复合材料原理第7章
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复合材料 第七章 复合材料的复合原则及界面
45
另外，对于成分和相结构也很难作出全 面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认 识还是很不充分的，不能以一个通用的模型 来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重 要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界 面的工作，以便掌根其规律。
46
第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度是衡量复合材料中增 强体与基体间界面结合状态的一个指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学 性能的影响很大，界面粘结过高或过弱 都是不利的。
的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(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，如透 光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲 击性等。
28
(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，如强的弹性、低的
14
(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过 大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们 之间的结合强度。
(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学
反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引 起纤维性能降低而失去强化作用。
15
(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必 须适宜。
一般而言，基体中纤维的体积含量越高， 其增强效果越显著； 纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也 越高；
制备具有高冲击强度的避弹衣。
43
由于界面尺寸很小且不均匀、化学
成分及结构复杂、力学环境复杂、对于
界面的结合强度、界面的厚度、界面的 应力状态尚无直接的、准确的定量分析 方法；
44
所以，对于界面结合状态、形态、结 构以及它对复合材料性能的影响尚没有适
另外，对于成分和相结构也很难作出全 面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认 识还是很不充分的，不能以一个通用的模型 来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重 要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界 面的工作，以便掌根其规律。
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第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度是衡量复合材料中增 强体与基体间界面结合状态的一个指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学 性能的影响很大，界面粘结过高或过弱 都是不利的。
的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(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，如透 光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲 击性等。
28
(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，如强的弹性、低的
14
(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过 大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们 之间的结合强度。
(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学
反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引 起纤维性能降低而失去强化作用。
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(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必 须适宜。
一般而言，基体中纤维的体积含量越高， 其增强效果越显著； 纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也 越高；
制备具有高冲击强度的避弹衣。
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由于界面尺寸很小且不均匀、化学
成分及结构复杂、力学环境复杂、对于
界面的结合强度、界面的厚度、界面的 应力状态尚无直接的、准确的定量分析 方法；
44
所以，对于界面结合状态、形态、结 构以及它对复合材料性能的影响尚没有适
第7章复合材料力学的几个专题课件
σmax σ
l<l0
l=l0
作用在短纤维上的平均拉应力为
L >l0
l/2
1l l0
fd lf,m a 1 x1 ll0
l l0
β为图中l0/2线段上的面积与（σf,max乘以l0/2积）之比值。 当基体为理想塑性材料时，纤维上的拉应力从末端为零线形增大，则β=1/2，因此
• 对于纵向弹性模量，也可使用混合定律。
2.非连续金属基复合材料的强度
• 混合定律应用于短纤维（包括晶须）时， 应考虑长度对直径比L/d和基体抗剪强度。
• 短纤维长度不同时，最终表达式不同。
– 若纤维长度L小于临界长度Lc，则纤维的最大应 力达不到纤维的平均强度，纤维不会断裂，破 坏是由于界面或基体破坏所造成的。
Hale Waihona Puke 7.2.2 短纤维复合材料强度预测
• 复合材料力学行为的核心：基体与增强体 进行载荷分配。
• 混合定律： 外加载荷等于基体和增强体按体积平均载 荷的总和。
Aff (1f)M
1.连续纤维增强金属基复合材料的强度
• 主要靠连续纤维承受外加载荷 • 金属基体作为传递和分散载荷的媒体 • 纤维增强金属基复合材料的破坏，主要是由
– 若纤维长度L大于临界长度Lc，纤维的应力达到 平均强度时，材料开始断裂。
• 短纤维的增强作用不如连续纤维有效，因 此短纤维的f’比连续纤维的高。
3.颗粒增强金属基复合材料的强度 • 强化机制是弥散强化 • 复合材料破坏从颗粒界面开始，表现为界
面破坏或颗粒脱落
• 切应力导致颗粒破坏，引起材料变型
单向复合材料及铝合金的S-N曲线 1-Kevlar-49/环氧；2-硼纤维/环氧；3-S玻璃纤维/环
第7章 LS-DYNA材料模型之金属、橡胶、泡沫分析
材料特性例子
橡胶 超弹性材料 (something really stretchy) 响应与路径无关 通常认为是不可压缩的，因为体积模量在数量上远远超过 剪切模量 7 *MAT_BLATZ-KO_RUBBER 27 *MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER 31 *MAT_FRAZER-NASH_RUBBER 77 *MAT_HYPERELASTIC_RUBBER 77 *MAT_OGDEN_RUBBER 87 *MAT_CELLULAR_RUBBER
*MAT_BARLAT_ANISOTROPIC_PLASTICITY
*MAT_PLASTIC_GREEN-NAGHDI_RATE *MAT_3-PARAMETER-BARLAT *MAT_TRANSVERSELY_ANISOTROPIC *MAT_BAMMAN_DAMAGE *MAT_RATE_SENSITIVE_POWERLAW *MAT_MODIFIED_ZERILLI_ARMSTRONG
*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC *MAT_ANISOTROPIC_ELASTIC *MAT_RESULTANT_PLASTICITY *MAT_CLOSED_FORM_SHELL_PLASTICITY
*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO
*MAT_STEINBERG *MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_PLASTIC *MAT_JOHNSON_COOK *MAT_ORIENTED_CRACK *MAT_POWER_LAW_PLASTICITY *MAT_STRAIN_RATE_DEPENDENT *MAT_PLASTICITY_WITH_DAMAGE ----
更多其它的
1 *MAT_ELASTIC
《复合材料工艺与设备》 第七章 缠绕成型工艺
开缩式芯模—— 要求：
1、具有经抛光的高精度表面； 2、具有锥度，不小于1/1000(便于脱模)。
7.2.3 芯模设计 P165～169 自学
第七章 缠绕成型工艺
7.3 缠绕规律
7.3.1 概述 7.3.1.1 缠绕规律的内容
课件
所谓缠绕规律是描述纱片均匀、稳定、连续、排布在芯模表面,以 及芯模与导丝头间运动关系的规律。 对缠绕线形的两点要求： （1）纤维既不重合又不离缝，均匀连续布 满芯模表面。
第七章 缠绕成型工艺
7.1.3 缠绕工艺的现状及发展
课件
7.1.3 缠 绕 工 艺 的 现 状 及 发 展
发展方向:高性能材料和功能材料,主要用于高科技领域;军工使用转 向民用；提高自动控制水平，提高生产效率；降低生产成本。
作业：1、干法缠绕、湿法缠绕的特点分别是什么？ 2、缠绕制品的优点是什么？ 3、缠绕制品比强度高的原因是什么？
7.2.1 7.2.1 芯 模 材 料
导热系数对产品固化度的影响； 芯模中水份对产品固化的影响。 7.2.1.3 选择芯模材料应注意的问题 1～4 2.2 芯模的结构形式 7.2.2.1 实心或空心整体式芯模 采用易敲碎的材料或可溶性的盐类。 7.2.2.2 组合式芯模 分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式，
第七章 缠绕成型工艺
（2）螺旋缠绕 定义： 芯模绕自轴匀速转动，导丝头以特定速度沿芯模轴线方向往复 运动的缠绕方式称螺旋缠绕。
课件
7.3 7.3 缠 绕 规 律
此缠绕方式不仅可以 缠绕圆筒段，而且缠绕端 头(封头)。图7-17。 纤维缠绕轨迹： 由圆筒上的螺旋线 和封头上与极孔相切的 空间曲线组成。
2）在出现与起始切点位置相邻的切点以前，极孔上已经出现了两个或两 个以上切点，即时序相邻切点位置不相邻，这种缠绕线形称为多切点线型。
1、具有经抛光的高精度表面； 2、具有锥度，不小于1/1000(便于脱模)。
7.2.3 芯模设计 P165～169 自学
第七章 缠绕成型工艺
7.3 缠绕规律
7.3.1 概述 7.3.1.1 缠绕规律的内容
课件
所谓缠绕规律是描述纱片均匀、稳定、连续、排布在芯模表面,以 及芯模与导丝头间运动关系的规律。 对缠绕线形的两点要求： （1）纤维既不重合又不离缝，均匀连续布 满芯模表面。
第七章 缠绕成型工艺
7.1.3 缠绕工艺的现状及发展
课件
7.1.3 缠 绕 工 艺 的 现 状 及 发 展
发展方向:高性能材料和功能材料,主要用于高科技领域;军工使用转 向民用；提高自动控制水平，提高生产效率；降低生产成本。
作业：1、干法缠绕、湿法缠绕的特点分别是什么？ 2、缠绕制品的优点是什么？ 3、缠绕制品比强度高的原因是什么？
7.2.1 7.2.1 芯 模 材 料
导热系数对产品固化度的影响； 芯模中水份对产品固化的影响。 7.2.1.3 选择芯模材料应注意的问题 1～4 2.2 芯模的结构形式 7.2.2.1 实心或空心整体式芯模 采用易敲碎的材料或可溶性的盐类。 7.2.2.2 组合式芯模 分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式，
第七章 缠绕成型工艺
（2）螺旋缠绕 定义： 芯模绕自轴匀速转动，导丝头以特定速度沿芯模轴线方向往复 运动的缠绕方式称螺旋缠绕。
课件
7.3 7.3 缠 绕 规 律
此缠绕方式不仅可以 缠绕圆筒段，而且缠绕端 头(封头)。图7-17。 纤维缠绕轨迹： 由圆筒上的螺旋线 和封头上与极孔相切的 空间曲线组成。
2）在出现与起始切点位置相邻的切点以前，极孔上已经出现了两个或两 个以上切点，即时序相邻切点位置不相邻，这种缠绕线形称为多切点线型。
第七章 纳米复合材料的结构与表征
第七章 纳米复合材料的结构与表征
样品名称： 纳米SiO2
第七章 纳米复合材料的结构与表征
一般而言，纳米微粒的聚集态是团聚的微粒，而 且是无序分布的，团聚体的大小总是大于纳米微粒
的初始粒径。
将粒径为20nmSiO2分散在聚乙烯吡咯烷酮的环己
烷溶液中，控制聚乙烯吡咯烷酮的浓度，可以得到
纳米微粒为40～60nm的分散体系，说明分散体系的 纳米微粒是2 ～3个纳米粒子聚集而成。
第七章 纳米复合材料的结构与表征
7.1 纳米复合材料的结构 纳米复合材料的性能不仅与纳米微粒的结构有关， 还与纳米微粒的聚集态结构、协同效能、高聚物基体 的结构、微粒与基体界面的结构以及复合、加工工艺 等因素有关。
1. 纳米微粒的结构特征
纳米微粒的结构特征包括纳米微粒的大小、纳米 微粒的分布、纳米微粒的聚集态结构及纳米微粒的作 用形态等。
第七章 纳米复合材料的结构与表征
2. 复合材料中聚合物的结构特征 聚合物的结构特征主要表现在复合材料中聚合物 结构得规整性，聚合物的链段分布，聚合物链与纳 米粒子的相互关系等，对复合材料的性质有明显的
影响。
第七章 纳米复合材料的结构与表征
实验发现，粘土初始层间距尽管不同，环氧树脂插 层后的层间距却基本相同。 说明，改性剂的烷基链取向是垂直于片层的，由于 环氧分子与有机胺亲和性好，可以推测，有机阳离子 上的烷基链必然尽可能地伸展，以实现与环氧基间最 大程度的接近，即环氧树脂分子链平行分布于烷基链 间。 得出的结论：粘土经环氧插层后，所能达到的层间 距与粘土层间有机阳离子的链长有关，与粘土的原层 间距无关。
第七章 纳米复合材料的结构与表征
所以，只要测出微悬臂形变量的大小，就可以获 得针尖与样品之间作用力的大小。
第7章 LS-DYNA材料模型之金属、橡胶、泡沫
27 *MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER Uniaxial 数据输入选项
31 *MAT_FRAZER-NASH_RUBBER 仅对体单元 超弹性规则的改进形式 由 Kedington于1988年描述 泊松比: 0.49 < < 0.50 应变能函数
*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC
*MAT_RESULTANT_PLASTICITY
*MAT_ANISOTROPIC_ELASTIC
*MAT_CLOSED_FORM_SHELL_PLASTICITY
*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO
*MAT_BARLAT_ANISOTROPIC_PLASTICITY
第七章 材料
基本的材料行为和特性 金属 橡胶 泡沫
材料 对获得有用的仿真结果而言，材料的行为和特性可能是最令人头 痛的(老师的观点) 非线性材料的行为经常通过新的研究来更新 非线性材料的特性是不容易获得的 常需采用简化模型
基本的材料行为 弹塑性材料
基本材料行为
软化
只要一个单元达到屈服，所有其他的单元将象屈服单元 一样在应力-应变曲线上进行弹性卸载
35XF-LT, Low Carbon Steel
应变率影响
应变率影响 Cowper-Symonds »由应变率相关因子缩放屈服应力 Johnson-Cook » 由有效塑性应变率因子缩放流动应力 General »由应变率相关因子缩放屈服应力
– 曲线：缩放因子对应变率 Strain rate dependent plasticity » 曲线：屈服应力对有效应变率
»塑性应变
» 失效应力
» *MAT_ADD_EROSION
-一点积分的体单元
第七章扩散连接原理
固相扩散连接过程
目前，人们认为扩散连接包括以下三个过程 ：（）塑性 变形使连接表面接触;（）晶界迁移和孔洞消失;()界面和 孔洞消失过程。下面分别叙述各阶段的过程和机理。 ()塑性变形使连接表面接触
固相扩散连接时，材料表面通常是进行机械加工后 再进行研磨、抛光(包括化学抛光)和清洗，加工后材料表 面在微观上仍然是粗糙的、存在许多一μ的微观凹凸，且 表面还常常有氧化膜覆盖。将这样的固体表面相互接触， 在不施加任何压力的情况下，只会在凸出的顶峰处出现接 触，如图(。初始接触区面积的大小与材料性质、表面加 工状态以及其它许多因素有关。
但由于实际的材料表面不可能完全平整和清洁，因而 实际的扩散连接过程要比上述过程复杂得多。固体金属的 表面结构如图一所示，除在微观上表面呈凹凸不平外，最 外层表面还有～的气体吸附层，主要是水蒸气、氧、和。 在吸附层之下为 ～厚的氧化层，是由氧化物的水化物、 氢氧化物和碳酸盐等组成。在氧化层之下是 ～μ的变形层 。
扩散连接的定义及其特点
扩散连接是将两待连接工件紧压在一起，置于真空或 保护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使两 连接表面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触 ，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种 连接方法。
可见，扩散连接过程是在温度和压力的共同作用下完 成的，但连接压力不能引起试件的宏观塑性变形。
图一 几种材料扩散连接接头拉伸断口的微 观形貌
()钛 (℃ )； (}铁(℃ ); ()不锈钢钛 (℃ ,
); ()铝钛 (℃ )
()扩散、晶界迁移和孔洞消失 与第一阶段的变形机制相比，该阶段中扩散的作用
就要大得多。连接表面达到紧密接触后，由于变形引起的 晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆集，界面区的能 量显著增大，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分迅速 ，很快就形成以金属键连接为主要形式的接头。由于扩散 的作用，可使大部分孔洞消失，也会产生连接界面的移动 。关于孔洞消失的机制阐述如下。
复合材料原理第7章
料的阻燃剂。 钼化物的阻燃效果虽略低于三氧化二锑，但它具有抑制燃烧
时发烟的特点。表8.8为钼化物在玻璃纤维增强卤化聚酯中的 阻燃效果。从表中数据可见，无论钼化物单独使用，或与 Sb2O3或与氢氧化铝并用都能发挥出优异的阻燃效果和明显的 抑制发烟效果。
钼化物之所以有与Sb2O3如此不同的效果，可从与PVC复合塑 料燃烧残渣的元素分析结果来看，钼化物的阻燃机理主要不是 通过气相反应，而是在固相上促进碳化层的生成或者促进卤素 或卤化氢的生成以实现其阻燃效果。
26
表8．7 Sb2O3卤化物的阻燃效果
组成 PE
配方（％，质量比） PP
聚合物 100
60
100
60
85
Sb2O3
全氯环 戊癸烷
溴代联 苯醚
氧指数
17.4
13 27
24.0
17.4
10 30
27.0
5
10 27.0
PS
100
85
5
18.3
10 24.5
27
8．3．2。2 钼化物 三氧化钼和钼酸锑等钼化物通常被用作PVC和含卤聚酯等塑
聚合物的燃烧过程由两个相继的化学过程—分解和 燃烧所组成，两者通过着火和热反馈相互联系。
热散失
不燃物
热分解 聚合物
-Q1
可燃物 焦
熔融物
热散失
燃烧 +Q2 +Q2
气体 烟 碳粒
热反馈
21
以氧指数作为聚合物阻燃性的判据是 Fenimore和Martin于1966年引入的。它是 指聚合物着火后刚够维持燃烧时氧气在试 验气体(氧、氮混合气体)中的最小百分含 量。试验用标准试样在标准条件25℃和气 流线速度为(4土1)cm／s下进行。
时发烟的特点。表8.8为钼化物在玻璃纤维增强卤化聚酯中的 阻燃效果。从表中数据可见，无论钼化物单独使用，或与 Sb2O3或与氢氧化铝并用都能发挥出优异的阻燃效果和明显的 抑制发烟效果。
钼化物之所以有与Sb2O3如此不同的效果，可从与PVC复合塑 料燃烧残渣的元素分析结果来看，钼化物的阻燃机理主要不是 通过气相反应，而是在固相上促进碳化层的生成或者促进卤素 或卤化氢的生成以实现其阻燃效果。
26
表8．7 Sb2O3卤化物的阻燃效果
组成 PE
配方（％，质量比） PP
聚合物 100
60
100
60
85
Sb2O3
全氯环 戊癸烷
溴代联 苯醚
氧指数
17.4
13 27
24.0
17.4
10 30
27.0
5
10 27.0
PS
100
85
5
18.3
10 24.5
27
8．3．2。2 钼化物 三氧化钼和钼酸锑等钼化物通常被用作PVC和含卤聚酯等塑
聚合物的燃烧过程由两个相继的化学过程—分解和 燃烧所组成，两者通过着火和热反馈相互联系。
热散失
不燃物
热分解 聚合物
-Q1
可燃物 焦
熔融物
热散失
燃烧 +Q2 +Q2
气体 烟 碳粒
热反馈
21
以氧指数作为聚合物阻燃性的判据是 Fenimore和Martin于1966年引入的。它是 指聚合物着火后刚够维持燃烧时氧气在试 验气体(氧、氮混合气体)中的最小百分含 量。试验用标准试样在标准条件25℃和气 流线速度为(4土1)cm／s下进行。
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一般无机填料的热膨胀系数较聚合物的要小得多， 所以，填充无机填料的复合塑料其热膨胀系数要较纯 聚合物的小，其数值接近于金属的热膨胀系数。
聚合物、填料及其复合材料的热膨胀系数(×10-5)
热膨胀系数 聚合物 （1/℃）
填料
热膨胀系数 （1/℃）
复合材料
热膨胀系数 （1/℃）
PP
10-11
玻璃纤维E
0.5
时，复合材料的密度主要
取决于填料的含量。
8.2 热性能
热膨胀系数
热性能
热基础物性
导热系数
热功能复合材料 的最重要性质
比热
耐热性
与力学性能并列为结构 复合材料最重要的特性
8.2.1 热基础物性
基本上可按复合规则加以估算：
c m (1V f ) f V f
α ——热膨胀系数； Vf——增强体的容积分数； 角标c、m、f分别代表复合材料、基体和增强体。
随着填料的不同，复合塑料可用作隔热或导热材 料。以空气为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料，而 以碳纤维、金属粉等为填料的复合塑料则可作为导热 性复合材料使用。
复合材料的导热系数在理想情 况下可由下列复合规则估算：
c m(1V f ) f V f
实际的复合材料由于填料的形态等因素的影响，其导热 系数各异。Nielsen考虑了这些因素后提出下列公式：
V f [Wm f m (1 Wm )] m (1 Wm )
Vf
(1Wm )m
Wm f (1 Wm )m
c m (1V f ) f V f (8.1)
Vf
(1Wm )m
Wm f (1 Wm )m
c
m
[1
Wm
(1
f
表8.8 钼化物在玻璃纤维增强卤化聚酯中的阻燃效果
阻燃剂
氧指数
发烟量（相对值）
复合材料物理和化学性能的复合规律
8.1 密度 8.2 热性能 8.3 燃烧特性 8.4 光学性能 8.5 耐化学性
8.1 密度
复合材料的最基本物 性
复合材料中，基体或填料的含量通常以质量百分 率表示，必须将质量百分率换算成体积百分率， 才能应用复合规则来估算复合材料的密度。
c m (1V f ) f V f (8.1)
ρc——复合材料的密度； ρm——基体的密度； ρf——增强体的密度； Vf——增强体的体积分数。
如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数：
Wm
m (1 V f ) f V f m (1 V f
)
Wm f V f Wm m WmV f m m mV f
4.2
AS
6-7
铁
1.2
PVC（含33％木粉， 质量比）
3.2
膨胀系数的各向异性
材料
热膨胀系数①（╳10-5/℃）
流动方向
垂直流动方向
尼龙-6 非增强
11.7
13.7
FRTP（含GF30％）
0.87
12.0
PC 非增强
7.6
7.6
FRTP（含GF30％）
1.9
6.8
改性 PPO 非增强
7.7
8.5
Wm )m
(1 Wm
)
m
]
f
(1 Wm )m Wm f (1 Wm )m
mWm f f m (1 Wm ) Wm f (1 Wm )m
m f
Wm f (1Wm )m
对于聚合物基复合材料，
由于ρm对大多数聚合物来 说差别不大，当填料一定
复合材料
尼龙-66（含 40％玻纤）
尼龙-66（含 40％碳纤）
尼龙-12（含 30％玻纤）
PPS（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PSU（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PP（含30％ 玻纤）
PP（含30％ CaCO3）
导热系数 [W/(m·K)]
0.50 1.21 0.24 0.40 0.75 0.31 0.80 0.33 0.35
49
127
78
结晶性 树脂
尼龙-6
225
尼龙-66经填料26填5 充 后热变形温
POM度明显16上5 升
PET
267
49
218
149
71
255
184
110
163
53
124
227
123
PS
105
93
104
11
非结晶 性树脂
PC
经填料填充 后热变形温
150
132
143
11
PSU 度上升不大 190
174
8.2.2 耐热性
表征非结晶性聚合物 耐热性的物理量是玻 璃化温度Tg，结晶性 聚合物是熔点Tm。
一般表现为随着填料 的加入，玻璃化温度升高， 玻璃化温度的升高程度与 填料加入量成正比。
在聚甲基丙烯酸甲酯中 加入10％白垩，玻璃化 温度可下降10℃左右。
聚合基复合材料的Tg与 填充物含量的关系
填料的加入引 起聚合物微观 结构的改变
FRTP（含GF30％）
2.3
7.1
PET FRTP（含GF30％）
0.75
4.5
由于纤维在流动方向的取向，使流动方向上及 与之垂直方向上的热膨胀系数产生很大的差异。
影响成型速度
制备导热或隔热性制品
塑料的成型工艺几乎都伴随着加热和冷却过程。 填料的加入，如果提高混合物的导热系数，可缩短加 热或冷却时间，也就是提高成型速度。
聚合物 聚甲醛 聚环氧乙烷 聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙稀腈 聚乙烯 聚丙烯 聚异戊二烯 聚丁二烯 聚苯乙烯 纤维素
聚对苯二甲酸乙二酯
聚乙烯醇 尼龙-66
聚3，3-二（氯甲 基）环氧丙烷
一些聚合物的氧指数
氧指数
聚合物
15
羊毛
15
聚碳酸酯
17
聚间苯二甲酰苯
18
聚二苯胺醚
18
聚砜
18
酚醛树脂
18.5
氯丁橡胶
引起界面层 聚合物大分子敛集密 度的改变(一般情况下是密度降低)， 随着大分子敛集密度的改变，改变了 分子间作用力，因而改变分子链段的 活动能力，使聚合物的玻璃化温度随 之而发生变化。
在界面上由于填料-聚合物分子 间作用力的存在，使聚合物大分子 链段运动受到阻碍，因而使聚合物 的玻璃化温度升高。这种聚合物大 分子链段运动受阻的程度随着填料聚合物分子间作用力增大而增高。
18.5
聚苯骈咪唑
18.5
聚氯乙稀
19
聚偏氟乙烯
21
聚偏氯乙烯
22
石墨
23
聚四氟乙烯
23
环氧树脂
氧指数 25 27 28.5 29 30 35 40 41.5 42 44 60 60 95 19.8
8．3．2 填料对聚合物基复合材料燃烧性的影响
8．3．2．1 三氧化二锑 三氧化二锑(Sb2O3)是最常用的阻燃填料之一，它是很多家
聚合物的燃烧过程由两个相继的化学过程—分解 和燃烧所组成，两者通过着火和热反馈相互联系。
热散失
不燃物
热分解 聚合物
-Q1
可燃物 焦
熔融物
热散失
燃烧 +Q2 +Q2
气体 烟 碳粒
热反馈
以氧指数作为聚合物阻燃性的判据是 Fenimore和Martin于1966年引入的。它是 指聚合物着火后刚够维持燃烧时氧气在试 验气体(氧、氮混合气体)中的最小百分含 量。试验用标准试样在标准条件25℃和气 流线速度为(4土1)cm／s下进行。
基体聚合物的耐热性和FRTP的热变形温度
类别
基体聚合物
名称
熔点(℃)
玻璃化 温度(℃)
FRTP(含
热变材形 料在G变F1形20.8温％6度)热MPaT或2(－℃T) 1 温度(0℃.4)6MPTa2(的℃) 受压负荷
PP
176
60下，材12料1~变149形达6一1~89 定尺寸时的温度。
HDPE
137
PP(含30％GF，质 量比)
3.2
PVC(硬质)
7-8
碳纤维（PAN系） （0.3-0.5）
PC（含30％GF， 质量比）
2.7
PC
7
滑石粉
0.8
尼龙66（含30％GF， 质量比）
2.2
尼龙－6
8
CaCO3
1
AS（含30％GF， 质量比）
2.8
尼龙－66 10-15
铝
2.4
PP（含33％ CaCO3，质量比）
0.25 0.29 0.28 0.26 0.13
填料的导热系数一 般比聚合物的大， 可预计，复合塑料 的导热系数要比单 纯聚合物的大。
填料 E－玻纤 碳纤维 碳酸钙 滑石粉 铁（钢）
铝 杉（纵向） 杉（横向）
导热系数 [W/(m·K)]
1.30 2.10-10.45
2.34 2.10 58.52 209 0.42 0.11
表8．7 Sb2O3卤化物的阻燃效果
组成
聚合 物
Sb2O3 全氯 环戊 癸烷 溴代 联苯
醚 氧指
数
PE
100
60
13
27
17.4 24.0
配方（％，质量比）
PP
100
60
85
10
5
30
17.4
27.0
10 27.0
PS
100
聚合物、填料及其复合材料的热膨胀系数(×10-5)
热膨胀系数 聚合物 （1/℃）
填料
热膨胀系数 （1/℃）
复合材料
热膨胀系数 （1/℃）
PP
10-11
玻璃纤维E
0.5
时，复合材料的密度主要
取决于填料的含量。
8.2 热性能
热膨胀系数
热性能
热基础物性
导热系数
热功能复合材料 的最重要性质
比热
耐热性
与力学性能并列为结构 复合材料最重要的特性
8.2.1 热基础物性
基本上可按复合规则加以估算：
c m (1V f ) f V f
α ——热膨胀系数； Vf——增强体的容积分数； 角标c、m、f分别代表复合材料、基体和增强体。
随着填料的不同，复合塑料可用作隔热或导热材 料。以空气为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料，而 以碳纤维、金属粉等为填料的复合塑料则可作为导热 性复合材料使用。
复合材料的导热系数在理想情 况下可由下列复合规则估算：
c m(1V f ) f V f
实际的复合材料由于填料的形态等因素的影响，其导热 系数各异。Nielsen考虑了这些因素后提出下列公式：
V f [Wm f m (1 Wm )] m (1 Wm )
Vf
(1Wm )m
Wm f (1 Wm )m
c m (1V f ) f V f (8.1)
Vf
(1Wm )m
Wm f (1 Wm )m
c
m
[1
Wm
(1
f
表8.8 钼化物在玻璃纤维增强卤化聚酯中的阻燃效果
阻燃剂
氧指数
发烟量（相对值）
复合材料物理和化学性能的复合规律
8.1 密度 8.2 热性能 8.3 燃烧特性 8.4 光学性能 8.5 耐化学性
8.1 密度
复合材料的最基本物 性
复合材料中，基体或填料的含量通常以质量百分 率表示，必须将质量百分率换算成体积百分率， 才能应用复合规则来估算复合材料的密度。
c m (1V f ) f V f (8.1)
ρc——复合材料的密度； ρm——基体的密度； ρf——增强体的密度； Vf——增强体的体积分数。
如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数：
Wm
m (1 V f ) f V f m (1 V f
)
Wm f V f Wm m WmV f m m mV f
4.2
AS
6-7
铁
1.2
PVC（含33％木粉， 质量比）
3.2
膨胀系数的各向异性
材料
热膨胀系数①（╳10-5/℃）
流动方向
垂直流动方向
尼龙-6 非增强
11.7
13.7
FRTP（含GF30％）
0.87
12.0
PC 非增强
7.6
7.6
FRTP（含GF30％）
1.9
6.8
改性 PPO 非增强
7.7
8.5
Wm )m
(1 Wm
)
m
]
f
(1 Wm )m Wm f (1 Wm )m
mWm f f m (1 Wm ) Wm f (1 Wm )m
m f
Wm f (1Wm )m
对于聚合物基复合材料，
由于ρm对大多数聚合物来 说差别不大，当填料一定
复合材料
尼龙-66（含 40％玻纤）
尼龙-66（含 40％碳纤）
尼龙-12（含 30％玻纤）
PPS（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PSU（含30 ％玻纤）
PPS（含30 ％碳纤）
PP（含30％ 玻纤）
PP（含30％ CaCO3）
导热系数 [W/(m·K)]
0.50 1.21 0.24 0.40 0.75 0.31 0.80 0.33 0.35
49
127
78
结晶性 树脂
尼龙-6
225
尼龙-66经填料26填5 充 后热变形温
POM度明显16上5 升
PET
267
49
218
149
71
255
184
110
163
53
124
227
123
PS
105
93
104
11
非结晶 性树脂
PC
经填料填充 后热变形温
150
132
143
11
PSU 度上升不大 190
174
8.2.2 耐热性
表征非结晶性聚合物 耐热性的物理量是玻 璃化温度Tg，结晶性 聚合物是熔点Tm。
一般表现为随着填料 的加入，玻璃化温度升高， 玻璃化温度的升高程度与 填料加入量成正比。
在聚甲基丙烯酸甲酯中 加入10％白垩，玻璃化 温度可下降10℃左右。
聚合基复合材料的Tg与 填充物含量的关系
填料的加入引 起聚合物微观 结构的改变
FRTP（含GF30％）
2.3
7.1
PET FRTP（含GF30％）
0.75
4.5
由于纤维在流动方向的取向，使流动方向上及 与之垂直方向上的热膨胀系数产生很大的差异。
影响成型速度
制备导热或隔热性制品
塑料的成型工艺几乎都伴随着加热和冷却过程。 填料的加入，如果提高混合物的导热系数，可缩短加 热或冷却时间，也就是提高成型速度。
聚合物 聚甲醛 聚环氧乙烷 聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙稀腈 聚乙烯 聚丙烯 聚异戊二烯 聚丁二烯 聚苯乙烯 纤维素
聚对苯二甲酸乙二酯
聚乙烯醇 尼龙-66
聚3，3-二（氯甲 基）环氧丙烷
一些聚合物的氧指数
氧指数
聚合物
15
羊毛
15
聚碳酸酯
17
聚间苯二甲酰苯
18
聚二苯胺醚
18
聚砜
18
酚醛树脂
18.5
氯丁橡胶
引起界面层 聚合物大分子敛集密 度的改变(一般情况下是密度降低)， 随着大分子敛集密度的改变，改变了 分子间作用力，因而改变分子链段的 活动能力，使聚合物的玻璃化温度随 之而发生变化。
在界面上由于填料-聚合物分子 间作用力的存在，使聚合物大分子 链段运动受到阻碍，因而使聚合物 的玻璃化温度升高。这种聚合物大 分子链段运动受阻的程度随着填料聚合物分子间作用力增大而增高。
18.5
聚苯骈咪唑
18.5
聚氯乙稀
19
聚偏氟乙烯
21
聚偏氯乙烯
22
石墨
23
聚四氟乙烯
23
环氧树脂
氧指数 25 27 28.5 29 30 35 40 41.5 42 44 60 60 95 19.8
8．3．2 填料对聚合物基复合材料燃烧性的影响
8．3．2．1 三氧化二锑 三氧化二锑(Sb2O3)是最常用的阻燃填料之一，它是很多家
聚合物的燃烧过程由两个相继的化学过程—分解 和燃烧所组成，两者通过着火和热反馈相互联系。
热散失
不燃物
热分解 聚合物
-Q1
可燃物 焦
熔融物
热散失
燃烧 +Q2 +Q2
气体 烟 碳粒
热反馈
以氧指数作为聚合物阻燃性的判据是 Fenimore和Martin于1966年引入的。它是 指聚合物着火后刚够维持燃烧时氧气在试 验气体(氧、氮混合气体)中的最小百分含 量。试验用标准试样在标准条件25℃和气 流线速度为(4土1)cm／s下进行。
基体聚合物的耐热性和FRTP的热变形温度
类别
基体聚合物
名称
熔点(℃)
玻璃化 温度(℃)
FRTP(含
热变材形 料在G变F1形20.8温％6度)热MPaT或2(－℃T) 1 温度(0℃.4)6MPTa2(的℃) 受压负荷
PP
176
60下，材12料1~变149形达6一1~89 定尺寸时的温度。
HDPE
137
PP(含30％GF，质 量比)
3.2
PVC(硬质)
7-8
碳纤维（PAN系） （0.3-0.5）
PC（含30％GF， 质量比）
2.7
PC
7
滑石粉
0.8
尼龙66（含30％GF， 质量比）
2.2
尼龙－6
8
CaCO3
1
AS（含30％GF， 质量比）
2.8
尼龙－66 10-15
铝
2.4
PP（含33％ CaCO3，质量比）
0.25 0.29 0.28 0.26 0.13
填料的导热系数一 般比聚合物的大， 可预计，复合塑料 的导热系数要比单 纯聚合物的大。
填料 E－玻纤 碳纤维 碳酸钙 滑石粉 铁（钢）
铝 杉（纵向） 杉（横向）
导热系数 [W/(m·K)]
1.30 2.10-10.45
2.34 2.10 58.52 209 0.42 0.11
表8．7 Sb2O3卤化物的阻燃效果
组成
聚合 物
Sb2O3 全氯 环戊 癸烷 溴代 联苯
醚 氧指
数
PE
100
60
13
27
17.4 24.0
配方（％，质量比）
PP
100
60
85
10
5
30
17.4
27.0
10 27.0
PS
100