聚合物复合材料
聚合物复合材料
聚合物复合材料聚合物复合材料是一种由两种或两种以上的材料组成的新型材料，其中至少一种是聚合物。
这种材料具有各种特性，如高强度、轻质、耐腐蚀性能和耐高温性能等。
聚合物复合材料在航空航天、汽车制造、建筑和电子设备等领域得到了广泛的应用。
首先，聚合物复合材料的制备过程包括预制和成型两个阶段。
在预制阶段，需要将聚合物基体与增强材料进行混合，以形成均匀的混合物。
常用的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等。
在成型阶段，将预制的混合物进行模压、注塑或挤出成型，最终得到所需的复合材料制品。
其次，聚合物复合材料具有优异的性能。
首先，由于增强材料的加入，使得复合材料具有较高的强度和刚度，可以替代传统的金属材料。
其次，复合材料的密度较低，因此具有良好的轻质化特性，有利于减轻产品重量，提高使用效率。
另外，聚合物复合材料还具有良好的耐腐蚀性能和耐高温性能，适用于恶劣环境下的使用。
最后，聚合物复合材料在各个领域都有着广泛的应用。
在航空航天领域，复合材料被广泛应用于飞机结构件、发动机零部件以及航天器的制造中，以提高产品性能并减轻重量。
在汽车制造领域，复合材料被用于汽车车身、内饰件和发动机零部件的制造中，以提高汽车的安全性和燃油经济性。
在建筑领域，复合材料被用于制造建筑材料、装饰材料和构件，以提高建筑物的结构强度和耐久性。
在电子设备领域，复合材料被用于制造电子外壳、散热片和连接器，以提高电子设备的散热性能和耐用性。
综上所述，聚合物复合材料具有制备过程简单、性能优异、应用广泛等特点，对于推动现代工业的发展具有重要意义。
随着科学技术的不断进步，相信聚合物复合材料将在更多领域展现出其巨大的潜力，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
生物质聚合物复合材料
生物质聚合物复合材料生物质聚合物复合材料是一种由生物质聚合物与其他材料混合而成的复合材料。
生物质聚合物是由可再生资源如植物纤维、木材、稻壳等制备而成的高分子化合物，具有良好的可塑性和可加工性。
而复合材料则是由不同种类的材料通过加工工艺相互结合而成，具有优异的综合性能。
生物质聚合物复合材料具有许多优点。
首先，生物质聚合物具有良好的可再生性，可以降低对有限资源的依赖，减少环境污染。
其次，生物质聚合物具有较低的密度和良好的机械性能，可以在一定程度上降低材料的重量，提高材料的强度和刚度。
此外，生物质聚合物还具有良好的耐热性和耐腐蚀性，能够适应复杂的工作环境。
生物质聚合物复合材料在各个领域都有广泛的应用。
在建筑领域，生物质聚合物复合材料可以用于制作地板、墙板等建筑材料，具有良好的防水性能和耐久性。
在汽车工业中，生物质聚合物复合材料可以用于制作车身零部件，如车门、车顶等，可以减轻车辆重量，提高燃油效率。
在包装领域，生物质聚合物复合材料可以用于制作环保包装袋、食品包装盒等，具有良好的可降解性，对环境友好。
生物质聚合物复合材料的制备方法多种多样。
通常，可以通过热压、注塑、挤出等工艺将生物质聚合物与其他材料进行混合，并通过加热或化学交联等方法使其相互结合。
同时，可以通过添加填料、增塑剂、增强剂等来改善材料性能。
例如，添加碳纤维可以提高材料的强度和刚度，添加纳米颗粒可以改善材料的导电性能。
生物质聚合物复合材料的研究和应用仍处于起步阶段，面临一些挑战。
首先，生物质聚合物的来源和制备方法还需要进一步优化，以提高材料的性能和降低成本。
其次，生物质聚合物复合材料的性能与组分、结构和制备工艺密切相关，需要深入研究。
此外，生物质聚合物复合材料的可持续性和环境友好性也需要进一步评估和改进。
生物质聚合物复合材料具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。
随着可持续发展理念的深入推进，人们对环境友好材料的需求日益增加，生物质聚合物复合材料将成为未来材料领域的重要研究方向。
复合材料中聚合物的定义和特性
复合材料中聚合物的定义和特性复合材料是指由两个或多个不同材料组合而成的材料，其中一个材料作为基质，将其他材料嵌入其中以形成有机整体。
聚合物是复合材料中常见的基质材料之一，具有许多独特的定义和特性。
一、聚合物的定义聚合物是由许多重复单元（也称为聚合单体）通过化学键连接而成的大分子化合物。
这些聚合单体可以是有机化合物，也可以是无机物。
聚合物的重复单元可以是相同的，也可以是不同的，这取决于所用的单体。
聚合物的形成是通过聚合反应实现的。
在聚合反应中，聚合单体中的双键或三键被打破，并与其他单体连接，形成长链或支链结构。
这种连接可以是共价键形成的，也可以是离子键或氢键等其他类型的键。
二、聚合物的特性1. 高分子量：聚合物通常具有高分子量，由于聚合单体的重复连接，使得聚合物能够形成长链结构，从而产生高分子量。
2. 强度和刚性：聚合物可以根据需要调整其力学性能。
某些聚合物具有较高的强度和刚性，使其适用于需要承受较大力的应用领域。
3. 轻质：与金属相比，聚合物通常具有更低的密度，使其成为一种轻质材料。
这样的特性使聚合物成为一种在航空航天、汽车和运动器材等领域中广泛使用的材料。
4. 耐腐蚀性：许多聚合物对酸、碱、溶剂等具有较好的耐腐蚀性，使其能够在恶劣条件下使用。
5. 良好的绝缘性能：聚合物通常具有良好的电绝缘性能，使其成为电气和电子领域中的常用材料。
6. 良好的可塑性：聚合物可以通过加热和加压等方法易于加工成不同形状，使其具有良好的可塑性和可成型性。
7. 丰富的性能调节能力：通过聚合单体的选择和聚合条件的调节，可以调节聚合物的性能，以满足不同应用的需求。
三、观点和理解1. 聚合物作为复合材料的基质具有重要作用。
其独特的特性使得复合材料具有高强度、轻质、耐腐蚀等优良性能，因此聚合物在航空航天、汽车、建筑等领域得到广泛应用。
2. 聚合物的性能可以通过聚合单体的选择和聚合条件的调节进行调控，具有很强的可塑性和适应性。
这为人们设计和制造具有特定性能需求的复合材料提供了广阔的空间。
聚合物基复合材料的种类
聚合物基复合材料的种类
聚合物基复合材料的种类有很多，常见的种类包括以下几种：
1. 碳纤维增强复合材料：碳纤维增强复合材料是以碳纤维为增强剂，与树脂等聚合物基体相结合制成的材料。
具有高强度、高模量、低密度等优点，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
2. 玻纤增强复合材料：玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维为增强剂，与聚合物基体相结合制成的材料。
具有良好的绝缘性能、耐腐蚀性能和机械性能，广泛应用于建筑、电子、船舶等领域。
3. 高分子发泡材料：高分子发泡材料是一种以聚合物为基体，通过在其中注入发泡剂生成气泡而形成的轻质材料。
具有低密度、吸震性能好等特点，广泛应用于包装、建筑隔音等领域。
4. 聚合物纳米复合材料：聚合物纳米复合材料是以纳米颗粒作为填充剂，与聚合物基体相结合制成的材料。
具有优异的力学性能、导电性能、热稳定性等特点，广泛应用于电子、光学、医疗等领域。
5. 高分子合金材料：高分子合金材料是将两种或多种不同的聚合物混合共混，形成互相不溶的两相或多相结构的材料。
具有综合性能优良、可调控性好等特点，广泛应用于汽车、电子、家电等领域。
以上所列的聚合物基复合材料种类只是其中的一部分，随着科技的不断发展，新的聚合物基复合材料种类也在不断涌现。
聚合物复合材料
一、名词解释：1.复合材料：两个或两个以上的独立的物理相所组成的固体产物。
2.基体相：一种连续相材料，它把改善性能的增强材料固结成一体，并起传递应力的作用。
3.增强相：一般为分散相，主要起承受应力和显示功能的作用。
4.不饱和聚酯树脂：热固性树脂，是由不饱和二元羧酸、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的线性高分子化合物。
5.引发剂：能使单体分子或含双键的线性高分子活化而成为游离基并进行连锁聚合反应的物质。
6.临界温度：有机过氧化物具有引发活性的最低温度。
7.半衰期：在给定的温度下，有机过氧化物分解一半所需要的时间。
8.环氧树脂：分子中含有两个或两个以上环氧基团的线性有机高分子化合物。
9.环氧值：每100g树脂中所含环氧基的克当量数。
10.陶瓷材料：以粘土为主要原料，经粉碎、加工、成型后，在高温窑炉中烧成的制品。
11.残炭率：也称焦化值，是指浸渍经碳化后所得残渣占浸渍剂质量的百分数。
12.碳质中间相：沥青类有机化合物向固体半焦过度是的中间液晶状态，当沥青加热至350C以上时，经过热解，气体及轻馏分逸出系统外，残留物经过热脱氢、环化、芳构化和热缩聚等一系列反应，逐步形成相对分子量大、热力学稳定的多核芳烃化合物。
13.树脂碳：酚醛树脂或呋喃树脂经高温热解后炭化而形成的基体碳。
14.自烧结焦：主要是利用中间相沥青在热处理后，通过萃取基体中溶于苯的组分，留下含有β树脂的中间相构成的焦物。
15.晶须：由高纯度单晶生长而成的直径几微米、长度几十微米的单晶纤维材料。
16.粉体增强材料：一般是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的用以改善基体材料性能的粉体材料。
17.C/C复合材料：碳纤维增强碳基体复合材料的简称，具有相对密度轻，高温下强度、模量高，断裂韧性好，耐磨性优异，耐烧蚀等特点。
18.混杂纤维复合材料：两种或两种以上纤维混杂增强一种基体构成的复合材料。
19.功能复合材料：除具有良好的力学性能外，还同时具备某一其他特殊性能的复合材料。
聚合物复合材料的研究及其应用
聚合物复合材料的研究及其应用聚合物复合材料是一种由聚合物基质中加入一定比例的增强材料所构成的材料，具有轻质、高强度、刚性好、耐腐蚀、耐疲劳等优点。
目前，聚合物复合材料在众多领域得到了广泛的应用，如建筑、航空、汽车、电子、医疗等领域均有涉及。
一、聚合物复合材料的基本概念1. 聚合物基质：聚合物是一种大分子化合物，是由许多单体分子通过化学键链接而成，可形成线性、支链、环状等结构。
聚合物基质是指在初始状态下，未添加任何增强材料的聚合物体系。
2. 增强材料：增强材料是指加入聚合物基质中的一些纤维、颗粒等微小颗粒，能够增加聚合物材料的强度、刚性等性能，并保持材料的轻量化特性。
3. 复合材料：复合材料是由两种或两种以上的材料组成的材料。
聚合物复合材料是指将增强材料与聚合物基质相结合，形成一种具有良好物理性质的新型材料。
二、聚合物复合材料的制备方法1. 手工层叠法制备：手工层叠法是一种将预先制好的增强材料放置于聚合物基质中间，通过人工层叠，制成复合材料的方法。
这种方法操作简单、制备周期短、成本低，但是由于人工操作，复合材料的质量会受到较大影响。
2. 模压法制备：模压法是一种将预先热压过的增强材料和已经加热、熔融的聚合物基质，通过高压模压成型成复合材料的方法。
这种方法制备的复合材料密度均匀、尺寸精确、成本适中，但是需要高压模具，模具成本较高。
3. 悬浸法制备：悬浸法是一种通过注入有机溶剂将聚合物融化，再将增强材料悬浮于溶液中，通过挥发有机溶剂和离子交换形成复合材料的方法。
这种方法能够制备大尺寸的复合件，但需要通过挥发有机溶剂使聚合物凝固，过程较为复杂。
三、聚合物复合材料的应用领域1. 建筑领域：聚合物复合材料能够制备出轻质、高强度、隔热、耐腐蚀的建筑材料，如楼板、墙板、外墙板等。
这些材料能够降低建筑物重量，减少建筑物结构负荷，提高抗震、耐火、防盗等特性。
2. 航空领域：聚合物复合材料能够制备出轻质、高强度、刚性好、耐疲劳的航空材料，如机翼、机身、螺旋桨等。
聚合物复合材料的性能研究与应用
聚合物复合材料的性能研究与应用一、引言聚合物复合材料作为一种新型的材料，以其轻质、高强、高韧性和抗腐蚀等优越性能，得到了广泛的关注和应用。
在工程领域中，聚合物复合材料已经成为了许多重要工业设备和结构的主要材料，其性能研究和应用也引起了学术界和工业界的极大兴趣。
本文重点研究了聚合物复合材料的性能及其应用的研究进展，通过分析现有文献资料和案例实例，深入探讨了该材料的适用领域及未来的发展方向。
二、性能研究1.力学性能聚合物复合材料的力学性能是其成为优异材料的重要原因，因此力学性能是复合材料评估的最主要指标。
力学性能包括强度和刚度等方面的指标。
目前，许多学者通过微观-宏观理论、分子模拟等方法，研究了聚合物复合材料的力学性能。
研究表明，聚合物复合材料的强度和刚度与复合材料制备技术、纤维增强材料、基体树脂等因素有关。
2.导热性能在一些高技术领域的应用，如热管理和电力电子领域，往往需要对材料的导热性能进行极高的要求。
聚合物复合材料作为一种优异的导热材料，其导热性能对其实际应用具有重要的影响。
研究发现，导热性能的提升可以通过调控填充物的形态和分布、增强相的热传导性能、设计具有层次结构的复合材料等方法来实现。
3.耐久性能聚合物复合材料在实际应用过程中的耐久性能也是一个非常重要的指标。
在复合材料的制备和应用过程中，一些因素，如紫外线、湿度等的影响，可能会导致材料的劣化，影响其使用寿命和应用效果。
因此，研究聚合物复合材料的耐久性能，设计出更好的防护策略和工艺技术，是十分必要的。
三、应用研究1.航空航天领域航空航天领域是聚合物复合材料的主要应用领域之一。
目前，大量的复合材料已经被应用于飞机、卫星、导弹等飞行器的结构以及发动机、螺旋桨等部件中，以提高整体性能、减轻重量和提高耐用性。
2.汽车工业领域近年来，汽车行业面临着不断加强的环保和燃效要求，聚合物复合材料得到了广泛的应用。
聚合物复合材料不仅可以用于车身外壳、内饰和细节部件的制造，还可以用于制作发动机、传动系统和车轮等部件。
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
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36
织物
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填料的定义
• 一般在复合材料中的分散相，也可为连续相（短纤维 的缠结、织物、颗粒形成网络结构）
SiC
Al2O3
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MoS2
填料的分类
• • • • 无机、金属、碳、有机（晶体）和高分子 纳米填料 天然或合成 功能填料和填料的功能化
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填料的重要特征
• 单个填料和团簇的形态和尺寸
2
Why Composites？ • 复合是一种方法：改善原有材料的某 些不足，创造新材料 • 增强 古代：稻草+黏土（坯）比黏土砖好 • 赋予功能 电、磁、光、热、--复合是自然界的基本规律-如天然纤维 复合是科学的基本思想-新材料发展趋势之一
3
内容
• 1 复合材料基础：四要素，一追求 • 2 功能复合材料：电、光、磁、热等 • 3 复合材料存在的问题与解：环境复合材料， 组合材料研究，梯度功能材料，智能复合材 料等 • 4 复合材料进展：仿生复合材料等
8
复合原理
• 平均效应 1+1=2（加法）
9
乘法
• 1+1>2 （非线性） 如：导电复合材料
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一追求：无中生有
• 0+0>0 如：纳米技术，反应加工
纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化 学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原 来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导 电。 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的 富贵光泽而呈黑色。
51
碳填料：富勒烯和碳纳米管
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• 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯
[ CH2 CH2 ]n
[ CH2
[ CH2 CH ]n CH3 Cl [ CH2 C ]n CH ]n COOCH3 CH
3
24
高分子材料的序列性
亲水-疏水，熔点
25
高分子材料的序列性 - 水溶性，结晶性
• 聚甲醛 聚氧化乙烯 聚氧化丙烯
• -CH2O- -CH2CH2O- -CH2CH2(CH3)O-
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填料的重要特征一
• 内表面和外表面的表面特征：极性（润湿性， 表面能，反应性）
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内表面的修饰
• 插层
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填料的重要特征二
• 内表面和外表面的表面特征：电子态（电子给 体或受体）和表观形态
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填料的重要特征三 • 拓扑性
废轮胎粉+硅石 碳黑/橡胶
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无机功能填料
• 导电：碳黑、炭纤维、金属粉、超导体 • 导热：BN, AlN, Si3N4 • 磁：铁氧体、稀土 • 吸波：氰酸酯晶须、羰基铁粉 • 阻燃：Al(OH)3, Mg(OH)2 • 阻尼：粗片石墨 • 负膨胀系数：PbTiO3 • 抗紫外线：ZnO, TiO2, CeO • 抗菌性 ---（需要总结）
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复合材料定义
• 组成：2或多组分（基体、 增强体） 形态：异相微结构 性能：与组成材料不同 • 与单一材料（高分子材料） 不同：多组分、多相和界面 相 • 功能复合材料：除机械性能 以外而提供其他物理性能的 复合材料
7
复合原理
• • •
正效应 1+1>2 （乘法）和 0+0>0 （无中生有） 负效应 1+1<2 平均效应 1+1=2（加法）
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四要素：缺一不可
基体
增强体
复合材料
• 复合方式 • 三个内因 + 一个外因
界面相
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一、高分子基 体
熔点 度 强度 模量 伸长率 热膨胀系数 密
金属
陶瓷 高分子
高
中 低
高
中 低
高
中 低
低
中 高
低
中 高
中
高 低
21
高分子基体的类型和结构
22
高分子材料数据库
23
高分子材料的序列性
- 结晶性
4
References
• 张佐光，《功能复合材料》，化工出版社，2004.
• 益小苏等，《复合材料手册》，化工出版社，2009. • 刘云圻等，《有机纳米与分子器件》科学出版社， 2010. • 黄丽，《高分子材料》化工出版社，2010.
5
第一章 复合材料基础：功能填料和填料的 功能化
（四要素，一追求）
47
有机功能填料
• 光：偶氮化合物，液晶，螺旋聚合物 • 电：共轭化合物 • 磁：手性聚合物 •光：螺吡喃、俘精酸酐 •防弹：芳纶、UHMW聚乙烯纤维 • ---（需要总结）
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1、无机材料
笼状硅材料（POSS）
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层状硅酸盐 - 插层复合材料
1987年日本丰田公司
50
插层材料
• 膨胀石墨 • 黏土（蒙脱土、高岭土） • 层状金属氧化物（V2O5, MoO3, WO3) • ---（需要总结）
14
分类-应用
• 功能复合材料（非承载，电， 光，声，磁，生物医用，化 学---） • 智能复合材料（信息）
15
分类-力学性能
• •
常用复合材料：以玻璃纤维，短纤维和颗粒填料为增强体 先进复合材料：比强度>4 106 cm，比模量>4 108 cm，以炭纤 维，芳纶等高性能连续纤维或织物为增强体
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材料谱的概念 • 高分子材料的耐热性谱 • 高分子材料的强度谱 • 高分子材料的熔点谱 • 高分子材料的导电性谱 • 高分子材料的导热性谱 • ------
27
聚合物结构的进化
• 20世纪30年代：线性 • 20世纪40年代：交联 • 20世纪60年代：支化 • 20世纪70年代：树枝
Y. LU
11
反应加工
新物质产生
12
发展
• 第一代：1940-1960 聚合物基常用复合 材料 • 第二代：1960-1980 聚合物基先进复合 材料 • 第三代：1980-1990 金属基复合材料 • 第四代：1990- 陶瓷基和功能复合材料 • 第五代：21世纪 环境和生物复合材料
13
分类-应用
• 结构复合材料（承载，力学性能和耐热性，工程应用） 国产碳纤维复合材料即将 装机猎鹰高教机。目前， 国产碳纤维复合材料已推 广至机头罩、方向舵等数 个大部件，这些也是即将 在猎鹰06架上实现装机的 部件。
16
分类-增强体形态
• • • • • • 颗粒填充复合材料 纤维复合材料 纺织复合材料 蜂窝复合材料 纳米复合材料 ------
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分类-基体
• 金属基（MMC）
• 陶瓷基（CMC） • 碳基（C/C）
• 聚合物基（PMC）
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功能复合材料
• 物理：导电复合材料, 导热 复合材料, 磁性复合材料, 吸 波（隐身）复合材料, 光功 能复合材料（聚合物分散液 晶，聚合物稳定液晶）, 光 电功能复合材料（复合材料 二极管，聚合物太阳能电池） • 力学：梯度功能复合材料， 摩擦材料（干和湿汽车摩擦 材料，自润滑复合材料, 阻 尼复合材料），修饰（玻璃 钢花盆） • 生物：生物医用复合材料 • 仿生和智能复合材料 • 生态环境复合材料 • 化学：膜材料，催化剂
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树枝聚合物
树枝聚合物结构 --- 芯 --- 支化单元 --- 表面基团
Y. LU
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二、增强体（纤维和填料）
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炭纤维 （无机）
31
炭纤维性能
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炭纤维应用
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芳纶和芳砜纶（有机）
防弹衣，头盔
34
天然纤维（纤维素、木质素）
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纤维的表面处理
• 炭纤维：电解 • 芳纶纤维：等离子体 • 天然纤维：酸、碱
Functional Polymer Matrix Composites
聚合物基功能复合材料
1
What is Composite?
Composite: com = together, posite = to put or place composite = put together or made up of separate parts Polymer: poly = many, mer = part polymer = many parts Monomer: mono = single