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1、,聚合物基复合材料,聚合物基复合材料,影响聚合物基复合材料性能的因素： 1、增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学稳定性 2、增强材料的含量及其排布方式与方向 3、不同的成型工艺 4、增强材料与基体的界面粘接状况,聚合物基复合材料是由物化性质截然不同的增强材料和有机高分子化合物通过一定工艺方法复合而成的多相固体材料。,学生实验过程及作品,聚合物基复合材料的特性,比强度、比模量高,耐疲劳性能好,减震性好,过载安全性,可设计性强,聚合物基复合材料的特性,抗拉强度与密度之比 比强度高的材料能承受高的应力,弹性模量与密度之比 比模量高说明材料轻而且刚性大,比强度、比模量高,采用复合材料可大大
2、减轻构件或制品的重量,聚合物基复合材料的特性,耐疲劳性能好,疲劳破坏的种类不同： 金属： 突发性破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的30%50% 聚合物基复合材料： 有预兆破坏 极限为拉伸强度的70%80%,聚合物基复合材料的特性,增强纤维的缺陷少,抗疲劳性好，基体的塑性好, 抑制微裂纹的出现，即使形成微裂纹,在裂纹的缓慢扩展过程中,基体的纵向拉压将引起其横向收缩,而在裂纹尖端的前缘造成基体与纤维分离,基体(如聚合物基)的塑性形变也能使裂纹尖端钝化,减缓其扩展。,聚合物基复合材料的特性,减震性好,受力结构的自振频率有关因素： 结构形状 比模量的平方根成正比 同时，复合材料中的基体界面具有吸震能力，
3、使材料的震动阻尼很高，即使激起振动也能很快衰减。,对相同尺寸和形状的梁进行振动试验的结果表明,对同一振动,轻合金梁需要9秒钟才能停止,而碳纤维复合材料梁只需23秒。,聚合物基复合材料的特性,过载安全性,在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间。,聚合物基复合材料的特性,可设计性强,通过改变纤维、基体的种类及相对含量、纤维集合形式及排列方式、铺层结构等可以满足对复合材料结构与性能的各种设计要求。,复合材料
4、制品的制造始于整体成型,一般不需焊、铆、切割等二次加工,工艺过程比较简单。,2003 Brooks/Cole, a division of Tomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under liense.,品种,1、GF增强热固性塑料（GFRP）- 玻璃钢,加工性能最好。低粘度，可室温固化；价低，用量占80% 。透光性好，可制作采光瓦。收缩率大，耐酸碱性差。,、聚酯玻璃钢,、环氧玻璃钢,综合力学性能最好，粘结能力最强，与玻纤复合界面剪切强度最高，尺寸稳定性好，耐蚀性好；收缩率只有1-2%，粘度大，施工
5、困难，成型需要加热。,酚醛玻璃钢,耐热性最好, 350长期使用，短期可达1000；电学性能好，耐烧蚀材料，耐电弧。性脆，尺寸不稳定，收缩率大，对皮肤有刺激作用。,2、GF增强热塑性塑料 (FR-TP) 特点：,车用立体声音响喇叭,雾灯,车门反射镜架,、比重最轻1.11.6,、抗儒变性等力学性能明显提高,、热学性能大大改善50%,、尺寸稳定性提高,3、高强度纤维增强塑料,、C纤维增强塑料 比强度，比模量高的材料；耐腐蚀耐热都很 好。抗冲击性较好，价格昂贵。 、芳纶纤维增强塑料 与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。 抗拉强度与C纤维相当，冲击强度远高于C纤维； 振动衰减是玻璃钢的45倍。 抗压
6、性能差。,、B纤维增强塑料 突出优点是刚度好，价格比C纤维还贵。 、SiC纤维增强塑料 突出优点是与树脂相容性好。,芳纶纤维增强,C纤维增强,聚合物基复合材料设计,包括：材料设计和结构设计。 材料设计：根据使用要求，选取原材料；安排合适的工艺路线，将其制成满足性能要求的材料。 结构设计：确定构件的最终构型、几何尺寸、组合关系等，使之满足力学性能，安全寿命，可加工性和经济性要求。 设计过程：,1设计条件, 载荷情况 环境条件：温度，湿度，腐蚀等。可能引起的强度 下降。（如GF、KF耐湿性差） 功能性要求：如烧蚀、润滑、导电、导热、防雷电、 抗电磁干扰、透光等。 结构可靠性和经济性。,静载 - 强
7、度，刚度。 动载 - 抗冲击强度。 交变 - 疲劳强度。,2原料选择,选择原则：满足性能要求，廉价，易于获得。 （1）比强度、比刚度高的原则 （2）材料与结构的使用环境相适应的原则 （3）满足结构特殊性要求的原则 （4）满足工艺性要求的原则 （5）成本低效益高的原则,2原料选择,纤维选择特殊要求： 高强度，高刚度 高性能CF、BF 高抗冲击 GF、KF 低温性能 CF 尺寸稳定 KF、CF 透波，吸波 GF、KF、Al2O3,树脂的选择： （1）基体材料能在结构使用温度范围内正常工作 （2）具有一定的力学性能 （3）基体的断裂伸长率不小于纤维的，以充分发挥纤维的增强作用 （4）具有满足使用要求
8、的物理、化学性能，如吸湿性、耐介质、阻燃性、低烟、低毒性等 （5）具有一定的工艺性，主要指粘性、凝胶时间、挥发分含量、固化时的压力和温度、固化后的尺寸收缩率等。,基体材料树脂的选取：,受力结构件首选热固性树脂；大量使用、连续挤压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）。 150，聚酯或环氧 150400，聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂 内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）,3、单层设计 目的：为层合板设计提供依据 - 强度、刚度。 一般过程：确定复合比 性能预测 实验校核 、确定复合比,、刚度预测与核定 理论推测，实验核定。 、强度预测与核定 横向强度预测困难，以实验为准。 纵向拉伸强度 （纤维延伸率小，首
9、先断裂。）,纤维量多，取决于纤维和基体,纤维量少，取决于基体, 纵向压缩强度,取计算结果小者,最后以实验校核为准,4、层合板设计 内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。,0/+45/90/-45,0/90,0,45,5.铺设技术要点：,对称铺设：与主应力方向、厚度中心对称。 铺层方向按承载选取原则 铺设顺序 边缘包层 冲击载荷区以0层承载， 45层分散应力均衡负荷。 厚度变化区以阶梯过渡。,6、实验校核 按拉伸、压缩、剪切，根据国标或行标实验校核，结果与设计值比较。 设计值 = 安全系数 x 使用值 安全系数选取： 玻璃纤维 23 高强度纤维 1.52 民用取上限，军事用途可取低些。,自
10、然界的纳米高手,自然界的纳米高手,自然界的纳米高手,纳米复合材料的定义,纳米材料是指含有纳米结构的材料。尺度为1nm-100nm范围内的物质即为纳米物质。,纳米复合材料（nanocomposites）是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。当纳米物质为分散相，有机聚合物为连续相时，即为聚合物基纳米复合材料。,Why nano? Why nanocomposite?,从界面角度:,从增强体角度:强度大，模量高,材料的屈服强度与晶粒尺寸平方根成反比，随晶粒的细化材料强度将显著增加,是两相在纳米尺寸范围内复合而成,界面间具有很强的相互作用，产生理想的粘接性能.,Why nano? Why
11、nanocomposite?,从功能体角度:,由于纳米分散相有大的表面积和强的界面相互作用，纳米复合材料表现出不同于一般宏观复合材料的力学、热学、电学、磁学和光学性能，还可能具有原组分不具备的特殊性能和功能，为设计制备高性能、多功能新材料提供了新的机遇。,阻隔性能：,耐热性，尺寸稳定性提高，阻燃、气密性好。,纳米复合材料的优点,1、体系的各种物理性能均得到明显的提高。 2、纳米复合材料是资源节约型的复合，可以就地采用主原料（有机物或无机物），不需要新型物资，是 资源节约型的复合。 3、工艺路线简单。,有机-无机纳米复合材料,定义:,溶胶-凝胶（sol-gel）法,插层复合（intercalat
12、ion）法,直接混合法,常用的制备方法有：,用适当的方法将有机物与无机物复合，得到了纳米或分子尺度上复合的有机聚合物-无机物复合材料,溶胶凝胶法,定义：是将硅氧烷或金属盐等前驱物溶于水或有机溶剂中形成均质溶液，溶质发生水解反应生成纳米级粒子并形成溶胶，溶胶经蒸发干燥转变为凝胶。,把前驱物溶解在树脂溶液中，在酸碱或某些盐催化作用下，让前驱化合物水解，形成半互穿网络。,把前驱物和单体溶解在溶剂中，让水解和单体聚合同时进行，可使一些完全不溶的聚合物靠原位生成均匀地嵌入无机网络中。如果单体未交联形成半互穿网络，单体交联形成全互穿网络。,在聚合物或单体中引入能与无机组分形成化学键的基团，增加有机与无机组
13、分之间的相互作用。,插层法,a 插层聚合（intercalation polymerization） b 溶液插层（solution intercalation） c 熔体插层（melt intercalation）,层间插入法是利用层状无机物的膨胀性、吸附性和离子交换性，使之作为无机主体，将聚合物或单体作为客体插入无机相的层间，制得聚合物基纳米复合材料。,三种制备方法,聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料,3.3.1 基本概念和分类,插层复合法是制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的方法。,插层聚合（Intercalation polymerization）:,聚合物插层（Polymer inter
14、calation）:,插层复合法制备PLS纳米复合材料的流程示意图,聚合物/层状硅酸盐纳米复合物的结构和分类,从材料微观形态的角度，可以分成三种类型：,材料中粘土片层紧密堆积，分散相为大尺寸的颗粒状，粘土片层之间并无聚合物插入。,聚合物基体的分子链插层进入层状硅酸盐层间，层间距扩大，介于1-4nm，粘土颗粒在聚合物基体中保持“近程有序，远程无序”的层状堆积结构。可作为各向异性的功能材料,在理想情况下，聚合物分子链大量插入到层状硅酸盐的层间，导致层状硅酸盐各层之间的结合力被破坏，而以单个片层（厚度约为1nm）均匀分散在基体中，很强的增强效应，是理想的强韧型材料。,聚合物/层状硅酸盐纳米复合物的结
15、构研究方法,透射电镜（TEM）,TEM是观察聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料微观形态结构的重要手段,1 Na2MMT ;2 OMMT,1 PU ;2 PU1 ;3 PU3 ;4 PU5,蒙脱土及其纳米复合材料的XRD 谱,广角X射线衍射,Na-蒙脱土在改性后其特征衍射峰的位置由6.99o移到了4.55o 。由Bragg方程2dsin=n(此处d是硅酸盐片层之间的距离，为衍射角，为入射X-射线波长)计算出其片层间距由1.27nm增加到了1.98nm,Molau实验分析,这说明蒙脱土在含量较低情况下，能较均匀分散于聚氨酯基体中，由于纳米尺度的蒙脱土片层与聚氨酯基体界面间存在着很强的相互作用，因此PU1和PU3溶解于DMF中后静置数天，复合材料中的蒙脱土都很难和聚氨酯基体发生分离。,
