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1、第十讲聚合物基复合材料第一页，共一百二十四页。优选第十讲聚合物基复合材料优选第十讲聚合物基复合材料第二页，共一百二十四页。4.1 概述 聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。第三页，共一百二十四页。 实用实用PMCPMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同通常按两种方式分类。一种
2、以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：玻一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：玻璃纤维增强热固性塑料璃纤维增强热固性塑料( (俗称玻璃钢俗称玻璃钢) )、短切玻璃纤维增强、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料增强塑料、木质纤维增强塑料等
3、。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。第四页，共一百二十四页。聚合物基发展史两千多年前，我国就用麻丝和大漆制成了漆器。两千多年前，我国就用麻丝和大漆制成了漆器。 18391839年年美美国国人人Charles Charles GoodyearGoodyear发发明明了了橡橡胶胶硫硫化化法法，而而硫硫化化橡橡胶胶本本身身是是由由橡橡胶胶、填填料料、硫硫化化剂剂等等其其他他助助剂剂组组成成的的复复合材料，合材料， 热热固固性性塑塑料料工工业业的的发发展展和和复复合合材材料料工工业业的的发发展展是是相相辅辅相相成成的。的。热
4、热塑塑性性塑塑料料复复合合材材料料的的发发展展要要滞滞后后一一些些。最最早早的的应应用用是是在在PVCPVC的生产中加入了碳酸钙，目的是降低成本。的生产中加入了碳酸钙，目的是降低成本。 英英国国的的ICIICI公公司司研研发发的的玻玻璃璃纤纤维维增增强强尼尼龙龙的的新新生生产产技技术术取取得巨大成功，从而带动热塑性塑料复合材料的快速发展。得巨大成功，从而带动热塑性塑料复合材料的快速发展。第五页，共一百二十四页。4.2 聚合物基体玻璃纤维增强型玻璃纤维增强型分类分类复复合合材材料料增强纤维种类增强纤维种类碳纤维增强型碳纤维增强型芳纶纤维增强型芳纶纤维增强型基体材料性能基体材料性能通用型通用型耐化
5、学介质腐蚀型耐化学介质腐蚀型耐高温型耐高温型复合材料成型复合材料成型固化方式固化方式常温常压固化成型常温常压固化成型高温加压固化成型高温加压固化成型阻燃型阻燃型聚合物基体的聚合物基体的结构形式结构形式热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料第六页，共一百二十四页。4.2.1 热固性树脂第七页，共一百二十四页。4.2.1.1 不饱和聚酯聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键。饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键。不饱和聚酯：含有非芳族的不饱和键不饱和聚酯：含有非芳族的不饱和键, ,由不饱和二元羧酸或由不饱和二元
6、羧酸或酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物。不饱和聚酯树脂：在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定不饱和聚酯树脂：在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。为不饱和聚酯树脂。第八页，共一百二十四页。结构特点：结构特点：1 1、主链上含有脂键、不饱和双键。、主链上含有脂键、不饱和双键。2 2、具有线性结构，线性不饱和聚酯。、具
7、有线性结构，线性不饱和聚酯。3 3、含有双键，可在加热、光照、高能辐射及引发剂作用、含有双键，可在加热、光照、高能辐射及引发剂作用 下与交联单体进行共聚，固化成具有三维网络的体型下与交联单体进行共聚，固化成具有三维网络的体型 结构。结构。4 4、交联前后性能变化很大。取决于酸、醇的种类及数量。、交联前后性能变化很大。取决于酸、醇的种类及数量。第九页，共一百二十四页。不饱和聚酯的用途：1.不饱和聚酯树脂作为玻璃钢复合材料基体树脂2.不饱和聚酯树脂作为涂料3.不饱和聚酯树脂作为胶粘剂第十页，共一百二十四页。不饱和聚酯树脂的物理和化学性质不饱和聚酯树脂的物理和化学性质 物理性质 不饱和聚酯树脂的相对
8、密度在1.111.20左右，固化时体积收缩率较大，固化树脂的一些物理性质如下： (1) 耐热性。绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都 在5060，一些耐热性好的树脂则可达120。(2) 力学性能。不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、 压缩等强度。(3) 耐化学腐蚀性能。不饱和聚酯树脂耐水、稀酸、稀碱的性能较好，耐有机溶剂的性能差，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何开关开关的不同，可以有很大的差异。(4) 介电性能。不饱和聚酸树脂的介电性能良好。第十一页，共一百二十四页。 化学性质 不饱和聚酯是具有多功能团的线型高分子化合物，在其骨架主链上具有聚酯链键和不饱和双键，而在大分子链两端各带
9、有羧基和羟基. 主链上的双键可以和乙烯基单体发生共聚交联反应，使不饱和聚酯树脂从可溶、可熔状态转变成不溶、不熔状态。 主链上的酯键可以发生水解反应，酸或碱可以加速该反应。若与苯乙烯共聚交联后，则可以大大地降低水解反应的发生。 在酸性介质中，水解是可逆的，不完全的，所以，聚酯能耐酸性介质的侵蚀；在碱性介质中，由于形成了共振稳定的羧酸根阴离子，水解成为不可逆的，所以聚酯耐碱性较差。第十二页，共一百二十四页。 聚酯链末端上的羧基可以和碱土金属氧化物或氢氧化物例如MgO，CaO，Ca(OH)2等反应，使不饱和聚酯分子链扩展，最终有可能形成络合物。分子链扩展可使起始粘度为0.11.0Pas粘性液体状树脂
10、，在短时间内粘度剧增至103Pas以上，直至成为不能流动的、不粘手的类似凝胶状物。树脂处于这一状态时并未交联，在合适的溶剂中仍可溶解，加热时有良好的流动性 .第十三页，共一百二十四页。4.2.1.2 环氧树脂 分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。 分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。第十四页，共一百二十四页。定义：定义： 分子中含有两个或两个以上环氧基团的线型有机高分子
11、化合物。环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构 第十五页，共一百二十四页。特点：特点： 相对分子质量不高，可与多种类型的固化剂发生交联反应形成三维网状聚合物。 良好的粘结性能、力学性能、耐化学药品性、耐气候性、电绝缘性、尺寸稳定性优异。 是复合材料的主要基体。第十六页，共一百二十四页。环氧树脂的特性a a、具有多样化的形式、具有多样化的形式: :各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。高熔点固体。 b b、固化方便、固化方便: :选用各
12、种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在01800180温度范围内固化。温度范围内固化。c c、收缩率低：固化反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基、收缩率低：固化反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于很低的收缩性（小于2%2%） 。d d、黏附力强：分子链中固有的极性羟基和醚键，使对各种物质具、黏附力强：分子链中固有
13、的极性羟基和醚键，使对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。可做环氧结构胶。小，这也有助于提高粘附强度。可做环氧结构胶。第十七页，共一百二十四页。e e、力学性能高：固化后的环氧树脂体系具有具有很强的内聚、力学性能高：固化后的环氧树脂体系具有具有很强的内聚力，分子结构致密，其力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚力，分子结构致密，其力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯等通用型热固性树脂。酯等通用型热固性树脂。f f、电绝缘性：固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、电绝缘性：固化后的环氧树脂体系是
14、一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料，是热固性树脂中介耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料，是热固性树脂中介电性能最好的品种之一。电性能最好的品种之一。g g、化学稳定性好、化学稳定性好: :固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性，其耐腐蚀性优于不饱和聚酯树脂、酚耐酸性和耐溶剂性，其耐腐蚀性优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。像固化环氧体系的其它性能一样，醛树脂等热固性树脂。像固化环氧体系的其它性能一样，化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂，可
15、以使其具有特殊的化学稳定性能。环氧树脂和固化剂，可以使其具有特殊的化学稳定性能。 h h、尺寸稳定性：上述的许多性能的综合，使环氧树脂体系具、尺寸稳定性：上述的许多性能的综合，使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。有突出的尺寸稳定性和耐久性。i i、耐霉菌：固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻、耐霉菌：固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻的热带条件下使用。的热带条件下使用。第十八页，共一百二十四页。环氧树脂的应用土建材料土建材料 防腐地坪、防静电地坪、环氧砂浆和混凝土制品、高级路面和防腐地坪、防静电地坪、环氧砂浆和混凝土制品、高级路面和机场跑道、快速修补材料、加固地基基础的灌
16、浆材料、建筑胶粘剂及机场跑道、快速修补材料、加固地基基础的灌浆材料、建筑胶粘剂及涂料等涂料等 第十九页，共一百二十四页。底涂一般是用来抹平地面，修补基层的一些问题，如底涂一般是用来抹平地面，修补基层的一些问题，如粉化，鼓泡，同时还可以进行一定的防水处理，中涂粉化，鼓泡，同时还可以进行一定的防水处理，中涂是施工产品的重要表现，是耐磨还是防静电或者是其是施工产品的重要表现，是耐磨还是防静电或者是其他要求，一般在中涂采用不同的材料和工艺，面涂一他要求，一般在中涂采用不同的材料和工艺，面涂一般是调色和保护作用。般是调色和保护作用。 第二十页，共一百二十四页。修复桥梁结构修复桥梁结构第二十一页，共一百二十四页。电子行业 高低压电器、电机、LED、电子元器件的绝缘及封装 第二十二页，共一百二十四页。4.2.1.3 4.2.1.3 酚醛树脂酚醛树脂优点：比环氧树脂价格便宜优点：比环氧树脂价格便宜缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。量高等。大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料。少量用于玻璃纤维复合材
