聚合物复合材料的性能研究与应用

· 13 ·玻璃钢

2008年第1期

聚合物复合材料性能

周祝林 叶进峰 许皓 郑忠星 羊慧芳

（浙江电力成套控股集团公司）

聚合物复合材料性能的最突出特点是性能可设计性和各向异性。可以选择不同聚合物和

增强材料，以及不同的配方、成型工艺等达到不同的性能。可以采用增强纤维及织物，按不

同的铺设方法达到各向不同的性能，从而达到产品设计目的。

聚合物复合材料的性能，在常温常态下也称常规性能，可分为基本力学性能和理化性能。

基本力学性能主要指拉伸、弯曲、压缩、剪切、冲击性能。理化性能主要指密度、巴氏硬度、

固化度、树脂含量、负荷热变形温度、热导率、电阻率、线热膨胀系数、耐水性等。另还有

特殊性能，如蠕变、疲劳、高低温、热、电、声、耐化学腐蚀、燃烧性、大气老化等性能。

1 基本力学性能

聚合物复合材料是轻质高强的现代材料，其力学性能，特别是增强纤维方向的拉伸强度

比较高，大于一般金属材料。聚合物复合材料力学性能主要取决于增强材料性能、状态（纤

维、织物）、方向，也取决于聚合物性能及成型工艺。

1.1 拉伸性能

拉伸性能包括拉伸强度、弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。对于如高压容器、高压管、

叶片等产品，必须要测出聚合物复合材料的拉伸性能，才能进行产品设计及检验。

对于不同的聚合物复合材料，拉伸性能试验方法是不同。对于普通的，用国标GB/T1447

进行测试；对于缠绕成型的，用国标GB/T1458进行测试；对于定向纤维增强的，用国标

GB/T33541进行测试；对于拉挤成型的，用国标GB/T13096-1进行测试。使用最多的是

GB/T1447。

国标GB/T1447，对于不同成型工艺复合材料，又规定不同形状的拉伸试样，有带R型、

直条型及哑铃型。使用拉伸试验机或万能试验机按规定的加载速度对试样施加拉伸载荷直到

试样破坏。用破坏载荷除以试样横截面面积则为拉伸强度。从测出的应力——应变曲线的直

线段的斜率则为弹性模量，试样横向应变与纵向应变比为泊松比。破坏时的应变称为断裂伸

离子聚合物金属复合材料电学性能研究　

口丁海涛１，２　口于敏　口郭东杰　口何青松１，２　口戴振东　

１．南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所　南京　２１００１６　

２．南京航空航天大学机电学院　南京　２１００１６　

摘要：建立了电流测试平台，并对不同ＩＰＭＣ进行电流测试分析，为ＩＰＭＣ材料的改性提供依据。选用ＴＢＣＯ．５Ａ０２　

电流传感器设计电路，采用ＮＩ　ＰＣＩ一６０２４Ｅ数据采集卡，通过Ｌａｂ　ＶＩＥＷ程序编写采集程序，并对采集到的电流传感器的　输出信号进行处理。将固定电压施加在一系列固定的电阻上，从而建立电流传感器输出值和输入值的关系，实现实时测量　

流经ＩＰＭＣ的电流。通过比较商业膜基体ＩＰＭＣ、自制膜基体ＩＰＭＣ以及ＴＥＯＳ改性膜基体ＩＰＭＣ在不同正弦电压信号下的　

电流值，证明该测试系统是可行的。　关键词：离子聚合物金属复合材料　电流传感器数据采集卡片Ｌａｂ　Ｖｉｅｗ　

中图分类号：ＴＢ３３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—４９９８（２０１０）０６—００５５—０３　

离子聚合物金属复合材料（Ｉｏｎｉｃ　Ｐｏｌｙｍｅｒ—ｍｅｔａｌ　

Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＩＰＭＣ）是一种新型电致形变高分子材料，它　是以聚合物薄膜（如Ｎａｔｉｏｎ）为基体，通过化学镀的方　

法将贵金属（如Ｐｔ）颗粒渗透并沉积在膜的表面而形成　

的一种复合材料，ＩＰＭＣ在电场的作用下呈现弯曲响　

应，其特性参数与肌肉相似，具有广阔的应用前景　】。　

国外在这方面的研究比较全面，美国新墨西哥州立大　

学的Ｓｈａｈｉｎｐｏｏｒ教授　３、　ｊ　对ＩＰＭＣ材料的制备工艺、　

性能、理论模型以及应用进行过全方面的研究，韩国科　

学技术研究所的微型系统研究中心研制出了一种基于　

ＩＰＭＣ的八脚致动器　】。而国内实质性研究刚刚开始，　

华中科技大学樊建平等＂　对ＩＰＭＣ人工肌肉的材料特　

性和应用进行了综述，哈尔滨商业大学代丽君　介绍　

了ＩＰＭＣ的制备方法及相关分析研究，武汉理工大学王　

2.1复合材料的概述

所谓复合材料，是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料，目的是通过复合来提高单一材料所不能发挥的各种特性。它包括基体相和增强相，基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料团结成一体，并起传递应力的作用；增强相一般为分散相，主要起承受应力和显示功能的作用，这两相最终以符合的固相材料出现。

2.2复合材料的制备

聚合物基粘土纳米复合材料的制备方法分为三种，即原位插层聚合法，溶液共混法及熔融共混法

2.2.1原位插层聚合法制备粘土/聚合物纳米复合材料

单体原位插层聚合，即在位分散聚合。首先将粘土分散于液体单体或单体溶液中，然后通过热、辐射等引发聚合，或在粘土片层之间插入有机、无机引发剂，催化剂等引发单体在粘土片层内外聚合，最终得到插层/解离纳米复合材料。Tudor【1】首次采用原位聚合法制备了聚丙烯纳米复合材料，发现可溶性金属茂化合物可以置入层状硅酸盐，并在层内外对丙烯的聚合反应有同等程度的催化作用，甲基烷氧基铝处理的锂蒙脱石由于可以除去粘土表面的质子酸所以更合适过度金属催化剂进入。Messersmith等【2】首次报道了原位插层法制备粘土/环氧树脂纳米复合材料的方法。采用经过了一种烷基铵阳离子改性的蒙脱土改性双酚A型二环氧甘油醚环氧树脂，研究了固化剂种类、固化反应条件等对所形成纳米复合材料结构的影响。单体原位插层聚合法制备纳米复合材料中的纳米粒子完好无损，同时在位填充过程中只经过一次聚合，不需热加工，避免了由此产生的大分子降解，从而保证基体各种性能的稳定。

2.2.2溶液共混法制备粘土/聚合物纳米复合材料

把树脂基体溶解于适当的溶剂中，然后加入层状结构粘土纳米粒子，在溶液状态下把聚合物嵌入到无机物层间域中，除去溶液，得到纳米复合材料的方法称聚合物溶液共混插层法。Hackett【3】等采用溶液共混法制备MMT/PEO纳米复合材料的方法。他们选用极性不同的各种溶剂，如水、甲醇、乙腈、甲醇-水（1:1）、甲醇-乙腈（1:1）等进行系列研究，发现溶剂极性对聚合物插层有着至关重要的作用。采用聚合物溶液插层法制备纳米复合材料时，粘土片层内释放出大量溶剂分子获得的熵增大可以补偿大分子链进入受限粘土片层时减少的熵值，促进粘土的插层与解离。溶剂小分子插入粘土片层过程时减少的熵值，促进粘土的插层与解离。溶剂小分子插入粘土片层过程为熵减过程，而聚合物大分子置换层间溶剂分子过程则为熵增过程，所以溶剂化作用太弱不利于溶剂分子插入有机粘土片层间，溶剂化作用太清也不易得到预期结构的纳米复合材料，因而应综合考虑所选溶剂对聚合物的溶解能力和对粘土片层间吸附的有机阳离子的溶剂化作用。而对单体溶液插层原位引发聚合反应来说，溶剂不但要对单体和硅酸盐产生溶剂化作用，还要使溶剂分子自身能够有效进入粘土的层间，并且能够溶解聚合反应所形成的大分子。所以，在溶液共混插层工艺中，溶剂的选择非常重要。

聚合物材料的研究与应用

随着现代科技的不断发展和人们对环境保护的不断提升，聚合物材料已经成为目前最广泛应用的一种材料之一。其在塑料制品、涂料、粘合剂、粉末涂料等领域都有着广泛的应用。本文将从聚合物材料的性质和种类、研究进展、应用领域等方面进行阐述，以期为相关领域的人员提供一些参考。

一、聚合物材料的性质和种类

聚合物材料是由单体分子通过化学键而形成的线性或支链的大分子化合物。聚合物具有许多与普通有机分子不同的特点，如高分子量、高强度、高弹性、高柔韧性和耐化学腐蚀等。同时，聚合物材料还具有柔韧性好、耐低温、耐磨、遮光性好、耐老化等特点，使其在工业和民生中应用十分广泛。

按照其组成方式和性质，聚合物材料可分为两种类型：天然聚合物和合成聚合物。

天然聚合物又称生物高分子，由生物现有的单体有机分子通过链式聚合、缩合等反应机理，形成的大分子为主。如石墨烯、天然橡胶、淀粉、黏质等，这些物质来源广泛，其中部分物质被广泛应用，如淀粉包覆材料和生物基降解聚合物。

而合成聚合物是因为石油工业和化学工业的发展，配合化学合成的方法生产的大分子化合物，包括热塑性聚合物、热固性聚合物和弹性体三类。

热塑性聚合物：具有较高的分子亲和力，能形成互相有利的链间相互关系，表现出良好的热塑性。这类高分子材料，如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，具有原料构成单一、加工安全、高分子发展自由程度高等优点。

热固性聚合物：一般表现内部极结实，常常是由不同官能团体交联或缩合而形成的显微结构具有三维网状结构。这种高分子材料，如酚醛树脂、环氧树脂等，具有性能优良、高耐热性等优点。 弹性体：这类高分子材料的基本大分子构成为弹性体单体。这些大分子通过交联或缩合扫资结成三维网状结构，表现得出色的弹性、柔韧性和复原性。如天然橡胶、聚氯丁二烯等，表现出极好的弹性。

二、聚合物材料研究进展

随着科研人员对聚合物材料的研究不断深入，对其物理性质、化学性质和结构特点等也有了更新深的认识。具体来说，以下是目前聚合物材料研究的几个前沿方向：