第七章聚合物基复合材料
Fiber reinforced Fiber reinforced composites composites Continuous fiber Continuous fiber Discrete fiber Discrete fiber Woven fabricWoven fabric Using for laminated compositesUsing for laminated compositesParticle reinforced Particle reinforced compositescomposites 高分子粒子增强复合材料即是将小尺寸的粒子高度弥散地分布在聚 合物基体中。与纤维复合材料相比，粒子复合材料通常是各向同性的，承受载荷 的主要是聚合物基体材料，粒子材料起到阻碍导致塑性变形的分子 链运动的作用，因此粒子复合通常可以同时起到增强和增韧的作用 。粒子直径一般在0.010.1范围内时增强效果最好，直径过大时，引 起应力集中，直径小于0.01时，则近于固溶体结构，作用不大。Laminar CompositesLaminar Composites层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的 复合材料，是一种各向异性的复合材料（层内两维同性）。多层 粘合、表面涂层高分子材料等也是层状复合材料。层合结构复合材料由二维片状材料组成，单层材料在某一方向上 具有更高强度。层压就是不同的层的简单粘合。这些粘合材料一般都是热固性塑 料和树脂。被粘合的材料可以是：纸张、布料、木材或者是纤维 。face sheet adhesivehoney comb7.1.1 增强剂玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维芳纶纤维芳纶纤维强化纤维的功能 承受主要负荷 限制微裂纹延伸 提高材料强度与刚性 改善材料抗疲劳、抗蠕变特性 提高材料使用寿命及可靠性7.1.2 基体塑料 . 热固性塑料：酚醛、环氧、不饱和聚酯、有机硅、呋喃树脂等。 . 热塑性塑料：聚乙烯、聚丙烯、 、 、等。 橡胶 . 合成橡胶：丁苯、顺丁、异戊、乙丙、丁基 、丁腈、硅橡胶等。 . 天然橡胶 基体的特性与作用：纵向拉伸性能主要取决于增强剂，但不可忽 视基体作用，基体将增强纤维粘接成整体，在 纤维间传递载荷并使载荷均衡，从而充分发挥 增强材料作用。至于复合材料的横向拉伸、压 缩、剪切、耐热性能等与基体更密切相关。 基体材料必须是连续相，决不能是分散相； 基体当受热或外力冲击时，必须能够产生塑性 流动，而把能量传递给增强纤维； 基体应具有一定的强度、耐热、耐候、耐水性 ，不能影响复合材料的性能； 基体与纤维的粘附性要好； 基体与纤维复合时，加工应简单易行。 7.1.3 制造及成型方法7.1.4 界面 聚合物基复合材料一般是由增强纤维和 基体树脂两相组成，两相之间存在界面 ，通过界面使纤维与基体结合成为一个 整体，使复合材料具备了原组成材料所 没有的性能，并且由于界面存在，纤维 和基体所发挥的作用，是各自独立又相 互依存的。7.1.4.1 界面的形成与结构界面形成分为两个阶段： 一是基体与增强材料的接触与润湿过程，由于增强材料对基体分 子的各种基团或基体中各种组分的吸附能力不同，它优先吸附那 些能够较多地降低它的表面自由能的物质，因此界面聚合物层与 聚合物本体结构不同；二是聚合物的固化过程，聚合物通过物理的或化学的变化使其分 子处在能量降低、结构最稳定的状态，形成固定界面。上述两个过程是连续进行的。如在热固性树脂借助固化剂固化过 程中，固化反应从固化剂所在的位置以辐射状向四周延伸，形成 中心密度大，边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分叫胶 束或胶粒，密度小的叫胶絮。在复合材料中，由于增强剂表面的吸附作用，因此越接近表面， 上述微胶束排列越有序。在增强剂表面形成的树脂微胶束的有序 层称为树脂抑制层，此抑制层中树脂力学性能与本体有很大差别 。 界面结构：包括界面结合力、界面的区 域（厚度）和界面的微观结构。 （1）界面结合力存在于两相的界面间， 形成两相之间的界面强度并产生复合效 果。界面力有宏观和微观之分，宏观结 合力指材料的几何因素所产生的机械铰 合力，微观结合离包括包括次价键和化 学键。 （2）界面区是由基体和增强材料的界面 再加上基体和增强材料表面的薄层而构 成。 （3）界面的微观结构如下： 粉状填料复合材料的界面结构： 根据填料的表面能Ea和树脂内聚能密度Ec的 相对大小，可把填料分为：EaEc，为活性 填料，EaEc，为非活性填料； 基体松散层致密层活性填料， 基体松散层非活性填料 连续纤维增强复合材料的界面结构：在总体 或微观结构上与上面的基本一致。7.1.4.2 界面的作用 复合材料复合效应产生根源是界面层的存在 。 1 通过界面区使基体和增强材料形成一个整 体，并通过它传递应力。 2 界面的存在有阻止裂纹的扩展和减缓应力 集中的作用。 3 由于界面存在，复合材料产生物理性能的 不连续性、界面摩擦现象以及抗电性、耐热 性、隔音隔热性、耐冲击性等机能效应。7.1.4.3 界面作用机理 化学键理论：最古老、应用最广泛的理论。认为偶 联剂是双官能团物质，其分子的一部分能与玻纤表面 形成化学键，而另一部分与树脂形成化学键，这样偶 联剂把树脂和玻纤表面牢固连接起来。在无偶联剂存 在时，如果基体与纤维表面上官能团起化学反应，产 生化学键，也能形成牢固界面。其在玻纤增强材料中 因偶联剂的应用而得到证实，也称偶联理论。 2 物理吸附理论：认为两相间的结合属于机械铰合和 基于次价键的物理吸收，偶联剂作用主要是促进基体 与增强剂的完全润湿。其仅是化学键理论的一种补充 。 3 浸润理论：两组分间如能实现完全浸润，则树脂在 高能表面的物理吸附所提供的粘接强度将大大超过树 脂的内聚强度。浸润理论认为两相间的结合模式属于 机械粘接与润湿吸附。要获得好的表面浸润，基体起 初必须是低粘度，且表面张力低于无机物表面临界张 力。 4 减弱界面局部应力作用理论：处于基 体与增强材料之间的处理剂，提供了一 种具有自愈能力的化学键，这种化学键 在应力作用下，处于不断形成与断裂的 动态平衡，阻止了水等低分子物的破坏 作用，松弛界面局部应力，使基体与增 强材料之间保持一定的粘接强度。 5 摩擦理论：认为基体与增强材料间界 面的形成完全由于摩擦的作用，处理剂 的作用在于增加基体与增强材料之间的 摩擦系数，从而提高强度。7.1.5 性能 7.1.5.1 复合效果 组分效果：在已知组分的物理、力学性能情 况下，不考虑组分的形状、取向、尺寸等状态 复杂的变量影响，而只把组成（体积分数、重 量分数等）作为变量来考虑所产生的效果。分 为加和效果和相补效果。 结构效果：指复合物性能仅用组分性质及组 成的函数描述时，必须考虑连续相和分散相的 结构形状、取向（定向）、尺寸等因素。分为 形状效果，取向效果和尺寸效果。 界面效果：复合效果主要是界面效果，由于 界面的存在显示出复合材料的各种性能。7.1.5.2 界面的机能效应 分割效应：由于界面的存在将复合材料分割 成许多的区域，因此将产生一些效应，如阻止 裂纹的扩展，减缓应力集中等。 不连续效应：在界面上产生物理性能的不连 续性、界面的摩擦现象，以及抗电性、电感应 性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。 反射与吸收效应：光、音、冲击波通过界面 的反射与吸收。光的透过性、隔热性、隔音、 耐冲击性等。 感应效应：界面上引起的变形、内部应力及 由此产生的现象。7.1.5.3 强度 1 纤维单轴取向的复合材料： 不连续纤维复合材料的强度比连续纤维的低，原因是 ：在接近各纤维端部相当长的一段内，载荷不能从基 体向纤维传递；纤维末端起着应力集中体的作用；通 常用的短纤维达不到连续纤维那样的取向度。 两相间界面键的强度是决定复合材料强度的重要因素 ，特别是横向强度，粘附性差的复合材料的横向强度 反比粘附性大的高。 纵向拉伸强度只有在纤维比较短时，才受界面粘接强 度的影响。 横向压缩强度受基体强度限制，所以比纵向压缩强度 小。层间剪切强度随基体抗张强度及剪切强度的增加 而提高，随空穴率的增加而下降。 纵向强度随纤维浓度增大而提高，剪切强度和横向强 度随纤维浓度增加而下降。 2 复合材料的抗冲击强度： 复合材料的纤维可从两方向逸散冲击能： 当纤维从基体拔出时，由于力学摩擦使能量逸散，同 时纤维的拉动可削弱应力集中；纤维脱胶，使能量逸 散，终止或阻缓裂纹的发展。 然而存在纤维也使抗冲强度减小： 纤维存在使破坏伸长率减小； 在纤维末端附近和粘接性差的部分，以及在纤维相互 接触的区域，容易产生应力集中。 因此纤维既可使抗冲强度提高，也可使抗冲强度下降 。 （1） 当冲击负荷与纤维平行时，则粘附性差和纤维 较短时，冲击强度最大；粘附性好、纤维长时，可使 强韧性基体的抗冲击强度大幅度下降。 （2） 当冲击负荷与纤维垂直，良好的粘附性 能获得较好的抗冲强度。横向抗冲强度比纵向 抗冲强度小，也小于聚合物基体的强度。 （3） 不同的抗冲实验方法测出的性能不同， 缺口悬臂梁抗冲强度随纤维浓度增加而提高， 而拉伸抗冲强度随纤维浓度增加而下降。 （4） 向脆性聚合物基体加入纤维可使抗冲强 度提高，而向高韧性基体中填充玻纤，抗冲强 度反而显著下降。 （5） 高模量纤维（如硼纤维、石墨纤维）的 复合材料抗冲强度差，常加入少量低模量玻纤 混杂复合提高抗冲强度。 Application of polymer Application of polymer compositescompositesApplication of polymer Application of polymer compositescomposites复合材料应用在卫星和宇航器上的应用 飞行器的减重的作用 效果和飞行速度有关 ，飞行速度越快，每 减重一克，或者一公 斤，所取得的效益就 越大。 我国在“风云二号气象 卫星”及“神舟”系列飞 船上均采用了碳/环氧 ACM做主承力构件， 大大减轻了整星的质 量，降低了发射成本 。向阳面与背阳面温差向阳面与背阳面温差260260O OC C耐极低温复合材料世界第一个全超导非圆截面 托卡马克核聚变实验装置 （英文名称：EAST） NanocompositesNanocompositesCharacteristic of Characteristic of nanocompositesnanocomposites 当复合材料的分散相达到纳米尺度时，其界面原子占极大比例，从当复合材料的分散相达到纳米尺度时，其界面原子占极大比例，从 而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。其独特的表面而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。其独特的表面 效应、体积效应和量子尺寸效应使得材料具有非常特殊的力、热、效应、体积效应和量子尺寸效应使得材料具有非常特殊的力、热、 光、电性能。光、电性能。Polymer Polymer nanocompositesnanocompositesNanoparticlesNanoparticles for for compositescomposites 纳米层状粘土（层状硅酸盐纳米层状粘土（层状硅酸盐，layer silicatelayer silicate） 包括：蒙脱土、硅藻土、锂皂石、蛭石等包括：蒙脱土、硅藻土、锂皂石、蛭石等 添加纳米粘土可以提高聚合物复合材料的强度、韧性、热稳定性、阻添加纳米粘土可以提高聚合物复合材料的强度、韧性、热稳定性、阻 燃性、气体阻隔性等优点。燃性、气体
