聚合物基复合材料复习

1.聚合物基复合材料的组成

(1) 基体

热固性基体：

i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好

ii) 交联固化后成网状结构，尺寸稳定性好耐热性好，但性脆

iii) 制备过程伴有复杂化学反应

热塑性基体：

i) 熔体粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型，工艺性差

ii) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好

iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象

(2) 增强体

主要有碳纤、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等

由于树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，增强体多经过表面处理与表面改性，以及浸润剂、偶联剂和涂复层的使用，使其组成复杂化。

3.复合材料的界面

1)界面现象：① 表面吸附作用与浸润

② 扩散与粘结（含界面互穿网络结构）

③ 界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键合力）

2). PMC、MMC、CMC等复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。

（1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。

i) 界面设计与控制的重要手段

ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分

iii) 为第二阶段作准备

（2）第二阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程

i) 接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合或物理结合。化学结合可看作是一种

特殊的浸润过程

ii) 界面形成与发展的关键阶段

（3）第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应

i) 界面的固定（亚稳态、非平衡态）

ii) 界面的稳定（稳态、平衡态）

在复合材料界面形成过程中涉及：

i) 界面间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程 ii) 界面间的相互转化：如，固化过程是固-液界面向固-固界面转化的过程后处理

过程：固-固界面自身完善与平衡的过程

3 i) 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样。界面区至少包括：

基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分

iii) 4）在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布，这就是“残余应力”。残余应力来源：

① 增强相与基体相热膨胀系数的不匹配

② 相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均

③ 成型过程中，由高温-室温、由化学和物理变化引起的各组元体积收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等

④ 层合板中，由铺层方向不同所带来的层间残余应力（层合板的翘曲）

⑤ 流变过程中，组元间的塑性变形差异引起的流变残余应力

5）. 复合材料界面破坏机制 在力场或外界环境如

（1）破坏的来源

缺陷按本身的规律发展，并消散能量

（2）5种破坏形式： i) 基体断裂ii) 纤维断裂iii) 纤维脱粘iv)纤维拔出(摩擦功)v) 裂纹扩

展与偏转

复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的组合与综合体现的结果。

6）. 复合材料的界面理论(The Interface Theories)

（1）界面设计与控制的概念(design and control of interlayer)

界面具有双重功能

① 传递应力，需要一定界面结合强度，但不是愈高愈好

② 界面破坏。界面结合适度，界面破坏形式愈丰富，能量耗散愈多。高的界面粘接强度，不一定带来材料整体的高强度和高韧性。

在脆性纤维-脆性基体复合体系中，强的界面结合往往导致各组元相中及相间的应力集中和脆性断裂、破坏形式单一，不涉及界面破坏，其能量耗散仅限于产生新的断裂表面。材料易突然失效或发生灾难性破坏。弱的界面结合强度有时能带来材料整体高的力学强度和韧性。弱的界面结合可以发生多种界面破坏形式（如纤维拔出、脱粘、应力再分配等），从而消耗大量的外界功，提高材料的强度和韧性，避免脆性断裂或灾难性破坏。

因此，要求界面：

① 适宜的粘接强度

② 最佳的界面结构和状态

③ 与界面相联系的理想的微观破坏机制

这就是所谓界面设计与界面控制的基本概念

4．增强材料概述

1）增强材料是复合材料的主要组成部分，性能优越。

作用：提高基体树脂的强度、硬度、模量、耐热及耐磨性、减少成型收缩率。

2）增强材料分类：

无机增强材料：Gf、Cf、Bf、晶须、石棉、金属纤维、 (Al2O3)f、SiC)f

有机增强材料：Kevlar纤维、聚苯并双噁唑纤维、UHMPE纤维、聚酯纤维、棉、麻、

纸等。

1. 3) 聚合物基复合材料用增强材料所具备的特征

5. Gf:玻璃纤维即纤维状的玻璃，结构与玻璃相同，是目前用量最大的一类纤维。价格便宜，拉伸强度高，防火防霉。在纤维增强塑料（FRP）中的用量一般为20-80%，缺点是脆性大、不耐磨，易受机械损伤。

6. 1>影响玻璃纤维强度的因素

7. i）直径越细，强度越高

8. ii）存放时间越长，强度越低（老化现象），原因是玻纤表面的微裂纹易吸附各

种气体、水蒸气、易发生表面反应。老化程度取决于玻纤对大气中水分等的稳

定性。

9. iii>化学组成：含K2O、PbO成分多的玻璃纤维的强度较低，见P11表2.24

10. iV).负荷时间：随着玻璃纤维的负荷时间的增加，其拉伸强度降低，环境湿度较

高时，更加明显，原因可能是吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂

纹扩展加快，从而导致强度降低。

处理原因：玻纤表面光滑，不利于与基体相粘结

比表面积大，易吸水影响稳定性

较脆、不耐磨，纤维之间摩擦系数大，不利于纺织 处理目的：使玻纤与基体形成良好的界面粘结 ，利于纺织（集束、润滑、除静电）

处理意义：i）是提高玻璃钢性能的重要途径之一

ii）改善了玻纤及其织物的性能，增强了玻纤与基体的界面粘结

iii）改善了玻纤的界面状态（防止水分子及其它有害物质侵入、减少或消除界面

弱点）

玻纤表面处理分为：

单丝表面处理：涂覆一层浸润剂（保护膜），目的是润滑，以保护纤维免受大气、水分的侵

害。

常用淀粉和石蜡乳剂处理。此类处理剂在纤维及其织物的表面处理前应除去（洗涤

法、烧灼法）

纤维及其织物的表面处理：采用偶联剂，目的是使纤维和织物

与树脂良好粘结

目前所用的偶联剂主要有三大类：硅烷类.有机铬类.钛酸酯类

8.芳纶纤维

11. 1>结构：i）分子对称性高，定向程度及结晶度高

12. Ii） 力学性能各向异性（轴向是化学键，横向是氢键）

13. Iii）刚性分子链难以旋转，不能折叠，呈棒状结构，纤维模量高

14. iv）强度高。（线型结构使分子堆砌密度大；分子链方向结合较强，单位体积承 2. 能明显提高基体所需的某种性能（如高比强度、比模量、尺寸稳定性、耐热性等） 3. 具有良好的化学稳定性 4. 与树脂有良好的浸润性，并能形成良好界面粘结 5. 价廉

担的外力大

15. v) 尺寸稳定性好

⑶．化学性能

耐中性化学品腐蚀，吸水率高。

强度高、模量高、韧性好、密度小、尺寸稳定性高、热稳定性好

9.Cf :CF是聚合态的碳，是由 …… 此处隐藏：6726字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……