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1、高性能树脂及 复合材料 增强材料的种类与性能 复合材料：由两种或两种以上化学性质或组织结构不同 的材料组合而成的材料。 复合材料 多相材料 增强相：起承受应力（结构复合材料 ）和显示功能（功能复合材料）的作 用 基体相：是连续相材料，作用是把改善性 能的增强相材料固结成一体，并传递应力 The most important parts include: Reinforced materials Matrix materials Interface between them Matrix materials Polymer (Resin) matrix Metal matrix Ceramic
2、matrix 纤维增强树脂基材料中基体的主要作用有： 将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维之间 传递载荷，并使载荷均衡； 决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用 性能(耐热性)、剪切性能、耐介质性能(如耐水性、耐 化学性)等； 决定复合材料的成型工艺方法及工艺参数的选择； 保护纤维免受各种损伤。 此外，对复合材料如横向性能、纵向拉伸、压缩性能 、疲劳性能、断裂韧性等也有一定的影响。 界面的基本概念和粘结理论 界面是复合材料的三要素之一。 对于纤维增强复合材料来说，没有一个良好结合的界 面，纤维增强作用和基体应力转移过程就无从谈起。 界面结构和性质上的复杂性以及界面本身表征的难度 ，有
3、必要对界面的基本概念和界面内的作用作些概述 。 通常认为界面不是一个单一的结合面，而是 有一定厚度和不同作用区域的界面层。许多 研究表明，纤维增强复合材料的界面是一个 界面层。 由纤维表面层、纤维与基体相互作用和 渗透部分、以及基体表面层构成的多层 过渡层。 如上图(a)所示的三个层区。 如果存在粘结剂涂层时，在理论上可以将其分成两个 界面区，即基体与粘结剂界面区和粘结剂与纤维界面 区。但更为实用和方便的解释模型如图(b)所示，是将 原相互作用区扩展为一个多层的粘结区，或称为相互 作用区。 在宏观上，表面、界面或接触面的概念都十分 明确，边界也很容易确定；但在讨论接触面之 间的相互作用时，却是
4、一个微观层次的概念。 其相互作用区可能是一种物理或化学的作用， 也可能是一种分子相互纠缠的区域。这些在微 观上是很难区分其边界。 界面的粘结强度与分子的极性、相互作用力大 小以及实际产生纠缠的分子数量有关。 对低分子物来说，可以因为分子或原子在界面 的位移或换位，使物质转移和相互渗透。这也 会产生一扩散的过渡层，形成两物质间的粘结 ，其粘结强度取决于分子之间的作用力。 界面间作用 扩散缠结 纤维增强复合材料大都是高聚物间的复合粘 结。两种高聚物表面的大分子头端或支链的伸出端，会 在其间作用面上产生相互的扩散、纠缠，形成分子网络 ，如图(a)所示。 (a) 化学键的作用 化学键的作用形式如图(b
5、)所示，是带有A基团的物质 与具有B基团的物质相互接触时，因A、B基团的化学 反应，使两物质以化学键接形式结合在一起，构成界 面。该界面的强度直接取决于化学键的数量与类型。 由于化学键的结合能量较高，因此这类界面的相对稳 定性较好，不易破坏。 (b) 静电吸引 静电吸引是两个相互靠近的表面间因各自所带电荷的 极性不同而产生的相互吸引作用。这种作用从广义上 说，既可以是持久静态作用，也可以是瞬间变化作用 ，属范德华力的作用。由静电吸引产生的界面粘结效 果，在很大程度上取决于表面电荷的密度和两表面相 互接触的程度，其作用形式如图(c)所示。 (c) 许多高聚物表面，或经改性后的表面，或带有涂层剂的
6、 表面，都会存在许多游离或伸出的官能团。这些官能团 的正、负极性端会吸附在相应的阴离子或阳离子表面上 ，构成相互作用区，如图(d)所示。 静电吸引作用较化学键要弱得多，但在良好接触的极 性表面间，或能够形成较多的次价键作用时，对界面 强度的提高，就是不可忽视的一种作用形式。 (d) 机械锁结 见图(e)。如只考虑两相结合面上的机械物理作用，界 面的强度主要取决于表面锁结点的多少，即表面粗糙 度和材料的剪切屈服强度。 (e) 如图(e)所示的情形，两物质相切移动时，或其间 为剪切作用时，界面的抗剪粘结强度较高， 两物质相离运动时，即界面拉伸分开时，其粘结 强度较低。 事实上，机械锁结是一种宏观现
7、象，在微观的接 触面上，必定存在前述三种作用形式，故大多数 高聚物间的界面作用形式是这里所述几种形式的 复合。 增强材料，是聚合物基 复合材料的骨架。是复 合材料中能提高基体材 料力学性能的组元物质 ，它是决定复合材料强 度和刚度的主要因素。 增强体材料的 种类和性能 碳纤维 玻璃纤维 硼纤维 晶须 金属纤维 无机纤维 碳纤维：是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化合物， 或是纤维化学组成中碳元素占总质量90以上的纤维。 NOTE：只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能 作为CF的原料；有些纤维要经过予氧化处理后才能符合要求。 根据原丝类型 根据碳纤维性能 根据碳纤维的功能
8、 根据制造条件和方法 CF分类方法 Carbon fiber 聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基 根据原丝类型 高强度CF (HS)、 高模量CF (HM)、 超高强CF (UHS)、超高模CF (UHM) 、高强高模CF、中强中模CF 等 通用级CF ： 高性能CF 根据碳纤维性能 拉伸强度1.4GPa ，拉伸模量 140GPa Carbon fiber 受力结构用CF 耐焰用CF 导电用CF 润滑用CF 耐磨用CF 活性CF 根据碳纤维的功能 Carbon fiber 碳纤维：碳化温度12001500oC，碳含量95以上。 石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含量
9、99以上。 活性碳纤维：气体活化法，CF在6001200oC，用水蒸汽、 CO2、空气等活化。 气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成 纤维晶须或短纤维。 根据制造条件和方法 Carbon fiber 表面沉积物 表面机械损伤 表面裂纹 表面毛纤 碳纤维存在多种缺陷，这些缺陷大致可分为表面和内部表面和内部 缺陷缺陷两大类型。 脆性材料 易在裂纹尖端产生应力集中以裂纹迅速传播和扩展来形 成新的表面，使集中的应力得以消除，导致在较低应力 下就发生断裂。裂纹裂纹是制约强度的主要因素之一。 内裂纹 内孔洞 石墨晶体结构与乱层结构图 a石墨晶体的重叠状态；b乱层结构的重叠状态 Carbo
10、n fiber 碳纤维的结构 碳纤维的结构 石墨层片 石墨微晶 （乱层结构） 石墨原纤 （条带结构） 碳纤维 一级结构单元 La12%; 中碱玻璃纤维 6% 12%； 低碱玻璃纤维 2% 6% ； 微碱玻璃纤维 2%（无碱玻璃纤维） 按纤维使用特性分为 普通玻璃纤维（A-GF） 电工用玻璃纤维（E玻璃纤维） 高强型玻璃纤维（S 玻璃纤维） 高模量型玻璃纤维（M-GF） 耐化学药品玻璃纤维（C玻璃纤维） 耐碱玻璃纤维（ AR玻璃纤维：alkali-resistant ） 低介玻璃纤维（ D玻璃纤维：dielectric ） 高硅氧玻璃纤维 石英玻璃纤维 玻璃纤维的分类 纤维种类密度比拉伸强度 M
11、Pa 比弹性模量 GPa E-玻纤2.54350072 S-玻纤2.44470087 M-玻纤2.893700118 棉纤维1.53004001012 铝合金2.74046072 典型GF的力学性能 密度：2.42.9； 耐磨性和耐折性：都很差； 热热性能：导热导热 率小0.035W/（mK），隔热热性 好优优良的绝热绝热 材料；耐热热性好，软软化点为为 550580；热热膨胀胀系数4.810-6/K 电电性能：优优良的电绝缘电绝缘 材料； 光学性能：优优良的透光材料； 玻璃纤维 的物理性能 C-玻纤纤：对对酸的稳稳定性好，但对对水的稳稳定性差； E-玻纤纤：耐酸性较较差，但耐水性较较好； C
12、-玻纤纤和E-玻纤纤耐碱性接近，耐碱性好； S-玻纤纤和M-玻纤纤的耐酸性和耐水性好，耐碱性也 好于C-玻纤纤和E-玻纤纤。 玻璃纤维 的化学性能 玻璃钢应用于体育用品 有机纤维 芳纶纤维纶纤维 超高分子量聚乙烯纤维烯纤维 聚酯纤维酯纤维 芳纶纤维纶纤维 （Kevlar纤维纤维 )是芳香族聚酰酰胺类纤维类纤维 的 总总称。最常用的为为Kevlar-49。 主要性能： 高强度：3773MPa 高模量：127158GPa 抗冲击击性好：约为约为 石墨纤维纤维 的6倍、硼纤维纤维 的3倍 ； 低密度：1.441.45，只有铝铝的一半； 热热膨胀胀系数：纤维纤维 向-210-6/K，横向5910-6/
13、K。 芳纶纤维纶纤维 也称Kevlar或芳纶纶，即芳香族聚酰酰胺纤维纤维 1）1960年，美国杜邦研制出Nomex聚间间苯二甲酰间酰间 苯二胺纤维纤维 ，即芳纶纶1313，耐热纤维热纤维 2）1965年，杜邦研制出Kevlar聚对对苯二甲酰对酰对 苯二 胺纤维纤维 ，即芳纶纶1414，高强高模量纤维纤维 3）1974年，美国联联邦通商委员员会把全芳香族聚酰酰胺命名 为为Aramid。 芳纶纤维纤维发 展历历史 芳纶纤维布 芳纶手套 芳纶绳索、环形带（套管） Kevlar纤维纤维 的制造 芳香族聚酰酰胺是由酰酰胺键键与两个芳环连环连 接而成的线线 性聚合物。芳香族聚酰酰胺中最具代表性的首称聚对对
14、苯 二甲酰对酰对 苯二胺(Poly-p-phenylene terephthalamide) ，简简称PPTA。 高聚物溶液的特性： 1）高聚物溶液不溶于一般的溶剂剂，仅仅溶于强酸，如硫酸、 氯氯酸、硝酸等。一般用硫酸； 2）高聚物溶液呈液晶高聚物的特点。体积积分数20%,高取向的液晶,各向异性； 3）聚合物体积积分数18-22%，温度90处处于可纺纺性良好的 低粘度区。 Kevlar纤维纤维 的制造 超高分子量聚乙烯烯 超高分子量聚乙烯烯UHMWPE (Ultra-high molecular weight polyethylene) 1 ）20世纪纪30年代提出超强聚乙烯烯基础础理论论 2
15、）1979年荷兰兰DSM公司发发明了凝胶纺丝纺丝 法并申 请专请专 利； 3） 1990年开始商业业化生产产； 4）1998年宁波大成化纤纤集团团公司、中国石化总总 公司与中国纺织纺织 大学材料学院联联合研制成超高强 高模聚乙烯纤维烯纤维 。 优优优优点：点：世界上最坚韧坚韧 的纤维纤维 密度密度较较较较小，一般小，一般为为为为0.97g0.97gcmcm 3 3 ，比，比强强度、比模量都度、比模量都较较较较高。高。 断裂伸断裂伸长为长为长为长为 3 36 6。利用高。利用高强强聚乙聚乙烯纤维烯纤维烯纤维烯纤维 制作的复合材料制作的复合材料 ，在受到高速冲，在受到高速冲击击击击作用作用时时时时，能吸收大量能量，因此适于做防，能吸收大量能量，因此适于做防 护护护护材料。以高材料。以高强强聚乙聚乙烯纤维为烯纤维为烯纤维为烯纤维为 基体的复合材料，多用作基体的复合材料，多用作轻轻轻轻 重量的物件，如浮筒、船舶、雷达透波重量的物件，如浮筒、船舶、雷达透波结结结结构件、安全帽、防构件、安全帽、防 护护护护服等。服等。 在弯折状在弯折状态态态态下，高下，高强强聚乙聚乙烯纤维烯纤维烯纤维烯纤维 不易折断，不易折断，摩擦系数小，只 有0.07-0.11，且具有良好的自润滑性，耐磨性好，特耐磨性好，特别别别别适于适于 纺织纺织纺织纺织 加工。加工。 高高强强聚
