聚能密度较小。橡胶类聚合物的呢聚能密度一般在290kJ/cm3以下，比塑料和纤维类聚合物的内聚能密度低得多，只有在Tg以上，聚合物才能表现出高弹性能，所以橡胶材料的使用范围在Tg与熔融温度之间。在使用条件下不结晶或结晶很小。例如聚乙烯、聚甲醛等，在室温下容易结晶，故不宜用作橡胶材料。但是，如天然橡胶等在拉伸时可结晶，而除去负荷后结晶又熔化，这是最理想的，因为结晶部分能起到分子间交联作用而提高模量和强度，去载后结晶又熔化，不影响其弹性恢复性能。在使用条件下午分子间相对滑动，即无冷流，因此大分子链上应存在可供交联的位置，以进行交联，形成网络结构。也可采用物理交联方法，例如苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物，由于在室温下苯乙烯链段聚集成玻璃态区域，把橡胶链段的末端连接起来形成网络结构，故可作为橡胶材料的使用。这类橡胶材料也称热塑性弹性体。

聚合物基复合材料的性能有许多独到之处，其制备、成型工艺与其他材料相比也有其特点。首先聚合物复合材料的合成与制品是同时完成的，该材料的制备过程也就是制品的生产过程。在复合材料的成型过程对材料和制品的性能有较大影响。如复合材料的制备中纤维与基体树脂之间的界面黏结是影响纤维力学性能发挥的重要因素。它除与纤维的表面性质有关外，还与材料中气孔率有关，他们都直接影响到材料的层间剪切强度，因为该材料的薄弱环节是其层间的结合强度，例如，当复合材料的气孔率低于4%时，气孔率每增加1%，层间剪切强度就降低7%，而气孔率与工艺过程关系密切。又如对于热固性复合材料中的固化工序（包括固化温度、压力、保温时间等工艺参数）直接影响到材料的性能。成型过程中纤维的预处理，纤维的排布方式，排除气泡的程度，温度、压力、时间等都影响材料的性能。应该根据制品结构和使用时手里状况来选择成型工艺。例如，单向受力杆件和粱应采用拉挤法，因为拉挤成型可保证制品在顺着纤维的方向具有最大的强度和刚度；薄壳构建可采用连续纤维缠绕工艺，以满足各个方向具有不同的强度和刚度的要求。利用树脂基复合材料的形成和制品的成型时同时进行的特点，可以使大型的制品一次整体成型，从而简化制品结构，减少组成零件和连接件的数量，这对减轻制品质量，降低工艺消耗和提高结构使用性能十分有利。其次树脂基复合材料的成型比较方便。因为树脂在固化前具有一定的流动性，纤维又很柔软，依靠模具容易形成要求的形状和尺寸。这些材料可以使用廉价简易设备和模具，不需加压和加热，由原材料直接成型制出大尺寸的制品。这对制造单件和小批量产品很方便，也是金属制品的生产工艺无法比拟的。一种复合材料可以用多种方法成型，在选择成型方法时，应根据制品结构、用途、产量、成本以及生产条件综合考虑，选择最简单和最经济的成型方法。

聚合物基复合材料的制造大体包括：预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工等。复合材料的制品有几十种成型方法，它们之间既存在着共性又有着不同点。

聚合物复合材料的范围广，产品多，在国防工业和国民经济个部门中够有广泛的应用。例如在汽车、传播、宇宙、飞机、通讯、建筑、电子电器、机械设备、石油化工、体育用品等各个方面都有应用。

参考文献

复合材料学/张以河主编——北京化学工业出版社，2011.1

复合材料/周曦亚编——北京：化学工业出版社，2004.10