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1、第六章 聚合物基复合材料,6.1 聚合物基复合材料的性能 6.2 聚合物基复合材料的结构设计 6.3 聚合物基复合材料的应用,高分子材料的力学性能,力学性能的基本指标 高弹性能 粘弹性 聚合物的力学屈服 聚合物的力学强度 摩擦与磨耗 疲劳强度,6.1.1 力学性能的基本指标应力和应变,应变 受到外力作用而又不产生惯性移动时，材料的几何形状和尺寸发生的变化 应力 定义为单位面积上的内力，内力是材料宏观变形时，其内部分子及原子间 发生相对位移，产生分子间及原子间对抗外力的附加内力。 材料的受力方式 简单拉伸：张应变e = l / l0, 习用应力s = F/ A0. 简单剪切：材料受到与截面相平行
2、、大小相等、方向相反且不在同一直线上的两个力F作用时，发生简单剪切。 g = l / l0 = tan q, s s = F/ A0 均匀压缩： gv = V / V0,力学性能的基本指标弹性模量,弹性模量（模量） 单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。 三种形变对应三种模量 拉伸模量（杨氏模量）：E = s / e 剪切模量 ：G = ss / g 体积模量（本体模量）：B = P / gv 三种模量间的关系：E = 2G ( 1 + n ) = 3 B (1- 2n) n 是泊松比：拉伸形变中横向应变与纵向应变的比值,力学性能的基本指标硬度与强度,硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的一种指
3、标。 硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关。 有时用硬度作为抗张强度和弹性模量的一种近似估值。 强度 抗张强度（拉伸强度）:试样断裂前所承受的最大载荷与其截面积之比 抗弯强度（挠曲强度），s t = 1.5Pl0 / bd2 抗冲击强度（冲击强度）, 衡量材料韧性的指标，指试样受冲击载荷破裂时单位面积所吸收的能量。 s i = W / bd,6.1.2 聚合物基复合材料的总体性能,表6-1 各种材料的比强度和比模量,聚合物基复合材料的总体性能(1),比强度、比模量较高 玻璃纤维复合材料有较高的比强度、比模量。而碳纤维、硼纤维、有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度相当于钛合金的3-5倍，它
4、们的比模量相当于金属的2-4倍。 耐疲劳性能好 金属材料的疲劳破坏是没有明显预兆的突发性破坏，而聚合物基复合材料中纤维与基体的界面能阻止材料受力所致裂纹的扩展。其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗张强度的40-50。而碳纤维聚酯复合材料的疲劳强度极限可达其抗张强度的70-80。,聚合物基复合材料的总体性能(2),减震性好 受力结构自振频率的影响因素： 结构的形状，结构材料的比模量（与其平方根成正比）。 比模量高，自振颜率高。 界面具有吸振能力，振动阻尼高。 试验表明：同样大小的振动，轻合金梁需 9 s 才能停止，碳纤维复合材料
5、梁只需 2.5 s 就会停止。 安全性好 复合材料中有大量增强纤维，当材料过载而有少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件在短期内不致于失去承载能力。,聚合物基复合材料的总体性能(3),可设计性强、成型工艺简单 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、铺层结构等可满足材料结构和性能的各种设计要求。 整体成型，一般不需二次加工，可采用手糊成型、模压成型、缠绕成型、注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的产品。 不足 断裂伸长率小； 抗冲击强度差； 横向强度和层间剪切强度低。,6.1.3 玻璃纤维增强热固性塑料的共同特点,玻璃纤维增强热固性塑料 (GFR
6、P) 俗称玻璃钢： 包括聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢和酚醛玻璃钢。 比重小、比强度较高，比铝轻，而比强度比高级合金钢高； 良好的耐腐蚀性，超过不锈钢； 良好的电绝缘性，电阻率和击穿电压都达到绝缘材料标准； 不受电磁作用影响，微波透过性好； 保温、隔热、隔音、减震等。 刚性差，弯曲弹性模量只有钢的1/10； 导热性差； 易发生光氧老化。,环氧玻璃钢的特点,综合性能最好的玻璃钢。 环氧树脂对玻璃纤维的粘结力强，所得玻璃钢的 界面剪切强度最高； 机械强度高于其他玻璃钢； 尺寸稳定性最好，固化收缩率只有1-2%。 环氧树脂粘度大，加工不便； 成型时需要加热，不便于制造大型制件。,聚酯玻璃钢的特点,突出特点：
7、加工性能好 不饱和聚酯中加入引发剂和促进剂后，可在室温固化 成型；使用苯乙烯等稀释剂稀释的树脂粘度低，可采用 各种成型方法加工成型，可制作大型构件。 透光性好，透光率达60-80%，用于制作采光制件 价格便宜 固化收缩率大，4-8% 耐酸、碱性相对较差,酚醛玻璃钢的特性,耐热性最好的玻璃钢，可在200 oC 长期使用； 耐烧蚀性好，可用于制造宇宙飞船的外壳； 耐电弧性好，用于制作耐电弧绝缘材料； 价格便宜。 固化收缩率大； 性脆； 酚醛树脂对人体皮肤有刺激作用。,各种玻璃钢与金属性能的比较,玻璃钢型材的导热系数是钢材的1/150，是铝材的1/650,6.1.4 玻璃纤维增强热塑性塑料的性能,与
8、玻璃纤维增强热固性塑料相比，玻璃纤维增强的热塑性塑料比重更小，除比强度较高外，其蠕变性也大为改善。它与部分金属的比强度比较如下：,玻璃纤维增强聚丙烯（FR-PP）,突出特点: 机械强度比纯PP大大提高，当短切玻璃纤达3040%时， 其抗拉强度达到100 MPa，大大高于工程塑料PC、PA等; 使PP的低温脆性得到了大大改善; -的吸水率小，是POM和PC的十分之一; 耐沸水和水蒸气突出，含短切纤维的-，在水中煮1500小时，其抗拉强度只降低，在水中浸泡时强度不变。 加入经硅烷偶联剂处理的玻璃纤维后，其热变形温度 显著提高，可达153 ，接近纯PP的熔点。,玻璃纤维增强聚酰胺（FR-PA）,可大
9、大改善其耐热性和尺寸稳定性。 纤维含量达30-35%时，抗拉强度可提高2-3倍， 抗压强度可提高1.5倍; 耐热性提高明显，尼龙-6的使用温度为120 oC， 增强后使用温度高达170-180 oC; FR-PA的线膨胀系数比PA降低约25%; 耐水性得到改善，PA6吸湿率为4%，FR-PA6降到2%。 不足: FR-PA的耐磨性比PA差。,玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料,聚苯乙烯类塑料包括PS、BS、ABS、AS等，多数为橡 胶改性树脂。 玻璃纤维增强后的树脂，机械强度、耐高温性、耐低温 性、尺寸稳定性均大有提高。 如AS的抗拉强度为66.8-84.4MPa，而含20%玻璃纤维的 FR-AS的抗
10、拉强度达到135MPa，提高近1倍，弹性模量提 高几倍，热变形温度提高10-15oC。此外，随着玻璃纤维 的增加，线膨胀系数减小，含20%玻纤的FR-AS线膨胀系 数与金属铝接近。,玻璃纤维增强聚酯PET、PBT,纯聚酯结晶性高，成型时收缩率大、尺寸稳定性差、 耐温性差且质脆。 用玻璃纤维增强后，其机械强度高于其它玻纤增强的热塑性塑料，抗拉强度为135-145 MPa，弯曲强度为209-250 MPa，耐疲劳强度高达52 MPa。 PET的热变形温度为85oC，而FR-PET为240oC，属耐热温度最高的玻纤增强热塑性塑料。它的耐低温性能超过了FR-PA6，且高、低温交替变化时，其物理机械性能
11、变化不大；耐热老化性超过玻璃钢，并有良好的耐光老化性能。 不足：高温下耐水性差。,玻璃纤维增强PC、POM,PC是兼具刚、韧性，透明度较高的工程塑料，常用于汽 车前大灯等照明灯具，不足之处是易产生应力开裂、耐疲劳 性差。用玻璃纤维增强后，耐疲劳强度提高2-3倍，耐应力 开裂性可提高6-8倍，而耐热性也提高了10-20 oC。 玻璃纤维增强的聚甲醛（POM）耐疲劳性和抗蠕变性有 大幅提高。含有25%玻璃纤维的FR-POM的抗拉伸强度是 POM的2倍，弹性模量是POM的3倍，耐疲劳强度是POM的 2倍，在高温下仍具有良好的耐蠕变性、耐老化性。不足的 是耐磨性不如POM。,玻璃纤维增强PPO,聚苯醚
12、（PPO）是一种综合性能优异的工程塑料，但由于 熔融粘度大、加工困难，且易发生应力开裂。往往通过共混 来改善此缺陷，但共混会使其力学性能和耐热性下降，用玻 璃纤维增强可克服这一缺点。 含20%玻璃纤维的FR-PPO，其抗弯曲弹性模量比PPO提 高2倍；在23 oC往复次数为2.5106次时，它的弯曲疲劳极 限强度仍能保持28 MPa。 FR-PPO的热膨胀系数很小，与金属极为接近，其制件与 金属零件配合时，不易产生应力开裂。此外，还具有优异的 电绝缘性。,热塑性塑料及其增强塑料的性能对比,强度、模量单位：MPa,高强度、高模量纤维增强塑料,高强度、高模量纤维增强塑料的共同点：比重轻、强度高、模
13、量高、 热膨胀系数小（如下表），加工工艺简单，但造价高。,6.1.5 高性能树脂基复合材料,高性能树脂通常具有优良的物理、力学、电学、热学、耐 化学腐蚀等综合性能，而耐高温性能尤其突出。 聚酰亚胺是目前产量最大的一类耐高温树脂，它对热和氧 十分稳定，并有突出的耐辐射性和良好的电性能，在较高的 温度范围内保持高强度，具有优良的耐磨蚀性和自熄性。其 中用于制造复合材料的通常为加聚型聚酰亚胺（以低聚物形 式进行加聚反应而固化），典型产品有DuPont公司的PMR- 15和PMR-11及LP-15、LaRC-RP46、LaRC-160等。,加聚型聚酰亚胺树脂的主链结构,PMR-15,PMR-11,La
14、RC-RP46,LP-15,加聚型聚酰亚胺树脂的端基及交联,聚酰亚胺树脂基复合材料的力学性能,* 碳纤维型号为IM7,高性能共混型热塑性树脂基复合材料,共混改性是发展新型高分子材料的重要方法。 将高分子材料的共混方法与连续纤维增强热塑性复合材料的 制造技术相结合，均衡材料的综合性能，降低复合材料的制 造难度和生产成本，改善复合材料的成型加工性能，是高性 能热塑性复合材料的重要研究课题。 如, 聚醚醚酮（PEEK）与聚芳醚酮（PEK-C）、聚醚酰亚 胺（PEI）共混树脂基复合材料。,三种共混树脂的结构,PEI,PEK-C,PEEK,三种共混树脂的性能,碳纤维/共混树脂基复合材料力学性能,采用湿法
15、制备共混型热塑性预浸料，可对碳纤维进行良好的预浸渍。借鉴纯PEEK 复合材料的模压热成型工艺制备的共混型复合热压板材，其基本力学性能接近或超过纯PEEK 树脂基热塑性复合材料，而PEK-C的阻燃性、耐化学腐蚀性及PEI的阻燃性、尺寸稳定性、较低的成本等性能得以体现。,6.1.6 聚合物基纳米复合材料,传统复合材料增强和增韧往往不能同时获得，在纳米复合 材料中这一目标可望实现。例如，环氧树脂/黏土纳米复合材 料，与基体相比，其拉伸强度、冲击强度和断裂伸长率可同 时提高，如下图。,第六章 聚合物基复合材料,6.1 聚合物基复合材料的性能 6.2 聚合物基复合材料的结构设计 6.3 聚合物基复合材料
16、的应用,6.2 聚合物基复合材料的结构设计,概述 复合材料结构设计过程 复合材料结构设计条件：结构性能要求 载荷情况 环境条件 结构的可靠性与经济性 材料设计 原材料的选择与复合材料性能 单层性能的确定 复合材料层合板设计 结构设计 结构设计的一般原则 结构设计应考虑的工艺性要求 许用值与安全系数的确定 结构设计应考虑的其它因素,6.2.1 复合材料结构设计过程,复合材料结构设计是选用不同材料、综合各种设计的反复过程。综合 过程必须考虑的主要因素有：结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴 定、质量控制、工装模具的通用性及设计经验等。,性能要求 载荷情况 环境条件 形状限制,原材料 选择,铺层性能 确定,应力、变形 分析,失效分析,层合板设计,典型构件设计,结构设计,复合材料结构设计综合过程图,复合材料结构设计步骤,明确设计条件 性能要求 载荷情况 环境条件 形状限制等 材料设计 原材料选择 铺层性能确定 复合材料层合板设计等 结构设计 典型结构件（如杆、梁、板、
