复合材料的表界面解析课件.ppt
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- 复合材料 界面 解析 课件
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1、 第五章第五章 复合材料的界面复合材料的界面一、复合材料概述一、复合材料概述二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面四、先进复合材料的界面四、先进复合材料的界面 第五章第五章 复合材料的界面复合材料的界面无机无机非金属非金属材料材料有机有机高分子高分子材料材料金属材料金属材料复复合合材材料料一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺复合而成的多相材料。复合而成的多相材料。取取 长长 补补 短短协协 同同 作作 用用产生原来单一材料本身所没有的新性能产生原来单一材
2、料本身所没有的新性能一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺复合而成的多相材料。复合而成的多相材料。包括三层意义:包括三层意义:u它是一种多相材料,包含两种或两种以上物理上不同并可用机它是一种多相材料,包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法分离的材料。械方法分离的材料。u它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在一起,形成复合材料。一起,形成复合材料。u它的性能应优于各单独的组分材料,在某些方面可能具有组分它的性能应优于各单独的组分材料,
3、在某些方面可能具有组分材料没有的独特性能。材料没有的独特性能。一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料的复合材料的结构:结构:u 基体相基体相u 增强剂相增强剂相u 相与相之间存在界面。相与相之间存在界面。纤维增强塑料塑料:把纤维粘结在一起,使纤维的强度充分发挥塑料:把纤维粘结在一起,使纤维的强度充分发挥纤维:分散于塑料,混凝土中的纤维:分散于塑料,混凝土中的“钢筋钢筋”,承担负荷,承担负荷一、复合材料概述一、复合材料概述 界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性能不是组成材料性能的简单加和,而产生了能不是组成材料性能的简单加和,
4、而产生了 112 的作用,的作用,称为协同效应。称为协同效应。 复合材料的复合材料的界面:界面:断裂能大幅提高的原因?断裂能大幅提高的原因?玻璃纤维的断裂能约为玻璃纤维的断裂能约为10 Jm2,聚酯的断裂能约为聚酯的断裂能约为 100 Jm2,而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105Jm2 一、复合材料概述一、复合材料概述界面是复合材料产生协同效应的根本原因界面是复合材料产生协同效应的根本原因复合材料的复合材料的界面:界面:一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料的复合材料的界面:界面:图图5-2复合材料破坏过程中的能量吸收复合材料破坏过程中的能量吸收裂纹
5、在基体中发展,遇到纤维,可裂纹在基体中发展,遇到纤维,可能发生界面能发生界面脱粘脱粘、基体和纤维的、基体和纤维的断断裂、纤维拔出裂、纤维拔出等过程,吸收了大量等过程,吸收了大量能量。并且裂纹发展未必在一个平能量。并且裂纹发展未必在一个平面上,可沿着材料中不同的平面发面上,可沿着材料中不同的平面发生如上的界面脱粘、基体和纤维的生如上的界面脱粘、基体和纤维的断裂、纤维拔出等过程,直到裂纹断裂、纤维拔出等过程,直到裂纹贯穿了某一平面材料才破坏,贯穿了某一平面材料才破坏,这就这就使得复合材料的断裂能大大高于各使得复合材料的断裂能大大高于各组分材料的断裂能的加和,充分体组分材料的断裂能的加和,充分体现出
6、复合材料的协同效应。现出复合材料的协同效应。一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料的复合材料的界面:界面:1 纤维本体区纤维本体区2 纤维表面区纤维表面区3 界面吸附层界面吸附层4 基体表面区基体表面区 5 基体本体区基体本体区界面相很薄,是亚微观的,却有极其复杂的结构。在两相复合过程中,会出现界面相很薄,是亚微观的,却有极其复杂的结构。在两相复合过程中,会出现热应力(导热系数,膨胀系数的不同),界面化学效应(官能团之间的作用或热应力(导热系数,膨胀系数的不同),界面化学效应(官能团之间的作用或反应)和界面结晶效应(成核诱发结晶,横晶),这些效应引起的界面微观结反应)和界面结晶效应(成核诱发
7、结晶,横晶),这些效应引起的界面微观结构和性能特征,对复合材料的宏观性能产生直接的影响。构和性能特征,对复合材料的宏观性能产生直接的影响。 图图5-35-3复合材料界面模型复合材料界面模型界面相内的化学组分,分子排列,热性界面相内的化学组分,分子排列,热性能,力学性能呈现连续的梯度性变化。能,力学性能呈现连续的梯度性变化。一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料的复合材料的分类分类:按按基体材料基体材料分类分类 聚合物基聚合物基复合材料:热固性和热塑性树脂基复合材料:热固性和热塑性树脂基 金属基金属基复合材料复合材料 无机非金属基无机非金属基复合材料:陶瓷基,水泥基复合材料:陶瓷基,水泥基其中
8、,应用最广、产量最大的是聚合物基复合材料。其中,应用最广、产量最大的是聚合物基复合材料。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的聚合物基复合材料的一般特性一般特性: 轻质高强轻质高强 电性能好电性能好 耐腐蚀性能好耐腐蚀性能好 热性能好热性能好 性能具有可设计性性能具有可设计性 界面结合性差,层间剪切强度低界面结合性差,层间剪切强度低聚合物基复合材料的一般特性:聚合物基复合材料的一般特性: 轻质高强:轻质高强:相对密度低,相对密度低,1.4-2.0之间,约为钢的之间,约为钢的1/5,铝的铝的1/2,比强度比钢、铝合金高,比强度比钢、铝合金高,如高,如高模量碳纤维模量碳纤维/环
9、氧复合材料的比强度为钢的环氧复合材料的比强度为钢的5倍,铝合金的倍,铝合金的4倍。其比模量是钢、倍。其比模量是钢、铝、钛的铝、钛的4倍倍。是复合材料适宜用作是复合材料适宜用作航空、航天材料航空、航天材料的宝贵性能。的宝贵性能。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性:聚合物基复合材料的一般特性: 轻质高强:轻质高强:二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料材料材料密度密度(g/cmg/cm3 3)拉伸强度拉伸强度(GPaGPa)弹性模量弹性模量(10102 2GPaGPa)比强度比强度(10106 6cmcm)比模量比模量(10108 8cmcm)钢钢. . . .
10、. .铝合金铝合金. . . . . .钛合金钛合金. . . . . .玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料. . . . . .碳纤维碳纤维I I环氧复合材料环氧复合材料. . . . .碳纤维碳纤维IIII环氧复合材料环氧复合材料. . . . . .有机纤维环氧复合材料有机纤维环氧复合材料. . . .0.0. .硼纤维环氧复合材料硼纤维环氧复合材料. . . . .一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量聚合物基复合材料的一般特性:聚合物基复合材料的一般特性:电性能好:电性能好:电绝缘性、高频介电性能、微波透过性好,适宜于电绝缘性、高频介电性能
11、、微波透过性好,适宜于电机仪表零件电机仪表零件、雷达罩雷达罩等。等。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性:聚合物基复合材料的一般特性: 耐腐蚀性能好:耐腐蚀性能好:耐海水、酸碱、盐和有机溶剂,适宜于耐海水、酸碱、盐和有机溶剂,适宜于化工机械零部件化工机械零部件、管道、贮槽、渔船管道、贮槽、渔船等。等。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性:聚合物基复合材料的一般特性: 热性能好:热性能好:导热系数低,是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受导热系数低,是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受20002000以
12、上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为以上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。 二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性:聚合物基复合材料的一般特性: 性能具有可设计性:性能具有可设计性: 性能除与纤维、树脂的种类及含量外,还与纤维的排列方性能除与纤维、树脂的种类及含量外,还与纤维的排列方向、铺层次序和层数有关,因此可以优化设计,做到安全可靠,向、铺层次序和层数有关,因此可以优化设计,做到安全可靠,经济合理。经济合理。 在制造复合材料
13、的同时,也就得到了制品,可一次成型。在制造复合材料的同时,也就得到了制品,可一次成型。这一特点使得复合材料制品的零部件数目可明显减少,避免了这一特点使得复合材料制品的零部件数目可明显减少,避免了接头过多,降低了应力集中。同时,也相应减轻了零部件的重接头过多,降低了应力集中。同时,也相应减轻了零部件的重量,减少了制造工序和加工量,缩短加工周期,降低生产成本。量,减少了制造工序和加工量,缩短加工周期,降低生产成本。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性:聚合物基复合材料的一般特性:界面结合性差,层间剪切强度低界面结合性差,层间剪切强度低 由于复合材料是由性能遽然不同的两
14、种材料构成,因而界面的相容性和结由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成,因而界面的相容性和结合力差,使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此,常常要合力差,使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此,常常要对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。 聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题,如工艺稳定性较差,材料性能聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题,如工艺稳定性较差,材料性能分散性大,耐高温和环境老化性不好等。分散性大,耐高温和环境老化性不好等。 也正是对复合材料存在的问题的研究解决,推动着也正是对复合材料存在的问题的研究
15、解决,推动着复合材料科学的发展。复合材料科学的发展。 二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料用于复合材料的用于复合材料的聚合物基体聚合物基体有多种分类方法,如按有多种分类方法,如按树树脂热行为脂热行为可分为可分为热塑性热塑性及及热固性热固性两类。两类。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的分类:聚合物基复合材料的分类:热塑性聚合物的形态特征热塑性聚合物的形态特征热塑性基体热塑性基体如如聚丙烯聚丙烯、聚酰胺聚酰胺、聚碳酸酯聚碳酸酯、聚醚砜聚醚砜、聚醚醚酮聚醚醚酮等,它们是一类等,它们是一类线形线形或或有支链有支链的固态高分子,的固态高分子,可溶可熔,可反复加工成型而无任何化
16、学变化。可溶可熔,可反复加工成型而无任何化学变化。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的分类(基体):聚合物基复合材料的分类(基体):热固性聚合物的形态特征热固性聚合物的形态特征热固性基体热固性基体如如不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂、环氧树脂环氧树脂、酚醛树脂酚醛树脂等,等,它们在制成最终产品前,通常为分子量较小的液态或固它们在制成最终产品前,通常为分子量较小的液态或固态态预聚体预聚体,经,经加热加热或或加固化剂加固化剂发生化学反应固化后,形发生化学反应固化后,形成不溶不熔的三维网状高分子,这类基体通常是成不溶不熔的三维网状高分子,这类基体通常是无定形无定形的。的。二、聚合物
17、基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的分类(基体):聚合物基复合材料的分类(基体): 1. 1. 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸(或酸酐)、不饱和是由饱和二元酸(或酸酐)、不饱和二元酸(或酸酐)与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基二元酸(或酸酐)与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基单体(如苯乙烯)中形成的溶液。是制造玻璃纤维复单体(如苯乙烯)中形成的溶液。是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。在国外,聚酯树脂占玻璃纤合材料的一种重要树脂。在国外,聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的维复合材料用树脂总量的80%80%以上。以上。二、聚合物基复合材料二、聚
18、合物基复合材料 1. 1. 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料l 饱和二元酸或酸酐饱和二元酸或酸酐COOCOCOOCOHCHCHCCHCOOHHOOCCOOHCOOHl 不饱和二元酸或酸酐不饱和二元酸或酸酐CH CH-CHOH OH32HOCH CH OH222CH=CH 多元醇多元醇 交联剂交联剂HC=CHHC=CHCOOOOCCOOOOCHC-CHHC-CHHC-CHHC-CHCOOOOCCH-PhCHnnCH-PhCH首先,多元酸(酸酐)与多元醇缩聚,形成分子量不很大的、首先,多元酸(酸酐)与多元醇缩聚,形成分子量不很大的、主链含有双键的不饱和聚酯:主
19、链含有双键的不饱和聚酯:调节饱和二元酸和不饱和二元酸的比例,可以控制不饱和聚酯中双键的含量 然后,在引发剂的存在下,不饱和聚酯中的双键与苯乙烯发生然后,在引发剂的存在下,不饱和聚酯中的双键与苯乙烯发生自由基共聚反应,交联成三元网状结构自由基共聚反应,交联成三元网状结构 1. 1. 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 1. 1. 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 特点:特点:工艺性良好工艺性良好,室温下固化,常压下成型,工艺装置简单。,室温下固化,常压下成型,工艺装置简单。树脂固化后树脂固化后综合性能良好综合性能良好,力学性能不如酚醛树脂或环氧,力学性能不如酚醛树
20、脂或环氧树脂。树脂。价格价格比环氧树脂低得多,只比酚醛树脂略贵一些。比环氧树脂低得多,只比酚醛树脂略贵一些。不饱和聚酯树脂的不饱和聚酯树脂的缺点缺点是固化时是固化时体积收缩率大、耐热性差体积收缩率大、耐热性差等等。 主要用于一般主要用于一般民用工业和生活用品民用工业和生活用品中。中。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 2. 2. 环氧树脂环氧树脂 环氧树脂环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基化是指分子中含有两个或两个以上环氧基化合物,一般它们的相对分子质量都不大,环氧基可合物,一般它们的相对分子质量都不大,环氧基可以位于分子链的以位于分子链的末端末端,也可在分子链的,也可在分子链的
21、中间或成环中间或成环状结构状结构。由于环氧基非常活泼,可以与多种类型的。由于环氧基非常活泼,可以与多种类型的固化剂发生交联反应,形成不溶不熔的具有三维网固化剂发生交联反应,形成不溶不熔的具有三维网状结构的聚合物。状结构的聚合物。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 2. 2. 环氧树脂环氧树脂分子链中引入环氧基的方法,一种是由含活泼氢的化合物如分子链中引入环氧基的方法,一种是由含活泼氢的化合物如酚类、有机酸类、胺类与环氧氯丙烷发生开环反应,然后在酚类、有机酸类、胺类与环氧氯丙烷发生开环反应,然后在碱的作用下闭环,引入环氧基:碱的作用下闭环,引入环氧基
22、:二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 2. 2. 环氧树脂环氧树脂分子链中引入环氧基的方法,另一种引入环氧基的分子链中引入环氧基的方法,另一种引入环氧基的方法是用过醋酸或过氧化氢对带双键的化合物进行方法是用过醋酸或过氧化氢对带双键的化合物进行环氧化:环氧化:二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 2. 2. 环氧树脂环氧树脂u反应性固化剂:与环氧分子进行加成反应,并通过逐步反应性固化剂:与环氧分子进行加成反应,并通过逐步反应历程交联成体型网状结构反应历程交联成体型网状结构 脂肪族多元胺、芳香胺、多元酸等脂肪族多元胺、芳香胺、多元酸等u催化性固化剂:引发环氧基按阳离子或阴离子聚合的历催化
23、性固化剂:引发环氧基按阳离子或阴离子聚合的历程进行固化反应程进行固化反应 叔胺、三氟化硼等叔胺、三氟化硼等二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 2. 2. 环氧树脂环氧树脂脂肪族多元胺固化原理脂肪族多元胺固化原理胺基上的活泼氢可与环氧基发生如下的反应:胺基上的活泼氢可与环氧基发生如下的反应: 二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 2. 2. 环氧树脂环氧树脂常用的脂肪胺固化剂常用的脂肪胺固化剂 H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2 二乙烯三胺二乙烯三胺 H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 三乙烯四胺三乙烯四胺 H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2
24、NHCH2CH2NH2 四乙烯五胺四乙烯五胺 H2N(CH2CH2NH)nCH2CH2NH2 多乙烯多胺多乙烯多胺 2. 2. 环氧树脂环氧树脂特点:特点:u在加热条件下即能固化,无须添加固化剂。酸、碱对固在加热条件下即能固化,无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用;化反应起促进作用;u已固化的树脂有良好的压缩性能,良好的耐水、耐化学已固化的树脂有良好的压缩性能,良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能;介质和耐烧蚀性能;u树脂固化过程中有小分子析出,故需在高压下进行;树脂固化过程中有小分子析出,故需在高压下进行;u固化时体积收缩率大,树脂对纤维的粘附性不够好,但固化时体积收缩率大,树脂对纤维的
25、粘附性不够好,但断裂延伸率低,脆性大。断裂延伸率低,脆性大。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 3. 3. 酚醛树脂酚醛树脂 酚醛树脂酚醛树脂是由酚类和醛类反应而成的一类聚合物,是由酚类和醛类反应而成的一类聚合物,是最早合成的热固性树脂。常用酚类是是最早合成的热固性树脂。常用酚类是苯酚苯酚,醛类,醛类是是甲醛甲醛。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 3. 3. 酚醛树脂酚醛树脂二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料反应原理:反应原理:第一步甲醛与苯酚加成生成羟甲基苯酚第一步甲醛与苯酚加成生成羟甲基苯酚 3. 3. 酚醛树脂酚醛树脂二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料反应原理:
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