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1、,Fiber reinforced composites,Continuous fiber,Discrete fiber,Woven fabricUsing for laminated composites,Particle reinforced composites,高分子粒子增强复合材料即是将小尺寸的粒子高度弥散地分布在聚合物基体中。与纤维复合材料相比，粒子复合材料通常是各向同性的，承受载荷的主要是聚合物基体材料，粒子材料起到阻碍导致塑性变形的分子链运动的作用，因此粒子复合通常可以同时起到增强和增韧的作用。粒子直径一般在0.010.1范围内时增强效果最好，直径过大时，引起应力集中，直径小于
2、0.01时，则近于固溶体结构，作用不大。,Laminar Composites,层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料，是一种各向异性的复合材料（层内两维同性）。多层粘合、表面涂层高分子材料等也是层状复合材料。层合结构复合材料由二维片状材料组成，单层材料在某一方向上具有更高强度。层压就是不同的层的简单粘合。这些粘合材料一般都是热固性塑料和树脂。被粘合的材料可以是：纸张、布料、木材或者是纤维。,7.1.1 增强剂,玻璃纤维,碳纤维,芳纶纤维,强化纤维的功能,承受主要负荷限制微裂纹延伸提高材料强度与刚性改善材料抗疲劳、抗蠕变特性提高材料使用寿命及可靠性,7.1.2 基体,
3、塑料. 热固性塑料：酚醛、环氧、不饱和聚酯、 有机硅、呋喃树脂等。. 热塑性塑料：聚乙烯、聚丙烯、 、 、等。橡胶. 合成橡胶：丁苯、顺丁、异戊、乙丙、丁基、 丁腈、硅橡胶等。. 天然橡胶,基体的特性与作用： 纵向拉伸性能主要取决于增强剂，但不可忽视基体作用，基体将增强纤维粘接成整体，在纤维间传递载荷并使载荷均衡，从而充分发挥增强材料作用。至于复合材料的横向拉伸、压缩、剪切、耐热性能等与基体更密切相关。 基体材料必须是连续相，决不能是分散相； 基体当受热或外力冲击时，必须能够产生塑性流动，而把能量传递给增强纤维； 基体应具有一定的强度、耐热、耐候、耐水性，不能影响复合材料的性能； 基体与纤维的
4、粘附性要好； 基体与纤维复合时，加工应简单易行。,7.1.3 制造及成型方法,7.1.4 界面,聚合物基复合材料一般是由增强纤维和基体树脂两相组成，两相之间存在界面，通过界面使纤维与基体结合成为一个整体，使复合材料具备了原组成材料所没有的性能，并且由于界面存在，纤维和基体所发挥的作用，是各自独立又相互依存的。,7.1.4.1 界面的形成与结构,界面形成分为两个阶段：一是基体与增强材料的接触与润湿过程，由于增强材料对基体分子的各种基团或基体中各种组分的吸附能力不同，它优先吸附那些能够较多地降低它的表面自由能的物质，因此界面聚合物层与聚合物本体结构不同；二是聚合物的固化过程，聚合物通过物理的或化学
5、的变化使其分子处在能量降低、结构最稳定的状态，形成固定界面。上述两个过程是连续进行的。如在热固性树脂借助固化剂固化过程中，固化反应从固化剂所在的位置以辐射状向四周延伸，形成中心密度大，边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分叫胶束或胶粒，密度小的叫胶絮。在复合材料中，由于增强剂表面的吸附作用，因此越接近表面，上述微胶束排列越有序。在增强剂表面形成的树脂微胶束的有序层称为树脂抑制层，此抑制层中树脂力学性能与本体有很大差别。,界面结构：包括界面结合力、界面的区域（厚度）和界面的微观结构。（1）界面结合力存在于两相的界面间，形成两相之间的界面强度并产生复合效果。界面力有宏观和微观之分，宏观结合力指材
6、料的几何因素所产生的机械铰合力，微观结合离包括包括次价键和化学键。（2）界面区是由基体和增强材料的界面再加上基体和增强材料表面的薄层而构成。,（3）界面的微观结构如下： 粉状填料复合材料的界面结构：根据填料的表面能Ea和树脂内聚能密度Ec的相对大小，可把填料分为：EaEc，为活性填料，EaEc，为非活性填料；基体松散层致密层活性填料，基体松散层非活性填料 连续纤维增强复合材料的界面结构：在总体或微观结构上与上面的基本一致。,7.1.4.2 界面的作用,复合材料复合效应产生根源是界面层的存在。1 通过界面区使基体和增强材料形成一个整体，并通过它传递应力。2 界面的存在有阻止裂纹的扩展和减缓应力集
7、中的作用。3 由于界面存在，复合材料产生物理性能的不连续性、界面摩擦现象以及抗电性、耐热性、隔音隔热性、耐冲击性等机能效应。,7.1.4.3 界面作用机理, 化学键理论：最古老、应用最广泛的理论。认为偶联剂是双官能团物质，其分子的一部分能与玻纤表面形成化学键，而另一部分与树脂形成化学键，这样偶联剂把树脂和玻纤表面牢固连接起来。在无偶联剂存在时，如果基体与纤维表面上官能团起化学反应，产生化学键，也能形成牢固界面。其在玻纤增强材料中因偶联剂的应用而得到证实，也称偶联理论。2 物理吸附理论：认为两相间的结合属于机械铰合和基于次价键的物理吸收，偶联剂作用主要是促进基体与增强剂的完全润湿。其仅是化学键理
8、论的一种补充。3 浸润理论：两组分间如能实现完全浸润，则树脂在高能表面的物理吸附所提供的粘接强度将大大超过树脂的内聚强度。浸润理论认为两相间的结合模式属于机械粘接与润湿吸附。要获得好的表面浸润，基体起初必须是低粘度，且表面张力低于无机物表面临界张力。,4 减弱界面局部应力作用理论：处于基体与增强材料之间的处理剂，提供了一种具有自愈能力的化学键，这种化学键在应力作用下，处于不断形成与断裂的动态平衡，阻止了水等低分子物的破坏作用，松弛界面局部应力，使基体与增强材料之间保持一定的粘接强度。5 摩擦理论：认为基体与增强材料间界面的形成完全由于摩擦的作用，处理剂的作用在于增加基体与增强材料之间的摩擦系数
9、，从而提高强度。,7.1.5 性能,7.1.5.1 复合效果 组分效果：在已知组分的物理、力学性能情况下，不考虑组分的形状、取向、尺寸等状态复杂的变量影响，而只把组成（体积分数、重量分数等）作为变量来考虑所产生的效果。分为加和效果和相补效果。 结构效果：指复合物性能仅用组分性质及组成的函数描述时，必须考虑连续相和分散相的结构形状、取向（定向）、尺寸等因素。分为形状效果，取向效果和尺寸效果。 界面效果：复合效果主要是界面效果，由于界面的存在显示出复合材料的各种性能。,7.1.5.2 界面的机能效应, 分割效应：由于界面的存在将复合材料分割成许多的区域，因此将产生一些效应，如阻止裂纹的扩展，减缓应
10、力集中等。 不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性、界面的摩擦现象，以及抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。 反射与吸收效应：光、音、冲击波通过界面的反射与吸收。光的透过性、隔热性、隔音、耐冲击性等。 感应效应：界面上引起的变形、内部应力及由此产生的现象。,7.1.5.3 强度,1 纤维单轴取向的复合材料：不连续纤维复合材料的强度比连续纤维的低，原因是：在接近各纤维端部相当长的一段内，载荷不能从基体向纤维传递；纤维末端起着应力集中体的作用；通常用的短纤维达不到连续纤维那样的取向度。两相间界面键的强度是决定复合材料强度的重要因素，特别是横向强度，粘附性差的复合材料的横向强度反比粘附
11、性大的高。纵向拉伸强度只有在纤维比较短时，才受界面粘接强度的影响。横向压缩强度受基体强度限制，所以比纵向压缩强度小。层间剪切强度随基体抗张强度及剪切强度的增加而提高，随空穴率的增加而下降。纵向强度随纤维浓度增大而提高，剪切强度和横向强度随纤维浓度增加而下降。,2 复合材料的抗冲击强度：复合材料的纤维可从两方向逸散冲击能：当纤维从基体拔出时，由于力学摩擦使能量逸散，同时纤维的拉动可削弱应力集中；纤维脱胶，使能量逸散，终止或阻缓裂纹的发展。然而存在纤维也使抗冲强度减小：纤维存在使破坏伸长率减小；在纤维末端附近和粘接性差的部分，以及在纤维相互接触的区域，容易产生应力集中。因此纤维既可使抗冲强度提高，
12、也可使抗冲强度下降。（1） 当冲击负荷与纤维平行时，则粘附性差和纤维较短时，冲击强度最大；粘附性好、纤维长时，可使强韧性基体的抗冲击强度大幅度下降。,（2） 当冲击负荷与纤维垂直，良好的粘附性能获得较好的抗冲强度。横向抗冲强度比纵向抗冲强度小，也小于聚合物基体的强度。（3） 不同的抗冲实验方法测出的性能不同，缺口悬臂梁抗冲强度随纤维浓度增加而提高，而拉伸抗冲强度随纤维浓度增加而下降。（4） 向脆性聚合物基体加入纤维可使抗冲强度提高，而向高韧性基体中填充玻纤，抗冲强度反而显著下降。（5） 高模量纤维（如硼纤维、石墨纤维）的复合材料抗冲强度差，常加入少量低模量玻纤混杂复合提高抗冲强度。,Appli
13、cation of polymer composites,Application of polymer composites,复合材料应用,在卫星和宇航器上的应用,飞行器的减重的作用效果和飞行速度有关，飞行速度越快，每减重一克，或者一公斤，所取得的效益就越大。我国在“风云二号气象卫星”及“神舟”系列飞船上均采用了碳/环氧ACM做主承力构件，大大减轻了整星的质量，降低了发射成本。,耐极低温复合材料,世界第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（英文名称：EAST）,Nanocomposites,Characteristic of nanocomposites,当复合材料的分散相达到纳米尺度时，
14、其界面原子占极大比例，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。其独特的表面效应、体积效应和量子尺寸效应使得材料具有非常特殊的力、热、光、电性能。,Polymer nanocomposites,Nanoparticles for composites,纳米层状粘土（层状硅酸盐，layer silicate）包括：蒙脱土、硅藻土、锂皂石、蛭石等添加纳米粘土可以提高聚合物复合材料的强度、韧性、热稳定性、阻燃性、气体阻隔性等优点。,Nanoparticles for composites,碳纳米管（Carbon nanotube）碳纳米管可以赋予复合材料优异的力学性能、热性能、阻燃性能和导电性
15、能等。,Preparation of nanocomposites,纳米单元与高分子直接共混将制备好的纳米单元与高分子直接共混，可以是溶液、乳液、悬浮液共混，也可以是加热熔融形式共混。在高分子基体中原位生成纳米单元利用聚合物特有的官能团对金属离子的络合吸附及基体对反应物运动的空间位阻，或基体提供了纳米级的空间限制，从而原位反应生成纳米复合材料。在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成这种方法主要是指在含有纳米单元胶体粒子的溶液中单体分子原位聚合生成高分子，其关键是保持胶体粒子的稳定性, 使之不易发生团聚。高分子及纳米单元和高分子同时生成此法包括插层原位聚合制备聚合物基有机-无机纳米复合材料, 蒸发沉积法制备纳米金属- 有机聚合物复合膜及溶胶-凝胶法等。,思考题,1. 复合材料的特点与组成。2. 复合材料如何分类？3. 增强剂的作用与类型。4. 为什么要对玻纤进行表面处理？如何处理？5. 聚合物基体的特性与作用。6. 聚合物基复合材料的制造方法有哪些？7. 短纤维增强热塑性塑料如何制造？有何特点？8. 聚合物基复合材料中界面如何形成？有何作用？9. 聚合物基复合材料的强度有何特点？10. 聚合物基纳米复合材料的特点与类型。11. 如何制备聚合物/粘土纳米复合材料？,
