(1)纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究

纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究

赵若飞　周晓东　戴干策

(华东理工大学聚合物加工室上海200237)

摘要:本文综述了聚合物基纤维复合材料界面残余热应力的形成、测定方法和各种理论分析方法。阐述了残余应力对界面粘结强度以及复合材料断裂韧性和强度的影响,最后对界面残余应力的控制方法作了评述。

关键词:聚合物基纤维复合材料　残余热应力　界面

1　前　言

聚合物基纤维复合材料的基体和增强纤维的热

膨胀系数存在很大的差异,而复合材料有相当部分

是在升温条件下成型的,当温度降低时,由于基体和

纤维的体积收缩率不同,会产生热残余应力,热固性

树脂在固化过程中发生体积收缩也会形成残余应

力。复合材料的残余应力同时存在于基体、纤维和

界面上,基体中的应力会使基体的性质发生变

化[1、2],使基体的耐冲击性、疲劳强度、压缩强度等下

降,甚至会引起基体的破坏。纤维中主要存在轴向

压缩残余应力,可能引起纤维发生曲折[3]。界面相

的残余应力有径向压缩或拉伸应力、环向拉伸应力

和界面剪切应力[4、5],这些应力都会对界面的粘结强

度和纤维的脱粘产生重要的影响[6～8]。

界面相残余应力的存在显然严重影响复合材料

的宏观性能,因此,人们一直希望能定量测定它,但

是界面层的厚度很小,属于微结构(纳米结构),而且界面存在材料的内部,所以难以直接测量残余应力[9]。纤维和基体中的残余应力则可采用各种实验方法来测定,例如光弹性法[2、10]、Ramman光谱法[11]、纤维总应变法[12]、碳纤维电阻率法[13]、单丝拔除法[14]等,可以通过测定邻近界面的基体或纤维中的残余应力来得到界面残余应力。另一方面,三十年来发展了有限元分析等各种理论分析方法研究复合材料残余应力[15～21],使人们对界面残余应力有了深入的认识。

近年来热塑性树脂基复合材料得到发展和广泛应用,人们对聚合物基复合材料的界面残余应力的研究越来越重视,这是因为与热固性树脂基复合材料相比,这种热塑性树脂在加工冷却过程中多伴有结晶的形成,与纤维的体积收缩比具有更大的差异[1、22]

,可能形成较大的界面残余应力。

2　残余应力的形成

聚合物基纤维复合材料有不少是在高于环境温度(150～300℃)的条件下加工,当体系温度降低时,会由于树脂和纤维的体积收缩不匹配而造成残余应力,表1列举了几种纤维和树脂的热膨胀系数和温度变化时的体积收缩率。由表1可见玻璃纤维是各向同性的,而碳纤维和凯芙拉纤维的横向和纵向热膨胀系数差别很大,当升温时沿纤维纵向收缩,横向膨胀。环氧树脂在固化过程中,伴随着化学反应体积发生收缩,产生残余应力,体积收缩率随树脂类型的不同在1%-6%范围内,固化完成后,环氧树脂随温度的降低继续发生一定的体积收缩,热膨胀系数在较窄的温度范围内(50～150℃)可看作常数(40～80ppm/℃)[24]。热塑性树脂在温度达到固化温度时(T c或者T g),体积收缩开始产生热应力,在达到固化温度以前,热塑性树脂仍然是熔体,虽然也有很大的体积收缩但却不产生残余应力,非晶型热塑性树脂的体积收缩率与环氧树脂相差不大,而结晶型的体积收缩率则相当高。

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聚合物基体和纤维在温度降低过程中的体积收

缩不匹配,而又要保持变形的一致,就必然要产生内应力(如图1所示)。纤维和基体在轴向存在残余应力σL (图la ),纤维径向受到压缩残余应力σr (图1b ),在基体中和界面处还存在环向残余应力σh (图1C )

。

若假设界面结合良好,

基体和纤维是弹性的,弹性性质以及热膨胀系数各向同性,而且各种参数不随温度变化,则可得到复合材料体系纤维式(1)和基体中式

(2)横向残余应力的理论估算式[25],对单纤维复合材料,纤维的体积含量可忽略,则径向残余应力可由式(3)估算:

3　残余应力的测量方法

3.1　单丝拔出法[14]

单丝拔出法可以测定纤维受到的径向残余应力。根据单丝拔出曲线,由式(4)可以求出纤维脱粘后的摩擦力τi ,在单丝拔出过程中,对包埋纤维的基体施加垂直于纤维方向的压力Pa ,若基体收缩引起的径向残余压力的PO ,则由式(5)可知τi 随Pa 的增加呈线性变化,根据直线的斜率和截距,则可求出P O 。该法所测得的径向残余压力P O ,由于忽略了纤维受拉应力而引起的泊松应力,因此略偏低。

3.2　光弹性法[2][4][10][27]

基体内部存在内应力时,它的双折射性能要发

生相应的变化,若三个主应力不完全相等,则在偏振光的照射下,透明的基体会产生等色线和等倾线,根据等倾线可以确定与偏振光轴相互垂直的平面内的主应力方向,而根据等色线可以确定平面内两个主应力的差值,通过该法可以测得基体中三个主应力的大小和方向。对基体中的残余应力进行光弹分析,要求材料高模量、应力光学性能适当,还需要消除基体的时间一边缘效应。到目前为止,该法仅用于环氧基复合材料的残余应力的研究。 3.3　激光Raman 光谱法[11、

28]

Raman 光谱可用来测定有机聚合物纤维、SiC 纤

维以及碳纤维的残余应力,这些纤维其Raman 光谱的特征谱带随张应变的增大移向低频、随压应变的增加移向高频,在一定的应变范围内,频移与应变值成一定的比例。通过测定复合材料中纤维Raman 光谱特征峰的频移,即可求出纤维的应变值,进而得到纤维受到的应力值,该法可以测定纤维的轴向残余应力。3.4　其他方法

Y.Saado 等人直接用灵敏高位计(灵敏度1

μm ),测出了包埋在基体中的纤维轴向残余应力而发生的轴向总应变,由总应变和纤维的模量求出纤维轴向受到的压缩残余应力,该法所测结果与理论值比较相符[12]。

对碳纤维复合材料,当碳纤维受到轴向压缩残余应力时,它的单位长度的电阻率会变大,若此时对碳纤维施加一拉应力,则随拉应力的增加,其电阻率又会下降,当电阻率完全和自由的碳纤维的相等时,那么所施加的拉应力就等于纤维受到的轴向残余压缩应力[13]。Wang Xiaojan 等人首次提出了这种方法,并测定了碳纤维/环氧单纤复合材料中纤维受到的轴向残余压缩应力,应力值为1320MPa ,略低于理论值1438MPa [13]。

4　残余应力的分布

Marloff 和Daniel 在1969年采用了三维光弹技

术[14],对正方形列阵多纤维包含体模式基体中纵向

切面中的径向、环向和轴向残余应力进行了研究。分析结果表明:以各纤维之间的中点为参考点,环向应力在参考点处有最大值,随着向界面方向的移动而变小;基体中纤维轴向方向的残余应力是拉应力,保持常数,在界面处与环向应力相等;径向应力是压缩应力,基本保持常数,仅在界面处略有降低。

T.K oufopoulos 和P.S.Theocaris 对多纤维包含体模式(如图5)进行了二维光弹应力分析,得出结论[10]:基体中径向残余应力是纤维周长位置的函数,在纤维之间距离最小处是压缩应力,而在纤维之间距离最大处则是拉伸应力,而且可能导致该方向界面处的径向应力也为拉伸应力;径向应力随复合材料相对刚度Ef/Em 的下降而变大,随d/D (纤维之间最近距离/纤维直径)的下降而变大;残余应力的分布与基体和纤维的模量以及体积收缩率有关。另外,Haener 等人通过对正方形列阵纤维排列模式的残余应力的古典弹性力学分析[29],不仅得到与光弹

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分析的相同结果,而且发现,在界面处存在剪切残余应力,这种剪切应力也是周长位置的函数。分析结果还表明,各种残余应力随纤维体积含量的增加而变大

。

到此为止,人们对残余应力在平面内(垂直于纤维方向的纵向切面)的分布和变化已有了比较清楚的认识,然而以上分析结论,都未能说明残余应力随纤维轴向的变化。近年来人们采用三维有限元分析方法,对残余应力随轴向位置的改变而发生的变化进行了研究

A.Abedian 和W.Szyzkowski 采用三维有限元法[21],分析了碳纤维/环氧树脂体系中残余应力的分布。分析结果表明:在接近复合材料自由表面处(端区),界面上存在轴向残余剪切应力,随着向材料内部的移动而逐渐变小,一般当离自由表面2.5～5倍的纤维直径处完全消失;轴向残余压缩应力在靠近自由表面处有最大值,随着离自由表面的距离增加而趋于以定值;在端区径向(2～4MPa )和环向(5～7MPa )的残余应力存在着应力集中,应力集中是拉伸应力,随纤维周长位置的改变而变化,应力的大小远大于端区的轴向剪切应力,可能会引起应力集中处的纤维脱粘和基体的破坏。在离自由表面较远处(内区),各种残余应力不随轴向位置的改变而变化,分析结果与以前的结论基本一致,但有一点不同于T.K oufopoulos [10]的光弹分析结果:有限元分析表明,基体中的径向残余应力在纤维之间距离最大处可能为拉伸应力,却未能证明该方向界面处的径向残余应力也为拉伸应力,A.Abedian [21]指出这是由于光弹分析中忽略了复合材料端区对残余应力分布的影响,把端区的界面上径向拉伸应力的集中误认为这种拉伸应力沿纤维轴向都存在。

　残余应力对复合材料界面和性能的

影响

基体和纤维的残余应力,会使基体和纤维的性

能下降,甚至会引起材料的破坏[1～3]。复合材料界面上的环向应力、端区的轴向剪切应力,特别是端区的径向和环向拉伸应力集中,都可能会引起界面的

脱粘和邻近界面的基体破坏。而界面上的径向残余压缩应力则有利于界面粘结强度的提高[31],因此,只有合适大小的径向残余压缩应力才有利于复合材料韧性和强度的提高[33～34]。

当复合材料受到外载荷作用时,由于基体和纤维的泊松比不同,会在界面上产生泊松径向压缩应

力σr p ,同时界面上还存在热径向和残余应力σr T ,则界

面处的压缩应力σr =σr p +σT r [30]

。M.R.Piggott [32]根据复合材料纤维拔出机理的破坏方式,建立了复合

材料断裂韧性R 与σr

关系的公式(式7),Piggott 研

究了环氧/碳纤维和环氧/玻璃纤维体系的R ～σr 关

系,发现R 随着σr 的增加而迅速下降,因此降低界面处的压缩应力,复合材料的断裂韧性提高。

T.U.Marston [34]等人研究了复合材料的强度σc

与基体和纤维之间摩擦力τf 的关系,其中τf =μ

σr =(σr p +σr T ),当τf 较高时σC 2

∝1/τf ,当τf 较低时,σ

c 随1/τf 的增加而降低,因此只有在摩擦力τf 大小适中

的情况下,复合材料的强度才能达到最高,这就需要有效的控制界面残余应力。界面处的径向热残余应力都较大,便如,玻璃纤维/聚丙烯体系的可达63MPa [22],因此需要减小界面处的径向热应力,以提高复合材料的韧性和强度。

6　界面残余应力的控制

残余应力是由于聚合物基体的体积收缩引起的,减小基体体积收缩率就可以降低残余热应力。环氧树脂基体的体积收缩主要发生在交联固化阶段,向环氧树脂中添加一种膨胀性单体,Piggott 等人成功地降低了碳纤维/环氧树脂体系的热残余应力[34]。Piggott 通过单丝拔出法测定了向环氧树脂中添加7.5%的膨胀性单体后界面处的径向残余压缩应力,发现由原来的46MPa 变为14MPa [34],这种单体的加入同时使复合材料的韧性和疲劳强度得到提高[35][36]。

J.A.Nairn [1、17]

提出,在基体和纤维的之间引入柔性界面层,可以降低基体固化过程中残余应力形成的开始温度,从而降低热残余应力。另外界面柔性层的存在,还可以通过变形来消除部分残余应力。J.T.Hartness [37],在部分结晶的热塑性树脂与纤维之间引入了T g 低于基体结晶温度的热塑性树脂界面层,有效地降低了热残余应力。文献[39]在玻璃纤维/聚丙烯体系中引入了柔性橡胶层,使材料的耐冷热循环性能明显得以提高。

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残余应力的大小与基体的冷却速度密切相关,因为无论热固性或者热塑性树脂,都不是完全弹性的,而是粘弹性的,在应力形成过程中存在着应力松驰,若降低冷却速度,则应力松驰程度越高,形成的残余应力就较低。https://www.360docs.net/doc/8d10429057.html,ndro和M.Pegoraro用同心圆柱柱模型,根据基体的粘弹性,从理论上分析了冷却速度对残余应力的影响[31],得出降低冷却速度能有效降低形成的残余应力,而且冷却速度对热塑性基体的影响远大于对热固性基体的影响。

7　结束语

界面上残余应力的存在对复合材料的的韧性和强度有重要的影响,对残余应力分布的认识以及定量测定残余应力具有重要的意义,采用适当方法定量地控制界面残余应力,能够使复合材料的宏观性能得到最大程度的提高。界面残余应力的研究,已成为复合材料领域一个重要的课题,对国内复合材料界而言还显得比较欠缺,界面残余应力的研究和测试几乎还是空白。

文中符号说明:

:纤维的横向热膨胀系数;αT:纤维的纵向热膨胀系数;△V:体积变化率;α:纤维的热膨胀系数;△α:基体和纤维的热膨胀系数之差;E m,E f:基体和纤维的弹性模量;V m,V f:基体和纤维体积分数;△T:形成残余应力的初始温度和最终温度之差;F:单丝拔出过程中的最大拉力;U:纤维在拔出过程中的位移;μ:摩擦系数;L:纤维的包埋长度r:纤维的直径;A,l,m:决定纤维强度的常数,纤维强度σf=AL-m。

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39　周晓东.华东理工大学博士后研究工作报告,1998

RESEARCH OF INTERFACIAL RESID UAL STRESS IN FIBER-POLYMER COMPOSITES

Zhao Ruofei　Zhou Xiaodong　Dai G ance

(Lab of Polymer Processing,East China University of Science and Technology) Abstract:　In this paper an overview of the formation,determination and various theoretical analysis methods of residual stress on the fiber-polymer interface is presented.The effect of the interfacial residual stress on interfa2 cial bond strength,composites strength and fracture toughness is then elaborated.Finally,the methods to control in2 terfacial residual stress are discussed.

K eyw ords:　fiber-polymer composites　interface residual stress

收稿日期:1999Ο09-28

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复合材料界面与设计

先进聚合物复合材料界面设计与表征进展姓名：卢刚班级：材研1005 学号：104972100244 摘要：本文简述了界面的形成与作用机理，着重介绍了聚合物基复合材料界面改进的几种方法。关键词：聚合物；复合材料；界面 Abstract：This paper briefly describes the formation of the interface and the mechanism of action,mainly introduces some methods about the UI improvement of the polymer-based composites. 1引言聚合物基复合材料是由纤维和基体结合为一个整体，使复合材料具备了原组成材料所没有的性能，并且由于界面的存在，纤维和基体所发挥的作用，是各自独立而又相互存在的。界面是复合材料组成的重要组成成分，它的结构与性能，以及粘合强度等因素，直接关系到复合材料的性能。所以，复合材料界面问题的研究有着十分重要的意义。现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析、原子粒显微镜等，在复合材料界面分析表征中得到充分利用，为揭示界面的本质、丰富界面的理论做出了重要贡献。 2界面的形成与作用机理 2.1界面的形成复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成形加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两个阶段：第一阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程。在复合材料的制备过程中，要求组份间能牢固的结合，并有足够的强度。要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个液态对固体的相互浸润。所谓浸润，即把不同的液滴放到不同的液态表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润”。

复合材料的界面改性

界面及界面改性方法界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。 1、聚合物基复合材料界面界面结合有机械粘接与润湿吸附、化学键结合等。大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。增强剂本身一般不与基体材料反应。聚合物基复合材料界面改性原则： 1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。２）适度的界面结合强度３）减少复合材料中产生的残余应力４）调节界面内应力和减缓应力集中聚合物基体复合材料改性方法１、颗粒增强体在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增容剂)，则能使液晶微纤与基体间形成结合良好的界面２、纤维增强体复合材料界面改善 a)纤维表面偶联剂 b)涂覆界面层 c)增强体表面改性 2、金属基复合材料界面金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，在冷却凝固热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。金属基复合材料的界面控制研究方法： 1）对增强材料进行表面涂层处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。 2）选择金属元素改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 3）优化制备工艺和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。 3、陶瓷基复合材料的界面陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。陶瓷基体复合材料界面控制方法

聚合物基复合材料试题

第一章聚合物合金的概念、合金化技术的特点？聚合物合金：有两种以上不同的高分子链存在的多组分聚合物体系合金化技术的特点:1、开发费用低，周期短，易于实现工业化生产。2、易于制得综合性能优良的聚合物材料。3、有利于产品的多品种化和系列化。热力学相容性和工艺相容性的概念？热力学相容性：达到分子程度混合的均相共混物，满足热力学相容条件的体系。工艺相容性：使用过程中不会发生剥离现象具有一定程度相容的共混体系。如何从热力学角度判断聚合物合金的相容性？ 1、共混体系的混合自由能（ΔG M ）满足ΔG M =ΔH M -TΔS M <0 2、聚合物间的相互作用参数χ 12 为负值或者小的正值。 3、聚合物分子量越小，且两种聚合物分子量相近。 4、两种聚合物的热膨胀系数相近。 5、两种聚合物的溶度参数相近。 *思考如何从改变聚合物分子链结构入手，改变聚合物间的相容性？ 1、通过共聚使分子链引入极性基团。 2、对聚合物分子链化学改性。 3、通过共聚使分子链引入特殊相互作用基团。 4、形成IPN或交联结构。 5、改变分子量。第二章 *列举影响聚合物合金相态结构连续性的因素，并说明分别是如何影响的？组分比：含量高的组分易形成连续相；黏度比：黏度低的组分流动性较好，容易形成连续相；内聚能密度：内聚能密度大的聚合物，在共混物中不易分散，容易形成分散相；溶剂类型：连续相组分会随溶剂的品种而改变；聚合工艺：首先合成的聚合物倾向于形成连续性程度大的相。说明聚合物合金的相容性对形态结构有何影响？

共混体系中聚合物间的工艺相容性越好，它们的分子链越容易相互扩散而达到均匀的混合，两相间的过渡区越宽，相界面越模糊，分散相微区尺寸越小。完全相容的体系，相界面消失，微区也随之消失而成为均相体系。两种聚合物间完全不相容的体系，聚合物之间相互扩散的倾向很小，相界面和明显，界面黏接力很差，甚至发生宏观的分层剥离现象。什么是嵌段共聚物的微相分离？如何控制嵌段共聚物的微相分离结构？微相分离：由化学键相连接的不同链段间的相分离控制溶剂、场诱导、特殊基底控制、嵌段分子量来控制 *简述聚合物合金界面层的特性及其在合金中所起的作用。特性：1、两种分子链的分布是不均匀的，从相区到界面形成一浓度梯度；2、分子链比各自相区内排列松散，因而密度稍低于两相聚合的平均密度；3、界面层内易聚集更多的表面活性剂、其他添加剂、分子量较低的聚合物分子。作用：力的传递效应；光学效应；诱导效应。第三章简述橡胶增韧塑料的形变机理及形变特点。形变机理：银纹化和剪切带形变特点：1、橡胶的存在有利于发生屈服形变；2、力学性能受形变机理影响简述橡胶增韧塑料形变机理的研究方法及影响形变机理的因素。定量研究：高精度的蠕变仪同时测定试样在张应力作用下的纵向和横向形变影响因素：树脂基体；应力和应变速率；温度；橡胶含量；拉伸取向简述橡胶增韧塑料的增韧机理，并列举实例加以说明。多重银纹化增韧理论：在橡胶增韧的塑料中，由于橡胶粒子的存在，应力场不再是均匀的，橡胶粒子起着应力集中的作用。（脆性玻璃态高聚物受外力作用发生银纹形变时材料韧性很差）银纹-剪切带增韧机理：银纹和剪切到之间存在着相互作用和协同作用。（ABS 拉伸过程中既有发白现象，又有细颈形成）试比较橡胶增韧塑料和刚性粒子工程塑料的异同点。 1、增韧剂种类不同； 2、增韧的对象不同； 3、增韧剂含量对增韧效果的影响不同； 4、改善聚合物合金性能的效果不同； 5、增韧机理不同； 6、对两相界面黏结强度的要求是相同第四章

聚合物基复合材料

聚合物基复合材料摘要：聚合物基复合材料以其特有的性能近年来越来越受到人们的青睐。本文简单的介绍了聚合物基复合材料，描述了其作为一种新材料的性能特点，并详细描述了其发展历史及应用。关键词：聚合物、复合材料、应用、历史 1、聚合物基复合材料复合材料是指：两个或两个以上独立的物理相，包括粘接材料（基体）和粒料纤维或片状材料所组成的一种固体物。 (1) 复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是各组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。（2）复合材料中通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。（3）分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料。而聚合物基复合材料一般都具有以下特性： 1. 比强度、比模量大。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的

聚合物基复合材料制备方法

摘自课本《聚合物基复合材料》,针对的是聚合物基纳米复合材料的制备方法。 1、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是最早用来制备纳米复合材料的方法之一。所谓的溶胶-凝胶工艺过程是将前驱物在一定的有机溶剂中形成均质溶液，均质溶液中的溶质水解形成纳米级粒子并成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶。溶胶-凝胶中通常用酸、碱和中性盐来催化前驱物水解和缩合，因其水解和缩合条件温和，因此在制备上显得特别方便。根据聚合物与无机组分的相互作用情况，可将其分为以下几类：（1）直接将可溶性聚合物嵌入到无机网络中把前驱物溶解在形行成的聚合物溶液中，在酸、碱或中性盐的催化作用下，让前驱化合物水解，形成半互穿网络。（2）嵌入的聚合物与无机网络有共价键作用在聚合物侧基或主链末端引入能与无机组分形成共价键的基团，就可赋予其具有可与无机组分进行共价交联的优点，可明显增加产品的弹性模量和极限强度。在良好溶解的情况下，极性聚合物也可与无机物形成较强的物理作用，如氢键。（3）有机-无机互穿网络在溶胶-凝胶体系中加入交联单体，使交联聚合和前驱物的水解与缩合同步进行，就可形成有机-无机同步互穿网络。用此方法，聚合物具有交联结构，可减少凝胶的收缩，具有较大的均匀性和较小的微区尺寸，一些完全不溶的聚合物可以原位生成均匀地嵌入到无机网络中。溶胶-凝胶法的特点是可在温和条件下进行，可使两相分散均匀，通过控制前驱物的水解-缩合来调节溶胶-凝胶化过程，从而在反应早期就能控制材料的表面与界面性能，产生结构极其精细的第二相。存在的问题是在凝胶干燥过程中，由于溶剂、小分子、水的挥发可能导致材料内部产生收缩应力，从而会影响材料的力学和机械性能。另外，该法所选聚合物必须是溶解于所用溶剂中的，因而这种方法受到一定限制。 2、层间插入法层间插入法是利用层状无机物(如粘土、云母等层状金属盐类)的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作为无机主体，将聚合物(或单体)作为客体插入于无机相的层间，制得聚合物基有机-无机纳米复合材料。层状无机物是一维方向上的纳米材料，其粒子不易团聚且易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范

聚合物基复合材料复习

1.聚合物基复合材料的组成 (1) 基体热固性基体： i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好 ii) 交联固化后成网状结构，尺寸稳定性好耐热性好，但性脆 iii) 制备过程伴有复杂化学反应热塑性基体： i) 熔体粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型，工艺性差 ii) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好 iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象 (2) 增强体主要有碳纤、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等由于树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，增强体多经过表面处理与表面改性，以及浸润剂、偶联剂和涂复层的使用，使其组成复杂化。 3.复合材料的界面 1)界面现象：①表面吸附作用与浸润 ②扩散与粘结（含界面互穿网络结构） ③界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键合力） 2). 复合材料的界面形成过程 PMC、MMC、CMC等复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。（1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。 i) 界面设计与控制的重要手段 ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分 iii) 为第二阶段作准备（2）第二阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程 i) 接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合或物理结合。化学结合可看作是一种特殊的浸润过程 ii) 界面形成与发展的关键阶段（3）第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应 i) 界面的固定（亚稳态、非平衡态） ii) 界面的稳定（稳态、平衡态）在复合材料界面形成过程中涉及： i) 界面间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程 ii) 界面间的相互转化：如，固化过程是固-液界面向固-固界面转化的过程后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程 3）复合材料界面结构与性能特点 i) 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样。界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分 ii ) 具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料的性能特征

聚合物基复合材料的界面研究进展

大学研究生课程论文题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩专业材料工程课程名称、代码1512011080405 年级姓名学号时间年月任课教师

聚合物基复合材料的界面研究进展【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强 1 前言界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。 2 无机刚性粒子增强聚合物基复合材料及其界面无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低

聚合物基复合材料考试答案

1聚合物基复合材料的定义、特征、结构模式。聚合物基复合材料：是以有机聚合物为基体，以颗粒、纤维等为增强材料组成的复合材料特征：1比强度和比模量高，比强度（抗拉强度与密度之比）和比模量(弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚性大。2 良好的抗疲劳性能疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。3、减振性能好在工作过程中振动问题十分突出，复合材料为多相系统，大量的界面对振动有反射吸收作用。且自振动频率高，不易产生共振4、高温性能好复合材料在高温下强度和模量基本不变5、各项异性和可设计性。6、成型加工性好复合材料可成型任意型面的零件7、其它优点与其它类材料相比，聚合物基复合材料耐化学腐蚀、导电、导热率低等特点。缺点：1耐湿热性差2.材料性能分散性差3.价格过高复合材料的结构①无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、短纤维）②连续长纤单向增强结构（单向板）③层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层，每层不同)④三维编织体增强结构⑤夹层结构（蜂窝夹层等）⑥混杂结构 2、复合材料的界面效应有哪些？怎么影响材料的性能。界面在复合材料中所起到的效应： 1、传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。 2、阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。 3、不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象 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。 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 3.试说明玻璃纤维、碳纤维与芳纶纤维表面处理方法的相同点和不同点。相同点是都需要在高温下处理，改善纤维的微结构，使纤维与界面和基体更加匹配。包括化学键理论，润湿理论，表面形态理论，可

金属基复合材料界面表征及其进展

第14卷第3期V o l.14N o.3 材　料　科　学　与　工　程 M aterials Science&Engineering 总第55期 Sep t.1996金属基复合材料界面表征及其进展梅　志　顾明元　吴人洁上海交通大学上海　200030 【摘　要】　界面是复合材料极其重要的组成部分,全面而确切地表征界面是控制和改善复合材料的最重要基础之一。本文从界面组成及成分变化、界面区的位错分布、界面残余应力的测定和界面结构的高分辨观察及其原子模拟等四个方面综述了金属基复合材料界面表征的方法及其最新进展。【关键词】　金属基复合材料　界面表征 Character ization of M etal M atr ix Com posite I n terface and Its Advances M e i Zh i Gu M i ngyuan W u Ren j ie Shangha i J i ao-tong Un iversity,Shangha i 200030 【Abstract】　A s interface is very i m po rtant in compo site m aterial,characterizing interface all2 sidedly and exactly is one of the mo st i m po rtant bases of contro lling and i m p roving compo site m a2 terials.In th is paper the m ethods and its latest developm ents of the characterizati on ofM M C′s in2 terface are review ed.there are four m ain m ethods to characterize the interface;(1)to analyse phase structure、compo siti on of interface;(2)to deter m ine dislocati on distributi on in the interface regi o;(3)to m easure interface residual stress;(4)to m anifest the interfacial structure w ith h igh reso luti on observati on and w ith atom ic si m ulati on of interface structure.T hey are introduced in o r2 der. 【Key words】　M etal m atrix compo site,Interface characterizati on. 一、引　言界面是复合材料特有的而且是极其重要的组成部分,复合材料的性能与界面性质密切相关。由于界面的原子结构、化学成分和原子键合不同于界面两侧的增强体和基体,界面的性质与界面两侧有很大的差别,而且在界面上更容易发生化学反应,所以界面对复合材料的性能起着极其重要的作用,有时甚至能起控制作用。因此,只有深入了解界面的几何特征、化学键合、界面结构、界面的化学缺陷与结构缺陷、界面稳定性与界面反应及其影响因素,才能在更深的层次上理解界面与材料性能之间的关系,进一步达到利用“界面工程”发展新型高性能复合材料的目的。与此同时,界面研究的成果不仅会给复合机理的研究带来促进作用,而且这项工作的深入开展还关系到研究物质表面结构与性能的现代新技术和新仪器的进展。界面结构的研究是当前材料科学的前沿课题,人们对界面的相组成和结构、界面区的成分及其分布、近界面基体一侧的位错密度及其分布等以及它们与材料总体性能之间的关系进行了广泛研究。然而,过去由于实验手段的限制,以往的研究工作大部分停留在微米尺度,而大量

(1)纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究

纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究赵若飞　周晓东　戴干策 (华东理工大学聚合物加工室上海200237) 摘要:本文综述了聚合物基纤维复合材料界面残余热应力的形成、测定方法和各种理论分析方法。阐述了残余应力对界面粘结强度以及复合材料断裂韧性和强度的影响,最后对界面残余应力的控制方法作了评述。关键词:聚合物基纤维复合材料　残余热应力　界面 1　前　言聚合物基纤维复合材料的基体和增强纤维的热膨胀系数存在很大的差异,而复合材料有相当部分是在升温条件下成型的,当温度降低时,由于基体和纤维的体积收缩率不同,会产生热残余应力,热固性树脂在固化过程中发生体积收缩也会形成残余应力。复合材料的残余应力同时存在于基体、纤维和界面上,基体中的应力会使基体的性质发生变化[1、2],使基体的耐冲击性、疲劳强度、压缩强度等下降,甚至会引起基体的破坏。纤维中主要存在轴向压缩残余应力,可能引起纤维发生曲折[3]。界面相的残余应力有径向压缩或拉伸应力、环向拉伸应力和界面剪切应力[4、5],这些应力都会对界面的粘结强度和纤维的脱粘产生重要的影响[6～8]。界面相残余应力的存在显然严重影响复合材料的宏观性能,因此,人们一直希望能定量测定它,但是界面层的厚度很小,属于微结构(纳米结构),而且界面存在材料的内部,所以难以直接测量残余应力[9]。纤维和基体中的残余应力则可采用各种实验方法来测定,例如光弹性法[2、10]、Ramman光谱法[11]、纤维总应变法[12]、碳纤维电阻率法[13]、单丝拔除法[14]等,可以通过测定邻近界面的基体或纤维中的残余应力来得到界面残余应力。另一方面,三十年来发展了有限元分析等各种理论分析方法研究复合材料残余应力[15～21],使人们对界面残余应力有了深入的认识。近年来热塑性树脂基复合材料得到发展和广泛应用,人们对聚合物基复合材料的界面残余应力的研究越来越重视,这是因为与热固性树脂基复合材料相比,这种热塑性树脂在加工冷却过程中多伴有结晶的形成,与纤维的体积收缩比具有更大的差异[1、22] ,可能形成较大的界面残余应力。 2　残余应力的形成聚合物基纤维复合材料有不少是在高于环境温度(150～300℃)的条件下加工,当体系温度降低时,会由于树脂和纤维的体积收缩不匹配而造成残余应力,表1列举了几种纤维和树脂的热膨胀系数和温度变化时的体积收缩率。由表1可见玻璃纤维是各向同性的,而碳纤维和凯芙拉纤维的横向和纵向热膨胀系数差别很大,当升温时沿纤维纵向收缩,横向膨胀。环氧树脂在固化过程中,伴随着化学反应体积发生收缩,产生残余应力,体积收缩率随树脂类型的不同在1%-6%范围内,固化完成后,环氧树脂随温度的降低继续发生一定的体积收缩,热膨胀系数在较窄的温度范围内(50～150℃)可看作常数(40～80ppm/℃)[24]。热塑性树脂在温度达到固化温度时(T c或者T g),体积收缩开始产生热应力,在达到固化温度以前,热塑性树脂仍然是熔体,虽然也有很大的体积收缩但却不产生残余应力,非晶型热塑性树脂的体积收缩率与环氧树脂相差不大,而结晶型的体积收缩率则相当高。 FRP/CM　2000.No.4

聚合物基复合材料的界面研究进展

深圳大学研究生课程论文题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩专业材料工程课程名称、代码1512011080405 年级姓名学号时间年月任课教师

界面层厚度对复合材料热残余应力的影响研究

界面层厚度对复合材料热残余应力的影响研究 1 绪论 1.1研究的目的及意义金属基复合材料是在树脂基复合材料的基础上发展起来的。最初在60年代初期开始有所发展，但由于当时制备技术等各种因素的制约，并没有引起广泛的注意。进入到70年代后期，由于高新技术对材料的各种性能要求日益提高，金属基复合材料以其优良的性能引起各国政府、工业界的重视，被誉为先进复合材料，与传统材料相比较，它具有重量轻、高比弹性模量、高比强度、耐疲劳、耐磨损、低能耗、低膨胀系数等特点，具有在军事、航天航空、汽车、机械、电子等各种领域应用的可能性[1]。在高温下制备复合材料时，基体与增强体之间极易发生有害的界面反应，而合适的界面涂层不但能有效阻挡这类反应，而且还可以对复合材料界面残余应力的分布起到一定的调节作用[2]。在复合材料使用过程中，由于基体和纤维性能的差异，热残余应力的存在不可避免，它对复合材料的力学性能有着重要影响，有时甚至会导致基体开裂，因此受到人们的高度重视[3]。由于材料不同且具有不同力学性能的界面层，其厚度和性能会对复合材料的有效性能产生剧烈的影响[4]，所以合适的界面厚度使得基体与基体的界面结合适中，有利于材料性能的提高[5]。金属基复合材料的内部残余应力对复合材料的力学性能具有重大影响, 为了预测金属基复合材料内部残余应力的大小及影响，许多学者都致力于研究金属基复合材料内部残余应力的理论计算模型[6]。广义地说，残余应力是一种普遍存在的现象，产生残余应力的原因也是多种多样的。金属基复合材料热残余应力产生必须具备的条件有：(1)基体与增强体之间界面结合良好；(2)温度变化；(3)增强体与基体之间的热膨胀系数差异[7]。而这些简化模型的界面层具有一定的厚度，界面结合的好坏由界面层材料力学性能来表征[8]。并且建立一些模型对于分析和理解热残余应力的分布特征和变化趋势是非常有用的[9]。几年来，随着计算机技术和有限元方法的快速发展，引发了数值模拟技术的热潮，数值模拟技术的应用，不仅可以节省实验时问、节约研究经费，而且对研究残余应力对复合材料性能的作用规律、促进金属基复合材料的应用与发展都具有重大

聚合物基复合材料复习

聚合物基复合材料复习要点常州大学高分子系整理第一章、概论复合材料的定义：复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的分类按增强材料形态：①连续纤维复合材料②短纤维复合材料③粒状填料复合材料④编织复合材料按聚合物基体材料：环氧树脂基、酚醛树脂基、聚氨酯基、聚酰亚胺基、不饱和聚酯基以及其他树脂基复合材料按增强纤维种类：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、玄武岩纤维有机纤维复合材料、金属纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料按材料作用：结构复合材料，用于制造受力构性的复合材料和功能复合材料，具有各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、耐摩擦、屏蔽）的复合材料复合材料的基本性能：①综合发挥各组分材料优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能 ②按对材料性能的需要进行材料的设计和制造 ③可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序聚合物基复合材料的主要性能：①轻质高强②可设计性好③具有多种功能性④过载时安全性好⑤耐疲劳性能好⑥减震性好复合材料设计可分为三个层次： ①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能 ②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排，该层次决定层合板的性能 ③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸这三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。材料设计和结构设计必须同时进行，并在一个设计方案中同时考虑。第二章、增强材料增强材料按物理形态：①纤维状增强材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等②片状增强材料③颗粒状增强材料玻璃结构比较靠谱的两种假说：①微晶结构假说②网络结构假说 ①微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”所组成，这种“微晶子”在结构上是高度变形的晶体，在“微晶子”之间由无定形中间层隔离，即由硅酸盐过冷溶液所填充 ②网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅四面体、铝氧四面体或硼氧三面体相互连成不规则的三维网络，网络间的空隙由Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na+、K+等阳离子为网络改性物。为什么玻璃纤维强度远大于块状玻璃？答：微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，但实测强度很低，这是由于玻璃或玻璃纤维中存在数量不等、尺寸不同的微裂纹，这些微裂纹使玻璃或玻璃纤维在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂纹处产生应力集中，从而它们强度下降。但玻璃纤维强度仍比块状玻璃高很多，这是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均匀性，不仅使得自身结晶度比块状玻璃高，而且使其微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在的概率也减少，从而减少应力集中，使纤维强度增高。高强玻璃纤维的特点：直径细、长度短、含碱量低、未老化、未疲劳、玻璃硬化快。玻璃纤维耐热性好，但其耐磨性、耐折性、透光性、耐腐蚀性差（比表面积大）。二氧化硅或三氧化二铝含量越高、碱金属氧化物含量越低，玻璃纤维化学稳定性越好。玻璃纤维最广泛的两种生产工艺：①坩埚法拉丝工艺②池窑漏板法拉丝工艺玻璃纤维纱的规格①定量法：用质量为1g的原纱的长度表示②定长法（TEX）：1000m 长的原纱的质量（g）;捻度：指单位长度内纤维与纤维之间所加的转数玻璃纤维的表面处理：表面处理是在玻璃纤维表面覆一种表面处理剂，使玻璃纤维与合成树脂牢固地黏结在一起，以达到提高玻璃纤维性能的目的。玻璃纤维表面处理方法：①后处理法②前处理法③迁移法 ①后处理法：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。其主要特点是：处理的各道工序都需要专门的设备，投资大，玻璃纤维强度损失大，但处理效果好，比较稳定，是目前国内外最常用的处理方法。 ②前处理法：这种方法是适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和黏结。将化学处理剂加入到浸润剂中，即为增强型浸润剂，这样，在拉丝的过程中处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。前处理与后处理法比较，省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便，避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失，是很适用的方法。 ③迁移法：是将化学处理剂直接加入到树脂胶囊中整体掺合，在浸胶同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至玻璃纤维表面的迁移作用而与表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用碳纤维轻质、高强、高模量、耐热、化学稳定性好、低电阻、高热传导系数、低热膨胀系数、耐辐射、X射线透过性好，还具有阻止中子透过性。碳纤维的制造方法：①气相法②有机纤维碳化法 1.气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃、芳烃等）在高温下沉积成纤维。此方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。 ②有机纤维碳化法：先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法可制造连续长纤维。碳纤维的主要制造方法是热解有机纤维，其流程如下：纤维化稳定（氧化或热固化）碳化石墨化聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的制造工艺流程：复合材料的定义：复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的分类按增强材料形态：①连续纤维复合材料②短纤维复合材料③粒状填料复合材料④编织复合材料按聚合物基体材料：环氧树脂基、酚醛树脂基、聚氨酯基、聚酰亚胺基、不饱和聚酯基以及其他树脂基复合材料按增强纤维种类：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、玄武岩纤维有机纤维复合材料、金属纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料按材料作用：结构复合材料，用于制造受力构性的复合材料和功能复合材料，具有各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、耐摩擦、屏蔽）的复合材料复合材料的基本性能：①综合发挥各组分材料优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能 ②按对材料性能的需要进行材料的设计和制造 ③可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序聚合物基复合材料的主要性能：①轻质高强②可设计性好③具有多种功能性④过载时安全性好⑤耐疲劳性能好⑥减震性好复合材料设计可分为三个层次： ①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能 ②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排，该层次决定层合板的性能 ③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸这三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。材料设计和结构设计必须同时进行，并在一个设计方案中同时考虑。第二章、增强材料增强材料按物理形态：①纤维状增强材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等②片状增强材料③颗粒状增强材料玻璃结构比较靠谱的两种假说：①微晶结构假说②网络结构假说 ①微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”所组成，这种“微晶子”在结构上是高度变形的晶体，在“微晶子”之间由无定形中间层隔离，即由硅酸盐过冷溶液所填充 ②网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅四面体、铝氧四面体或硼氧三面体相互连成不规则的三维网络，网络间的空隙由Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na+、K+等阳离子为网络改性物。为什么玻璃纤维强度远大于块状玻璃？答：微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，但实测强度很低，这是由于玻璃或玻璃纤维中存在数量不等、尺寸不同的微裂纹，这些微裂纹使玻璃或玻璃纤维在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂纹处产生应力集中，从而它们强度下降。但玻璃纤维强度仍比块状玻璃高很多，这是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均匀性，不仅使得自身结晶度比块状玻璃高，而且使其微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在的概率也减少，从而减少应力集中，使纤维强度增高。高强玻璃纤维的特点：直径细、长度短、含碱量低、未老化、未疲劳、玻璃硬化快。玻璃纤维耐热性好，但其耐磨性、耐折性、透光性、耐腐蚀性差（比表面积大）。二氧化硅或三氧化二铝含量越高、碱金属氧化物含量越低，玻璃纤维化学稳定性越好。玻璃纤维最广泛的两种生产工艺：①坩埚法拉丝工艺②池窑漏板法拉丝工艺玻璃纤维纱的规格①定量法：用质量为1g的原纱的长度表示②定长法（TEX）：1000m 长的原纱的质量（g）;捻度：指单位长度内纤维与纤维之间所加的转数玻璃纤维的表面处理：表面处理是在玻璃纤维表面覆一种表面处理剂，使玻璃纤维与合成树脂牢固地黏结在一起，以达到提高玻璃纤维性能的目的。玻璃纤维表面处理方法：①后处理法②前处理法③迁移法 ①后处理法：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。其主要特点是：处理的各道工序都需要专门的设备，投资大，玻璃纤维强度损失大，但处理效果好，比较稳定，是目前国内外最常用的处理方法。 ②前处理法：这种方法是适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和黏结。将化学处理剂加入到浸润剂中，即为增强型浸润剂，这样，在拉丝的过程中处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。前处理与后处理法比较，省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便，避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失，是很适用的方法。 ③迁移法：是将化学处理剂直接加入到树脂胶囊中整体掺合，在浸胶同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至玻璃纤维表面的迁移作用而与表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用碳纤维轻质、高强、高模量、耐热、化学稳定性好、低电阻、高热传导系数、低热膨胀系数、耐辐射、X射线透过性好，还具有阻止中子透过性。碳纤维的制造方法：①气相法②有机纤维碳化法 1.气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃、芳烃等）在高温下沉积成纤维。此方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。 ②有机纤维碳化法：先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法可制造连续长纤维。碳纤维的主要制造方法是热解有机纤维，其流程如下：纤维化稳定（氧化或热固化）碳化石墨化聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的制造工艺流程：

聚合物基复合材料

聚合物基复合材料摘要：本文主要研究的是聚合物基复合材料的制备、性能、和应用。聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组成的复合材料。它有许多突出的性能：比强度大、比模量大；耐疲劳性能好；减振性好；过载时安全性好等。聚合物基复合材料的结构和性能存在广泛的灵活关系，通过不同的工艺控制，可以形成不同的结构形态，从而获得目标性能。关键词：聚合物基复合材料制备性能应用 1、聚合物基复合材料的制备 1.1.聚合物复合材料概述及其制备流程聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。 1.2.基体及其制备：基体是聚合物基复合材料的主要成分。用于复合材料的聚合物基体主要按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砚、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变比。热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分于量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子。 1.2.1热固性聚合物的制备