聚合物复合材料
聚合物复合材料
4.1 概述
什么是复合材料？这个概念很难说清。由于缺乏严格的定义以及近年来人们用词的随意，模糊了复合材料的概念。关于复合材料有许多种定义。一种定义为：“a mixture of two or more materials that are distinct in composition and form, each being present in significant quantities (e.g., >5%)” (两种或多种不同组成、不同存在形式材料的混合物，各以显著的量存在)。另一定义为：“the union of two or more diverse materials to attain synergistic or superior qualities to those exhibited by individual members”（两种或多种不同材料的结合体，可获得协同的或优于个别材料的质量）。美国ASM的工程材料手册中的定义为：“a combination of two or more materials differing in form or composition on a macroscale. The constituents retain their identities…and can be physically identified.”（两种或多种不同组成、不同存在形式在宏观水平上的结合体。各组分保持各自的特征，并可用物理方法鉴别）。这里“宏观”、“各自特征”是两个关键。不符合这两个关键词的混合物将不被视为复合材料。例如固溶体，是两种材料在原子水平上的混合物，不能算作复合材料。但“宏观”是个什么概念？毫米级还是微米级还是纳米级？橡胶与塑料的混合一般不认为复合材料，原因有二。第一因为橡胶分散相的尺寸在微米级以下，不能视为宏观存在；第二因为橡胶与塑料同属高分子材料，不能视为不同材料的混合。但近年来又出现了“纳米复合材料”，其中有一种是纳米尺寸的无机粒子在塑料中的混合物。纳米尺寸能够称得上“宏观”吗？人们近年来还提出“分子复合材料”，即同系列聚合物棒状分子与线团状分子的混合物。既是分子水平的混合，又是同一种材料，也称为复合材料。但在本书的学习中，我们不必理会复合材料的确切定义，只将讨论的内容限定在ASM规定的材料范围之内。
人类从很早的时期起就认识到将两种或多种材料混合使用的益处。13世纪的蒙古包就是将动物筋、木头和丝用粘合剂粘在一起制成的。在更早的时期，人们就懂得将稻草混入泥巴来盖房子，这一技术直到今日还在我国农村使用。古埃及人已懂得制造轻便坚固的三合板，中世纪的欧洲人用合层的金属片制造盾牌。大自然也创造了不少天然复合材料：如木材、竹子、骨头等。
第二次世界大战期间，诞生了玻璃纤维与聚酯树脂的复合材料。这标志着先进复合材料时代的到来。最早的复合材料被用于制造飞机的门的档板，还用于制造导弹外壳。人们从这种高比强度（强度/密度）、高比刚度（模量/密度）的材料中看到了巨大的前途，开始有意识地开发复合材料，希望能够替代铝和钛等金属。从五十年代起，开始致力于纤维的研制，并开发出高性能的S型玻璃纤维。1963年，硼纤维问世，以后又相继开发出碳纤维、二氧化铍纤维、石墨纤维、芳香尼龙纤维、氧化铝纤维等。纤维可以加入到聚合物基体，也可以加入到金属基体或陶瓷基体，开创出一代高性能的复合材料。为有别于传统的与天然的复合材料，我们称此类材料为先进复合材料。复合材料可以金属、陶瓷、聚合物中任一种材料为
基体，可以三种材料中的任一种为增强材料，如图4-1所示。一种复合材料的分类法就是以基体分类，将复合材料分为三大类：金属基复合材料（MMC），陶瓷基复合材料（CMC）和聚合物基复合材料（PMC）。碳材料比较特殊，所以可以单列一类，称为碳基复合材料。本章中我们着重介绍聚合物基复合材料，简单介绍碳基复合材料，陶瓷基和金属基复合材料将放到陶瓷和金属的专章中介绍。
第二种分类法是根据增强材料的几何形状。这种分类法见图4-2。由图我们看到，增强材料可以是纤维，可以是颗粒，可以是片层，也可以是编织好的纤维织物或蜂窝结构。图4-2中的6种结构可分为三类。颗粒型、碎屑型与短纤维型为一类，其共同点是增强材料为分散相，基体材料为连续相；连续织物型与蜂窝型为一类，其增强材料和基体都是连续相；迭层压为层压复合材料，相的概念在此已无意义，甚至哪个是基体，哪个是增强材料也分不清，是两种材料完全平等的结合体。
纤维复合材料是使用量最大，最重要的一类复合材料。纤维在长度方向上的强度远远高于基体。基体的作用第一是传递应力；第二是保护纤维不受损伤；第三是钝化因纤维断裂引起的裂缝。在本书中我们的数学分析是针对纤维复合材料的，主要篇幅也将用于介绍纤维复合材料。
图4-1 材料复合原理图
图4-2 复合材料的6种不同结构
4.2 混合原理
我们所讨论的混合物必须满足下列条件：
1．纤维与基体必须紧密结合。我们一般将纤维与基体的结合视作化学键。但事实上这种结合仅是物理的，即基体材料渗透到纤维的不规则表面之中形成的“互锁”。我们知道，基体与纤维间的界面实际上是整个材料中最弱的部分，处理为化学键是为了方便。只要复合材料断裂时这种物理键不处在断裂面上，化学键的处理就仍然成立。
2．纤维必须是连续的或在长度方向上搭接的。如果短纤维在长度方向上不搭接，势必会出现一个不含纤维的截面。当应力超过基体的极限强度时，首先就会在这一截面断裂。与纤维的复合就失去了意义。反过来，如果纤维是搭接的，应力就会由基体传递到相邻纤维，由纤维来承载应力，使强度大大提高。
3．存在一个临界纤维体积分数V f crit,高于此值方能发生纤维增强。
4．存在一个临界纤维长度，高于此值方能发生增强。这一临界长度取决于纤维直径d f。
下面让我们对纤维复合材料作简单的数学分析。
4.2.1连续纤维平行于外力
当纤维长度足够长，能够在任何截面上都发生搭接时，我们就认为纤维是连续的。当应力作用于纤维排列的长度方向时[图4-3(a)]，应力符合混合规律：
σc = V fσf + V mσm（4－1）式中V代表体积分数，σ代表应力，f与m分别代表纤维与基体。将V m = (1- V f) 代入：
σc = V fσf+ (1- V f) σm（4－2）在绝大多数复合材料中，V fσf一项是控制因子。
按假定条件，两种组分上的应变是相等的。如果组分只发生弹性形变，
σf = E fεf，σm = E mεm，σc = E cεc
式中ε代表应变。于是我们有：E cεc = V f E fεf + V m E mεm。由于所有应变都应该相等，复合材料的模量为：
E c = E f V f + E m V m= E f V f + (1- V f) E m（4－3）
图4-3 不同纤维取向时复合材料模量预测(a) E1 = E c；(b) E2 = E c 应力沿纤维长度方向作用的情况称为平行作用，材料受热负荷或电负荷时亦发生类似作用。由于复合材料任一截面上的负荷是均匀分的，每根纤维和基体上的应变是相同的。在复合材料模量E c中E f V f 的贡献是主要的。如果纤维的模量比基体高两个数量级，则基体的贡献可以忽略。上述方程是按照连续纤维导出的，但如果纤维足够长，造成搭接足够多，方
程同样适用。这是因为纤维末端的应力通过基体传递到相邻纤维上了。这一问题在图4-4中看得更清楚。图中画出了正应力与剪应力沿纤维长度方向的分布。在纤维末端，正应力为零而剪应力很高，导致应力向相邻纤维传递。由于纤维与基体间的耦合作用，单根纤维的断裂不会导致整个复合材料的破坏。当两个纤维断头互相远离之际（图4-4b ），为抵抗这一运动，在基体中发生平行于应力的塑性流动，在基体中产生了剪应力。当然，未断裂的纤维必须承担更大的应力。
图4-4 (a) 沿纤维轴作用的正应力与剪应力；(b)与(c)应力传递机理
4.2.2连续纤维垂直于外力
当应力垂直于纤维轴时发生等应力状态[图4-3(b)]。在这种受力状态下，纤维的截面积足够小，纤维不可能对复合材料的强度作出有意义的贡献，除非纤维的体积含量很高（>30%）。两组分上的应力是一样的，应变却不同。复合材料的应变可表示为：
εc = εf V f + εm V m （4－4）
代入虎克定律：
m m m f f f c
c
V E V E E σσσ+= （4－5）
由等应力条件： σc = σf = σm
我们得到：
m
m f f c E V E V E +=1 （4－6） 垂直排列的实验结果与上述规律偏离甚远。数据分析表明材料的行为依赖于纤维的形状、排列的几何方式、以及纤维的空间分布。有人对纵向和横向分布的简单方程作了修正，但所得结果仍是纵向实验与预测相符，横向实验仍有较大偏离。但不管偏离有多大，简单混合规律可以得出对复合材料模量的保守估计。
4.2.3基体塑性形变
多数情况下当应力超过基体的屈服强度后，纤维仍不会发生塑性形变。基体为塑料时尤其是如此。复合材料的极限强度可表示为：
σcu = σfu V f + σ’m (1- V f ) （4－7）
其中σfu 是纤维的极限拉伸强度，σ’m 是应变硬化基体的流动应力。通过纤维的强化，复合材料的极限强度σcu 必然高于基体的极限强度（即σcu ≥ σmu ）。于是，
σfu V f + σ’m (1- V f ) ≥ σmu （4－8）
这样便导出了发生增强的临界纤维体积分数V f crit 。令V f = V f crit 便可解得：
m
fu m mu fcrit V ''σσσσ--= （4－9） 由于引入了应变硬化的概念，聚合物和金属都会发生应变硬化，故对聚合物基和金属基复合材料都适用，对陶瓷基和碳基复合材料不适用。
4.2.4 负荷传递
为将负荷像图4-4那样向邻近纤维传递，纤维端部的基体必须发生塑性流动。不论纤维端是原始的还是因断裂而产生的，传递机理是一样的。是剪切应力造成了塑性形变。只要基体的塑性流动区不能在应力达到纤维的极限强度之前延伸到纤维长度的一半，纤维就仍有增强作用。因为剪切力是在纤维两端作用的，塑性流动如果从两端各延伸到纤维长度的一半，纤维就不能承以拉力，起不到增强作用。于是我们可以列出下列方程：
2
42l d d f
τππσ= （4－10） 从中解出l ： c
c f c
d l τσ2= （4－11） 当τ为临界剪切强度τc 时，l 就是临界纤维长度l c 。τc 可为纤维/基体间结合强度或基体剪切强度，哪个低取哪个。只要l > l c ，纤维就能承受负荷直至其断裂应力，这一增强效果就是通过塑性流动传递应力造成的。式（4－11）中的纤维直径d c 是对应长度l c 的临界纤维直径，两者的比值l c /d c 为临界长径比，可表示为：
c
fu c c d l τσ2= （4－12） 当l >> l c （比如l = 15 l c ），且长径比大于100时，纤维的行为就同连续纤维一样。在纤维出现断头的点上，应力就会通过基体传递到相邻纤维上。如果纤维不是一样长，就出现一个纤维平均长度的问题。但只要是l > l c ，平均长度问题就不影响我们上述分析的正确性。在很高应力下，纤维开始断裂。由于断点的应力都传递到相邻纤维上，断裂就会越来越快。
当l < l c 时，纤维将不再发挥作用，材料就会破坏。
在非连续纤维的情况下，纤维有时整齐排列，有时无规排列，且无规排列的情况居多。短玻璃纤维、芳香尼龙纤维、晶须、碳纤维都是无规排列的。整齐排列时，复合材料的强度可以按下式修正：
m m c f fu cu V l l V '21σσσ+??
? ??-= （4－13） 如果l / l c =10，复合材料的平均强度仅比连续纤维的低5%。
如果纤维是无规排列的，修正方法将有所不同，（式4-3）中复合材料的模量应写成：
E c = αE f V f + E m V m (4-14)
α为纤维效率因子，取决于V f ，E c / E m 比和纤维的取向。习惯上取完全平行于应力方向取向的纤维效率因子为1，完全垂直于应力方向的为零。无规取向的情况经实验确定为0.2~0.6。聚合物常与无规玻璃短纤维一起制成复合材料。在金属浇铸时无规加入短纤维也能制备此类复合材料。
4.2.5 复合材料的强度
如果增强纤维是连续的，复合材料的强度取决于纤维的强度与纤维与基体间的结合力。但一般情
况下用混合规律近似地描述复合材料的强度：
m m f f c V V σσσ+= （4－15）
例4-1：一复合材料的基体为尼龙，含30vol%的E 玻璃。求玻璃纤维所承担的外力的分数。 解：两组分的弹性模量分别为：E f （玻璃）＝72GPa ，E m （尼龙）＝2.8GPa
假定二者之间的结合良好，则纤维与基体应变相等：
71.258
.272========m f m f f f m m
m m
f c E E E E σσσεσεεεε
92.0)
71.25/1(7.03.03.0)/(7.03.03.0)
7.0()3.0()3.0(=+=+=+=+=+=f m m f f m m f f f f m f f
V V V E E E σσσσσσσσ纤维受力分数
可知纤维承担了绝大部分的外力。
4.3聚合物基体
4.3.1 热塑性树脂
有两类主要的聚合物基体：热塑性的与热固性的。截止到1994年，95%的聚合物复合材料都是热固性的。热塑性复合材料基本上都是与玻璃短纤维（几毫米长）的混合物。如上面所分析的，这样的混合并不能产生明显的增强。热塑性塑料的连续纤维增强技术还是在近十年内发展起来的。随着纤维与基体品种的不断增加，热塑性复合材料的地位不断提高。
发展连续纤维增强的热塑性塑料的困难在于如何在连续纤维上涂复热塑性树脂。最早的办法是将连续纤维拉过熔融的聚合物熔体，然后再将涂有聚合物的纤维织成布或带；也有将预先织好的布浸入聚合物熔体的作法，但浸润问题更难解决。
不管用上述何种方法，预浸好树脂的纤维或布（称为预浸料）都可以用来在模具中直接压制成型。压制方法是常规方法，无非是加热、成型、冷却，只是用预浸料代替树脂作为原料。浸有预聚的热固性塑料的纤维或布也称为预浸料。
上述将纤维拉过熔体的方法在许多方面有待改进。熔融的树脂好像蜂蜜，可以想像将一束纤维拉过蜂蜜，使蜂蜜能够在纤维表面涂上均匀的薄层，其难度可想而知。况且熔融的树脂要想达到蜂蜜的低粘度需要很高的温度，有些塑料甚至需要340°C以上的温度。在这样的高温下，不仅放出浓重的气味，还要防止树脂氧化。尽管这种技术远不成熟，仍然是工业上行之有效的一种方法。
替代上述方法的是将树脂溶于溶剂，将纤维从聚合物溶液中拉过。溶剂挥发之后，纤维上就涂了一层聚合物。这种办法对涂复大有改善，却又要处理溶剂挥发的问题。这种技术常用于涂复聚酰胺-酰亚胺、聚砜、聚醚酰亚胺等。溶液预浸比熔体预浸的优点在于预浸料较柔，更有粘结性。熔体预浸的纤维常常发硬，成型加工较为困难。而溶液预浸的纤维成型效率要高得多。
常用于与热塑性塑料复合的纤维有玻璃纤维、碳纤维、芳香尼龙等。最常用的基体有聚酰胺-酰亚胺、聚砜、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚等。用这些材料制备的复合材料在强度和刚度等方面与热固性复合材料相当，但韧性要好得多。在成型加工方面，热塑性复合材料要快得多，而热固性复合材料需要等待材料的固化。这一点使这一年青的材料有非常看好的市场前景。
4.3.2热固性树脂
热固性聚合物是从低粘度液体开始，通过催化剂或外加能量（热或射线）固化为固体。最早的热固性基体是酚醛，紧随其后的是环氧，接着是不饱和聚酯、脲醛，再接着是硅树脂，以及更新的基体。从实用的角度看，最重要的仍然是前三种：酚醛、环氧和不饱和聚酯。4.3.2.1酚醛
酚醛是由苯酚和甲醛缩合而成的。在普通塑料中具有最高的弹性模量，具有良好的电绝缘性质。它可与任何增强材料配合，可以用纸增强、布增强、玻璃纤维增强，甚至还有用芳
香尼龙增强的。用石棉、金属粉增强的酚醛用于汽车的刹车片和离合器片。酚醛在机械行业中有广泛的应用，可制成任何形式的标准件如棒、板、带、片、齿轮、凸轮等。酚醛具有极高的压缩强度，高达215MPa。另一个主要用途是线路板，有一系列不同的增强材料满足不同线路板的需求。
酚醛的最大用户当数胶合板。胶合板是最低档的复合材料，但又是最重要的复合材料。可以说没有一所房子中少得了胶合板。与胶合板类似的用途是装饰板。可用于墙面、台面的装饰。在这方面，脲醛、蜜胺树脂的用途与酚醛树脂相同。
酚醛树脂的一大优点是可制成B阶（段）树脂。B阶树脂是尚未固化的树脂，分子链仍为线形。这使得酚醛树脂可以像热塑性树脂那样进行预浸，再进行成型加工。但是在加热加压条件下固化，就成为不熔不溶的固体。
酚醛是普通电器行业中的首选材料。它可以经受短路，但仍能继续工作；它可能受电击炭化，但从不燃烧；甚至还能经受电弧的打击。酚醛从不用于制造高档商品，只在最普通的行业中默默地做出自己的奉献。
4.3.2.2环氧树脂
此类树脂的共性就是分子链端部或中间含有环氧基团：
环氧树脂实际上是聚醚，分子链中总是含有R-O-R基团。下面是环氧树脂的通式：
最常用的是双酚A型环氧树脂，其结构式为：
环氧树脂的一个特点是，固化前的分子链极短，可以短到只有十个链节。固化时，分子交联形成三维网络，同时交联剂也成为网络的一部分。由于交联剂的加入，使环氧树脂具有了一个极为宝贵的性质，固化过程几乎没有体积收缩。这使得环氧成为理想的粘合剂的增强剂。
环氧树脂有数十种牌号，分子结构不同，所用固化剂也不同。制备复合材料所用的环氧树脂一般为双组分的，混合后发生固化。固化过程可以是环氧基团与其它基团作用，也可能是环氧基团相互连接。有些反应是催化产生的，有些是基团间直接的化学反应。但最后的净结果总是形成三维大分子网络。环氧树脂的性质由不同的环氧单体和交联剂所决定。一种同样的树脂可因交联剂的不同而产生五花八门的性质。
环氧树脂中可以加入不同的填料。为了增韧，也可以加入橡胶。根据不同的工艺要求，环氧树脂的粘度可任意调节。为预浸纤维或浇铸成型，它可以像水一样稀；为进行模具热压成型，也可以像热塑性熔体一样稠。必须注意一点，环氧树脂的固化是放热反应，如果大体
积的环氧与固化剂混合后放置时间过长，可能会因热量积蓄而着火。因此一旦与固化剂混合后应在最短的时间内使用。
环氧树脂最大宗的应用是作涂料，第二大用途是作电子元件的封装和线路板。在高性能结构复合材料中环氧树脂是最重要的基体，用高强度纤维如硼纤维、石墨纤维增强后可具有最高的强度和刚性。使人们感到美中不足的是耐热温度还不够高，通常在160°C以下。据报道，小批量试制的环氧树脂的耐热已可突破240°C，但离工业化应用尚有一段距离。
4.3.2.3不饱和聚酯
不饱和聚酯大部分是热固性的，也有少量是热塑性的。热塑性不饱和聚酯有双酚A型的和乙烯基型的。双酚A型的可使复合材料具有一定的弹性。乙烯基型聚酯实际上是一种环氧树脂。因乙烯基上的不饱和键而被归入不饱和聚酯。它可在防化学腐蚀方面应用。热固性不饱和聚酯有苯乙烯共聚型、烷基型和烯丙基型。苯乙烯共聚型可以液体形式存放一年以上，加入固化剂后则迅速固化。烷基型多用于清漆一类的涂料。烯丙基型的如邻苯二甲酸二烯丙酯，因其有较高的耐热性能（204°C），多用于电器行业。
和酚醛树脂一样，不饱和聚酯也是最大宗的通用材料。可与所有的增强材料混合，最常用的当然是玻璃纤维。其与玻璃纤维混合制成的复合材料俗称玻璃钢。公园中的游船、碰碰车、整体的浴室、卫生间都是用玻璃钢制备的。由于不饱和聚酯的粘度可以很低（像糖浆一样），手工制作大型器具非常方便。先在模具上刷一层含固化剂的树脂，再在粘性树脂上铺一层增强织物，再刷上一层树脂…直至达到所设计的层数。然后可以在室温下放置固化。固化时间可以是一小时，也可以是一整夜。由于配方和工艺都很简单，特别适合低技术领域的应用。除纤维材料外，也可以加入各种填料。不饱和聚酯也能像酚醛树脂那样制成预聚合的B阶树脂，B阶树脂的预浸料可直接用于成型。虽然强度低于环氧树脂，但不饱和聚酯的价格比环氧树脂几乎低一倍，故不饱和聚酯总是复合材料中的首选基体。只有在不饱和聚酯不能满足设计要求时，才会考虑更昂贵的环氧树脂或聚酰亚胺。
其它热固性基体包括硅树脂与聚酰亚胺。它们都属于高性能、高价格的材料，只在特殊场合应用。硅树脂的耐热温度高达315°C，而且具有不粘的特性，任何其它材料都不能与硅树脂粘合。在印刷工业中，硅材料可将油墨百分之百地传递到另一表面上。聚酰亚胺的耐热温度也有260°C，可以制成预浸料后再成型。一般只用于航空、航天工业中。此外还有许多树脂，如用于仿瓷餐具的蜜胺树脂，用于胶合板的脲醛树脂，在化工过程中用作容器的呋喃树脂等等，不能一一介绍。聚合物材料能否用作复合材料的基体只有一个标准，那就是能否浸润纤维或其它增强材料。在适当条件下，大部分热塑性和热固性塑料都能用作基体。最常见的热塑性塑料如聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、ABS、聚苯醚、氟塑料等，都在复合材料中有一定用途。但用途最广，适应性最强的是我们着重介绍的三种热固性树脂：酚醛，环氧和不饱和聚酯。
4.4增强纤维
复合材料的增强材料有许多种。按材料的属性来分，可以是金属、陶瓷或聚合物本身。但更常用的是从几何形状上分，可以分为颗粒（粉末）、纤维、织物和晶须。晶须一般用于
金属基和陶瓷基复合材料，很少用于聚合物的增强。颗粒或粉末增强的聚合物一般不被视为复合材料。例如将橡胶与碳黑、二氧化硅、氧化锌等粉体混合，没有人称之为复合，而称为增强或补强。通用塑料与碳酸钙、滑石粉、红泥等的混合，由于是以降低成本为目的，只称之为填充。聚合物基复合材料中最重要的增强材料是纤维及其织物。所以我们只介绍一些重要的纤维材料。
4.4.1硼纤维与碳化硅纤维
硼纤维是用化学沉积法制造的（图4-5）。将一根钨丝连续拉过玻璃管，同时将三氯化硼和氢气的混合物通入玻璃管。三氯化硼蒸汽沉积在炽热的钨丝表面上，使其直径不断增加。芯部的钨丝直径只有2μ，最后制成的硼纤维直径约有100~140μ。硼纤维本身就是复合材料，其结构见图4-6。硼纤维的比重为2.3~2.6，拉伸强度为3.65GPa，模量为400GPa。用于金属基复合材料的硼纤维表面可以再涂上一层碳化硅，以提高其与金属的相容性。
图4-5 生产硼纤维的化学沉积法
图4-6 (a) 硼纤维的结构；(b)表面涂有碳化硅的BORSIC纤维；(c)硼纤维在铝基体中硼纤维的生产过程可不像图4-5中所示的那么简单。产生硼蒸汽需要1204°C的高温，气体的密闭是很复杂的。硼纤维所用的原材料钨价格很高（$44/kg），化学沉积法的过程又复杂，最后硼纤维的价格高达($440/kg)。但尽管如此，用硼纤维增强的聚合物复合材料可以具有比铝还轻的重量，比钢还高的强度和刚度，在航空、航天行业中仍然有较大的市场。
碳化硅纤维也用这种化学沉积法制造。其芯部是一根直径约33μ的碳纤维，反应物使用的是氯化烷基硅与氢气的混合物。最后产物的直径也在140μm左右。密度为3Mg/m3，拉伸强度在2.8GPa到4.6GPa之间，模量为400GPa。碳化硅纤维的价格比硼纤维和碳纤维都低，约为$220/kg。用这种化学沉积工艺还可以制造其它增强纤维，如二硼化钛、碳化硼等。
4.4.2碳纤维与石墨纤维
碳是自然界最神奇多变的元素，它既有金属的性质，又有非金属的性质，自身又以多种形式存在。黑色的结晶碳为石墨，比重2.25 Mg/m3；透明的结晶碳是金刚石，比重3.5 Mg/m3；此外还有无定形的焦炭及准晶的碳黑等。石墨和金刚石都是碳原子以共价键相连接的晶体结构，故其熔点高达3730°C以上。最早的碳纤维生产始于1959年，是有机纤维隔绝空气在高温下热解得到的。最先使用的是粘胶纤维，1961年英国使用聚丙烯腈作原料，到目前为止丙烯腈仍是使用最多的碳纤维原料。丙烯腈纤维热解时，先加热至200~250°C使其环化，再加热到1300°C左右，将非碳元素（N2，O2，H2等）驱除。这个过程称为碳化。更新的生产技术是采用沥青为原料，先将沥青转化为液晶状态再纺成丝，然后进行热解。碳纤维可以在更高的温度下进一步热解，最高温度可达3000°C（见图4-7）。纤维在碳纯度不断提高的同时，会形成石墨的晶体结构，这个过程称为石墨化。温度越高，石墨化的程度越高。石墨晶体为六方结构，其底面平行于纤维轴。当石墨化程度很高时，纤维具有极高的强度和模量。1993年聚丙烯腈碳纤维的模量纪录为758GPa。碳纤维的模量越高，表面越光滑；反过来模量越低，表面越粗糙。粗糙表面容易浸润，所以一般性应用中都尽量使用低模量的品种。只有在必须要求高模量时才使用高模量品种。
图4-7 碳纤维与石墨纤维的生产工艺
碳纤维与石墨纤维的之间没有严格的分界线，它们之间的区别仅在于碳化程度及石墨化程度的高低。为了区别这两种纤维，人们作出约定：凡碳含量在92~95%之间，模量在344GPa 以下的为碳纤维，碳含量在99%以上，模量在344GPa以上的为石墨纤维。另一种区分是根据热解的温度，在1300°C左右热解的称碳纤维，在1900°C以上热解的称石墨纤维。为方便，在需要对二者统称时称为碳纤维，需要明确具体品种时再分别称碳纤维和石墨纤维。
碳纤维有优异的抗蠕变和耐疲劳性能，并有突出的热稳定性。热膨胀系数在0°C为负值，随温度升高而增加。但直到2000°C还保持很好的尺寸稳定性。其导热性能超过大部分金属，仅次于铝。此外，碳纤维不存在内应力问题，从不需要退火。这是金属所无法比拟的。
碳纤维的牌号非常齐全。工业碳纤维可分成几个等级：高模量级、中模量高强度级和高模量高强度级。截面可以是圆的，可以是椭圆，也可以是腰子状的。直径从0.008mm到0.01mm，拉伸强度从1.72 GPa到3.1GPa，模量从193 GPa到517GPa。
碳纤维的缺点之一是抗氧化性较差。在700K下就开始在空气中氧化。不像金属那样可以形成氧化保护膜，碳的氧化物是挥发性的。镀层可以防止碳纤维的氧化，例如碳化硅可以保护碳纤维直至1920K。碳纤维的另一缺点是脆性，对应变敏感，耐冲击性差。
4.4.3芳香尼龙
在聚合物材料的讨论中我们曾提到如果使高分子高度取向可以达到很高的强度与模量，液晶聚合物就能很容易地发生取向。这方面最成功的例子是芳香尼龙Kevlar?。其结构式为：
芳环结构赋予了它热稳定性，棒状结构使分子链能够平行排列，达到高度取向。Kevlar?有三个品级：Kevlar29具有高韧性，拉伸强度为 3.4GPa，用于抗拉伸和防穿刺的场合；Kevlar49具有130GPa的高模量，用于制造结构复合材料；Kevlar149具有超高模量180GPa。图4-8是芳香尼龙和其它纤维的应力-应变曲线对比。芳香尼龙的高模量、高强度加上只有1.44的低比重，使它能够在增强纤维中占一席之地。
图4-8 芳香尼龙与其它纤维的比较
除Kevlar?之外，Nomex也是一种高性能的芳香尼龙。它的强度比Kevlar?低，但价格也相应便宜。世界著名游艇Evviva的船体就是采用Nomex和玻璃纤维的复合材料制造的。其重量仅为同级游艇的80%，所以它能以每小时37公里的速度在海上航行。被誉为“艺术家的梦想”。
4.4.4陶瓷纤维
氧化物、碳化物、氮化物都可以制成连续纤维和不连续纤维。绝大多数氧化物纤维是三氧化二铝和二氧化硅。平均性质为；密度：3Mg/m3，直径：12μm，拉伸强度：2GPa，拉伸模量：200GPa，使用温度：1300°C。
碳化物纤维的强度和模量比氧化物高得多，以碳化硅为例：密度：2.5 Mg/m3，直径：10-12μm，拉伸强度：3GPa，拉伸模量：400GPa，使用温度：1200°C。SiC和Si3N4纤维都是不连续的晶须。晶须是真正的单晶，长径比可到10000以上。晶须都具有极高的强度。但
其长度最多只有10mm，不能用于连续增强的场合。陶瓷纤维和晶须很少用于聚合物，多用于金属基复合材料。
4.4.5玻璃纤维
用于聚合物的最普通的增强材料是玻璃纤维。人们最熟知的玻璃钢就是玻璃纤维与不饱和聚酯的复合材料。玻璃纤维是使熔融的玻璃从喷丝板中流出并拉伸冷却而制成的。有两个重要的品种用于增强。第一种是E玻璃，含55%二氧化硅，20%氧化钙，15%氧化铝和10%氧化硼，拉伸强度为5GPa，因最初目标是在电气场合应用而得名（Electrical application）。第二种是S玻璃，其原料是10%氧化镁，25%氧化铝和65%二氧化硅。因其高强度而得名（High Strength），强度比E玻璃要高约30%。
玻璃纤维直径在5~25μ之间。二者的用途基本相同，Ｅ玻璃价格略低，并且可以在较低温度下操作。
用作增强材料的玻璃纤维有多种形式，图4-9中为一些重要的种类。纤维可以是单根的，可以由若干根集结成束，也可以加捻成股。可以直接使用连续长纤维，可以切成短纤维，可以编织成织物，也可以由单根纤维制成无纺布。短纤维用于增强热塑性塑料与整体模塑制品。纤维束用于缠绕加工，或用于编织两维的玻璃布。两维织物增强的性能显然优于单维增强，但仍会造成材料性能的各向异性。目前正在研究三维的编织与增强技术。无纺布是中等长度纤维无规叠合而成的，类似毛毡。用无纺布增强比用两维织物要消耗更多的树脂，但制品表面光洁度要好一些。
玻璃纤维与基体树脂的亲和性对复合材料的机械强度是十分重要的。玻璃纤维经常用偶联剂进行处理以增强这种亲和性，最常用的偶联剂是硅烷偶联剂，通式为A3SiB，Ａ代表卤素，Ｂ代表一种可以与基体表面发生作用的官能团。使用硅烷偶联剂的目的就是要在玻璃表面生成Si-O键，而使分子的另一端与基体相容。偶联剂用于其它增强材料作用也是一样的。但如果偶联剂与基体结合不好，就会影响基体对应力的传递。因此偶联剂的选用也是材料设计的一部分。
图4-9 增强用玻璃纤维的种类
4.4.6金属纤维
金属纤维很少作为聚合物的增强材料，主要原因有二。（1）制造复合材料的主要目的之一是减轻重量，而金属材料一般比重较高；（2）聚合物一般与金属材料的结合力很差。金属材料在聚合物基复合材料中最大的应用是制造夹心材料中的蜂窝结构，最常用的是铝。铝制的蜂窝结构再覆之以纤维增强的聚合物层，长期用作飞机上的构件，如门，座位，衬层等。但金属纤维用途有限。
增强纤维材料种类繁多，以上介绍只是择其要者。表4-1中的数据可以作一些补充。4.5聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是使用最早，使用量最大的复合材料。纤维增强的复合材料中聚合物基占四分之三。前面我们介绍了一些常用的聚合物基体。事实上，几乎所有的聚合物材料都可以用作复合材料的基体，而且前面介绍的所有纤维都可用作聚合物的增强材料。聚合物材料用体积分数20%到40%的玻璃纤维增强后，强度与模量都可以提高到未增强材料的两倍。
如果用连续纤维增强，强度与模量可以提高四倍。增强的同时使热胀系数降低，蠕变速率降低，抗冲击性、热变形温度、尺寸稳定性提高。图4-10为玻璃纤维对聚合物材料的增强效果。有人还对长短纤维作了对比，发现长纤维复合材料的强度高于相同体积含量的短纤维，但并不高出许多。玻璃纤维、碳纤维或芳香尼龙纤维增强的聚合物材料用于汽车车身、飞机机身、电器外壳等一系列重要工业构件。
复合材料也有缺点，主要由于它是两相材料。两种不同材料的结合总会引起内应力，引起电化学作用，这使得复合材料所受到的环境侵蚀要比任一种单独材料严重。热胀系数的差异会造成翘曲、塑性形变和开裂等。
图4-10 玻璃纤维对一些塑料性能的影响(a)拉伸强度；(b)模量在聚合物基的复合材料中，临界纤维长度公式必须加以修正，因为聚合物基体并不能发生很大的塑性形变。由于界面应力的作用，在纤维末端处引起分层；分层的结果使基体将顺着纤维流动。结果应力不是直接通过基体传递，而是通过基体与纤维间的摩擦传递。所以方程（4-13）和（4-14）中的τc应该用μP来代替，μ为基体与纤维间的摩擦系数，P为正压力。这种正压力或由聚合物固化收缩引起，或由材料不相容而发生的侧面变形引起。μP的乘积约为金属基复合材料中τc的十分之一。
纤维增强不仅提高了聚合物的强度与模量，也显著提高了聚合物的使用温度。图4-11分别表示了聚合物热变形温度和连续使用温度的提高。
聚合物基复合材料可以按基体分作热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基复合材料。几种典型热塑性树脂基复合材料的性能见表4-2。
图4-11 (a)纤维增强对热变形温度的影响；(b)对连续使用温度的影响
热固性树脂基复合材料的种类比热塑性的多得多。文献中有时将其分为低性能与高性能两类。不饱和聚酯不能与昂贵的碳纤维和芳香尼龙纤维很好结合，一般只用玻璃纤维增强，被归入低性能复合材料一类。此类材料一般在常温下使用，不需要高温性能，也不需要太高的强度，如汽车车体、浴缸、游船船体、管材等。
高性能类热固性树脂基又可以分为三类：中温型、高温型与中温高强型。中温型的代表是酚醛。酚醛树脂的用途受到一定限制，原因是其加工比较困难，而且在固化时产生缩合水，造成气孔，降低材料的强度。但酚醛树脂的耐温性强，可在260°C下工作200分钟，并具有良好的炭化强度（即炭化后仍具有的强度）。即使燃烧时也很少发烟，很少释放有害气体。因此酚醛基复合材料被用于制造飞机内壁，以及火箭上重要的烧蚀材料，如尖锥、喷管、发动机外壳等。酚醛树脂与玻璃、尼龙、石墨、硅、石英等都有很好的相容性。一些酚醛基复合材料的性能见表4-3。
环氧树脂是中温高强型的代表，它可以用任何纤维增强，用新近发展起来的碳纤维、硼纤维和芳香尼龙纤维增强后性能更为优异，可以与钢、钛和铝合金比美。硼纤维增强的环氧树脂模量与其它材料相当，但强度更高，重量比铝合金还轻。环氧基复合材料自1972年就一直用于军用飞机的结构件，并用于运动器材和印刷电路。一些环氧树脂基复合材料的性能见表4-4。
工作温度在200°C以上的就属于高温型复合材料。最常用的基体为聚酰亚胺，双马来酸酐也符合这一要求。这两种基体的价格比环氧树脂和酚醛树脂都高，加工也比较困难。其性能见表4-5。
近年来开发出来的纤维增强塑料增强筋，称为C-bar，可能在许多场合代替钢筋。C-bar 的中心是单轴取向的玻璃纤维浸以回收的对苯二甲酸树脂。外面是浸渍了聚酯的织物与13mm长的短纤维。最外层是聚氨酯改性的乙烯基聚酯。C-bar的与众不同之处是同时使用织物与纤维，内部的酯性树脂与外部的乙烯基聚酯之间以化学键结合。据报道，C-bar的强度是钢筋的两倍，重量是钢筋的四分之一。C-bar既无磁性，又不锈蚀，热胀系数与水泥较为接近，所以应用前景非常可观。
过去高性能的复合材料基体都是热固性塑料，现在一些热塑性工程塑料也加入了高性能基体的行列，如聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酮（PEK）和聚酰胺-酰亚胺（PAI）。PAI可以先作为热塑性材料加工，最后成型时进行“后固化”，形成部分体型结构。使用温度可以达到190°C，高于一般的环氧树脂。PEEK复合材料的连续使用温度能够高达250°C。一系列热塑性复合材料的强度与挠曲模量见图4-12。其中CF和GI分别代表碳纤维和石墨纤维。可以看出热塑性复合材料的性能受温度影响比较明显。热固性塑料的一个共同缺点是脆性，如果在复合材料中加入20%的热塑性塑料可以大大改善。
图4-12 一些工程塑料基复合材料的拉伸强度(a)和挠曲模量(b)
例4-2：设计一棒材，长度为3m 。以环氧树脂为基体。受到2.2kN 的外力时，伸长不能超过2.5mm ，不能发生脆性断裂。已知环氧树脂弹性模量为3.5GPa ，屈服强度为80MPa ，价格为$1.75/kg 。
解：假定棒材全部用环氧树脂制造（无纤维）：
mm d mm F A E mm mm 314.75392
.22200MPa 92.2)1083.0)(105.3(1083.030005.2233max 3max =====??==?==
--直径即棒σεσε
环氧树脂的密度ρ＝1.25Mg/m3，故棒的重量为(1.25) (753.4?10－6) (3)=2.83kg
其价格为(2.83kg)($1.75/kg)=$4.95
再来看复合材料的情况。最低要求是80MPa 应力下的应变为0.83?10－
3，则弹性模量为 GPa
4.961083.0803max =?=>-εσ
c E 玻璃纤维的模量低于96.4GPa ，应考虑更强的纤维。高模碳纤维的模量为531GPa ，密度为1.9Mg/m 3，价格为$66/kg 。为使复合材料具有96.4GPa 的模量，最低碳纤维体积分数为：
176
.04
.96)5.3)(1()531(=>-+=c c c c f f f E
环氧树脂体积分数为0.824。 如果纤维全部断裂，截面积82.4%上的环氧树脂必须承受2.2kN 的外力且使应力不大于80MPa 。由此决定棒材的截面积：
mm d mm A mm F
A A c c m 5.64.33824.05.275.2780
2200824.022
=======即σ
42
.2$)/75.1)($103.0()/66)($034.0(103.0)137.0)((755.0(034.0)137.0)(245.0(245.0)25.1)(824.0()19.0)(176.0()19.0)(176.0(137.010137.0)101.0)](824.0)(25.1()176.0)(9.1[(101.0)3)(104.33(333
326=+======+==?=?+=?=?=----kg kg kg kg kg
kg
kg
Mg m m m 棒材价格环氧树脂的重量碳纤维的重量碳纤维的重量分数棒材重量棒材体积
采用碳纤维复合后的材料直径不足只用环氧树脂的四分之一，重量只有5％，而价格还降低了一半。当然，这里没有考虑棒材的制造成本。
4.6树脂基复合材料的加工
复合材料的加工方法多种多样。夸张地说，有多少种复合材料，就有多少种加工方法。每出现一种新的复合材料，就会伴随着出现一种新的加工方法。 因此不能根据基体材料将加工方法归类，而只能按纤维的几何形状进行分类。
无规取向的短纤维、晶须和颗粒填充的复合材料可以归为一类。其加工方法与普通塑料或橡胶没有明显的分别，填充只会降低聚合物的加工流动性，并不会从本质上改变加工方法。因此我们在此不再重复已在聚合物一章中讨论过的压制、挤出、注射、压延、浇铸等各种方法。所有这些方法，除了挤出方法外，都产生各向同性的复合材料。
连续的或基本连续的纤维复合材料有许多加工方法，包括缠绕、层合与拉挤。纤维增强复合材料的两个加工阶段是涂复与固化。涂复指使增强物（纤维束或织物）浸润基体的过程。固化指使基体材料聚合、交联或干燥，形成增强纤维间或层间永久粘合的过程。固化过程可以独立进行，也可以和模压、热压、真空成型等过程同时进行。
图4-13 复合材料模面成型方法(a)手工涂敷(b)喷涂法
4.6.1模面成型
手工涂敷是最简单的加工方法。只需要简单的模具，将加强纤维（或织物）铺在模具面
上，用手往纤维上涂树脂，使纤维表面完全浸润。然后再加一层纤维，再使之浸润树脂，直至达到所需要的厚度。制成的层合体在室温固化。这种不需加热的固化过程也称为表面模塑(见图4-13a)。
喷涂模塑法可以大大加快涂敷的速度。将固化剂与树脂同时通入喷枪，在喷涂的同时混合均匀（图4-13b）。在喷枪上还装有切刀，可以将连续纤维切成一定长度，并与树脂一同喷到模具表面。这样，混合过程与浸润过程同时发生，喷到预定厚度时就可以室温固化。这一方法适合制造大型制品，如船体、浴缸等。但喷涂制品的强度不如手工涂敷制品，因为短纤维增强的材料毕竟不如连续纤维或织物增强。
4.6.2模压成型
将预制片或预混料放在模具中加温加压得到所设计的形状（图4-14a）。所用树脂不同，模压条件不同。例如汽车的车体，使用玻璃纤维增强的预制片，在120°C下用1.72MPa的压力成型。树脂转移模压法（图4-14b）可不用预制件，而直接用树脂、纤维与固化剂生产制品。先在打开的模具上将纤维按一定方向，一定厚度敷设，然后闭合模具，抽真空，用泵注入混好固化剂的树脂，将模具充满。固化完成后就能得到双面光洁的制品。这一方法特别适合制造大型热塑性制品。因为热塑性塑料熔体粘度大，温度高，不适宜手工成型。而用树脂转移法则类似普通塑料的注射成型，树脂充满模具冷却即可。
图4-14 (a)模压成型；(b)树脂转移模压法
4.6.3真空成型
与塑料真空成型工艺相似，利用大气压成型，省却了昂贵的金属模具。所不同的是，材料固化时常需要用一个气囊在上面施加压力（见图4-15）。为了加快生产速度，常常先用真空方法预成型，再在另一个地方固化。
图4-15 真空成型图4-16 复合材料缠绕成型
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
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
聚合物复合材料作业答案
聚合物复合材料作业 1、试述玻璃纤维的制备过程。 答：玻璃纤维的制备过程有两种方法：一.玻璃球法：生产玻璃纤维的过程是将硅砂、石英石、硼酸和其它成分（粘土，氟石等）干混后，经高温炉熔融，熔化后的玻璃液直接通过漏板形成了玻璃纤维。二.直接熔融法：直接熔融法是将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维。 2、玻璃纤维与块状玻璃性能为何不同？ 答：块状玻璃一般认为质硬易碎物体，并不适于作为结构用材，但将其抽成丝后成玻璃纤维后，则其强度大为增加且具有柔软性，故配合树脂赋予形状以后终于可以成为优良之结构用材。玻璃纤维随其直径变小其强度增高，它具有不燃、耐高温、电绝缘、拉伸强度高、化学稳定性等优良性能。 3、玻璃纤维浸润剂的作用是什么？ 答：玻璃纤维浸润剂的作用有五点：（一）润滑-保护作用：在拉丝过程中，浸润剂中的“湿润滑组分”使玻璃纤维原丝与涂油器（单丝涂油器、带式涂油器或半轮式涂油器）、集束槽及排线器之间保持一定的润滑作用，避免二者间摩擦系数过大而引起原丝张力过大，造成飞丝、丝束打毛及原丝筒粘并退解困难等。（二）粘结-集束作用：粘结组分可使玻纤单丝粘结成一根玻纤原丝，使原丝保持其完整性，避免应力集中于一根或数根单丝上，以减少散丝及断丝，便于无捻粗纱的退解及玻纤纱的纺织加工。（三）防止玻璃纤维表面静电荷的积累：浸润剂中抗静电剂可降低玻璃纤维表面电阻并形成导电通道，此种作用对smc、喷射、石膏等用无捻粗纱、短切毡、连续原丝毡用玻纤原丝特别重要。（四）为玻璃纤维提供进一步加工和应用所需要的特性：这些特性包括短切性、成带性、分散性等，特别是纤维在热固性或热塑性树脂，以及橡胶，石膏、水泥等基材中被迅速浸润的性能。（五）使玻璃纤维获得与基材有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能。 4、PAN法制备碳纤维过程中，预氧化、碳化、石黑化过程的作用分别是什么？ 答：预氧化的作用：防止原丝在炭化时熔融，通过氧化反应使得纤维分子中含有羟基、羰基，这样可以在分子间和分子内形成氢键，从而提高纤维的热稳定性。炭化作用：有机化合物在惰性气氛中加热到1000-2000 C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将被逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。石墨化的作用：当温度升到2000 -3000C 时，使非碳原子进一步排除，芳环平面逐步增加，排列也较规则，取向度显著提高，由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化，大大提高了石墨纤维弹性模量。 5、试分析碳纤维结构及其对性能的影响。 答：材料的性能主要决定于材料的结构。结构有两方面的含义，一是化学结构，二是物理结构。碳纤维的物理结构（层状平面环）：碳纤维的结构决定于原丝结构与碳化工艺。对有机纤维进行预氧化、碳化等工艺处理的目的是，除去有机纤维中碳以外的元素，形成聚合多环芳香族平面结构。在碳纤维形成的过程中，随着原丝的不同，重量损失可达10％--80％，因此形成了各种微小的缺陷。但是，无论用哪种原料，高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向。碳纤维的化学性能（不耐氧化）：碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，当温度高于400 ℃时，则会出现明显的氧化，生成CO和CO2。在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。当碳纤维在高于1500 ℃时，强度才开始下降；而其它类型材料包括A12O3晶须在内，在此温度下，其性能已大大下降。另外，碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。它还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。
聚合物基复合材料 知识点总结
第二章增强材料 1.增强材料的品种： 1）无机纤维：（1）玻璃纤维 （2）碳纤维：①聚丙烯腈碳纤维②沥青基碳纤维 （3）硼纤维，（4）碳化硅纤维，（5）氧化铝纤维 2）有机纤维：（1）刚性分子链——液晶（干喷湿纺）： ①对位芳酰胺②聚苯并噁唑③聚芳酯 （2）柔性分子链：①聚乙烯②聚乙烯醇 2.玻璃纤维的分类： 1）按化学组成份：有碱玻璃纤维，碱金属含量>12%；中碱玻璃纤维，碱金属含量6%~12%；低碱玻璃纤维，碱金属含量2%~6%；微碱玻璃纤维，碱金属含量<2% 2）按纤维使用特性分：普通玻纤（A-GF）；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；高模玻纤（M-GF）；耐化学药品玻纤（C玻纤）…… 3）按产品特点分：长度（定长玻纤<6-50mm>，连续玻纤）；直径（粗纤维30μm，初级纤维20μm，中级纤维10-20μm，高级纤维3-9μm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，磨细纤维和玻璃粉） 3.玻璃纤维的制备：目前生产玻璃纤维最多的方法有坩埚拉丝法（玻 璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法） 4.玻璃纤维的力学特性： 1）玻璃纤维的拉伸应力--应变关系：玻璃纤维直到拉断前其应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段，呈脆性材料特征 2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低；解释： （1）Griffith微裂纹理论： 玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。所以，缺陷尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低 （2）分子取向理论： 玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。 3）玻璃纤维强度特点：单丝直径越小，拉伸强度σb越高；试样测试段长度L越大，拉伸强度σb越低。这两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应和体积效应，即体积或尺寸越大，测试的强度越低 4）缺点：①强度分散性大，生产工艺影响②强度受湿度影响，吸水后，湿态强度下降③拉伸模量较低（70GPa），断裂伸长率约为2.6% 5.玻璃纤维纱的常用术语、参数：（填空） 1）原纱：指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱 2）表示纤维粗细的指标：①支数β：指1g原纱的长度(m)，支数越大表示原纱越细②特(tex)：指1000m长原纱的质量(g)，tex数越大，纱越粗③旦、袋(den)：指9000m长原纱的质量(g)，den 数越大纱越粗 3）捻度：表示纱的加捻程度，指每米长原纱的加捻数，即捻/m。S：右捻，Z：左捻。增加抱合力 4）股数N：指由几根原纱合股组成。纱的合股数指以一根原纱为一股，几根原纱合并起来的原纱根数即为合股纱的合股数N。玻璃纱的公称支数为原纱支数除以股数（β=β0/N） 6.预氧化阶段施加张力的目的，是使纤维中形成的梯形结构取向。热定型后的聚丙烯纤维在温度高于玻璃化温度后，在纤维长轴方向上会发生收缩。预氧化过程前期为物理收缩，表现为取向度
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
聚合物复合材料课后总结
聚合物复合材料课后总结什么是复合材料？这个概念很难说清。由于缺乏严格的定义以及近年来人们用词的随意，模糊了复合材料的概念。关于复合材料有许多种定义。一种定义为：“a mixture of two or more materials that are distinct in composition and form, each being present in significant quantities (e.g., >5%)” (两种或多种不同组成、不同存在形式材料的混合物，各以显著的量存在)。另一定义为：“the union of two or more diverse materials to attain synergistic or superior qualities to those exhibited by individual members”（两种或多种不同材料的结合体，可获得协同的或优于个别材料的质量）。美国ASM的工程材料手册中的定义为：“a combination of two or more materials differing in form or composition on a macroscale. The constituents retain their identities…and can be physically identified.”（两种或多种不同组成、不同存在形式在宏观水平上的结合体。各组分保持各自的特征，并可用物理方法鉴别）。这里“宏观”、“各自特征”是两个关键。不符合这两个关键词的混合物将不被视为复合材料。例如固溶体，是两种材料在原子水平上的混合物，不能算作复合材料。但“宏观”是个什么概念？毫米级还是微米级还是纳米级？橡胶与塑料的混合一般不认为复合材料，原因有二。第一因为橡胶分散相的尺寸在微米级以下，不能视为宏观存在；第二因为橡胶与塑料同属高分子材料，不能视为不同材料的混合。但近年来又出现了“纳米复合材料”，其中有一种是纳米尺寸的无机粒子在塑料中的混合物。纳米尺寸能够称得上“宏观”吗？人们近年来还提出“分子复合材料”，即同系列聚合物棒状分子与线团状分子的混合物。既是分子水平的混合，又是同一种材料，也称为复合材料。但在本书的学习中，我们不必理会复合材料的确切定义，只将讨论的内容限定在ASM规定的材料范围之内。 人类从很早的时期起就认识到将两种或多种材料混合使用的益处。13世纪的蒙古包就是将动物筋、木头和丝用粘合剂粘在一起制成的。在更早的时期，人们就懂得将稻草混入泥巴来盖房子，这一技术直到今日还在我国农村使用。古埃及人已懂得制造轻便坚固的三合板，中世纪的欧洲人用合层的金属片制造盾牌。大自然也创造了不少天然复合材料：如木材、竹子、骨头等。 第二次世界大战期间，诞生了玻璃纤维与聚酯树脂的复合材料。这标志着先进复合材料时代的到来。最早的复合材料被用于制造飞机的门的档板，还用于制造导弹外壳。人们从这种高比强度（强度/密度）、高比刚度（模量/密度）的材料中看到了巨大的前途，开始有意识地开发复合材料，希望能够替代铝和钛等金属。从五十年代起，开始致力于纤维的研制，并开发出高性能的S型玻璃纤维。1963年，硼纤维问世，以后又相继开发出碳纤维、二氧化铍纤维、石墨纤维、芳香尼龙纤维、氧化铝纤维等。纤维可以加入到聚合物基体，也可以加入到金属基体或陶瓷基体，开创出一代高性能的复合材料。为有别于传统的与天然的复合材料，我们称此类材料为先进复合材料。复合材料可以金属、陶瓷、聚合物中任一种材料为基体，可以三种材料中的任一种为增强材料，如图4-1所示。一种复合材料的分类法就是以基体分类，将复合材料分为三大类：金属基复合材料（MMC），陶瓷基复合材料（CMC）和聚合物基复合材料（PMC）。碳材料比较特殊，所以可以单列一类，称为碳基复合材料。本章中我们着重介绍聚合物基复合材料，简单介绍碳基复合材料，陶瓷基和金属基复合材料将放到陶瓷和金属的专章中介绍。
聚合物基复合材料精彩试题
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
复合材料作业
复合材料作业
玻璃纤维增强陶瓷复合材料的研究进展 摘要：陶瓷复合材料是指用玻璃聚合物或可生物降解聚合物作为基体，玻璃纤维作为增强材料的复合材料。概述了用于陶瓷复合材料的可生物降解的聚合物和玻璃纤维的改性研究进展及其模塑成型的陶瓷复合材料的开发应用现状。 关键词：玻璃纤维，生物降解聚合物，玻璃聚合物，陶瓷复合材料。 玻璃工业的蓬勃发展为人们生产、生活提供了许多性能优良的新型材料。在经济发达国家，玻璃产量早已超过钢铁，且这些材料在各个领域的广泛运用推动了社会的发展。但在人们使用玻璃制品的同时，玻璃废弃物已成为当今主要的环境问题之一。据有关部门统计，目前全球玻璃产量为1亿ｔ，其中30%用于包装，且大多数不具备可降解性。中国每年产玻璃超过600万ｔ。这些玻璃加工成各种制品进入市场后，30%可回收使用，70%用后成为工业和生活垃圾，对地球环境造成严重的危害，且白色污染当前已成为危害环境的世界性公害，严重阻碍了经济和环境的可持续发展。为保护环境，玻璃废弃物的回收再利用及绿色玻璃的研究与开发已成为各国的研究热点。特别在世界很多国家，掀起了一股开发由玻璃纤维增强的陶瓷复合材料的热潮。这种陶瓷复合材料易降解或易生物吸收，与传统复合材料相比具有环境友好和陶瓷优势。根据定义，陶瓷复合材料是指由玻璃纤维增强的、玻璃聚合物基或可生物降解聚合物基的复合材 料。目前，市场上已有很多可生物降解的聚合物基体出售，但这些基体不论物理与化学性能多么独特，都因价格高限制了这些材料的广泛使用。本文主要概述用于陶瓷复合材料的可生物降解聚合物和玻璃纤维的改性研究进展及其模塑成型的陶瓷复合材料的开发应用现状。 一：可生物降解聚合物基体 用于陶瓷复合材料的可生物降解聚合物一般分为三种：生物合成聚合物（Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ），半生物合成聚合物（Ｓｅｍｉ-ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ），化学合成聚合物（Ｃｈｅｍｏ-ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ）。1.1 生物合成聚合物生物合成聚合物是指利用玻璃资源生产的聚合物。淀粉就是最普通的一种玻璃的多羟基聚合物，在引入适量增塑剂（如水、多元醇等）减弱分子间作用力后，能够参照玻璃的加工方法热塑成型。但淀粉的多羟基结构使其具有极强的亲水性，对湿度十分敏感，低湿环境下脱水脆化，高湿环境下吸水丧失固有的力学性能，同时缺乏稳定的回缩性和一定的弹性。由纤维与淀粉制成的复合材料缺乏足够的界面黏合，
聚合物复合材料
1、为什么要研究天然纤维热塑性聚合物复合材料成型过程中的流变行为？ 答：因为在大部分聚合物材料的加工过程中，都离不开聚合物材料流体的流动。它们的加工成型和使用性能以及最终制品的各种性能很大程度上决定于其流变行为。例如在挤出成型中，流动性过小，会不利于原料充满整个模具，造成挤出困难；但流动性过大，会不利于形成足够的挤出压力，造成制品强度缺陷。 2、你认为将来那种工艺可能会替代挤出成型工艺成为天然纤维聚合物复合材料（热塑性基体）的主要生产工艺？ 答：热压成型工艺，原因有以下几点 1）可以通过人造板工艺制备高比例的天然纤维复合材料。 2）可以利用不同形态的木质纤维材料与塑料加工生产复合材料板材和型材。3）可以制备宽板，从而更好的替代木质人造板。 4）可以使用长纤维原料。 3、天然纤维聚合物复合材料挤出成型一步法与两步法有什么区别？ 答：区别在于一步法省略了混炼造粒这样的步骤，一步法效率高，混炼塑化好，节能显著，生产成本降低，市场竞争力强，但是设备工艺要求较高，反之二步法操作简单，灵活性高，对员工整体技术要求低，但成本要求较高。 4、天然纤维聚合物复合材料模型成型技术的特点？ 模压成型可使造型美观的物件一次成型，减少了加工和装配工作量，并使连接重量降低。 模压还可使零件各部分的密度均匀，降低内应力。模压制品的尺寸准确，互换性好，可以提高装配质量。 5、如何来调控浸润角？ 1对于一个固定的体系，可以通过控制温度，保持时间，吸附气体等调控浸润角。2改变体系的表面张力调控浸润角。 3固体表面的润湿性能与其结构有关，通过改变物体的表面状态，既改变其表面张力，调控浸润角。 6、聚合物复合材料界面存在的内应力是如何产生的？ 聚合物基体和纤维在温度降低的时候体积收缩不匹配，而又要保持变形的一致，必然会产生内应力 7、想一想界面问题研究的难点在哪里？ 1.界面区域小且结构组成复杂，是一个多层结构的过渡区域； 2.界面的形成过程复杂； 3.界面形成的机理多样，但都具有一定的局限性。 8、利用天然纤维聚合物原料进行3D打印成型的难点在哪里？ 3D打印的材料在加工时应具有流动性，成型后又能快速通过凝固、聚合和固化等方式粘结为具有良好的机械强度和设定功能的材料，天然纤维聚合物原料很难做到。
聚合物复合材料
课程名称: 聚合物复合材料 论文题目：改性木粉/PVC复合材料的研究进展任课老师：符新教授 学院：材料与化工学院 专业：材料学 班级：材料学 学生XX：周宇 学生证号：008
改性木粉/PVC复合材料的研究进展 1 木/塑复合材料的发展和背景 木/塑复合材料是利用木粉和废旧热塑性塑料或树脂为主要原料,经高温混炼、再经成型加工而制得的一种廉价的新型复合材料。它是当代工业基础材料废物利用的最佳科研成果在工业生产中的应用,有“合成木材”之名,在建筑、交通、轻工等部门具有广阔的应用前景[1]。这种木/塑复合材料不仅可以替代货物木质包装材料和铺垫材料,还能用于门、窗框、建筑模板、地板、汽车配件的生产[2]。 20世纪80年代,这种新型复合材料在国外已有研究成果和实际应用[3]。日本阿特隆公司于1980年发表了相关专利并向世界推广[4]。这也是近年来国外发展较快且经济效益显著的实用型技术。木/塑复合材料之所以发展得这么快,是由于人们环境观念的加强。美国建筑工业寻找木材的替代材料,要求不腐蚀、不翘曲、维修方便、外观与木材相似。而韩国和日本的纸、木材加工厂对锯木粉、废木屑等的应用都推动和加速了木/塑复合材料的研究和应用开发[5]。我国是一个木材资源不丰富的国家,储量小,产量满足不了市场的需要。另外,自1998年2月开始,美国、加拿大和欧盟国家相继对我国出口货物的木质包装材料实施新的检疫标准,要求采取熏蒸或高温消毒处理,否则将拒绝入境,这也促进和推动了我XX用木塑型材做包装用托盘为代表的制品发展。 现在国外已对木/塑复合材料有了较深入的研究, 开发出PE木塑、PS木塑、PP木塑、PVC木塑等多种复合材料及制品[6]。而国内开展研究起步较晚,在这方面的研究只是近几年的事情。目前国内主要是对PE、PP基木塑复合材料的研究[7],产品开发主要是PE基木塑复合材料制品,而对PVC基木塑复合材料深入研究的报道较少,相应的产品开发也少有报道。PVC是目前世界上最重要的两种塑料材料之一,每年庞大的PVC消费量相应地产生了大量的废旧塑料,可是这些废旧塑料的回收率还很低,使得大量的废旧塑料制品成为垃圾,给环境造成很大污染[8]。因此,
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
聚合物基复合材料 第二节聚合物基复合材料（PMC） 1.1聚合物基体 1.2PMC界面 1.3PMC制备工艺 1.4PMC性能与应用 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。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(FRP)，而为各种目的加入各种填料的高分子材料不在这里论及。 1.1聚合物基体 聚合物基体是纤维增强塑料的一个必需组分，在复合材料成型过程中，基体经过复杂的物理、化学变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体。因而基体性能直接影响复合材料性能。基体的主要作用包括将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均匀；决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水、耐化学品性能)等；决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择；保护纤维免受各种损伤。此外对复合材料一些性能有重要影响，如纵向位伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。 1、分类 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
聚合物基复合材料
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
复合材料作业
复合材料的基本性能（优点）是什么？——请简答6个要点 1)比强度，比模量高（强度/密度，模量/密度） 2)良好的高温性能 3)良好的尺寸稳定性——热膨胀系数下降.石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零。 4)良好的化学稳定性：聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。 5)良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等性能得到提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善。 6)良好的功能性能：包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。 复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？P81、复合材料的三个结构层次2、复合材料设计的三个层次： 一次结构——单层材料——微观力学一次结构(单层材料设计 二次结构——层合体——宏观力学二次结构(铺层设计 三次结构——产品结构——结构力学三次结构(结构设计 复合材料中聚合物基体的主要作用是什么？ 1)把纤维粘在一起；2)分配纤维间的载荷；3)保护纤维不受环境影响。 用作基体的理想材料，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。 7、碳纤维的制造方法有几种？P51碳纤维的主要性能是什么？ 1)强度和模量高、密度小；2)具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值3)具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900℃以上才呈现出永久塑性变形。4)摩擦系数小、润滑性好、导电性高。 芳纶纤维主要有几种？作为增强材料的芳纶纤维有何主要性能特点？ ①芳香族酰胺纤维②聚乙烯纤维 芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有较高的强度芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有高的模量。 常用的增强材料(玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等)的表面如何处理可改善复合材料的界面效果? 有机纤维：复合树脂基体时候，采用不同气体下等离子体处理表层 玻璃纤维：与树脂基体复合时候用偶联剂（或者浸润剂） B纤维：与树脂基体复合可不用表面处理；与金属基体复合采用陶瓷涂层。 C纤维:与树脂基体复合主要采用等离子体处理、沉积法或氧化法处理；与金属基体复合主要采用陶瓷涂层。 复合材料的复合法则—混合定律？ 在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）： 什么是复合材料的相容性？相容性分为哪两种？各指什么？ 相容性指复合材料在制造、使用过程中各组分之间相互协调、配合的程度。相容性关系到复合材料中的各组分材料能否有效发挥其作用以及复合材料整体的结构和性能能否长期稳定。相容性包括物理相容性和化学相容性。物理相容性 （1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。（2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。 （3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合及各类性能产生重要的影响。 化学相容性：主要指基体与增强体之间有无化学反应。 常用的三种GFRP（玻璃纤维增强的三种常用塑料）的主要性能如何？ 玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种。不足：环氧树脂粘度大，加工不便 玻璃纤维增强酚醛树脂，耐热性最好！不足：性能较脆，机械强度不如环氧树脂。有刺激性玻璃纤维增强聚酯树脂：加工性能好。不足：固化时收缩率大 如何去解决金属基复合材料的界面反应问题？3种方式 ①增强剂的表面改性处理②金属基体改性（添加微量合金元素）③优化制备工艺参数，采用新工艺。 常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有哪些？ SiC纤维—富碳涂层、SCS涂层等； 硼纤维—SiC涂层、B4C等； 碳纤维—TiB2涂层、C/SiC复 16、什么是C/C复合材料？有何主要特性？为什么要对碳碳复合材料进行抗氧化保护？ 定义：C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。
材料作业
聚合物基/无机纳米复合材料概述 摘要：聚合物和无机物在纳米及水平上的复合，将使各自的优势得到最充分的体现，因此，聚合物基/无机物纳米复合材料的研究已成为当今材料研究的前沿领域，显示出重要的科学意义和良好的应 用前景。文中简要概述了聚合物基/无机物纳米复合材料的定义、性质、制备方法及研究情况。 关键词：聚合物基纳米复合材料 近年来，随着科学技术的迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出越来越高的要求，在许多方面，传统的单一材料已不能满足实际需要。这些都促进了人们对材料的研究逐步摆脱过去单纯靠经验的摸索方法，雨向着按预定性能设计新材料的研究方向发展，而复合材料因其性能的优异性而广泛受到人们关注，聚合物基/无机纳米复合材料正是其中一种备受关注的材料。20世纪80年代以来，纳米复合材料的研究已在世界范围内掀起了新的浪潮，并取得了许多可观的成果。本文将就聚合物基/无机纳米复合材料的做一简要概述。 1. 聚合物基/无机纳米复合材料概念 复合材料，根据国际标准化组织（International Organization for Standardization）给复合材料所下的定义，就是由两种或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。在复合材料中，通常有意向为连续相，称为基体；另一相为分散相，成为增强材料。复合材料中各个组分虽然保持其相对独立性，但复合材料的性质却不是各个组分性能的简单加和，而是在保持各个组分材料的某些特点的基础上，具有组分间协同作用所产生的综合性能。由于复合材料各组分间“取长补短”，充分弥补了单一材料的缺点，产生了单一材料所不具备的新性能，开创了材料设计方面的新局面。 “纳米材料”作为一种材料类别，是20世纪80年代早期提出的[1]；而“纳米复合材料”的说法则始于20世纪80年代晚期，一经出现即为世界各国科研工作者所关注。纳米复合材料是由两种或两种以上固相至少在一维以纳米级大小（1-100 nm）复合而成的复合材料[2]。纳米复合材料也可以是指分散相尺寸有一维小于100 nm 的复合材料[3]，分散相的组成可以是无机化合物，也可以是有机化合物。
聚合物复合材料
聚合物复合材料 4.1 概述 什么是复合材料？这个概念很难说清。由于缺乏严格的定义以及近年来人们用词的随意，模糊了复合材料的概念。关于复合材料有许多种定义。一种定义为：“a mixture of two or more materials that are distinct in composition and form, each being present in significant quantities (e.g., >5%)” (两种或多种不同组成、不同存在形式材料的混合物，各以显著的量存在)。另一定义为：“the union of two or more diverse materials to attain synergistic or superior qualities to those exhibited by individual members”（两种或多种不同材料的结合体，可获得协同的或优于个别材料的质量）。美国ASM的工程材料手册中的定义为：“a combination of two or more materials differing in form or composition on a macroscale. The constituents retain their identities…and can be physically identified.”（两种或多种不同组成、不同存在形式在宏观水平上的结合体。各组分保持各自的特征，并可用物理方法鉴别）。这里“宏观”、“各自特征”是两个关键。不符合这两个关键词的混合物将不被视为复合材料。例如固溶体，是两种材料在原子水平上的混合物，不能算作复合材料。但“宏观”是个什么概念？毫米级还是微米级还是纳米级？橡胶与塑料的混合一般不认为复合材料，原因有二。第一因为橡胶分散相的尺寸在微米级以下，不能视为宏观存在；第二因为橡胶与塑料同属高分子材料，不能视为不同材料的混合。但近年来又出现了“纳米复合材料”，其中有一种是纳米尺寸的无机粒子在塑料中的混合物。纳米尺寸能够称得上“宏观”吗？人们近年来还提出“分子复合材料”，即同系列聚合物棒状分子与线团状分子的混合物。既是分子水平的混合，又是同一种材料，也称为复合材料。但在本书的学习中，我们不必理会复合材料的确切定义，只将讨论的内容限定在ASM规定的材料范围之内。 人类从很早的时期起就认识到将两种或多种材料混合使用的益处。13世纪的蒙古包就是将动物筋、木头和丝用粘合剂粘在一起制成的。在更早的时期，人们就懂得将稻草混入泥巴来盖房子，这一技术直到今日还在我国农村使用。古埃及人已懂得制造轻便坚固的三合板，中世纪的欧洲人用合层的金属片制造盾牌。大自然也创造了不少天然复合材料：如木材、竹子、骨头等。 第二次世界大战期间，诞生了玻璃纤维与聚酯树脂的复合材料。这标志着先进复合材料时代的到来。最早的复合材料被用于制造飞机的门的档板，还用于制造导弹外壳。人们从这种高比强度（强度/密度）、高比刚度（模量/密度）的材料中看到了巨大的前途，开始有意识地开发复合材料，希望能够替代铝和钛等金属。从五十年代起，开始致力于纤维的研制，并开发出高性能的S型玻璃纤维。1963年，硼纤维问世，以后又相继开发出碳纤维、二氧化铍纤维、石墨纤维、芳香尼龙纤维、氧化铝纤维等。纤维可以加入到聚合物基体，也可以加入到金属基体或陶瓷基体，开创出一代高性能的复合材料。为有别于传统的与天然的复合材料，我们称此类材料为先进复合材料。复合材料可以金属、陶瓷、聚合物中任一种材料为