1、1 材料使用环境的温度一般是变化着的，材料使用环境的温度一般是变化着的，复合材料也不例外，环境温度的变化将以一复合材料也不例外，环境温度的变化将以一定方式在某种程度上改变材料的结构与性能。定方式在某种程度上改变材料的结构与性能。 在宇航技术中，环境温度的变化范围在宇航技术中，环境温度的变化范围甚至可以从接近甚至可以从接近零摄氏度零摄氏度到到上万摄氏度上万摄氏度，作，作为结构材料使用的复合材料能否适应其工作为结构材料使用的复合材料能否适应其工作环境的变化，主要取决于其耐热性能。环境的变化，主要取决于其耐热性能。 第第10章章 聚合物基复合材料的其他性能聚合物基复合材料的其他性能23 为了使复合材
2、料满足使用性能，在对其进为了使复合材料满足使用性能，在对其进行其他方面的性能设计时，必须同时对其进行其他方面的性能设计时，必须同时对其进行有效的行有效的热设计热设计，而，而热设计热设计的依据是的依据是复合材复合材料的热性能。料的热性能。 复合材料的复合材料的热传导性能热传导性能和和热容量热容量将决定其将决定其与外界的热能交换和自身温度变化；与外界的热能交换和自身温度变化； 其其热膨胀性能热膨胀性能决定了其结构尺寸稳定性，决定了其结构尺寸稳定性，直接影响应力分布状态和抗热震性能；直接影响应力分布状态和抗热震性能； 其在温度升高时的转变和热分解决定了其其在温度升高时的转变和热分解决定了其作为承力结
3、构的使用温度上限。作为承力结构的使用温度上限。4 101 热物理性能热物理性能1011 热传导热传导 1)热传导的基本概念热传导的基本概念 热从物体的一部分传到另一部分或者从一物体热从物体的一部分传到另一部分或者从一物体传到另一与之相接触的物体，称为热传导。传到另一与之相接触的物体，称为热传导。 聚合物材料在许多应用方面都涉及热传导问题。聚合物材料在许多应用方面都涉及热传导问题。某些情况下，热传导是一种伴随发生的效应，汽车某些情况下，热传导是一种伴随发生的效应，汽车轮胎由于黏弹性损耗而发热就牵涉到热传导问题。轮胎由于黏弹性损耗而发热就牵涉到热传导问题。 由于聚合物存在众多的运动单元由于聚合物存
4、在众多的运动单元(侧基、支链、链侧基、支链、链节、链段、大分子链节、链段、大分子链)，其内部的热流动比金属及玻，其内部的热流动比金属及玻璃、陶瓷等都要复杂得多。璃、陶瓷等都要复杂得多。5影响复合材料热传导的影响因素影响复合材料热传导的影响因素 影响复合材料热性能的因素主要是组分材料影响复合材料热性能的因素主要是组分材料的相应性能及相关性能和组分材料间的复合的相应性能及相关性能和组分材料间的复合状态，另外还需考虑使用条件的影响。状态，另外还需考虑使用条件的影响。（1）组分材料）组分材料组分材料的种类组分材料的种类组分材料的含量组分材料的含量6(2)复合状态因素。复合状态因素。 分散相组分的连续性
5、。分散相组分的连续性。 分散相是颗粒分散相是颗粒 导热性能各向同性导热性能各向同性 分散相连续的分散相连续的 导热性能各向异性导热性能各向异性 单向连续碳纤维增强复合材料，其纤维方向单向连续碳纤维增强复合材料，其纤维方向的导热系数比垂直纤维方向的导热系数大的导热系数比垂直纤维方向的导热系数大10倍倍以上，且随着纤维含量的增加，这种差别越来越以上，且随着纤维含量的增加，这种差别越来越大。另外，就纤维方向的导热系数而言，纤维连大。另外，就纤维方向的导热系数而言，纤维连续时比不连续时导热性能也提高了续时比不连续时导热性能也提高了15倍。倍。7 分散相组分的取向。分散相组分的取向。 取向取向 导热性能
6、各向异性导热性能各向异性 分散相组分的取向程度越大，则复合材料分散相组分的取向程度越大，则复合材料的导热性能各向异性越明显；的导热性能各向异性越明显； 分散相组分与基体材料间导热性能差异越分散相组分与基体材料间导热性能差异越大，分散相的取向所带来的复合材料导热性大，分散相的取向所带来的复合材料导热性能各向异性愈明显；最后，不管分散相组分能各向异性愈明显；最后，不管分散相组分的导热性能比基体材料好还是差，复合材料的导热性能比基体材料好还是差，复合材料的导热性能总是纵向的比横向的好。的导热性能总是纵向的比横向的好。8(3)使用条件。复合材料的导热系数与温度有关，使用条件。复合材料的导热系数与温度有
7、关，影响的程度随纤维含量的改变而改变。影响的程度随纤维含量的改变而改变。910.1.2 比热容比热容1)基本概念基本概念 作为物质的基本热性能，比热容是评价、计算和作为物质的基本热性能，比热容是评价、计算和设计热系统的主要参数之一。设计热系统的主要参数之一。 物质的比热容，定义为单位质量的物质升温物质的比热容，定义为单位质量的物质升温1所需的热量。所需的热量。 复合材料的使用范围极其宽广，不同的使用场合，复合材料的使用范围极其宽广，不同的使用场合，对比热容有不同的要求。例如，对于短时间使用的对比热容有不同的要求。例如，对于短时间使用的高温防热高温防热复合材料，希望具有较复合材料，希望具有较高高
8、的比热，以期在的比热，以期在使用过程中吸收更多的热量；对于热敏功能复合材使用过程中吸收更多的热量；对于热敏功能复合材料却希望其具有效小的比热容，以便具有更高的料却希望其具有效小的比热容，以便具有更高的热热敏敏感度。感度。1010.1.3 热膨胀系数热膨胀系数 1）基本概念）基本概念 温度变化时，材料的尺寸和体积都会发生温度变化时，材料的尺寸和体积都会发生变化，通常以热膨胀系数表示材料的膨胀程变化，通常以热膨胀系数表示材料的膨胀程度。度。 热膨胀系数不仅是材料的重要使用性能，热膨胀系数不仅是材料的重要使用性能，而且是进行结构设计的关键参数，同时还与而且是进行结构设计的关键参数，同时还与材料抗热震
9、能力、受热后的热应力分布和大材料抗热震能力、受热后的热应力分布和大小密切相关。小密切相关。11复合材料热膨胀系数的影响因素：组分材料：复合的含量和模量共同影响复合材料的热膨胀系数，热膨胀系数高的组分材料对复合材料相应参数的影响占主要地位。复合状态：增强（填充）材料在基体中的分布连续与否及其排布方式对复合材料的热膨胀系数有重大影响。如果填料不连续，且无规分布，则复合材料热膨胀系数是各项同性的；如果填料是连续的或按一定方向排布的，则复合材料的热膨胀系数是各向异性的，对于单向联系纤维复合材料，横向热膨胀系数大于纵向热膨胀系数。使用条件：温度与复合材料的热膨胀系数有关系。在一定的温度范围内，复合材料的
10、相对伸长量与温度答题保持直线关系。另外，热循环会导致复合材料界面产生微裂纹，基体可能会进一步固化，线膨胀系数和模量都将发生改变，从而影响复合材料的热膨胀系数。1210102 2 复合材料的耐热性能及其应用复合材料的耐热性能及其应用1021 定义定义 高分子聚合物在受热过程中会发生一系高分子聚合物在受热过程中会发生一系列的物理变化和化学变化，物理变化包括受列的物理变化和化学变化，物理变化包括受热软化或熔融，化学变化则包括热作用下的热软化或熔融，化学变化则包括热作用下的氧化、降解、交联、水解以及热分解等，所氧化、降解、交联、水解以及热分解等，所有这些变化都会导致高分子聚合物的物理机有这些变化都会导
11、致高分子聚合物的物理机械性能变坏，以致丧失实用性。械性能变坏，以致丧失实用性。13141022 耐热性的评定指标耐热性的评定指标 从表观上看，一旦聚合物材料受热后发生从表观上看，一旦聚合物材料受热后发生软化、熔融或热分解，即认为它丧失了实用软化、熔融或热分解，即认为它丧失了实用性。性。Tg、Tf、Td等。等。1510.4.1高聚物耐磨性能特点高聚物耐磨性能特点 优点：自润滑、耐腐蚀、吸收颗粒、抗震消优点：自润滑、耐腐蚀、吸收颗粒、抗震消声声 缺点：抗压强度低，压缩变形量大等缺点：抗压强度低，压缩变形量大等10.4.2高聚物材料的摩擦特性高聚物材料的摩擦特性162 2）摩擦系数）摩擦系数特征：特
12、征：（1 1）与负荷有关；）与负荷有关；（2 2）与滑动速率有关；）与滑动速率有关；（3 3）与温度有关；）与温度有关；（4 4）与表面光洁度有关；）与表面光洁度有关；（5 5）与浸润性能和材料表面张力有关）与浸润性能和材料表面张力有关1710.4.310.4.3高分子材料的磨耗高分子材料的磨耗磨耗：磨耗：指在摩擦过程中材料的微粒不断地从被指在摩擦过程中材料的微粒不断地从被摩擦表面分离的现象，是引起摩擦件尺寸不摩擦表面分离的现象，是引起摩擦件尺寸不断改变的机械破坏过程。故也称为磨蚀或磨断改变的机械破坏过程。故也称为磨蚀或磨损。损。磨耗量：磨耗量：表示磨耗的程度；是用试件在规定试表示磨耗的程度；
13、是用试件在规定试验条件（负荷、速率、温度、湿度等）下，验条件（负荷、速率、温度、湿度等）下，经过一定时间或一定距离摩擦后，试件被磨经过一定时间或一定距离摩擦后，试件被磨去的量（质量、体积等）来表示。去的量（质量、体积等）来表示。10.3 耐化学腐蚀性对于聚合物级复合材料，对耐腐蚀性起决定作用的是复合材料基体的性质。腐蚀的程度取决于：1）材料的自身性质2）环境条件（温度、压力、所接触的截至的性质和状态）；3）在某种环境下所处的时间18高分子材料腐蚀的主要形式：1）化学裂解：在活性介质作用下，渗人高分子材料内部的介质分子可能与大分子发生化学反应，如氧化、水解能，是大分子主价键法神破坏、裂解。2）溶
14、胀和溶解。溶剂分子深入材料内部破坏大分子间的次价键，与大分子发生溶剂化作用。体形高聚物会溶胀、软化，是强度显著降低；线形高聚物可由溶胀而进一步溶解3）应力开裂。在应力（外加的或内部的残余应力）与某些介质（如表面活性物质）共同作用下，不少高分子材料会出现裂缝，直至发送脆性断裂。4）渗透破坏。对于衬里设备来说，即使深入介质不会使衬里层产生上述的破坏作用，但一旦介质通过衬里层接触到基体，就会引起材料的腐蚀，使设备损坏。1910.3 耐化学腐蚀性耐水性复合材料吸水后的影响：1）密度增大；2）吸湿发生体积膨胀，从而改变复合材料的内应力分布；3）使复合材料的机械性能变化（如弹性模量、强度降低、韧性增加）；
15、4）电阻降低，热导率增大，透明度降低（对于透光用的复合材料）介电性能降低；5）随着时间的延长，复合材料发生化学降解；6）加速生物活动。2010.3 耐化学腐蚀性耐水性为了改善复合材料的耐水性：1）选用吸水性小，水对其性能影响小的纤维做增强体，通过改性，使基体树脂具有憎水性，如在树脂大分子主链上引入疏水基团（苯环、长的碳链等）；2）选用适当的偶联剂对纤维进行表面化学处理，以改善纤维的表面状态和增加与基体的界面结合；3）改进工艺方法，如通过高温固化是基体固化完全，加压固化以减少复合材料中的缺陷（微裂纹与空隙）；4）避免纤维断头裸露与复合材料制件表面，如增大树脂含量、在复合材料制件表面涂覆防水层等。
16、2110.3 耐化学腐蚀性复合材料的耐候性指复合材料处于户外自然环境下，随着时间延长而保持其原有性能的性质。造成复合材料老化的自然因素包括阳光、高能辐射、工业废气、盐雾、微生物等，他们与复合材料发生物理、化学、生物和机械作用，造成复合材料的性能改变。改善复合材料耐候性的措施：表明涂漆膜；表面制胶衣层（富树脂层）；表面粘贴能吸收紫外线的透明薄膜；增加表面树脂含量，例如，使用表面毡，以减少氧气和潮湿侵入的通道；改善基体的耐候性，例如对基体进行改性，选用能改善耐候性的助剂，在基体中添加紫外线吸收剂等。2210.3 耐化学腐蚀性耐介质腐蚀性主要指其受酸、碱、盐以及有机溶剂等化学介质的作用而导致抵抗性能
17、下降的能力。化学介质对高聚物的作用包括：1）介质向高聚物渗透，使高聚物溶胀；2）与高聚物发生化学反应，生成盐类，水解，皂化，氧化，硝化和磺化引起高聚物的共价键破坏、裂解等。这些化学反应构成了高聚物的腐蚀并造成其性能变差。2310.3 耐化学腐蚀性塑料在腐蚀破坏方面的规律：1）在聚合物大分子中，若存在酯键、酰胺键、某些无空间位阻的醚键和硅-氧键，则在酸、碱的作用下容易水解；2）当高分子材料的极性和环境介质相一致或接近是，则易受侵蚀，繁殖亦然。3）除了受酸、碱、盐和水等电解质的侵蚀作用之外，受硝酸的硝化、浓硫酸的磺化以及它们的氧化作用是高分子材料的另一类重要的腐蚀破坏作用。2410.3 耐化学腐蚀
18、性2510.3 耐化学腐蚀性2610.3 耐化学腐蚀性27 高分子材料均为有机物，碳氢含量极高。高分子材料均为有机物，碳氢含量极高。在某些使用场合下，会因温度的升高而降低在某些使用场合下，会因温度的升高而降低和失去机械性能，其中的某些相还可能发生和失去机械性能，其中的某些相还可能发生熔化、分解和燃烧，造成事故和损失。同时，熔化、分解和燃烧，造成事故和损失。同时，高分子材料在高分子材料在300700之间，大多会产之间，大多会产生大量的浓烟，使人窒息和中毒，这是我们生大量的浓烟，使人窒息和中毒，这是我们所不希望的，应尽量避免。所不希望的，应尽量避免。10.5耐燃性28燃烧产生的条件？燃烧产生的条件
19、？燃烧机理？燃烧机理？让它条件不满足让它条件不满足终止它的反应终止它的反应29燃烧产生的条件？燃烧产生的条件？A 可燃性物质可燃性物质高聚物为什么能燃烧？高聚物为什么能燃烧？B 氧化剂氧化剂可跟可燃物质发生氧化反应。可跟可燃物质发生氧化反应。降低可燃物质降低可燃物质稀释氧化剂稀释氧化剂30放热因素放热因素能量能量积累积累散热因素散热因素散热因素散热因素放热因素放热因素能量能量不能不能积累积累373）冲稀或隔离氧气）冲稀或隔离氧气 想法使聚合物基复合材料燃烧时生成碳化想法使聚合物基复合材料燃烧时生成碳化层，一方面隔离氧气与内层聚合物的接触；层，一方面隔离氧气与内层聚合物的接触；另一方面可能有效地
20、延缓热量向内层的传递，另一方面可能有效地延缓热量向内层的传递，起到阻燃的作用。燃烧过程中产生密度大的起到阻燃的作用。燃烧过程中产生密度大的气体可以覆盖于材料表面，同样起到冲稀或气体可以覆盖于材料表面，同样起到冲稀或隔绝氧气的作用。隔绝氧气的作用。3810105 53 3 复合材料的阻燃机理复合材料的阻燃机理 复合材料的阻燃性主要来自阻燃剂，用于复合材料的阻燃性主要来自阻燃剂，用于复合材料的阻燃剂主要有卤系、磷系、卤磷复合材料的阻燃剂主要有卤系、磷系、卤磷系和无机水合物等。加入到复合材料中的方系和无机水合物等。加入到复合材料中的方式有表面涂层、物理添加和化学反应等几种，式有表面涂层、物理添加和化
21、学反应等几种，其中以后两种方式较为有效和常用。其中以后两种方式较为有效和常用。391)阻燃剂种类和相应的机理阻燃剂种类和相应的机理 卤系阻燃剂的阻燃机理：在燃烧过程个分解出卤系阻燃剂的阻燃机理：在燃烧过程个分解出卤化氢，它们能优先与燃烧过程中的反应活化中心卤化氢，它们能优先与燃烧过程中的反应活化中心HO 作用，以活性低的产物作用，以活性低的产物X 和和R取代取代HO，抑，抑制燃烧反应。卤化氢的另一个重要阻燃机理是其在制燃烧反应。卤化氢的另一个重要阻燃机理是其在燃烧过程中，使聚合物分子卤化，并脱去卤化氢，燃烧过程中，使聚合物分子卤化，并脱去卤化氢，生成不饱和键，促使聚合物表面形成碳化物，抑制生成
22、不饱和键，促使聚合物表面形成碳化物，抑制燃烧。燃烧。40 磷系阻燃剂的阻燃机理是：磷或磷化物在受磷系阻燃剂的阻燃机理是：磷或磷化物在受热时生成磷酸，并进一步生成聚磷酸，而聚磷热时生成磷酸，并进一步生成聚磷酸，而聚磷酸对聚合物有很强的脱水作用，使之生成碳化酸对聚合物有很强的脱水作用，使之生成碳化物，抑制燃烧。卤磷系阻燃剂中既含卤素，也物，抑制燃烧。卤磷系阻燃剂中既含卤素，也含磷元素，它们除以各自的方式抑制燃烧外，含磷元素，它们除以各自的方式抑制燃烧外，还将产生协同效应，进一步增加阻燃作用。还将产生协同效应，进一步增加阻燃作用。41 无机水合物的阻燃机理：如无机水合物的阻燃机理：如AlAl（OHO
23、H）3 3、 AlAl（SOSO4 4）3 3 18H18H2 2O O等，在升温时分解并吸热，分等，在升温时分解并吸热，分解产物氧化铝与聚合物燃烧中产生的碳化物生成解产物氧化铝与聚合物燃烧中产生的碳化物生成不活泼的物质，产生隔热隔氧作用。同时，分解不活泼的物质，产生隔热隔氧作用。同时，分解产物水的挥发既吸收热量，又可冲稀可燃气体及产物水的挥发既吸收热量，又可冲稀可燃气体及氧气的浓度，发挥阻燃作用。氧气的浓度，发挥阻燃作用。422）不同加入方式的阻燃复合材料基体）不同加入方式的阻燃复合材料基体 反应型反应型 涂层型涂层型 添加型添加型http:/ 51 1 阻燃性的表征和评价方法阻燃性的表征和
24、评价方法 对于聚合物基复合材料，有对于聚合物基复合材料，有4个指标可以表征其个指标可以表征其阻燃性或燃烧性，即表面燃烧速率、燃烧百分失重、阻燃性或燃烧性，即表面燃烧速率、燃烧百分失重、燃烧指数燃烧指数FI和氧指数和氧指数OI。 表面燃烧速率是指复合材料试件在开始燃烧表面燃烧速率是指复合材料试件在开始燃烧1 min或或3min内的平均燃烧速率。内的平均燃烧速率。 燃烧百分失重表示复合材料试件在燃烧燃烧百分失重表示复合材料试件在燃烧1min或或3min内的质量损失。内的质量损失。 燃烧指数是指表面燃烧速率与燃烧百分失重的乘燃烧指数是指表面燃烧速率与燃烧百分失重的乘积值。积值。 氧指数是指在指定条件下，试样在氧、氮混合氧指数是指在指定条件下，试样在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧所需的最低氧气浓度以氧气流中，维持平稳燃烧所需的最低氧气浓度以氧所占的体积分数表示。所占的体积分数表示。
