第五章聚合物基復合材料1

第五章聚合物基復合材料聚合物基復合材料的種類和性能01聚合物基復合材料結構設計02聚合物基復合材料成型加工技術03目錄CONTENTS聚合物基復合材料的應用04本節(jié)重點難點：重點聚合物的優(yōu)良性能。（掌握）難點常見玻璃纖維增強熱塑性塑料和熱固性塑料性能。（了解）一般性了解聚合物基復合材料的種類。力學性能的基本指標—彈性模量彈性模量（模量）：

單位應變所需應力的大小，是材料剛性的表征。三種形變對應三種模量（1）拉伸模量（楊氏模量）

（2）剪切模量

（3）體積模量（本體模量）

力學性能的基本指標—硬度與強度硬度是衡量材料表面抵抗機械壓力的一種指標。硬度的大小與材料的抗張強度和彈性模量有關。有時用硬度作為抗張強度和彈性模量的一種近似估值。

強度抗張強度（拉伸強度）:試樣斷裂前所承受的最大載荷與其截面積之比抗彎強度（撓曲強度）：材料抵抗彎曲不斷裂的能力

抗沖擊強度（沖擊強度）,衡量材料韌性的指標，指試樣受沖擊載荷破裂時單位面積所吸收的能量。疲勞強度是指材料在無限多次交變載荷作用而不會產生破壞的最大應力，稱為疲勞強度或疲勞極限。5.1聚合物基復合材料的種類和性能5.1.1聚合物基復合材料的種類5.1.1聚合物基復合材料的種類聚合物基復合材料：以聚合物為基體，連續(xù)纖維為增強材料的復合材料。按聚合物基體的結構分為纖維增強熱固性塑料（FRP）和纖維增強熱塑性塑料（FRTP）；按增強纖維種類分為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、石墨纖維、硼纖維、碳化硅纖維、木質纖維等增強塑料。聚合物基體纖維增強材料聚合物基復合材料聚合物基復合材料影響聚合物基復合材料性能的因素：1、增強材料的強度及彈性模量以及基體材料的強度及化學穩(wěn)定性2、增強材料的含量及其排布方式與方向3、不同的成型工藝4、增強材料與基體的界面粘接狀況

聚合物基復合材料是由物化性質截然不同的增強材料和有機高分子化合物通過一定工藝方法復合而成的多相固體材料。聚合物基復合材料的特性比強度、比模量高耐疲勞性能好減震性好安全性好可設計性強高溫性能好聚合物基復合材料的特性抗拉強度與密度之比比強度高的材料能承受高的應力彈性模量與密度之比比模量高說明材料輕而且剛性大比強度、比模量高采用復合材料可大大減輕構件或制品的重量材料種類性能比重抗拉強度GPa彈性模量100GPa比強度GPa比模量100GPa鋼7.61.032.10.130.27玻璃鋼2.01.060.40.530.21碳纖維/環(huán)氧1.61.072.40.71.5硼纖維/環(huán)氧2.11.382.10.661.0聚合物基復合材料的特性耐疲勞性能好疲勞破壞的種類不同：金屬：突發(fā)性破壞疲勞強度極限是其拉伸強度的30%~50%聚合物基復合材料：有預兆破壞極限為拉伸強度的70%~80%聚合物基復合材料的特性增強纖維的缺陷少,抗疲勞性好，基體的塑性好,抑制微裂紋的出現(xiàn)，即使形成微裂紋,在裂紋的緩慢擴展過程中,基體的縱向拉壓將引起其橫向收縮,而在裂紋尖端的前緣造成基體與纖維分離,基體(如聚合物基)的塑性形變也能使裂紋尖端鈍化,減緩其擴展。聚合物基復合材料的特性減震性好受力結構的自振頻率有關因素：結構形狀

比模量的平方根成正比同時，復合材料中的基體界面具有吸震能力，使材料的震動阻尼很高，即使激起振動也能很快衰減。對相同尺寸和形狀的梁進行振動試驗的結果表明,對同一振動,輕合金梁需要9秒鐘才能停止,而碳纖維復合材料梁只需2～3秒。聚合物基復合材料的特性高溫性能好聚合物基復合材料耐熱性能好，適宜作為燒蝕材料。氨酚醛樹脂／玄武巖纖維復合材料，其軸向壓縮強度可達軸向和徑向熱導率均為0.3～0.4W／(m·K)，能夠滿足固體發(fā)動機噴管防熱材料的設計要求。聚合物基復合材料的特性過載安全性在纖維復合材料中，由于有大量獨立的纖維，在每平方厘米面積上的纖維數(shù)少至幾千根，多達數(shù)萬根。當過載時復合材料中即使有少量纖維斷裂時，載荷就會迅速重新分配到未被破壞的纖維上，不至于造成構件在瞬間完全喪失承載能力而斷裂，仍能安全使用一段時間。聚合物基復合材料的特性可設計性強通過改變纖維、基體的種類及相對含量、纖維集合形式及排列方式、鋪層結構等可以滿足對復合材料結構與性能的各種設計要求。復合材料制品的制造始于整體成型,一般不需焊、鉚、切割等二次加工,工藝過程比較簡單。?2003Brooks/Cole,adivisionofTomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderliense.5.1.2玻璃纖維增強熱固性塑料（GFRP）熱固性樹脂玻璃纖維GFRP強度很高；脆性，只能承受拉力，不能承受彎曲、剪切和壓應力；不易做成固定的幾何形狀。力學性能不高；耐腐蝕；良好的電絕緣性能；工藝性能良好。強度高；既耐拉又耐壓；易加工；耐腐蝕；GFRP是指玻璃纖維（包括長纖維、布、帶、氈等）作為增強材料，熱固性樹脂（包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等）作為基體的纖維增強塑料。GFRP用玻璃纖維作筋骨用熱固性樹脂（酚醛塑料、環(huán)氧樹脂及聚酯樹脂）作肌肉鋼筋混凝土用鋼材作筋骨(鋼材耐拉)水泥砂石作肌肉(水泥塊耐壓)玻璃鋼根據(jù)基體種類不同，分為：玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂（環(huán)氧玻璃鋼）玻璃纖維增強酚醛樹脂（酚醛玻璃鋼）玻璃纖維增強聚酯樹脂（聚酯玻璃鋼）是塑料，不是鋼材！1.性能（1）輕質高強：比重小、比強度高相對密度在1.5~2.0之間，只有碳鋼的1/4~1/5，可是拉伸強度卻接近，而比強度可以與高級合金鋼相比。GF增強熱固性塑料（GFRP）----玻璃鋼

（2）耐腐蝕對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力。（3）良好的電絕緣性優(yōu)良的絕緣材料，用來制造絕緣體。高壓電纜護罩（4）無磁性、微波透過性好不受電磁作用的影響，不反射無線電波，微波透過性良好，因此可用來制造人造掃雷艇和雷達天線罩。1974年，7102型玻璃鋼掃雷艇（5）熱性能良好GFRP熱導率低，室溫下為1.25~1.67kJ/（m·h·K），只有金屬的1/100~1/1000，是優(yōu)良的絕熱材料。在瞬時超高溫情況下，是理想的熱防護和耐燒蝕材料，能保護宇宙飛行器在2000℃以上承受高速氣流的沖刷。（6）可設計性好

可以根據(jù)需要，靈活地設計出各種結構產品，來滿足使用要求，可以使產品有很好的整體性。可以充分選擇材料來滿足產品的性能，如：可以設計出耐腐的，耐瞬時高溫的、產品某方向上有特別高強度的、介電性好的，等等。玻璃鋼制的浮雕工藝品（7）工藝性優(yōu)良

可以根據(jù)產品的形狀、技術要求、用途及數(shù)量來靈活地選擇成型工藝。工藝簡單，可以一次成型，經濟效果突出，尤其對形狀復雜、不易成型的數(shù)量少的產品，更突出它的工藝優(yōu)越性。是一種節(jié)能材料，若采用手工糊制的方法，其成型時的溫度一般在室溫下，或者在100℃以下進行，因此它的成型制作能耗很低。2.缺點（1）剛性差彈性模量低，GFRP的彈性模量比木材大兩倍，但比鋼（E=2.1×105）小10倍，因此在產品結構中常感到剛性不足，容易變形?？梢宰龀杀そY構、夾層結構，也可通過高模量纖維或者做加強筋等形式來彌補。（2）長期耐熱性差一般GFRP不能在高溫下長期使用，通用聚酯GFRP在50℃以上強度就明顯下降，一般只在100℃以下使用；通用型環(huán)氧GFRP在60℃以上，強度有明顯下降。但可以選擇耐高溫樹脂，使長期工作溫度在200~300℃是可能的。（3）易老化在紫外線、風沙雨雪、化學介質、機械應力等作用下容易導致性能下降。（4）層間剪切強度層間剪切強度是靠樹脂來承擔的，所以很低。可以通過選擇工藝、使用偶聯(lián)劑等方法來提高層間粘結力，最主要的是在產品設計時，盡量避免使層間受剪。3.特性玻璃鋼（1）環(huán)氧玻璃鋼綜合性能最好的玻璃鋼。環(huán)氧樹脂對玻璃纖維的粘結力強，所得玻璃鋼的界面剪切強度最高；機械強度高于其他玻璃鋼；尺寸穩(wěn)定性最好，固化收縮率只有1-2%。缺點：環(huán)氧樹脂粘度大，加工不便；成型時需要加熱，不便于制造大型制件。環(huán)氧玻璃鋼綜合力學性能最好，粘結能力最強，與玻纖復合界面剪切強度最高，尺寸穩(wěn)定性好，耐蝕性好；收縮率只有1-2%，粘度大，施工困難，成型需要加熱。（2）酚醛玻璃鋼耐熱性最好的玻璃鋼，可在200oC長期使用；耐燒蝕性好，可用于制造宇宙飛船的外殼；耐電弧性好，用于制作耐電弧絕緣材料；價格便宜。缺點：固化收縮率大；性脆；酚醛樹脂對人體皮膚有刺激作用。酚醛玻璃鋼耐熱性最好,<350℃長期使用，短期可達1000℃；電學性能好，耐燒蝕材料，耐電弧。性脆，尺寸不穩(wěn)定，收縮率大，對皮膚有刺激作用。玻璃鋼采光板玻璃鋼汽車保險杠玻璃鋼型材透光型玻璃鋼體育館采光賽艇、帆船殼體（2）聚酯玻璃鋼突出特點：加工性能好不飽和聚酯中加入引發(fā)劑和促進劑后，可在室溫固化成型；使用苯乙烯等稀釋劑稀釋的樹脂粘度低，可采用各種成型方法加工成型，可制作大型構件。透光性好，透光率達60-80%，用于制作采光制件價格便宜缺點：固化收縮率大，4-8%耐酸、堿性相對較差加工性能最好。低粘度，可室溫固化；價低，用量占80%。透光性好，可制作采光瓦。收縮率大，耐酸堿性差。聚酯玻璃鋼各種玻璃鋼與金屬性能的比較性能聚酯玻璃鋼環(huán)氧玻璃鋼酚醛玻璃鋼鋼鋁高級合金比重1.7-1.91.8-2.01.6-1.857.82.78.0拉伸強度/MPa70-299180-35070-280700-84070-2501280壓縮強度/MPa210-250180-300100-270350-42030-100-彎曲強度/MPa210-35070.3-4701100420-46070-110-比強度/MPa16018011550-160導熱系數(shù)J/m.h.K1.0380.63-1.507-155-748726-828-線膨脹系數(shù)*10-6/oC711-353.5-10.71223-玻璃鋼型材的導熱系數(shù)是鋼材的1/150，是鋁材的1/650

5.1.2

增強熱塑性塑料(FR-TP)

特點：

車用立體聲音響喇叭

霧燈

車門反射鏡架⑴、比重最輕1.1～1.6⑵、抗儒變性等力學性能明顯提高⑶、熱學性能大大改善>50%⑷、尺寸穩(wěn)定性提高5.1.2玻璃纖維增強熱塑性塑料（FR-TP）FR-TP是指玻璃纖維為增強材料，熱塑性塑料（聚酰胺、聚丙烯、低壓聚乙烯、ABS樹脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料）為基體的纖維增強塑料。

與玻璃纖維增強熱固性塑料相比，玻璃纖維增強的熱塑性塑料比重更小，除比強度較高外，其蠕變性也大為改善。它與部分金屬的比強度比較如下：材料比重抗拉強度（MPa)比強度（MPa)普通鋼A37.8540050不銹鋼1Cr18Ni9Ti855068.8硬鋁合金LY122.3470167.3增強尼龍6101.45250179.9增強尼龍10101.23130146.3增強PC1.4214098.3增強PP1.129080.41、玻璃纖維增強聚丙烯（FR-PP）突出特點:（1）機械強度比純PP大大提高，當短切玻璃纖達30～40%時，其抗拉強度達到100MPa，大大高于工程塑料PC（聚碳酸酯）、PA（聚酰胺）等;使PP的低溫脆性得到了大大改善;而且隨著玻璃纖維含量提高，低溫時抗沖擊強度也有所提高。（2）FR-PP的吸水率小，是POM（聚甲醛）和PC的十分之一;（3）耐沸水和水蒸氣突出，含20%短切纖維的FR-PP，在水中煮1500小時，其抗拉強度只降低10%，在23℃水中浸泡時強度不變。在高溫、高濃度的強酸、強堿中會使機械強度下降。在有機化合物的浸泡下會降低機械強度，并有增重的現(xiàn)象。聚丙烯為結晶型聚合物，當加入30%經硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維后，其熱變形溫度顯著提高，可達153℃，接近純PP的熔點。2、玻璃纖維增強聚酰胺（FR-PA）PA是一種熱塑性工程塑料，本身的強度比一般通用塑料的強度高，耐磨性好，但它因吸水率太大，影響尺寸穩(wěn)定性，另外耐熱性也較低，用玻璃纖維增強的聚酰胺，會改善這些性能。FR-PA的品種：FR-PA6、FR-PA66、FR-PA1010（1）耐熱性提高：纖維含量達30-35%時，其增強效果最理想，抗拉強度可提高2-3倍，抗壓強度可提高1.5倍，耐熱性提高明顯，尼龍-6的使用溫度為120oC，增強后使用溫度高達170-180oC;FR-PA的線膨脹系數(shù)比PA降低約25%，含30%玻璃纖維放熱FR-PA6的線膨脹系數(shù)為0.22*10-4/℃，與金屬鋁的線膨脹系數(shù)接近。（2）耐水性提高：聚酰胺的吸水性直接影響它的機械強度和尺寸穩(wěn)定性，甚至影響了它的電絕緣性，而隨著玻璃纖維加入量的增加，其吸水率和吸濕速度則顯著下降。例如PA6在空氣中飽和稀釋率為4%，而FR-PA6則降到2%，吸濕后FR-PA6的機械強度比PA6提高三倍。因而FR-PA吸濕以后的機械強度仍然能夠滿足工程上的要求，同時電絕緣性也比純PA好，可以制成耐高溫的電絕緣零件。（3）耐磨性變差：因為聚酰胺的制品表面比較光滑，光潔度越好越耐磨。而加入玻璃纖維以后，如果將制品經過二次加工或者被磨損時，玻璃纖維就會暴露于表面上，這時材料的磨擦系數(shù)和磨耗量就會增大。因此，如果用它來制造耐磨性要求高的制品時，一定要加入潤滑劑。3、玻璃纖維增強聚苯乙烯類塑料（FR-PA）聚苯乙烯類樹脂目前已成為系列產品，多為橡膠改性樹脂，例如：丁二烯—苯乙烯共聚物(BS)、丙烯腈—苯乙烯共聚物(AB)、丙烯腈一丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)等。這些共聚物大大改善了純聚苯乙烯的性能，使原來只是一種通用塑料的聚苯乙烯改性成為工程塑料。耐沖擊性和耐熱性提高了。這些聚合物再用長玻璃纖維或短切玻璃纖維增強后，其機械強度及耐高、低溫性、尺寸穩(wěn)定性均大有提高。玻璃纖維與聚苯乙烯類塑料復合時也要也要加入偶聯(lián)劑，不然聚苯乙烯類塑料與玻璃纖維粘結不牢，影響強度。4、玻璃纖維增強聚碳酸酯（FR-PC）聚碳酸酯是一種透明度較高的工程塑料，它的剛韌相兼的特性是其他塑料無法相比的，唯一不足之處是易產生應力開裂、耐疲勞性差。加入玻璃纖維以后，F(xiàn)R-PC比PC的耐疲勞強度提高2~3倍，耐應力開裂性能可提高6~8倍，耐熱性比PC提高10~20℃

，線膨脹系數(shù)縮小為1.6~2.4×10－６m／℃，因而可制成耐熱的機械零件。5、玻璃纖維增強聚酯聚酯作為基體材料主要有兩種，一種是聚苯二甲酸乙二酯(代號PET)，另一種為聚苯二甲酸丁二酯(代號PBT)。未增強純聚酯結晶性高，成型時收縮率大，尺寸穩(wěn)定性差、耐溫性差、質脆。用玻璃纖維增強后，機械強度比其他玻璃纖維增強熱塑性塑料均高，抗拉強度135-145MPa，抗彎強度209－250MPa，耐疲勞強度達52MPa。耐熱性提高最大，PET的熱變形溫度為85℃

，PR-PFT為240℃

，仍能保持機械強度，是玻璃纖維增強熱塑性塑料中耐熱溫度最高的一種。耐低溫度性能好，超過了FR-PA6，在溫度高低交替變化時，機械性能變化不大；電絕緣性好，可制造耐高溫電器零件；高溫下耐老化性好，勝過玻璃鋼，尤其是耐光老化性能好，所以使用壽命長。不足之處是在高溫下易水解，使機械強度下降。不適于在高溫水蒸氣下使用。

6、玻璃纖維增強聚甲醛（FR-POM）聚甲醛是一種性能較好的工程塑料，加入玻璃纖維后，不但起到增強的作用，而且耐疲勞性和耐蠕變性有很大提高。含有25％玻璃纖維的FR-POM的抗拉強度為純POM的兩倍、彈性模量為純PＯM的三倍，耐疲勞強度為純PＯM的兩倍，高溫下仍具有良好的耐蠕變性，同時耐老化性也很好。但不耐紫外線照射，因此在塑料中要加入紫外線吸收劑。不足之處是加入玻璃纖維后其摩擦系數(shù)和磨耗量大大提高了，即耐磨性降低了。為了改善其耐磨牡，可用聚四氟乙烯粉末做為填料加入聚甲醛中，或加入碳纖維來改性。7、玻璃纖維增強聚苯醚（FR-PPO)聚苯醚（PPO）是一種綜合性能優(yōu)異的工程塑料，但由于熔融粘度大、流動性差、加工困難，且易發(fā)生應力開裂、成本高等缺點。往往通過加入其他樹脂共混或共聚來改善此缺陷，這種方法雖然克服了以上缺點，但又會使其力學性能和耐熱性下降，用玻璃纖維增強可克服這一缺點。(1)含20%玻璃纖維的FR-PPO，其抗彎曲彈性模量比PPO提高2倍；

含30%玻璃纖維的FR-PPO，則提高3倍；可以用它制成高溫高載荷的零件。(2)最突出的特性是蠕變性很小，3/4的變形量發(fā)生在24h之內，因此蠕變性的測定可在短期內得出估計的數(shù)值，這一點是任何高分子復合材料難以達到的。(3)耐疲勞強度高。含20%玻璃纖維的FR-PPO，在23℃往復次數(shù)為2.5*106次時，它的彎曲疲勞極限強度仍能保持28Mpa；如果玻璃纖維的含量為30%時，則可達到34MPa。(4)FR-PPO的熱膨脹系數(shù)很小，是FR-TP中最小的一種，與金屬極為接近，其制件與金屬零件配合時，不易產生應力開裂。(5)具有優(yōu)異的電絕緣性。電絕緣性也是工程塑料中居第一位，其電絕緣性可不受溫度、濕度、頻率等條件的影響。(6)耐濕熱性能良好，可在熱水或有水蒸氣的環(huán)境中工作，因此用它可制造耐熱性的電絕緣零件。高強度、高模量纖維增強塑料主要是指以環(huán)氧樹脂為基體，以各種高強度、高模量的纖維(包括碳纖維、硼纖維、芳香族聚酰胺纖維、各種晶須等)做為增強材料的高強度、高模量纖維增強塑料。該種材料由于受增強纖維高強度、高模量這一性能的影響，致使其具有共同的特點：(1)比重輕、強度高、模量高和低的熱膨脹系數(shù)(表5.4），是目前力學性能最好的高分子復合材料。(2)加工工藝簡單。