热固性聚合物基复合材料介绍
【专业讲堂】纤维增强热固性聚合物基复合材料
【专业讲堂】纤维增强热固性聚合物基复合材料术语“复合”是指由两个或多个分开的部分组成。
复合材料是由两种或多种成分组成的材料，这些成分在宏观上彼此化学分离，并且这些成分之间存在界面。
从概念上讲，自从以色列人在公元前800年左右使用稻草作为砖的增强材料以来，就已经存在纤维增强的复合材料。
在1930年代，美国开始使用短玻璃纤维增强材料和纤维增强复合材料来粘结水泥。
纤维增强聚合物复合材料结构具有许多优点，包括：o优异的力学性能，例如拉伸、弯曲、压缩和冲击强度；o与单位面积重量的未增强塑料和金属相比，可提供更高的强度值；o通过在各种机械和环境压力下提供尺寸稳定性来保持其形状和功能；o高耐腐蚀性；o成本低；o具有断裂韧性；o为设计和应用提供了便利。
复合材料已经使用了很长时间，但是在1960年代，随着聚合物基复合材料的引入，这些材料开始引起了业界的关注。
通过用纤维增强聚合物基复合材料代替钢，可以降低60-80％的重量，而替换铝时可以降低20-50％的重量。
如今，这些结构在能源领域到航空业都有广泛的应用。
纤维增强材料是复合结构中的基本承载元件。
用于纤维增强的聚合物复合结构中，增强纤维的效率取决于所使用的纤维类型、纤维长度、体积含量和纤维取向。
玻璃纤维、碳纤维和芳族聚酰胺纤维通常会用于聚合物复合材料的增强材料。
增强材料的选择取决于最终产品的预期用途、生产管理和成本。
复合材料结构中聚合物基体的主要作用如下：•保持纤维结构在一起；•保护纤维结构不受外界因素影响；•确保结构上的张力以均匀的方式在纤维之间传递。
聚合物基体直接影响基本工艺特性，并对其复合材料结构机械性能的贡献。
例如，在包含热固性聚合物基体的复合材料应用中，成型时间直接取决于聚合物基体的化学反应时间。
此外，热固性聚合物基体的粘度是决定模具流动/加工时间的非常重要的因素。
增强纤维和聚合物基质的热膨胀系数互不相同，聚合物基体的热膨胀系数通常会高于纤维结构。
因此，当复合材料结构开始从加工温度冷却至环境温度时，聚合物基体中发生的高拉伸（收缩）会在纤维结构上和周围产生额外的应力。
复合材料基体(Matrix)材料
2、非氧化物陶瓷
主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。 特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆
性也很强。碳化物、硼化物的抗热氧 化温度约900-1000C，氮化物略低些 ，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所 以抗热氧化温度可达1300-1700C。
★ 氮化硅（Si3N4）属六方晶系，有、两种 晶相。其强度和硬度高、抗热震和抗高温蠕变 性好、摩擦系数小，具有良好的耐（酸、碱和 有色金属）腐蚀（侵蚀）性。抗氧化温度可达 1000C，电绝缘性好。
★ -SiC属六方晶系，- SiC属等轴晶系。 高温强度高，具有很高的热传导能力以及较 好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。
★ 氮化硼具有两种结构： A、类似石墨的六方结构，可作为高温自润滑材料
在高温（1360C）和高压作用下可转变成立方 结构的-氮化硼。 B、 -氮化硼立方结构，耐热温度高达2000C， 硬度极高，可作为金刚石的代用品。
其熔点在1700C以上，主要为单相多晶结构， 还可能有少量气相（气孔）。微晶氧化物的强度 较高；粗晶结构时，晶界残余应力较大，对强度 不利。氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低。 这类材料应避免在高应力和高温环境下使用。这 是因为Al2O3和ZrO2的抗热震性差；SiO2在高温下 容易发生蠕变和相变等。
复合材料--基体（Matrix）材料
一、聚合物及其分类
聚合物包括：热固性聚合物和热塑性聚合物。 1、热固性聚合物:
通常为分子量较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。
主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。 各种热固性树脂的固化反应机理不同，根据使
4、 玻璃陶瓷（微晶玻璃）
许多无机玻璃可通过适当的热处理使其由非 晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。对于 某些玻璃反玻璃化过程可以控制，最后能够形成 无残余应力的微晶玻璃。这种材料成为玻璃陶瓷。
聚合物基复合材料复习要点 热固性复合材料成型工艺
聚合物基复合材料高分子专业考试复习资料现已完结，另有小抄版本稍后更新第四章热固性复合材料成型工艺4.1手糊成型工艺4.1.1定义：用手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，树脂固化形成复合材料的一种成型方法。
4.1.2工序：①增强材料剪裁②模具准备③涂擦脱模剂④喷涂胶衣⑤成型操作⑥固化⑦脱模⑧修边⑨装配⑩制品。
4.1.3优点：操作简便，操作者容易培训；设备投资少，生产费用低；能生产大型的和复杂结构的制品；制品的可设计性好，且容易改变设计；模具材料来源广；可以制成夹层结构。
缺点：劳动密集型的成型方法，生产效率低—喷射成型工艺；制品质量与操作者的技术水平有关；生产周期长；制品力学性能较其他方法低—袋压成型工艺。
4.1.4原材料：玻璃纤维及其织物选择依据：容易被树脂浸润；有较好的形变性；满足制品的性能要求；价格便宜。
种类：无捻粗纱；无捻粗纱布；短切原丝毡；加捻布；玻璃布袋。
4.1.4.1热固性树脂：要求：①能够配制成黏度适宜的胶液②能在室温或较低温度下凝胶、固化，固化时无低分子物产生③无毒或低毒④价格便宜，来源广泛。
4.1.2辅助材料脱模剂：应具备的条件：（1）不腐蚀模具，不影响固化，与树脂粘附力小；（2）成膜迅速、均匀、光滑；（3）使用简便、安全，价格便宜。
按用途分为：内脱模剂（用于模压和热固化）；外脱模剂（用于手糊和冷固化）。
按性状分为：薄膜型脱模剂；混合溶液型脱模剂；油蜡型脱模剂。
4.1.2.1 薄膜型脱模剂：最常用的有：聚酯薄膜、玻璃纸、聚氯乙烯薄膜、聚乙烯薄膜等。
其中聚酯薄膜应用最普遍，使用厚度一般为0.04 mm 、0.02 mm。
使用方法：铺在模具上，或用凡士林贴在模具上。
优点：脱模效果好，使用方便，材料易得。
缺点：薄膜的柔韧性、帖服性差，不能用于形状复杂的制品。
4.1.2.2混合溶液型脱模剂（1）聚乙烯醇脱模剂的配制：在搅拌状态下，用水将聚乙烯醇加热溶解（水温约95℃），冷却到室温，往里滴加乙醇或丙酮（边加边搅拌）。
热固性复合材料与热塑性复合材料
热固性复合材料与热塑性复合材料1热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料是应用十分广泛的复合型材料，这种材料是经过复合而成，在多高科技产品中都得到了广泛的应用与研究，例如在大型客运机的应用中，其不仅减轻了重量，并且还优化了飞机的性能，减轻了飞机在飞行过程中的阻碍，热固性树脂具有非常优异的开发潜能，其应用领域也会在其改性后得到更大的发展。
典型的热固性树脂复合材料分为以下几种：（1）酚醛树脂复合材料:随着对阻燃材料的强烈需求，美国西化学公司，道化学公司等一系列大型化学公司都先后研制成功了新一代的酚醛树脂复合材料。
其具有优异的阻燃、低发烟、低毒雾性能和更加优异的热机械物理性能。
在制备这种具有阻燃效果的材料上，研究人员重新设计思路，在加入不饱和键等其他基团条件下，提高了反应速度，减少了挥发组分。
使酚醛树脂复合材料在其应用领域得到大力发展。
(2)环氧树脂复合材料:由于环氧树脂本身的弱点，研究人员对其进行了两面的改性研究，一面是改善湿热性能提高其使用温度;另一面则是提高韧性，进而提高复合材料的损伤容限。
含有环氧树脂所制备的复合材料己经大力应用到机翼、机身等大型主承力构件上。
(3)双马来酞亚胺树脂复合材料:在双马来酞亚胺树脂复合材料中，由于双马来酞亚胺树脂具有流动性和可模塑性，良好的耐高温、耐辐射、耐湿热、吸湿率低和热膨胀系数小等优异性能，所以这种树脂则会广泛运用在绝缘材料、航空航天结构材料、耐磨材料等各个领域中。
(4)聚酰亚胺复合材料:聚酰亚胺复合材料具有高比强度，比模量以及优异的热氧化稳定性。
其在航空发动机上得到了广泛应用，主要可明显减轻发动机重量，提高发动机推重比。
所以在航天航空领域得到了大力的发展和运用。
2热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料:其自身中的基体是热塑性树脂，该类复合材料是由热塑性树脂基体、增强相以及一些助剂组成。
在热塑性复合材料中最典型和最常见的热塑性树脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯树脂、聚碳酸树脂、聚甲醛树脂、聚醚酮类、热塑性聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚飒等。
热固性复合材料(BMCSMC)在汽车行业应课件
某品牌汽车座椅骨架应用BMC材料
总结词
高强度、轻量化、舒适性
详细描述
该品牌汽车座椅骨架采用BMC材料，通过注射成型工艺 制备。BMC材料的高强度和轻量化特性有助于提高座椅 的刚度和支撑力，从而提升乘坐舒适性。同时，BMC材 料的耐久性和低成本也有助于降低汽车制造成本和维护 成本。此外，BMC材料的加工性能良好，易于实现复杂 形状的成型，能够满足汽车座椅骨架的多样化设计需求 。
智能化与电动化
总结词
智能化和电动化是未来汽车行业的发展方向，BMC/SMC材料的应用将有助于实现汽车的智能化和电 动化。
详细描述
BMC/SMC材料具有良好的绝缘性能和尺寸稳定性，能够满足汽车电子部件的精密制造要求。同时， BMC/SMC材料的强度和耐久性也较高，能够保证汽车在行驶过程中的安全性和稳定性。此外， BMC/SMC材料的可塑性和加工性能也较好，能够实现汽车内部结构的复杂设计和制造。
特性
具有高强度、高刚性、耐腐蚀、 低密度等特点，同时具有良好的 加工性能和尺寸稳定性。
制造工艺与流程
制造工艺
采用预浸料、热压成型、注塑等工艺 ，将增强材料和热固性树脂结合在一 起。
流程
包括原材料准备、预浸料制备、成型 、后处理等步骤。
材料性能优势
高强度和刚性
热固性复合材料具有较高的拉伸、压缩和 弯曲强度，能够满足汽车结构件对强度和
CHAPTER 03
BMC/SMC在汽车行业的发 展趋势
轻量化设计
总结词
随着环保要求的提高和新能源汽车的快速发展，轻量化设计已成为汽车行业的重要趋势。BMC/SMC材料具有密 度低、强度高、耐腐蚀等优点，是实现汽车轻量化的理想材料。
详细描述
BMC/SMC材料的密度较低，能够显著降低汽车的整体重量，从而降低燃油消耗和二氧化碳排放，提高燃油经济 性。此外，BMC/SMC材料的强度和耐腐蚀性能也优于传统金属材料，能够提高汽车的可靠性和安全性。
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
热固性聚合物基复合材料介绍
性能
密度，g/cm3 吸水率，% 收缩率，% 拉西格流动性，mm 马丁耐热，℃ 冲击强度，kJ/m2 弯曲强度，MPa
脲醛 树脂 1.5 0.5 0.6 175 100 8.0 100
MF
1.5 0.15 0.4-0.5 110-119 130 7.0 88
缺点：脆性大、粘结性差、施工工艺差
70年代中期，耐蚀玻璃钢，高温强腐蚀 环境。
性质：耐强酸(强氧化性的硝酸和硫酸除外)、强碱和有 机溶剂，耐高温。
应用： (1)防腐蚀的胶泥，化工设备衬里、涂料。 (2)耐热材料，150℃。 (3)搅拌装置、贮槽及管道。 (4)造型，模具。 (5)玻璃钢、自硬砂
5、硅树脂
五、热固性聚合物基复合材料废 弃物回收利用
回收利用方法
• 物理回收（机械） • 化学回收（热解、溶解） • 热能回收
六 、 不 足 与 方 向
使用温度较低,在长时 间使用的条件下, 环氧 树脂一般不超过200℃ , 耐高温聚酞亚胺也不超 过300一350 ℃。 方向：提高界面强度、 稳定性、降低加工成型 温度、减少成本、提高 树脂基体的韧性。
2、用热塑性树脂连续贯穿于热固性树脂网络中,形成半互穿网 络聚合物(S-IPN)来增韧改性
热塑性树脂架桥增韧
四、常见的热固性聚合物基体
1、酚醛树脂（PF）(电木)
合成：过量的甲醛和苯酚进行缩聚反应，在氨或氢 氧化钠碱性催化作用下，生成热固性PF树脂。 区分：热塑性PF
淡黄色至红棕色透明 粘稠液体
二、热固性复合材料的制备与成型
手糊成型 注射成型 模压成型
袋压成型 缠绕成型
成 投 规 形状 操作 周 效 性能
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。
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一、热固性聚合物的定义 （Thermosetting Polymer）
线形聚合物在加热条件下发生了交联反应， 形成了网状或体型结构，成型后再加热时不能 熔融塑化，也不溶于溶剂，这类聚合物称为热 固性聚合物。
一个化学反应
三个特征
线性（加工前）
交联型（加工后）
热固性聚合物基复合材料， 又称热固性纤维增强塑料， 是用短切的或连续纤维及其 织物增强热固性树脂基体, 经复合而成。
低 大 大 杆 机械 短 高 轴向性能优异 制品横断面恒定
一般的热固性塑料加工流程图（注射成型）
热固与热塑：工艺程序相同，但工艺参数条件不同。 常用注塑成型注塑机：柱塞式、螺杆式（混炼性、塑化性）
特点
•效率高 •压力和流量可调 •系统噪声低 •寿命长 •密封可靠
•具有手动、半自动两 种工作模式。
涂料、装饰板、模塑材料、胶粘剂、泡沫、微胶囊等。
性能
密度，g/cm3 吸水率，% 收缩率，% 拉西格流动性，mm 马丁耐热，℃ 冲击强度，kJ/m2 弯曲强度，MPa
脲醛 树脂 1.5 0.5 0.6 175 100 8.0 100
MF
1.5 0.15 0.4-0.5 110-119 130 7.0 88
1938年瑞士汽巴公司首先获得三聚氰胺的制造专利。 1951年日本开始工业化生产。（无色透明）
三聚氰胺甲醛树脂的反应历程、树脂结构及固化方式都 和脲醛树脂基本相同。
三聚氰胺与甲醛发生加成反应，生成羟甲基衍生物（配 比→1-6，3为主）。 无色透明
在沸水中稳定、耐高温、自熄性、抗电弧性、来源广泛、价 格低廉
二、热固性复合材料的制备与成型
手糊成型 注射成型 模压成型
袋压成型 缠绕成型
成 投 规 形状 操作 周 效 性能
本资 模
期率
其他
低 小 大 复杂 人工 长 低 与工作人员的 材料广；结构能制成
技术有关
夹层；设计易改变
低 大 大 复杂 半机 短 高 制品整体效果 污染大；固化不均匀；
械
好，强度差 有气泡。
性能： 醚键、羟基、苯→电绝缘、粘合、加工性能优异、稳 定、收缩率低、强度高、价格低。
应用： EP 基体是应用最普遍的树脂基体。 1、印刷电路的线路板 2、高压管道和压力容器中和建筑结构工程中补强。
环氧树脂胶
环氧树脂固化剂
3、涂料（自流平地板、 金属板上的喷粉）、
环氧树脂类油漆、胶类、 封装剂
环氧树脂 led封装剂
2、用热塑性树脂连续贯穿于热固性树脂网络中,形成半互穿网 络聚合物(S-IPN)来增韧改性
热塑性树脂架桥增韧
四、常见的热固性聚合物基体
1、酚醛树脂（PF）(电木)
合成：过量的甲醛和苯酚进行缩聚反应，在氨或氢 氧化钠碱性催化作用下，生成热固性PF树脂。 区分：热塑性PF
淡黄色至红棕色透明 粘稠液体
性能： 电绝缘、无毒 耐热性、耐酸性好 无色、半透明 坚硬、耐刮伤
氨基树脂的应用： 1、绝缘材料、餐具。 2、粘合剂、涂料、织物和纸张处 理剂等。 3、色彩鲜艳的塑料制品。 4、航空、电器、建筑等部门，装 饰材料、隔热、隔音材料。
3、环氧树脂（EP）
1940年，瑞士的汽巴公司（CIBA）和美国的SHELL公司开始 工业化生产，胶粘剂和涂料，用途广泛。
酚醛树脂实验制作视频
常见的PF黑色 制品，燃烧难， 火焰黄色火化， 酚味，并有强 烈的甲醛味， 发生开裂现象。
酚醛树脂耐高温视频（氧炔焰中心温3000多度）
2、氨基塑料
酚醛塑料应用与性能
制作隔音材料、隔热材料等 耐火材料、摩擦材料
具有氨基的有机物（脲、三聚氰胺或 苯胺）与醛类化合物，缩聚。
• 功能特点： • 1、工作方便且生产效率高 • 2、定位精度高、合模准确 • 3、自动化 • 4、圆盘2、3、4站可选 • 5、30，000
台湾 宜得世 60,000
14
1、用刚性无机填料,橡胶弹性体、热塑性树脂单体和热致性 液晶(TLCP)聚合物等第二相来增韧改性。
热塑性树脂贯穿增韧
热固性聚合物基复合材料介绍
Thermosetting Polymer-based Composites
一 热固性聚合物的定义（Define） 二 热固性聚合物基复合材料的制备与成型 三 热固性树脂的增韧方法及其增韧机理 四 常见的热固性聚合物基体 五 热固性聚合物基复合材料废弃物回收利用 六 热固性聚合物基复合材料发展方向
定义：环氧基，固化反应，不溶、不熔三维空间网状结构。 制备：大部分由双酚A和环氧氯丙烷进行缩聚的产物。
识别：燃烧情况是慢慢燃烧、火焰黄色有黑烟、并喷溅黄色 火星，由刺鼻酚气味，燃烧处变黑。
分类: 缩水甘油醚类（F、S、A；酚醛；肪族；溴代）缩水甘油酯 类、缩水甘油胺类、脂环族环氧树脂、环氧化烯烃类、新型 环氧树脂（海因环氧树脂、酰亚胺环氧树脂）
低 大 中 简单 机械 短 高 成品美观尺寸 程序复杂可一次成型。
小
准确重复性好
各向同性孔隙 少
低 小 大 复杂 半机 短 高 好 械
低 大 大 回转 机械 短 高 产品准确度高 技术要求严；表面有
体
且质量稳定 凹陷的制品不能缠绕。
热压罐成 型
拉挤成型
低 大 大 简单 机械 短 高 质量高
结构不简单
以脲醛树脂和三聚氰胺甲醛树脂为主。
（1）脲醛塑料（UF）Urea-formaldehyde Resin（电玉）
1920年开始应用，无色透明， 有机玻璃，易龟裂，耐水性不好。
1929年德国的IG公司，工业化生 产，胶合板和木材胶粘剂，模塑材 料。 价格较低，耐水性和耐热性不如酚醛树脂。
应用： 1、耐水性和介电性能要求不高的制品，如插线板、开关、 机器手柄、仪表外壳、旋纽、日用品、装饰品、麻将牌、便 桶盖，餐具。
4、国内飞机结构及航天结构用碳纤维复合材料的基体 垂尾壁板T300/4211 前机身T300/LWR-1 直升机旋翼T300/YEW-7808
脲醛树脂扣
脲醛树脂制作马桶盖
2、胶粘剂中用量最大的品种.
3、灯罩、插座、麻将牌，围棋子、象棋子等（硬度、密度、 耐溶剂，颜色）。 4、泡沫材料、微胶囊等。
（2）三聚氰胺（MF、MPF）Melamine-formaldehyde resin (MF)、Melamine-phenol-formaldehyde resin (MPF)