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六 聚合物基复合材料PPT课件

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(医学课件)聚合物基复合材料PPT演示课件

(医学课件)聚合物基复合材料PPT演示课件
HOR`OCORCOOH + HOR``OH HOR`OCORCOOR``OH + H2O
由羟基酸出发进行的聚酯反应同二元酸与二元醇的线型缩 聚反应相同。 不饱和聚酯链中由于有不饱和双键，因此可以在加热、光 照、高能幅射或引发剂的作用下与交联单体共聚，交联固化 成具有三维网络的体型结构。 .
18
聚合物基体材料
按纤维形态 纤维增强 按铺层方式 连续纤维 不连续纤维 单向 角铺层 织物 三维 玻璃纤维 碳纤维 芳纶纤维 超高分子量聚乙烯纤维等 长纤维（毡） 短切纤维
聚 合 物 基 复 合 材 料
按纤维种类
晶须增强 层片增强 粒子增强
碳化硅晶须、氧化铝晶须等 云母、玻璃、金属等 . 氧化铝、碳化硅、石墨、金属等
8
聚合物基体材料
聚合物材料的介绍
热固性树脂 在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的 进行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化成型。再加热不会 软化，不溶、不熔。 其高分子聚合物属于三维体型网状结构。 常用热固性树脂：环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等。 热塑性树脂 加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。 冷却后变硬，再加热可软化。 其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。 常用的热塑性树脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）、 . 9 聚碳酸脂等。
聚合物基体材料
不饱和聚酯树脂 ( UP)
不饱和聚脂树脂为低粘度液体，可在室温下固化，成型工艺 简单，适合于大型异形部件的制造。 不饱和聚脂树脂在固化程中 可分为三个阶段： 1 凝胶：失去流动性形成半固态凝胶。 2 定型：从凝胶到具有一定硬度和固定的形状。 3 熟化：要使其达到最好的力学和化学性能，还要在高温 加热几小时或在室温中放置几周。 不饱和聚脂树脂的固化采用引发剂。其优点为： 1 可以有效地控制反应速度。 2 最终固化可趋于完全，固化后树脂性能稳定。 3 在配以适当的促进剂后，可以满足各种固化工艺的要求。 引发剂：能使单体分子或含双键的线型高分子活化而成为 游离基并进行连锁聚合反应的物质。 . 20

聚合物基复合材料 ppt课件

聚合物基复合材料 ppt课件
⊥45∘层分散应力均衡负荷。
·厚度变化区以阶梯过渡。
冲击载荷
0
主承载
45
分散应力
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。
璃纤维
2～3
• 高强度纤维
1.5～2
• 民用取上限，军事用途可取低些。
自然界的纳米高手
聚合物基复合材料的特性
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
合物水解，形成半互穿 网络。
插层法
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。
a 插层聚合（intercalation polymerization）
b 溶液插层（solution intercalation）
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 150～400℃，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
芳 纶 纤 维 增 强
聚合物基复合材料设计

聚合物基复合材料PPT课件

聚合物基复合材料PPT课件
• 制备工艺：不饱和聚酯的合成（反应釜）和用苯 乙烯稀释聚酯（稀释釜）两部分。
• 不饱和聚酯树脂的生产工艺流程图 • 1——反应釜；2——坚冷凝器；3——横冷凝器；4——接
受器；5——稀释釜；6——液体加料管
表3-2 常见热固性树脂材料的物理性能
性能
聚酯树脂 环氧树脂
密度/（g·cm3）
拉伸强度/MPa
1.22～ 1.40
41～82
4.1～4.8
1.3～2.3
聚酰亚胺 有机硅
～1.32 41～82 ～3.9
1.7～1.9 21～49 ～1.0
1.3～2.3 ～1.0
热变形温度/℃ 60～100 100～200 78～82
线膨胀系数 /10-5K-1
5.5～10 4.6～6.5
6～8
30.8
固化收缩率/% 4～6
3 聚合物基复合材料
3.1 概述
• 3.1.1 聚合物基复合材料的发展
• 第一阶段：1942年至1960年代，玻璃纤维/不饱和聚酯树 脂（GFRP）
• 第二阶段：1965年，发明碳纤维，高比模量、高比强度先 进聚合物基复合材料
• 第三阶段：1972年，发明芳纶纤维，高比模量、高比强度 先进聚合物基复合材料
• （3）按成型工艺分：手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕 用树脂、拉挤用树脂、RTM用树脂、SMC用树脂等。
图3-1 晶态聚合物分子晶区和非晶区示意图
• 3.2.1.3 固态高聚物的性能 • 三个特征温度：玻璃化温度Tg、熔点Tm、粘流温度Tf
（图3-2）。 • 热塑性树脂的Tg是固定的，热固性树脂的Tg随交联程度
图3-2 聚合物玻璃态、高弹态、粘流随温度 的转变关系
• 3.2.2 热固性基体

聚合物复合材料PPT课件

聚合物复合材料PPT课件
17
界面
组分材料之间存在界面，要有效发挥组分材料的作用， 良好的界面粘合是必须的
Figure - Interfaces between phases in a composite material: (a) direct bonding between primary and secondary phases
6
Figure - Possible physical shapes of imbedded phases in composite materials: (a) fiber, (b) particle, and (c) flake
7
聚合物纳米复合材料
聚合物-层状硅酸Βιβλιοθήκη 纳米复合材料• 至少一维分散相尺寸 < 100 nm • 纳米效应 — 鲜明的性能特征 • 分类:
18
界面相
界面往往需要添加第三组分以增加粘合，第三组分 往往会形成界面相
Figure - Interfaces between phases: (b) addition of a third ingredient to bond the primary phases and form an interphase
20
复合材料的微观形貌
陶瓷纤维复合材料
聚合物基体复合材料
21
复合材料的历史
➢ 自然界的复合材料：树干、竹子等。 ➢ 钢筋混凝土：它是用有抗压的水泥，碎石或砖和抗拉钢筋
组合而成。 ➢ 历史上的复合材料 ： ➢ 草秸增强泥巴筑墙、 ➢ 万里长城的糯米石灰浆、 ➢ 铜雀台的核桃油浸地砖、 ➢ 古埃及的木乃伊等
聚合物复合材料简介
1
应用于各行各业的复合材料
2
3

聚合物基复合材料(全套课件320P)

聚合物基复合材料(全套课件320P)

2018/10/2
30
第 1章 绪 论
1.6 复合材料的应用
2018/10/2
31
第 1章 绪 论
1.6 复合材料的应用
2018/10/2
32
第 1章 绪 论
1.6 复合材料的应用
2018/10/2
33
第 18/10/2
34
第 1章 绪 论
1.7 复合材料的进展
金属氧化物：（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3）
改善制备玻璃纤维的工艺条件(Na2O,K2O为助熔剂，降低熔点) 和性能(BeO，模量 ；B2O3，耐酸 )
2018/10/2 41
第2章 增强材料 2.2 玻璃纤维
玻璃纤维的分类 按化学组成分：有碱玻璃纤维（碱金属氧化物MxOy含量大
于12%）；中碱玻纤（ MxOy：6~12% ）；低碱玻纤（ MxOy： 2~6% ）；微碱玻纤（ MxOy：＜2% ）
按纤维使用特性：普通玻纤；电工玻纤（E玻纤）；高强
玻纤（S玻纤或R玻纤）；耐化学药品玻纤（C玻纤）
按产品特点分：长度（定长玻纤，连续玻纤）；
直径（粗纤
维d>30µm，初级纤维20µm <d<30µm ，中级纤维10µm <d<20µm ， 高级纤维3µm <d<9µm ）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤， 玻璃粉） 2018/10/2 42
优点：
2）耐疲劳性能好，破损安全性能高 3）阻尼减振性好 4）多种功能性（电绝缘、摩擦、耐腐蚀、光、磁） 5）良好的加工工艺性（可设计性、多种成型方法、整体成型）
6）各向异性和性能的可设计性
2018/10/2

聚合物基复合材料-性能ppt课件

聚合物基复合材料-性能ppt课件
耐候性：FRP在户外运用时，抵抗各种气体气候要素 的侵蚀破坏的才干。
(1) 温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维-树脂界中， 破坏界面粘结，降低FRP的弯曲强度。
(2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，树脂发生光氧化、光 降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。
(3) 风沙作用：风沙对FRP产活力械磨损，导致外表光泽 度下降、外表层零落、纤维外露等.
方向性：加振方向与纤维方向的夹角由0º上升到45º，疲劳强度 急剧下降。
存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降
12.3.2 FRP的物理性能
1. 电性能 包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和外表电阻系数，
击穿强度等 FRP的电性能普通介于纤维的电性能与树脂的电性能之间 改善纤维或树脂的电性能，有利于改善FRP的电性能 树脂的极性越大，电绝缘性越差。分子中极性基团的存在
12.3 聚合物基复合资料的根本性能
影响纤维加强塑料〔FRP)性能的要素：原资料、构造设 计方法及成型工艺。
(1)加强资料的强度及弹性模量以及基体资料的强度及化学 稳定性等是决议FRP性能的主要要素;
(2)加强资料的含量及其排布方式与方向次之; (3)加强纤维与基体树脂的界面粘结情况
12.3.1 FRP的机械性能
化学介质对FRP的腐蚀作用
与玻纤作用：酸、碱和水都是经过破坏SiO2网络而腐 蚀玻璃的。普通而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻 璃纤维更甚；而耐酸性那么以有碱玻璃纤维为好。
与基体作用：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定 性越差，多数化学反响不可逆。
也破坏玻纤与基体界面的作用
2. FRP的耐侯性能
单向FRP的紧缩强度随纤维含量添加而提高，但并非成比 例增长。
(3) 弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而添加。纤

聚合物基复合材料基体材料ppt课件

影响树脂体积收缩的因素是固化前树脂系统密度、基体 固化后的网络结构的紧密程度、固化过程有无小分子析出等。
降低树脂固化收缩率主要原理是调节树脂大分子链充分 伸直，使其固化后有紧密的空间网络。
如在未固化的聚酯树脂体系中加入甲基丙烯酸甲酯，聚 苯乙烯、聚邻苯二甲酸二稀丙酯等，这个体系在固化前，由 于溶解或加热，其大分子链能充分地伸长，从而使聚酯树脂 在固化后形成紧密的空间网络结构，使固化收缩率只有1％。
这种改善不饱和聚酯树脂收缩率的办法，在大型复合 材料制件生产中得到了应用。
17
3.2.2 耐热性能（温度升高时，其性能的变化）
物理耐热性：指树脂在一定条件下仍然能保留其 作为基体材料的强度，包括模量、强度、变形等；
化学耐热性：是树脂在发生热老化时的温度范围， 包括失重、分解、氧化等。 提高树脂耐热性的途径有： 1）增加高分子链的刚性
2
基体的黏度、使用期直接影响增强材料 的浸渍、复合材料的铺层和预浸料的储存。
因此，研究和了解基体材料的构成、作 用和性能是十分重要的。
3
3.1.1基体材料的基本组分及其作用
1）聚合物基体 聚合物是基体的主要组分，它对复合材料的技术性能、成型工
艺及产品的价格都有直接影响。
作为复合材料树脂的要求
①力学性能
5、可用水和醇的混合溶剂，良
5、机械和电性能优良
操作方便
6、固化物无异味，能用于 6、可用于多种手段实现固化
6、价格低廉
食品行业
5
三大热固性树脂的特点
酚醛树脂
环氧树脂
不饱和聚酯树脂
缺 1.固化比不饱和聚酯树脂慢， 1.固化剂毒性太大，操作应 1.一般空气中氧的存在会防
到完全固化需较长时间
十分注意

聚合物基复合材料(顾书英)课件!6


插层过程的热力学分析
（1）大分子熔体直接插层； （2）大分子溶液直接插层； （3）单体熔融插层原位本体聚合； （4）单体溶液插层原位溶液聚合。
插层过程的热力学分析
（1）大分子熔体直接插层；
热塑性树 脂 有机粘土 熔融机械 混合 退火处 理 纳米复合材 料
利用大分子熔体直接插层的方法制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合 材料时,起始状态是聚合物熔体和有机粘土,终结状态为聚合物分子 链插入层状硅酸盐片层之间形成的纳米复合材料。对于最终能够插 入层状硅酸盐片层之间的聚合物高分子链而言,它们是从自由状态的 无规线团构象,成为受限于层状硅酸盐层间准二维空间的受限链构象, 所以其熵变值△S<0,链的柔顺性越大将导致△S的负值越大。所以 要使此过程能够自发的进行,必须按照放热过程(b)进行,满足△H< T△S< 0的关系.
插层过程的热力学分析
（2）大分子溶液直接插层；
溶剂
聚合物分子
溶剂小分子
浸润粘 土 有机粘 土
大分子插 层
加热蒸 发
纳米复合材料
插层过程的热力学分析
（2）大分子溶液直接插层 在选择溶解聚合物的溶剂时，应当综合地考虑所选择的溶剂对聚 合物的溶解能力和对层状硅酸盐中吸附的有机阳离子的溶剂化作 用。 若对有机阳离子的溶剂化作用太弱，会不利于溶剂分子对有机粘 土插层步骤的进行；如果对有机阳离子的溶剂化作用太强，聚合 物大分子链不容易将层状硅酸盐层间的溶剂小分子置换出来，同 样不利于纳米复合材料的形成，得不到高分子插层层状硅酸盐的 产物。只有选择对聚合物溶解能力和对有机粘土溶剂化作用比较 平衡的溶剂，才能顺利的制备出性能优良的聚合物层状硅酸盐纳 米复合材料。
插层过程的热力学分析
4．单体溶液插层原位溶液聚合 在这一领域中，研究比较多的是利用原位聚合来制备聚烯烃/ 层状硅酸盐纳米复合材料。这是因为聚烯烃的极性较弱，与 具有强极性表面的粘土相容性差，要利用大分子熔体插层的 工艺制备聚烯烃的纳米复合材料有很大难度。
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29.05.2020
10
各种塑料与其玻璃纤维增强后的性能对比
29.05.2020
11
C. 高强度、高模量纤维增强塑料
(1). 碳纤维增强塑料 碳纤维增强环氧树脂复合材料强度、刚度、耐热性均突出。
质量轻：比GFRP低1/4，比钢低3－4倍。 刚度高：可比拟钢 抗冲击：手枪在10步远的距离不能射穿1cm厚的碳纤维增强环氧塑料板 耐热性：可在12000oC的高温下经受10秒钟不变形
第四章 聚合物基复合材料
29.05.2020
1
Outline
• 聚合物基复合材料的种类和性能 • 聚合物基复合材料成型加工技术 • 聚合物基复合材料的界面 • 聚合物基复合材料的应用
29.05.2020
2
1. 聚合物基复合材料的种类和性能
聚合物基复合材料的优点
a. 具有比较高的பைடு நூலகம்强度和比模量，可以和常用的金属材料进行比较，力
29.05.2020
4
分类：玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂
玻璃纤维增强环氧树脂：综合性能最好，环氧树脂的粘结能力最强，与玻璃
纤维复合时界面剪切强度最高。固化时没有小分子放出，尺寸稳定性好。不 足是树脂年度大，加工不方便，而且成型时需要加热，不能制造大的部件。
玻璃纤维增强酚醛树脂：耐热性最好，可以在200oC下长期使用，在1000oC
矿物纤维与树脂接触面积大，因而分配、定向性好，挠度扭曲小。 加入50％矿物纤维可以使聚丙烯的抗冲击强度提高50％，热变形温度提高 14％，弯曲强度提高53％。
29.05.2020
15
几种纤维增强树脂的特点
29.05.2020
(4). 玻璃纤维增强聚碳酸酯
聚碳酸酯是一种钢韧相兼的工程塑料，但容易产生应力开裂、耐疲劳性能差。 加入玻璃纤维后疲劳强度提高2－3倍，耐应力开裂性能提高6－8倍，耐热性提 高10－20oC，线膨胀系数减少，适合做耐热的机械零件。
29.05.2020
9
(5). 玻璃纤维增强聚酯
机械强度较其他玻璃纤维增强热塑性塑料均高 耐热性提高幅度最大，85oC－240oC，耐热度最高 在高温下易水解，不适合在高温水蒸气下使用
学性能相当出色。
b. 抗疲劳性能好， 纤维与基体的界面能够阻止裂纹的扩展，在破坏前有
明显的征兆。
c. 减振性能好，纤维与基体界面具有吸振的能力，其振动阻尼很高。
d. 高温性能好，适宜作烧蚀材料。
e. 安全性好，纤维数量大，材料超载时载荷可以重新分配到其他纤维上。
f. 可设计性强、成型工艺简单。
29.05.2020
3
A. 玻璃纤维增强热固性塑料（GFRP)
特点： • 比重小、比强度高。 • 具有良好的耐腐蚀性，三种GFRP的耐腐蚀性能均超过不锈钢，
期中玻璃纤维增强环氧树脂最突出。 • 良好的电绝缘材料，其电阻率和击穿电压强度都达到了电绝缘材
料的标准。 • 不受电磁作用的影响，不反射无线电波，微波透过性好。 • 保温、隔热、隔音、减振。 • 刚性差、耐热性和导热性低、容易老化。
以上的高温可以短期使用。耐烧蚀，可用作飞船的外壳。耐电弧性好。价 格便宜，不足是性能较脆，固化时有小分子放出，尺寸不稳定。
玻璃纤维增强聚酯树脂：加工性能好，可采用各种成型方法进行加工成型，
可制作大型构件，不足是固化时收缩率大，耐酸、耐碱性稍差，不宜制作耐 酸性的设备及管件。
29.05.2020
5
各种玻璃钢与金属性能的比较
(1). 石棉纤维增强聚丙烯复合材料
断裂伸长率：200％变为10％，抗拉弹性模量大大提高，为纯聚丙烯三倍； 热变形温度：100oC变为140oC，提高了30oC; 线膨胀系数：11.3×10-5 cm/oC变为4.3 ×10-5 cm/oC，成形加工尺寸稳定性 变好。
29.05.2020
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(2). 矿物纤维增强塑料 矿物纤维增强聚丙烯、矿物纤维增强聚酯
29.05.2020
6
B. 玻璃纤维增强热塑性塑料（FR-TP)
热塑性塑料：聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚碳酸酯 聚苯醚
几种典型金属及FR-TP的强度对比
29.05.2020
7
(1). 玻璃纤维增强聚丙烯（FR-PP）
玻璃纤维大大提高聚丙烯的机械强度，短切玻璃纤维增加到30－40％时， 强度达到100MPa，并能改善聚丙烯的低温脆性。 FR-PP吸水率小，在水中长时间煮对强度影响不大。
不足：碳纤维与塑料的粘结性差，而且各向异性，价格昂贵。
29.05.2020
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(2). 芳香族聚酰胺纤维增强塑料
抗拉强度大于GFRP，与碳纤维增强环氧树脂相当，耐冲击性能优于碳 纤维增强环氧树脂，具有压延性，耐疲劳性好于GFRP或金属铝。 (3). 硼纤维增强塑料
刚度好，强度和弹性模量均高于碳纤维增强环氧树脂。
(6). 玻璃纤维增强聚甲醛（FR-POM）
加入玻璃纤维明显提高耐疲劳性能和耐蠕变性能 不耐紫外线照射，需在塑料中加入紫外线吸收剂 加入玻璃纤维降低耐磨性能
(7). 玻璃纤维增强聚苯醚（FR-PPO）
FR-PPO蠕变性很小，3/4的变形量发生在24小时内，耐疲劳强度高 热膨胀系数小，为FR-TP中最小，接近金属的热膨胀系数 电绝缘性不受温度、湿度、频率影响，为工程塑料中最好
(2). 玻璃纤维增强聚酰胺（FR-PA）
玻璃纤维增强尼龙6（FR-PA6）、玻璃纤维增强尼龙66 （FR-PA66）、…………
玻璃纤维可提高聚酰胺的尺寸稳定性、强度、耐热性、耐水性。 玻璃纤维会降低聚酰胺的耐磨性。
29.05.2020
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(3). 玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料
20％玻璃纤维可提高AS抗拉强度近一倍，弹性模量提高几倍，热变形温度 提高10-15oC。线膨胀系数随着玻璃纤维的增加而减少。 玻璃纤维会提高AS、PS的冲击强度，但会降低ABS的冲击强度。 玻璃纤维与聚苯乙烯类树脂复合时需加入偶联剂
(4). 碳化硅纤维增强塑料
碳化硅纤维与环氧树脂复合时不需要进行表面处理，粘结力就很强。复 合材料的抗弯强度和抗冲击强度为碳纤维增强环氧树脂的两倍。用于与 碳纤维混合叠层进行复合可以弥补碳纤维的不足。
29.05.2020
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D. 其他纤维增强塑料
石棉纤维、矿棉纤维、棉纤维、麻纤维、木质纤维、合成纤维