聚合物基复合材料
聚合物基复合材料知识点
聚合物基复合材料知识点概述：聚合物基复合材料是由聚合物基质和填料或增强材料（如纤维）组成的材料。
由于其独特的性能和广泛的应用领域，聚合物基复合材料成为现代工程领域中的重要材料之一。
本文将介绍聚合物基复合材料的相关知识点。
1. 聚合物基质的选择：聚合物基复合材料的性能主要取决于聚合物基质的选择。
常见的聚合物基质包括聚烯烃、聚酰胺、环氧树脂等。
不同的聚合物基质具有不同的化学性质和力学性能，因此在选择聚合物基质时需要考虑材料的具体应用需求。
2. 填料的选择：填料在聚合物基质中起到增强材料性能的作用。
常见的填料包括纤维、颗粒和珠状材料等。
填料的选择影响着复合材料的力学性能、耐热性和阻燃性等方面。
纤维增强材料可提供更高的强度和刚度，而颗粒和珠状填料则可改善材料的摩擦特性和耐磨性。
3. 增强材料的选择：增强材料在聚合物基质中起到增强材料性能的作用。
常见的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等。
不同的增强材料具有不同的强度和刚度特性，在选择增强材料时需要考虑材料的具体应用环境和要求。
4. 复合界面的设计：复合材料中的界面是指填料和基质之间的相互作用界面。
复合界面的设计可以影响材料的耐热性、粘合强度和耐化学腐蚀性等方面的性能。
在复合材料的制备过程中，通常会采用表面粗糙化、化学处理和界面改性等方法来改善复合界面的性能。
5. 制备工艺：制备工艺对于聚合物基复合材料的性能和结构有着重要影响。
常见的制备工艺包括手工层叠法、注塑成型、挤出成型、压制成型等。
不同的制备工艺决定了材料的成型精度、力学性能和表面质量等方面的特性。
6. 应用领域：聚合物基复合材料广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料、电子电气等领域。
其具有轻质高强度、耐腐蚀、隔热隔音等优势，在这些领域中发挥着重要作用。
例如，碳纤维增强复合材料在航空航天领域中被广泛应用于飞机结构件和卫星结构件等。
7. 未来发展趋势：随着科学技术的不断进步，聚合物基复合材料将继续得到发展和应用。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是由聚合物基体和增强物相互作用形成的复合材料，具有优异的力学性能、热稳定性和电绝缘性能，广泛应用于航空航天、汽车、建筑以及电子等领域。
聚合物基复合材料由于具有低密度、高强度、高刚度、耐腐蚀和自润滑等特点，在航空航天领域得到了广泛应用。
例如，碳纤维增强聚合物基复合材料具有高强度、低密度和耐高温性能，被广泛应用于制造飞机机身、翼面和发动机部件，能有效降低飞机的重量，提高燃油效率，提高飞机的载荷能力和飞行速度。
此外，聚合物基复合材料还被广泛应用于汽车制造领域。
相较于传统金属材料，聚合物基复合材料具有低密度、优异的力学性能和杰出的吸能能力，能够降低汽车整车重量，提高汽车燃油经济性和减少尾气排放。
因此，聚合物基复合材料被广泛应用于汽车车身、车顶、车门、引擎罩、底盘和车辆内部部件等。
在建筑领域，聚合物基复合材料也具有广泛的应用前景。
聚合物基复合材料具有轻质、高强度、耐候性和可塑性等特点，能够有效替代传统的建筑材料，例如水泥、钢材等。
聚合物基外墙材料、地板材料、隔热材料等聚合物基复合材料产品在建筑装饰、隔音隔热、防水防潮等方面具有广泛的应用。
此外，聚合物基复合材料还在电子领域得到了广泛应用。
聚合物基复合材料具有优异的电绝缘性能和低介电常数特点，能够有效隔离和保护电子元器件。
聚合物基复合材料在电路板、电子封装材料、电缆套管等领域具有广泛应用。
总之，聚合物基复合材料具有轻质高强、耐高温、抗腐蚀、电绝缘等一系列优异的特性，广泛应用于航空航天、汽车、建筑和电子等领域，为各行业的发展提供了更多的可能性。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料聚合物基复合材料是一种由聚合物基体和强化材料组成的复合材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。
聚合物基复合材料的研究和应用已经成为材料科学领域的热点之一。
首先，聚合物基复合材料的基本组成是聚合物基体和强化材料。
聚合物基体通常采用树脂类材料，如环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等，而强化材料则可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。
这些强化材料可以有效地提高复合材料的强度和刚度，使其具有优异的力学性能。
其次，聚合物基复合材料具有许多优越的性能。
首先是轻质性能，由于聚合物基体的密度较低，加上强化材料的高强度，使得复合材料具有很高的比强度和比刚度。
其次是耐腐蚀性能，聚合物基复合材料在恶劣环境下具有良好的耐腐蚀性能，可以替代传统的金属材料。
此外，聚合物基复合材料还具有良好的设计自由度，可以根据实际需求进行定制加工，满足不同领域的应用需求。
再次，聚合物基复合材料的制备工艺多样。
常见的制备工艺包括手工层叠、注塑成型、压缩成型等，其中注塑成型是目前应用最广泛的工艺之一。
通过不同的制备工艺，可以得到不同性能的聚合物基复合材料，满足不同领域的需求。
最后，聚合物基复合材料的应用领域非常广泛。
在航空航天领域，聚合物基复合材料被广泛应用于飞机机身、发动机零部件等；在汽车制造领域，聚合物基复合材料被应用于车身结构、内饰件等；在建筑材料领域，聚合物基复合材料被应用于地板、墙板、梁柱等。
可以说，聚合物基复合材料已经成为现代工程领域不可或缺的材料之一。
综上所述，聚合物基复合材料具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，具有广阔的应用前景。
随着材料科学的不断发展，相信聚合物基复合材料将会在更多领域展现其无穷魅力。
聚合物基复合材料
PLS
PLS
插层聚合
缩聚
加聚
聚合物 溶液分散
聚合物 熔融分散
聚合物/层状硅酸盐纳米复合物的结构和分类
从材料微观形态的角度，可以分成三种类型：
材料中粘土片层紧密堆积，分散相为大尺寸的颗粒状，粘土片层之间并无聚合物插入。
聚合物基体的分子链插层进入层状硅酸盐层间，层间距扩大，介于1-4nm，粘土颗粒在聚合物基体中保持“近程有序，远程无序”的层状堆积结构。可作为各向异性的功能材料
对相同尺寸和形状的梁进行振动试验的结果表明,对同一振动,轻合金梁需要9秒钟才能停止,而碳纤维复合材料梁只需2～3秒。
过载安全性
聚合物基复合材料的特性
在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间。
．酚醛玻璃钢 耐热性最好, <350℃长期使用，短期可达1000℃；电学性能好，耐烧蚀材料，耐电弧。性脆，尺寸不稳定，收缩率大，对皮肤有刺激作用。
玻璃钢采光板
玻璃钢汽车保险杠
玻璃钢型材
透光型玻璃钢
体育馆采光
赛艇、帆船壳体
2、GF增强热塑性塑料 (FR-TP) 特点：
车用立体声音响喇叭
纳米材料是指含有纳米结构的材料。尺度为1nm-100nm范围内的物质即为纳米物质。
Why nano? Why nanocomposite?
01
从界面角度:
是两相在纳米尺寸范围内复合而成,界面间具有很强的相互作用，产生理想的粘接性能.
从增强体角度:强度大，模量高
聚合物基复合材料(PMC)
预浸料及预混料制造工艺（续）
SMC的生产一般是在专用SMC机组上进行。生产 上，一般先把除增强纤维以外的其它组分配成树脂糊， 再在SMC机组上与增强纤维复合成SMC。
成型固化工艺
复合材料及其制件的成型方法，是根据产品 的外形、结构与使用要求并结合材料的工艺 性来确定的。 已在生产中采用的成型方法有：1）接触成型 类：手糊成型、湿法铺层成型、注射成型；2） 压力成型类：真空袋压法成型、压力袋成型、 热压罐成型、模压成型、层压或卷制成型；3） 其他成型：纤维缠绕成型、拉挤成型、连续 板材成型、热塑性片状模塑料热冲压成型、 树脂注射和树脂传递成型、喷射成型、真空 辅助树脂注射成型、夹层结构成型、挤出成 型、离心浇铸成型等。
预浸料及预混料制造工艺（续）
轮鼓缠绕法是一种间歇式的预浸料制造工艺，其 浸渍用树脂系统通常要加稀释刑以保证粘度足够低， 因而它是一种湿法工艺。 该方法持别适用于实验室的研究性工 作或小批量生产。
预浸料及预混料制造工艺（续）
热塑性复合材料预浸料制造，按照树脂状态不同， 可分为预浸渍技术和后浸渍技术两大类。
目的
了解基体与增强体表面的作用，偶联剂与增强体及基 体作用，增强体表面的组成、结构及物理、化学性质，界 面层性质，界面粘接强度的大小以及残余应力的大小及作 用等。
PMC界面结构（续）
界面结构分析
可以通过电子显微镜(SEM和TEM)、光电子能谱 (ESCA，AES)、红外光谱(FTIR)和拉曼(Raman)光谱、 二次离子质谱(SIMS)、色谱等现代分析技术进行界面 层的化学结构和组织结构解析。
性能特点：
优：高比强、高比模；可设计性；热膨胀小；耐腐蚀；耐疲劳； 缺：与金属相比，材料昂贵；湿热性能变化；冲击性能差
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是一种由聚合物基体（如聚合物树脂）和强化材料（如纤维、颗粒等）组成的复合材料。
这种复合材料结合了聚合物的可塑性和强度，以及强化材料的刚度和强度，具有优异的力学性能和工程性能。
聚合物基复合材料的制备通常包括以下几个步骤：
1. 选择合适的聚合物基体，常用的包括聚丙烯、聚酯、环氧树脂等。
2. 选择适当的强化材料，常用的有玻璃纤维、碳纤维、纳米颗粒等。
3. 基体和强化材料进行混合，可以通过热压、挤出、注塑等方法将它们混合在一起。
4. 根据需要进行后续的加工和成型，如冷却、切割、修整等。
聚合物基复合材料具有许多优点，包括：
1. 轻质高强度：与金属相比，聚合物基复合材料具有较低的密度和较高的强度，可以实现轻量化设计。
2. 耐腐蚀性：聚合物基复合材料对化学品和湿气的腐蚀性能较好，不容易受到腐蚀和氧化。
3. 良好的耐热性：聚合物基复合材料通常具有较高的耐热性和耐高温性能。
4. 良好的绝缘性能：聚合物基复合材料具有良好的绝缘性能，适用于电气和电子领域。
5. 自润滑性：聚合物基复合材料中的聚合物基体可以提供良好的自润滑性能，减少了摩擦和磨损。
由于聚合物基复合材料具有以上优点，因此广泛应用于航空航天、汽车、建筑、电子、医疗等领域，成为现代工程材料中的重要一类。
聚合物基复合材料的定义
聚合物基复合材料的定义一、什么是聚合物基复合材料？聚合物基复合材料是由聚合物基质中添加一定比例的增强材料而制成的复合材料。
聚合物基质可以是热固性聚合物、热塑性聚合物或弹性体等。
增强材料可以是纤维、颗粒、薄片等。
聚合物基复合材料具有独特的物理、化学和力学性能，在各个领域得到广泛应用。
二、聚合物基复合材料的分类聚合物基复合材料可以根据增强材料的形式和类型进行分类。
1. 根据增强材料的形式•纤维增强聚合物基复合材料：纤维作为增强材料，如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料等。
•颗粒增强聚合物基复合材料：颗粒作为增强材料，如陶瓷颗粒增强复合材料、金属颗粒增强复合材料等。
•薄片增强聚合物基复合材料：薄片作为增强材料，如片状金属增强复合材料、片状陶瓷增强复合材料等。
2. 根据增强材料的类型•碳纤维增强聚合物基复合材料：碳纤维是最常见的增强材料之一，具有轻质、高强度、耐高温等特点，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
•玻璃纤维增强聚合物基复合材料：玻璃纤维具有良好的绝缘性能、机械性能和化学稳定性，常用于建筑、电子、汽车等领域。
•金属颗粒增强聚合物基复合材料：金属颗粒的添加可以提高复合材料的导热性能和机械强度，适用于导热部件、结构件等领域。
三、聚合物基复合材料的优点聚合物基复合材料相比于传统材料具有以下优点：1.重量轻：聚合物基复合材料具有良好的强度和刚度，同时重量很轻，适用于要求重量轻的产品，如航空航天、运动器材等领域。
2.高强度：通过合理设计和选择增强材料，聚合物基复合材料的强度可以达到甚至超过金属材料，满足各种工程应用的要求。
3.耐腐蚀性好：聚合物基复合材料在大多数腐蚀介质中具有良好的耐腐蚀性，可以代替传统金属材料制作耐腐蚀设备。
4.良好的绝缘性能：聚合物基复合材料具有良好的绝缘性能，适用于电气绝缘材料的制造。
5.良好的可塑性：热塑性聚合物基复合材料具有良好的可加工性，可以通过热成型、注塑等工艺制成各种形状的制品。
聚合物基复合材料的定义
聚合物基复合材料的定义一、引言聚合物基复合材料是一种由聚合物基质和增强材料组成的复合材料。
它具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，在航空、汽车、建筑等领域得到广泛应用。
二、聚合物基复合材料的定义聚合物基复合材料是指由聚合物作为基质，同时加入增强材料和填充剂制成的一种新型复合材料。
其中，增强材料可以是纤维、颗粒或片状的无机或有机物质，填充剂则主要用于改善复合材料的性能，如增加硬度、改善耐磨性等。
三、聚合物基复合材料的优点1. 轻质：相比于金属，聚合物基复合材料具有更轻的重量，能够减轻产品重量，提高运载能力。
2. 高强度：由于增强材料的加入，使得复合材料具有更高的抗拉强度和抗压强度。
3. 耐腐蚀：由于聚合物本身就具有较好的耐腐蚀性能，再加上增强材料的加入，使得复合材料具有更好的耐腐蚀性能。
4. 良好的设计自由度：聚合物基复合材料可以根据需要进行设计，具有良好的可塑性和可成型性，可以制成各种形状和尺寸的产品。
5. 能够满足多种应用需求：聚合物基复合材料可以根据需要进行调整，以满足不同领域的应用需求。
四、聚合物基复合材料的分类1. 根据增强材料分类：(1) 碳纤维增强聚合物基复合材料：由碳纤维作为增强材料，聚酰亚胺、环氧等聚合物作为基质制成。
具有高强度、高刚度、低密度等特点，在航空、汽车等领域得到广泛应用。
(2) 玻璃纤维增强聚合物基复合材料：由玻璃纤维作为增强材料，环氧、不饱和聚酯等聚合物作为基质制成。
具有较高的抗拉强度和抗压强度，在建筑、船舶等领域得到广泛应用。
2. 根据成型方式分类：(1) 压缩成型：将预先加工好的增强材料和聚合物基质一起放入模具中，施加压力使其成形。
(2) 注塑成型：将预先加工好的增强材料和聚合物基质混合后注入模具中，通过高温高压使其成形。
(3) 拉伸成型：将预先加工好的增强材料和聚合物基质放置在拉伸机上，通过拉伸使其成形。
五、聚合物基复合材料的应用1. 航空领域：由于聚合物基复合材料具有轻质、高强度等特点，被广泛应用于飞机的机身、翼面等部件制造中。
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三种空间构型：
全同立构：其它原子或原子团只占据分子链的一侧 间同立构：其它原子或原子团相间占据分子链的两侧 无规立构：其它原子或原子团无规律地分布在分子链的两侧
图4.1 聚合物链的三种空间构型
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b. 聚合物链的构象：
以单键连接的原子由于热运动，两个原子可以在保持键 角、键长不变的前提下作相对旋转，称为单键内旋，由
热膨胀系数： 随温度增加而成非线性增加；高于金属和陶瓷
(环氧树脂50-100x10-6/K，不饱和聚酯100-200x10-6/K)
耐 热 性： 聚合物致命弱点，受热时发生物理及化学变化 （软化、熔融、环化、交联、降解、氧化、水解）
耐化学腐蚀： 优于金属但不如陶瓷；
热 导 率： 热的不良导体
电 导 率： 电的不良导体。
1.1 聚合物的结构特征和性能
1.1.1 基本概念
聚合物: 由巨型的链状分子（又称聚合物或大分子）组成 链状分子（由一种或几种低分子化合物聚合而成）
：形成聚合物的低分子化合物
烷类（甲烷）、烯类（乙烯）、炔类（乙炔）
碳水化合物 、 醇、醚、酸、醛、芳香烃
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链 节： 聚合物链状分子中的重复结构单元。
去后又缩回到原来卷曲状，从而使聚合物具有柔性。
聚合物的柔性主要受构成单键的元素、分子链的侧基或支 链、链节数、温度等的影响。
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c. 聚合物链的形态：
线 型 及 支 化 型：构成线性聚合物，具有高弹性和热塑性，
又称为热塑性聚合物，如涤纶、尼龙、生胶等。
交联型及网络型 ：构成体型聚合物，具有较高的强度和热固性，
力大，运动困难
高，刚性、耐热性好
非晶态 无规则排列，运动容易 弹性、延伸率和韧性好
混合态
介于以上两者之间
介于以上两者之间
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1.1.3 聚合物的一般性能特点
强 度： 取决于聚合物分子内和分子间相互作用力；
实际强度较低（杂质、内部缺陷等）
弹性模量： 与温度有关（低于玻璃化转变温度时模量较高） 温度高于玻璃化转变温度时迅速降低
聚 合 度： 大分子中的链节数目。
分 子 量： 链节分子量 与 聚合度的乘积。
聚合反应： 加聚反应（反应过程无副产物）、 缩聚反应（反应过程产生低分子化合物）
有无反应副产物与聚合物收缩率的关系？
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大分子链分类（化学成分）：
a．碳链大分子： 主链全部由碳原子构成；
b. 杂链大分子： 主链中除了碳外，还有O、N、S、P等
此而产生的聚合物链的空间形态称为聚合物链的构象。
图4.2 聚合物链的构象
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实际聚合物链的构象：
带有不同形式和大小的侧基，很难发生单键内旋，而是以 几个单键为一个独立单元进行内旋转，形成链段运动。
高频率链段运动可以随时改变聚合物链构象，使线性分子 链在空间呈卷曲状。在拉力作用下可以伸展拉直，外力除
c. 元素有机大分子：主链无碳原子（Si、O、N、Al、B、P） 且侧链为有机取代基；
d. 元素无机大分子：主链无碳原子，且侧链无有机取代基。
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1.1.2 结构特征
（1）聚合物链的结构：包括空间构型、构象 和 形态。
a. 聚合物链空间构型：
指 聚合物链中原子或原子团 在空间的排列方式。当分子链 的侧基为氢原子时，只有一种链结构。当分子链侧基除了氢 原子外包含其它原子或原子团时，根据其在分子链中占据位 置的不同，有三种空间构型。
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（４）环氧树脂的分类
环氧树脂种类繁多，根据分子结构大体可分为五大类：缩水 甘油醚类环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类 环氧树脂、线型脂肪族类环氧树脂、 脂环族类环氧树脂。
复合材料工业上使用量最大的是缩水甘油醚类环氧树脂，其 中又以二酚基丙烷型环氧树脂（简称双酚A型环氧树脂）为主
环氧树脂最早出现于20世纪三十年代且于40年代工业化，已广泛用于碳 纤维增强复合材料，是PMC最重要的载体。
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（2）环氧树脂的性能
力学性能：固化后有优异的力学性能； 电 性 能：绝缘性能优良，高介电性、耐表面漏电、耐电弧 化学稳定性：很强化学稳定性，耐酸、耐碱、耐溶剂等 突出尺寸稳定性和环境耐久性（耐酶菌，可湿热环境使用）
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聚合物用作基体材料时的要求：
黏附力大、固化收缩率小、有良好物理性能匹配
聚合物用作基体材料时的作用：
（1）固结分散的增强体以形成复合材料的整体； （2）赋予制件形状； （3）保护增强体不受或少受环境的不利影响； （4）向增强体传递载荷以发挥承力功能。
聚合物基体的类型：
（1）热固性树脂：受热软化，发生交联，转化不可逆
图4.4 聚合物的聚集态（a和PbPT为学习晶交流态结构，c为混合态却速度、单体复杂程度、链空间构型和链形态
冷却慢、单体简单、侧基原子或原子团极性大，容易结晶
表5.1 聚合物的结晶度与性能的关系
聚集态
分子链特点
性能特点
晶态
规则排列，分子间作用 熔点、相对密度、强度
又称为热固性聚合物，如酚醛树脂、环氧树脂等。
图4P.P3T学聚习合交物流 链的形态
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（2）聚合物链的聚集态
聚合物大分子通过分子间作用力（范德华力、氢键）聚集而 成，按照大分子排列的有序程度，聚合物聚集态有晶态、非 晶态和混合态三种。对于混合态，可用结晶区域所占百分数 表示聚合物结晶程度，称为结晶度。
环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂
（2）热塑性树脂：加热可变软或熔化，转化可逆
聚烯烃、聚酰胺PPT、学习聚交流碳酸酯、聚甲醛、氟树脂
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1.2 热固性聚合物
1.2.1 环氧树脂
（1）环氧树脂的定义
指含有两个或者两个以上的环氧基团的有机高分子化合物，环氧基团十 分活泼，可位于分子链的末端或中间，能与多种类型的固化剂发生交联 反应而形成不溶、不熔的具有三维网状结构的高聚物。
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（3）环氧树脂的工艺性
可供选择的品种多样：有多种多样的环氧树脂、固化剂和改 性剂体系，可以适应各种应用范围所提出的要求；
固化方便：选用不同环氧树脂品种、不同的固化剂和固化剂 配方，可以在０～１８０度范围内的不同温度下进行固化；
黏附力强：结构中羟基和醚键对各种物质均有很强黏附力；
固化收缩率：固化反应直接进行，没有水或者其它挥发性副 产物放出，所以固化收缩率低（小于２％）。