復合材料教案學習要點計劃

復合資料教課方案

PolymericCompositeMaterials

（講稿）

殷立霞

冀州市職教中心

2012年8月

第一講復合資料概論

一、資料的發(fā)展與人類社會的進步

資料是人類社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導，是人類進步的里程碑。綜觀人類發(fā)展和資料發(fā)展的歷史，能夠清楚地看到，每一種重要資料的發(fā)現(xiàn)和利用都會把人類支配和改造自然的能力提高到一個新的水平，給社會生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大的變化。資料的發(fā)展與人類進步和發(fā)展息息相關(guān)。一萬年前，人類使用石頭作為平常生活工具，人類進入了舊石器時代，人類戰(zhàn)爭也

進入了冷兵器時代。7000年先人類在燒制陶器的同時創(chuàng)立了煉銅技術(shù)，青銅制品廣泛地獲得應(yīng)用，同時又促使了人類社會發(fā)展，人類進入了青銅器時

代。同時火藥的發(fā)明又令人類戰(zhàn)爭進入了殺傷力更強的熱兵器時代。5000年先人類開始使用鐵，隨著煉鐵技術(shù)的發(fā)展，人類又發(fā)了然煉鋼技術(shù)。十九世

紀中期轉(zhuǎn)爐、平爐煉鋼的發(fā)展使得世界鋼產(chǎn)量迅猛增加，大大促使了機械、鐵路交通的發(fā)展。隨著二十世紀中期合金鋼的大量使用，人類又進入鋼鐵時代，鋼鐵在人類活動中起著舉足輕重的作用。核資料的發(fā)現(xiàn)，又將人類引入了能夠破壞自己的核軍備競賽，同時核資料的和平利用，又給人類帶來了光明。二十世紀中后期以來，高分子、陶瓷資料盛行以及復合資料的發(fā)展，又給人類帶來了新的資料和技術(shù)革命，樓房能夠越蓋越高、飛機越飛越快，同時人類進入太空的夢想成為了現(xiàn)實。

當前資料、能源、信息是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會將人類物質(zhì)文明推向新的階段。二十一世紀將是一個新資料時代。

二、復合資料的提出

現(xiàn)代高科技的發(fā)展更親近地依賴于新資料的發(fā)展；同時也對資料提出

了更高、更苛刻的要求。在現(xiàn)代高技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，特別是航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展，使資料的使用環(huán)境更加惡劣，所以對資料提出了越來越苛刻的要求。比方，航天飛機等空間翱翔器在翱翔過程中要碰到大氣阻力、地球引力、太陽輻射力、空間熱環(huán)境、太陽風、宇宙射線、宇宙塵埃、流星、磁矩等的作用。翱翔器發(fā)動機還要碰到其熱環(huán)境、內(nèi)流形成的氣動力、結(jié)構(gòu)振動、機件高

速轉(zhuǎn)動、液體晃動、振蕩燃燒和POGO振動等非正常破壞力的作用。同時由于飛

行范圍（M數(shù)、翱翔高度）的擴大、發(fā)動機的推力、比推力及推/重比大大提

高，以致了發(fā)動機壓力比、涵道比、進口溫度、燃燒室溫度、TIT、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等

也日益提高。由此組成的力、熱、化學和物理等效應(yīng)的作用，最后都要集中到組成翱翔器和發(fā)動機結(jié)構(gòu)的資料上去，所以對資料的質(zhì)輕、高強、高韌、耐熱、抗

1疲倦、抗氧化及抗腐化等特色也日益提出了更加苛刻的要求。

又如現(xiàn)代武器系統(tǒng)的發(fā)展對新資料提出了以下要求：

、高比強、高比模；

、耐高溫、抗氧化；

、防熱、隔熱；

、吸波、隱身；

、全天候；

、高抗破甲、抗穿甲性；

、減振、降噪，牢固、隱蔽、高精度和命中率；

、抗激光、抗定向武器；

、多功能；

、高可靠性和低成本。

很顯然，傳統(tǒng)的單一資料無法滿足以上綜合要求，當前作為單一的金

屬、陶瓷、聚合物等資料誠然仍在不斷日異月新地發(fā)展，但是以上這些資料由于其各自固有的限制性而不能夠滿足現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要。比方，金屬資料的強度、模量和高溫性能等已幾乎開發(fā)到了極限；陶瓷的脆性、有機高分子資料的低模量、低熔點等固有的弊端極大地限制了其應(yīng)用。這些都促使人們研究開發(fā)并按預定性能設(shè)計新式資料。

復合資料，特別是先進復合資料就是為了滿足以上高技術(shù)發(fā)展的需求而開發(fā)的高性能的先進資料。它由兩種或兩種以上性質(zhì)不同樣的資料組合而

成，各組分之間性能“揚長避短”，起到“共同作用”，能夠獲得單一資料無法比較的優(yōu)秀的綜合性能，極大地滿足了人類發(fā)展對新資料的需求。所以，復合資料是應(yīng)現(xiàn)代科學技術(shù)而發(fā)展出來的擁有極大生命力的資料?，F(xiàn)代科學技術(shù)不斷進步的結(jié)果，是資料設(shè)計的一個打破。

三、復合資料的發(fā)展歷史和意義：

實質(zhì)上，在自然界就存在著好多天然的復合物。比方天然的好多植物竹子、

樹木等就是自生長長纖維加強復合資料；人類肌肉/骨骼結(jié)構(gòu)也是復合資料結(jié)構(gòu)

原理。我們的祖先也早就創(chuàng)立和使用了復合資料。6000年先人類就已經(jīng)會用稻

草加粘土作為建筑資料砌建房屋墻壁，迄今在某些貧窮農(nóng)村依舊沿用著這類原始的非連續(xù)纖維加強復合資料。在現(xiàn)代，復合資料的應(yīng)用更比目皆是，與平常生活和公民經(jīng)濟密不能分。如由沙石、鋼筋和水泥組成的水泥復合資料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用；玻璃纖維加強塑料（玻璃鋼）更是一種廣泛應(yīng)用的較現(xiàn)代化復合資料。

2現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復合資料。比方就航天、航空翱翔器減少結(jié)

構(gòu)重量這點而言，噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量減1Kg，飛機結(jié)構(gòu)可減重4Kg，升限可

提高10米；一枚小性洲際導彈第三級結(jié)構(gòu)重量減少1Kg，整個運載火箭的騰躍重

量即可減少50Kg，地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)重量即可減少100Kg，在有效載荷不變的條件下，可增加射程15~20Km；而航天飛機的重量每減少1Kg，其發(fā)射成本花銷

就可以減少15000美元(圖1、圖2)。所以，現(xiàn)代航空、航天領(lǐng)域?qū)Π肯杵鹘Y(jié)構(gòu)的減重要求已經(jīng)不是“錙銖必較”，而是“克克計較”。

圖1火箭殼體資料對射程的影響

先進復合資料擁有高比強度、高比模量的優(yōu)點，能夠顯然減少結(jié)構(gòu)重量，

是理想的現(xiàn)代翱翔器結(jié)構(gòu)資料。先進復合資料的使用，不但極大地提高了現(xiàn)代翱翔器的性能，使得人類飛天、登月的夢想變成現(xiàn)實，同時也創(chuàng)立了巨大的經(jīng)濟效

益。先進復合資料結(jié)構(gòu)在新式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中已占了85%以上，在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域具

有廣泛的應(yīng)用遠景（圖3）。

綜上所述，復合資料對現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的作用。復合資料的研究深度和應(yīng)用廣度及其生產(chǎn)發(fā)展的速度和規(guī)模已成為衡量一個國家科學技術(shù)先進水平的重要標志之一。復合資料是現(xiàn)代科學技術(shù)不斷進步的結(jié)果，是資料設(shè)計的一個打破；復合資料的發(fā)展同時又進一步推動了現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷步。能夠猜想，隨著高性能樹脂先進復合資料的不斷成熟和發(fā)展、金屬基、特別是金

屬間化合物基復合資料和陶瓷基復合資料的合用化、以及微觀尺度的納米復合資料和分子復合資料的發(fā)展，復合資料在人類生活中的重要性將越來越顯然。同

時，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代復合資料也將賜予新的內(nèi)容和使命。21世紀將是

復合資料的新時代。3

第二章復合資料歸納

一、復合資料的定義和特色：

1、復合資料的定義：

國際標準化組織（ISO）將復合資料定義為是：兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同樣的物質(zhì)組合而成的一種多相固體資料。

和認為復合資料是兩個或兩個以上組元或相組成的混雜物，并應(yīng)滿足下面三個條件：

1）組元含量大于5%；

2）復合資料的性能顯然不同樣于各組元的性能；

3）經(jīng)過各種方法混雜而成。

在“資料科學技術(shù)百科全書”和“資料大辭典”中將復合資料定義以下：復合資料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同樣資料經(jīng)過復合工藝組合而成的新式資料。它與一般資料的簡單混雜有實質(zhì)差異，既保留原組成材

料的重要特色，又經(jīng)過復合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。能夠經(jīng)過資料設(shè)計使原組分的性能互相補充并互相關(guān)系，從而獲得更優(yōu)越的性能。

復合資料將由宏觀復合形式向微觀（細觀）復合形式發(fā)展，包括原位生長復合資料、納米復合資料和分子復合資料等。

綜上所述，復合資料定義所闡述的主要有兩點，即組成規(guī)律和性能特色。

2、復合資料的特色：

1）由兩種或多種不同樣性能的組分經(jīng)過宏觀或微觀復合在一起的新式資料，組分之間存在著顯然的界面。

2）各組分保持各自固有特色的同時可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賜予單一資料所不具備的優(yōu)秀特別性能。

3）復合資料擁有可設(shè)計性。

3、復合資料的基本結(jié)構(gòu)模式

復合資料由基體和加強劑兩個組分組成：

復合資料結(jié)構(gòu)平常一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是一以獨立的形

態(tài)分布在整個基體中的分別相，這類分別相的性能優(yōu)越，會使資料的性能顯然改進和和加強，稱為加強劑（加強相、加強體）。

加強劑（相）一般較基體硬，強度、模量較基體大，或擁有其余特色。

加強劑（相）能夠是纖維狀、顆粒狀或彌散狀。

4加強劑（相）與基體之間存在著顯然界面。

二、復合資料的分類

——一般復合資料

—按性能分類：——先進復合資料

—熱固性

—聚合物復合資料——熱塑性

—金屬基復合資料

—按基體分類———陶瓷基復合資料

—碳碳復合資料

—水泥基復合資料

—結(jié)構(gòu)復合資料

—按用途分類———功能復合資料

—智能復合資料

—按加強劑分類———顆粒加強復合資料

—晶須加強復合資料

—短纖維加強復合資料

—連續(xù)纖維加強復合資料

—混雜纖維加強復合資料

—三向編織復合資料

一般復合資料：一般玻璃、合成或天然纖維加強一般聚合物復合資料，如

玻璃鋼、鋼筋混凝土等。

先進復合資料（AdvancedComposite，HighPerformanceComposite）：

高性能加強劑（碳、硼、Kevlar、氧化鋁、SiC纖維及晶須等）加強高溫聚

合物、金屬、陶瓷和碳（石墨）等復合資料。

一般來講，先進復合資料的比強度和比剛度應(yīng)分別達到400MPa/(g/cm3)和

40GPa/(g/cm3)以上。

結(jié)構(gòu)復合資料：用作承力和次承力結(jié)構(gòu)。要求擁有質(zhì)量輕、高強度、高剛度、耐高溫以及其余性能。

功能復合資料：電、熱、聲、摩擦、阻尼等。包括機敏和智能復合資料。

混雜復合資料：兩種或兩種以上加強體組成的復合資料。經(jīng)過產(chǎn)生混雜效應(yīng)改進性能和降低成本。

5結(jié)構(gòu)/功能一體化復合資料：在保持資料基本力學性能的前提下，擁有特定功能特色，如光、電、磁、摩擦、阻尼等。

一、復合資料的基本性能（優(yōu)點）：

1、高比強度、高比模量（剛度）：

圖2-1典型金屬基體復合資料與基體資料合金性能的比較

與傳統(tǒng)的單一資料對照，復合資料擁有很高的比強度和比模量（剛度）：

比強度、比模量：資料的強度或模量與其密度之比。3比強度=強度/密度MPa/（g/cm）,3比模量=模量/密度GPa/（g/cm）。

資料的比強度愈高，制作同一部件則自重愈小；資料的比模量愈高，部件的剛度愈大。

2、優(yōu)秀的高溫性能：

圖2–2不同樣SiC纖維復合資料的使用溫度范圍

6復合資料能夠在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用，同時其使用溫度均高于復合資料基

體。當前聚合物基復合資料的最高耐溫上限為350C；金屬基復合資料按不同樣的

基體性能，其使用溫度在3501100C范圍內(nèi)變動；陶瓷基復合資料的使用溫

度可達1400C；而碳碳復合資料的使用溫度最高，可高達2800C。

3、優(yōu)秀的尺寸牢固性：

加入加強體到基體資料中不但能夠提高資料的強度和剛度，而且能夠使其熱膨脹系數(shù)顯然下降。經(jīng)過改變復合資料中加強體的含量，能夠調(diào)整復合資料的熱

膨脹系數(shù)。比方在石墨纖維加強鎂基復合資料中，當石墨纖維的含量達到48%時，復合資料的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時其制品不發(fā)生熱變形。這對人

造衛(wèi)星構(gòu)件特別重要。

圖2-3不同樣資料的尺寸牢固性和比模量

4、優(yōu)秀的化學牢固性：

聚合物基復合資料和陶瓷基復合資料擁有優(yōu)秀的抗腐化性。

5、優(yōu)秀的抗疲倦、蠕變、沖擊和斷裂韌性：

由于加強體的加入，復合資料的抗疲倦、蠕變、沖擊和斷裂韌性等性能獲得提高，特別是陶瓷基復合資料的脆性獲得顯然改進

6、優(yōu)秀的功能性能：包括光、電、磁、熱、燒蝕、摩擦及潤滑等性能。7

第二講復合資料的加強資料

復合資料的加強資料：提高基體資料機械強度、彈性模量等力學性能的資料的統(tǒng)稱。

復合資料的分類：從物理形態(tài)來看有纖維狀加強資料、片狀加強資料、顆粒狀加強資料等。

纖維狀資料加強作用顯然的原因是其拉伸強度和拉伸彈性模量比同一塊狀資料要大幾個數(shù)量級。

2.1玻璃纖維

玻璃纖維由熔融的玻璃經(jīng)拉絲而成，可制成連續(xù)纖維和短纖維。由于其制取方便，價格低價，是應(yīng)用最多的加強纖維。

玻璃纖維的特色

擁有不吸水、不燃燒、尺寸牢固、隔熱、吸聲、絕緣、能透過電磁波等特色，有優(yōu)秀的耐腐化性，除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對其余溶劑有優(yōu)秀的化學牢固性。其弊端是脆性大，耐磨性差。質(zhì)地嬌嫩，可紡織成各種玻璃布、帶等。

玻璃纖維的分類

以玻璃原料成分分類（以含堿量區(qū)分）：

無堿玻璃纖維（堿含量<0.5%）、中堿玻璃纖維（堿含量為11.5%～

12.5％）和特種玻璃纖維

以單絲直徑分類：

粗纖維：30μm；

初級纖維：20μm；

中級纖維：10一20μm；

高級纖維：3一l0μm(亦林紡織纖維)。對于單絲直徑小于4μm的玻田纖維稱為特細纖維。

3.以外觀分類：

有連續(xù)纖維（無捻粗紗及有銘粗紗（用于紡織））；短切纖維；空心玻璃纖維；玻璃粉及磨細纖維等。

以纖維特色分類：

高強玻璃纖維；高模量玻璃纖維；耐高溫玻璃纖維；耐堿玻

8璃纖維；耐酸玻璃纖維；一般玻璃纖維。

玻璃纖維的結(jié)構(gòu)（兩種假說）

微晶結(jié)構(gòu)假說：玻璃是由二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之

間由硅酸塊過冷溶液所填充。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說：玻璃是由二氧化硅的周圍體、鋁氧三面體或硼氧三

面體互相連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽離子

所填充。二氧化硅周圍體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)（圖3-

1），填充的Na、Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。

玻璃纖維的力學性能

（1）拉伸強度

微裂紋假說：纖維的理論拉伸強度可達到2000MPa～12000MPa，但實質(zhì)上由于玻璃纖維表面存在微裂紋大大降低強度。特別以表面的微裂紋的

危害最大。

分子取向假說：玻璃纖維成型時，由于拉絲機的牽引力作用，使玻璃纖維分子產(chǎn)生定向排列，從而提高玻璃纖維的強度。

影響玻璃纖維強度的因素：

①纖維直徑和長度：直徑越細，拉伸強度越高，長度越長拉伸強度

下降。

②化學組成：含堿量越高強度越低。

③存放時間：由于老化，纖維的強度隨著時間的增加而降低。

其余還有施加負荷時間、成型方法和成型條件。

（2）彈性

①延伸率。一般為3％。

②彈性模量。比人造纖維高，但比金屬低，加入BeO、MgO能提高

彈性模量。

（3）纖維的耐磨性和耐折性。這兩個性能都較差。

3.熱性能

9玻璃纖維的導熱系數(shù)小，隔熱性好。其耐熱性高，其消融點為550℃～580℃。

電性能

同一般的玻璃，能夠?qū)щ姡鋵щ娦匀Q于化學組成、溫度和濕

度。

玻纖的界面辦理(interfacefinishing)

玻纖的表面辦理有機硅烷類偶聯(lián)劑

有機酸氯化鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑的作用(functionsofcouplingagent)：

①在兩相界面形成化學鍵，大幅度提高界面粘接強度②改進了界面對應(yīng)力的傳完收效③供應(yīng)了一個可塑界面層，可部分除掉界面節(jié)余應(yīng)力

④供應(yīng)了一個防水層，保護了界面，阻攔了脫粘和腐化的發(fā)生偶聯(lián)劑對不同樣復合系統(tǒng)擁有較強的選擇性

纖維表面辦理方法

后辦理法

此法分兩步：第一除掉玻璃纖維表面的紡織型浸潤劑，爾后經(jīng)辦理劑溶液浸漬、水洗、烘干等工藝，使玻璃纖維表面被覆上一層辦理劑。

其主要特色是：辦理的各道工序都需要特地的設(shè)備，初投資較大，玻璃纖維強度損失大，但辦理收效好，是當前國內(nèi)外最常使用的辦理方法。

前辦理法

這類方法需合適改變浸潤劑的配方，使之既能滿足拉絲、退并、紡織各道工序的要求，又不阻攔樹脂對玻璃纖維的浸潤和粘結(jié)。它的優(yōu)點：

①省去了復雜的辦理工藝及設(shè)備，使用簡略；

②防備了因熱辦理造成的玻璃纖維強度損失。

它是很有價值又比較理想的辦理方法。但技術(shù)復雜，尚需進一步研

究。

遷移法

遷移法是將化學辦理劑直接加入到樹脂膠液中，借辦理劑從纖維表面的“遷移”作用與纖維發(fā)生作用，從而產(chǎn)生偶聯(lián)作用。

2.2碳纖維10定義：碳纖維是一種纖維狀碳資料，它是用一些含碳的有機纖維，如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等做原料，將這些有機纖維跟塑料樹脂結(jié)合在一起，放在惰性氣氛中，在必然的壓強下加強熱碳化而成。

性能：碳纖維及其復合資料擁有高比強度，高比模量，耐高溫，耐腐化，耐疲倦，抗蠕變，導電，傳熱，和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)秀性能，它們既能夠

作為結(jié)構(gòu)資料承載負荷，又能夠作為功能資料發(fā)揮作用，當前幾乎沒有什么資料擁有這么多方面的特色。所以，碳纖維及其復合資料近來幾年來發(fā)展十分迅速。

以粘膠纖維為原料制取碳纖維時，先在氮或氬等惰性氣體中進行400℃

以下的低溫牢固化辦理，爾后在惰性氣體保護下于1000～1500℃進行碳化

辦理，制成含碳量90％以上的碳纖維，最后于2500～3000℃的高溫下

進行石墨化辦理，制得石墨碳纖維。

用聚丙烯腈為原料制造碳纖維的過程為

碳纖維資料性能特色

（1）抗拉強度：碳纖維的抗拉強度約為鋼材的10倍。

（2）彈性模量：碳纖維復合資料的拉伸彈性模量高于鋼材，可達

3000cN/tex以上，斷裂伸長率為0.5％～2.0％。但芳綸和玻璃纖維復合資料

的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一。

（3）疲倦強度：碳纖維和芳綸纖維復合資料的疲倦強度高于高強綱絲。金

屬資料在交變應(yīng)力作用下，疲倦極限僅為靜荷強度的30%～40%。由于纖維與基體復合可緩和裂紋擴展，以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性，復合資料

的疲倦極限較高，約為靜荷強度的70%～80%，并在破壞前有變形顯然的征兆。

4）重量：約為鋼材的五分之一。

5）與碳纖維板的比較：碳纖維片材能夠粘貼在各種形狀的結(jié)構(gòu)表面，而板材更合用于規(guī)則構(gòu)件表面。其余，由于粘貼板材時基層樹脂的用量比片材多、厚度大，與混凝土界面的粘接強度不如片材。

（6）碳纖維擁有優(yōu)秀的機械性能，其斷裂強度為15cN/tex左右，擁有自潤滑性能。（7）其化學性質(zhì)與碳相似，在室溫下是惰性的，除能被強氧化劑氧化11外，一般的酸堿對碳纖維不起作用。在惰性氣體中，其耐熱性十分突出，在

1500℃以上的高溫下強度才開始降低。

（8）碳纖維導電性能好，比電阻在1×l0-2Ω·cm以下，吸附性強。

（9）碳纖維的弊端是抗壓性差，易折斷，耐沖擊性能差。

碳纖維的種類

依照加工纖維時的辦理溫度不同樣，分為碳纖維和石墨纖維。碳纖維是在

1000～2300℃范圍內(nèi)碳化獲得的，石墨纖維是在2300℃以上碳化獲得的，其含碳量高出98％，結(jié)構(gòu)上近似石墨，有金屬光彩。

按碳纖維強度的不同樣，可分為一般碳纖維和高強度高模量碳纖維。一般

碳纖維的強度和模量分別小于1.2GPa和100GPa；高強度高模量碳纖維的強度和模量分別高于1.5GPa和170GPa。

依照制造碳纖維所用原料的不同樣，可分為纖維素系碳纖維、聚丙烯腈系碳纖維、瀝青系碳纖維。

碳纖維的結(jié)構(gòu)特色

碳纖維之所以擁有很高的抗拉強度主要由于類石墨結(jié)構(gòu)分子層片沿纖維軸的高度取向。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。層片分子取向度的高低和纖維內(nèi)部弊端的多少是

決定碳纖維強度的主要因素。12

第三講

第2章基體資料

2.1歸納

以高分子資料為基體，加入各種纖維制成的復合資料。對這類復合資料平常能夠按加強纖維的不同樣來進行分類。如：玻璃纖維加強樹脂基復合資料、碳纖維加強樹脂基復合資料等。

復合資料基體：為復合資料中起到粘結(jié)加強體成為整體并轉(zhuǎn)遞載荷到加強體的主要組分之一。

圖2–1熱塑性a、b和熱固性c聚合物的形態(tài)特色

2.2聚合物基體熱固性樹脂熱固性聚合物:環(huán)氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹脂等。平常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預聚體，經(jīng)加熱或加固化劑發(fā)生交聯(lián)化學反響并經(jīng)過凝膠化

和固化階段后，形成不溶、不熔的三維網(wǎng)狀高分子（圖6-1c）。熱固性樹

脂在初始階段流動性很好，簡單浸透加強體，同時工藝過程比較簡單控制。

這些樹脂幾乎合適于各種種類的加強體。平常都先制成預浸料，使浸入加強

體的樹脂處于半凝固狀態(tài)，在低溫保留條件下限制其固化反響，并應(yīng)在必然

時期內(nèi)進行加工。各種熱固性樹脂的固化反響機理不同樣，依照使用要求的差

異，采用的固化條件也有很大的差異。一般的固化條件有室溫固化、中溫固

化（120C左右）和高溫固化（170C以上）。這類高分子平常為無定型結(jié)

構(gòu)。擁有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性能和尺寸牢固性好等優(yōu)點。131)環(huán)氧樹脂(EP):o

一種分子中含有兩個或兩個以上活性環(huán)氧基團(—C—C—)的低聚

物。按化學結(jié)構(gòu)分類以下：

縮水甘油醚EP

—縮水甘油類縮水甘油胺EP

縮水甘油酯EP

—脂環(huán)族EP—脂肪族EP環(huán)氧樹脂是線型結(jié)構(gòu)，必定加入固化劑使它變成不溶不熔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才適用途。按固化工藝可分為三大類：1）含有爽朗氫的化合物，它仍在固化時發(fā)生加成聚合反響；2）離子型惹起劑，它可分陰離子和陽離子；3）交聯(lián)劑，它能與雙酚A型環(huán)氧樹脂的氫氧基進行交聯(lián)。

常用的固化劑包括脂肪族或芳香族胺類，有機多元酸或酸酐等。

表2-1熱固性樹脂的力學性能

雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）

雙馬樹脂是馬來酸酐與芳香族二胺反響生成預聚體，再高溫交聯(lián)而成的

一類熱固性樹脂。

交聯(lián)后的雙馬樹脂擁有不熔、不溶的特色，有高的交聯(lián)度，固化后的密

14度在1.351.4g/cm3之間，玻璃化溫度（Tg）在250300C之間，使用溫度為150200C。3）聚酰亞胺樹脂（PMR）

聚酰亞胺樹脂是主鏈含雜環(huán)結(jié)構(gòu)的聚合物。其典型反響是芳香二酸酐與芳香二胺生成聚酰胺酸，在熱作用下酰胺脫水形成聚酰亞胺。聚酰亞胺

樹脂

熱塑性樹脂

熱塑性聚合物:包括各種通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料

（尼龍、聚碳酸酯等）和特種耐高溫聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮

等）。它們是一類線形或有支鏈的固態(tài)高分子（圖6-1a、b），可溶可熔，

可屢次加工而無化學變化。在加熱到必然溫度時能夠消融甚至流動，從而在壓力和模具的作用下成型，并在冷卻后硬化固定。這類聚合物必定與加強體制成連續(xù)的片（布）、帶狀和粒狀預浸料，才能進一步加工成各種復合資料構(gòu)件。這類高分子分非晶（或無定形）和結(jié)晶兩類。平常結(jié)晶度在20-85%之間。擁有質(zhì)輕、比強度高、電絕緣、化學牢固性、耐磨潤滑性好，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。與熱固性聚合物對照，擁有顯然的力學廢弛現(xiàn)象；在外力作用下形變大；擁有相當大的斷裂延伸率（圖6-2）；抗沖擊性能較好。聚合物的力學特色：

圖2–2不同樣樹脂資料的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖2-3溫度及加載速度對高聚物

力學性能的影響

決定聚合物強度的主要因素是分子內(nèi)分子之間的作用力。聚合物的破壞可是是聚合物主鏈上化學鍵的斷裂或是聚合物分子鏈之間互相作用的破壞。

高聚物的力學性能強烈依賴于溫度和加載速率（時間）（圖6-3、4）。同時考慮“溫度—時間—環(huán)境—載荷”幾方面的因素才能真實反響資料的性

15能。

圖2-4熱塑性聚合物狀態(tài)與溫度的關(guān)

1—非晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線，2—結(jié)晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線

高聚物特色溫度：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，熔點Tm和粘流溫度Tf

在Tg以下：為硬而脆或硬而韌的固體（玻璃態(tài)）；

在Tg周邊：非晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而有彈性的橡膠態(tài)；半晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而韌的皮革態(tài)；

熱塑高聚物Tg基本固定；熱固高聚物Tg隨其交聯(lián)度的增加而增加,當

交聯(lián)度很高時，達到Tg后無顯然的消融現(xiàn)象

Tm（非晶）、Tf（結(jié)晶）：成為高粘度的流體（粘流態(tài)）。

1）聚醚醚酮（PEEK）

PEEK是一種半結(jié)晶型熱塑性樹脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143C，熔點

為334C，結(jié)晶度一般在20-40%，最大結(jié)晶度為48%。

PEEK在空氣中的熱分解溫度為650C，加工溫度在370420C，室溫彈性

模量與環(huán)氧樹脂相當，強度優(yōu)于環(huán)氧，斷裂韌性極高，擁有優(yōu)秀的阻燃性。

PEEK基復合資料可在250C的溫度下長遠使用。

2）聚苯硫醚（PPS）

結(jié)晶型聚合物，耐化學腐化性極好，在室溫不溶任何溶劑，可長遠耐熱

至240C。

3）聚醚砜（PES）

非晶聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為225C，可在180C下長遠使用；有突

16出的耐蠕變性、尺寸牢固性；熱膨脹系數(shù)與溫度沒關(guān)，無毒，不燃。

4）熱塑性聚酰亞胺

聚醚酰胺（PEI）：長遠使用溫度為180C。

聚酰胺酰亞胺（PAI）：Tg達280C，長遠使用溫度為240C。

2.3金屬

用于450C以下的輕金屬基體（鋁、鎂及其合金）1-1鋁及其合金:面心立方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。熔點為660C，密度2.7g/cm3。塑性優(yōu)秀，導熱、導電性能好；化學活性高，強度不高。鋁合金中常用的合金元素有銅、鎂、鋅、錳和硅等?？煞肿冃武X合金和鑄造鋁合金(ZL)。變形鋁合金可分為:防銹鋁(LF)、硬鋁（LY）、超硬鋁(LC)、鍛鋁（LD）。鋁合金需用固溶辦理、淬火和時效來改進和提高性能。固溶辦理是指

經(jīng)過加熱使合金中第二相完好溶入相中，并經(jīng)過擴散平均化，以固溶加強

方式加強合金。淬火是指固溶辦理后用水或其余介質(zhì)將合金急冷至室溫，獲得最大飽和度的平均固溶體。淬火是時效辦理的前提。

指經(jīng)過過飽和度固溶體的分解,析出介牢固的第二相(過渡相)并彌散分布。經(jīng)過時效鋁合金的強度和硬度顯然提高。

圖6-5鋁合金的相圖

1-2鎂及其合金:

鎂擁有密排六方結(jié)構(gòu)，密度為1.74g/cm3。鎂的強度和模量都很

低，但比強度、比模量較高。其室平易低溫塑性較低，但高溫塑性好，可進行各種形式的熱變形加工。

17

圖6-6鎂-鋁合金相圖圖6-7鎂-鋅合金相圖

鎂的合金化也是利用固溶加強和時效加強來提高合金的常平易高溫性

能。其合金化元素有鋁、鋅、鋯、錳和稀土等。鎂合金主要有Mg-AL-Zn系和

Mg-Zn-Zr系，分變形鎂合金和鑄造鎂合金。

用于450700C復合資料的金屬基體（鈦及其合金）

鈦的密度為4.51g/cm3，熔點1678C，熱膨脹系數(shù)7.3510-6/K，導電

和導熱性差，耐腐化性優(yōu)秀。鈦有兩種同素異構(gòu)結(jié)構(gòu)。882.5C以下為密

排六方結(jié)構(gòu)（-Ti）；882.5C以上至熔點為體心立方結(jié)構(gòu)（-Ti）。

純鈦的塑性極好，其強度可經(jīng)過冷加工硬化和合金化獲得顯然提高。鈦

合金一般按合金元素加入后在退火組織中的作用分為型、型和+

型三類。合金化后的耐熱性顯然提高，可作為高溫結(jié)構(gòu)資料，長遠使用溫度

可達650C。

鈦合金中合金元素對鈦的同素異構(gòu)體的作用在于能提高鈦同素異構(gòu)體的

轉(zhuǎn)變溫度。擴大區(qū)和增加相牢固性的合金元素為牢固元素；降低鈦的

同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變溫度，擴大相區(qū)，并在復相合金中優(yōu)先溶于相內(nèi)的合金

元素為牢固元素，是加強相的主要元素。

為了獲得最正確的機械性能，鈦合金需要進行合適的退火、淬火和無效等

熱辦理。退火合用于各種鈦及鈦合金，而且是型鈦合金和牢固化元素較

少的和+型鈦合金的唯一熱辦理方式。退火的目的是除掉內(nèi)應(yīng)力，提高

塑性和牢固組織及除掉加工硬化。應(yīng)力退火溫度一般為450650C，空

冷；再結(jié)晶溫度為750800C，空冷。

表6-2鈦合金復合資料中常用鈦及鈦合金成分及性能18

型和牢固化元素很多的+型鈦合金能夠進行淬火和無效等熱處

理，以提高合金的強度。這類合金的淬火溫度一般選在+兩相區(qū)的上部

范圍，為750950C，水冷；時效溫度為450550C，時間為幾小時到幾

十小時。

鈦合金的淬火時效體系近似于鋁合金，但又有差異。主要差異在于鋁合

金固溶時，獲得過飽和固溶體，而鈦合金獲得的是牢固化元素欠飽和固

溶體；鋁合金時效加強是依賴過渡相，而鈦合金時效加強是依賴彌散分布的平衡相加強。

用于1000C高溫復合資料的金屬基體

3-1高溫合金(Superalloys)

高溫合金是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金的總稱，在高溫下?lián)碛泻艿某?/p>

久、蠕變和疲倦強度。為了獲得高強度與高蠕變抗力，合金元素必定保證產(chǎn)

生在高溫下強而牢固的顯微組織。固溶加強、彌散加強和析出硬化。其典型

組織為：奧氏體基體和彌散分布于其中的加強相，它能夠是碳化物相、金屬

間化合物相或牢固化合物質(zhì)點。

鐵基高溫合金可做中溫使用的另部件，如700C以下使用的發(fā)動機渦輪

盤，作為高溫板材的固溶加強型鐵基高溫合金的使用溫度在900C以下。

鎳基合金用來制造使用溫度更高的、受力苛刻的熱端部件，如渦輪葉

19片、導向葉片、燃燒室等。

鈷基高溫合金廣泛用作導向葉片，擁有優(yōu)秀的抗熱腐化性和抗冷熱疲倦

性能。

表6-3高溫合金基體的力學性能

3-2金屬間化合物(IntermetallicCompound)

金屬與金屬或金屬與類金屬之間形成的中間相化合物。決定金屬間化合物相結(jié)構(gòu)的主要因素有電負性、尺寸因素和電子濃度等。金屬間化合物晶體結(jié)構(gòu)誠然復雜或有序，但從原子結(jié)合上仍擁有金屬特色。但是其電子云分布

其實不是完好平均，存在必然方向性，擁有某種程度的共價鍵特色，以致熔點高升及原子間鍵出現(xiàn)方向性。金屬間化合物經(jīng)常擁有必然的固溶度，偏離當量成分，有序度降低，弊端增加。固溶第三組元對二元金屬間化合物的相結(jié)構(gòu)和牢固性都有很大影響。

金屬間化合物可分結(jié)構(gòu)金屬間化合物和功能金屬間化合物兩大類。結(jié)構(gòu)

金屬間化合物與高溫合金對照，其最大的特色是晶體結(jié)構(gòu)中組成元素的原子以長程有序方式排列，原子結(jié)合力強，除金屬鍵以外，還有一部分共價鍵，表現(xiàn)出一系列優(yōu)秀性能，使用溫度界于高溫合金和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷之間。依照

其組成的不同樣當量比，A、B兩元之間可形成AB、A2B、A3B、A5B3、A7B6等化合物；依照組成元素，可分為鋁化物、硅化物和鈹化物。20

（a）Kurnakov型；（b）Berthollide型（c）Daltonide型

圖6-8不同樣種類的金屬間化合物的相圖

Kurnakov型：在化學式所規(guī)定成分的兩側(cè)有一個成分范圍，在低于熔點的某一溫度以下，原子的有序排列消失，形成無序排列的金屬間化合物。

如CuAu、Cu3Au、Fe3Al、Ti3Al等。

Berthollide型：在化學式所規(guī)定成分的兩側(cè)有一個成分范圍，但消融

前或反響前為原子有序排列的金屬間化合物。如Ni3Al、TiAl等。

Daltonide型：在化學式規(guī)定成分的兩側(cè)不存在成分范圍的金屬間化合

物，如Pt2Si、PtSi等。

盡管金屬間化合物擁有密度小、彈性模量高等優(yōu)點，但室溫脆性是其致

命弊端，當前正經(jīng)過各種路子提高其延性和韌性。

Ti-Al系金屬間化合物：

Ti-Al系金屬間化合物擁有低密度、高強度、高剛度、以及優(yōu)秀的高

溫、抗蠕變和抗氧化性能。Ti-Al系金屬間化合物一般分2-Ti3Al和-

TiAl兩類。

與Ni基合金對照，以長梁構(gòu)件為例，同樣體積長度，金屬間化合物重量

減少45%；同樣重量，金屬間化合物構(gòu)件長度增加35%。與Ti基合金對照金

屬間化合物擁有優(yōu)秀的高溫比性能。Ti-Al系金屬間化合物最高使用溫度可

達1100C。但當前其合用化的主要阻攔有：1)難以熱壓加工；2)嚴重的室

溫脆性。

當前實化的Ti-Al系金屬間化合物：

2-Ti3AlO(Orthombic)相Ti2AlNb（16-30%）；

-TiAl兩相(2+)TiAl。

表6-5Ti合金、金屬間化合物和高溫合金的力學性能比較

212.4陶瓷：

陶瓷是金屬與與非金屬的固體化合物，以離子鍵（如MgO、Al2O#）、共

價鍵（金剛石、Si3N4、BN）以及離子鍵和共價鍵的混雜鍵結(jié)合在一起。陶瓷

資料的顯微結(jié)構(gòu)平常由晶相、玻璃相平易相（孔）等不同樣的相組成。

陶瓷資料擁有熔點高、硬度大、化學牢固性好、耐高溫、耐磨損、耐氧

化和腐化、比重小、強度和模量高等優(yōu)點，可在各種苛刻的環(huán)境下工作；另一方面，陶瓷資料在磁、電、光、熱等方面的性能和用途擁有多樣性和可變

性，是特別重要的功能資料。

陶瓷資料的致命弊端是脆性大、韌性差，常因存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等

弊端而惹起不能展望的災(zāi)禍性結(jié)果。陶瓷基復合資料是改變其脆性、提高韌

性的有效路子。用于復合資料陶瓷基體主要有氧化物（Al2O3等）、氮化物

（Si3N4等）和碳化物（SiC等）。

氧化物陶瓷：

氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2和莫來石（3Al2O32SiO2）等。其熔點在2000C以上，主要為單相多晶結(jié)構(gòu)，還可能有少量氣相（氣孔）。微晶氧化物的強度較高；粗晶結(jié)構(gòu)時，晶界節(jié)余應(yīng)力較大，對強度不利。氧化物陶瓷的強度隨環(huán)境溫度高升而降低。這類資料應(yīng)防備在高應(yīng)力和

高溫環(huán)境下使用。這是由于Al2O3和ZrO2的抗熱震性差；SiO2在高溫下簡單發(fā)生蠕變和相變等。

22非氧化物陶瓷：

非氧化物陶瓷主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它們的特色是

耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很強。碳化物、硼化物的抗熱氧化溫

度約900-1000C，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度可達1300-1700C。

氮化硅屬六方晶系，有、兩種晶相。其強度和硬度高、抗熱震和抗高

溫蠕變性好、摩擦系數(shù)小，擁有優(yōu)秀的耐（酸、堿和有色金屬）腐化（侵

蝕）性?？寡趸瘻囟瓤蛇_1000C，電絕緣性好。

-SiC屬六方晶系，-SiC屬等軸晶系。高溫強度高，擁有很高的熱傳導能力以及較好的熱牢固性、耐磨性、耐腐化性和抗蠕變性。

氮化硼擁有近似石墨的六方結(jié)構(gòu)，在高溫（1360C）和高壓作用下可轉(zhuǎn)

變成立方結(jié)構(gòu)的-氮化硼，耐熱溫度高達2000C，硬度極高，可作為金剛

石的代用品。

玻璃陶瓷：

好多無機玻璃可經(jīng)過合適的熱辦理使其由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變成晶態(tài)，這一過程

稱為反玻璃化。對于某些玻璃反玻璃化過程能夠控制，最后能夠形成無節(jié)余應(yīng)力的微晶玻璃。這類資料成為玻璃陶瓷。

玻璃陶瓷的密度為3,波折強度為70-350MPa,彈性模量為

80-140GPa。

玻璃陶瓷擁有熱膨脹系數(shù)小，力學性能好和導熱系數(shù)較大等特色。如鋰

鋁硅（Li2O-Al203-SiO2，LAS）玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，耐熱好。

鎂鋁硅（MgO-Al203-SiO2，MAS）玻璃陶瓷的硬度高，耐磨性好。

表6-6高性能陶瓷的力學性能種類密度熱膨脹系數(shù)抗拉強度抗壓強度抗彎強度彈性模量g/cm3×10-6/℃MPaMPaMPaGPaSiC3.2~3.34.35~4.7500~400~1000440Al2O33.85~8.52652100~3.985000360~MgO3.0~3.613.860~80780400ZrO25.7140144~2100210~BeO2.997~130800~3002.44~2.61520Si3N(RB)3.1~3.1814112004Si3N4(RB)2.15~2.22.25~2.87150~275

23六方BN(RB)24215310

2.5碳（石墨）

熔點：3550C（高出3500C開始升華）；沸點：4200C。

同素異形體：金剛石、石墨、無定形碳。

比重：無定形碳為1.88、石墨為2.25、金剛石為3.51。

圖6-11

無定形碳只有少量的、平均尺寸為25?的平面層互相平行，但其余的定

向倒是紛亂的。即使少量的平行束其互相之間也紛亂的。

石墨中的碳原子處于正六角形的角上，所有的碳原子層（平面）都互相

平行。碳原子層面有序排列的過程稱為石墨化過程。石墨化過程中資料強度

有所下降，但彈性模量顯然提高（470-980GPa）。

24

第四講復合資料界面

一、復合資料界面（InterfaceorInterphase）

復合資料的界面是指基體與加強相之間化學成分有顯然變化的、組成互相結(jié)合的、能起載荷傳達作用的微小地域。

復合資料的界面是一個多層結(jié)構(gòu)的過渡地域，約幾個納米到幾個微米（圖3-

1、圖3-2）。此地域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同樣于兩相中的任何一相。這一界面區(qū)由五個亞層組成，每一亞層的性能都與基體和加強相的性質(zhì)、復合資料成型方法有

關(guān)。

1、外力場

2、基體

3、基體表面區(qū)

4、互相浸透區(qū)

5、加強劑表面區(qū)

6、加強劑

圖3–1復合資料的界面表示圖

圖3–2SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo復合資料界面透射電鏡照片及表示圖

界面是復合資料的特色，可將界面的機能歸納為以下幾種效應(yīng)：

1）傳達效應(yīng)：界面可將復合資料系統(tǒng)中基體承受的外力傳達給加強相，起到基體和加強相之間的橋梁作用。

2）阻斷效應(yīng)：基體和加強相之間結(jié)合力合適的界面有阻攔裂紋擴展、減緩應(yīng)力集中的作用。

3）不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感覺性、磁性、耐熱性和磁場尺寸牢固性等。

254）散射和吸取效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸取，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性等。

5）引誘效應(yīng)：一種物質(zhì)（平常是加強劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（平常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于引誘作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。

界面效應(yīng)是任何一種單一資料所沒有的特色，它對復合資料擁有重要的

作用。界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學性質(zhì)相關(guān)，也與復合

資料各組分的浸潤性、相容性、擴散性等親近相關(guān)。

界面的結(jié)合狀態(tài)和強度對復合資料的性能有重要影響。對于每一種復合資料都要求有合適的界面結(jié)合強度。好多因素影響著界面結(jié)合強度，如表面幾何形狀、分布情況、紋理結(jié)構(gòu)、表面雜質(zhì)、吸附氣體程度、吸水情況、表面形態(tài)、在界面的溶解、擴散和化學反響、表面層的力學特色、潤濕速度等。

界面結(jié)合較差的復合資料大多呈剪切破壞，且在資料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力廢弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過強的復合資料則呈脆性斷裂，也降低了復合資料的整體性能。界面最正確態(tài)的衡量是當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉(zhuǎn)變成地域化而不進一步界面脫粘；即這時的復合資料擁有最大斷裂能和必然的韌性。所以，在研究和設(shè)計界面時，不應(yīng)只追求界面結(jié)合而應(yīng)試慮到最優(yōu)化和最正確綜合性能。

二、復合資料組分的相容性

物理相容性：

是指基體應(yīng)擁有足夠的韌性和強度，能夠?qū)⑼饷孑d荷平均地傳達到加強劑上，而不會有顯然的不連續(xù)現(xiàn)象。其余，由于裂紋或位錯搬動，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不應(yīng)在加強劑上形成高的局部應(yīng)力。另一個重要的物理關(guān)系是熱膨脹系數(shù)?；w與加強相熱膨脹系數(shù)的差異對復合資料的界面結(jié)合產(chǎn)生重要的影響，從而影響資料的各種性能。比方對于韌性基體資料，最好擁有較高的熱膨脹系數(shù)。這是由于熱膨脹系數(shù)較高的相從較高的加工溫度冷倒是將碰到張應(yīng)力；對于脆性資料的加強相，一般都是抗壓強度大于抗拉強度，處于壓縮狀態(tài)比較有益。而對于像鈦這類高信服強度的基體，一般卻要求防備高的節(jié)余熱應(yīng)力，所以熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差太大。

化學相容性：

化學相容性是一個復雜的問題。對原生復合資料，在制造過程是熱力學平衡的，其兩相化學勢相等，比表面能效應(yīng)也最小。對非平衡態(tài)復合資料，化學相容

26性要嚴重得多。纖維和基體間的直接反響則是更重要的相容性問題。但對高溫復合資料來說，以下因素與復合資料化學相容性相關(guān)的問題則十分重要：

1）相反響的自由能F：代表該反響的驅(qū)動力。設(shè)計復合資料時，應(yīng)確定

所選系統(tǒng)可能發(fā)生反響的自由能的變化。

2）化學勢U：各組分的化學勢不等，常會以致界面的不牢固。

3）表面能T：各組分的表面能可能很高，以致界面的不牢固。

4）晶界擴散系數(shù)D：由晶界或表面擴散系數(shù)控制的二次擴散效應(yīng)常使復合

系統(tǒng)中組分相的關(guān)系發(fā)生很大變化。

三、復合資料的界面理論

1、界面潤濕理論

界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對纖維表面的浸潤親和，即物理和化學吸附作用。液態(tài)樹脂對纖維表面的優(yōu)秀浸潤是十分重要的。浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，以致界面弊端和應(yīng)力集中，使界面強度下降。優(yōu)秀的或完好浸潤將使界面強度大大提高，甚至優(yōu)于基體自己的內(nèi)聚強度。

從熱力學見解來考慮兩個結(jié)合面與其表面能的關(guān)系，一般用表面張力來表征。表面張力即為溫度和體積不變的情況下，自由能隨表面積增加的增量。

=（F/A）TV

此處為表面張力；F為自由能；A為面積；T和V分別為溫度和體積。

當兩個結(jié)合面結(jié)合了，則系統(tǒng)中由于減少了兩個表面和增加了一個界面使自由能降低了。系統(tǒng)由于兩個表面結(jié)合而以致自由能的下降定義為粘合功。

WA=S+L-SL式中S、L和SL下標分別代表固體、液體和固液體。如圖2-3所示，角為接觸角。接觸角表示了液體潤濕固體的情況。

圖3–3液滴在固體表面的不同樣潤濕情況

當>90°，液體不潤濕固體；=180°,固體表面完好不能夠被液體潤

濕；

當<90°，液體潤濕固體；=0°，液體完好平鋪在固體表面。接觸角隨溫度、保持時間、吸附氣體等而變化。

27依照力的合成Lcos=S-SL，粘合功可表示為：WA=S+L-SL=L（1+cos）。粘合功W最大時，cos=1，即=0，液體完好平鋪在固體表面。A同時=SL,S=L。熱力學說明兩個表面結(jié)合的內(nèi)在因素，表示結(jié)合的可能性；動力學反響實質(zhì)產(chǎn)生界面結(jié)合的外界條件，如溫度、壓力等的影響，表示結(jié)合過程的速度問

題。產(chǎn)生優(yōu)秀結(jié)合的條件以下：

液體粘度盡量低；

2）S略大于L，即`tL=`2`，0.81,：效率因子，液體在固

體上擴展的條件，它與溫度等活化過程相關(guān)。

浸潤性不過表示了液體與固體發(fā)生接觸時的情況，而其實不能夠表示界面的粘結(jié)性能。一種系統(tǒng)的兩個組元可能有極好的浸潤性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合。所以潤濕是組分優(yōu)秀粘結(jié)的必要條件，其實不是充分條件。

2、機械作用理論：

當兩個表面互相接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)活力械互鎖（圖3–4）。

圖3–4表面機械互鎖結(jié)合表示圖

另一方面，盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當多的孔穴，

粘稠的液體是無法流入的。如經(jīng)驗公式：Z2=Kcostδ/η，表示流入量Z是

與液體表面張力、接觸角、時間和孔徑成正比，與粘度成反比。無法流入液體的孔不但造成界面脫粘的弊端，而且也形成了應(yīng)力集中點。

3、靜電理論：

當復合資料不同樣組分表面帶有異性電荷時，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺胸襟級內(nèi)靜電作用力才有效（圖3–5）。

圖3–5表面靜電吸引結(jié)合表示圖

4、化學鍵理論：

在復合資料組分之間發(fā)生化學作用，在界面上形成共價鍵結(jié)合（圖3–6）。

28在理論上可獲得最強的界面粘結(jié)能（210-220J/mol）。

圖3–6表面結(jié)合化學鍵表示圖

5、界面反響或界面擴散理論

在復合資料組分之間發(fā)生原子或

分子間的擴散或反響，從而形成反響

結(jié)合或擴散結(jié)合（圖3–7）。

D=D0exp（-Q/RT）

D：擴散系數(shù)；Q：擴散激活能。

X=kt1/2圖3–7界面反響結(jié)合或擴散結(jié)合表示圖

X：反響層厚度；k：反響速度常數(shù)。

四、界面的表征

界面性能較差---呈剪切破壞、可觀察到界面脫粘、纖維拔出纖維應(yīng)力廢弛等現(xiàn)象。

界面結(jié)合過強---資料呈脆性斷裂。

界面結(jié)合最正確狀態(tài)---當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉(zhuǎn)變成地域而不產(chǎn)生

進一步界面脫粘，即這時的復合資料擁有最大的斷裂能和必然的韌性。

1、界面結(jié)合強度的測定

1-1宏觀察試法：

1）三點波折法：

圖3–8三點波折試驗表示

圖3–9測定界面拉伸強度時纖維的排布

=3（PS）/2（BD2）=(3/4)(P/BD)

圖3–10測定界面剪切強度時纖維的排布

/=D/2S,I/cu<D/2S

29Iosipescu剪切試驗試驗

圖3–11Iosipescu剪切試驗表示圖

1-2單纖維試驗法

圖3–12纖維拔出試驗表示圖

圖3–13纖維拔出試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線表示圖

圖3-14壓縮試驗測試界面剪切強度（b）和

壓縮試驗測試界面拉伸強度(c)

由此試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖能夠求出界面剪切強度以及纖維拔出（pull–

out）和脫粘debonding）的能量。采用纖維拔出試驗，可經(jīng)過圖3-13所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖能夠求出界面剪切強度以及纖維拔出（pull-out）和脫粘（debonding）的能量。壓縮試驗測試界面剪切強度（圖3-14b）I~2.5c，壓縮試驗測試界面拉伸強度（圖3-14c）Iu=cc1-3微壓入試驗法（圖3-15）

界面剪切強度：

I=P24uR3Ef

若采用標準金剛石壓頭：

u=（b-a）cot74

圖3–15纖維微壓入試驗表示圖

304）聲發(fā)射（AcousticEmissin，AE）法：

聲發(fā)射是當固體資料在外面條件（如載荷、溫度、磁場、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時，由于其內(nèi)部原因此產(chǎn)生的瞬時彈性應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有資料內(nèi)部弊端或微觀結(jié)構(gòu)變化動向信息，借助矯捷的電子儀器能夠檢測到聲發(fā)射信號。

用儀器檢測解析聲發(fā)射信號，推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

復合資料的傷害斷裂過程十分復雜，包括纖維、基體和界面的破壞和斷裂。各組元斷裂時釋放的聲能與其彈性模量和斷裂時各組元的范性形變量相關(guān)。由于各組元斷裂時釋放的聲能不同樣，即聲發(fā)射信號的強弱不同樣，那么利用聲發(fā)射技術(shù)就可以區(qū)分和鑒別復合資料界面的破壞和斷裂，從而能夠解析界面的結(jié)合情況，同時計算出界面強度。

圖3–16富碳辦理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為

圖3–17富SiO2辦理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為

圖3-16和圖3-17分別表示了不同樣纖維表面辦理的SiCF/Al復合資料拉

伸過程中的AE行為。圖中樣品AE過程出現(xiàn)的信號大小幾及次數(shù)的不同樣、

對應(yīng)于樣品中不同樣部位的斷裂破壞、次數(shù)及其強度，同時E-A相關(guān)圖包絡(luò)

的斜率不同樣的切線數(shù)量的不同樣也對應(yīng)于不同樣的斷裂體系。能夠看出，富碳和富SiO2辦理的SiCF/Al拉伸過程中擁有不同樣的AE行為，定性地反響了兩

31種纖維復合資料擁有不同樣的界面以及不同樣的斷裂行為和體系。同時依照相關(guān)公式能夠定量地求出復合資料的界面強度。

2、界面結(jié)構(gòu)的表征

界面的微觀結(jié)構(gòu)、面貌和厚度可經(jīng)過先進儀器觀察解析。包括俄歇電子譜儀

AES）、電子探針（EP）、X光電子能譜儀（XPS）、掃描二次離子質(zhì)譜儀

SSIMS）、電子能量損失儀（EELS）、X射線反射譜儀（GAXP）、透射電子

顯微鏡（TEM）、掃描電鏡（SEM）和拉曼光譜（Raman）等。

圖3-18TiB2纖維表面涂層SiCF/Ti復合圖3-19SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo復合資料資料界面SEM解析照片界面透射電鏡照片五、界面節(jié)余應(yīng)力

復合資料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積縮短或膨脹（平常為縮短），而加強體則體積相對牢固使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時又因加強體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同樣環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱為界面節(jié)余應(yīng)力。前一種情況下，若是基體發(fā)生縮短，則復合資料基體受拉應(yīng)力，加強體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。后一種情況下，平常是基體膨脹系數(shù)大于加強體，在成型溫度較高的情況下，復合資料基體受拉應(yīng)力，加強體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。但隨著使用溫度的增高，熱應(yīng)力向反方向變化。

界面內(nèi)應(yīng)力的大小可用下式表示：

Ii=EmεmVm/3（1-γm）

式中Em為基體彈性模量，γm為基體泊松比，εm為基體發(fā)生的應(yīng)變，Vm為基體的體積比。

界面內(nèi)應(yīng)力的大小與界面的結(jié)合情況相關(guān)。如界面結(jié)合發(fā)生廢弛滑移現(xiàn)象，則內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)減少。

界面熱應(yīng)力的大小可用下式表示：

32Ii=Em（Tc–t）△α

式中Em為基體彈性模量，Tc為成型溫度，t為使用溫度，△α為基體與加強體的熱膨脹系數(shù)差。

界面節(jié)余應(yīng)力能夠經(jīng)過對復合資料進行熱辦理，使界面廢弛而降低，但受界面結(jié)合強度的控制，在界面結(jié)合很強的情況下收效不顯然。

界面節(jié)余應(yīng)力的存在對復合資料的力學性能有影響，其利害與加載方向和復

合資料節(jié)余應(yīng)力的狀態(tài)相關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復合資料界面存在節(jié)余應(yīng)力使之拉

伸與壓縮性能有顯然差異。

測量界面節(jié)余應(yīng)力的主要方法有X射線衍射法和中子衍射法。中子的穿透能

力較X射線強，可用來測量界面內(nèi)應(yīng)力；其結(jié)果是很大地域的應(yīng)力平均值。X射

線衍射法只能測定樣品表面的節(jié)余應(yīng)力。同步輻射連續(xù)X射線能量色散法和匯聚

束電子衍射法也可用來測定復合資料界面周邊的應(yīng)力和應(yīng)變變化。特別是同步輻射連續(xù)X射線能量色散法兼有較好的穿透能力和對節(jié)余應(yīng)變梯度的高空間分辨

率，可測量界面周邊急巨變化的節(jié)余應(yīng)力。其余，激光Raman光譜法可測量界面

層相鄰纖維的振動頻率，依照纖維標定確定界面層的節(jié)余應(yīng)力。當前，應(yīng)用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射線衍射法。

33第五講復合資料的復合理論基礎(chǔ)知識

一、復合資料加強體系

1、顆粒加強復合資料加強體系

1）顆粒阻攔基體位錯運動加強：

基體是承受外來載荷相；顆粒起著阻攔基體位錯運動的作用，從而降低了位錯的流動性（圖4-1、圖4-2）。

圖4–1顆粒起著阻攔基體位錯運動作用表示圖

顆粒加強復合資料的強度直接與顆粒的硬度成正比，由于顆粒必定抵抗位錯堆集而產(chǎn)生的應(yīng)力，其余，顆粒相與基體的結(jié)合力同樣影響著資料的強度。

圖4-2位錯在晶面上滑移（a）和在TiC顆粒前位錯的塞積（b）

顆粒相與基體的界面處于低能量狀態(tài)是有益的，由于這對顆粒阻攔基體位錯運動是必定的。高的界面能相當一個空洞圍繞著顆粒，這樣不但降低了顆粒阻攔

基體位錯運動的能力，而且在資料結(jié)構(gòu)中起到了一個微裂紋的作用。

2）不平均變形惹起位錯增殖加強

顆粒復合資料的變形屬于兩相不均

勻變形。較硬的顆粒不變形或變形較

小，所以在界面上形成較高的形變不匹

配，產(chǎn)生較高的變形應(yīng)力。當該應(yīng)力集

中在顆粒的某個部位時，在界面的某個

柱面的分切應(yīng)力作用下，在交界的柱面

上萌生位錯環(huán)并沿柱面搬動。該應(yīng)力的

釋放靠放出位錯環(huán)實現(xiàn)，從而增加了基圖4-3兩相不平均變形在界面形成的位錯環(huán)34體位錯的密度（圖4-3）。大量的位錯之間產(chǎn)生摩擦、圍繞，在應(yīng)力的作用下形

成微小的胞狀組織，即亞晶。依照Kuhlman-Wilsdorf關(guān)系，位錯胞越小，加強

收效越大。

3）彌散和Orowan加強

小的剛性顆粒對復合資料的加強體系有三種；

1）小粒子由于其對晶界的拖曳作用，細化了復合資料基體的晶粒。由于這一拖曳作用，不但可使基體中的細晶和亞晶牢固化，也能使加工拉長的晶粒形狀特色牢固化，這對復合資料高溫蠕變性能十分有益。

晶粒細化加強的幅度能夠利用以下公式計算：

=-1/2f+kd式中d為晶粒尺寸。（2）位錯與微小粒子互相作用而產(chǎn)生的強度增量。它由Orowan關(guān)系表示：0=[0.83bLn(2r/r0)]/[2(1-)1/2(S-2rS)]式中：Taylor因子，：切變模量，b：柏矢模量，：泊松比，r：粒子半徑，r0：位錯芯半徑，(S-2rS)：粒子間距。顯然當加強體粒子體積分數(shù)一準時，粒子尺寸越大，粒子間距就越大，

Orowan加強處就愈弱。由于小粒子是不能穿透的硬粒子，在變形過程中位錯只能被迫繞過粒子并留下一位錯環(huán)圍繞粒子，表示小粒子經(jīng)過影響保持位錯源以

及作為位錯運動的釘扎中心改變基體的滑移行為。當粒度在1m以下時，

Orowan加強體系起較大作用。

3）小的剛性粒子對顆粒加強金屬基復合資料強度的另一種作用是使基體加工硬化率提高。受位錯周圍的應(yīng)力場的限制，位錯穿過晶格的運動碰到其余位錯的影響，這會以致金屬基體的硬化?；谖诲e的硬化理論能夠用以下公式表達：

f+kGb

1/2

：每單位體積位錯密度。

當復合資料從制備溫度冷卻到室溫時，由于基體和加強體的熱不般配性，

在復合資料中產(chǎn)生了大量位錯。這也是顆粒/金屬基復合資料的一個重要加強機

制。

其余，復合資料中的裂紋的擴展在顆粒前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣能夠耗資很多的斷裂能，提高資料的強度。

2、纖維（包括晶須、短纖維）復合資料加強體系

35基體：經(jīng)過界面將載荷有效地傳達到加強相（晶須、纖維等），不是主承力相。

纖維：承受由基體傳達來的有效載荷，主承力相。

假設(shè)纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比同樣；在外力作用下，由于組分模量的不同樣產(chǎn)生了不同樣形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，經(jīng)過界面將外力傳

遞到纖維上（圖4-2、4-3）。

圖4–4短纖維周圍的應(yīng)變

圖4–5纖維上和界面上的應(yīng)力分布

在纖維上的拉力為:fu(d2/4),在界面上的剪切力為:dlc/2。

當fu(d2/4)=dlc/2時，（l/d）c=fu//2y，

l/d）c為纖維臨界長徑比,lc為纖維臨界長度。當（l/d）c10時，復合資料可獲得理想的加強收效。

36二、復合資料的復合法規(guī)—混雜定律

1、混雜定律（RuleofMixtures）：

當復合資料滿足以下條件：（1）復合資料宏觀上是均質(zhì)的，不存在內(nèi)應(yīng)

力；（2）各組分資料是均質(zhì)的各向同性(或正交異性)及線彈性資料；（3）各組分之間粘結(jié)牢靠，無空隙，不產(chǎn)生相對滑移。

復合資料力學性能同組分之間的關(guān)系可用以下通式表示：

Xc=XmVm+XfVf或Xc=XfVf+Xm（1-Vf）

式中：X：資料的性能，如強度、彈性模量、密度等；V：資料的體積百分比；下腳標c、m、f分別代表復合資料、基體和纖維。

2、連續(xù)纖維單向加強復合資料（單向?qū)影澹?/p>

2-1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和彈性模量

在復合資料承受靜張應(yīng)力過程中，應(yīng)力—應(yīng)變經(jīng)歷以下階段（圖4-6）：

1）基體、纖維共同彈性變形；2）基體塑性信服、纖維彈性變形；3）基體

塑性變形、纖維彈性變形或基體、纖維共同塑性變形；4）復合資料斷裂。

對于復合資料的彈性模量：

階段1：E=EfVf+Em（1-Vf）

階段2：E=EfVf+(dm/dm)(1-Vf)

dm/dm為復合體的應(yīng)變成時基體應(yīng)力–應(yīng)變曲線的斜率。

圖4–6纖維復合資料應(yīng)力應(yīng)變過程表示圖

2-2、復合資料的抗張強度

37

當復合資料中纖維與基體在受力過程中

處于線彈性變形且基體的斷裂延伸大于纖維

的斷裂延伸時，單向纖維復合資料的抗張強

度（圖4-5）用下式表示：

cu=fVf+mVm或ufVf+m（1-V）c=ff：纖維的抗張強度；m：對應(yīng)纖維斷裂應(yīng)變f時基體的抗張強度。考慮到基體與纖維的結(jié)合情況：圖4–5纖維復合資料中纖維體積比cu=KfVf+mVmK<1。與強度關(guān)系表示圖在纖維量特別小的情況：

纖維的最小體積比：Vfmin纖維的臨界體積比:Vfcrit

2-3、泊松比

cu=mu（1-Vf）

=(mu-(m))/(fu+mu-(m))

=(mu-(m))/(fu-(m))

當資料拉伸或壓縮時，在彈性范圍內(nèi)，縱、橫向應(yīng)變之比為泊松比。

假設(shè)復合資料縱向拉伸或壓縮時，纖維與基體的縱向應(yīng)變相等，且等于復合資料的縱向應(yīng)變，即f=m=c，則縱向泊松比為：LT=fVf+mVm或LT=fVf+m（1-Vf）若考慮纖維與界面的結(jié)合情況LT=fVf（1-K）+KVf+m(K-Vf)(1-K)其中K為纖維與基體未結(jié)合的百分比；是與受力狀態(tài)、脫粘區(qū)狀態(tài)等相關(guān)的常數(shù)。泊松比與彈性模量之間的關(guān)系：TL=LT（EcT/EcL）2-4、剪切強度：LT=fVf+m（1-Vf）

復合資料的層間剪切強度：在沿纖維方向受剪切時，剪切力發(fā)生在沿纖維方向的纖維層內(nèi)，它決定于基體或界面的剪切強度。

復合資料的面內(nèi)剪切強度：在垂直纖維方向承受剪切時，剪切力發(fā)生在垂直纖維的截面內(nèi)，剪切力由基體和纖維共同擔當。

383、短纖維加強復合資料3-1、短纖維加強復合資料的彈性模量：E=0LEfVf+Em（1-Vf）式中：L為長度有效系數(shù)：L=1-[tanh(1/2)l]/(1/2)l]，=[8Gm/Efd2loge(2/d)]1/2Ef：纖維彈性模量；2：纖維間距；Gm：基體剪切模量。0為取向有效因子：3-2、短纖維加強復合資料的抗張強度若l<lc，cu=（l/d）Vf+m（1-Vf）當l>lc時：cu=fu[1-（lc/2l）]Vf+m（1-Vf）或cu=2lc/d[1-(lc/2l)]Vf+m(1-Vf)l>10lc時，短纖維加強復合資料性能趨近于連續(xù)纖維性能；l<5lc時，短纖維加強復合資料性能遠不如連續(xù)纖維性能。

圖4–6短纖維復合資料的強度與纖維長度的關(guān)系表示圖

39第六講SMC及GMT半成品復合資料的制備

一、SMC片狀模塑料

SMC是Sheetmoldingcompound的縮寫，即片狀模塑料。主要原料由

SMC專用紗、不飽和樹脂、低縮短增加劑，填料及各種助劑組成。它在二

十世紀六十年代初第一出現(xiàn)在歐洲，在1965年左右，美、日接踵發(fā)展了這

種工藝。我國于80年代末，引進了外國先進的SMC生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝。

SMC擁有優(yōu)越的電氣性能，耐腐化性能，質(zhì)輕及工程設(shè)計簡單、靈便等優(yōu)

點，其機械性能能夠與部分金屬資料相媲美，所以廣泛應(yīng)用于運輸車輛、建

筑、電子/電氣等行業(yè)中。

SMC的應(yīng)用范圍廣泛，大體有：

汽車工業(yè)的應(yīng)用

懸架部件，前、后保險杠，儀表板等；

車身及車身部件，硬殼車頂，防滑地板，阻流板，遮陽罩，發(fā)動機罩；發(fā)動機蓋下部件，導風罩，進氣管蓋，風扇導片圈，發(fā)動機隔音板；車內(nèi)裝飾部件：車門把手，儀表盤，轉(zhuǎn)向桿部件。

、鐵路車方面的應(yīng)用

座椅、茶幾臺面；

鐵路車輛窗框，車廂壁板與頂板，鐵路信號應(yīng)答器。

、電氣及通信工程中的應(yīng)用

電器罩殼：電器開關(guān)盒，電器配線盒，電纜分配箱外殼，終端分配器；電子工程應(yīng)用：天線反射罩、雷達罩、印刷電路板；

電器元件：絕緣子、絕緣操作工具、電機換向器；通信設(shè)備應(yīng)用：電話機外殼、電纜分配箱、電話亭。

、在建筑工程中的應(yīng)用高層屋頂水箱、凈化槽；淋浴用品：如浴缸、洗池、防水盤、坐便器；

建筑模板、儲蓄間構(gòu)件：如壁板、頂蓬、門框。40、其余

集裝箱、電桿夾套、工具錘柄和鏟柄、餐飲用具、貨架托盤。

包裝、運輸、存放

SMC系列模塑料封裝在復合薄膜袋中，每包約50公斤，包扎后裝入紙

箱；

運輸途中防備重壓、受熱、受潮和包裝破壞；

儲藏期在溫度低于25oC避陽光的干燥庫房中，生產(chǎn)日算起三至六個月，高出保留期經(jīng)復檢合格仍可使用。

SMC系列模塑料成型工藝

模壓成型溫度：150oC±5oC

保壓時間：60-70s/mm

模壓壓力：10-20Mpa詳盡工藝視產(chǎn)品和模具結(jié)構(gòu)而定，若是制品厚度比較

厚，則溫度應(yīng)稍低，一般成型溫度為135oC-145oC，形狀越復雜，成型壓力

越高。

二、玻纖氈加強熱塑性復合片及其應(yīng)用

以玻纖氈加強熱塑性樹脂（GlassMatReinforcedThermoplastics）,是當

今熱塑性樹脂基復合資料的主要品種，當前生界年產(chǎn)量在10萬噸以上，主要

用作汽車零部件，其余如建筑、包裝、軍工等方面的應(yīng)用正在迅速發(fā)展。本文簡要介紹這類資料的制備方法，而重視它們的性能和應(yīng)用。

1玻纖氈加強熱塑性片材（GlassMatReinforcedThermoplastics簡稱GMT）

玻纖氈加強熱塑性片材（GlassMatReinforcedThermoplastics）簡稱

GMT是當前國際上極為活躍的復合資料開發(fā)品種之一。這是一種以熱塑性樹脂為基體、以長玻璃纖維或連續(xù)玻纖氈為加強資料的復合資料。一般做成征

狀以半成品供應(yīng)。平常是兩層玻璃纖維氈復合熱塑性樹脂，用不同樣種類的玻

璃纖維氈和熱塑性樹脂基體，能夠給成多種多樣的GMT資料。纖維有些是單

向的，有些是隨機會分布的。而熱塑性樹脂也能夠依照用途進行選擇，一般

PP作為熱塑性基體是應(yīng)用最為廣泛的，這是由于它擁有特別好的成本與性能之比。

1-2GMT片材的制備技術(shù)

1）原資料

熱塑性樹脂（聚丙烯、尼龍、聚酯）改性劑增加劑

41加強資料：連續(xù)隨機氈、短切氈、單向氈

2）原理

樹脂與改性劑、增加劑按必然比率形成特定配方，經(jīng)加溫、加壓、浸漬到玻璃纖維中，冷卻后成型。

1-3要點技術(shù)

1）界面

聚丙烯分鏈上不含活性基團，不能夠與經(jīng)過老例偶聯(lián)劑辦理的玻璃纖維之間產(chǎn)生較好的化學結(jié)合，所以玻纖加強聚丙烯系統(tǒng)中，樹脂不能夠有效地將應(yīng)力傳達給模量和強度高得多的玻璃纖維，這就不能夠表現(xiàn)出玻璃纖維加強的收效，必定對界面進行特別辦理和設(shè)計。

2）浸漬

聚丙烯這類熱塑性塑料的熔體粘度很大，在加工條件下，對纖維層的浸漬十分困難，為實現(xiàn)較好的浸漬，一般需借助于較高的溫度和壓力，但過高的溫度會以致樹脂的降解，過大的壓力使樹脂溢料量增加，并影響玻纖氈的空隙度。優(yōu)化操作參數(shù)（溫度、壓力、停留時間）、采用合適的玻纖氈結(jié)構(gòu)（單絲結(jié)構(gòu)、集束性、編織方式、針刺密度）是改進浸漬的基本路子。

3）連續(xù)化

玻纖氈連續(xù)浸漬生產(chǎn)線的組成是：

◆聚合物薄膜

◆連續(xù)玻纖氈

◆預熱——熱壓——冷壓——牽引——切割——片材

該生產(chǎn)線包括擠出機及模頭、送氈架、加熱與冷卻系統(tǒng)、輥壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的互相當合與協(xié)調(diào)是連續(xù)、牢固運行的要點，這是基于機械、電器、工藝等方面影響因素的深刻理解。

2GMT片材的性能

2-1力學性能

種類項目

通用型

高韌性型

高強度型纖維含量（%）密度(g/cm3)拉伸強度（Mpa）拉伸模量（Mpa）30±41.06～1.1960～754000～440040±41.10～1.2590～1105300～60004230±41.06～1.1956～723700～400030±41.20～1.4580～907500～10500波折強度波折強度懸臂梁沖擊（Mpa）（Mpa）強度（J/m）110～1204000～4200500～720140～1605000～7000750～95090～1103500～3700900～1100130～1607000～10000350～5602-2物理性能熱物理性質(zhì)

導熱系數(shù)w/m℃熱膨脹系數(shù)α（10-6C-1）PP0.2110GMT0.2227～30※GMT類熱塑性復合資料熱膨脹系數(shù)低而且恒定。

（2）電性能（玻纖含量40%）

絕緣強度（3.2mm/kv/mm）

14

介電常數(shù)(100Hz)

2.65

體積電阻率(Ω*cm)

4.8×1017

耗散因素(100Hz)

0.009

GMT擁有高介電性,是優(yōu)秀的電絕緣資料。（3）模量、強度隨溫度的變化

2-3能量吸特色：GMT與SMC比較

力學性能相當，制品成型方法相似，SMC表面優(yōu)于GMT，而GMT能夠重

復使用，便于回收，而且韌性顯然優(yōu)于SMC

能量吸取性能的壓力——應(yīng)變圖

3GMT片材制品成型

制品成型——模壓技術(shù)

◆成型機械：壓機、加熱爐、模具、模溫控制

◆成型工藝：坯料設(shè)計、預熱、鋪放、壓制434GMT片材的應(yīng)用

4-1推動熱塑性復合資料應(yīng)用的重要背景

1）汽車輕量化與GMT資料輕量化與節(jié)能：

◆油耗與車重成正比，車重下降10%，油耗下降約7%

◆自重減少330-440公斤，節(jié)約燃油花銷20%

PNGV計劃

百分里2.94升美國(2004)

3升歐洲(2005)

2升車(?)

1升車(?)

先進復合資料、鋼和鋁在車身減重方面的比較；

資料種類

減重百分比

高強度鋼

25-35%

鋁

40-55%

先進復合資料

50-67%

不同樣材質(zhì)的汽車零部件在制造中耗能不同樣，以生產(chǎn)技師同樣（450克）的零

部件為例，采用塑料或復合資料所耗能源折汽油3.9-4.5kg,若采用鋁或鋼所耗

能源折合汽油。

其余，塑料模具花銷是用銅制件模具花銷的10-20%。提高塑料零部件的設(shè)計

自由度不提高成本，從開發(fā)到批量生產(chǎn)周期短。

應(yīng)用現(xiàn)狀與效益：

汽車用資料組成比率漸漸發(fā)生變化，轎車用資料特別顯然。整體來說，一般

鋼鐵用量下降，金屬資料中高強度鋼和輕金屬趨于上升，車用非金屬資料上

升。80-90年代以來，轎車用塑料由5%增到10%以上。日本轎車塑料用量80-

100kg/輛，占車自重9%，美國116kg輛，占車自重10.3%,德國80-129kg/輛,占車重11%。

（2）零部件模塊化

模塊化——多個零部件起來，離線裝置，或多個零部件組合起來成為一個整體同時形成。零部件的模塊形式，從而形成汽車制造史上的一次革命。

44※熱塑性聚合物復合資料為汽車輕量化和模塊化供應(yīng)了前提條件。玻璃纖維氈加強熱塑性復合片材GMT是其中最優(yōu)秀的代表。

4-2汽車上的應(yīng)用

三個發(fā)展階段：

◆簡單非結(jié)構(gòu)件：如車體下的發(fā)動機罩

◆復雜結(jié)構(gòu)件：形狀復雜，強度要求高，集多種功能于一體

◆回收再生：GMPT（GlassMatReinforcedRecycledThermoplastic）GMT重要汽車零部件

◆車下體保護罩

◆前端裝置托架

◆電池托架

◆座椅骨架

◆儀表板骨架

◆保險械橫梁

GMT應(yīng)用效益舉例

Mercedes型車

后椅骨架本來是鋼制，重量6kg/個；GMT重量2kg/wh,減少4kg/個，而且性

能好，易安裝，可回收，占空間較小，安全較好。

◆（VW）GolfA3型車車前端

本來的金屬前端由12個部件組成，改為GMT加工后，離線裝置的部件有大

燈、風扇、散熱器格柵、保險杠等組裝成整體。

成本下降10%

單個重量下降33%（金屬6kg,GMT4kg）

循環(huán)使用10%再生料不影響性能

4-3建筑工程和建筑工業(yè)中的應(yīng)用

GMT模板的優(yōu)點：

采用加強熱散性片材制作混凝土澆鑄模板有以下優(yōu)點：

1）結(jié)構(gòu)一體化：支撐板和箍帶功能一體化，無需鐵箍帶（即棱木）。

2）結(jié)實耐用：聚丙烯與玻璃纖維復合資料耐沖擊性能好，不易產(chǎn)生永久變形，耐腐化，使模板的使用次數(shù)大幅度增加。

（3）質(zhì)輕：與木質(zhì)模板對照，重量約減少20%，所以施工方便。

4）剝離性好：灰渣不易粘黏附到模板上，與制件的剝離性優(yōu)秀。

5）半透明：由于無色的加強塑性聚丙烯片材擁有半透明性，使施工現(xiàn)場

45光明，并能看到澆鑄混凝土的狀態(tài)。

6）制件表面光潔：混凝土澆鑄件表面不會粘有木屑和雜物。

7）安裝簡單：采用扣鉤聯(lián)接，簡單、迅速、可靠，也能夠釘與木模板的傳統(tǒng)方法。

GMT模板與傳統(tǒng)模板的比較：種類質(zhì)量kg/m2透明性剝離性沖刷加強熱塑性片材11-12有簡單不要木質(zhì)模板13-15無難要鋼制模板34無難要外國GMT模板的使用情況：

日本用加強塑料片材制造的建筑模板已進入市場，應(yīng)用到建筑工業(yè)中。日本出光NSG公司開發(fā)的混凝土澆鑄模板除單板外，還有八角形、四角形和三角形的組合系列，是日本建設(shè)省中部地方建設(shè)局介紹使用的產(chǎn)品。宇部日東化

成公司開發(fā)的混凝土澆鑄模板，商品名“PANELES”，分為關(guān)東型和關(guān)西型兩種。

韓國HANWHA公司已生產(chǎn)平面模板，大量供應(yīng)市場。

可能開發(fā)的建筑資料——屋面資料。

以纖維氈為加強資料，同時填充大量硅灰石和增加少量接枝聚乙烯的高密度聚乙烯為基體，能夠獲得用作屋面瓦的硬質(zhì)資料，其性能優(yōu)越，有潛藏開發(fā)價值。外國有近似產(chǎn)品，聚乙烯－水泥漣漪板。

4-4在包裝行業(yè)的應(yīng)用

依照形狀、大小、運輸方式和貨物種類進行陸上或水上集裝箱的設(shè)計與制造，平常采用鋼或