聚合物基复合材料-3-4章

5.物理性能 电性能：一般介于纤维与树脂电性能之间。对 于玻纤增强，电绝缘性良好；对于碳纤维增强， 导电性随温度提高而增大。树脂中有极性基团、 分子结构不对称等也影响电性能。 热性能 具有良好的隔热性能，较好的热稳定性和尺寸 稳定性。热变形温度与基体材料关系较大。


阻燃性能 阻燃性能主要取决于树脂基体，掺入含卤素、 磷等元素的化合物。 光学性能 与增强材料与基体材料的透光性、折射率及复 合材料的厚度、纤维形态、含量、固化剂种类、 填料等因素有关。
用来增强金属基体。 化学气相沉积（CVD）法。 金属涂层。
3.4 复合材料的界面分析技术 1.红外光谱 2.电子显微镜 3.X射线光电子能谱
第四章 聚合物基复合材料
4.1聚合物基复合材料的基本性能
聚合物基复合材料是多相固体材料。 其性能受原材料种类、结构设计方法、成型工 艺等影响而复杂多变。 主要有： 增强材料的强度、弹性模量及基体材料的强度 及化学稳定性是最主要的因素。
弯曲性能 一般与增强材料的含量、铺层方式、 织物种类等相关。 剪切性能 一般与界面结合强度和基体树脂的 强度有关。 2. 疲劳强度 随静态强度的提高而增大，107时疲劳极限值 （疲劳强度/静态强度）约在0.22-0.41之间
3.冲击强度 取决于成型方法和增强材料的形态 一般缠绕>模压>手糊>注射 纤维含量 ，冲击强度 4. 蠕变性能 提高基体材料的交联度，提高制品的尺寸稳 定性 可选碳纤维等增强材料。 看P173 表2-5-2
3.2 界面的形成及作用机理
1.界面层的形成 第一阶段：增强材料与基体间能够浸润和接触。 能否浸润取决于表面张力。 表面自由能：表面层分子（比液体内部分子具 有较大的位能）所具有的位能。 表面张力: △E= △W= γ △S, γ = △E/ △S γ ：增加单位表面积所需的功（或表面能的增量） 单位为 10-3J/m2
玻纤增强不饱和聚酯制品中，有采光用的波形瓦、平 板等透光率为85-90%
4.2 聚合物基复合材料的结构设计 1.概述 ①复合材料的结构设计过程 聚合物基复合材料的结构设计是选用不同材料 综合各种设计（如层合板设计、典型结构件设 计、连接设计等）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。


增强材料的含量及其摆布方式与方向 不同的成型工艺 增强材料与基体树脂的界面粘结状况
1.力学性能 力学性能的特点： 比强度高（与一般碳素钢接近）


各向异性 明显的方向依赖性 弹性模量和层间剪切强度低（刚性不足，剪切 强度常不到拉伸强度的10%） 性能分散大 （受一系列因素影响，甚至包括 操作人员的熟练程度和工作态度，离散系数高 达15%） 拉伸性能 一般与增强材料的含量成正比 压缩性能 一般与基体材料相关性较大
⑴原材料的选择
①原材料选择原则 比强度、比刚度高的原则 （单向板纤维方向的强度、刚度与材料密度之 比）


材料与结构的使用环境相适应 注意高温、高湿对聚合物基体的影响，（材料 的主要性能在结构使用环境下，其下降幅度应 不大于10%）。 满足结构特殊性要求 除强度、刚度外还有其他特殊要求。如透波性、 吸波性、阻燃性
表面张力的大小与分子间作用力有关。分子间作用力大， 表面张力大。 P158 表2-4-1 有液态物质表面张力的大小。 γlv γ sl- 固体表面在液体饱和蒸汽压 下的表面张力 气 γ sl-固液间的表面张力 θ液 γsv γsl γ lv-液体在它自身饱和蒸汽压下 固 的表面张力
平衡时
若：
sv sl lv cos


界面的结合强度一般以分子间力、溶解度参数、 表面张力等表示。 影响因素： 表面的几何形状、分布状况、纹理结构； 表面吸附气体和蒸汽的程度； 吸水情况； 杂质存在； 表面形态（形成与块状物不同的表面层）；

界面的溶解、浸润、扩散和化学反应 润湿速度 表面层的力学特性
一般借用力学性能来表征界面性能（如层间剪切 强度）并配合断裂形貌分析等来观察界面结合 情况。 目前，还没有建立完整的理论模型。
①层合板设计的一般原则 铺层定向原则
选择0° 45° 90° ± 45° ， 不可取向过多 均衡对称原则 铺层取向按承载选取原则
单向拉 0°， 双向 0° 90°正交， 剪切 ± 45°，多种 [0/45/90/-45]



铺层最小比例原则 为减少连接诱导应力，任一方向》6%-10% 铺层顺序原则 层合板中的单层组数尽量大。单层组的单层数 小于4. 冲击载荷区设计原则
其表面处理有 P164 四个方面 一般常用乙醇和水配成0.1%-2%的溶液后使用。 有机络合物 有机酸和氯化络的络合物，应用较多的是甲基 丙烯酸氯化络盐 “沃兰” P165
2.碳纤维
①氧化法：气相、液相（酸处理）、阳极氧化 （工业上普遍采用，碳纤维为阳极）等。
②沉积法
在高温及还原性气氛中，使烃类、金属氧化物 等以碳、碳化物的形式在碳纤维表面形成沉积 膜或生长晶须。
第二阶段：增强材料要与基体材料间通过相互 作用而使界面固定下来，形成固定的界面层。 界面层结构： 界面粘合力性质 宏观结合力 （表面凹凸不平等
微观结合力 （化学键合力等）


界面层厚度 一般随增强材料加入量的增加而减少 界面层组成 由两相表面的组成及反应性决定
2.界面层的作用机理
①化学键理论 形成化学键才能形成良好的粘 结，以形成界面。 ②弱边界层理论 边界层-指流经固体表面最接近的流体层。 弱边界层—低强度的边界层。 杂质、低分子量物质、助剂等可引起 ，对粘合 体系不利，应尽量避免弱边界层。
聚合物基复合材料
第三章
第三章 复合材料的界面
3.1概述 1. 复合材料的界面：是指基体和增强物之间化 学成分显著变化的，构成彼此结合的、能起载 荷传递作用的微小区域。
是厚度约几个纳米到几个微米的区域（或带、层）
基体和增强材料通过界面结合在一起，构成复 合材料整体。界面结合的状态和强度无疑对复 合材料的性能有重要影响。
③电沉积和电聚合 将有机物沉淀或聚合在碳纤维表面。 电沉积：利用电化学的使聚合物层均匀而致密 地涂覆在碳纤维表面。 电聚合：碳纤维为电极，单体在电场作用下聚 合在碳纤维表面。 ④等离子处理 全部或部分电离了的气体状态物质，含有原子、
分子、离子亚稳态和激发态，并且电子、正离子 与负离子的含量大致相等，因而称为等离子体。 低温等离子处理 作用强度高，穿透力小。反应 温度低、操作简单、经济实用。 在碳纤维表面产生活性基团，改善浸润性。

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②载荷情况 结构承载有静载荷和动载荷 静载荷：指缓慢地由零增加到某一定数值以后 就保持不变或变动不显著的载荷。 动载荷：指能使构件产生较大的加速度，并且 不能忽略因此而产生惯性力的载荷。有瞬时、 冲击、交变载荷。
静载荷作用下，具有抵抗破坏和变形的能力 动载荷作用下，具有抗冲击或抗疲劳的能力 ③环境条件 力学条件 加速度、冲击、振动、声音等 物理条件 压力、温度、湿度 气象条件 风雨、冰雹、日光 大气条件 放射线、霉菌、盐雾、风沙等
足够多的0°层及一定量的45°层 ，使载荷 扩散。
cos 0,
900
液体不润湿 能润湿 完全润湿
sv sl ,
lv sv sl
lv sv sl 1 cos 0
cos 1,
0 900
00
接触角θ小，浸润的好 浸润性好——增强材料和基体之间可分子紧密 接触，产生吸附，界面间有较大的分子间作用 力。 固体表面的浸润性，可通过改变其表面张力来 改变。 如对材料进行表面处理。
①单层树脂含量的确定 选取合适的纤维含量与树脂的百分比 P181 表2-5-6 单层树脂含量的选取 一般树脂含量30-70% ②刚度预测公式 表2-5-7 单层 表2-5-8 正交层
③强度预测公式 公式 2-5-2 一般高于实测值
⑶复合材料层合板设计（铺层设计）
根据各铺层的取向、顺序、定向层相对于总层 数的百分比来设计
设计过程 综合图 P177 图2.5.1 明确设计条件 如性能要求、载荷情况、环 境条件、形状限制等 材料设计 原材料的选择、铺层性能的确定、 复合层合板的设计 结构设计 典型结构件的设计（如杆、梁、板 等）及复合材料结构设计（刚架、硬壳式结构 等）
2. 结构设计
明确设计条件 （不过有时载荷的性质和大小 在许多情况下是变化的） ①结构性能要求 结构所能承受的各种载荷 提供装置仪器的空间，但又有一定限制（形 状、尺寸） 隔绝外界的环境状态而保护内部物体
3. Kevlar纤维
适合它的方法不及碳纤维多（不耐氧化、不高 温、不导电）
主要有有机化学反应及等离子体处理。 有效性好的是等离子体处理，即不明显损害纤 维的性能，又能有效地改善界面性能。 4.超高分子量聚乙烯 是继碳纤维、Kevlar纤维后，又一种高强、高 模纤维。 常用等离子体处理。
5.硼纤维、氧化铝纤维
复合材料的界面效应



传递效应 传递力 阻断效应 阻止裂纹 不连续效应 物理性能的不连续（电、磁 热） 散射和吸收效应 光、声、冲击波等 诱导效应 是另一种物质的结构产生改变 既与界面结合状态、形态及物理化学性质有 关，也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、
扩散性等密切相关。
2. 界面区域 是一个多层结构的过渡区域。 P157 图2.4.1 此区域的结构和性质不同于两相中的任 何一相，由五个亚层组成。
④结构的可靠性与经济性（如飞机的结构设计） 可靠性: 在所规定的使用寿命内，在给予的载 荷和环境条件下，充分实现所预期性能时，结 构正常工作的能力，是用概率来度量的。 静强度可靠性和疲劳寿命可靠性 经济性 生产成本 维修成本 总成本最低时的可靠性为最合理。