聚合物基复合材料课件.ppt

1、聚合物基复合材料影响聚合物基复合材料性能的因素：影响聚合物基复合材料性能的因素：1 1、增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学、增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学稳定性稳定性2 2、增强材料的含量及其排布方式与方向、增强材料的含量及其排布方式与方向3 3、不同的成型工艺、不同的成型工艺4 4、增强材料与基体的界面粘接状况、增强材料与基体的界面粘接状况 聚合物基复合材料聚合物基复合材料是由物化性质截然不同的是由物化性质截然不同的增强材料增强材料和和有机高分子化合物有机高分子化合物通过一定工艺方法复合而成的多相固体材通过一定工艺方法复合而成的多相固体材料。料。抗拉强度与密度

2、抗拉强度与密度之比之比比强度高的材料比强度高的材料能承受高的应力能承受高的应力弹性模量与密度之弹性模量与密度之比比比模量高说明材料比模量高说明材料轻而且刚性大轻而且刚性大采用复合材料可大采用复合材料可大大减轻构件或制品大减轻构件或制品的重量的重量材料种类性能比重抗拉强度GPa弹性模量100GPa比强度GPa比模量100GPa钢7.61.032.10.130.27玻璃钢2.01.060.40.530.21碳纤维/环氧1.61.072.40.71.5硼纤维/环氧2.11.382.10.661.0疲劳破坏的种类不同：疲劳破坏的种类不同：金属：金属： 突发性破坏突发性破坏 疲劳强疲劳强度极限是其拉伸强

3、度的度极限是其拉伸强度的30%50%30%50%聚合物基复合材料：聚合物基复合材料： 有预兆破坏有预兆破坏 极限为拉伸强度的极限为拉伸强度的70%80%70%80%增强纤维的缺陷少增强纤维的缺陷少, ,抗疲劳性好，基体的塑性好抗疲劳性好，基体的塑性好, , 抑制抑制微裂纹的出现，即使形成微裂纹微裂纹的出现，即使形成微裂纹, ,在裂纹的缓慢扩展过在裂纹的缓慢扩展过程中程中, ,基体的纵向拉压将引起其横向收缩基体的纵向拉压将引起其横向收缩, ,而在裂纹尖而在裂纹尖端的前缘造成基体与纤维分离端的前缘造成基体与纤维分离, ,基体基体( (如聚合物基如聚合物基) )的塑的塑性形变也能使裂纹尖端钝化性形变

4、也能使裂纹尖端钝化, ,减缓其扩展。减缓其扩展。受力结构的自振频率有关因素：受力结构的自振频率有关因素： 结构形状结构形状 比模量的平方根成正比比模量的平方根成正比同时，复合材料中的同时，复合材料中的基体界面基体界面具有吸震能力，使材料的具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高，即使激起振动也能很快衰减。震动阻尼很高，即使激起振动也能很快衰减。 对相同尺寸和形状的梁进行振对相同尺寸和形状的梁进行振动试验的结果表明动试验的结果表明, ,对同一振动对同一振动, ,轻合金梁需要轻合金梁需要9 9秒钟才能停止秒钟才能停止, ,而碳纤维复合材料梁只需而碳纤维复合材料梁只需2 23 3秒。秒。 在纤维复合材料中

5、，由于有大量独立的纤在纤维复合材料中，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，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。力而断裂，仍能安全使用一段时间。通过通过改变纤维、基体的种类改变纤维、基体的种类及相对含量、纤维集合形式及相对含量、纤维集合形式及排列方式、铺层结构及排列方式、铺层结构等可等可

6、以满足对复合材料结构与性以满足对复合材料结构与性能的各种设计要求。能的各种设计要求。复合材料制品的制造始于复合材料制品的制造始于整体成型整体成型, ,一般不需焊、一般不需焊、铆、切割等二次加工铆、切割等二次加工, ,工工艺过程比较简单。艺过程比较简单。2003 Brooks/Cole, a division of Tomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under liense.1 1、GFGF增强热固性塑料（增强热固性塑料（GFRPGFRP）- - 玻璃钢玻璃钢 加工性能最好。低粘度，可室温固化；加工

7、性能最好。低粘度，可室温固化；价低，用量占价低，用量占80% 80% 。透光性好。透光性好，可制，可制作采光瓦。收缩率大，耐酸碱性差。作采光瓦。收缩率大，耐酸碱性差。*OCHCH3H2COCOHCHCCOOCHCH3CH2OCOCO*n、聚酯玻璃钢、聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、环氧玻璃钢OHCH2CH2COCH3CH3OH2CCHH2COHOCH3CH3OH2CHCOCH2n 综合力学性能最好，粘结能力最强，综合力学性能最好，粘结能力最强，与玻纤复合界面剪切强度最高，尺寸与玻纤复合界面剪切强度最高，尺寸稳定性好，耐蚀性好；收缩率只有稳定性好，耐蚀性好；收缩率只有1-1-2%2%，粘度大，施工困难，

8、成型需要加粘度大，施工困难，成型需要加热。热。酚醛玻璃钢酚醛玻璃钢OHCH2H2COHH2CCH2OHH2CCH2OHCH2H2CH2CH2COHOHOHH2COHOHCH2OH 耐热性最好耐热性最好, 350, 50%50% 、尺寸稳定性提高、尺寸稳定性提高3 3、高强度纤维增强塑料、高强度纤维增强塑料 、C C纤维增强塑料纤维增强塑料 比强度，比模量高的材料；耐腐蚀耐热都很比强度，比模量高的材料；耐腐蚀耐热都很 好。抗冲击性较好，价格昂贵。好。抗冲击性较好，价格昂贵。 、芳纶纤维增强塑料、芳纶纤维增强塑料 与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。 抗

9、拉强度与抗拉强度与C C纤维相当，冲击强度远高于纤维相当，冲击强度远高于C C纤维；纤维； 振动衰减是玻璃钢的振动衰减是玻璃钢的4 45 5倍。倍。 抗压性能差。抗压性能差。、B B纤维增强塑料纤维增强塑料 突出优点是刚度好，价格比突出优点是刚度好，价格比C C纤维还贵。纤维还贵。、SiCSiC纤维增强塑料纤维增强塑料 突出优点是与树脂相容性好。突出优点是与树脂相容性好。碳纤维头盔碳纤维头盔地铁闸瓦地铁闸瓦芳芳纶纶纤纤维维增增强强C C纤纤维维增增强强聚合物基复合材料设计聚合物基复合材料设计包括：材料设计和结构设计。包括：材料设计和结构设计。 材料设计：根据使用要求，选取原材料；安排合适的材料

10、设计：根据使用要求，选取原材料；安排合适的工艺路线，将其制成满足性能要求的材料。工艺路线，将其制成满足性能要求的材料。 结构设计：确定构件的最终构型、几何尺寸、组合关结构设计：确定构件的最终构型、几何尺寸、组合关系等，使之满足力学性能，安全寿命，可加工性和经济系等，使之满足力学性能，安全寿命，可加工性和经济性要求。性要求。设计过程：设计过程：确定设计条件确定设计条件原料选择原料选择单层单层设计设计层合板设计层合板设计结构设计结构设计实验校核实验校核 载荷情况载荷情况 环境条件：温度，湿度，腐蚀等。可能引起的强度环境条件：温度，湿度，腐蚀等。可能引起的强度 下降。（如下降。（如GFGF、KFKF

11、耐湿性差）耐湿性差） 功能性要求：如烧蚀、润滑、导电、导热、防雷电、功能性要求：如烧蚀、润滑、导电、导热、防雷电、 抗电磁干扰、透光等。抗电磁干扰、透光等。 结构可靠性和经济性。结构可靠性和经济性。 静载静载 - - 强度，刚度。强度，刚度。动载动载 - - 抗冲击强度。抗冲击强度。交变交变 - - 疲劳强度。疲劳强度。选择原则：满足性能要求，廉价，易于获得。选择原则：满足性能要求，廉价，易于获得。（1 1）比强度、比刚度高的原则）比强度、比刚度高的原则（2 2）材料与结构的使用环境相适应的原则）材料与结构的使用环境相适应的原则（3 3）满足结构特殊性要求的原则）满足结构特殊性要求的原则（4

12、4）满足工艺性要求的原则）满足工艺性要求的原则（5 5）成本低效益高的原则）成本低效益高的原则 纤维选择特殊要求：纤维选择特殊要求： 高强度，高刚度高强度，高刚度 高性能高性能CFCF、BFBF 高抗冲击高抗冲击 GFGF、KFKF 低温性能低温性能 CFCF 尺寸稳定尺寸稳定 KFKF、CFCF 透波，吸波透波，吸波 GFGF、KFKF、AlAl2 2O O3 3树脂的选择：树脂的选择：（1 1）基体材料能在结构使用温度范围内正常工作）基体材料能在结构使用温度范围内正常工作（2 2）具有一定的力学性能）具有一定的力学性能（3 3）基体的断裂伸长率不小于纤维的，以充分发挥纤维的增）基体的断裂伸

13、长率不小于纤维的，以充分发挥纤维的增强作用强作用（4 4）具有满足使用要求的物理、化学性能，如吸湿性、耐介）具有满足使用要求的物理、化学性能，如吸湿性、耐介质、阻燃性、低烟、低毒性等质、阻燃性、低烟、低毒性等（5 5）具有一定的工艺性，主要指粘性、凝胶时间、挥发分含）具有一定的工艺性，主要指粘性、凝胶时间、挥发分含量、固化时的压力和温度、固化后的尺寸收缩率等。量、固化时的压力和温度、固化后的尺寸收缩率等。受力结构件首选热固性树脂；大量使用、连续挤压受力结构件首选热固性树脂；大量使用、连续挤压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）。次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）。150150，聚酯或环氧，聚

14、酯或环氧150150400400，聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂，聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好） 3 3、单层设计、单层设计 目的：为层合板设计提供依据目的：为层合板设计提供依据 - - 强度、刚度。强度、刚度。 一般过程：确定复合比一般过程：确定复合比 性能预测性能预测 实验校核实验校核 、确定复合比、确定复合比 、刚度预测与核定、刚度预测与核定 理论推测，实验核定。理论推测，实验核定。、强度预测与核定、强度预测与核定 横向强度预测困难，以实验为准。横向强度预测困难，以实验为准。 纵向拉伸强度纵向拉伸强度 （纤维延伸率小，首先断裂。）（纤维

15、延伸率小，首先断裂。）mmcmmffcVVVmaxmaxmax纤维量多，取决于纤维和基体纤维量多，取决于纤维和基体纤维量少，取决于基体纤维量少，取决于基体 纵向压缩强度纵向压缩强度 )1 (32fmfffcVEEVVfmcVG1取计算结果小者取计算结果小者最后以实验校核为准最后以实验校核为准4 4、层合板设计、层合板设计 内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。0/+45/90/-450/+45/90/-45 0/900/90 0 0 4545 对称铺设：与主应力方向、厚对称铺设：与主应力方向、厚度中心对称。度中心对称。 铺层方向按承载选取原则铺

16、层方向按承载选取原则 铺设顺序铺设顺序 边缘包层边缘包层 冲击载荷区以冲击载荷区以0 0 层承载，层承载， 4545 层分散应力均衡负荷。层分散应力均衡负荷。厚度变化区以阶梯过渡。厚度变化区以阶梯过渡。450冲击载荷冲击载荷分散应力分散应力主承载主承载3434可编辑可编辑6 6、实验校核实验校核 按拉伸、压缩、剪切，根据国标或行标实验校核，按拉伸、压缩、剪切，根据国标或行标实验校核，结果与设计值比较。结果与设计值比较。 设计值设计值 = = 安全系数安全系数 x x 使用值使用值 安全系数选取：安全系数选取： 玻璃纤维玻璃纤维 2 23 3 高强度纤维高强度纤维 1.51.52 2 民用取上限

17、，军事用途可取低些。民用取上限，军事用途可取低些。 自然界的纳米高手自然界的纳米高手自然界的纳米高手纳米材料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。纳米复合材料纳米复合材料（nanocomposites）是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。当纳米物质为分散相，有机聚合物为连续相时，即为聚合物基纳米复合材料。从界面角度从界面角度: :从增强体角度从增强体角度: :强度大，模量高强度大，模量高材料的屈服强度与材料的屈服强度与晶晶粒尺寸平方根粒尺寸平方根成反比，成反比，随晶粒的细化材料强随晶粒的细化材料强度将显著增加度将显著增加是两相在纳米尺寸

18、范围是两相在纳米尺寸范围内复合而成内复合而成, ,界面间具有界面间具有很强的相互作用，产生很强的相互作用，产生理想的粘接性能理想的粘接性能. .从功能体角度从功能体角度: :由于纳米分散相有大的表面积和强的界面相互作用，纳由于纳米分散相有大的表面积和强的界面相互作用，纳米复合材料表现出不同于一般宏观复合材料的米复合材料表现出不同于一般宏观复合材料的力学、热力学、热学、电学、磁学和光学学、电学、磁学和光学性能，还可能具有原组分不具备性能，还可能具有原组分不具备的特殊性能和功能，为设计制备高性能、多功能新材料的特殊性能和功能，为设计制备高性能、多功能新材料提供了新的机遇。提供了新的机遇。阻隔性能阻

19、隔性能：耐热性，尺寸稳定性提耐热性，尺寸稳定性提高，阻燃、气密性好高，阻燃、气密性好。1、体系的各种物理性能物理性能均得到明显的提高提高。2、纳米复合材料是资源节约型的复合，可以就地采用主原料（有机物或无机物），不需要新型物资，是资源节约型的复合资源节约型的复合。3、工艺路线简单工艺路线简单。定义定义: :常用的制备方法有：常用的制备方法有：用适当的方法将有机物与用适当的方法将有机物与无机物复合，得到了无机物复合，得到了纳米纳米或分子或分子尺度上复合的有机尺度上复合的有机聚合物聚合物- -无机物复合材料无机物复合材料溶胶凝胶法溶胶凝胶法定义：是将定义：是将硅氧烷或金属盐硅氧烷或金属盐等前驱等前

20、驱物溶于水或有机溶剂中形成物溶于水或有机溶剂中形成均质溶均质溶液液，溶质发生，溶质发生水解反应水解反应生成生成纳米级纳米级粒子粒子并形成并形成溶胶溶胶，溶胶经蒸发干燥，溶胶经蒸发干燥转变为转变为凝胶凝胶。把前驱物溶解在树脂溶把前驱物溶解在树脂溶液中，在酸碱或某些盐液中，在酸碱或某些盐催化作用下，让前驱化催化作用下，让前驱化合物水解，形成半互穿合物水解，形成半互穿网络。网络。把前驱物和单体溶解在溶剂中，让把前驱物和单体溶解在溶剂中，让水解和单体聚合同时进行，可使一水解和单体聚合同时进行，可使一些完全不溶的聚合物靠原位生成均些完全不溶的聚合物靠原位生成均匀地嵌入无机网络中。如果单体未匀地嵌入无机网

21、络中。如果单体未交联形成半互穿网络，单体交联形交联形成半互穿网络，单体交联形成全互穿网络。成全互穿网络。在聚合物或单体中引入能与在聚合物或单体中引入能与无机组分形成化学键的基团，无机组分形成化学键的基团，增加有机与无机组分之间的增加有机与无机组分之间的相互作用。相互作用。插层法插层法a a 插层聚合插层聚合（intercalation polymerizationintercalation polymerization）b b 溶液插层溶液插层（solution intercalationsolution intercalation）c c 熔体插层熔体插层（melt intercalatio

22、nmelt intercalation）层间插入法是利用层状层间插入法是利用层状无机物的无机物的膨胀性膨胀性、吸附吸附性性和和离子交换性离子交换性，使之，使之作为无机主体，将聚合作为无机主体，将聚合物或单体作为客体插入物或单体作为客体插入无机相的层间，制得聚无机相的层间，制得聚合物基纳米复合材料。合物基纳米复合材料。复合方式复合方式优点优点缺点缺点溶胶凝胶法溶胶凝胶法生成的纳米微粒小生成的纳米微粒小. .能克服相分离能克服相分离. .分散均匀分散均匀复合步骤复杂复合步骤复杂可供选择的纳米材料可供选择的纳米材料及聚合物的范围有限及聚合物的范围有限直接混合法直接混合法 聚合物与纳米粒子的聚合物与纳

23、米粒子的制备分步进行可分别制备分步进行可分别设计，纳米粒子的形设计，纳米粒子的形态及尺寸可控态及尺寸可控纳米粒子的分散均匀纳米粒子的分散均匀性较差，易团聚性较差，易团聚插层复合法插层复合法插层原位聚合的单体多插层原位聚合的单体多材料有高强高模、高韧材料有高强高模、高韧、耐热的特点、耐热的特点可供选择的纳米材料可供选择的纳米材料不多不多3.3.1 3.3.1 基本概念和分基本概念和分类类插层复合法插层复合法是制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的方法。插层聚合插层聚合（Intercalation polymerizationIntercalation polymerization）: :聚合物插层

24、聚合物插层（Polymer intercalationPolymer intercalation）: :插层复合法制备插层复合法制备PLSPLS纳米复合材料的流程示意图纳米复合材料的流程示意图插层土插层土PLSPLSPLSPLS原土原土表面修饰表面修饰PLSPLSPLSPLS插层聚合插层聚合缩聚缩聚加聚加聚聚合物聚合物 溶液溶液分散分散聚合物聚合物 熔融熔融分散分散从材料微观形态的角度，可以分成三种类型：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材料中粘土片层紧密堆积，分散相为大尺寸的积，分散相为大尺寸的颗粒状，粘土片层之间颗粒状，粘土片层之间并无聚合物插入。并无聚合物插入。

25、聚合物基体的分子链插层进入层状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，介于硅酸盐层间，层间距扩大，介于1-1-4nm4nm，粘土颗粒在聚合物基体中保，粘土颗粒在聚合物基体中保持持“近程有序，远程无序近程有序，远程无序”的层状的层状堆积结构。可作为各向异性的功能堆积结构。可作为各向异性的功能材料材料在理想情况下，聚合物分子链大量插在理想情况下，聚合物分子链大量插入到层状硅酸盐的层间，导致层状硅入到层状硅酸盐的层间，导致层状硅酸盐各层之间的结合力被破坏，而以酸盐各层之间的结合力被破坏，而以单个片层（厚度约为单个片层（厚度约为1nm1nm）均匀分散）均匀分散在基体中，很强的增强效应，是

26、理想在基体中，很强的增强效应，是理想的强韧型材料。的强韧型材料。透射电镜（透射电镜（TEMTEM）TEMTEM是观察聚合物是观察聚合物/ /层状硅酸盐纳米复合材料微观形态层状硅酸盐纳米复合材料微观形态结构的重要手段结构的重要手段1 Na2MMT ;2 OMMT1 PU ;2 PU1 ;3 PU3 ;4 PU5蒙脱土及其纳米复合材料的蒙脱土及其纳米复合材料的XRD XRD 谱谱广角广角X X射线衍射射线衍射Na-Na-蒙脱土在改性后其特征衍射峰的位置由蒙脱土在改性后其特征衍射峰的位置由6.996.99o o移到了移到了4.554.55o o 。由。由BraggBragg方程方程2dsin=n(2

27、dsin=n(此处此处d d是硅酸盐片层之间的距离，是硅酸盐片层之间的距离，为衍射为衍射角，角，为入射为入射X-X-射线波长射线波长) )计算出其片层间距由计算出其片层间距由1.27nm1.27nm增加到了增加到了1.98nm1.98nmMolauMolau实验分析实验分析这说明蒙脱土在含量较低情况下，能较均匀分散这说明蒙脱土在含量较低情况下，能较均匀分散于聚氨酯基体中，由于纳米尺度的蒙脱土片层与于聚氨酯基体中，由于纳米尺度的蒙脱土片层与聚氨酯基体界面间存在着很强的相互作用，因此聚氨酯基体界面间存在着很强的相互作用，因此PU1PU1和和PU3PU3溶解于溶解于DMFDMF中后静置数天，复合材料中的中后静置数天，复合材料中的蒙脱土都很难和聚氨酯基体发生分离。蒙脱土都很难和聚氨酯基体发生分离。6767可编辑可编辑