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。
5.1 聚合物基复合材料
金属材料的疲劳破坏是由里往外突然发 展的。无预兆。
聚合物基复合材料由于疲劳而产生裂缝 时，因纤维与基体的界面能阻止裂缝的扩 展，提高材料的抗疲劳性，有预兆。
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5、2 聚合物基复合材料的性能
3、减震性能好 较高的自振频率会避免工 作状态下引起的早期破坏， 而结构的自振频率除了与 结构本身形状有关而外， 还与材料的比模量的平 方根成正比。 在复合材料中纤维与基体界面具吸振的能力 其振动阻尼很高，减震效果很好。
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团状模塑料 DMC Dough molding compound
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团状模塑料
• 目前，国外轿车车灯 反光罩已有70％采用 IBMC料， 实现轿车 反光罩材料的国产化， IBMC被列为国家“九 五”攻关项目，于96 年底研制出IBMC料， 生产出合格的夏利轿 车车灯反光罩，并于 1997年实现了规模生 产，获得国家专利。
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概述
• 纤维和基体之间的良好的复合显示 了各自 的优点，并能实现最佳结构设计，具有许 多优良特性。
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PMC的组成
(1) 基体
热固性基体(thermosetting matrix)：
i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好
ii) 交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆
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1－1 原材料
（1）基体、胶液准备 • 不饱和聚酯树脂：80％ • 环氧树脂 • 高性能树脂：聚酰亚胺、双马树脂
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纤维增强的聚合物基复合材料一、复合材料1、定义复合材料是一种多相的复合体系，由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料。
2、分类根据组成复合材料的不同物质在复合材料中的形态，可将它们分为基体材料和分散材料。
复合材料按分散材料形式不同可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料、晶须增强复合材料等；按基体材料不同可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。
二、纤维增强聚合物基复合材料聚合物基复合材料是以高分子聚合物为基体，添加增强纤维制得的一种复合材料。
它有许多优异的性能：（1）质轻高强。
若按比强度计算（强度与密度的比值），玻璃纤维增强的聚合物基复合材料不仅大大超过碳钢，而且可超过某些特殊合金钢。
特别是有机纤维、碳纤维复合材料有更低的密度和更高的强度。
（2）耐疲劳性能好。
聚合物复合材料中的纤维与基体的界面能阻止裂纹的发展，金属的疲劳强度是其拉伸强度的30~50%，碳纤维/不饱和聚酯复合材料是70~80%。
（3）耐热性强。
虽然聚合物基复合材料的耐热性不及金属基和陶瓷基复合材料，但随着高性能树脂和高性能增强材料的发展，它的耐热性也达到很优异的效果。
甲基二苯乙炔基硅烷树脂为基体的复合材料在500℃下仍能保持较好的力学性能。
（4）介电性能好。
通过选择树脂基体和增强纤维可制备低介电损耗角正切（小于0.005）的复合材料.如，热固性丁苯树脂基、聚酰亚胺树脂基复合材料。
1、聚合物基体目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂等，另一类为热塑性树脂，如尼龙、聚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺等。
聚合物的选择应考虑：A、基体材料能在结构使用温度范围内正常使用；B、基体材料具有一定的力学性能；C、要求基体材料的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用；D、要求具有一定的工艺性。
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。
聚合物基复合材料的热稳定性研究
聚合物基复合材料的热稳定性研究聚合物基复合材料由于其优异的性能，在众多领域得到了广泛的应用。
然而，其热稳定性是影响其使用性能和寿命的关键因素之一。
因此，对聚合物基复合材料热稳定性的研究具有重要的理论和实际意义。
聚合物基复合材料是由聚合物基体和增强材料组成的多相体系。
常见的聚合物基体包括热塑性聚合物（如聚乙烯、聚丙烯等）和热固性聚合物（如环氧树脂、不饱和聚酯树脂等）；增强材料则有纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）、颗粒（如滑石粉、碳酸钙等）等。
不同的基体和增强材料的组合，以及它们之间的界面相互作用，都会对复合材料的热稳定性产生影响。
热稳定性可以从多个方面来衡量。
其中，热分解温度是一个重要的指标。
当聚合物基复合材料受热时，会发生化学键的断裂和重组，导致材料的质量损失和性能下降。
通过热重分析（TGA）等技术，可以测量材料在不同温度下的质量变化，从而确定其热分解温度。
一般来说，热分解温度越高，材料的热稳定性越好。
聚合物基体的化学结构对复合材料的热稳定性起着决定性的作用。
例如，具有芳香环结构的聚合物通常比脂肪族聚合物具有更高的热稳定性。
这是因为芳香环的共轭结构能够增加分子的刚性和热稳定性。
此外，聚合物的分子量和分子量分布也会影响热稳定性。
较高的分子量通常会提高材料的热稳定性，因为分子链之间的缠结和相互作用更强，能够更好地抵抗热分解。
增强材料对聚合物基复合材料的热稳定性也有显著的影响。
以纤维增强复合材料为例，纤维的种类、长度、直径和含量等因素都会影响热稳定性。
碳纤维具有优异的热稳定性，将其加入聚合物基体中可以显著提高复合材料的热分解温度。
这是因为碳纤维不仅本身具有较高的耐热性，还能够起到导热和阻碍热传递的作用，从而延缓基体的热分解。
复合材料中基体与增强材料之间的界面相互作用也不可忽视。
良好的界面结合能够有效地传递应力和热量，提高复合材料的整体性能。
界面处的化学键合、物理吸附和机械嵌合等作用都会影响热稳定性。
例如，通过对纤维进行表面处理，增加其与基体之间的相容性和界面结合强度，可以提高复合材料的热稳定性。
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?
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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
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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（2）熔融预浸 要求：树脂熔体黏度足够低，且高温长时间内稳定性要好， 使高粘度的熔融态树脂在较短的时间内完全浸渍纤维
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（3）膜层叠 将增强剂与树脂薄膜交替铺层，在高温高压条件下使树脂熔融 并浸渍纤维，制成平板或其它一些形状简单的制品的方法。
特点：适用性强，工艺及设备简单
（4）粉末浸渍 将热塑性树脂制成粒度与纤维直径相当的微细粉末，通过流态 化技术使树脂粉末直接分散到纤维中，经热压熔融即可制得充 分浸渍的预浸料
2.2 纤维增强复合材料的制备方法
▪ 2.2.1 聚合物基复合材料的工艺特点
▪ 聚合物基复合材料在性能方面有许多独到之处，其成型工
艺与其它材料加工工艺相比也有其特点： （1）材料的成型与制品的成型是同时完成的，复合材料的
生产过程也就是复合材料制品的生产过程。 （2）树脂基复合材料的成型比较方便。
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三、喷射成型工艺
▪ 喷射成型技术是手糊成型的改进，属于半机械化生产工艺。 ▪ 喷射成型技术在复合材料成型工艺中所占比例较大，如美
国占9.1%，西欧占11.3%，日本占21%。
▪ 20世纪60年代，我国研究喷射成型，但因原材料质量和环
境污染问题，未能推广，目前用的喷射成型机主要是从美 国进口。
▪ 手糊成型工艺适应性强，可以成型各种形状的制品，且尺
寸不受限制，但制品的壁厚不易精确控制；
▪ 手糊工艺不宜使用较多的填料，因为树脂中填料过多会降
低其流动性，难以手糊成型；
▪ 模具占用周期长，即成型周期长。 ▪ 操作者体力劳动强度大，劳动条件不佳，不易完善劳动保
护。
▪ 设备简单、适应性广、投资少、见效快。
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二、手糊成型工艺
▪ 手糊成型工艺也称接触低压成型工艺。 ▪ 它是在成型模具上，以手工或用简单的工具辅助铺放增强
材料、浸渍树脂，施加接触压或较低压力使其固化成型的 工艺方法。
▪ 手糊成型模具也叫接触模具
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制作聚合物基复合材料的手糊成型工艺过程
• 将模具打磨抛光后→涂脱模剂和含
（1）轮鼓缠绕法
适用于实验室的研究性工作或小批量生产
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（2）陈列铺排法 湿法：许多平行排列的纤维束或织物同时进入胶槽，浸渍 树脂后由剂胶器除去多余胶液，经烘干除去溶剂后，加隔 离纸并经辊压整平，最后收卷。 干法：熔融态树脂从漏槽流到隔离纸上，通过刮刀后在隔 离纸上形成一层厚度均匀的薄膜，经导向辊与平行排列的 纤维或织物叠合，通过热鼓时树脂熔融并浸渍纤维，再经 过辊压使树脂充分浸渍纤维，冷去后收卷。
特点：预浸料具有一定的柔软性，铺层工艺性好，成型工艺性 好，是一种被广泛采用的纤维增强热塑性树脂复合材料的制造 技术
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（5）纤维混编 将基体先纺成纤维，再使其与增强纤维共同纺成混杂纱线 或编织成适当形式的织物，在物品成型过程中，树脂纤维 受热熔化并浸渍增强纤维。 特点：工艺简单，预浸料有柔性，易于铺层操作，在制品 的成型阶段，需要足够高的温度，压力及足够的时间，且 浸渍难以完全。
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2.2.2各种工艺方法在工艺过程中必须共同遵循的要点
复合材料不论采用哪种成型方法．在工艺过程中必须共同 遵守的要点： （1）要使纤维均匀地按设计要求分布在制品的各个部分 （2）要使树脂适量地均匀地分布在制品的各个部位，并适 当地固化。 （3）在工艺过程中要尽最大的努力减少气泡，降低空隙率， 提高制品的致密性。 （4）充分掌握所用树脂的工艺性能，制定合理的工艺规范。
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▪ 2.2.3 聚合物基复合材料的制备方法
一、预浸料及其制备方法 预浸料是将树脂体系浸涂到纤维或纤维织物上，通过一定 的处理过程后贮存备用的半成品，预浸料是一个总称。 一般预浸料在-18℃下存储以保证使用时具有合适的粘度、 铺复性和凝胶时间等工艺性能，复合材料制品的力学及化 学性质在很大程度上取决于预浸料的质量。
倍），填料细度为120~300目。
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手糊成型的脱模剂
◇手糊成型的脱模剂主要用外脱模剂。常用脱模剂是： ♂液体脱模剂，如聚乙烯醇溶液； ♂薄膜型脱模剂，如聚酯薄膜； ♂油膏、蜡类脱模剂，如硅脂、凡士林油、脱模蜡等。 ◇前述几种脱模剂可以复合使用。
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手糊成型的特点
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预浸料分类： 按照增强材料的纺织形式分为：预浸带、预浸布、无 纺布等； 按照纤维排布方式：单向预浸料、织物预浸料等； 按照纤维类型：玻璃纤维预浸料；碳纤维预浸料、有 机纤维预浸料等；
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（一）热固性预浸料的制备 按照浸渍设备和制造方法的不同，热固性纤维增强树脂预 浸料的制备分为轮鼓缠绕法和陈列铺排法。
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手糊成型的辅助材料
▪ 手糊成型的辅助材料主要有填料和色料。 ▪ 可以作为填料的材料包括高岭土、云母粉、玻璃微珠、石
英粉、滑石粉、碳酸钙、活性二氧化硅、石墨、铁粉、铝 粉、氧化铁粉、氢氧化铝粉等。
▪ 在树脂基复合材料中加入填料的目的是为了降低成本和改
善性能。
▪ 填料加入量一般为树脂的15%~30%（有时会超过1~2
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6Hale Waihona Puke （二）热塑性预浸料制造 预浸渍技术
溶液预浸 熔融预浸
预浸料中纤维完 全浸渍树脂
树脂状态不同
膜层叠
粉末浸渍 后浸渍技术
纤维混杂
纤维混编
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预浸料中树脂 以粉末、纤维 包层等形式存 在，对纤维的 完全浸渍要在 复合材料成型 过程中完成
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（1）溶液浸渍 特点：可使纤维完全被树脂浸渍并获得良好的纤维分布； 可采用传统的热固性树脂的设备和类似浸渍工艺；成本较 高并造成环境污染，残留溶剂很难完全除去，影响产品性 能；只适用于可溶性聚合物，对于其他类溶解性差的聚合 物应用受到限制。