第七章聚合物基复合材料
120页1、 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
2、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
3、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
4、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
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