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1、聚合物基复合材料,王 一 光,超高温复合材料国防重点实验室 88494914， ,概 述,复合材料的定义 （各教科书说法不同，意见基本一致，没有完全统一的说法） 广义的定义：复合材料是指由两种或两种以上的不同材料，通过一定的工艺复合而成的，综合性能优于原单一材料的多相固体材料。复合材料与化合材料、混合材料的区别。 主要体现在：多相体系和复合效果是复合材料区别于传统的“混合材料” 和“化合材料”的两大特征。 举例：砂子与石子混合，合金或高分子聚合物,概 述,复合材料的定义狭义定义： （从构成角度看）所有复合材料由三种基本物理相组成：增强材料(分散相)，基体材料(连续相)，界面相。 由此可以得出：
2、,复合材料=增强材料+界面相+基体材料,概 述,复合材料的分类,按基体不同分为：,聚合物基复合材料（PMC）,复合材料,金属基复合材料（MMC）,陶瓷基复合材料（CMC）,C/C）,C/SiC）,第一节 引言,聚合物复合材料(PMC)以聚合物为基体的一类复合材料,树脂基体：高模、高强，尺寸稳定，承力结构,基体,橡胶弹性基体：阻尼、隔音、含能，功能基体,有机物纤维：芳酰胺纤维、芳杂环纤维,纤维,无机物纤维：碳纤维、硼纤维等,强界面：有效传递载荷到纤维增强相,界面,弱界面：界面在低应力下断裂，力传递终止,界面性质取决于纤维表面结构和基体的性质，基体和纤维表面的物理和化学作用构成了界面结构。,第一节
3、 引言,聚合物复合材料(PMC)的分类按纤维种类：,碳纤维复合材料,PMC,有机纤维复合材料,玻璃纤维复合材料,混杂纤维复合材料,第一节 引言,聚合物复合材料(PMC)的分类按增强物的外形：,连续纤维复合材料,PMC,短纤维复合材料,纤维织物或片状复合材料,颗粒填料复合材料,第一节 引言,聚合物复合材料(PMC)的分类按使用性能：,结构复合材料,PMC,力学性能：飞机垂尾,功能复合材料,力学/物理/化学：飞机天线罩,第一节 引言,聚合物复合材料的优点,定义：比强度=强度/密度比模量=模量/密度,1. 比强度、比模量高,聚合物复合材料密度低，强度（模量）高,第一节 引言,聚合物复合材料的优点,金
4、属材料的疲劳破坏无征兆，疲劳极限强度：30-50%； 而PMC破坏有纤维-界面，征兆明显，疲劳强度：80-90%。,2. 耐疲劳性能好,a. 复合材料比模量高，自震频率高； b. 聚合物基体(高韧树脂和橡胶)和界面，有震动阻尼特征。,3. 减震性能好,吸震/减震能力,第一节 引言,聚合物复合材料的优点,通过选择纤维和基体，可使复合材料具有多功能性。 如：选择高比热、熔融热和气化热的聚合物基体（酚醛）可做航天飞行器抗烧蚀防热材料（主动冷却）。,4. 具有多功能性,得益于纤维/基体比例的可调节性，以及纤维的可编织性，通过调节编织方式和铺层方式，选择合适基体，实现材料的设计性。,5. 各向异性和性能
5、可设计性,第一节 引言,聚合物复合材料的优点,复合材料制造与制品成型是同时进行，可实现制品一次成型。适合于大面积、复杂形状的构件精确整体成型，保证效率和质量。 如：波音飞机的垂尾。,6. 材料与结构的同一性,冷热循环交变时，尺寸稳定性好。,7. 热膨胀系数小,第一节 引言,聚合物复合材料的缺点,在潮湿环境中，聚合物复合材料的使用温度大大降低。 如：环氧树脂基复合材料180oC(干态)120oC(湿态)。,1. 耐湿热性差,价格因素阻碍PMC向民用领域发展，降低成本是发展方向之一,2. 材料性能分散性差,与复合材料选材及制造工艺密切相关。,3. 价格过高,第一节 引言,聚合物复合材料的应用举例,
6、1. 飞机结构中的应用,军机：F-22 24% 民机：A340 14% 直升机：RAH-66 25%,第一节 引言,聚合物复合材料的应用举例,2. 航天中的应用,液体火箭推进剂储箱：液氢存储箱固体火箭助推器的结构材料和功能材料：喷管防热件各类战术导弹弹头材料：天线窗局部防热、端头帽机动战略导弹发射筒卫星整流罩的结构件：烧蚀材料、端头等卫星太阳能板，支撑架，天线反射器支架等火箭推进剂等,第一节 引言,复习题,1 复合材料的优缺点? 2 复合材料在航天航空领域的应用?,第二节 复合材料增强体材料,玻璃纤维,玻璃纤维的制备,玻璃纤维,原料：SiO2+ 铝/钙/硼元素的氧化物+Na2O/K2O制备过程
7、：高温坩埚熔炼成玻璃球 拉丝 原纱（丝束）,浸润槽,浸润剂作用：粘合剂：把纤维粘在一起；润滑剂：促进树脂润湿；润滑剂：减少单丝间的摩擦系数，避免纤维损伤；偶联剂：提高纤维与基体间的粘接强度；。,第二节 复合材料增强体材料,玻璃纤维,玻璃纤维的性能,原材料的纯度、组成和配比决定玻璃纤维的性能。 性能特点：高强、低模、高伸长率、低线膨胀系数、低热导。,具有良好的氧化稳定性，其强度随温度上升而下降。 5GPa，拉伸模量230-310GPa，断裂应变高。,第二节 复合材料增强体材料,碳纤维,碳纤维的性能,耐热性能好使用温度：惰性气氛2500oC; 氧化气氛400oC; 抗烧蚀性好。可作热防护材料的增强
8、纤维 导热性、热膨胀系数各向异性导热性：平行于轴向垂直于轴向；高模纤维高强纤维。热膨胀系数：垂直于轴向(横向23-3210-6/K) 平行于轴向(纵向) 。,第二节 复合材料增强体材料,碳纤维,碳纤维的性能,导电性能好高模的导电率(775)高强的导电率(1500)避免与铝合金(-)发生电化学反应作隐身和吸波复合材料耐良好的低温性能在液氮下不脆 耐水、耐油、抗辐射、吸收有毒气体和减中子等特性。,第二节 复合材料增强体材料,芳酰胺纤维(芳纶纤维),芳酰胺纤维：定义 p134,聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA),第二节 复合材料增强体材料,芳酰胺纤维,芳酰胺纤维的制备,聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(P
9、PTA),第二节 复合材料增强体材料,芳酰胺纤维,芳酰胺纤维的制备,2. 聚对苯甲酸胺(PBA)纤维,3. 芳纶共聚纤维,1). 对位芳酰胺共聚纤维：结构 p136原料在低温缩聚而成，共聚溶液中和后直接湿法纺丝和后处理后得到纤维。 2). 聚对芳酰胺苯并咪唑纤维：结构p136在PPTA基础上引入对苯撑苯并咪唑类杂环二胺，低温缩聚后，纺丝后再经高温热拉伸而成。,第二节 复合材料增强体材料,芳酰胺纤维,芳酰胺纤维的性能,聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA)：高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、吸能性和减震性好、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸温度等优异的力学和动态性能，良好的耐化学腐蚀性能、高耐热性能、低膨
10、胀、低导热、不然、不熔等突出的热性能和优良的介电性能。,第二节 复合材料增强体材料,芳酰胺纤维,芳酰胺纤维的性能,聚对苯甲酸胺纤维(PBA)：与PPTA相比，强度低但模量高，高温强度保持率高，热老化性能好。,芳纶共聚纤维：,第二节 复合材料增强体材料,芳酰胺纤维,芳酰胺纤维的新发展,芳纶纤维具有耐光性差、溶解性差、抗压性能低、吸湿性较高等缺点，改进：,对PPT引入第三组分进行共聚、共混等改性研究； 新型芳纶纤维的合成； 功能型纤维的合成。,第二节 复合材料增强体材料,芳杂环纤维,P138,超高模量聚乙烯纤维,P139,增强织物,P141 2D 3D,第二节 复合材料增强体材料,思考题,PMC的
11、主要增强体材料有哪些? C纤维的特点和应用有哪些?,第三节 复合材料材料,思考题,PMC的主要增强体材料有哪些? C纤维的特点和应用有哪些?,第三节 复合材料聚合物基体材料,概述,基体选择原则： 力学性能（强度、模量和韧性）环境稳定性（湿热稳定性）功能性 (结构功能一体化),树脂基体分类 热固性树脂：含有多功能基的小分子化合物，具有可溶可熔性。加热到某一温度，融化流动塑化、交联成大分子。 热塑性树脂：高分子聚合物，高温熔融，低温冷却重新成固体。,第三节 复合材料聚合物基体材料,概述,两类树脂作为复合材料基体的特点 热固性树脂：可熔和可溶，流动状态可固化：化学过程。优点：易于浸渍；固化温度和压力
12、低；复合材料强度、模量高，尺寸稳定性好，耐热性好。缺点：不能反复成型。成型周期长，脆性大，难回收。 热塑性树脂：高分子聚合物，高温熔融，低温冷却重新成固体。优点：韧性高，挥发和可凝物少，可反复成型，制造周期短，容易回收。缺点：预制料困难，成型温度和压力高。,第三节 复合材料聚合物基体材料,环氧树脂,环氧树脂 定义：含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物，除个别外，分子质量不高。环氧基是活泼的基团，可位于环氧树脂的末端或中间，环氧树脂通过这些活性基团与固化剂反应生成体型结构的高聚物。 二缩水甘油醚树脂 （结构p143）最常见的是双酚A型环氧树脂，具有粘度低、力学性能高、价格低等优点。只与一些特殊
13、的固化剂配合后才能作为高性能树脂，耐热性低。改善方法，在分子结构上引入更多的芳香环，提高分子链刚度。,第三节 复合材料聚合物基体材料,环氧树脂,2. 多缩水甘油醚树脂(结构p143)性质：液态固态，与树脂聚合度有关。软化点：24-25oC，功能度约2.3-6；固化物交联密度大；热稳定性好、力学强度、电绝缘性和耐腐蚀性好。种类：酚醛环氧树脂双酚A酚醛环氧树脂二环二烯酚醛树脂 等等改性：可加入相关功能团，提高耐热性或韧性等。,第三节 复合材料聚合物基体材料,环氧树脂,3. 缩水甘油胺树脂(结构p144)特点：流动性好、耐热性高。但由于含有-N-，吸湿性大。举例：4,4-二胺基二苯甲烷四缩水甘油胺（
14、TGDDM），Ciba Araldire My720、721，国产：AG-80应用：航空航天复合材料，耐热性好。 软化点：24-25oC，功能度约2.3-6；固化物交联密度大；热稳定性好、力学强度、电绝缘性和耐腐蚀性好。种类：酚醛环氧树脂、 双酚A酚醛环氧树脂 、二环二烯酚醛树脂 改性：可加入相关功能团，提高耐热性或韧性以及降低吸湿性(卤化)等。,第三节 复合材料聚合物基体材料,环氧树脂,环氧树脂固化剂环氧树脂分子上的环氧基可在固化剂作用下通过不同的聚合机理形成高聚物。环氧基于固化剂的逐步加成聚合在实际应用中更为重要。,多元胺 多元硫醇 多元酸和酸酐 多元酚,种类,含有活泼氢，可被酸和碱催化,第三节 复合材料聚合物基体材料,环氧树脂,1. 双氰胺它对含羟基的分子量较高的双酚A型环氧树脂特别适宜。特点：与环氧树脂组成的体系有半年以上的储存期；加热到145-165oC时快速固化；与环氧树脂不相容，熔点高208oC.缺点：与树脂按粉末混合，形成两相体系。通常双氰胺/脲衍生物固化剂+ 双酚A型环氧树脂 ：中温固化，广泛应用于复合材料。工作温度：80oC，可用于飞行器的结构件。,
