聚合物基复合材料.pptx

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,聚合物基复合材料,1,主要内容,2,绪论聚合物及其特性，聚合物基复合材料的发展、特点及分类聚合物基体材料热固性树脂、热塑性树脂聚合物基复合材料的制造工艺聚合物复合材料的界面聚合物基复合材料的性能,3,绪论,聚合物材料的基本特征,聚合物又称高分子化合物，一般是指相对分子量在104以上，主要以共价键结合的一类化合物。

工程应用中分为两类：

天然聚合物：

棉花、淀粉；合成聚合物：

塑料、合成纤维、合成橡胶。

聚合物材料相对于低分子材料的特征：

1.聚合物是由许多相同基本结构的重复单元通过共价键连接在一起，具有庞大的相对分子量。

2.高聚物分子链的结构形态较复杂,按其几何形状可分为线型结构、支链结构和体型结构。

3.高分子链之间的次价力（范德华力、氢键等）相互作用，结合成晶态或非晶态的结构。

4.高分子聚合物中还包含有多种添加剂，如抗氧化剂、填料等。

这些添加剂使得高分子的大分子链结构变得更加复杂。

绪论,4,聚合物基复合材料的发展简史第一阶段:

19401960，现代先进复合材料的开始。

1940:

玻璃纤维增强塑料玻璃钢；1946:

玻璃纤维增强尼龙。

第二阶段:

1960-1980，现代先进复合材料的开发时期，复合材料的种类不断增加。

基体材料:

热固性树脂；增强材料:

硼纤维、碳纤维，70年代出现了Kevlar纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维。

第三阶段:

1980-现代复合材料的成熟应用时期。

1982出现了先进热塑性复合材料。

复合材料不仅在航空航天领域，而且在几乎所有工业和民用领域得到应用。

绪论,5,聚合物基复合材料的特点高的比强度、高的比模量热膨胀系数低，尺寸稳定,表2-1各种单向连续纤维增强塑料（,vf=60）与金属性能的比较,GFRPCFRPKFRPBFRPSFRP,钢铝,钛,材料密度,g/cm3拉伸强度,GPa比强度,MPa/（g/cm,绪论,6,聚合物基复合材料的特点3.耐疲劳性能好金属材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的30-50%，PMC的疲劳极限多为静态抗拉强度的70-80%，PMC的破坏有明显的预兆，可以事先检测出来。

4.耐腐蚀性能好耐酸碱、耐盐水等腐蚀，用于制备化工设备防腐管道。

5.减振性能好6.工艺性能好7.其它良好的性能可设计性，良好的电绝缘性能,特殊的光学或电磁学性能。

绪论,7,聚合物基复合材料的特点8.经济性差原材料与生产成本都比较高。

9.湿热环境下的性能降低吸湿与老化现象。

10.冲击韧性差一般为脆性材料，断裂韧性低。

各种冲击可导致内部损伤，甚至破坏。

8,聚合物基复合材料的分类,聚合物基复合材料,按基体可分为：

热固性树脂复合材料，热塑性树脂复合材料按增强相类型及其在复合材料中的分布来分连续纤维,按纤维形态不连续纤维,长纤维（毡）短切纤维,纤维增强,按铺层方式,单向角铺层织物三维,按纤维种类,玻璃纤维碳纤维芳纶纤维超高分子量聚乙烯纤维等,晶须增强层片增强粒子增强,碳化硅晶须、氧化铝晶须等云母、玻璃、金属等氧化铝、碳化硅、石墨、金属等,9,聚合物基体材料,聚合物材料的介绍热固性树脂在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的进行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化成型。

再加热不会软化，不溶、不熔。

其高分子聚合物属于三维体型网状结构。

常用热固性树脂：

环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等。

热塑性树脂加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。

冷却后变硬，再加热可软化。

其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。

常用的热塑性树脂：

聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）、,聚碳酸脂等。

10,聚合物基体材料,聚合物基体材料的选用原则复合材料中：

基本材料的性质，加工性质，复合材料的性质。

基体材料选用的基本原则：

1基体材料自身的性能。

力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等方面满足产品的使用要求。

2对增强纤维有良好的浸润性与粘附力。

3具有良好的工艺性能：

容易操作，胶液具有足够长的适用期、预浸料具有足够长的贮藏期、固化收缩小等。

4低毒性、低刺激性。

保证生产工人的安全。

5来源方便、价格合理。

11,聚合物基体材料,热固性基体传统的聚合物基体材料是热固性树脂最大的优点就是具有良好的工艺性能，由于固化前热固性树脂的粘度低，因此适合于常温常压下浸渍增强纤维，并在较低温度下固化成型，而且固化后具有很好的性能。

缺点：

热固性树脂所用的预浸料需要低温冷藏，且贮存期较短；成型周期长，材料的韧性差。

作复合材料基体的热固性树脂：

环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺（BMI）树脂等等。

环氧树脂：

C纤维增强,酚醛树脂、不饱和聚酯树脂：

GF纤维增强,12,应用范围,船舶、化工航等电器材料等材料电子等,主要用玻璃使用范围最多用于玻璃具有良好的具有最好的纤维增强，广，性能最纤维增强，性能，中等耐热性，用用于绝大部好，用于主发烟率低，使用温度，于耐高温结分的PMC承力结构或用于烧蚀材部分代替环构，如卫星、制品、结构耐腐蚀制品料，如飞机氧树脂，用空间飞行器件如汽车、如飞机、宇内部装饰、于飞机结构构件,聚合物基体材料典型热固性PMC性能比较,聚合物基体材料,性能,聚酯树脂,典型热固性树脂浇注体性能数据树脂酚醛树脂环氧树脂,聚合物基体材料,环氧树脂（EpoxyResin,EP）,环氧树脂是指分子式中含有两个或两个以上环氧基团的高分子聚合物的总称。

CHCH,O,工业上用得最广泛的是双酚A型环氧树脂，其产量约占环氧树脂总产量的90%，属于第一类。

环氧树脂优点1工艺性好。

室温操作、固化剂种类多，适用期、粘度、与固化时间均可在很大范围内调节。

2韧性好。

固化后的韧性约为酚醛树脂的7倍。

3良好的粘合性。

-OH，-C-O-C-使EP可形成H键等。

4收缩性小。

固化时无其它产物，一般2%。

5化学稳定性好。

苯环与脂肪羟基不受碱的侵蚀，且耐酸。

14,15,聚合物基体材料,环氧树脂的分类,16,聚合物基体材料,固化剂:

环氧树脂本身是热塑性的线型结构，所以必须向树脂中加入第二组分，才能进行交联固化反应，生成网状结构的高聚物后才能应用。

所加的第二组分即为固化剂。

按固化反应,按固化温度,按固化剂结构,固化剂,反应型：

固化剂分子直接与环氧树脂官能团反应，反应后成为交联环氧树脂的一部分。

催化型：

促进环氧树脂固化，不参与至交联环氧树脂中。

潜伏型：

室温下不与环氧树脂反应，但温度升高后可迅速与之反应。

高温型：

100以上中温型：

60100室温型：

20低温型：

低于5,胺类酸酐类树脂类,固化分为三个阶段：

A粘流态的树脂,B凝胶（不能流动）,C三维网状固体,聚合物基体材料,不饱和聚酯树脂（UnsaturatedPolysterResin,UP）不饱和聚酯树脂：

指不饱和聚酯在乙烯基类交联单体中的溶液。

不饱和聚酯：

由不饱和二元酸（或酸酐）、饱和二元羧酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的相对分子量不高的聚合物。

分子为线型结构。

O,18,聚合物基体材料,不饱和聚酯树脂（UP）,羟基酸分子间的缩聚：

2HOROCORCOOH,HOROCORCOOROCORCOOH+H2O,羟基酸与二元醇进行缩聚反应：

HOROCORCOOH+HOROHHOROCORCOOROH+H2O由羟基酸出发进行的聚酯反应同二元酸与二元醇的线型缩聚反应相同。

不饱和聚酯链中由于有不饱和双键，因此可以在加热、光照、高能幅射或引发剂的作用下与交联单体共聚，交联固化成具有三维网络的体型结构。

19,聚合物基体材料,不饱和聚酯树脂的分类1通用型不饱和聚酯树脂，多用于手糊成型复合材料制品。

2柔韧型不饱和聚酯树脂，可单独使用或与通用型混合，冲击强度高。

3弹性不饱和聚酯树脂，有较高的弯曲强度和较低的弯曲模量，韧性好。

4耐化学腐蚀型不饱和聚酯树脂，用间苯二甲酸替代邻苯二甲酸或将双酚A引入不饱和聚酯分子中，耐腐蚀性能提高。

5阻燃型不饱和聚酯树脂，在通用型中加入阻燃剂，或在合成树脂时，使用一种含有阻燃元素的单体或交联剂。

6耐热型不饱和聚酯树脂，热变形温度达到110-120。

7光稳定型和耐气候型不饱和聚酯树脂，添加紫外线吸收剂，提高了耐候性和光稳定性。

8低收缩不饱和聚酯树脂。

20,聚合物基体材料,不饱和聚酯树脂（UP）不饱和聚脂树脂为低粘度液体，可在室温下固化，成型工艺简单，适合于大型异形部件的制造。

不饱和聚脂树脂在固化程中可分为三个阶段：

1凝胶：

失去流动性形成半固态凝胶。

2定型：

从凝胶到具有一定硬度和固定的形状。

3熟化：

要使其达到最好的力学和化学性能，还要在高温加热几小时或在室温中放置几周。

不饱和聚脂树脂的固化采用引发剂。

其优点为：

1可以有效地控制反应速度。

2最终固化可趋于完全，固化后树脂性能稳定。

3在配以适当的促进剂后，可以满足各种固化工艺的要求。

引发剂：

能使单体分子或含双键的线型高分子活化而成为,游离基并进行连锁聚合反应的物质。

聚合物基体材料,21,酚醛树脂（Phenolicresin,PF）酚醛树脂：

由酚类（苯酚、甲酚、二甲酚等）和醛类（甲醛、乙醛、糠醛等），在酸或碱催化剂作用下缩聚而成的树脂的统称。

聚合物基体材料,22,酚醛树脂（PF）酚与醛的质量比略小于1：

热固性的酚醛树脂。

特点：

可溶于丙酮、乙醇，加热即固化，固化温度为150170。

酚与醛的质量比稍大于1：

线型的热塑性的酚醛树脂。

酚醛树脂的特点：

1价格低廉2耐烧蚀3粘附性差4耐碱性差5固化后较脆,23,聚合物基体材料,酚醛树脂（PF）酚醛树脂固化：

热固性酚醛树脂可以在加热条件下固化。

OHOHCH2OH,CH2OHCH2OH+,HO,CH,2,OH+H2O,CH2OHCH2OH酚醛树脂固化可以在酸性条件下固化。

酚醛树脂也可以在较低温度或室温下固化，但需在树脂中加入合适的无机酸或有机酸，工业上称为酸类固化剂。

常用的酸类固化剂有：

盐酸、磷酸、对甲苯磺酸、苯酚磺酸,或其它的磺酸。

24,聚合物基体材料,酚醛树脂（PF）改性酚醛树脂：

在酚醛树脂中加入一些其它元素或基团，以改善其性能的不足，特别是提高韧性与耐碱性。

环氧改性酚醛树脂：

提高其抗拉强度约100MPa、抗冲击强度34倍。

有机硅改性酚醛树脂：

提高其使用温度至200260，作为瞬时耐高温材料等。

二甲苯改性酚醛树脂：

改善其工艺性能。

聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂：

提高其韧性，增韧作用。

在酚醛树脂结构中引入硼元素，可提高其耐热性和烧蚀性。

25,聚合物基体材料,热塑性树脂热塑性树脂：

加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。

冷却后变硬，再加热可软化。

其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。

常用的热塑性树脂,聚烯烃树脂：

聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯、聚碳酸脂等。

氟树脂：

聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氟乙烯。

聚酰胺树脂（尼龙）：

尼龙66、尼龙6等。

聚酯树脂（涤纶）、聚甲醛树脂、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂等。

26,聚合物基体材料,热塑性树脂聚丙烯：

1954年首次合成，1957年工业化生产。

聚丙烯在工业上是丙烯在氯化钛-氯二乙基铝催化剂的作用下进行配位聚合而得：

CH3nCH2CHCH3CH2CHn聚丙烯分子链是头尾相接的线型结构，其分子链具有全同立构、间规立构和无规立构三类。

聚丙烯有较好的耐热性（约100），特别是有突出的抗弯,曲性能和抗疲劳性能，但蠕变性能较PVC和尼龙差。

27,聚合物基体材料,热塑性树脂聚氯乙烯：

工业用主要为非晶结构（故无明显的熔点），其软化点约为80。

聚氯乙烯在工业上由氯乙烯通过游离基型加聚反应而得：

Cl,nCH2CHCl,CH2CHn,聚氯乙烯自身具有良好的机械性能、耐候性和阻燃性。

聚氯乙烯有较高的化学稳定性，有良好的耐酸、碱性能，并耐大多数油类、脂肪和醇类的侵蚀；但不耐芳烃类、酮类和,酯类的侵蚀。

用于生产塑料薄膜、人造革等。

聚合物基体材料,28,热塑性树脂,聚四氟乙烯（塑料王、特氟隆）