1、会计学1聚合物基复合材料聚合物基复合材料2链链节节：聚合物链状分子中的聚合物链状分子中的重复结构单元重复结构单元。聚聚 合合 度度：大分子中的大分子中的链节数目链节数目。分分 子子 量量：链节分子量链节分子量 与与 聚合度聚合度的乘积。的乘积。聚合反应聚合反应：加聚反应（加聚反应（反应过程无副产物反应过程无副产物）、）、缩聚反应（缩聚反应（反应过程产生低分子化合物反应过程产生低分子化合物）有无反应副产物与聚合物收缩率的关系？有无反应副产物与聚合物收缩率的关系？第1页/共100页3大分子链分类（大分子链分类（化学成分化学成分）：）：a碳链大分子碳链大分子：主链全部由主链全部由碳原子碳原子构成；构
2、成；b.杂链大分子杂链大分子：主链中除了主链中除了碳碳外，还有外，还有O、N、S、P等等c.元素有机大分子元素有机大分子：主链主链无碳原子无碳原子（Si、O、N、Al、B、P）且且侧链为有机取代基侧链为有机取代基；d.元素无机大分子元素无机大分子：主链：主链无碳原子无碳原子，且，且侧链无有机取代基侧链无有机取代基。第2页/共100页41.1.2 1.1.2 结构特征结构特征（1 1）聚合物链的结构）聚合物链的结构：包括：包括空间构型空间构型、构象构象 和和 形态形态。a.a.聚合物链空间构型聚合物链空间构型：指指 聚合物链中原子或原子团聚合物链中原子或原子团 在空间的排列方式在空间的排列方式。
3、当分子链。当分子链的侧基为氢原子时，只有一种链结构。当分子链侧基的侧基为氢原子时，只有一种链结构。当分子链侧基除了除了氢原子外包含其它原子或原子团氢原子外包含其它原子或原子团时，根据其在分子链中占时，根据其在分子链中占据位置的不同，有据位置的不同，有三种空间构型三种空间构型。第3页/共100页5图图4.1 4.1 聚合物链的三种空间构型聚合物链的三种空间构型三种空间构型：三种空间构型：全同立构全同立构：其它原子或原子团：其它原子或原子团只占据分子链的一侧只占据分子链的一侧间同立构间同立构：其它原子或原子团：其它原子或原子团相间占据分子链的两侧相间占据分子链的两侧无规立构无规立构：其它原子或原子
4、团：其它原子或原子团无规律地分布在分子链的两侧无规律地分布在分子链的两侧第4页/共100页6b.b.聚合物链的构象聚合物链的构象：以单键连接的原子由于热运动，两个原子可以以单键连接的原子由于热运动，两个原子可以在保持键在保持键角、键长不变的前提下角、键长不变的前提下作相对旋转，称为作相对旋转，称为单键内旋单键内旋，由，由此而产生的聚合物链的空间形态称为此而产生的聚合物链的空间形态称为聚合物链的构象聚合物链的构象。图图4.2 4.2 聚合物链的构象聚合物链的构象 第5页/共100页7实际聚合物链的构象实际聚合物链的构象：带有不同形式和大小的侧基，带有不同形式和大小的侧基，很难发生单键内旋很难发生
5、单键内旋，而是以，而是以几个单键为一个独立单元进行内旋转，形成几个单键为一个独立单元进行内旋转，形成链段运动链段运动。高频率链段运动可以随时改变聚合物链构象，使线性分子高频率链段运动可以随时改变聚合物链构象，使线性分子链在空间呈卷曲状链在空间呈卷曲状。在拉力作用下可以伸展拉直，外力除。在拉力作用下可以伸展拉直，外力除去后又缩回到原来卷曲状，从而使去后又缩回到原来卷曲状，从而使聚合物具有柔性聚合物具有柔性。聚合物的柔性主要受构成聚合物的柔性主要受构成单键的元素单键的元素、分子链的侧基或支分子链的侧基或支链链、链节数链节数、温度温度等的影响。等的影响。第6页/共100页8c.c.聚合物链的形态聚合
6、物链的形态：线线 型型 及及 支支 化化 型型：构成线性聚合物，具有：构成线性聚合物，具有高弹性和热塑性高弹性和热塑性，又又称为称为热塑性聚合物热塑性聚合物，如，如涤纶、尼龙、生胶涤纶、尼龙、生胶等。等。交联型及网络型交联型及网络型：构成体型聚合物，具有：构成体型聚合物，具有较高的强度和热固性较高的强度和热固性，又称为又称为热固性聚合物热固性聚合物，如，如酚醛树脂、环氧树脂酚醛树脂、环氧树脂等。等。图图4.3 4.3 聚合物链的形态聚合物链的形态第7页/共100页9（2 2）聚合物链的聚集态）聚合物链的聚集态聚合物大分子通过聚合物大分子通过分子间作用力分子间作用力（范德华力、氢键范德华力、氢键
7、）聚集而）聚集而成，按照大分子排列的有序程度，聚合物聚集态有成，按照大分子排列的有序程度，聚合物聚集态有晶态晶态、非非晶态和混合态晶态和混合态三种。对于混合态，可用结晶区域所占百分数三种。对于混合态，可用结晶区域所占百分数表示聚合物结晶程度，称为表示聚合物结晶程度，称为结晶度结晶度。图图4.4 4.4 聚合物的聚集态（聚合物的聚集态（a a和和b b为晶态结构，为晶态结构，c c为混合态，为混合态，d d为非晶态）为非晶态）第8页/共100页10影响聚合物结晶度因素影响聚合物结晶度因素：冷却速度冷却速度、单体复杂程度单体复杂程度、链空间构型链空间构型和和链形态链形态冷却慢、单体简单、侧基原子或
8、原子团极性大，容易结晶冷却慢、单体简单、侧基原子或原子团极性大，容易结晶聚集态聚集态分子链特点分子链特点性能特点性能特点晶态晶态规则排列，分子间作用规则排列，分子间作用力大，运动困难力大，运动困难熔点、相对密度、强度熔点、相对密度、强度高，刚性、耐热性好高，刚性、耐热性好非晶态非晶态无规则排列，运动容易无规则排列，运动容易弹性、延伸率和韧性好弹性、延伸率和韧性好混合态混合态介于以上两者之间介于以上两者之间介于以上两者之间介于以上两者之间表表5.1 5.1 聚合物的结晶度与性能的关系聚合物的结晶度与性能的关系 第9页/共100页11强强度度：取决于聚合物分子内和分子间相互作用力取决于聚合物分子内
9、和分子间相互作用力；实际强度较低（杂质、内部缺陷等）实际强度较低（杂质、内部缺陷等）弹性模量弹性模量：与温度有关与温度有关（低于玻璃化转变温度时模量较高）（低于玻璃化转变温度时模量较高）温度高于玻璃化转变温度时迅速降低温度高于玻璃化转变温度时迅速降低热膨胀系数热膨胀系数：随温度增加而成非线性增加随温度增加而成非线性增加；高于金属和陶瓷高于金属和陶瓷 (环氧树脂环氧树脂50-10050-100 x10 x10-6-6/K/K，不饱和聚酯，不饱和聚酯100-200100-200 x10 x10-6 6/K)/K)耐耐 热热 性性：聚合物致命弱点聚合物致命弱点，受热时发生，受热时发生物理及化学变化物
10、理及化学变化 （软化、熔融软化、熔融、环化、交联、降解、氧化、水解）环化、交联、降解、氧化、水解）耐化学腐蚀耐化学腐蚀：优于金属但不如陶瓷；优于金属但不如陶瓷；热热 导导 率率：热的不良导体热的不良导体电电 导导 率率：电的不良导体。电的不良导体。1.1.3 1.1.3 聚合物的一般性能特点聚合物的一般性能特点第10页/共100页12聚合物用作基体材料时的要求聚合物用作基体材料时的要求：黏附力大黏附力大、固化收缩率小、有良好物理性能匹配固化收缩率小、有良好物理性能匹配聚合物用作基体材料时的作用聚合物用作基体材料时的作用：（1 1）固结分散的增强体以形成复合材料的整体固结分散的增强体以形成复合材
11、料的整体；（2 2）赋予制件形状赋予制件形状；（3 3）保护增强体不受或少受环境的不利影响保护增强体不受或少受环境的不利影响；（4 4）向增强体传递载荷以发挥承力功能向增强体传递载荷以发挥承力功能。聚合物基体的类型聚合物基体的类型：（1 1）热固性树脂热固性树脂：受热软化，发生交联，：受热软化，发生交联，转化不可逆转化不可逆环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂脂（2 2）热塑性树脂热塑性树脂：加热可变软或熔化，加热可变软或熔化，转化可逆转化可逆聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、氟树脂聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、氟树脂第11页/共100页1
12、31.2 1.2 热固性聚合物热固性聚合物1.2.1 1.2.1 环氧树脂环氧树脂（1 1）环氧树脂的定义）环氧树脂的定义指指含有两个或者两个以上的环氧基团的有机高分子化合物含有两个或者两个以上的环氧基团的有机高分子化合物，环氧基团环氧基团十十分活泼分活泼，可位于分子链的末端或中间，能，可位于分子链的末端或中间，能与多种类型的固化剂发生交联与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三维网状结构的高聚物反应而形成不溶、不熔的具有三维网状结构的高聚物。环氧树脂最早环氧树脂最早出现于出现于2020世纪三十年代且于世纪三十年代且于4040年代工业化年代工业化，已广泛用于已广泛用于碳纤维增强复
13、合材料，是碳纤维增强复合材料，是PMCPMC最重要的载体。最重要的载体。第12页/共100页14（2 2）环氧树脂的性能）环氧树脂的性能力学性能力学性能：固化后有：固化后有优异的力学性能优异的力学性能；电电 性性 能能：绝缘性能优良绝缘性能优良，高介电性、耐表面漏电、耐电弧，高介电性、耐表面漏电、耐电弧化学稳定性化学稳定性：很强化学稳定性很强化学稳定性，耐酸、耐碱、耐溶剂等，耐酸、耐碱、耐溶剂等突出尺寸稳定性和环境耐久性突出尺寸稳定性和环境耐久性（耐酶菌，可湿热环境使用）（耐酶菌，可湿热环境使用）第13页/共100页15（3 3）环氧树脂的工艺性）环氧树脂的工艺性可供选择的品种多样可供选择的品
14、种多样：有多种多样的环氧树脂、固化剂和改：有多种多样的环氧树脂、固化剂和改性剂体系，可以适应各种应用范围所提出的要求；性剂体系，可以适应各种应用范围所提出的要求；固化方便固化方便：选用不同环氧树脂品种、不同的固化剂和固化剂：选用不同环氧树脂品种、不同的固化剂和固化剂配方，可以在度范围内的不同温度下进行固化；配方，可以在度范围内的不同温度下进行固化；黏附力强黏附力强：结构中羟基和醚键对各种物质均有很强黏附力；：结构中羟基和醚键对各种物质均有很强黏附力；固化收缩率固化收缩率：固化反应直接进行，没有水或者其它挥发性副：固化反应直接进行，没有水或者其它挥发性副产物放出，所以产物放出，所以固化收缩率低（
15、小于）固化收缩率低（小于）。第14页/共100页16（）环氧树脂的分类（）环氧树脂的分类环氧树脂种类繁多，根据分子结构大体可分为五大类：环氧树脂种类繁多，根据分子结构大体可分为五大类：缩水缩水甘油醚类环氧树脂甘油醚类环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类缩水甘油胺类环氧树脂环氧树脂、线型脂肪族类环氧树脂线型脂肪族类环氧树脂、脂环族类环氧树脂脂环族类环氧树脂。复合材料工业上使用量最大的是复合材料工业上使用量最大的是缩水甘油醚类环氧树脂缩水甘油醚类环氧树脂，其，其中又以二酚基丙烷型环氧树脂（简称中又以二酚基丙烷型环氧树脂（简称双酚双酚A A型环氧树脂型环氧树脂）为）为主主
16、第15页/共100页171.2.2 1.2.2 酚醛树脂酚醛树脂定义定义：酚类和醛类的缩聚产物酚类和醛类的缩聚产物，常指由苯酚和甲醛经缩聚，常指由苯酚和甲醛经缩聚而得到的树脂，是而得到的树脂，是最早发明最早发明的一类热固性树脂。的一类热固性树脂。性能性能：良好机械强度、突出的瞬时耐高温烧蚀性能良好机械强度、突出的瞬时耐高温烧蚀性能应用应用：最老热固性树脂，但：最老热固性树脂，但原料易得、合成方便、性能突原料易得、合成方便、性能突出且有广泛改性的余地出且有广泛改性的余地，仍广泛用于仍广泛用于玻璃纤维、碳纤维增玻璃纤维、碳纤维增强的复合材料强的复合材料，在宇航工业方面，在宇航工业方面作为瞬时耐高温
17、和烧蚀的作为瞬时耐高温和烧蚀的结构材料结构材料有重要用途（空间飞行器、火箭、导弹等）。有重要用途（空间飞行器、火箭、导弹等）。第16页/共100页18第17页/共100页191.2.3 1.2.3 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂(unsaturated polyester resins,UPR或或UP)（1 1）定义）定义不饱和二元酸不饱和二元酸(或酸酐或酸酐)或它们与饱和二元酸或它们与饱和二元酸(或酸酐或酸酐)组成的组成的混合酸混合酸与与多元醇多元醇缩聚而成，通常在缩聚而成，通常在190190220220进行。进行。（2 2）化学性质）化学性质结结 构构：骨架主链上骨架主链上有有聚酯链键和不饱
18、和双键聚酯链键和不饱和双键，大分子链两端大分子链两端各各带有带有羧基和羟基羧基和羟基。酸性介质：酸性介质：水解是可逆的水解是可逆的，能耐酸性介质的侵蚀能耐酸性介质的侵蚀；碱性介质：碱性介质：水解不可逆的水解不可逆的，耐碱性较差耐碱性较差。第18页/共100页20（3 3）物理性质）物理性质密度密度：约：约1.111.111.20 g/cm31.20 g/cm3，固化时，固化时体积收缩率较大体积收缩率较大耐热性耐热性：热变形温度约：热变形温度约50506060，耐热性好的可达，耐热性好的可达120120力学性能力学性能：具有：具有较高拉伸、弯曲、压缩等强度较高拉伸、弯曲、压缩等强度耐化学腐蚀性能
19、耐化学腐蚀性能：耐水、稀酸、稀碱较好耐水、稀酸、稀碱较好，耐有机溶剂差耐有机溶剂差介电性能介电性能：介电性能良好介电性能良好第19页/共100页211.2.4 1.2.4 呋喃树脂呋喃树脂定义定义：分子链中含有分子链中含有呋喃环呋喃环结构结构。未固化的呋喃树脂与。未固化的呋喃树脂与许多热塑性和热固性树脂有很好的混溶性，可与环氧树许多热塑性和热固性树脂有很好的混溶性，可与环氧树脂或酚醛树脂混合起来进行改性。脂或酚醛树脂混合起来进行改性。性能性能：固化后呋喃树脂：固化后呋喃树脂耐强酸耐强酸（强氧化性硝酸和硫酸除（强氧化性硝酸和硫酸除外）、外）、强碱强碱 和和有机溶剂的侵蚀有机溶剂的侵蚀，在，在高温
20、下仍很稳定高温下仍很稳定，主，主要用作各种耐化学腐蚀和耐高浊的材料。要用作各种耐化学腐蚀和耐高浊的材料。环内含有四个碳原子和一个氧原子第20页/共100页22耐化学腐蚀材料耐化学腐蚀材料：可用来制备防腐蚀胶泥，用作化工设：可用来制备防腐蚀胶泥，用作化工设备衬里或其它耐腐材料。备衬里或其它耐腐材料。耐热材料耐热材料：玻璃纤维增强呋喃复合材料耐热性比一般的：玻璃纤维增强呋喃复合材料耐热性比一般的玻璃纤维增强酚醛复合材料高，可在玻璃纤维增强酚醛复合材料高，可在150150左右长期使用。左右长期使用。与环氧树脂或酚醛树脂混合改性与环氧树脂或酚醛树脂混合改性：将呋喃树脂与环氧树：将呋喃树脂与环氧树脂或酚
21、醛树脂混合使用，可改进玻璃纤维增强呋喃复合脂或酚醛树脂混合使用，可改进玻璃纤维增强呋喃复合材料的力学性能以及制备时的工艺性能，已广泛用来制材料的力学性能以及制备时的工艺性能，已广泛用来制备化工反应器的搅拌装置、贮槽及管道等化工设备。备化工反应器的搅拌装置、贮槽及管道等化工设备。第21页/共100页231.2.5 1.2.5 有机硅树脂有机硅树脂有机硅树脂是有机硅树脂是聚有机硅氧烷中一类分子量不高的聚有机硅氧烷中一类分子量不高的热固性树脂热固性树脂。用这类树脂制造的玻璃纤维增强复合材。用这类树脂制造的玻璃纤维增强复合材料，在较高的温度范围内（料，在较高的温度范围内（200200250250）长时
22、间连）长时间连续使用后，仍能续使用后，仍能保持优良的电性能保持优良的电性能，同时，还具有良，同时，还具有良好耐电弧性能及憎水防潮性能。好耐电弧性能及憎水防潮性能。第22页/共100页24（1 1）热稳定性）热稳定性：耐热性和耐高温性能均很高，热稳定耐热性和耐高温性能均很高，热稳定性范围可达性范围可达200200250250 （Si-OSi-O键有较高的键能：键有较高的键能：363kJ/mol363kJ/mol）。）。（2 2）力学性能）力学性能：有机硅树脂固化后的力学性能不高有机硅树脂固化后的力学性能不高，若在大分子主链上引进氯代苯基，可提高力学性能。若在大分子主链上引进氯代苯基，可提高力学性
23、能。第23页/共100页25（3 3）电性能）电性能：具有：具有优良的电绝缘性能优良的电绝缘性能 （击穿强度、耐高（击穿强度、耐高压电弧及电火花性能均较优异）。受电弧及电火花作用时，压电弧及电火花性能均较优异）。受电弧及电火花作用时，树脂即使裂解而除去有机基团，表面剩下的二氧化硅同样树脂即使裂解而除去有机基团，表面剩下的二氧化硅同样具有良好的介电性能。具有良好的介电性能。（4 4）憎水性）憎水性：吸水性很低吸水性很低 （水珠在表面只能滚落而不能（水珠在表面只能滚落而不能润湿，因此潮湿环境下复合材料仍能保持其优良性能）。润湿，因此潮湿环境下复合材料仍能保持其优良性能）。第24页/共100页26（
24、5 5）耐腐蚀性能）耐腐蚀性能：有机硅树脂玻璃纤维增强复合材：有机硅树脂玻璃纤维增强复合材料料可耐浓度可耐浓度 10%10%30%30%硫酸、硫酸、10%10%盐酸、盐酸、10%10%15%15%氢氧化钠、氢氧化钠、2%2%碳酸钠及碳酸钠及3%3%过氧化氢过氧化氢。醇类、脂肪烃和润滑油对它影响较小，但醇类、脂肪烃和润滑油对它影响较小，但耐浓硫酸及耐浓硫酸及某些溶剂（如四氯化碳、丙酮和甲苯）的能力较差。某些溶剂（如四氯化碳、丙酮和甲苯）的能力较差。第25页/共100页27结构特点结构特点：线型、分枝型线型、分枝型，遇热软化或熔融且可遇热软化或熔融且可反复进反复进行行力学性能力学性能：具有明显的力
25、学松弛现象具有明显的力学松弛现象；较大的断裂延伸率较大的断裂延伸率；抗冲击性能好抗冲击性能好。电学性能电学性能：优异的绝缘性能，对腐蚀性介质稳定优异的绝缘性能，对腐蚀性介质稳定。举举例例：聚烯烃聚烯烃、聚酰胺聚酰胺、聚酯聚酯、聚碳酸酯聚碳酸酯、聚甲聚甲醛醛、聚丙烯聚丙烯-十二烯十二烯-苯乙烯（苯乙烯（ABSABS树脂）树脂）等。等。1.3 1.3 热塑性聚合物热塑性聚合物1.3.1 1.3.1 热塑性聚合物热塑性聚合物第26页/共100页281.3.2 1.3.2 聚烯烃聚烯烃包括包括聚乙烯聚乙烯（产量最大）、（产量最大）、聚丙烯聚丙烯、聚苯乙烯聚苯乙烯和和聚丁烯聚丁烯等等1.3.3 1.3.
26、3 聚酰胺聚酰胺定义定义：分子链中含有酰胺基团（分子链中含有酰胺基团（尼龙尼龙）性能性能：具有良好的力学性能具有良好的力学性能 良好的耐磨性和耐腐蚀性良好的耐磨性和耐腐蚀性较之金属材料刚性较差，但比拉伸强度高于金属较之金属材料刚性较差，但比拉伸强度高于金属第27页/共100页291.3.4 1.3.4 聚碳酸酯（聚碳酸酯（PCPC）O O定义定义：分子链中含有（：分子链中含有（-ORO-C-ORO-C-）基团）基团的线性聚合物。的线性聚合物。性能性能：硬度高、韧性好，良好耐蠕变性、耐热性和电绝缘性硬度高、韧性好，良好耐蠕变性、耐热性和电绝缘性制品易产生应力开裂，耐溶剂和水能力差，制品易产生应力
27、开裂，耐溶剂和水能力差，高温下易水解高温下易水解第28页/共100页301.3.5 1.3.5 聚甲醛聚甲醛定义定义：分子链中含有（分子链中含有（-CH-CH2 2-O-O-）基团）基团高熔点、高结晶高熔点、高结晶 的的热塑性塑料热塑性塑料性能性能：优异的力学性能优异的力学性能（力学性能最接近金属的塑料）（力学性能最接近金属的塑料）很高的比强度和比刚度很高的比强度和比刚度 （在某些场合可以替代钢、铝、铜等金属）（在某些场合可以替代钢、铝、铜等金属）第29页/共100页311.3.6 1.3.6 氟树脂氟树脂定义定义：分子链中含有氟单体分子链中含有氟单体，应用最多为，应用最多为聚四氟乙烯聚四氟乙
28、烯，分子，分子式为式为()，产量约占氟塑料的。产量约占氟塑料的。性能性能：聚四氟乙烯是高度结晶的聚合物，分解温度为：聚四氟乙烯是高度结晶的聚合物，分解温度为400400度，度，可在可在度以下长期使用度以下长期使用，具有，具有优异的力学性能优异的力学性能,耐化学腐耐化学腐蚀性极强蚀性极强，能耐王水及沸腾的氢氟酸能耐王水及沸腾的氢氟酸（塑料王）（塑料王）第30页/共100页321.4 1.4 橡橡 胶胶 橡胶是指具有显著高弹性的一类高分子化合物，也橡胶是指具有显著高弹性的一类高分子化合物，也可用作复合材料的基体材料，包括可用作复合材料的基体材料，包括天然橡胶天然橡胶和和人造橡胶人造橡胶，如如丁苯橡
29、胶、氯丁橡胶、聚丁二烯橡胶丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚丁二烯橡胶等。等。不同于树脂基复合材料，橡胶基复合材料除了不同于树脂基复合材料，橡胶基复合材料除了要具要具有轻质高强的特点有轻质高强的特点外，还外，还应具有柔性和较大的弹性应具有柔性和较大的弹性。橡。橡胶基复合材料主要用来胶基复合材料主要用来制备轮胎、传动皮带制备轮胎、传动皮带等。等。第31页/共100页33（1 1）按聚合物基体的结构形式分类（）按聚合物基体的结构形式分类（最重要的分类方法最重要的分类方法）热固性树脂基、热塑性树脂基、橡胶基热固性树脂基、热塑性树脂基、橡胶基 复合材料复合材料（2 2）按增强体类型分类）按增强体类型分类纤维增强、
30、晶须增强、颗粒增强纤维增强、晶须增强、颗粒增强 聚合物基复合材料；聚合物基复合材料；（3 3）按增强纤维种类分类）按增强纤维种类分类玻璃纤维玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、其它纤维碳纤维、芳纶纤维、其它纤维 增强聚合物基复合材增强聚合物基复合材料料（4 4）按基体材料性能分类）按基体材料性能分类通用型通用型、耐化学介质腐蚀型耐化学介质腐蚀型、耐高温型、阻燃型耐高温型、阻燃型 聚合物基复合材料聚合物基复合材料1.5 1.5 聚合物基复合材料的分类聚合物基复合材料的分类第32页/共100页34第33页/共100页35 2.1 2.1 聚合物基复合材料制备方法分类聚合物基复合材料制备方法分类 2.2 2
31、.2 聚合物基复合材料的制造工艺聚合物基复合材料的制造工艺2 2 聚合物基复合材料的制备和加工聚合物基复合材料的制备和加工 第34页/共100页362.1.1 2.1.1 聚合物基复合材料制备工艺的特点聚合物基复合材料制备工艺的特点 （1 1）材料的形成和制品的成形是同时完成的材料的形成和制品的成形是同时完成的 （简化制品结构、减轻制品质量、降低工艺消耗简化制品结构、减轻制品质量、降低工艺消耗）（2 2）方法多样、工艺简便、设备简单、成本很低方法多样、工艺简便、设备简单、成本很低2.1 2.1 聚合物基复合材料制备方法分类聚合物基复合材料制备方法分类第35页/共100页372.1.2 聚合物复
32、合材料成形方法分类聚合物复合材料成形方法分类（1）预浸料预浸料/预混料制备预混料制备（2）接触成型接触成型（手糊成型）（手糊成型）（3）压力成型压力成型（袋压成型、模压成型、层压成型）袋压成型、模压成型、层压成型）（4）缠绕成型缠绕成型（5 5）树脂传递成型树脂传递成型（6 6）注射成型注射成型（7 7）拉挤成型拉挤成型上述各种成形方法之间存在着共性！上述各种成形方法之间存在着共性！第36页/共100页38图图4.5 4.5 复合材料制品的生产流程图复合材料制品的生产流程图 第37页/共100页39第38页/共100页40图图4.6 轮鼓缠绕法轮鼓缠绕法预浸料制备示意图预浸料制备示意图第39页
33、/共100页41：工艺对象：工艺对象：不连续纤维不连续纤维浸渍或混合树脂浸渍或混合树脂制品特征：制品特征：片状模塑料片状模塑料（Sheet molding compound，SMC）块状模塑料块状模塑料（Bulk Molding Compound，BMC）注射模塑料注射模塑料（Injection molding compound，IMC）第40页/共100页422.2.2 手糊成型（手糊成型（Hand Lay-up）（1）工艺概要）工艺概要 模具表面模具表面施加脱模剂、胶衣施加脱模剂、胶衣；涂刷树脂液体、铺增强材料；涂刷树脂液体、铺增强材料；手持手持 辊子使树脂浸渍增强体、压实并驱除气泡；辊子
34、使树脂浸渍增强体、压实并驱除气泡；重复铺层操作，达到制品设计厚度；重复铺层操作，达到制品设计厚度；固化固化最原始、最简单最原始、最简单的制备方法！的制备方法！第41页/共100页43图4.7 手糊成型工艺使用的模具及成型示意图第42页/共100页44（2 2）优点）优点1 1）适合少量生产适合少量生产；2 2）设备投资设备投资少少；3 3）可制形状复杂产品可制形状复杂产品；4 4）可进行材料设计可进行材料设计（3 3）缺点）缺点1 1）劳动密集型生产劳动密集型生产；2 2）增强体含量不太增强体含量不太高高（4 4）典型产品）典型产品 舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、建筑模型舰艇、风力发电机叶片
35、、游乐设备、建筑模型第43页/共100页452.2.3 树脂传递成型（树脂传递成型（Resin Transfer Molding，RTM）（1 1）工艺概要）工艺概要（闭模低压成型方法闭模低压成型方法）增强体置于上下模之间；增强体置于上下模之间；合模并将模具夹紧；合模并将模具夹紧；压力注射树脂；压力注射树脂；固化后打开模具，取下产品。固化后打开模具，取下产品。工艺关键：工艺关键：树脂要充满模腔树脂要充满模腔；注射压力注射压力0.4-0.5MPa0.4-0.5MPa第44页/共100页46 图图4.8 4.8 树脂传递成型示意图树脂传递成型示意图第45页/共100页47（2 2）优点）优点 1
36、1）增强体含量较高增强体含量较高；2 2）劳动强度低劳动强度低；3 3）成型周期较短成型周期较短；4 4）产品大型产品大型化化（3 3）缺点）缺点1 1）不易制作小产品不易制作小产品；2 2）模具复杂且成本高模具复杂且成本高（4 4）典型产品）典型产品 小型飞机与汽车零部件、客车座椅、仪表壳小型飞机与汽车零部件、客车座椅、仪表壳第46页/共100页48第47页/共100页49图图4.9 喷射成型原理图喷射成型原理图第48页/共100页50发物发物第49页/共100页51图图4.10 4.10 真空袋成型原理图真空袋成型原理图 第50页/共100页52第51页/共100页53图4.11 湿法缠绕
37、的工艺原理图 第52页/共100页54图4.12 缠绕成型绕线示意图第53页/共100页55第54页/共100页56第55页/共100页57图图 4.13 4.13 拉挤成型工艺原理拉挤成型工艺原理第56页/共100页58第57页/共100页59第58页/共100页60图图4.14 4.14 模压成型工艺原理模压成型工艺原理第59页/共100页61（2 2）工艺优点）工艺优点1 1）制品尺寸精度高制品尺寸精度高；2 2）可大批量可大批量生产生产；3 3）孔隙率低孔隙率低；4 4）原材料成原材料成本低本低（3 3）缺点）缺点1 1）模具费用较高模具费用较高；2 2）制品性能各向同性制品性能各向同
38、性第60页/共100页622.2.9 2.2.9 挤出成型挤出成型工艺概要工艺概要（热塑性塑料主要加工方法热塑性塑料主要加工方法）干燥干燥热塑性塑料粉料热塑性塑料粉料从料斗进入挤出机加热料从料斗进入挤出机加热料筒；筒；物料随料筒螺杆旋转而物料随料筒螺杆旋转而沿螺槽前移沿螺槽前移；物料受物料受机械剪切机械剪切和和料筒加热料筒加热而逐渐熔融；而逐渐熔融；熔融物料受熔融物料受螺杆轴向推力螺杆轴向推力而通过机头和口模；而通过机头和口模；与口模形状相似与口模形状相似的连续体冷却定型。的连续体冷却定型。第61页/共100页63图图4.15 4.15 挤出成型工艺示意图挤出成型工艺示意图第62页/共100页
39、642.2.10 2.2.10 反应注射成型反应注射成型（1 1）工艺概要）工艺概要 两种组分在混合区低压混合（两种组分在混合区低压混合（0.5MPa0.5MPa）；）；低压注射到闭模中（低压注射到闭模中（0.5-1.5MPa0.5-1.5MPa）；）；模具中模具中反应成型反应成型工艺关键工艺关键：在一种组分内加入磨碎玻纤原丝（增加强度）在一种组分内加入磨碎玻纤原丝（增加强度）第63页/共100页65图4.16 反应注射成型示意图第64页/共100页66（2 2）优点）优点1 1）工艺成本较低工艺成本较低；2 2）可快速生产可快速生产（固化快）（固化快）3 3）可制造大尺寸、形状复杂制品可制造
40、大尺寸、形状复杂制品；（3 3）缺点）缺点 采用磨碎玻璃纤维增强原料费用高采用磨碎玻璃纤维增强原料费用高（4 4）主要产品）主要产品 汽车仪表盘、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件汽车仪表盘、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件第65页/共100页672.2.11 2.2.11 树脂膜熔浸成型树脂膜熔浸成型（1 1）工艺概要）工艺概要 将增强物与树脂片将增强物与树脂片交替铺放交替铺放在模具内；在模具内；用真空袋包覆铺层并用真空袋包覆铺层并抽真空抽真空；加热熔化树脂加热熔化树脂并并流浸流浸增强物；增强物；经过一段时间使其固化经过一段时间使其固化第66页/共100页68图4.17 树脂膜熔浸成型示意图 第6
41、7页/共100页69（2 2）优点）优点 1 1）空隙率低，纤维含量高空隙率低，纤维含量高；2 2）较预浸法成较预浸法成本低本低（3 3）缺点）缺点 1 1）模具能经受一定温度模具能经受一定温度；2 2）尚未推广尚未推广（4 4）典型产品）典型产品 飞机雷达罩、舰艇声纳整流罩飞机雷达罩、舰艇声纳整流罩第68页/共100页70第69页/共100页71 图图4.18 4.18 纤维增强聚合物基复合材料应力应变曲线纤维增强聚合物基复合材料应力应变曲线CFRP(HM)CFRP(HM)：高模碳纤维；：高模碳纤维；CFRP(HT)CFRP(HT)：高强碳纤维；：高强碳纤维；KFRPKFRP：KevlarK
42、evlar纤维；纤维；GFRPGFRP：玻璃纤：玻璃纤维维第70页/共100页72第71页/共100页73（3 3）高温力学性能）高温力学性能：主要主要由基体控制由基体控制 图图4.19 FRP4.19 FRP的的高温力学性能高温力学性能UPUP：不饱和聚酯：不饱和聚酯EPEP：环氧树脂：环氧树脂PEEKPEEK：聚醚醚酮：聚醚醚酮 PIPI：聚酰亚胺：聚酰亚胺 第72页/共100页74第73页/共100页75图图4.20 FRP4.20 FRP与金属铝的疲劳性能对比与金属铝的疲劳性能对比KFKF：Kevlar Kevlar 纤维；纤维；BFBF：硼纤维；：硼纤维；S-GFS-GF：高强玻璃纤
43、维；：高强玻璃纤维；E-GFE-GF：E E玻璃纤维；玻璃纤维；EPEP：环氧树：环氧树脂脂第74页/共100页76第75页/共100页77 图图4.21 4.21 冲击试验中的典型加载历程冲击试验中的典型加载历程第76页/共100页78图图4.22 4.22 纤维复合材料中裂纹扩展模式纤维复合材料中裂纹扩展模式第77页/共100页79纤维非常显著地影响破坏模式纤维非常显著地影响破坏模式（韧性纤维较脆性纤维有更高的冲击强度韧性纤维较脆性纤维有更高的冲击强度）基体变形要吸收较多的能量基体变形要吸收较多的能量（较之热固性，热塑性基体有较大塑性变形而冲击强度高较之热固性，热塑性基体有较大塑性变形而冲
44、击强度高）纤维与基体界面粘结强度强烈地影响冲击破坏模式纤维与基体界面粘结强度强烈地影响冲击破坏模式（纤维脱胶可吸收大量能量纤维脱胶可吸收大量能量）第78页/共100页80 材料材料体积比体积比（Vol%Vol%）冲击强度冲击强度 （KJ/m2KJ/m2）石墨石墨 /EP/EPKavlar-40/EPKavlar-40/EPS GF/EPS GF/EPBF/EPBF/EP41304130合金钢合金钢43404340合金钢合金钢2024 T32024 T3铝合金铝合金6061 T66061 T6铝合金铝合金5555656572726060114114693693693693787859259221
45、52158484153153表表4.3 4.3 各种材料的典型冲击强度各种材料的典型冲击强度第79页/共100页81第80页/共100页82第81页/共100页83（4 4）阻燃性及耐火性）阻燃性及耐火性：依赖于基体树脂依赖于基体树脂（5 5）光学性能）光学性能：取决于：取决于基体和增强体对光透过性和折射性基体和增强体对光透过性和折射性（6 6）耐化学腐蚀性）耐化学腐蚀性：优良耐化学腐蚀性优良耐化学腐蚀性（7 7）耐候性）耐候性：户外使用时抵抗各种气候因素的能力户外使用时抵抗各种气候因素的能力 （日光、（日光、OO2 2、OO3 3、热、雨、风、沙、盐雾）、热、雨、风、沙、盐雾）FRPFRP耐
46、候性：耐候性：表面失去光泽表面失去光泽、起毛起毛、变黄变黄、纤维外露纤维外露 力学性能无显著变化力学性能无显著变化(就力学性能而言就力学性能而言优秀优秀)第82页/共100页84第83页/共100页85第84页/共100页86第85页/共100页87改善改善第86页/共100页88第87页/共100页893.2.2 3.2.2 玻璃纤维增强热塑性树脂对比玻璃纤维增强热塑性树脂对比表表4.4 4.4 各种塑料与玻璃纤维增强后的各种塑料与玻璃纤维增强后的性能对比性能对比第88页/共100页903.3 3.3 玻璃纤维增强热固性树脂（玻璃纤维增强热固性树脂（GFRPGFRP）第89页/共100页91
47、GFRPGFRP缺点：缺点：1 1）刚性差刚性差（弹性模量弹性模量比钢材小十倍比钢材小十倍）2 2）耐热性较低耐热性较低（连续使用温度连续使用温度350350以下以下）3 3）导热性较差导热性较差（摩擦产生（摩擦产生热量不易散出热量不易散出）4 4）容易老化容易老化（日光照射日光照射、空气氧化空气氧化、有机溶剂溶解有机溶剂溶解）第90页/共100页92第91页/共100页93第92页/共100页94玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂1 1）加工性能好加工性能好（成型容易，可制造大型构（成型容易，可制造大型构件）件）2 2）透光性好透光性好3 3）固化收缩率大固化收缩率大 （生成小分子化合
48、物）（生成小分子化合物）4 4）耐酸碱性差耐酸碱性差第93页/共100页953.4.1 3.4.1 高强度、高模量纤维增强塑料高强度、高模量纤维增强塑料基体树脂：基体树脂：环氧树脂环氧树脂增强材料：增强材料：碳、硼、芳香族纤维、晶须等高强、高模纤碳、硼、芳香族纤维、晶须等高强、高模纤维维性能特点：性能特点：密度小密度小、强度模量高强度模量高、热膨胀系数小热膨胀系数小；制备工艺简单制备工艺简单、成型方法多成型方法多；纤维价格昂贵，使用范围到限纤维价格昂贵，使用范围到限3.4 3.4 其它纤维增强塑料其它纤维增强塑料第94页/共100页96第95页/共100页97表表4.6 4.6 常见高性能纤维
49、增强环氧树脂性能对比常见高性能纤维增强环氧树脂性能对比增强纤维增强纤维碳纤维碳纤维KevlarKevlar纤维纤维硼纤维硼纤维相对密度相对密度1.61.61.41.42.02.0拉伸强度，拉伸强度，MPaMPa150015001400140017501750弹性模量，弹性模量，GPaGPa12127676120120第96页/共100页98第97页/共100页993.5 3.5 玻璃纤维增强聚合物基复合材料应用玻璃纤维增强聚合物基复合材料应用材料材料 密度，密度，g/cmg/cm3 3拉伸强度，拉伸强度，MPa MPa 弯曲模量，弯曲模量，MPa MPa 用途用途 尼龙尼龙66661.37 1
50、.37 182 182 91 91 轴承、齿轮等精密件、轴承、齿轮等精密件、电工件、汽车仪表等电工件、汽车仪表等 ABS ABS 1.28 1.28 101 101 77 77 化工装置、管道、容器化工装置、管道、容器等等 聚苯乙烯聚苯乙烯 1.28 1.28 95 95 91 91 汽车内装、收音机机壳、汽车内装、收音机机壳、空调叶片等空调叶片等 聚碳酸酯聚碳酸酯1.43 1.43 130 130 84 84 耐磨、绝缘仪表等耐磨、绝缘仪表等 表表4.7 4.7 常见常见玻璃纤维增强热塑性树脂玻璃纤维增强热塑性树脂的性能和用途的性能和用途第98页/共100页100表表4.84.8常见常见玻璃
