第四章 复合材料结构与性能.ppt
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1、复合材料结构与性能,化学化工学院,Chemistry & Chemical Engineering,朱爱萍,主要内容,概述 聚合物基复合材料 聚合物与纳米科学(自学) 复合体系的界面结合特性,一、概述,复合是自然界的基本规律 生命体是多层次意义上的复合体系: 生命体基本单位-细胞,是细胞膜、细胞基质、细胞核的复合体,各自担任营养、信息表达和力学支撑的作用。 即使细胞膜也是有磷脂双分子层,蛋白质组成的复合功能体系。,一、概述,复合是科学的基本思想 材料的复合化是材料发展的基本趋势 复合材料可经设计,即通过对原材料的选择、各组份分布的设计和工艺条件的保证等,使原组份材料优点互补,因而呈现出色的综合
2、性能。,一、概述,从材料学角度来说,骨是由无机矿物与生物大分子规则排列所组成的复合材料。骨的有机成分主要是型胶原纤维,约占总重量的24%,是由三股螺旋结构的多肽链相互缠绕而形成,无机成分主要是磷酸钙盐,约占总重量的65%;其余为水。骨中的矿物质呈片状,尺寸约为5nm20nm40nm,位于原胶原分子的间隙孔之内,晶体的C轴平行与胶原纤维,这样就构成骨的基本结构。,一、概述,一、概述,水凝胶类人工皮又称冻胶,是亲水性聚合物或水溶胀性聚合物,其粘附性能较好。例如, 氧化乙烯-氧化丙烯的共聚物凝胶可先制成溶液;将溶液涂在创面上于体温下固化为人工皮。这种凝胶含水量达80%,能帮助维持体液平衡,加入消炎药
3、和维生素等药物后还能促进创面愈合。,一、概述,人造皮肤,一、概述,1、复合材料ISO定义为是:两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 复合材料应满足下面三个条件 (1)组元含量大于 5 %; (2)复合材料的性能显著不同于各组元的 性能; (3)通过各种方法混合而成。,一、概述,2、复合材料的特点: 1)由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观 复合在一起的新型材料,组分之间存在着明显的界面。 2)各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点,赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。 3)复合材料具有可设计性。,一、概述,3、复合材料的基本结构模式 复合材
4、料由基体和增强剂两个组分构成: 基体:构成复合材料的连续相; 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。 增强剂(相)一般较基体硬,强度、模量较基体大,或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂(相)与基体之间存在着明显界面。,一、概述,4、复合材料的分类 (1)按性能分类 : 普通复合材料:普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料,如玻璃钢、钢筋混凝土等。 先进复合材料:高性能增强剂(碳、硼、氧化铝、 SiC纤维及晶须等)增强高温聚合物、金属、陶瓷 和碳(石墨)等复合材料 先进复合材料的比强度
5、和比刚度应分别达到 400MPa / (g / cm3) 和40GPa / (g / cm3) 以上。,一、概述,(2)按基体材料分类: 聚合物复合材料(+) 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳碳复合材料 水泥基复合材料,一、概述,(3)按用途分类 结构复合材料 功能复合材 结构 / 功能一体化复合材料,一、概述,(4)按增强剂分类 颗粒增强复合材 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料,二、聚合物基复合材料,1、聚合物基复合材料的分类 2、聚合物基复合材料的性能 3、聚合物基复合材料的制备工艺 4、复合材料成型固化工艺 (1) 工艺
6、性 (2) 复合材料的固化工艺过程,二、聚合物基复合材料,5 、PMC的界面 (1)PMC的界面特点 (2)PMC的界面表征 (3)PMC的界面作用机理 (4)PMC的界面设计 6、 纤维增强聚合物复合材料的力学性能 (1)静态力学性能 (2) 疲劳性能 (3) 冲击和韧性,二、聚合物基复合材料,高分子复合材料 高分子复合材料是高分子和其他材料的交叉科学,材料科学的目的就是制备性能完美,功能更多,价格更便宜的材料。,二、聚合物基复合材料,聚合物基 复合材料,聚合物基 宏观复合材料,聚合物基 纳米复合材料,通常所说的聚合物 基复合材料,二、聚合物基复合材料,5.2.1 概述 聚合物-玻璃纤维复合
7、材料:20世纪50年代 碳纤维复合材料:20世纪60年代 聚合物-有机纤维复合材料:20世纪70年代 航空航天领域广泛应用,二、聚合物基复合材料,类型及特点 纤维增强制品 液晶分子复合制品 纳米复合制品,二、聚合物基复合材料,5.2.2 增强剂 主要品种: 玻璃纤维;碳纤维;硼纤维 ;芳纶纤维; 金属纤维 ; 液晶高分子(LCP) ;超高分子量聚乙烯纤维; 纳米插层剂 ;天然纤维 等,二、聚合物基复合材料,高性能复合材料的玻璃纤维主要有: 高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等. 高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面,近年来民用产品也有广泛应用,如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预
8、警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维,是比较理想的耐热防火材料,用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件,大量应用于火箭、导弹的防热材料。,二、聚合物基复合材料,碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能,首先在航空航天领域得到广泛应用,近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测,土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。19972000年间,宇航用碳纤维的年增长率估计为31%,而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130%。
9、我国的碳纤维总体水平还比较低,相当于国外七十年代中、末期水平,与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。,二、聚合物基复合材料,芳纶纤维 20世纪80年代以来,荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场,年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高,因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件(如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等)、舰船(如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等)、汽车(如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高
10、压气瓶等)以及耐热运输带、体育运动器材等。,二、聚合物基复合材料,超高分子量聚乙烯纤维 超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一,尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性,许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩,大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域,在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。,二、聚合物基复合材料,5.2.3 聚合物基体 聚酰胺酰亚胺;聚醚醚酮;聚芳砜;聚苯硫醚;聚烯烃;酚醛树脂;环氧树脂;不饱和聚酯; 硅树脂;聚
11、酰亚胺树脂;聚乳酸;乙烯基酯树脂; PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料,二、聚合物基复合材料,环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度,广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。 酚醛树脂具有耐热性、耐磨擦性、机械强度高、电绝缘性优异、低发烟性和耐酸性优异等特点,因而在复合材料产业的各个领域得到广泛的应用。,二、聚合物基复合材料,乙烯基酯树脂是20世纪60年代发展起来的一类新型热固性树脂,其特点是耐腐蚀性好,耐溶剂性好,机械强度高,延伸率大,与金属、塑料、混凝土等
12、材料的粘结性能好,耐疲劳性能好,电性能佳,耐热老化,固化收缩率低,可常温固化也可加热固化。,二、聚合物基复合材料,5.2.4 制造及成型方法 层压及卷管成型 缠绕成型(缠绕管) 夹层结构制造 罐生产线、拉挤工艺生产线、连续制板机组、树脂传递模塑(RTM)成型、喷射成型技术、树脂注射成型技术及渔竿生产线等,二、聚合物基复合材料,5.2.5 界面 界面的形成与界面结构 界面的作用 界面作用机理,二、聚合物基复合材料,聚合物复合材料的表界面性能及改性,界面对宏观性能的影响以及表面与界面的表征。 基本概念:表面张力、表面自由能、润湿现象、吸附现象 高分子材料的表界面:表面张力与温度的关系、表面张力与分
13、子结构的关系、状态方程、高分子材料表面张力的测试方法,二、聚合物基复合材料,聚合物合金的界面 聚合物-聚合物体系的相容性、相图; 改善聚合物体系的相容性的方法。 复合材料界面理论 浸润性理论、化学键理论、过度层理论、摩擦理论、扩散理论、静电理论、酸碱作用理论等。,二、聚合物基复合材料,复合材料界面力学性能的表征 偶联剂 :有机硅烷偶联剂、有机铬偶联剂、钛酸脂类偶联剂 玻璃纤维、碳纤维及有机纤维复合材料的界面 玻璃纤维、碳纤维及有机纤维的结构和组成; 玻璃纤维、碳纤维及有机纤维的表面处理,二、聚合物基复合材料,金属基及陶瓷基复合材料的表界面 金属及陶瓷材料的表界面性能; 表面改性;金属基及陶瓷基
14、复合材料界面性能。,二、聚合物基复合材料,6、 性能及应用举例 复合效果 弹性模量 强度 耐热性能 其他性能,二、聚合物基复合材料,硅烷提高复合材料机械性能、电气性能、透光性能,特别是能大幅度提高复合材料的湿态性能。,二、聚合物基复合材料,ZH-570 主要用于不饱和聚脂复合材料中,可以提高复合材料机械性能、电气性能、透光性能,特别是能大幅度提高符合材料的湿态性能。 (1)用(含该偶联剂的)浸润处理玻纤,可提高玻纤增强复合材料湿态的机械强度和电气性能。 (2)电线电缆行业,用该偶联剂处理陶土填充过氧化物交联的 EPDM 体系,可以改善消耗因子及比电感容抗。 (3)与醋酸乙烯和丙烯酸或甲基丙烯酸
15、单体共聚,得到的聚合物广泛用于涂料、胶粘剂和密封剂中,提供优异的粘合力和耐久性,二、聚合物基复合材料,二、聚合物基复合材料,高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多,基体以PP、PA为主。产品有管件(弯头、三通、法兰)、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、GMT模压制品(如吉普车座椅支架)、汽车踏板、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。,二、聚合物基复合材料,采用磨盘型力学化学反应器制备PA6、PP混合微粉并与SBS共混制备复合材料,用SEM、TEM研究不同温度下材料的相结构变化。结果表明,随PA
16、、PP填充量增加,低温下,塑料相从均匀分散到聚集态形成。在高温下、塑料颗粒相熔融合并使其分散相结构发生变化直至形成链状连续相。,二、聚合物基复合材料,滑石粉填充的PP具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。滑石粉增强PP在车内装饰方面有着重要的应用,如用作通风系统零部件,仪表盘和自动刹车控制杠等,例如美国HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窝状结构的吸音天花板和轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。,二、聚合物基复合材料,界面改性剂:PP-g-MAH PP-g-MAH/PP/滑石粉复合材料 复合材料性能的缺口冲击强度、弯曲强度和拉伸强度均有增强作用; 机理:相界面的改善.,二、聚合物基复合材
17、料,云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、低价格等特点,利用云母/聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、车门护栏、电机风扇、百叶窗等部件,利用该材料的阻尼性可制作音响零件,利用其屏蔽性可制作蓄电池箱等。,二、聚合物基复合材料,界面相容剂:PP-g-MMA/MAH/BA 复合体系PP/云母 可提高体系的拉伸强度、弯曲强度、维卡软化点及表面极性,并降低制品的成型收缩率;同时,体系的加工性能也得到改善.,二、聚合物基复合材料,以纳米改性塑料,可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变,从而使之具有新的性能,在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时,大
18、大提高了材料的综合性能。,二、聚合物基复合材料,碳纳米管-聚合物复合材料网站 http:/ http:/ 1: A field-emission SEM image of the fracture surface at the broken end of a polycarbonate composite loaded at 1 wt% with ZPM-processed SWNTs. The SWNTs appear here as white fibers retained in the matrix.,二、聚合物基复合材料,Figure 2: Electrical conductivi
19、ty of polystyrene/SWNT composites.,二、聚合物基复合材料,7、我国复合材料的发展潜力和热点 复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用,具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。,二、聚合物基复合材料,有些聚合物复合材料质地非常坚硬,质量却很轻,它的强度/重量比大约是一般金属的10倍。据澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的研究员乔纳森霍奇金博士介绍,虽然这种材料具有优越的性能,但到目前为止大多数生产厂家还没有能力制造。,二、聚合物基复合材料,这种材料可以制成隐形战
20、斗机和豪华赛车。但是,在材料的制造过程中却存在很多技术问题。该复合材料价格昂贵、耗工时,每个部件都需要在高温高压锅中加工达16个小时。这给材料生产带来很大的困难。,二、聚合物基复合材料,针对这种情况, 澳大利亚新开发的新型“快步”(Quickstep)工艺改变了这种高档复合材料加工难的局面。 快步工艺是一种快速制造方法,该工艺无需使用高压炉就能制造出质量很高的复合材料产品(可达到航天工业标准)。快步工艺已于今年4月23-28日在德国的汉诺威会议上发表。,二、聚合物基复合材料,该技术利用流体(如水)的热传导生产出航天工业标准的环氧基树脂复合材料,而生产时间却由过去的24小时减到现在的约1小时,如
21、果制造AAA级别汽车及船舶复合材料则生产时间更短。另外,与传统生产方法相比,该工艺所需的设备造价要低得多。,二、聚合物基复合材料,快步工艺通过流体震动,采用一种独特的、充液的、压力平衡的流动塑造技术,来生产高级的增强型玻璃纤维复合材料部件。,二、聚合物基复合材料,快步工艺实现了具有优良性能的大型部件的快速制造。工艺的工作压力为l4磅/平方英寸,而高压炉的工作压力则为60一200磅平方英寸。与传统工艺相比,不仅工艺工作压力低,而且劳动成本也低。流体系统环境意味着;注塑和部件制造是由流体支持的,而不需高压条件。,二、聚合物基复合材料,该技术已经对多种聚合物纤维系统进行了测试,这其中包括环氧基树脂/
22、碳纤维和乙烯基酯/玻璃纤维。经该工艺制造而成的复合材料纤维含量都很高,通常可超过70%,而且材料孔隙含量极少,已经达到航天工业的质量水平。,二、聚合物基复合材料,到2007年,亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%,目前亚洲人均消费量仅为0.29kg,而美国为6.8kg,亚洲地区具有极大的增长潜力。,二、聚合物基复合材料,(2)聚丙烯腈基纤维发展 我国碳纤维工业发展缓慢,从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PAN基CF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看,发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。,二、聚合物基复合材料,性能:聚丙烯晴基炭纤维的拉伸强度,拉伸模量,内部的炭
23、颗粒排列;孔洞、皮芯结构等缺陷。 结构:CF的微晶尺寸(Lc),层面间距(d002) 制备工艺:张力炭化温度,二、聚合物基复合材料,(3)玻璃纤维结构调整 我国玻璃纤维70%以上用于增强基材,在国际市场上具有成本优势,但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距,必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡,推进玻纤与玻钢两行业密切合作,促进玻璃纤维增强材料的新发展。,二、聚合物基复合材料,玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料。英文原名为:glass fiber 。玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺。,二、聚合物基复合材料,玻璃纤维增强复合材料可作
24、为保温、保冷及其它工程的外护材料。玻璃纤维增强复合材料广泛应用于石油、化工、电力、轻工、纺织、冶金、机械建材等工矿企业及民用供热、制冷系统。在保温工程中使用AFC外护材料后,可使表面温度降低3-4,使用玻璃纤维增强复合材料外护材料 每100m2,每年可少热损失折合标准煤4-5吨,用以取代铝、镀锌铁皮,可以节约大量金属材料。,二、聚合物基复合材料,(4) 开发能源、交通用复合材料市场 一是: 清洁、可再生能源用复合材料 二是: 汽车、城市轨道交通用复合材料 三是: 民航客机用复合材料 四是: 船艇用复合材料,二、聚合物基复合材料,1、分析采用新型热塑性玻纤增强复合材料为什么可以使汽车更安全; 2
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