第8章 聚合物填充体系与短纤维增强体系
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纤维增强聚合物基复合材料
纤维增强聚合物基复合材料(Fibre-reinforced polymer Matrix Composites,简称FRPC)是一种复合材料,由纤维增强材料和聚合物基质组成。
纤维增强材料可以是各种不同类型的纤维,包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
这些纤维具有高强度和刚度的特点,能够承受较大的应力和载荷。
聚合物基质通常是一种流动性较好的树脂,如环氧树脂、聚酯树脂等,可以将纤维增强材料固定在一起,并提供一定的韧性。
纤维增强聚合物基复合材料具有很高的强度和刚度,同时也具有较低的密度,因此被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑等领域。
与传统的金属材料相比,它们具有更轻的重量和更高的比强度,能够降低结构的自重,并提升整体性能。
此外,纤维增强聚合物基复合材料还具有良好的耐腐蚀性能和耐久性,能够抵抗多种环境条件下的腐蚀和老化。
它们还具有较好的设计可塑性,可以根据应用的需要进行各种形状和结构的设计。
总的来说,纤维增强聚合物基复合材料具有许多优点,并且具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展和创新,相信它们在各个领域的应用将会越来越广泛。
纤维增强聚合物复合材料性能与制造概述复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料,按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料,到目前为止,主要的发展方向是结构复合材料,但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。
通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料(constituent materials),它们可以是金属、陶瓷或高聚物材料。
对结构复合材料而言,组分材料包括基体和增强体,基体是复合材料中的连续相,其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷;增强体是复合材料中承载的主体,包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体,其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维,按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维,而目前用得最多的和最重要的是碳纤维。
范围在6~8μm内,是近几十年发展起来的一种新型材料。
目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类:聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维,分别用聚丙烯腈原丝(称之为前驱体)、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。
通过碳化工艺,使纤维中的氢、氧等元素得以排出,成为一种接近纯碳的材料,含碳量一般都在90%以上,而本身质量却大为减轻;由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理,使得分子沿轴向进行取向排列,因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高,成为一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。
用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料是目前用得最多,也是最重要的一种结构复合材料。
此外,用天然纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维作增强体的树脂基复合材料也在快速发展。
1、纤维增强聚合物基复合材料的特性1)比强度、比模量大碳纤维、硼纤维等有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度比钛合金高3-5倍,比模量比金属高4倍。
这种性能因增强的纤维排列不同会在一定的范围内浮动。
2)耐疲劳性能好金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏,而聚合物基复合才来哦中纤维与基体的界面能阻止材料的受力所致裂纹的扩展。
纤维增强聚合物标准1.纤维类型纤维增强聚合物标准包括各种类型的纤维,如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。
这些纤维具有不同的特性,如高强度、高模量、低密度等,适用于不同的应用领域。
2.增强材料增强材料是纤维增强聚合物的重要组成部分,可以增加聚合物的强度、硬度、耐磨性等。
常用的增强材料包括玻璃纤维毡、碳纤维毡、芳纶纤维毡等。
3.纤维与增强材料组合纤维与增强材料的组合是纤维增强聚合物标准的核心内容。
不同的纤维和增强材料组合可以产生不同的性能和效果。
因此,在选择纤维和增强材料时需要考虑应用场景、性能要求等因素。
4.性能要求纤维增强聚合物的性能要求包括力学性能、热性能、电性能、耐候性等方面。
其中,力学性能是最重要的指标之一,包括拉伸强度、压缩强度、弯曲强度等。
此外,热性能和电性能也是需要考虑的因素。
5.耐候性耐候性是纤维增强聚合物的重要性能之一,直接影响到产品的使用寿命和质量。
耐候性包括抗紫外线性能、耐高温性能、耐低温性能等方面。
6.安全性纤维增强聚合物需要满足安全性的要求,包括无毒无害、防火性能等方面。
安全性是保证人身安全和财产安全的重要因素之一。
7.环保性随着环保意识的不断提高,纤维增强聚合物也需要满足环保性的要求。
环保性包括可回收利用、低能耗等方面。
这些要求可以减少对环境的污染和资源的浪费。
8.生产工艺纤维增强聚合物的生产工艺包括原材料准备、纤维铺设、浸润剂涂覆、预成型、固化等步骤。
生产工艺需要考虑到生产效率、成本、质量等因素。
同时,还需要关注环保性和安全性的问题,如废气、废水、废弃物的处理等。
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8.连续纤维增强聚合物基复合材料20世纪40年代,玻璃纤维和合成树脂大量的商品化生产,纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料。
前期纤维增强热塑性复合材料多采用短切纤维(0.2—0.4mm)增强,得到的制品强度较差,后来发展到中长纤维、长纤维增强复合材料。
相对于相同纤维含量的短纤维增强复合材料,长纤维增强复合材料的机械强度、压缩强度、耐疲劳性能都得到大大的提高,同时相应的开展了大量的科研工作。
在60年代末期,连续纤维增强树脂基高性能复合材料已用于军事飞机的承力结构,近年来开始逐渐进入各个工业领域。
其增强体纤维有玻纤、碳纤维以及芳纶等,而树脂基主要是固化体系为120或者170的环氧,还有一定耐高温的聚酰亚胺树脂。
随着近年来航空航天技术的发展,对结构材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都要更好。
而连续纤维保持了纤维的连续性和完整性不仅提高了材料的强度和模量,而且降低了密度,同时还具有耐疲劳、耐磨损、高阻尼、不吸潮、不放气和膨胀系数低等特点,得到了大家的广泛青睐。
目前,连续纤维增强环氧等热固性复合材料已经在体育器材、航空、航天等工业中大量应用。
复合材料主要由基体、增强体和两者之间的界面组成。
影响复合材料性能的因素很多,主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况,基体材料的性能、含量,以及它们之间的界面结合情况,作为产品还与成型工艺和结构设计有关。
下面将通过对聚合物树脂基体、增强纤维以及加工制备方法对连续纤维增强聚合物材料做详细的介绍。
8.1 聚合物树脂树脂基体是连续纤维增强聚合物基的一个主要组分材料,是复合材料中的连续相,起到将增强纤维黏结成整体,并赋予复合材料一定形状、传递外界作用力、保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。
对于聚合物基复合材料而言,聚合物基体一般仅指热固性聚合物与热塑性聚合物。
热塑性聚合物在加热到一定温度时熔融流动,从而可以在压力和模具的作用下成型,并在冷却后固化,但这类聚合物耐高温性能、力学性能等都不及热固性聚合物,不能满足特定条件下复合材料的应用。