聚合物基复合材料PPT课件
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聚合物基复合材料的缺点和问题(共3张PPT)
第2页，共3页。
(3)长期耐温与耐环境老化性能不好 (1)材料工艺的稳定性差 (1)材料工艺的稳定性差 (2)材料性能的分散性大：材料和产品是同时完成的，许多因素会影响到每一步的性能，质量不易控制
THANKS!!! (3)长期耐温与耐环境老化性能不好
(3)长期耐温与耐环境老化性能不好 (4)抗冲击性能低：大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，纤维增强复合材料是脆性材料，抗冲击性低 (3)长期耐温与耐环境老化性能不好 (1)材料工艺的稳定性差 (1)材料工艺的稳定性差 (4)抗冲击性能低：大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，纤维增强复合材料是脆性材料，抗冲击性低 聚合物基复合材料的缺点和问题 聚合物基复合材料的缺点和问题 聚合物基复合材料的缺点和问题 (4)抗冲击性能低：大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，纤维增强复合材料是脆性材料，抗冲击性低 (2)材料性能的分散性大：材料和产品是同时完成的，许多因素会影响到每一步的性能，质量不易控制 (3)长期耐温与耐环境老化性能不好 (1)材料工艺的稳定性差
聚合物基复合材料的缺点和问题
第1页，共3页。
• (1)材料工艺的稳定性差 • (2)材料性能的分散性大：材料和产品是同时完成的，许多因素会影响到每一步
的性能，质量不易控制 • (3)长期耐温与耐环境老化性能不好 • (4)抗冲击性能低：大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，纤维 Nhomakorabea强复合材料
是脆性材料，抗冲击性低 • (5)横向强度和层间剪切强度不好等 。
第3页，共3页。
(3)长期耐温与耐环境老化性能不好 (1)材料工艺的稳定性差 (1)材料工艺的稳定性差 (2)材料性能的分散性大：材料和产品是同时完成的，许多因素会影响到每一步的性能，质量不易控制
THANKS!!! (3)长期耐温与耐环境老化性能不好
(3)长期耐温与耐环境老化性能不好 (4)抗冲击性能低：大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，纤维增强复合材料是脆性材料，抗冲击性低 (3)长期耐温与耐环境老化性能不好 (1)材料工艺的稳定性差 (1)材料工艺的稳定性差 (4)抗冲击性能低：大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，纤维增强复合材料是脆性材料，抗冲击性低 聚合物基复合材料的缺点和问题 聚合物基复合材料的缺点和问题 聚合物基复合材料的缺点和问题 (4)抗冲击性能低：大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，纤维增强复合材料是脆性材料，抗冲击性低 (2)材料性能的分散性大：材料和产品是同时完成的，许多因素会影响到每一步的性能，质量不易控制 (3)长期耐温与耐环境老化性能不好 (1)材料工艺的稳定性差
聚合物基复合材料的缺点和问题
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• (1)材料工艺的稳定性差 • (2)材料性能的分散性大：材料和产品是同时完成的，许多因素会影响到每一步
的性能，质量不易控制 • (3)长期耐温与耐环境老化性能不好 • (4)抗冲击性能低：大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，纤维 Nhomakorabea强复合材料
是脆性材料，抗冲击性低 • (5)横向强度和层间剪切强度不好等 。
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复合材料及其聚合物基体概论课件
1.3.4 电性能 树脂分子由共价键组成，是一种优良的绝缘材料。 影响树脂电绝缘性能的因素有两个： 一是大分子链的极性；二是已固化树脂中杂质的存在。 1 ）树脂大分子链中极性基团越多，极性越强，则电绝缘性越差； 2）已固化树脂中的杂质越少，则电性能越好。
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料及其聚合物基体概论课件
3、树脂的断裂伸长率与结构的关系 1）大分子链的柔顺性：由C－C键组成的脂肪链是柔性链的代表，具有柔性链结构的树脂，伸长率较大；具有刚性链结构（苯环、萘环、联苯环等）的树脂，具有相当大的刚性，伸长率较小。 2）大分子链间的交联密度：交联密度越大，树脂的伸长率越小，呈现脆性。
复合材料及其聚合物基体概论课件
问题1 基体材料在复合材料中所起的作用是什么？
复合材料及其聚合物基体概论课件
基体材料在复合材料中的作用
1、粘结作用 基体材料作为连续相，把单根纤维粘成一个整体，使纤维共同承载。 2、均衡载荷、传递载荷 在复合材料受力时，力通过基体传给纤维。 3、保护纤维 在复合材料的生产与应用中，基体可以防止纤维受到磨损、遭受浸蚀。
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料的分类
1、按基体材料类型分为 聚合物基复合材料（PMC） 金属基复合材料（MMC） 无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料 和水泥基复合材料（CMC）等 2、按增强材料类型分为 玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料 芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料 UHMW-PE纤维增强复合材料等 3、按用途分为 结构复合材料、功能复合材料、 结构功能一体化复合材料
2）按用途分类： 纤维、橡胶、塑料（树脂）、涂料、粘结剂 3）按聚集态分类： 玻璃态、高弹态、粘流态
温度
变形
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料及其聚合物基体概论课件
3、树脂的断裂伸长率与结构的关系 1）大分子链的柔顺性：由C－C键组成的脂肪链是柔性链的代表，具有柔性链结构的树脂，伸长率较大；具有刚性链结构（苯环、萘环、联苯环等）的树脂，具有相当大的刚性，伸长率较小。 2）大分子链间的交联密度：交联密度越大，树脂的伸长率越小，呈现脆性。
复合材料及其聚合物基体概论课件
问题1 基体材料在复合材料中所起的作用是什么？
复合材料及其聚合物基体概论课件
基体材料在复合材料中的作用
1、粘结作用 基体材料作为连续相，把单根纤维粘成一个整体，使纤维共同承载。 2、均衡载荷、传递载荷 在复合材料受力时，力通过基体传给纤维。 3、保护纤维 在复合材料的生产与应用中，基体可以防止纤维受到磨损、遭受浸蚀。
复合材料及其聚合物基体概论课件
复合材料的分类
1、按基体材料类型分为 聚合物基复合材料（PMC） 金属基复合材料（MMC） 无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料 和水泥基复合材料（CMC）等 2、按增强材料类型分为 玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料 芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料 UHMW-PE纤维增强复合材料等 3、按用途分为 结构复合材料、功能复合材料、 结构功能一体化复合材料
2）按用途分类： 纤维、橡胶、塑料（树脂）、涂料、粘结剂 3）按聚集态分类： 玻璃态、高弹态、粘流态
温度
变形
聚合物基复合材料的性能课件
兼容性
聚合物基复合材料与其它材料具有 良好的相容性，能够通过粘合、复 合等方式与其它材料结合使用。
环境老化性能
01
抗老化性能
聚合物基复合材料具有良好的抗 老化性能，能够在各种环境条件 下保持较长的使用寿命。
02
03
耐紫外线性能
温度稳定性
聚合物基复合材料能够抵抗紫外 线的照射，不易变色、龟裂或失 去性能。
反射与吸收光谱特性
反射光谱特性
聚合物基复合材料的反射光谱特 性与材料的折射率和表面反射率 有关，不同波长的光在材料表面 反射的情况不同。
吸收光谱特性
聚合物基复合材料的吸收光谱特 性与材料中存在的杂质、缺陷、 链段运动等因素有关，不同波长 的光被吸收的情况不同。物基复合材料在激光的作用下， 可以产生光热、光化学、光物理等效 应，对激光的吸收和传输特性产生影 响。
耐候性
聚合物基复合材料能够承受各种气候条件， 包括紫外线、潮湿、高温和低温等，保持材 料的性能和外观。
化学稳定性与反应性
稳定性
聚合物基复合材料具有稳定的化 学性质，不易与其它物质发生反
应，适用于各种化学环境。
反应性
某些聚合物基复合材料具有一定的 反应性，能够参与化学反应或与其 它物质进行改性，拓展了材料的应 用范围。
聚合物基复合材料的性能课件
目录 CONTENTS
• 聚合物基复合材料的概述 • 聚合物基复合材料的力学性能 • 聚合物基复合材料的热性能 • 聚合物基复合材料的电性能 • 聚合物基复合材料的光性能 • 聚合物基复合材料的化学性能
01
聚合物基复合材料的概述
定义与分类
定义
聚合物基复合材料是由两种或两种以上材料组成，其中聚合物材料作为基体， 通过物理或化学方法与增强材料（如纤维、颗粒等）复合而成的新型材料。
聚合物基复合材料与其它材料具有 良好的相容性，能够通过粘合、复 合等方式与其它材料结合使用。
环境老化性能
01
抗老化性能
聚合物基复合材料具有良好的抗 老化性能，能够在各种环境条件 下保持较长的使用寿命。
02
03
耐紫外线性能
温度稳定性
聚合物基复合材料能够抵抗紫外 线的照射，不易变色、龟裂或失 去性能。
反射与吸收光谱特性
反射光谱特性
聚合物基复合材料的反射光谱特 性与材料的折射率和表面反射率 有关，不同波长的光在材料表面 反射的情况不同。
吸收光谱特性
聚合物基复合材料的吸收光谱特 性与材料中存在的杂质、缺陷、 链段运动等因素有关，不同波长 的光被吸收的情况不同。物基复合材料在激光的作用下， 可以产生光热、光化学、光物理等效 应，对激光的吸收和传输特性产生影 响。
耐候性
聚合物基复合材料能够承受各种气候条件， 包括紫外线、潮湿、高温和低温等，保持材 料的性能和外观。
化学稳定性与反应性
稳定性
聚合物基复合材料具有稳定的化 学性质，不易与其它物质发生反
应，适用于各种化学环境。
反应性
某些聚合物基复合材料具有一定的 反应性，能够参与化学反应或与其 它物质进行改性，拓展了材料的应 用范围。
聚合物基复合材料的性能课件
目录 CONTENTS
• 聚合物基复合材料的概述 • 聚合物基复合材料的力学性能 • 聚合物基复合材料的热性能 • 聚合物基复合材料的电性能 • 聚合物基复合材料的光性能 • 聚合物基复合材料的化学性能
01
聚合物基复合材料的概述
定义与分类
定义
聚合物基复合材料是由两种或两种以上材料组成，其中聚合物材料作为基体， 通过物理或化学方法与增强材料（如纤维、颗粒等）复合而成的新型材料。
【大学课件】聚合物基复合材料PPT
➢活性填料：玻璃纤维、硅质（SiO2、硅酸盐）、碳质 （石墨）等。
.
5
复合材料的性能
1. 比强度和比模量高
比强度（抗拉强度与密度之比）和比模量 (弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚 性大。
2. 良好的抗疲劳性能
疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复 合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。
.
6
3. 减振性能好
.
20
纳米微粒的表面修饰
由于纳米材料粒径小，大部分原子暴露在微粒表 面，因此表面能极大，非常容易团聚在一起，这 就为制造纳米微粒材料带来很大困难。
在制备纳米高分子复合材料时，需对纳米材料的 表面进行改性，目的是降低粒子的表面能态，消 除粒子的表面电荷，提高纳米粒子与有机相的亲 合力，减弱纳米粒子的表面特性。
聚
金
陶
碳
水
合
属
瓷
基
泥
物
基
基
复
基
基
复
复
合
复
复
合
合
材
合
合
材
材
料
材
材
料
料
料
料
.
3
高分子复合材料
➢ 复合材料的四要素 基体材料：聚合物 填料：活性（增强、功能化）或非活性填料 复合技术：制备方法（原位复合、模板复合等）、
成型加工方法（注射、模压等） 界面设计：两相界面的控制与设计
.
4
填料
通用填料 ➢非活性填料：碳酸盐（碳酸钙、碳酸镁）、硅酸盐等。
11
(3)量子尺寸效应：随着粒子由宏观尺寸 进入纳米范围，准连续能带将分裂为分立的 能级，能级间的距离随粒子尺寸减小而增大， 这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。
.
5
复合材料的性能
1. 比强度和比模量高
比强度（抗拉强度与密度之比）和比模量 (弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚 性大。
2. 良好的抗疲劳性能
疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复 合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。
.
6
3. 减振性能好
.
20
纳米微粒的表面修饰
由于纳米材料粒径小，大部分原子暴露在微粒表 面，因此表面能极大，非常容易团聚在一起，这 就为制造纳米微粒材料带来很大困难。
在制备纳米高分子复合材料时，需对纳米材料的 表面进行改性，目的是降低粒子的表面能态，消 除粒子的表面电荷，提高纳米粒子与有机相的亲 合力，减弱纳米粒子的表面特性。
聚
金
陶
碳
水
合
属
瓷
基
泥
物
基
基
复
基
基
复
复
合
复
复
合
合
材
合
合
材
材
料
材
材
料
料
料
料
.
3
高分子复合材料
➢ 复合材料的四要素 基体材料：聚合物 填料：活性（增强、功能化）或非活性填料 复合技术：制备方法（原位复合、模板复合等）、
成型加工方法（注射、模压等） 界面设计：两相界面的控制与设计
.
4
填料
通用填料 ➢非活性填料：碳酸盐（碳酸钙、碳酸镁）、硅酸盐等。
11
(3)量子尺寸效应：随着粒子由宏观尺寸 进入纳米范围，准连续能带将分裂为分立的 能级，能级间的距离随粒子尺寸减小而增大， 这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。
聚合物基复合材料ppt完美版
1、网状结构 楔、高压绝缘子、带电操作工具等。
第二阶段是聚合物的固化。 不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
2、层状结构，两种组分均为二维连续相 玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，
含碳量99%左右的称为石墨纤维。
增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善
和增强。
的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力
第二阶段是聚合物的固化。
(2)在交通运输方面的应用
其他因素（表面形状与光滑程度、纤维的含量与形态、固化剂的种类和用量、着色剂、填料的种类与含量等）。
增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
二、复合材料的分类
• 1、按基体材料分类，可分为聚合物基、 陶瓷基和金属基复合材料。
• 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强
复合材料、粒子增强复合材料和层状复合 SiC颗粒
增
材料。
强 相
• 3、按复合材料的性能分类，可分为结构
三 种
类
复合材料和功能复合材料。
Al2O3片
挤出成型工艺示意图
（4）挤拉成型
将预浸纤维连续地通过模具，挤出多余的 树脂，在牵伸条件下进行固化。
（5）连续成型
把连续纤维不断地浸滞树脂并通过口模和 固化炉固化成棒、板或其他型材。
（6）袋压成型
在模具上放置预浸料后，通过软的薄膜施 加压力而固化成型。
九、界面
复合材料的界面是指基体与增强物之间 化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、 能起载荷传递作用的微小区域。
第二阶段是聚合物的固化。 不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
2、层状结构，两种组分均为二维连续相 玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，
含碳量99%左右的称为石墨纤维。
增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善
和增强。
的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力
第二阶段是聚合物的固化。
(2)在交通运输方面的应用
其他因素（表面形状与光滑程度、纤维的含量与形态、固化剂的种类和用量、着色剂、填料的种类与含量等）。
增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
二、复合材料的分类
• 1、按基体材料分类，可分为聚合物基、 陶瓷基和金属基复合材料。
• 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强
复合材料、粒子增强复合材料和层状复合 SiC颗粒
增
材料。
强 相
• 3、按复合材料的性能分类，可分为结构
三 种
类
复合材料和功能复合材料。
Al2O3片
挤出成型工艺示意图
（4）挤拉成型
将预浸纤维连续地通过模具，挤出多余的 树脂，在牵伸条件下进行固化。
（5）连续成型
把连续纤维不断地浸滞树脂并通过口模和 固化炉固化成棒、板或其他型材。
（6）袋压成型
在模具上放置预浸料后，通过软的薄膜施 加压力而固化成型。
九、界面
复合材料的界面是指基体与增强物之间 化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、 能起载荷传递作用的微小区域。
复合材料第三章聚合物基复合材料PPT课件
7
➢第三件是在波音-767大型客机上使用了先进复
合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运 飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树 脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前 缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使飞机结 构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。
8
聚合物基复合材料在中国的发展
中国的复合材料起始于1958年，首先用于军工制品，而后 逐渐扩展到民用。
11
12
§3-2 聚合物基复合材料的分类及性能
一、分 类
聚合物基复合材料 （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 （如右图）。
13
二、 性能特点
1. 高比强度、高比模量 2. 可设计性 3. 热膨胀系数低，尺寸稳定 4．耐腐蚀 5．耐疲劳 6.阻尼减震性好
复合材料
2012年春季
1
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2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第三章 聚合物基复合材料(PMC)
§3-1 聚合物基复合材料的发展史 聚合物基复合材料：树脂基复合材料（Resin Matrix
Composite ） , 纤 维 增 强 塑 料 （ Fiber Reinforced Plastics），是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一 类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物 增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。
1949年，研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面 光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。
➢第三件是在波音-767大型客机上使用了先进复
合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运 飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树 脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前 缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使飞机结 构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。
8
聚合物基复合材料在中国的发展
中国的复合材料起始于1958年，首先用于军工制品，而后 逐渐扩展到民用。
11
12
§3-2 聚合物基复合材料的分类及性能
一、分 类
聚合物基复合材料 （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 （如右图）。
13
二、 性能特点
1. 高比强度、高比模量 2. 可设计性 3. 热膨胀系数低，尺寸稳定 4．耐腐蚀 5．耐疲劳 6.阻尼减震性好
复合材料
2012年春季
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2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第三章 聚合物基复合材料(PMC)
§3-1 聚合物基复合材料的发展史 聚合物基复合材料：树脂基复合材料（Resin Matrix
Composite ） , 纤 维 增 强 塑 料 （ Fiber Reinforced Plastics），是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一 类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物 增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。
1949年，研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面 光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。
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
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。
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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
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• 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
• 不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、 聚双马来酰亚胺、聚氨酯、有机硅等。
• 3.2.2.1 不饱和聚酯树脂
• 1．定义
• 不饱和聚酯树脂：指不饱和聚酯在乙烯基类交联 单体中的溶液，由不饱和的二元羧酸或酸酐、饱 和的二元羧酸或酸酐与二元醇缩聚而成，在缩聚 反应后加入乙烯基类单体（通常苯乙烯）配成黏 稠的液体树脂。
• 缺点：部分原材料昂贵，湿热环境下性能变化、 断裂伸长率小、抗冲击强度差等。
表3-1 各种单向连续纤维增强聚合物基复合 材料（Vf=60%）与金属性能的对比
性能 密度/g·cm-3
GFR CFR KFR BFR AFR SFR 钢 铝 钛 PPPPPP
2.0 1.6 1.4 2.1 2.4 2.0 7.8 2.8 4.5
1～2
8～10
4～8
• 2．不饱和聚酯树脂的原料 • （1）原材料 • A．二元酸
• 不饱和二元酸（酐）：提供分子链中的双键。顺酐
（顺丁烯二酸酐，即马来酸酐）最常用。
• 饱和二元酸（酐）：降低聚酯的结晶性，增加与交 联单体的相容性。邻苯二甲酸酐（苯酐）常用。
• 第四阶段：1980年代后期，发明超高分子量聚乙烯纤维 • 第五阶段：1990年代，美国陶氏和日本东洋纺合作开发聚
对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO），具有高阻燃性（在空气 中分解温度高达650℃）。
• 3.1.2 聚合物基复合材料的定义和分类
• 1．定义：由一种或多种微米级或纳米级的增强材料，分 散于聚合物基体中，并通过适当制造工艺过程制备的复合 材料。
弹性模量/GPa
1.1～1.4 34～105 2.0～4.4
1.2～1.3
55～130 2.75～
4.10
断裂伸长率/% 1.0～3.0 1.0～3.5
24h吸水率/%
0.15～ 0.60
0.08～ 0.15
酚醛树 脂
1.3～ 1.32
42～64
～3.2
1.5～ 2.0
0.12～ 0.36
双马来酰 亚胺
• 2．分类
• （1）按增强材料的几何形状分：连续纤维、颗粒、晶须、 短纤维增强聚合物基复合材料；
• （2）按增强材料的种类分：玻璃纤维增强、碳纤维增强、 芳纶纤维增强、硼纤维增强聚合物基复合材料。
• （3）按基体材料分类：热固性树脂基复合材料（不饱和 聚酯、环氧树脂、聚酰亚胺、聚双马来酰亚胺等），热塑 性树脂基复合材料（聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚 （PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK） 等）。
拉伸强度/GPa 1.2 1.8 1.5 1.6 1.7 1.5 1.4 0.48 1.0
比强度/m 600 1120 1150 750 710 650 180 170 210
弹性模量/GPa 42 130 80 220 120 130 210 77 110
比模量/m
21 81 57 104 54 56 27 27 25
增加而增加。
• 3.2.1.4 基体的选择 • （1）能够满足制品的应用技术要求、某些特殊使用要求，
具有高强度、高模量。 • （2）对纤维、织物具有良好的润湿性和粘结性。 • （3）具有合适的粘度和流动性。 • （4）固化条件适当，应在室温、中温，无压或低压下固
化。 • （5）脱模性能好0 22.6 8.36
/kJ·(m·h·k)-1
7
271. 688. 221. 7 8 54
热膨胀系数/K-1 8 0.2 1.8 4.0 4.0 2.6 12 23 9.0
3.2 聚合物基体
• 3.2.1 概述 • 3.2.1.1 基体作用
• （1）将增强纤维粘合成整体并使纤维位置固定，传递载荷，并使载 荷均匀。
• （2）决定复合材料的一些性能，如耐热性、横向性能、剪切性能、 压缩性能、疲劳性能、断裂韧性、耐水性等。
• （3）决定复合材料的成型工艺及工艺参数选用。 • （4）保护纤维免受损伤。
• 3.2.1.2 分类
• （1）按热加工特性分：热固性和热塑性树脂。有非晶和结晶两类结 构。
• （2）按树脂性能和用途特点分：一般用途树脂、耐热树脂、耐候树 脂、阻燃树脂等。
• 3.1.3 聚合物基复合材料的特点
• 1．比强度和比模量高（见表3-1）。 • 2．可设计性好。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。
• 3．尺寸稳定性好。比金属的热膨胀系数低，成型 后收缩也小。
• 4．卓越的耐腐蚀性。可用于防腐设施。 • 5．抗疲劳性能好。
• 此外，还具有良好的加工性能、优越较低的综合 成本、优良的减振性能、过载安全性等。
• 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
• 不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、 聚双马来酰亚胺、聚氨酯、有机硅等。
• 3.2.2.1 不饱和聚酯树脂
• 1．定义
• 不饱和聚酯树脂：指不饱和聚酯在乙烯基类交联 单体中的溶液，由不饱和的二元羧酸或酸酐、饱 和的二元羧酸或酸酐与二元醇缩聚而成，在缩聚 反应后加入乙烯基类单体（通常苯乙烯）配成黏 稠的液体树脂。
• 缺点：部分原材料昂贵，湿热环境下性能变化、 断裂伸长率小、抗冲击强度差等。
表3-1 各种单向连续纤维增强聚合物基复合 材料（Vf=60%）与金属性能的对比
性能 密度/g·cm-3
GFR CFR KFR BFR AFR SFR 钢 铝 钛 PPPPPP
2.0 1.6 1.4 2.1 2.4 2.0 7.8 2.8 4.5
1～2
8～10
4～8
• 2．不饱和聚酯树脂的原料 • （1）原材料 • A．二元酸
• 不饱和二元酸（酐）：提供分子链中的双键。顺酐
（顺丁烯二酸酐，即马来酸酐）最常用。
• 饱和二元酸（酐）：降低聚酯的结晶性，增加与交 联单体的相容性。邻苯二甲酸酐（苯酐）常用。
• 第四阶段：1980年代后期，发明超高分子量聚乙烯纤维 • 第五阶段：1990年代，美国陶氏和日本东洋纺合作开发聚
对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO），具有高阻燃性（在空气 中分解温度高达650℃）。
• 3.1.2 聚合物基复合材料的定义和分类
• 1．定义：由一种或多种微米级或纳米级的增强材料，分 散于聚合物基体中，并通过适当制造工艺过程制备的复合 材料。
弹性模量/GPa
1.1～1.4 34～105 2.0～4.4
1.2～1.3
55～130 2.75～
4.10
断裂伸长率/% 1.0～3.0 1.0～3.5
24h吸水率/%
0.15～ 0.60
0.08～ 0.15
酚醛树 脂
1.3～ 1.32
42～64
～3.2
1.5～ 2.0
0.12～ 0.36
双马来酰 亚胺
• 2．分类
• （1）按增强材料的几何形状分：连续纤维、颗粒、晶须、 短纤维增强聚合物基复合材料；
• （2）按增强材料的种类分：玻璃纤维增强、碳纤维增强、 芳纶纤维增强、硼纤维增强聚合物基复合材料。
• （3）按基体材料分类：热固性树脂基复合材料（不饱和 聚酯、环氧树脂、聚酰亚胺、聚双马来酰亚胺等），热塑 性树脂基复合材料（聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚 （PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK） 等）。
拉伸强度/GPa 1.2 1.8 1.5 1.6 1.7 1.5 1.4 0.48 1.0
比强度/m 600 1120 1150 750 710 650 180 170 210
弹性模量/GPa 42 130 80 220 120 130 210 77 110
比模量/m
21 81 57 104 54 56 27 27 25
增加而增加。
• 3.2.1.4 基体的选择 • （1）能够满足制品的应用技术要求、某些特殊使用要求，
具有高强度、高模量。 • （2）对纤维、织物具有良好的润湿性和粘结性。 • （3）具有合适的粘度和流动性。 • （4）固化条件适当，应在室温、中温，无压或低压下固
化。 • （5）脱模性能好0 22.6 8.36
/kJ·(m·h·k)-1
7
271. 688. 221. 7 8 54
热膨胀系数/K-1 8 0.2 1.8 4.0 4.0 2.6 12 23 9.0
3.2 聚合物基体
• 3.2.1 概述 • 3.2.1.1 基体作用
• （1）将增强纤维粘合成整体并使纤维位置固定，传递载荷，并使载 荷均匀。
• （2）决定复合材料的一些性能，如耐热性、横向性能、剪切性能、 压缩性能、疲劳性能、断裂韧性、耐水性等。
• （3）决定复合材料的成型工艺及工艺参数选用。 • （4）保护纤维免受损伤。
• 3.2.1.2 分类
• （1）按热加工特性分：热固性和热塑性树脂。有非晶和结晶两类结 构。
• （2）按树脂性能和用途特点分：一般用途树脂、耐热树脂、耐候树 脂、阻燃树脂等。
• 3.1.3 聚合物基复合材料的特点
• 1．比强度和比模量高（见表3-1）。 • 2．可设计性好。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。
• 3．尺寸稳定性好。比金属的热膨胀系数低，成型 后收缩也小。
• 4．卓越的耐腐蚀性。可用于防腐设施。 • 5．抗疲劳性能好。
• 此外，还具有良好的加工性能、优越较低的综合 成本、优良的减振性能、过载安全性等。