聚合物基复合材料-性能
聚合物基复合材料的力学性能研究
聚合物基复合材料的力学性能研究聚合物基复合材料是一种由聚合物基体和纳米或微米级增强物组成的材料。
随着科学技术的进步，聚合物基复合材料在工程领域中的应用越来越广泛。
由于其具有良好的力学性能、低密度和优异的耐腐蚀性能，因此成为了替代传统材料的理想选择。
复合材料的力学性能是研究和评价复合材料性能的关键指标之一。
聚合物基复合材料的力学性能主要包括强度、刚度、韧性和疲劳性能等方面。
首先，聚合物基复合材料的强度是指材料在外力作用下抵抗断裂的能力。
聚合物基复合材料的强度受到聚合物基体的强度和增强物的强度影响。
聚合物基体通常具有较高的延伸性，而增强物则具有较高的强度。
这种组合能够充分发挥聚合物基复合材料的优势，提高材料的强度。
近年来，研究者们通过调控聚合物基体和增强物的界面相互作用，进一步提高了聚合物基复合材料的强度。
其次，刚度是指材料在受到外力时的变形程度。
聚合物基复合材料的刚度取决于聚合物基体的刚度和增强物的刚度。
一般来说，增强物的刚度较高，能够有效提高复合材料的刚度。
研究者通过改变增强物的形状和大小，控制复合材料的刚度，以满足不同工程应用的需求。
韧性是指材料在受力时能够吸收和消散能量的能力。
聚合物基复合材料的韧性通常较低，特别是在低温和高负载条件下容易发生断裂。
为了提高材料的韧性，研究者们采用了各种方法，如添加韧化剂、改变增强物的形状和布局等。
这些方法可以提高复合材料的韧性，从而增加其在工程应用中的可靠性。
最后，疲劳性能是指材料在长期受到交变载荷时的抗疲劳断裂能力。
聚合物基复合材料的疲劳性能通常较差，很容易出现疲劳裂纹的生成和扩展。
为了提高复合材料的疲劳性能，研究者们通过优化材料的微观结构和界面相互作用等手段，改善了复合材料的疲劳性能。
总的来说，聚合物基复合材料由于其优异的力学性能，在工程领域中具有广阔的应用前景。
然而，目前对于聚合物基复合材料的力学性能的研究还存在一些问题，如材料的疲劳性能和耐久性等方面需要进一步研究。
聚合物基复合材料-性能
性能 0º
剪切强度(MPa) 85
方向 15º 30º 45º 60º 75º 90º 83.2 95.0 99.2 98.1 90.7 89.5
工程材料
6
3. 疲劳特性
影响FRP疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强度 高的FRP，其疲劳强度也高。与静态强度不同，每种FRP存在一 个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于或高 于最佳值，其疲劳强度都会下降。
工程材料
20
提高FRP耐水性的方法： (1) 纤维进行偶联剂表面处理； (2) 选用耐水性好的树脂； (3) 表面采用表面毡形成富树脂层； (4) 表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等。
工程材料
21
单向FRP的压缩强度随纤维含量增加而提高，但并非成比例 增长。
工程材料
5
(3) 弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤维
制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。
(4)剪切特性 纤维含量增大，FRP的剪切弹性模量上升，FRP的剪切特性也
呈现方向性。
E-42环氧FRP垂பைடு நூலகம்板面剪切性能
分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂的 电性能。
工程材料
8
FRP的电性能对于纤维与树脂的界面粘结状态并不敏 感，但杂质尤其是水分对其影响很大。当FRP处于潮湿环 境中或在水中浸泡之后，其体积电阻、表面电阻以及电 击穿强度急速下降。
工程材料
9
2. FRP的温度特性
（1）热性能
包括导热系数、比热容、线膨胀系数和热变形温度
工程材料
13
影响热固性树脂耐热性的主要因素：大分子链刚性、固 化剂性质和体型树脂的固化交联密度等。
聚合物基复合材料的结构和性能
• ②层合板的力学性能
复 合
单向板有5个弹性常数：纵向弹性模量、横向弹性模量、纵 向剪切模量、纵向泊松比、横向泊松比（独立变量有四个）
材 料
单向板有5个强度参数：纵向拉伸强度、纵向压缩强度、横
工 程
向拉伸强度、横向压缩强度、纵横剪切强度
常
数
影响层合板的力学性能的因素：单向板的力学性能、铺层 角度、铺层比例及铺层的顺序（具体示例见教材196页表 12-5）
4.5 4.6
介电损耗 正切 0.004~0.0
09
0.002
0.008~0.0 1
⑥断裂性能 与纤维、基体、界面的物理性能密切相关
单向板纵向拉伸的三种破坏模式： ① 基体断裂； ② 界面脱粘； ③ 纤维断裂，
单向板横向拉伸的三种破坏模式： ① 基体破坏； ②界面脱粘； ③ 纤维破坏
⑧层合板的燃烧性能 层合板的燃烧性能与复合材料体系有关，
在强酸、强碱介质浸泡下，层合板弯曲强度下降明显
介质对层合板的影响顺序为： H2SO4<HCL<NH4OH<HNO3<NaOH<王水 层合板对盐类、苯、甲醇、乙醇、丙酮、各种燃油、润 滑剂、液压油、防水液有很好的耐腐蚀性能
冲击实验中的典型加载历程
• ③湿热综合作用 聚合物基体通过扩散方式吸收湿气，使得对纤维的支撑削 弱，从而导致复合材料的力学性能降低，同时传递剪切载 荷的能力降低
⑦ 层合板的电性能
材料
介电常数
玻璃/环氧 4.2~4.7 树脂
石英玻璃/ 环氧树脂
玻璃/双马 来酰亚胺
2.8~3.7 4.0~4.4
介电损耗 角正切 0.007~0.0
14
0.006~0.0 13
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。
聚合物基复合材料的优势
聚合物基复合材料是由聚合物基质与纤维增强材料（如碳纤维、玻璃纤维等）或颗粒填充材料（如硅灰石、陶瓷等）组成的一种新型材料。
它的优势包括：
1. 轻质高强：由于纤维增强材料的加入，聚合物基复合材料具有轻质高强的特点，比传统材料如钢铁、铝等重量轻，但强度却更高。
2. 耐腐蚀：聚合物基复合材料的耐腐蚀性能很好，可以在恶劣环境下长期使用而不受到腐蚀和氧化的影响。
3. 抗疲劳：与金属材料相比，聚合物基复合材料的抗疲劳性能更好，可以在重复载荷下长期使用而不致疲劳断裂。
4. 自润滑：某些聚合物基复合材料中加入适当的固体润滑剂，可以在使用过程中自动释放出润滑剂，从而改善材料的摩擦性能和耐磨性。
5. 高温性能：某些聚合物基复合材料具有很好的高温性能，可以在高温环境下使用而不失效。
6. 成型性好：聚合物基复合材料易于成形，可采用热压、注
塑、挤出等多种加工方式，可以生产出各种形状和尺寸的复合材料制品。
7.热膨胀系数低：与金属相比，聚合物基复合材料的热膨胀系数较低，这意味着它们在温度变化时变形较小。
8.加工成本效益：尽管初始材料成本可能较高，但在生产过程中，聚合物基复合材料通过减少装配步骤、降低废料和能源消耗等方式，可以带来总体成本效益的提高。
9.环保可持续：某些类型的聚合物基复合材料可以使用可再生或回收资源制造，有助于实现可持续发展目标。
10美学效果：一些聚合物基复合材料可以通过染色或表面处理产生美观的效果，使其适合于建筑装饰和其他需要视觉吸引力的应用。
基于这些优势，聚合物基复合材料得到了广泛应用，包括航空航天、汽车、建筑、电子等领域，成为了一种重要的结构材料。
聚合物基复合材料的结构与性能研究
聚合物基复合材料的结构与性能研究近年来，聚合物基复合材料因其优良的力学性能、尺寸稳定性和化学稳定性，在各个领域得到了广泛应用。
复合材料的性能受其结构和成分的影响，因此研究复合材料的结构与性能关系对其应用具有重要意义。
一、聚合物基复合材料的结构及其影响因素聚合物基复合材料是将一种聚合物作为基体，通过加入填料、增强剂、改性剂等制得的一种新型复合材料。
其结构由基体聚合物和强化相、填充相等多种组成部分构成，其结构多样性决定了其性能的多样性。
1. 基体聚合物作为聚合物基复合材料的主要组分，基体聚合物的选择直接决定了复合材料的性能。
常用的基体聚合物有聚酰亚胺、聚丙烯、聚酰胺、聚酯等。
2. 填充相填充相是指在基体聚合物中加入的填料或固化剂，其作用是增加复合材料的硬度、强度和耐磨性。
填充相的种类包括炭黑、氧化铝、碳纤维等。
3. 强化相强化相是指在基体聚合物中加入的增强剂，其作用是增强复合材料的强度和刚度。
强化相的种类包括玻璃纤维、碳纤维等。
二、聚合物基复合材料的性能1. 机械性能聚合物基复合材料具有优异的强度和模量，广泛应用于各种领域。
复合材料的力学性能包括拉伸强度、伸长率、弯曲强度、压缩强度等。
2. 热学性能聚合物基复合材料的热学性能受复合材料的结构和成分等因素影响，主要包括热膨胀系数、热导率等。
其中热膨胀系数是热学性能的关键参数之一，它直接影响复合材料在热膨胀、热收缩方面的性能。
3. 电学性能聚合物基复合材料的电学性能是其应用于电子器件和电力设备等领域的关键因素之一。
常用的评价指标有介电常数、电阻率等。
三、结构与性能的关系聚合物基复合材料的结构与性能之间存在密切的关系。
在复合材料的制备过程中，填料和增强剂的种类、性质、组分以及加入量等都会影响复合材料的结构和性能。
为了探究聚合物基复合材料的结构与性能之间的关系，目前采用的方法主要包括分子模拟、力学测试、表面接触角测量法、分析表面形貌和结构等手段。
结构的改变可以通过增加填料的量，改变填料种类以及改变填料的粒径等方法来实现。
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。
聚合物基复合材料界面和性能
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热
表 5-4 几种复合材料常温下的比热
复 合 材 料 比热(kJ/kg·K)
环氧/酚醛树脂
1.92
玻璃小球/硅橡胶
1.96
GF/硅橡胶/酚醛
1.34
尼龙/酚醛
1.46
GF/酚醛
1.67
石墨纤维/环氧
340
~ 220
~ 180
~ 130
~ 180
~ 20
~ 14
~ 60
~ 35
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-2 典型热固性树脂 35°C 下的导热系数
材料 酚醛树脂
环氧树脂
聚酯树脂
密度(g/ cm3) λ (W/ m·K)
1.36
0.27
1.25
0.29
1.22
0.20
1.18
0.29
λ: 导热系数，W/(m • K)，表征材料的导热能力。 ¾ 材料本身的特性 ¾ 温度的函数
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-1 几种材料的导热系数 （W / mּK）
材料 金刚石 银 铜 铝 铜-35% 锌 钛 低碳钢
λ （300 K） λ （900 K）
600
-
425
325
400
-4.7
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热 定义：单位质量的物质升温 1 ℃所需的热量称之。
CP = (1/ m) • (∂Q / ∂T )P CV = (1/ m) • (∂Q / ∂T )V
与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的 关系比较简单，符合加和性原理：
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0.313 0.174
0.189
0.266
0.180
0.496
0.408
0.432
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0.268 0.193
增强材料及成型方法和强度的关系
成型方法 性能
增强材料
手糊成型 玻璃毡 (600g/m2) 无捻粗纱布 (900g/m2) 玻璃布 (340g/m2)
真空袋成型 玻璃毡
(600g/m2) 玻璃布
(340g/m2)
加压袋成型 玻璃毡
(600g/m2)
热压釜成型 玻璃毡
(600g/m2)
模压成型 玻璃毡 (600g/m2)
成型压力(MPa) 0~0.07 纤维含量(%) 23 51 46
0.84 38 50
密度(g/cm3) 1.52 1.64 1.63 1.50 1.67
拉伸强度(MPa) 8) 6.4 14.4 13.6 6.7 弯曲强度(MPa) 143 190 217 190 弯曲模量(GPa) 5.7 12.7 13.8 8.7 压缩强度(MPa) 118 119 132 157 压缩模量(GPa) 6.5 17.1 17.2 8.1
27.7 247 13.8 148 10.8
Questions
• 纤维增强塑料（FRP)的基本性能包括哪些？ • 影响纤维增强塑料（FRP)性能的因素有那些？
举例说明。
12.3 聚合物基复合材料的基本性能
影响纤维增强塑料（FRP)性能的因素：原材料、结构设 计方法及成型工艺。
(1)增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学 稳定性等是决定FRP性能的主要因素;
FRP密度为1.4～2.2g/cm3，约为钢1/4~1/5，而强度与一 般的碳素钢相近。因此FRP的比强度很高。 （2）各向异性
明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强 纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。
（3）弹性模量和层间剪切强度低 弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与 木材接近。 （4）性能分散性大 FRP的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。
(2)增强材料的含量及其排布方式与方向次之; (3)增强纤维与基体树脂的界面粘结状况
玻璃纤维的构成与FRP的机械性能
构成 性能
玻璃纤维毡 玻璃布 无捻粗纱布 玻 玻 玻 玻 玻 玻
四层
八层
三层
璃 璃 璃 璃 璃璃 布 毡 布 布 毡布
二 四 二 二 四二
层 层 层 层 层层
板厚(mm)
6
3
2.5
7.5
4.0
角度 0º45º90º0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º
拉伸强度 86
171
207
109
208
(MPa)
84
109
91
175
77 244
85 104
93 204
拉伸模量 8.5 9.1
16.1 19.8
10.2
10.9
11.0
8.7
16.9 10.7
(GPa)
117
185 203
212 129
(MPa)
204
182
188
193
230
压缩模量 5.7
11.2
15.7
7.4
12.7
(GPa)
5.7
7.2
6.7
12.3
7.6
8.3
15.1
7.3
7.1 12.3
构成 性能
玻璃纤维毡 玻璃布 无捻粗纱布 玻 玻 玻 玻 玻 玻
四层
八层
三层
璃 璃 璃 璃 璃璃 布 毡 布 布 毡布
双向FRP其纤维方向的主弹性模量大约是单向FRP的 0.50~0.55倍；随机纤维增强FRP近似于各向同性，其弹性模量 大约是单向FRP的0.35~0.40倍。
E-42环氧FRP不同方向的拉伸性能
性能 0º
比例极限 178
拉伸强度 (MPa)
破坏强度
269
离散系数 12.6
弹性模量 E1×10-4 1.67 (MPa) E2×10-4 1.43
9.3
16.9
19.9
10.0
16.7
弯曲强度 137
262
403
199
295
(MPa)
139
206
225
104
211
142
253
407
201
274
构成 性能
玻璃纤维毡 玻璃布 无捻粗纱布 玻 玻 玻 玻 玻 玻
四层
八层
三层
璃 璃 璃 璃 璃璃 布 毡 布 布 毡布
二 四 二 二 四二
层 层 层 层 层层
弯管芯模，灰色为圆 环面，绿色为柱面
机器缠绕芯模数个 来回后的纤维分布
导丝头缠绕芯模一 层后的纤维分布
复合材料弯管成品
12 聚合物基复合材料-2 材料的性能
主要内容
• 12.3 聚合物基复合材料的基本性能
– 12.3.1 FRP的机械性能 – 12.3.2 FRP的物理性能 – 12.2.3 FRP的老化性能
10.5~28.0 41 1.53 136 8.5 204 9.0 159 8.5
17.5~70.0 48 1.61 150 8.6 218 9.7 162 8.7
35.0~120.0 50 1.63 156 9.0 227 10.0 163 9.0
12.3.1 FRP的机械性能
1、机械性能的特点 （1）比强度高
• FRP的基本静态特性包括哪些性能？ • 影响FRP的拉伸特性的因素有哪些？ • 影响FRP的压缩特性的因素有哪些？ • 影响FRP的弯曲特性、剪切特性的因素有哪些？
2. FRP的静态特性
FRP的基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。
(1) 拉伸特性
对于单向增强FRP，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均 随纤维体积含量Vf的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡 和玻璃布增强的FRP层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不 与Vf成正比增加，但仍随Vf增加而增加 。
板厚(mm)
6
3
2.5
7.5
4.0
角度 0º45º90º0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º
弯曲模量 7.7
13.7 14.7
11.8
13.7
(GPa)
7.7
8.5
7.7
13.4
9.6 15.7
8.6 11.3
8.7 13.1
压缩强度
192 193
156
166
145
二 四 二 二 四二
层 层 层 层 层层
板厚(mm)
6
3
2.5
7.5
4.0
角度 0º45º90º0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º 0º45º90º
剪切强度 97
107
124
99
119
(MPa)
96
113
95
108
136
98
128
99
129 118
拉伸泊松 比
0.319
0.162
0.327 0.396