009材料导论-复合材料.ppt
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1、4.4 聚合物基复合材料,聚合物基复合材料是复合材料中研究最早、发展最快的一类复合材料,自上世纪初产生了酚醛树脂基复合材料到现在,聚合物基复合材料已形成从原材料、成型工艺、机械设备、产品种类及性能检测等较完整的工业体系。树脂基复合材料发展速度很快,性能不断提高,应用领域日益扩大,在现代复合材料中占有重要地位。,一、复合材料聚合物基体,热固性树脂基体:使用温度高、不易发生蠕变、耐腐蚀性好、强度高、减震性好;缺点是不能再生使用,成型要求固化时间长、后加工麻烦、不易修理,因而成本较高。 热塑性树脂基体:可以再生使用,加工周期短,因而可提高工效、节约能源;耐温性和尺寸稳定性不如热固性复合材料。,(1)
2、不饱和聚酯树脂(UPE):具有线型结构的、可溶的、分子量不高,而主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的有机高分子化合物。热固性树脂,为(不)饱和二元酸(或酸酐)和多元醇的缩聚产物。,特点 固化迅速,且能在常温下固化,无挥发性 副产物; 粘度低,浸渍性好; 介电性、抗电弧性优良; 耐腐蚀性好。 缺点:固化收缩较大,固化不当时,固化放热收缩产生裂纹。,顺酸,双环戊二烯,羧基,羟基,170发生裂解,特点: 固化方便、具有好的尺寸稳定性和耐久性; 粘附力强; 固化过程中收缩性较低; 具有较高的机械强度; 电性能好, 热稳定性好,具有优良的耐酸性、耐碱性和耐溶剂性。 缺点:价格高,粘度大,固化时间比聚酯长
3、,固化剂毒性大。,(2)环氧树脂:分子中含有两个或两个以上环氧基团有机高分子化合物。复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醚型环氧树脂,而其中又以由二酚基丙烷(双酚A)与环氧氯丙烷缩聚而成的二酚基丙烷型环氧树脂(双酚A型环氧树脂)为主。,(3)酚醛树脂酚醛树脂是最早的一类热固性树脂,它原料易得,合成方便,价格便宜;电绝缘性好;具有良了的机械强度和耐热性能,尤其具有突出的瞬时耐高温烧蚀性能。 (4)热塑性树脂:具有线型或支链型结构的有机高分子化合物,受热软化(或熔化),冷却变硬且此过程可以反复进行的树脂。,聚丙烯酰胺,(1)手糊成型法:用手工工具将布或纤维毡浸上树脂胶液,铺糊在敞开模具
4、上,经固化和脱模即可获得制品。设备简单、投资少、制品尺寸和形状不受限制,但生产效率低,产品质量不易控制,且劳动条件差。适宜生产小批量、大尺寸、品种变化多的制品。一般用来成型汽车壳体、船身、贮槽、卫生间、机身蒙皮、火箭外壳、隔音板等。,二、聚合物基复合材料的成型方法,(2)喷射成型:利用喷枪将短切纤维及胶液同时喷到模具上而制得复合材料制品。,固态热塑喷射成型,液态热塑喷射成型,(3)树脂传递(树脂压注)模塑法:树脂传递模塑法(Resin Transfer Moulding)简称RTM法,它是将液态树脂注入到事先铺有增强材料的闭合模中,在闭合模中浸渍增强材料而获得复合材料制品的方法。 (4)缠绕成
5、型法:将浸渍过树脂的连续纤维或布带缠绕到一定形状的芯模上,达到一定厚度后,通过固化脱膜得到制品。,液 态 树 脂,(5)模压成型工艺 1)纤维料模压:将预混(预浸)的高强度短纤维模压料装在金属模具中加热加压成型制品。 2)预成型坯模压:先将短切纤维制成与制品形状和尺寸相似的预成型坯,然后将其放入模具中倒入树脂混合物,在一定温度压力下成型。适用于制造大型、高强、异形、深度较大、壁厚均匀的制品。 3)SMC(SHEET MOULDING COMPOUNDS)模压法:将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料,然后将多层片材叠合后放 入模具中加热加压成型制品。 适于大面积制品成型,目前在 汽车
6、工业、浴缸制造等方面得 到了迅速发展。,三、聚合物基复合材料基本性能 (1)比强度高 玻璃纤维增强塑料(FRP)复合材料有较高的比强度高,FRP的密度在1.42.2g/cm3之间,约为钢的1/41/5之间,而强度与一般碳素钢相近,因而比强度高。,金属材料和聚合物基复合材料的性能,(2)耐疲劳性能好 纤维与基体界面能阻止材料受力所致裂纹的扩展。 (3)减震性好 受力结构自振频率与结构材料比模量的平方根成正比。复合材料比模量高,故具有高的自振频率。同时,复合材料界面具有吸振能力,使材料的振动阻尼很高。 (4)FRP的电性能 FRP的电性能介于纤维与树脂的电性能之间。并且随着树脂品种、玻璃纤维表面处
7、理剂类型以及环境温度和湿度的变化而不同。,(5)FRP的热性能 室温下,FRP导热系数低,可作隔热材料使用。FRP的热膨胀系数(436)10-6-1与金属材料(1129)10-6-1相近。在一定温度范围内,FRP具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。但FRP的热变形温度和耐热温度极限较低,一般FRP的热变形温度在160 200之间,耐热极限大多不超过250。 (6)FRP的老化性能 FRP在长期的使用和贮存过程中,由于各种物理和化学因素的作用而发生的物化性能的下降或变差,故老化(劣化)。 (7)有很好的加工工艺性 复合材料可采用手糊成型、模压成型、缠绕成型、注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的
8、产品。,(1)建筑行业:玻璃钢房屋、建筑装饰、卫生洁具、 冷却塔、门窗等 (2)交通运输 火车:铁路客车上的各种类型的上水箱、厕所地板、客 车车厢、车门、车窗等,铁路冷藏车上的车身、 地板、冰箱盖等,集装箱。 汽车:车身,引擎罩, 船舶行业:玻璃钢船 航空航天:飞机机身、发动机壳体、雷达罩、螺旋桨、 油箱、座椅、地板等 (3)化工行业:各种化工管道,阀门、贮槽,四、应用,(1)航空航天,(2) 交通运输,(3)船体,4.5金属基复合材料,一、概述,(1)高比强度、高比模量 加入3050%纤维作为主要承载体,复合材料比强度、比模量成 倍地高于基体合金的比强度和比模量。 (2)导热、导电性能好:金
9、属基体占60%以上 (3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好:石墨纤维具有负的热膨胀系数 (4)耐高温:金属基复合材料具有比金属基体更高的高温性能 (5)耐磨性好:陶瓷纤维、晶须、颗粒增强 (6)良好的疲劳性能和断裂韧性 (7)不吸潮、不老化、气密性好,以金属为基体,以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料,增强物:硼、碳(石墨)、碳化硅、氧化铝纤维以及钨丝、钼丝、不锈钢丝等金属丝, 晶须主要有碳化硅、氧化铝,增强颗粒主要有碳化硅和氧化铝颗粒。,存在密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间易发生化学反应等缺点,性 能,二、金属基复合材料种类:Al、Ni、Ti、Mg,1、长纤维增强金属基复合材料,1
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