先進復合材料-第2講課件

1、第2講高分子基復合材料研究歷史塑料的出現(xiàn)塑料在1868年的出現(xiàn)，才使得人們大范圍地制備復合材料20世紀初出現(xiàn)了苯酚塑料/顆粒的高分子復合材料顆粒的填充是為了提高強度1942年制備出玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂復合材料俗稱“玻璃鋼”之后，玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳香族聚酰胺合成纖維等具有高性能的纖維，制備出先進的高分子基復合材料，用在宇宙航空、造船、飛機、汽車、建筑、體育器材、醫(yī)療器械等各方面。高性能復合材料的研究和開發(fā)的重要方面是高性能纖維和基體材料的研究和開發(fā)。性能：（相對于傳統(tǒng)的金屬材料）高比剛度高比強度耐腐蝕耐疲勞易成形1 增強材料長纖維：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙

2、烯纖維、聚酯纖維等等短纖維晶須金屬晶須，如鐵晶須、銅晶須、鎳晶須、鉻晶須等陶瓷晶須，如碳化硅晶須、氧化鋁晶須、氮化硅晶須等長纖維用于制造大型零件，一體化成形可以編織短纖維作為增強相，提高基體的性能注塑成形晶須單晶結(jié)構(gòu)生長直徑極?。?1）在常溫下是固體?？刂圃系谋壤秃线m的反應條件，可合成不同n值的樹脂。分子量越高，環(huán)氧值越小，環(huán)氧當量越高粘度與分子量有關(guān)環(huán)氧樹脂某些性能的實際值n環(huán)氧氯丙烷:二酚基丙烷(摩爾比）相對分子量環(huán)氧當量0.01001.57:19004505253.71.22:1140087010258.81.15:129001650205012.01.11

3、:1375024004000環(huán)氧樹脂的特性工業(yè)環(huán)氧樹脂實際上是不同n值的混合物。大多數(shù)的分子是含2個環(huán)氧基端基的線性結(jié)構(gòu)。少數(shù)分子可能支化，極少數(shù)分子的端基是氯醇基。性能指標：環(huán)氧值無機氯含量總氯含量揮發(fā)分相對分子量工藝條件原料摩爾比氫氧化鈉的用量，濃度和投料方式一步法，兩步法反應溫度加料順序水含量其他環(huán)氧樹脂四溴二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂小結(jié)縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂含有活潑氫的酚類和醇類(-OH)與環(huán)氧氯丙烷縮聚而成雙酚A環(huán)氧樹脂是工業(yè)用量最大的環(huán)氧樹脂雙酚A環(huán)氧樹脂的粘度與分子量的關(guān)系環(huán)氧值的計算分類縮水甘油醚類縮水甘油酯類縮水甘油胺類線性脂肪族類脂環(huán)族類2.2.2 縮水甘油胺類環(huán)氧樹脂特點：多官能

4、度環(huán)氧當量高交聯(lián)密度大耐熱性顯著提高缺點：有一定的脆性對氨基苯酚環(huán)氧樹脂(TGPAP)由對氨基苯酚與環(huán)氧氯丙烷反應制得環(huán)氧當量95-107低粘度液體(0.550.85 Pas，25)活性非常高，放出大量的熱，甚至使樹脂碳化性質(zhì)優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性用DDS固化時Tg值可以高達250 用TGPAP樹脂制得的復合材料具有耐燒蝕性能和耐輻射的性能海茵(Hydantoin)環(huán)氧樹脂R1和R2可以是H、-CH3、-C2H5，芳基或芳烷基等等。例如：性能特點：粘度低，工藝性能好，海因環(huán)氧樹脂的粘度比二酚基丙烷型要低得多，在使用時無需添加稀釋劑就有很好的工藝性。熱穩(wěn)定性好，能耐高溫。耐候性好。耐日光、紫

5、外線，耐鹽霧、抗腐蝕。高電壓、超高電壓下性能突出。未固化的樹脂有良好的水溶性，可以處理紡織品、紙張、提高強度和抗皺性。極性很強，對玻璃纖維、碳纖維等多種填料都有很好的潤濕能力和粘結(jié)性能。小結(jié)樹脂（A）多種多樣的共性：含有一個以上的環(huán)氧基團固化劑（B）？2.2.3 環(huán)氧樹脂的固化劑兩種主要固化劑反應型常用固化劑：胺類（-NH2）酸酐（需要水作催化，產(chǎn)生-OH）用量計算關(guān)系：根據(jù)環(huán)氧值和固化劑的活潑基團的數(shù)量來計算，實際用量有所調(diào)整催化型引發(fā)樹脂自身聚合可以單獨用，也可以和反應型固化劑一起用胺類固化劑的固化原理+例：環(huán)氧值為0.51的二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂，用三乙烯四胺作固化劑，用量為：胺當量146

6、/6=24.3三乙烯四胺用量=24.30.51=12.4固化程度固化的初級階段，樹脂是半熱塑性的，隨著進一步固化，樹脂轉(zhuǎn)變成熱固性。完全固化難以實現(xiàn)。合適的固化時間和固化溫度。隨不同固化劑不同而不同?；疽?guī)律：高溫后固化總比室溫固化的交聯(lián)度要高。固化劑25時的粘度(Pas)或熔點()推薦的用量(phr)適用期典型的固化周期鄰苯二甲酸酐(PA)1313075110為3.5h到200為30min424h/150三乙烯四胺(TETA)約2.510-2101330min7d/25或室溫凝膠+2h/100BF3-乙胺(BF3-mea)8915至少6個月2h/105+4h/150或2002.2.4 環(huán)氧樹

7、脂的稀釋劑和增韌劑稀釋劑（主要對雙酚A）降低粘度一般有毒非活性和活性稀釋劑增韌劑提高固化物的韌性非活性和活性兩種一定范圍內(nèi)調(diào)控粘度、脆性；適量原則；小結(jié)性能優(yōu)異，收縮率小雙酚A是最主要的一類種類多固化劑和固化工藝可以稀釋降低粘度、增韌其他熱固性基體熱固性聚酰亞胺2.3 熱塑性基體有機玻璃尼龍乙烯基高分子聚乙烯聚乙醚酮樹脂（PEEK）聚乙醚亞胺樹脂（PEI）PEEK為了彌補熱固性樹脂的脆性而研制乙醚、酮以及芳香族組成的結(jié)晶性高分子熔點300度以上剛度和強度與環(huán)氧樹脂接近、沖擊韌性和斷裂韌性比環(huán)氧高很多C/Epoxy KIC100-150 J/cm-2C/PEEK KIC1500 J/cm-2低速

8、沖擊后的殘余壓縮強度飛機成形溫度和壓力要求比環(huán)氧樹脂高過程比較復雜成本較高PEI乙醚和亞胺組成的非結(jié)晶性高分子玻璃化遷移溫度較高耐高溫、韌性好不易燃燒多作為宇宙航空結(jié)構(gòu)及軍事設(shè)備等高性能材料熱塑性樹脂的性能特點耐沖擊，斷裂韌性高大部分用于汽車、電器產(chǎn)品多數(shù)短纖維復合基體的斷裂韌性斷裂韌性的含義和測量斷裂韌性指材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。和裂紋本身的大小、形狀及外加應力大小無關(guān)。是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。是應力強度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對物體所作的功表示。例如應力-應變曲線下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸

9、長值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。 測量方法壓痕法（IM）測試試樣表面先拋光成鏡面，在顯微硬度儀上，以10Kg負載在拋光表面用硬度計的錐形金剛石壓頭產(chǎn)生一壓痕，這樣在壓痕的四個頂點就產(chǎn)生了預制裂紋。根據(jù)壓痕載荷P和壓痕裂紋擴展長度C計算出斷裂韌性數(shù)值（KIC）。 計算公式為： E為揚氏模量，例如對于Si3N4系統(tǒng)一般取300GPa。公式中載荷P單位為kg, 裂紋長度C單位為mm, 顯微硬度HV單位為GPa。 實物照片單邊切口梁法在萬能試驗機上進行測試采用三點彎曲的模式進行測量復雜的制樣和數(shù)據(jù)處理過程加工長條試樣線切割開口疲勞試驗機上預制疲勞裂紋測量，加載測試數(shù)據(jù)處理初步處

10、理判斷結(jié)果合理性，否則要做更大尺寸的樣品測試方法比較單邊梁法優(yōu)于壓痕法。公認單邊梁法為標準測量方法。為了實際方便，要對壓痕法進行修正。以實現(xiàn)又快捷又準確。熱塑性樹脂的性能特點耐沖擊，斷裂韌性高大部分用于汽車、電器產(chǎn)品多數(shù)短纖維復合小結(jié)纖維高于塊體的性能內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征高定向，低缺陷典型的性能典型的斷裂行為區(qū)分彈性模量與抗拉強度纖維的彎曲變形正是纖維的存在，使得人們可以用很小的力將強度和剛度很大的材料成型為非常復雜的形狀，而且無纖維斷裂。這是因為，對于直徑如此小的纖維，當把它貼覆在復雜型面上時其實際上仍處于彈性彎曲。 先進復合材料制造技術(shù)p10根據(jù)典型彈性假設(shè)，當把直徑為d的纖維彎曲成曲率半徑為時的

11、軸向應變可表示為：舉例：直徑7m的纖維彎曲成2.54mm的曲率，其軸向應變僅為1.410-3，這比碳纖維的典型斷裂應變大約小一個數(shù)量級。在不損傷纖維的前提下，可以成型很小的先進復合材料零件。纖維強度的分散性 脆性纖維的強度SiC、B、C、Al2O3等脆性纖維破裂應變小，而且強度分散性大纖維強度需采用概率手段進行評價Weibull分布被普遍使用Weibull分布F()是破斷概率是纖維強度， 0和m分別為尺寸因子和形狀因子m越大分散越小小結(jié)纖維高于塊體的性能內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征高定向，低缺陷典型的性能典型的斷裂行為區(qū)分彈性模量與抗拉強度成型時的彈性形變強度的分散性Weibull分布基體熱固性不飽和聚酯樹脂的成分與結(jié)構(gòu)大分子聚酯和小分子交聯(lián)單體引發(fā)劑引發(fā)聚合反應實現(xiàn)固化環(huán)氧樹脂的成分與結(jié)構(gòu)大分子樹脂與小分子固化劑環(huán)氧值與配方計算種類繁多可以離線浸潤，低溫保存脆性與基團有一定的關(guān)系應用黏度低，易于與纖維浸潤常用于先進復