聚合物基复合材料-性能课件.ppt

1、机器缠绕芯模数个机器缠绕芯模数个来回后的纤维分布来回后的纤维分布弯管芯模，灰色为圆弯管芯模，灰色为圆环面，绿色为柱面环面，绿色为柱面复合材料弯管成复合材料弯管成品品导丝头缠绕芯模一导丝头缠绕芯模一层后的纤维分布层后的纤维分布 12.3 聚合物基复合材料的基本性能聚合物基复合材料的基本性能 12.3.1 FRP的机械性能的机械性能 12.3.2 FRP的物理性能的物理性能 12.2.3 FRP的老化性能的老化性能 纤维增强塑料（纤维增强塑料（FRP)的基本性能包括哪些？的基本性能包括哪些？ 影响纤维增强塑料（影响纤维增强塑料（FRP)性能的因素有那些？性能的因素有那些？举例说明。举例说明。影响纤

2、维增强塑料（影响纤维增强塑料（FRP)性能的因素：原材料、结构设性能的因素：原材料、结构设计方法及成型工艺。计方法及成型工艺。(1)增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化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等是决定学稳定性等是决定FRP性能的主要因素性能的主要因素;(2)增强材料的含量及其排布方式与方向次之增强材料的含量及其排布方式与方向次之;(3)增强纤维与基体树脂的界面粘结状况增强纤维与基体树脂的界面粘结状况构成构成性能性能玻璃纤维毡玻璃纤维毡 四层四层玻璃布玻璃布八层八层无捻粗纱布无捻粗纱布三层三层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二

3、层层 层层 层层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层板厚板厚(mm)632.57.54.0角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90拉伸强度拉伸强度(MPa) 86 84 91171 109 175207 77 244109 85 104208 93 204拉伸模量拉伸模量(GPa)8.5 9.1 9.316.1 10.9 16.919.8 11.0 19.910.2 8.7 10.016.9 10.7 16.7弯曲强度弯曲强度(MPa)137 139 142262 206 253403 225 407199

4、104 201295 211 274玻璃纤维的构成与玻璃纤维的构成与FRP的机械性能的机械性能构成构成性能性能玻璃纤维毡玻璃纤维毡 四层四层玻璃布玻璃布八层八层无捻粗纱布无捻粗纱布三层三层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层板厚板厚(mm)632.57.54.0角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90弯曲模量弯曲模量(GPa) 7.7 7.7 7.713.7 8.5 13.414.7 9.6 15.711.8 8.6 11.313

5、.7 8.7 13.1压缩强度压缩强度(MPa)192 193 204156 145 182166 117 188185 203 193212 129 230压缩模量压缩模量(GPa)5.7 5.7 6.711.2 7.2 12.315.7 7.6 15.17.4 8.3 7.312.7 7.1 12.3构成构成性能性能玻璃纤维毡玻璃纤维毡 四层四层玻璃布玻璃布八层八层无捻粗纱布无捻粗纱布三层三层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层板厚板厚(mm)632.57.54.0角

6、度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90剪切强度剪切强度(MPa) 97 96 95107 113 108124 136 12899 98 99119 129 118拉伸泊松拉伸泊松比比0.319 0.327 0.313 0.162 0.396 0.1740.189 0.496 0.1770.266 0.408 0.2680.180 0.432 0.193增强材料及成型方法和强度的关系增强材料及成型方法和强度的关系 成型方法成型方法性能性能手糊成型手糊成型真空袋成型真空袋成型加压袋成型加压袋成型热压釜成型热压釜成型模压成型模压成型增强材料增强材料玻璃毡玻

7、璃毡(600g/m2)无捻粗纱布无捻粗纱布(900g/m2)玻璃布玻璃布(340g/m2)玻璃毡玻璃毡(600g/m2)玻璃布玻璃布(340g/m2)玻璃毡玻璃毡(600g/m2)玻璃毡玻璃毡(600g/m2)玻璃毡玻璃毡(600g/m2)成型压力成型压力(MPa)00.070.8410.528.017.570.035.0120.0纤维含量纤维含量(%)23 51 4638 50414850密度密度(g/cm3)1.52 1.64 1.63 1.50 1.671.531.611.63拉伸强度拉伸强度(MPa) 81 231 168130 169136150156拉伸模量拉伸模量(GPa) 6.

8、4 14.4 13.6 6.7 27.78.58.69.0弯曲强度弯曲强度(MPa) 143 190 217 190 247204218227弯曲模量弯曲模量(GPa) 5.7 12.7 13.8 8.7 13.89.09.710.0 压缩强度压缩强度(MPa) 118 119 132 157 148159 162163压缩模量压缩模量(GPa) 6.5 17.1 17.2 8.1 10.88.58.79.01、机械性能的特点、机械性能的特点（1）比强度高）比强度高 FRP密度为密度为1.42.2g/cm3，约为钢，约为钢1/41/5，而强度与一，而强度与一般的碳素钢相近。因此般的碳素钢相近。

9、因此FRP的比强度很高。的比强度很高。（2）各向异性）各向异性 明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。（3）弹性模量和层间剪切强度低）弹性模量和层间剪切强度低弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与木材接近。木材接近。（4）性能分散性大）性能分散性大 FRP的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。 FRP的基本静态特性包括哪些性能？的基本静态特性包括哪些性能？

10、 影响影响FRP的拉伸特性的因素有哪些？的拉伸特性的因素有哪些？ 影响影响FRP的压缩特性的因素有哪些？的压缩特性的因素有哪些？ 影响影响FRP的弯曲特性、剪切特性的因素有哪些？的弯曲特性、剪切特性的因素有哪些？2. FRP的静态特性的静态特性FRP的基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。的基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。(1) 拉伸特性拉伸特性 对于单向增强对于单向增强FRP，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均随纤维体积含量随纤维体积含量Vf的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡和玻璃布增强的和玻

11、璃布增强的FRP层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不与与Vf成正比增加，但仍随成正比增加，但仍随Vf增加而增加增加而增加 。 双向双向FRP其纤维方向的主弹性模量大约是单向其纤维方向的主弹性模量大约是单向FRP的的0.500.55倍；随机纤维增强倍；随机纤维增强FRP近似于各向同性，其弹性模量近似于各向同性，其弹性模量大约是单向大约是单向FRP的的0.350.40倍。倍。性能性能方向方向0153045607590拉伸强度拉伸强度(MPa)比例极限比例极限1788450455080160破坏强度破坏强度269210173158163194263离散系数离散系数

12、12.67.917.311.312.88.311.9弹性模量弹性模量(MPa)E110-41.671.331.111.01.001.251.52E210-41.430.630.160.130.160.501.22延伸率延伸率(%)1.62.54.84.84.82.61.9E-42环氧环氧FRP不同方向的拉伸性能不同方向的拉伸性能注：原材料：无碱注：原材料：无碱100平纹布平纹布9层，层，E-42环氧树脂。环氧树脂。试验温度：试验温度：1522 ；144根试件。根试件。(2) 压缩特性压缩特性 在应力很小、纤维未压弯的时候，压缩弹性模量与拉伸弹在应力很小、纤维未压弯的时候，压缩弹性模量与拉伸弹性

13、模量接近。玻璃布增强性模量接近。玻璃布增强FRP的压缩弹性模量大体是单向的压缩弹性模量大体是单向FRP的的0.500.55倍；纤维毡增强倍；纤维毡增强FRP的大致是单向的大致是单向FRP的的0.4倍。倍。 单向单向FRP的压缩强度随纤维含量增加而提高，但并非成比的压缩强度随纤维含量增加而提高，但并非成比例增长。例增长。E-42环氧环氧FRP不同方向的压缩性能不同方向的压缩性能注：原材料：无碱注：原材料：无碱100平纹布平纹布184层，层，E-42环氧树脂。环氧树脂。树脂含量：树脂含量：42.3%。性能性能方向方向022.54567.590压缩强度压缩强度(MPa)256159134.11672

14、18.7压缩模量压缩模量(GPa)19.513.610.812.917.5试件数试件数(根根)44654(3) 弯曲特性弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤维制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。维制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。(4)剪切特性剪切特性 纤维含量增大，纤维含量增大，FRP的剪切弹性模量上升，的剪切弹性模量上升，FRP的剪切特性的剪切特性也呈现方向性。也呈现方向性。性能性能方向方向0153045607590剪切强度剪切强度(MPa)8583.295.099.298.190.789.5E-42

15、环氧环氧FRP垂直板面剪切性能垂直板面剪切性能 影响影响FRP的的疲劳特性疲劳特性的因素有哪些？的因素有哪些？3. 疲劳特性疲劳特性 影响影响FRP疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强度高的度高的FRP，其疲劳强度也高。与静态强度不同，每种，其疲劳强度也高。与静态强度不同，每种FRP存存在一个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于在一个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于或高于最佳值，其疲劳强度都会下降。或高于最佳值，其疲劳强度都会下降。方向性：加振方向与纤维方向的夹角由方向性：加振方向与纤维方向的夹角由0上升到上升到45，

16、疲劳强度，疲劳强度急剧下降。急剧下降。存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降 FRP的物理性能包括几方面？影响的物理性能包括几方面？影响FRP物理性能物理性能的因素有哪些？举例说明。的因素有哪些？举例说明。1. 电性能电性能 包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和表面电阻系数，包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和表面电阻系数，击穿强度等击穿强度等 FRP的电性能一般介于纤维的电性能与树脂的电性能之间的电性能一般介于纤维的电性能与树脂的电性能之间 改善纤维或树脂的电性能，有利于改善改善纤维或树脂的电性能，有利于改善FRP的电性能的电性能 树脂的极性越大，电绝缘性越差。

17、分子中极性基团的存在树脂的极性越大，电绝缘性越差。分子中极性基团的存在及分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂及分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂的电性能。的电性能。 FRP的电性能对于纤维与树脂的界面粘结状态并不的电性能对于纤维与树脂的界面粘结状态并不敏感，但杂质尤其是水分对其影响很大。当敏感，但杂质尤其是水分对其影响很大。当FRP处于潮处于潮湿环境中或在水中浸泡之后，其体积电阻、表面电阻以湿环境中或在水中浸泡之后，其体积电阻、表面电阻以及电击穿强度急速下降。及电击穿强度急速下降。2. FRP的温度特性的温度特性（1）热性能）热性能包括导热系数、比热容、线膨胀

18、系数和热变形温度包括导热系数、比热容、线膨胀系数和热变形温度 在室温下，在室温下，FRP的导热系数一般在的导热系数一般在0.17W/(mK)0.33 W/(mK)范围内，金属材料的导热系数多在范围内，金属材料的导热系数多在35W/(mK) 232 W/(mK)范围之间，范围之间， FRP具有良好的隔热性能，可作隔热材料具有良好的隔热性能，可作隔热材料使用。使用。 热膨胀系数热膨胀系数(436)10-6 C-1与金属相近，在一定温度范围与金属相近，在一定温度范围内具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。但热变形温度和耐热温内具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。但热变形温度和耐热温度极限较低，耐热性不好。度极

19、限较低，耐热性不好。 温度升高时，增强纤维与基体树脂的热膨胀系数差距较大，温度升高时，增强纤维与基体树脂的热膨胀系数差距较大，在温度升高时，易于在纤维树脂界面产生热应力，影响在温度升高时，易于在纤维树脂界面产生热应力，影响FRP的机械性能。的机械性能。(2) 耐热性耐热性 温度对于聚合物基体的影响温度对于聚合物基体的影响 纤维增强材料一般具有很好的热稳定性，但树脂基体纤维增强材料一般具有很好的热稳定性，但树脂基体易受温度的影响。易受温度的影响。 热固性树脂基体已交联成体型网状大分子，只有玻璃态热固性树脂基体已交联成体型网状大分子，只有玻璃态和橡胶态。聚合物物理状态的改变将导致和橡胶态。聚合物物

20、理状态的改变将导致FRP的机械性能的机械性能发生巨大变化。发生巨大变化。 影响热固性树脂耐热性的主要因素：大分子链刚性、固影响热固性树脂耐热性的主要因素：大分子链刚性、固化剂性质和体型树脂的固化交联密度等。化剂性质和体型树脂的固化交联密度等。 大分子链刚性提高，交联密度增大，则树脂玻璃化温大分子链刚性提高，交联密度增大，则树脂玻璃化温度升高，热变形温度升高，但同时柔韧性减小，延伸率降度升高，热变形温度升高，但同时柔韧性减小，延伸率降低，脆性增加。低，脆性增加。 温度对温度对FRP拉伸性能的影响拉伸性能的影响 温度对温度对 FRP拉伸强度和弹性模量的影响具有的特征：拉伸强度和弹性模量的影响具有的

21、特征：i) 一般在低温范围内，拉伸性能好，随温度上升，强度降低；一般在低温范围内，拉伸性能好，随温度上升，强度降低；ii) 在低温范围内，无捻粗纱布在低温范围内，无捻粗纱布FRP于湿态下拉伸强度大，而平于湿态下拉伸强度大，而平纹布纹布FRP无此倾向；无此倾向；iii) 在中温范围内，平纹布在中温范围内，平纹布FRP在在50C左右拉伸强度最高，而缎左右拉伸强度最高，而缎纹布和无捻粗纱布都随温度上升拉伸性能下降；纹布和无捻粗纱布都随温度上升拉伸性能下降；iv) 随着纤维含量的增加，随着纤维含量的增加，FRP的耐热性提高。的耐热性提高。 温度对温度对FRP弯曲性能的影响弯曲性能的影响FRP的弯曲强度

22、和弯曲弹性模量均随温度升高而降低。特别是的弯曲强度和弯曲弹性模量均随温度升高而降低。特别是温度超过温度超过70C100C后，急剧降低。后，急剧降低。性能性能温度温度室温室温60C100C150C200C拉伸强度拉伸强度(MPa)306.0272.0243.0220.0221.0压缩强度压缩强度(MPa)179.087.057.226.0弯曲强度弯曲强度(MPa)264.0140.068.023.9剪切强度剪切强度(MPa)24.614.39.97.5197 聚酯聚酯FRP在不同温度下的机械性能在不同温度下的机械性能E-51环氧环氧(固化剂：三乙醇胺固化剂：三乙醇胺)FRP在不同温度下的机械性能

23、在不同温度下的机械性能性能性能温度温度C-60-45010254560拉伸强度拉伸强度(MPa)300300300300220170150拉伸模量拉伸模量(GPa)19.017.017.016.011.0弯曲强度弯曲强度(MPa)470330120弯曲模量弯曲模量(GPa)16.014.03.0冲击强度冲击强度(kJ/m2)390280270（3）FRP阻燃性及耐火性阻燃性及耐火性 阻燃性主要决定于树脂基体。阻燃性主要决定于树脂基体。 聚酯中引入卤素；添加锑、磷等的化合物以及难燃的无聚酯中引入卤素；添加锑、磷等的化合物以及难燃的无机填料；机填料； 三氧化二锑与卤素并用；磷化合物与卤素并用；氢氧

24、化三氧化二锑与卤素并用；磷化合物与卤素并用；氢氧化铝和水合氧化铝与卤素共用；铝和水合氧化铝与卤素共用； 玻璃纤维含量升高，长度增大，可抑制发烟量玻璃纤维含量升高，长度增大，可抑制发烟量 FRP的老化性能包括几方面？影响的老化性能包括几方面？影响FRP老化性能老化性能的因素有哪些？举例说明。的因素有哪些？举例说明。 FRP在长期的使用和贮存过程中，由于各种物理和化学因在长期的使用和贮存过程中，由于各种物理和化学因素的作用，发生的物化性能的下降或变差的现象叫劣化或老化素的作用，发生的物化性能的下降或变差的现象叫劣化或老化1. 耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性 FRP的耐化学腐蚀性：抵抗酸、碱、盐及有机溶剂

25、等化学的耐化学腐蚀性：抵抗酸、碱、盐及有机溶剂等化学介质腐蚀破坏的长期工作性能。介质腐蚀破坏的长期工作性能。 FRP具有优良的耐化学腐蚀性具有优良的耐化学腐蚀性化学介质对化学介质对FRP的腐蚀作用的腐蚀作用 与玻纤作用：酸、碱和水都是通过破坏与玻纤作用：酸、碱和水都是通过破坏SiO2网络而腐网络而腐蚀玻璃的。一般而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻蚀玻璃的。一般而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻璃纤维更甚；而耐酸性则以有碱玻璃纤维为好。璃纤维更甚；而耐酸性则以有碱玻璃纤维为好。 与基体作用：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定与基体作用：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定性越差，多数化学反应不

26、可逆。性越差，多数化学反应不可逆。 也破坏玻纤与基体界面的作用也破坏玻纤与基体界面的作用2. FRP的耐候性能的耐候性能 耐候性：耐候性：FRP在户外使用时，抵抗各种气体气候因素在户外使用时，抵抗各种气体气候因素的侵蚀破坏的能力。的侵蚀破坏的能力。(1) 温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维-树脂界中，树脂界中，破坏界面粘结，降低破坏界面粘结，降低FRP的弯曲强度。的弯曲强度。(2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，树脂发生光氧化、光光氧作用：受紫外光和氧作用，树脂发生光氧化、光降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断

27、裂。(3) 风沙作用：风沙对风沙作用：风沙对FRP产生机械磨损，导致表面光泽产生机械磨损，导致表面光泽度下降、表面层脱落、纤维外露等度下降、表面层脱落、纤维外露等. 老化实验：人工老化，自然老化老化实验：人工老化，自然老化耐候性能的改善：耐候性能的改善：保持保持FRP透光率的防老化措施透光率的防老化措施思路思路措施措施防止变黄防止变黄 防止白化防止白化 防止微裂纹防止微裂纹 防止侵蚀及裸露防止侵蚀及裸露针对针对树脂树脂添加紫外线吸收剂添加紫外线吸收剂采用采用MMA单体单体提高耐水性及韧性提高耐水性及韧性针对针对玻纤玻纤改进偶联剂、浸润剂改进偶联剂、浸润剂减少纱中单丝根数减少纱中单丝根数针对针对

28、FRP表面表面表面覆盖氟薄膜表面覆盖氟薄膜表面覆盖聚酯薄膜表面覆盖聚酯薄膜胶衣层胶衣层表面毡与富树脂层表面毡与富树脂层提高固化剂提高固化剂其其他他采用适当固化剂采用适当固化剂降低玻璃纤维含量降低玻璃纤维含量注：效果显著；注：效果显著； ：效果较好：效果较好3. 耐水性能耐水性能 水能溶解和破坏玻纤的水能溶解和破坏玻纤的SiO2网络，同时加速玻纤表面微裂网络，同时加速玻纤表面微裂纹的扩展，从而降低玻纤的拉伸性能。纹的扩展，从而降低玻纤的拉伸性能。 水可使树脂大分子溶胀，导致树脂内聚强度降低；水对水可使树脂大分子溶胀，导致树脂内聚强度降低；水对树脂产生增塑作用，降低其弹性模量；能使酯键、醚键发生树脂产生增塑作用，降低其弹性模量；能使酯键、醚键发生水解，造成断链、降解等，水解，造成断链、降解等， 水能破坏纤维水能破坏纤维-树脂界面，沿界面渐渐侵入，从而降低了树脂界面，沿界面渐渐侵入，从而降低了FRP的层间剪切性能和弯曲性能的层间剪切性能和弯曲性能提高提高FRP耐水性的方法：耐水性的方法：(1) 纤维进行偶联剂表面处理；纤维进行偶联剂表面处理；(2) 选用耐水性好的树脂；选用耐水性好的树脂；(3) 表面采用表面毡形成富树脂层；表面采用表面毡形成富树脂层；(4) 表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等。表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等。