1、 第十章第十章 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 第十章第十章 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10-2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
5、纹在基体中发展，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
6、出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
7、发结晶，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10-310-3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
8、基其中，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
9、维/环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
11、电性能、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200020
12、00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，还与纤维的排列方向、铺层次序性能除与纤维、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，经济合理。和层数有关，因此可以优化设计，做到安全可靠，经济合理。 在制造复
13、合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一特点使得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，避免了接头过多，降低了应力集中。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量，减少了制造工序和加工量，缩短加工周同时，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。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
14、同的两种材料构成，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
15、的研究解决，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
16、任何化学变化。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、
17、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）： 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
18、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 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
19、酯：主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
20、酚醛树脂或环氧树脂。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
21、子链的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酚类、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，然后在碱的作用下有机酸类、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：闭环，引入
22、环氧基：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方法是用过醋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环氧化：酸或过氧化氢对带双键的化合物进行环氧化：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
23、历程进催化性固化剂：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 H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2
24、CH2NHCH2CH2NH2 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
25、纤维的粘附性不够好，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。常用酚类是最早合成的热固性树脂。常用酚类是苯酚苯酚，醛类是，醛类是甲甲醛醛。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
26、原理：反应原理：第二步羟甲基与苯酚邻对位氢脱水缩合或羟甲基与第二步羟甲基与苯酚邻对位氢脱水缩合或羟甲基与羟甲基缩合成醚键，再在加热下脱去甲醛成次甲基羟甲基缩合成醚键，再在加热下脱去甲醛成次甲基 3. 3. 酚醛树脂酚醛树脂 OHn+ nCHOHOHCH2n+ nH2O苯酚甲醛酚醛树脂优点：优点：比环氧树脂价格便宜比环氧树脂价格便宜缺点：缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维少量用于玻璃纤维复合材料
27、、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。和有机纤维复合材料中。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料三种树脂基体的比较三种树脂基体的比较 不饱和聚酯：不饱和聚酯：用量最大，玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）用量最大，玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）制品所用的树脂，主要是不饱和聚酯树脂。用于座椅、船舶制品所用的树脂，主要是不饱和聚酯树脂。用于座椅、船舶、人造大理石等等。、人造大理石等等。 环氧树脂环氧树脂: 与碳纤维等复合，界面结合好，收缩率小；但体系与碳纤维等复合，界面结合好，收缩率小；但体系粘度大，工艺性差。用于高档制品，如航空航天材料。粘度大，工艺性差。用于高档制品，如航空航天材
28、料。 酚醛树脂：酚醛树脂：耐热性突出，但固化时有小分子放出，需加压成耐热性突出，但固化时有小分子放出，需加压成型，增加了成本。用于电木，耐烧蚀的碳碳复合材料（残碳型，增加了成本。用于电木，耐烧蚀的碳碳复合材料（残碳率高、石墨化结构）率高、石墨化结构）二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料 聚合物基复合材料聚合物基复合材料基体基体的作用：的作用：把增强材料纤维粘在一起；把增强材料纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响保护纤维不受环境影响二、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聚合物基复合材料增强材料增强材料： 在复合材料中，凡能提高机体的机械强度
29、、弹在复合材料中，凡能提高机体的机械强度、弹性模量等力学性能的材料称为增强材料。性模量等力学性能的材料称为增强材料。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聚合物基复合材料增强材料增强材料：u纤维增强材料：纤维增强材料：广泛应用的有玻璃纤维、碳纤维、有广泛应用的有玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等机纤维等 u片状增强材料：片状增强材料：除长纤维状使用外，也可切断后以短除长纤维状使用外，也可切断后以短切纤维或者编织成织物使用。切纤维或者编织成织物使用。 u颗粒状增强材料：颗粒状增强材料：称为填料，主要不仅能使复合材料称为填料，主要不仅能使复合材料制品的价格降低，而且能显著改善制品的机械
30、性能、耐制品的价格降低，而且能显著改善制品的机械性能、耐摩擦性能、热性能、耐老化性能等。碳酸钙、石墨、云摩擦性能、热性能、耐老化性能等。碳酸钙、石墨、云母、高岭土、二氧化硅、滑石粉等。母、高岭土、二氧化硅、滑石粉等。使用量最大使用量最大二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料拉伸强度：块状石墨：拉伸强度：块状石墨：689MPa，石墨，石墨纤维：纤维：17002800MPa。拉伸强度：块状玻璃：拉伸强度：块状玻璃：40100MPa40100MPa；玻璃纤维玻璃纤维（直（直径径1010m m以下）：以下）：1000MPa1000MPa以上；以上；玻璃纤维玻璃纤维（直径（直径5 5 m m以下）：以
31、下）：2400MPa2400MPa以上。以上。在复合材料中，大都是以纤维状材料，特别是连续长纤维在复合材料中，大都是以纤维状材料，特别是连续长纤维作为增强材料。作为增强材料。聚合物基复合材料聚合物基复合材料增强材料增强材料：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玻璃纤维增强塑料：玻璃纤维增强塑料：俗称玻璃钢，是由俗称玻璃钢，是由玻璃纤维玻璃纤维和和基体基体树脂组成的复合材树脂组成的复合材料。料。玻璃纤维玻璃纤维赋予复合材料赋予复合材料强度和刚度强度和刚度，基体基体树脂则树脂则对复合材料的对复合材料的压缩强度、弯曲强度、剪切强度、耐腐压缩强度、弯
32、曲强度、剪切强度、耐腐蚀性、阻燃、耐辐射、电性能蚀性、阻燃、耐辐射、电性能等有密切关系。等有密切关系。三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维：玻璃纤维：是目前复合材料中使用量最大的一种增强纤维。玻璃纤是目前复合材料中使用量最大的一种增强纤维。玻璃纤维的维的拉伸强度拉伸强度比块状玻璃高许多倍，但经研究证明，比块状玻璃高许多倍，但经研究证明，玻玻璃纤维璃纤维的结构与的结构与玻璃玻璃相同。玻璃是由硅氧原子为主组成相同。玻璃是由硅氧原子为主组成的不规则网络，网络间存在空穴，空穴中填充着的不规则网络，网络间存在空穴，空穴中填充着NaNa，K K、Ca2Ca2、Mg2Mg2等金属离子。等
33、金属离子。三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维：玻璃纤维：玻璃纤维骨架的玻璃纤维骨架的化学组成化学组成主要是主要是二氧化硅、三氧化二硼、二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝氧化钙、三氧化二铝等。等。以以二氧化硅二氧化硅为主的称为为主的称为硅酸盐破璃硅酸盐破璃，以，以三氧化二硼三氧化二硼为主的为主的称为称为硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃。三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面物理性能物理性能外观和比重外观和比重表面积表面积玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的耐磨性与耐折性玻璃纤维的耐磨性与耐折性玻璃纤维的热性能玻璃纤维的热性能玻璃纤维的电性能玻璃纤维的电性能玻璃
34、纤维：玻璃纤维：三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：外观和比重外观和比重一般一般天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维，其表面都有较，其表面都有较深的深的皱纹皱纹；而对于；而对于玻璃纤维玻璃纤维来说，其表面呈来说，其表面呈光滑光滑的圆柱的圆柱，其横断面几乎都是，其横断面几乎都是完整的圆形完整的圆形。三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：外观和比重外观和比重玻璃纤维玻璃纤维直径直径从从1.5 25 um，大多数为，大多数为4 14 um。玻璃纤维的玻璃纤维的密度密度为为2.16 4.30 gc
35、m3。此外，一般情况下，无碱玻璃纤维的比重大于有碱此外，一般情况下，无碱玻璃纤维的比重大于有碱纤维。纤维。三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面表面积表面积由于玻璃纤维的表面积大，使得纤维由于玻璃纤维的表面积大，使得纤维表面处理的效表面处理的效果果对对性能的影响性能的影响很大。很大。玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能1)玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度一般一般玻璃制品玻璃制品的拉伸强度只有的拉伸强度只有40 100 MPa，而直，而直径径3 9 um的的玻璃纤维玻璃纤维拉伸强度则高达拉伸强度则高达1500 4000 MPa。1)1)玻璃纤
36、维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度2)2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素3)3)玻璃纤维的弹性玻璃纤维的弹性三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面几种纤维材料和金属材料的强度几种纤维材料和金属材料的强度玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素A、一般情况，玻璃纤维的拉伸强度随、一般情况，玻璃纤维的拉伸强度随直径直径变变细而拉伸强度增加，如下表所示：细而拉伸强度增加，如下表所示：1)1)玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度2)2)影响玻璃纤维
37、强度的因素影响玻璃纤维强度的因素3)3)玻璃纤维的弹性玻璃纤维的弹性玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维拉伸强度与直径的关系玻璃纤维拉伸强度与直径的关系三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素B、拉伸强度也与纤维的、拉伸强度也与纤维的长度长度有关，随着长度有关，随着长度增加拉伸强度显著下降。如下表所示：增加拉伸强度显著下降。如下表所示： 1)1)玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度2)2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素3)3)玻璃
38、纤维的弹性玻璃纤维的弹性玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素C、化学组成化学组成对强度的影响对强度的影响 纤维的强度与玻璃化学成分关系密切。纤维的强度与玻璃化学成分关系密切。而而改变系统改变系统( (即改变它的基本组分即改变它的基本组分) )，强度会产生大幅度地变化。，强度会产生大幅度地变化。 1)1)玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度2)2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素3)3)玻璃纤维的弹性玻璃纤维的弹性玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能
39、三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素1)1)玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度2)2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素3)3)玻璃纤维的弹性玻璃纤维的弹性玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面 D、纤维、纤维老化老化的影响的影响E、纤维的纤维的疲劳疲劳影响影响F、成型方法成型方法和和成型条件强度成型条件强度的影响的影响玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：1)1)玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度2)2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻
40、璃纤维强度的因素3)3)玻璃纤维的弹性玻璃纤维的弹性玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面3)3)玻璃纤维的弹性玻璃纤维的弹性A A、玻璃纤维的、玻璃纤维的延伸率延伸率玻璃纤维的延伸率玻璃纤维的延伸率比其它有机纤维的延伸率比其它有机纤维的延伸率低低，一，一般为般为3 3左右。左右。 玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：1)1)玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度2)2)影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素3)3)玻璃纤维的弹性玻璃纤维的弹性玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面3)3)玻璃纤
41、维的弹性玻璃纤维的弹性A A、玻璃纤维的玻璃纤维的弹性模量弹性模量玻璃纤维的弹性模量约为玻璃纤维的弹性模量约为7 7 * *10104 4 MPa MPa，与铝相当，只，与铝相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的刚度较低。有普通钢的三分之一，致使复合材料的刚度较低。玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的玻璃纤维的耐磨性耐磨性与与耐折性耐折性玻璃纤维这两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受伤或玻璃纤维这两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。断裂，这是玻纤的严重缺点。 三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：玻璃
42、纤维的热性能玻璃纤维的热性能三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面导热性导热性耐热性耐热性1）玻璃纤维的导热性）玻璃纤维的导热性玻璃的导热系数为玻璃的导热系数为0.6 1.1千卡千卡/米米度度时，但拉制成玻璃纤维后，时，但拉制成玻璃纤维后，其导热系数只有其导热系数只有0.03千卡米千卡米度度时。时。玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的热性能玻璃纤维的热性能三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面导热性导热性耐热性耐热性2）破璃纤维的耐热性）破璃纤维的耐热性玻璃纤维玻璃纤维耐热性较高耐热性较高，软化点为，软化点为550 580，其热膨胀系数为，其热膨胀系数为4.8
43、 106 / 。玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的电性能玻璃纤维的电性能三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的玻璃纤维的导电性导电性主要取决于主要取决于化学组成化学组成、温度温度和和湿度湿度。无碱无碱纤维的纤维的电绝缘性能电绝缘性能比比有碱有碱纤维优越得多。纤维优越得多。玻璃纤维的玻璃纤维的电阻率电阻率随着随着温度的升高温度的升高而而下降下降。玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的电性能玻璃纤维的电性能三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维的物理性能：三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面玻璃纤维的
44、化学性能：玻璃纤维的化学性能：玻璃玻璃是一种非常好的是一种非常好的耐腐蚀材料耐腐蚀材料，除氢氟酸、浓，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对一般的化学药品和有机溶剂都有良碱、浓磷酸外，对一般的化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。但拉制成好的化学稳定性。但拉制成玻璃纤维玻璃纤维后，其后，其化学稳定化学稳定性性远不如玻璃。这主要是由于远不如玻璃。这主要是由于玻璃纤维的比表面积大玻璃纤维的比表面积大所造成的。所造成的。 玻璃纤维玻璃纤维的耐腐蚀性能要比块玻璃差得多，且玻的耐腐蚀性能要比块玻璃差得多，且玻璃纤维的璃纤维的直径越小直径越小，其，其化学稳定性越差化学稳定性越差。三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤
45、维增强塑料界面聚合物基复合材料的基体是有机高分子材料，玻聚合物基复合材料的基体是有机高分子材料，玻璃纤维是无机材料璃纤维是无机材料，由于有机高分子材料和无机材料，由于有机高分子材料和无机材料在结构和性能上存在很大的差异，相互亲和力差，在结构和性能上存在很大的差异，相互亲和力差，因因此难以实现良好的界面结合。此难以实现良好的界面结合。有机高分子材料有机高分子材料无机非金属材料无机非金属材料偶联剂偶联剂三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面偶联剂：偶联剂： 偶联剂是这样的一类化合物，它们的分子中含有偶联剂是这样的一类化合物，它们的分子中含有两种两种性质不同的基团性质不同的基团，其中一种基
46、团可与，其中一种基团可与增强材料增强材料发生化学作发生化学作用或物理作用，另一种基团则能和用或物理作用，另一种基团则能和基体基体发生化学作用或物发生化学作用或物理作用。从通过偶联剂的欧联作用，使基体与增强材料实理作用。从通过偶联剂的欧联作用，使基体与增强材料实现良好的界面结合，从而显著提高复合材料的性能。现良好的界面结合，从而显著提高复合材料的性能。 按化学组成，偶联剂主要可分为按化学组成，偶联剂主要可分为硅烷类、有机铬络合硅烷类、有机铬络合物类、钛酸酯类物类、钛酸酯类。 (1) (1)有机硅烷类偶联剂有机硅烷类偶联剂 有机硅烷是一类品种很多，效果也很显著的表有机硅烷是一类品种很多，效果也很显
47、著的表面处理剂，其一般结构通式为：面处理剂，其一般结构通式为：RnSiX4-n R为有机基团，是可与合为有机基团，是可与合成树脂作用形成化学键的成树脂作用形成化学键的活性基团活性基团,如不饱和双键、如不饱和双键、环氧基、氨基等；环氧基、氨基等；X为易水解的基团，为易水解的基团，如甲氧基、乙氧如甲氧基、乙氧基等基等。n1，2，3 绝绝大多数大多数n1偶联剂偶联剂偶联剂偶联剂有机硅烷偶联剂的作用机理如下：有机硅烷偶联剂的作用机理如下：（1）X基团水解，形成硅醇基团水解，形成硅醇：（蒸馏水稀释：（蒸馏水稀释5%）（2）硅醇的硅羟基之间以及硅醇硅羟基与玻璃纤维表面硅羟醇的硅羟基之间以及硅醇硅羟基与玻璃
48、纤维表面硅羟基之间形成氢键：基之间形成氢键： RnSiX4-n（3） 硅羟基之间脱水形成硅羟基之间脱水形成-Si-O-Si-键：键： 这样，硅烷偶联剂在玻璃纤维表面这样，硅烷偶联剂在玻璃纤维表面以以-Si-O-Si-化学键结合，同时在玻化学键结合，同时在玻璃纤维表面缩聚成膜，形成有机基璃纤维表面缩聚成膜，形成有机基团团R朝外的结构朝外的结构 偶联剂偶联剂有机硅烷偶联剂的作用机理如下：有机硅烷偶联剂的作用机理如下：有机基因有机基因R中可含有中可含有-CC-、-NH2、一一CH一一CH2等基团，这些活性基团和树脂基体反应，等基团，这些活性基团和树脂基体反应， 形成新的化学键，即偶联剂与基体结合起来
49、了形成新的化学键，即偶联剂与基体结合起来了例如，例如，-CC-可参与不饱和聚酯的固化反应，可参与不饱和聚酯的固化反应，-NH2可参与环氧树脂的固化反应。可参与环氧树脂的固化反应。有机硅烷偶联剂的作用机理如下：有机硅烷偶联剂的作用机理如下：偶联剂偶联剂O这类铬络合物无水时的结构式这类铬络合物无水时的结构式(2)(2)有机铬偶联剂有机铬偶联剂有机酸氯化铬络合物简称铬络合物，这类络合物通常有机酸氯化铬络合物简称铬络合物，这类络合物通常是用碱式氯化铬与羧酸反应而制得。是用碱式氯化铬与羧酸反应而制得。2Cr(OH)Cl2+RCOOHRCOOCr2(OH)Cl4+H2O偶联剂偶联剂沃兰沃兰(Vo1an)(
50、Vo1an)偶联剂偶联剂 有机铬偶联剂有机铬偶联剂的作用机理与有机硅烷类似，可表示的作用机理与有机硅烷类似，可表示如下：如下：偶联剂偶联剂(3) (3) 钛酸酯偶联剂钛酸酯偶联剂 结构通式：结构通式：(RO)(RO)m m Ti - (O-X-R Ti - (O-X-R-Y)-Y)n nm m、n n为官能团数。为官能团数。n n2 2时为多官能团的钛酸酯，可时为多官能团的钛酸酯，可与多官能团的热塑性及热固性树脂起作用。与多官能团的热塑性及热固性树脂起作用。偶联剂偶联剂(3) (3) 钛酸酯偶联剂钛酸酯偶联剂三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面用偶联剂进行玻璃纤维表面处理的方法用偶
