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1、聚合物基复合材料 摘要：本文主要研究的是聚合物基复合材料的制备、性能、和应用。聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组成的复合材料。它有许多突出的性能：比强度大、比模量大；耐疲劳性能好；减振性好；过载时安全性好等。聚合物基复合材料的结构和性能存在广泛的灵活关系，通过不同的工艺控制，可以形成不同的结构形态，从而获得目标性能。关键词：聚合物基复合材料制备性能应用1、聚合物基复合材料的制备1.1.聚合物复合材料概述及其制备流程聚合物基复合材料（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
2、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。实用PMC通常按两种方式分类。一种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；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。1.2.基体及其制备：基体是聚合物基复合材料的主要成分。用于复合材料的聚合物基体主要按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砚、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变比。热
3、固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分于量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子。1.2.1热固性聚合物的制备热固性树脂是指在加热、加压下或在固化剂、紫外线作用下。进行化学反应，交联固化成为不溶物质的一大类合成树脂。这种树脂在固化前一般为分子量不高的固体或粘稠液体；在成型过程中能软化或流动，具有可塑性，可制成一定形状，同时有发生化学反应而交联固化；有事放出一些副产物，如水等。这反映是不可逆的，一经固化，再加压、加热也不可能再度软化或流动；温度过高，则分解或碳化。热固性树脂多用于缩聚法生产。常用热固性
4、树脂有酚醛树脂、尿醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯、聚酰亚胺等。热固性树脂主要用于制造增强塑料、泡沫塑料、各种电工用模塑料、浇铸制品等，还有相当数量用于胶黏剂和涂料。根据浸渍设备或制造方式不同，热固性FRP预浸料的制造分轮鼓缠绕法和阵列排铺法；按浸渍树脂状态分湿法(溶液预浸法)和干法(热熔预浸法)。1.2.2.热塑性聚合物的制备 热塑性聚合物包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。它们是一类线型或有支链的固态高分子，可溶可熔，课反复加工而无化学变化，加热时软化并熔融，可塑造成型，冷却后即成
5、型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。连续纤维被切成一定长度的短纤维，散落在连续输送的涂有含填料的糊状树脂的塑料薄膜上，将含有纤维、填料和树脂混合物的塑料薄膜卷绕起来就成为片状模塑料（SMC）。1.2.3.增强体的制备在现代复合材料的发展历史中，纤维增强材料是最大的功臣，也可以说是现代复合材料的支柱。最早使用的复合材料就是玻璃纤维增强塑料，至今在高技术新材料领域纤维增强复合材料仍然在发挥重要的作用。 为了进一步提高复合材料的性能，纤维增强材料的研究与开发显得特别活跃，先后开发出几十种纤维增强材料。主要有玻璃纤维、芳纶纤维（kevlar纤维）、尼龙纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、
6、氧化铝纤维以及金属纤维（如钨、钼、不锈钢丝等）。其中在各类复合材料中得到大量使用的是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。1.3.聚合物基复合材料成型工艺2、性能2.1.比强度、比模量大比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。2.2.耐疲劳性能好疲劳破坏是材料在变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而形成的低应力破坏。聚合物复合材料疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆，而且纤维与基
7、体的界面能阻止裂纹的扩展。大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗拉强度的20-50，而碳纤维/聚酯复合材料的疲劳极限可为其抗拉强度的70-80。2.3.减振性好许多机器和设备如汽车、动力机械等的振动问题十分突出，而复合材料的减振性能好。原因是纤维增强复合材料比模量大，则自振频率高，可避免产生共振而引起的早期破坏。另外纤维与界面吸振能力强，故振动阻尼性好，即便发生振动也会很快衰减。2.4.断裂安全性好纤维复合材料中有大量独立的纤维，当构件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，使整个构件不至于在极短时间内有整体破坏的危险，所以断裂安全性好。2.5.热性能良好玻璃纤维增强的聚合物基
8、复合材料具有较小的导热系数，一般在室温下为0.30.4kcal/(m.h.K)，只有金属的1/1000-1/100，是一种优良的绝热材料。2.6.电性能好复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如玻璃纤维增强的树脂基复合材料是一种优良的电气绝缘材料，用于制造仪表、电机与电器中的绝缘零部件。2.7.有很好的加工工艺性连续纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，可以通过手糊成型、缠绕成型和拉挤成型等复合材料特有的工艺方法制造制品。它能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造。3、聚合物基复合材料
9、的应用领域复合材料范围广，产品多，在国防工业和国民经济各部门中都有广泛的应用。在复合材料中，聚合物基复合材料的应用最广，发展也最快。例如在汽车、船舶、飞机、通讯、建筑电子电气、机械设备、体育用品等各个方面部有应用。3.1.玻璃纤维增强塑料(GFRP)的应用(1) GFRP在石油化工工业中的应用石油化工工业利用GFRP的特点，解决了许多工业生产过程中的关健问题，尤其是耐腐蚀性和降低设备维修费等方向。GFRP管道和罐车是原油陆上运输的主要设备。聚酯和环氧GFRP均可做输油管和储油设备，以及天然气和汽油GFRP罐车和贮槽。(2).GFRP在建筑业中的应用建筑业使用GFRP，主要是代替钢筋、树木、水泥
10、、砖等。并己占有相当的地位。其中应用最多的是GFRP透明瓦，这是一种聚酯树脂浸渍玻璃布压制而成的。(3).GFRP在造船业中的应用用GFRP可制造各种船舶，如赛艇、警艇、游艇、碰碰船、交通艇、救生艇、帆船、鱼轮、扫雷艇等。 (4).GFRP在铁路运输上的应用GFRP在铁路上主要是用在造车生产中。铁路车辆有冲多部件可以用GFRP创造，如内燃机车的驾驶室、车门、车窗、框、行里架、座椅、车上的整体厕所等。(5).GFRP在冶金工业中的应用耐腐蚀性的容器、管道、泵、阀门等设备，GFRP烟囱。(7)GFRP在宇航工业中的应用(6).飞机上的雷达罩，机身、机翼、螺旋桨、起落架、尾舵、门、窗等。3.2.高强
11、度、高模量纤维增强塑料的应用（1).碳纤维增强塑料。碳纤维增强塑料主要是火箭和人造卫星最好的结构材料。因为它不但强度高，而且具有良好的减振性，用它制造火箭和人造卫星的机架、壳体、无线构架是非常理想的种材料。 (2)芳香族聚酰胺纤维增强塑料。它主要的应用是制造飞机上的板材、门、流线型外壳、座席、机身外壳、天线罩和火箭发动机、马达的外壳。其次由于它的综合性能超过了玻璃钢、尤其是它具有减振耐损伤的持点，适合用于船舶制造方面。(3)硼纤维增强塑料。硼纤维增强塑料主要用于制造飞机上的方向舵、安定面、翼端、起落架门、襟翼、机缀箱、襟翼前缘等。由于它的价格比碳纤维增强塑料还要昂贵。目前还仅限于在上述的飞机制
12、造业中应用。(4)碳化硅纤维增强塑料。它可用来制造飞机的门、降落传动装置箱、机翼等。3.3.其他纤维增强塑料的应用石棉纤维增强聚丙烯，由于石棉纤维和聚丙烯的电绝缘性都好，所以复合以后电绝缘性仍然很好、因此主要用作制造电器绝缘件的材料。矿物纤维增强塑料主要用于制造耐磨材料。4、总结与展望复合材料以其高比强度和比模量，优异的抗疲劳性以及耐腐蚀性极强的可设计性等特点已广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑等领域。但聚合物基复合材料在自然环境下使用，性能会受到许多环境因子（如紫外辐射、氧、臭氧、水、温度、湿度、化学介质、微生物等）的影响。这些环境因子通过不同的机制作用于复合材料，导致其性能下降、状态改变
13、。因此要控制聚合物基复合材料的老化速度。从发展来看，热固性树脂还需进一步改进质量，研制新品种，以满足新加工工艺开发的要求，用弹性体和热塑性树脂进行改性、开发注塑级热固性模塑料以及反应注射成型用专用树脂及配方，近年来已受到很大重视。采用互穿聚合物网络技术将成为热固性树脂的合成开辟新途径。另外，一些先进的聚合物基复合材料还有望在一下几个方面进行深度研究。1.连续玄武岩纤维与CF、PPTA、超高分子PE纤维，中国重点发展的四大11高新技术纤维。2.低压片状模塑料片。3.复合材料自动铺丝技术。4.有机硅改型双酚F环氧树脂研究。5.聚合物材料列车构件。6.天然纤维复合材料的应用。7.耐高温高性能复合材料规模化制备技术。乙烯基复合树脂复合材料的研究。参考文献：1.复合材料概论杨建文编著北京：化学工业出版社，2008.2.复合材料学/张以河主编北京化学工业出版社，2011.13.复合材料/周曦亚编北京：化学工业出版社，2004.10
