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第4章填充与纤维增强2

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清华大学工程材料第五版第四章

清华大学工程材料第五版第四章

二、按使用范围分类
1. 通用塑料 应用范围广、生产量大的塑料品种。 聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料 2. 工程塑料 和氨基塑料等，产量约占塑料总产量的四分之 综合工程性能(机械性能、耐热耐寒性能、 三以上。 耐蚀性和绝缘性能等)良好的各种塑料。
如聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和 ABS等。 3. 耐热塑料 能在较高温度（100 ℃～200 ℃）工作。 聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有机硅树 脂、环氧树脂等。
七、氨纶 化学名称为聚氨酯纤维，商品名称为氨纶。 由聚酯、芳香族二异氰酸酯聚合，用脂肪族二 胺交联而成。 1、特点 ●高弹性。伸长600%～750%时，回弹率达 95％以上。 2、应用 用作运动衣、游泳衣。与涤纶混纺后，制 作夏季衣服。
4.3
合成橡胶
橡胶 具有极高弹性的高分子材料。
●性能特点 弹性变形量可达100％～1000％，而且回 弹性好，回弹速度快。 橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝缘性和 不透气、不透水性。
聚酰胺的应用： 制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、
尼龙轴套
尼龙拉杆
7. 聚碳酸酯(PC) 聚碳酸酯誉称"透明金属"， ●具有优良的综合性能。冲击韧性和延 性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模 量较高，不受温度的影响； ●抗蠕变性能好，尺寸稳定性高； ●透明度高，可染成各种颜色； ●吸水性小； ●绝缘性能优良，在10 ℃～130 ℃间介 电常数和介质损耗近于不变。
有机玻璃顶棚
二、热固性塑料 1. 酚醛塑料(PE) 由酚类和醛类缩聚合成酚醛树脂,再加入 添加剂而制得。一般为热固性塑料。 ●具有一定的机械强度和硬度, 耐磨性好； ●绝缘性良好, 耐热性较高，耐蚀性优良。 ●缺点是性脆，不耐碱。
酚醛塑料的应用：

第《4》章模压成型

第《4》章模压成型

备 及 质
玻璃纤维→热处理→切割→
↓ 蓬松→混合→撕松→烘干→模压料
量
控
制
第四章 模压成型
课件
生产步骤： 以镁酚醛为例
4.2.2
(1) 玻璃纤维在180℃下干燥处理40~60min；
(2) 将烘干后的纤维切成30~50mm长度并使之疏松；
模 (3) 按树脂配方配成胶液，用工业酒精调配胶液密度
压
1.0g/cm3左右；
2~3.5 2~4
5~10 <15
量 控
手工法
氨酚醛料
35±5(玻璃) 40±4(高硅氧)
<4
3~20
制
第四章 模压成型
课件
影响模压料质量的主要因素 1）树脂溶液粘度
4.2.2
模
降低胶液粘度有利于树脂对纤维浸渍，并
压
可减少捏合过程的纤维强度损失。
料
的
粘度过低，在预混过程中会导致纤维离析，
制
影响树脂对纤维的粘结。
模 压
制 渗品透。较但困由难于，树有且脂两需层 消调玻 耗配璃 大布 量的 玻阻 璃碍 布， ，树 成脂 本对 增纤加维。的均匀存快放速
料 浸毡法
的 制 备 及
纱线将点准玻 ：备璃纤纤维维成束束切整状割束比通较过紧浸密撕胶，松、在烘备干料、过短程切中而纤制维树得强脂。度调特损配 失较小，模压料的流动性及料束之间的互溶性稍差。
压 料
制造形状复杂的小型制品。
的 制
缺点：
备 及 质 量
纤维强度损失较大；比容大，模压时 装模困难，模具需设计较大的装料室并需 采用多次预压程序合模，劳动条件欠佳。
控
制
第四章 模压成型
课件

塑料模具重点第四章双分型面注射模习题答案

塑料模具重点第四章双分型面注射模习题答案

、填空题1.与单分型面注射模相比，双分型面注射模在定模边增加了一块型腔中间板，也可以称为流道板。

2.双分型面注射模一个分型面取出塑件，另一个分型面取出浇注系统凝料。

3.双分型面注射模的两个分型面先后打开。

4.双分型面注射模具使用的浇注系统为点浇口浇注系统。

5.潜伏式浇口的引导锥角B—般在10 ~20。

范围之内选取，对硬质脆性塑料应取大值。

6.将双分型面注射模具按结构分类可分为摆钩式双分型面注射模、弹簧式双分型面注射模、滑块式双分型面注射模等。

二、选择题：1.双分型面注射模一个分型面取出塑件，另一个分型面取出（A）。

A •浇注系统凝料B •型芯C .另一个塑件D .排气2.双分型面注射模的两个分型面（B）打开。

A .同时B .先后C .有时同时打开D .不一定3.双分型面注射模采用的浇口形式为（D）。

A.侧浇口B.中心浇口C.环隙浇口 D .点浇口4.双分型面注射模采用的点浇口直径应为（B）mm。

A . 0.1~0.5 B. 0.5~1.5C.l.5~2.0 D . 2.0~3.05.潜伏式浇口适用于（A）注射模。

A .单分型面B .双分型面C .以上二种都是D.以上二种都不是6. 点浇口不适用于(A )塑料。

A ．热敏性塑料B ．热塑性塑料C •热固性塑料D •纤维增强塑料7.潜伏式浇口是由(D)浇口演变而来。

A •侧浇口B •直浇口C .爪形浇口D .点浇口三、问答题1.点浇口的特点是什么？答(1)浇口尺寸小，熔料流经浇口的速度增加，熔料受到的剪切速率提高，熔体表面黏度下降。

流动性提高，有利于型腔的填充。

(2)便于控制浇口凝固时间，既保证补料，又防止倒流，保证了产品的质量，缩短了成型周期，提高了产生效率。

(3)点浇口浇注系统脱模时，浇口与制品自动分开，便于实现塑料件产生过程的自动化。

(4)浇口痕迹小，容易修整，制品的外观质量好。

2.本章中介绍了哪些双分型面注射模点浇口浇注系统凝料的推出机构?答:单型腔点浇口浇注系统凝料的推出机构有(1)带有活动浇口套的自动推出机构(2)带有四槽浇口套的挡板自动推出机构(3)用分流道推板的自动推出机构多型腔点浇口浇注系统凝料的推出机构有:(1) 利用定模推板的自动推出机构(2)利用拉料杆拉断点浇口凝料的推出机构(3)利用分流道斜孔拉断点浇口凝料的推出机构潜伏浇口浇注系统凝料推出机构有:(1)开设在定模部分的潜伏浇口浇注系统凝料的推出机构(2)开设在动模部分的潜伏浇口浇注系统凝料的推出机构(3)开设在塑件内侧的潜伏浇口浇注系统凝料推出机构。

共混改性5-填充与增强(7,8)

共混改性5-填充与增强(7,8)

浅蓝、浅灰等，有珍珠或脂肪光泽。 • 在380～500℃时可失去缔合水，800℃以上时则失去结晶水。滑石在水中略 呈碱性，pH值为9.0～9.5。 • 滑石具有层状结构，相邻的两层靠微弱的范德华力结合。在外力作用时， 相邻两层之间极易产生滑移或相互脱离。因此滑石颗粒结构基本形状是片 状或鳞片状。
17
•
晶须既有硼纤维的高弹性模量(400～700GPa)和强度，又具有玻璃纤维的伸 长率(3～4%)。缺点是价格昂贵，使应用受限。
•
晶须对塑料的增强效果十分显著，通常如果晶须能被塑料熔体充分润湿并 合理取向，塑料的抗拉强度可提高10～20倍。从价格和性能两方面考虑， 晶须目前主要还是应用于航空航天、航海、军工等高技术领域。
6
填料的分类
• 填料的分类方法很多，一般可分为无机填料和有机填料
两大类。常见的无机填料包括碳酸钙、滑石粉、云母、 高岭土、二氧化硅、炭黑等，有机填料包括木粉、棉短 绒、麦秆等。也可根据化学组成将填料分为氧化物、盐、
单质和有机物四大类，或根据填料的几何形状分为球形、 无定形、片状、纤维状等。
7
填料的性质
27
主要的阻燃性填料品种
（1）有机阻燃填料
• 氯系阻燃剂 • 溴系阻燃剂
• 氮系阻燃剂
28
溴系阻燃剂
• 溴系阻燃剂是目前世界上产量最大的有机阻燃剂之一。据统计， 1998年全球溴系阻燃剂的用量已超过200 kt，约占阻燃剂总用 量的约23％，有机阻燃剂总用量的约40％。
29
阻燃剂作用机理
• 含卤阻燃剂通过阻止发生在气相中的自由基链机理实现阻燃。 可燃性气体和氧气的反应：
32
主要品种

十溴二苯醚是用途最广泛的阻燃剂。

第4章 纤维增强水泥基复合材料ppt课件

第4章 纤维增强水泥基复合材料ppt课件

/ %
强
220
度
提
180
高
140
抗拉强度 抗弯强度
100
0.1 1
2 2.5
钢纤维掺量与钢纤维混凝土强度关系p图pt精选版
钢纤维含量 / %
12
ppt精选版
13
ppt精选版
14
（3）钢纤维混凝土的原材料
钢纤维混凝土的生产原料主要有水泥、细集料（砂 子）、粗集料（碎石子）、水、减水剂、速凝剂和 钢纤维等。
加速期：反应重新加快，反应速率随时间而增大，出现第二个放热 峰。在达到峰顶时本阶段即告结束（4~8h），此时终凝时间已过， 水泥石开始硬化。
减速期：水化衰减期，反应速率随时间下降的阶段（12~24h），水 化作用逐渐受扩散速率控制。
稳定期：反应速率很低，反应过程基本趋于稳定，水化完全受扩散 速率控制。
ppt精选版
44
双枪式和单枪式喷枪
ppt精选版
45
4.3.3.2 GRC复合材料的养护
（1）室温自然养护。水泥基复合材料的固化要求有足够的水分， 在养护过程中要不断补充水分。供水方法多采用蓄水、喷水和洒水 等方法，大多数企业在制品上铺层麻袋或草袋，不断向麻袋和草袋 上浇水。自然或室温的养护温度要保持在15℃以下。
ppt精选版
减水剂是一种在 维持混凝土坍落 度不变的条件下， 能减少拌合用水 量的混凝土外加 剂。
速凝
15
① 水泥
水泥是一种人造矿物质粉状胶凝材料，加水形成 塑性浆体，在空气和水中都可固化，固化的水泥能将砂、 石、钢纤维牢固胶结在一起，是一种水硬性胶凝材料。 水泥可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。
普通硅酸盐水泥。
ppt精选版

第8章-聚合物填充体系与短纤维增强体系分析

第8章-聚合物填充体系与短纤维增强体系分析
第8章 聚合物填充体系与短纤维增强体系
内容提要：首先介绍填充剂与增强纤维的种类、性能， 填充剂的表面改性与界面特性，然后分别介绍聚合物增强体 系、填充阻燃体系和天然材料／聚合物复合体系。
聚合物的填充体系，是指在聚合物基体中添加与基体在 组成和结构上不同的固体添加物制备的复合体系。这样的添
加物称为填充剂，也称为填料。“填充”一词有增量的含义。 某些填充剂，确实是主要作为增量剂使用的。但随着材料科 学的发展，越来越多的具有改性作用或特殊功能的填充剂被 开发出来。
云母粉呈鳞片状形态，在其长度与厚度之比为100以上时， 具有较好的改善塑料力学性能的作用。在PET中添加30％的云母 粉，拉伸强度可由55MPa提高到76MPa，热变形温度也有大幅度 提高。
云母粉在橡胶制品中应用，主要用于制造耐热、耐酸碱及电
绝缘制品。
8
(5) 二氧化硅(白炭黑)
用作填充剂的二氧化硅大多为化学合成产物，其合成方 法有沉淀法和气相法。二氧化硅为白色微粉，用于橡胶可具 有类似炭黑的补强作用，故被称为“白炭黑”。白炭黑是硅 橡胶的专用补强剂，在硅橡胶中加入适量的白炭黑，其硫化 胶的拉伸强度可提高l0～30倍。白炭黑还常用作白色或浅色 橡胶的补强剂，对NBR和氯丁胶的补强作用尤佳。气相法白 炭黑的补强效果较好，沉淀法则较差。
粒度较细的滑石粉可用作橡胶的补强填充剂。超细滑石 粉的补强效果可更好一些。
7
(4) 云母
云母是多种铝硅酸盐矿物的总称，主要品种有白云母和金云 母。云母为鳞片状结构，具有玻璃般光泽。云母经加工成粉末， 可用作聚合物填充剂。云母粉易于与塑料树脂混合，加工性能良 好。
云母粉可用于填充PE、PP、PVC、PA、PET、ABS等多种塑 料，可提高塑料基体的拉伸强度、模量，还可提高耐热性，降低 成型收缩率，防止制品翘曲。云母粉还具有良好的电绝缘性能。

第4章复合材料界面

第4章复合材料界面

表面张力（surface tension）
将含有一个活动边框的金属
2 l
线框架放在肥皂液中，然后取出
悬挂，活动边在下面。
由于金属框上的肥皂膜的表 面张力作用，可滑（surface tension）
如果在活动边框上挂一重物，使重 物质量W2与边框质量W1所产生的重力F 与总的表面张力大小相等方向相反，则 金属丝不再滑动。
5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以 上几种结合方式中几个的组合。
4.2 复合材料的界面效应
• 界面是复合材料的特征，可将界面的机能归 纳为以下几种效应：
• （1）传递效应：界面可将复合材料体系中 基体承受的外力传递给增强相，起到基体和 增强相之间的桥梁作用。
• （2）阻断效应：基体和增强相之间结合力 适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中 的作用。
由此可见，在研究和设计界面时， 不应只追求界面粘结而应考虑到最优 化和最佳综合性能。
4.3复合材料组分的相容性
• 物理相容性：
1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将 外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有 明显的不连续现象。
2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部 应力不应在增强剂上形成高的局部应力。
C12 (C2H5)2O
H2O NaCl LiCl Na2SiO3(水玻璃) FeO A12O3 Ag Cu
Pt
-30 25 20 803 614 1000 1427 2080 1100 1083 1773．5
25.56 26.43 72.88 113.8 137.8 250 582 700 878.5 1300 1800
4.4 复合材料的界面理论
• 由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结 构复杂、力学环境复杂、对于界面的结合强 度、界面的厚度、界面的应力状态尚无直接 的、准确的定量分析方法；

第二章增强材料

第二章增强材料

民
用
✓微碱玻璃纤维（又称：无碱玻璃纤维，碱金属氧化物 建
的含量小于2%）：用于电器及军工产品
筑
27
2.2 纤维
按纤维使用特性分：
✓ 普通玻璃纤维（A-GF） ✓ 电工用玻璃纤维（E-GF）：碱金属氧化物含量＜1%。 ✓ 高强型玻璃纤维（S或R玻璃纤维）：碱金属氧化物含
量＜0.3%。 ✓ 高模量型玻璃纤维（M-GF）：碱金属氧化物含量接近0。 ✓ 耐化学药品玻璃纤维（C-GF） ✓ 耐碱玻璃纤维（AR-GF） ✓ 低介玻璃纤维（D-GF）：电绝缘性透波性好，雷达罩 ✓ 高硅氧玻璃纤维：SiO2含量＞95%，用作耐烧蚀材料。 ✓ 石英玻璃纤维： SiO2含量＞99%。
纤维织物——是利用天然的高分子物质或合成的高分子物质，经化学 工艺加工而取得的纺织纤维总称。
13
2.2 纤维
工业上常用的表示方法及单位：
1
2
直径
重量法
3 定长法
14
2.2 纤维 直径
用标准计量器具（如千分尺、激光测微器）实 际检测出来的单丝名义直径，一般用mm表示。 细度：μm
15
2.2 纤维
主要内容
增强材料概述
纤维类增强体
晶须类增强体 颗粒类增强体
种类、性能、制备方法及应用
增强材料的表面处理
1
本章要求
了解增强体的种类、制备方法及应用领域
基本要求 熟悉使用工况
掌握设计选择适当的增强体
2
2.1 增强材料概述 在复合材料中，凡是能提高基体材料力
学性能的物质，均称为增强材料。
3
2.1 增强材料概述 2.1.1 增强材料的外观形状
氮化硼、玻璃纤维 有机纤维：刚性分子链：芳酰胺、聚芳脂和聚苯并唑

复合材料-第四章复合材料界面

复合材料-第四章复合材料界面
残余应力 在金属基复合材料结构设计中，除了要考虑化学方面的因素外，还应注意增强纤维与基体金属的物理相容性。 要求金属基体有足够的韧性和强度，以便能够更好地通过界面将载荷传递给增强纤维； 要求在材料中出现裂纹或位错移动时基体上产生的局部应力不在增强纤维上形成高应力； 物理相容性中最重要的是要求纤维与基体的热膨胀系数匹配。
（1）物理因素
例1 粉末冶金制备的W丝/Ni，钨在镍中有很大的固溶度，在1100℃左右使用50小时后，钨丝发生溶解，造成钨丝直径仅为原来的60%，大大影响钨丝的增强作用，如不采取措施，将产生严重后果。为此，可采用钨丝涂覆阻挡层或在镍基合金中添加少量合金元素，如钛和铝，可以起到一定的防止钨丝溶入镍基合金的作用。
如何防止碳在镍中先溶解后析出的问题，就成为获得性能稳定的Cf / Ni的关键。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降。
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1.界面的形成 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： ①基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。 ②聚合物的固化阶段。聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。
1
2
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层组成。
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以下几种效应。……P61
复合材料界面设计的原则(总的原则)
界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。

第4章复合材料的界面

第4章复合材料的界面
• 物理效应，引起各组分间相互浸润、扩散、相溶性、界面吉布斯自 由能等变化； • 化学效应，导致界面上的化学反应，形成新的界面层结构； • 力学效应，引起界面上的应力分布。具有弱界面的复合材料有较低 的强度和刚度，但它的断裂抗力较高；具有强界面的复合材料有较高 的强度和刚度，但非常脆。
界面的基本概念
界面的形成与作用机理
§界面的作用机理
（七）优先吸附理论
树脂胶液中，各组分在玻璃纤维上的吸附能力各不相同，纤维表面优 先吸附基体体系中的助剂。例如胺类固化环氧树脂，优先吸附胺类，使界 面层基体内分布为一梯度，有利于消除应力，改善复合材料的力学性能。
界面的破坏机理
§影响界面黏结强度的因素
（1）纤维表面晶体大小及比表面积
碳纤维复合材料的界面黏结强度随纤维表面晶体尺寸增大而下降。 纤维的比表面积大，黏结的物理界面大，粘结强度高。但对于不同的 纤维和不同的表面处理，应该具体问题具体分析。 （2）浸润性 界面的黏结强度随浸润性增加而增大，随空隙率的上升而下降。 （3）界面反应性 界面黏结强度随界面反应性的增大而增大，界面的反应性大小与复合 材料层剪强度紧密相关。制备复合材料时要尽可能多地向界面引入反应基 团，增加界面化学键合比例，提高复合材料性能。
第4 章 聚合物基复 合材料的界面
本章主要内容
1 2 3 4 5
第一节 界面的基本概念 第二节 界面的形成与作用机理 第三节 界面的破坏机理 第四节 纤维的表面处理
第五节 复合材料界面的研究
界面的基本概念
• 界面——纤维复合材料中增强纤维和基体之间
共有的接触面。 • 聚合物基复合材料的三要素：界面、纤维和基 体。 • 影响复合材料性能的因素：①增强材料的性能， 如纤维的形状、排列等；②基体的性能；③复 合材料的结构及成型技术；④复合材料中纤维 和基体界面的结合状态，即界面层的性能。

高中数学《第四章元素与材料世界3、复合材料》25PPT课件 一等奖比赛优质课

高中数学《第四章元素与材料世界3、复合材料》25PPT课件 一等奖比赛优质课

4-3.复合材料【教学目标】1.了解常见的复合材料及其用途【引入】1.前面我们学习了金属材料、无机非金属材料、有机合成材料,请指出我们日常生活用品分别用什么材料制造的?2.那么这些材料是否已能完全满足人们生活的需要呢?3.运动员在撑杆跳项目中使用的撑杆极富弹性,这三种材料能满足要求吗?4.“神州五号”载人飞船穿过大气层时,外壳和大气层摩擦产生几千摄氏度的高温,这些材料又能否经受这种考验而使飞船安然无恙?一、认识复合材料1、传统无机非金属材料的基本特征_________、_________、___________,新型无机非金属材料则具有_______._________。

金属材料分为__________.______________两大类。

复合材料1、定义：复合材料是指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。

一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优良性能，在综合性能上超过了单一材料。

2、组成：复合材料有两部分组成，一部分为起黏结作用；另一部分称为，起骨架作用。

二、形形色色的复合材料1、复合材料的分类按基体分类：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料按增强体形状分类：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料、纤维增强复合材料2、几种复合材料的比较复合材料基体增强体主要性质玻璃钢合成树脂玻璃纤维强度高，密度小，耐化学腐蚀，绝缘性和机械加工性能好碳纤维增强复合材料合成树脂碳纤维韧性好，强度高，质轻航空复合材料金属最广泛的是碳纤维，还有硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等耐高温，强度高，导电性好，不吸湿和不易老化航天复合材料陶瓷多为碳纤维、碳化硅纤维或氧化硅纤维耐高温，韧性强例1：复合材料的使用使导弹的射程有了很大提高，其主要原因在于（）A、复合材料的使用可以使导弹能承受超高温的变化B、复合材料的使用可以使导弹的质量减轻C、复合材料的使用可以使导弹承受超强度的改变D、复合材料的使用可以使导弹承受温度剧烈变化例2、复合材料的优点是（）①强度高②质量轻③耐高温④耐腐蚀A、仅①④B、仅②③C、除③外D、①②③④例3、高温结构陶瓷优于金属材料的主要之点是（）A、耐高温、耐腐蚀，不怕氧化B、密度小，硬度大C、韧性好，易于切削、锻打、拉伸D、良好的传热导电性【巩固练习】1、在自然界中以游离态存在的金属是（）A．铁B．金C．钠D．铝2、下列金属中属于黑色金属的是（）A．铁B．金C．银D．铜3、下列金属中不属于货币金属的是（）A．铁B．金C．银D．铜4、下列说法不正确的是（）A．大量使用的不是纯金属而是它们的合金B．目前已制得的纯金属只有90多种，但制得的合金已达几千种C．钢是最纯的铁D．废弃铝质包装既浪费金属材料又造成环境污染5、关于合金性质的说法中，错误的是（）A．多数合金的硬度一般比其各成分金属的硬度高B．多数合金的熔点一般比其各成分金属的熔点低C．合金的物理性质一般与其各成分金属的的物理性质不同D．合金的化学性质一般与其各成分金属的的化学性质不同6、下列关于合金的叙述中，不正确的是（）A．合金的熔点一般比它的各成分金属的熔点低B．合金的硬度一般比它的各成分金属的大C．合金的性质一般是各成分金属性质的总和D．铝合金在工业上的用途比纯铝更广7、现代建筑的门窗框架，常用电解加工成古铜色的硬铝制造。

4.第四章-第五章 聚合物复合材料(PMC)制备工艺

4.第四章-第五章 聚合物复合材料(PMC)制备工艺

5.3.2固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺） （1）真空热压扩散结合
（2）热等静压（HIP） 热等静压制备金属基复合材料管材示意图
（3）模压成型
模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体 预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，
最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各
种型材。
2.0 1.2 600 42 21 8
1.6 1.8 1120 130 81 0.2
7.8 1.4 180 210 27 12
2.8 0.48 170 77 27 23
4. 5 1. 0 210 110 25 9.0
4.3 聚合物复合材料的制备工艺
4.3.1 预浸料 / 预混料制备
预浸料是指定向排列的连续纤维（单向、织物）
碳纤维 镁合金—— 固态、液态法 硼纤维
钛合金—— 固态法
SiC纤维 高温合金——固态法 氧化铝纤维 金属间化合物——固态法
5.1.4不连续增强相金属基复合材料的制备工艺
铝合金—固态、液态、原位生长、喷射成型法 颗粒 晶须 短纤维 镁合金—液态法 钛合金—固态、液态法、原位生长法 高温合金—原位生长法 金属间化合物—粉末冶金、原位生长法
粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料 常采用的工艺。其优点如下： 1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控； 2）可根据要求设计复合材料的性能； 3）利于增强相与金属基体的均匀混合。 4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善； 5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。
但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。
5.1.2 金属基复合材料制备工艺的分类： 1）固态法：真空热压扩散结合、热等静压、 超塑性成型 / 扩散结合、模压、粉末冶金法。 2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、 半固态铸造。 3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。

第4章 高分子材料的强度

第4章 高分子材料的强度
31
高分子材料性能学
表4-6 双轴取向和未取向塑料薄膜的比较
高聚物及状态 性能
拉伸强度，MPa 断裂伸长率，％
PS
未取向 双轴取向
34～62 1～3.6
48～82 8～18
PMMA
未取向 双轴取向
52～69 5～15
55～76 25～50
32
高分子材料性能学
6 温度与形变速率的影响
➢温度升高，材料屈服强度明显降低，对断裂强度 影响较小. ➢拉伸速率提高屈服强度上升.
分离的异物
微空洞 填料粒子 结晶区域 （相容性差）
微区 边界
层间区 （无定型区）
可能导致聚合物强度下降的微观结构细节示意图
20
高分子材料性能学
4.3 高聚物的主要力学强度
张应力 拉伸强度
拉伸模量
高聚物的 力学强度
弯曲力矩
压应力 循环应力
冲击
抗弯强度
抗压强度 疲劳强度 冲击强度
弯曲模量
21
高分子材料性能学
8
高分子材料性能学
当应力增大到临界值 c ，使
U f
U 'a

U
' b
0
且链断裂速率超过逆向（键再生）速率，主价键断裂。
据化学反应动力学理论，键断裂频率（ν）为
0 exp U ab c / RT
试样实现破裂的时间 (t f ) t f 1/ v
t f t0 exp U ab c / RT


E

Ex hp
理论强度
1/ 2
th

EG0 2hp

大多数固体材料的理论E间的关系：

纤维增强原理

纤维增强原理

纤维增强原理
纤维增强原理是指利用纤维材料来增强和改善其他材料性能的一种方法。

纤维增强原理主要是基于材料力学的原理，通过将高强度的纤维与基体材料结合，使得复合材料具有更高的强度和刚度。

纤维增强原理的核心在于纤维与基体之间的相互作用。

纤维可以分为连续纤维和离散纤维两种，连续纤维是指纤维在基体中连续分布，而离散纤维则是指纤维在基体中以分散的方式存在。

在连续纤维增强中，纤维的方向与应力方向一致，这样可以最大限度地发挥纤维的强度和刚度。

同时，纤维与基体之间的黏结力也起到了至关重要的作用，它可以传递应力并防止纤维在基体中的滑动。

离散纤维增强与连续纤维增强原理类似，但由于纤维分布的不连续性，其强度和刚度要低于连续纤维增强。

然而，离散纤维增强在某些特定情况下仍然能够有效地增加材料的强度和刚度。

纤维增强原理的应用非常广泛，特别是在航空航天、汽车制造和建筑工程等领域。

通过选择合适的纤维材料和基体材料，可以根据不同的需求设计和制造具有理想性能的复合材料。

总之，纤维增强原理通过将纤维与基体相结合，利用纤维的高强度和刚度来增强材料性能。

纤维与基体之间的相互作用和黏结力起着关键作用，同时纤维增强原理也具有广泛的应用前景。

聚合物基复合材料第4章2

聚合物基复合材料第4章2

热处理法根据处理过程连续与否，又分为 间歇法、分批法相连续法。
热处理后玻璃布的颜色能定性的反映 残留物的含量，即棕色>金黄色>白色
热处理效果可通过浸润剂的残留量与 玻璃纤维的强度来定量判断。 一般要求处理后的织物，即要有高的 保留强度，又要有低的残留量。在确 保织物强度不变的情况下，残留量越 低越好。
玻璃纤维复合材料表面上吸附的水，浸入 界面后，发生水与玻璃纤维及树脂间的化学变 化，引起界面粘接破坏，致使复合材料破坏。
2）水对玻璃纤维表面的化学腐蚀作用
当水进入复合材料达到玻璃纤维表面时，使玻璃 纤维表面的碱金属溶于其中，水溶液变成碱性，加速 了表面的腐蚀破坏，最后导致玻璃纤维的二氧化硅骨 架的解体，纤维强度下降，复合材料性能减退。这种 腐蚀破坏，尤其在玻璃纤维表面有结构缺陷处更为严 重。
4.3 界面的破坏机理
4.3.1 影响界面的粘合强度的因素 1） 纤维表面晶体大小及比表面积 碳纤维表面晶体增大，碳纤维石墨化程度 上升，模量增高，导致表面更光滑、更惰性， 它与树脂黏附性和反应性变的更差，所以界面 粘合强度下降。
纤维的比表面积大、粘合的物理界面大、 粘合强度高。
但以上两点并不绝对！
6）水促使破坏裂纹的扩展 浸入玻璃纤维复合材料界面中的水的作用， 首先是引起界面黏结破坏，继而使玻璃纤维强 度下降和使树脂降解。
水对复合材料的作用，除了对界面起破坏作 用外，还会促使破坏裂纹的扩展。 一、是水的表面腐蚀作用使纤维表面生成新的 缺陷； 二、是凝集在裂纹尖端的水，能产生很大的毛 细压力，促使纤维中原来的微裂纹扩展，从面 促使了破坏裂纹的扩展。
• 以上所述有关界面破坏机理的观点，并 不完善，当前复合材料破坏机理的问题， 颇受国内外研究者的重视。

第4章纤维复合材料及其制备方法

第4章纤维复合材料及其制备方法

图表 2008年1-8月中国玻璃纤维增强塑料制品制造企业数量及占全国比例对比表
地区
全国 江苏省 河南省 山东省 广东省 辽宁省 其他省市
企业数量
417 95 52 35 30 28 177
企业数量 占全国比 例（%） 100.00% 22.78% 12.47%
8.39% 7.19% 6.71% 42.45%
第4章 纤维复合材料及其制备方法
• SMC（Sheet Molding Compound ）
• 聚酯树脂、惰性填料、纤维类增强材料、催化剂、颜料 和稳定剂、脱模剂及增稠剂等组成的混合物。片状模塑 料的生产是一种连续的在线生产工艺。
• 为防止片料间相互粘合在一起，生产中将会在片料的上 下两面各覆盖一层塑料薄膜。这种薄膜是聚苯乙烯薄膜 或聚苯乙烯/尼龙复合膜。生产时浆料被均匀地涂覆在底 层薄膜上，然后短切玻璃纤维均匀撒落在浆料上并随机 排布；最后在上面覆以顶层薄膜形成一个预定厚度的夹 芯结构。片料在经过 48 小时熟化后可用于模压成型。
就是复合材料制品的生产过程。材料的性能必须根据制品的使用 要求进行设计，因此在造反材料、设计配比、确定纤维铺层和成 型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要 求等。 ➢ 复合材料的成型比较方便。一般热固性复合材料的树脂基体，成 型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，故用这些材料生 产复合材料制品，所需工序及设备要比其它 材料简单的多，对 于某些制品仅需一套模具便能生产。
第4章 纤维复合材料及其制备方法
第4章 纤维复合材料及其制备方法
我国FRP多年以来价格偏低（一般产品仅为国际均价 的1/4），严重影响了我行业向高端健康发展。但国内 玻纤平均出厂价格从2007 年开始呈现单边快速上涨的 趋势。
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5、无机刚性粒子对聚合物的增韧




无机刚性粒子增韧聚合物的研究起步较晚，理论 研究尚不成熟。 在应用无机粒子改性聚合物初期，主要是为了获 得增加刚度和强度的效果，填料尺寸的影响不太 显著，界面状况具有关键作用，界面粘接越强， 增强效果越好； 而对于增韧，填料粒径具有关键的作用，尤其是 超细填料的出现有力的推动了强韧化聚合物复合 材料的制备。 如纳米CaCO3、纳米SiO2、纳米粘土、纳米Al2O3 等。

对于片状填料，表征其几何形态的重要参数是 径厚比，即片状颗粒的平均直径与厚度之比。 对于纤维状填料，往往采用长径比的概念，即 纤维状颗粒的长度与平均直径之比。



2、填料的粒径
也称细度，是表征填料颗粒粗细程度的主要参 数。 一般来说填料的颗粒粒径越小，假如它能分散 均匀，则填充材料的力学性能越好； 但同时颗粒的粒径越小，要实现其均匀分散就 越困难，需要更多的助剂和更好的加工设备；
1、力学性能

在拉伸作用时基体可随之形变而取向的非极性结
合，基体可在被拉伸时沿填料颗粒周围被拉伸取
向从而有利于拉伸屈服强度提高。高纵横比、高
表面积的片状或纤维状填料都能促进这种效应。

对于增强型塑料，如纤维的取向和受力方向一致，
且纤维表面与基体树脂又有很好的粘合，则会使
填充体系的拉伸强度有显著提高。
A single-transition master curve for HDPE/CaCO3 blends (a)(dn=6.66μm); (b) (dn=7.44μm); (c) (dn=15.9μm).
5、无机刚性粒子对聚合物的增韧


无机刚性粒子的增韧理论： 随着粒子的细微化，比表面积增大，与聚合物基 体的界面也增大。当填充复合材料受到外力时， 微小的刚性粒子可引发大量银纹，同时粒子之间 的聚合物基体也产生塑性变形，吸收冲击能量， 达到增韧的效果。


4、其他性能



耐腐蚀性 在填料被包覆良好、填充颗粒之间的基材构成连 续相时，填充塑料的耐化学药品性基本上取决于 基体本身。 在填料填充量大、制品表面经常受到流动介质的 冲刷，则应慎重选择使用填料，至少填料对使用 介质的抵抗能力应和基体材料相近。
4、其他性能


降解 填料本身通常不会对聚合物大分子的降解、交联 等产生促进作用，但是有时填料中的杂质会起到 对聚合物不利的作用。
冲击强度。

如果填料表面与基体之间有适当的粘合，可减小
因填料加入带来的冲击强度降低的幅度。

近年来发展起来的刚性粒子增韧理论认为，使用
非弹性体粒子在不牺牲材料的模量情况下仍然可
达到使材料冲击强度提高的目的。
1、力学性能


弯曲强度
填充聚合物的弯曲强度对在大多数填料来说都会 随填料的加入和份数的增加而下降，其下降程度 与基体树脂是否为韧性聚合物以及填料的几何形 状有关，还与填料在基体中的分散情况及加工时 的取向有关。 纵横比大的填料（片状）或用偶联剂表面处理过 的填料可使韧性聚合物的弯曲强度提高。
1、力学性能



拉伸强度 填充聚合物中，受力截面上基体树脂的面积必然 小于纯树脂构成的材料。在外力作用下基体树脂 从填料颗粒表面被拉开，因承受外力的总面积减 小，所以填充聚合物的拉伸强度较未填充体系有 所下降。 如果通过表面处理，填料与基体树脂的界面粘合 得好，在拉伸应力作用下填料颗粒有可能与基体 树脂一起移动变形，承受外界负荷的有效截面增 加，填充体系的拉伸强度是可能高于基体的拉伸 强度的。
5、无机刚性粒子对聚合物的增韧




无机刚性粒子增韧的三个重要条件： 第一：粒子的粒径要小，纳米级粒子的增韧效果 往往优于微米级粒子。主要是因为细小粒子的比 表面积大，易于引发大量的细小的银纹。 第二：刚性粒子之间的平均距离，也就是粒子之 间的基体层厚度要适当。过厚或过薄都不利于增 韧。 第三：填充粒子应分散良好，才能充分发挥其增 韧效果。

高材料的刚性和耐热性。
5、无机刚性粒子对聚合物的增韧


有机刚性粒子增韧，简称为ROF增韧（Rigid Organic Filler） 作为有机刚性粒子使用的有PS、MBS、PMMA、 SAN等。
无机刚性填料增韧，简称为RIF增韧（Rigid Inorganic Filler） 作为无极刚性粒子使用的有CaCO3、SiO2、粘土、 Al2O3等。
燃烧与阻燃


具有阻燃功能的填料如氧化锑、硼酸锌、氢氧化 铝和氢氧化镁等常用来作为阻燃剂来制备具有阻 燃性的填充聚合物
5、无机刚性粒子对聚合物的增韧

刚性粒子增韧聚合物的理论是建立在橡胶增韧聚
合物理论上的一个重要飞跃。

用弹性体增韧可以使材料的韧性有大幅度的提高，
但是与此同时材料的强度、刚度、耐热性及加工 性能大幅度下降。 对此，人们提出用刚性粒子增韧聚合物的思想， 希望在提高材料韧性的同时保持材料的强度，提


1988年，漆宗能等人用断裂力学的J积分方法研究 了CaCO3增韧PP复合材料的断裂韧性，从而开辟 了无机刚性粒子增韧塑料的新途径。 他们认为，刚性无机粒子的加入，使PP基体的应 力集中状况发生了变化：拉伸时，基体对粒子的 作用在两极附近表现为拉应力，在赤道位置则为 压应力，同时由于力的相互作用，球粒赤道附近 的PP基体也受到来自填料的反作用力，三个轴向 应力的协同作用有利于基体的屈服，因此，填料 的引入有利于基体的屈服。
也是填充改性以获取多种利益的同时带来的材料
性能劣化的重要方面。

作为分散相的填料颗粒在基体中起到应力集中剂
的作用，一般来说这些填料的颗粒是刚性的，不
能在受力时变形，也不能终止裂纹或产生银纹吸
收冲击能，因此会使填充聚合物的脆性增加。
1、力学性能

由于纤维状填料能在与冲击应力垂直的更大面积
上分布冲击应力，故可以提高纤维增强聚合物的

另外，由于无机刚性粒子不会产生大的伸长变形， 在大的拉应力下，基体和填料会在两极首先产生 界面脱粘，形成空穴，而赤道位置的压应力为本 体的3倍，其局部区域产生提前屈服。这样，应力 集中产生屈服和界面脱粘都需要消耗更多的能量， 这就是无机刚性粒子的增韧作用。
5、无机刚性粒子对聚合物的增韧

1993年，傅强等人研究了HDPE/CaCO3的脆韧转 变行为，发现CaCO3的体积分数增至临界值时， 体系发生了脆韧转变；而且体系发生脆韧转变的 参数是临界基体层厚度（LC），而不是填料的体 积分数；同时填料尺寸是控制共混物增韧的又一 个关键参数。
4、其他性能


电性质
大量填料的加入不影响基体的绝缘性。
一般无机填料还可以提高填充聚合物的介电强度， 而有机填料和水分使填充塑料的介电强度下降。
导电性填料的加入可改性改善塑料的抗静电性， 添加导电性填料可以得到永久性抗静电塑料。 炭黑、银、镍、铜、铝等都是电的良导体，它们 制成的粉末也可用来制作导电塑料。
1 (1 Kg 2 1.41 )
2 2
3、成型加工性能


加工性能的影响因素
填料的几何形状对填充体系的粘度影响是明显的，
对于同样长径比的填料，片状填料对填充体系粘
度的影响甚至高于纤维状填料。

填料粒度越小，相互之间越易聚集在一起，事先
对填料颗粒表面进行降低表面能的处理将有利于
填料能使填充聚合物的硬度提高；
摩擦性能
使用低摩擦因数的填料可以降低塑料的摩擦因数； 填充聚合物中由于高硬度无机填料的存在将大大 提高材料的耐磨性。
4、其他性能




光学性质 填料本身的色泽对填充聚合物外观颜色起着决定 性的作用，填料的加入往往使塑料制品表面粗糙， 影响塑料本身的光泽。 如果填料的折射率是单一的，并与基体树脂的折 射率相近，而且填料表面与树脂结合良好，则此 种填料将不影响基体塑料的透明性。 利用某些无机填料具有阻隔红外线透过的作用， 可制作具有保温功能的农用棚膜，还因填料对入 射光线的多次反射提高了塑料薄膜散射光透过率。



而且颗粒越细所需要的加工费用越高，因此要 根据使用需要选择适当粒径的填料。


3、填料的表面性质
表面粗糙程度 填料颗粒表面粗糙程度不同，即同样体积的颗粒， 其表面积不仅与颗粒的几何形状有关(球形表面积 最小)，也与其表面的粗糙程度有关。 比表面积 比表面积即单位质量填料的表面积，它的大小 对填料与树脂之间的亲合性、填料表面活化处理 的难易与成本都有直接关系。通常比表面积大小 可通过氮气等温吸附方法进行测定。
精品课件！
精品课件！


课后作业： 1、简述无机刚性粒子增韧理论及其三个重要条件？ 2、简述填料对填充体系的力学性能的影响？ 3、简述填料对填充体系的热学性能的影响？ 4、简述填料对填充体系的加工性能的影响？ 5、简述填料的表面性质？ 6、简述空心玻璃微珠的特点？

1、力学性能


蠕变
塑料材料的蠕变是指在一定应力作用下材料除产 生可以完全恢复的弹性形变外还同时发生永久性 形变。 由于永久性形变的不可逆转性，给某些塑料制品 的尺了稳定性带来不利影响。 对于容易产生蠕变的热塑性塑料，填料的存在可 使填充聚合物的蠕变程度减小，即降低形变值。


2、热学性能


4.3 填料对填充体系性能的影响


1、力学性能
2、热学性能 3、成型加工性能 4、其他性能 5、无机刚性粒子对聚合物的增韧
1、力学性能




弹性模量 填料的加入总是使填充聚合物的弹性模量增大， 这首先要归结于填料的模量比聚合物的模量大很 多倍。 一般说来窄分布的大颗粒填料，填充体系的弹性 模量增大较少； 当填粒颗粒的纵横尺寸比较大时，填充体系的弹 性模量显著增大，如片状和纤维状填料。