復(fù)合材料及其聚合物基體概論

復(fù)合材料及其聚合物基體概論第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日教學(xué)目的及要求

教學(xué)目的：使學(xué)生掌握以下三方面的內(nèi)容

1、聚合物基復(fù)合材料中基體材料的種類、合成原理、合成工藝方法、性能特點(diǎn)及應(yīng)用；

2、各類聚合物基體常用固化劑的種類、固化機(jī)理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用；

3、分子結(jié)構(gòu)對性能的影響（重點(diǎn)領(lǐng)會(huì)）。

教學(xué)要求：學(xué)以致用。能靈活應(yīng)用所學(xué)知識指導(dǎo)將來研究與工作實(shí)踐。第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日學(xué)習(xí)內(nèi)容1、三大熱固性樹脂及其常用固化劑（重點(diǎn)）不飽和聚酯樹脂（UP）、環(huán)氧樹脂（EP）、酚醛樹脂（PH）2、其它熱固性樹脂（自學(xué)）呋喃樹脂、有機(jī)硅樹脂3、常用熱塑性樹脂（自學(xué)）聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙?。≒VC）、聚苯乙烯（PS）、ABS樹脂4、高性能樹脂基體（一般介紹）聚酰亞胺樹脂(PI)、雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日必讀與參考書目必讀教材：《復(fù)合材料聚合物基體》趙玉庭，姚希曾主編，武漢理工大學(xué)出版社，2004年6月參考書目：1、《不飽和聚酯樹脂及其應(yīng)用》沈開猷主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2001年1月；2、《環(huán)氧樹脂生產(chǎn)與應(yīng)用》王德中主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2001年6月；3、《酚醛樹脂及其應(yīng)用》黃發(fā)榮，焦楊聲主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年1月第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日第一章概論1.1復(fù)合材料的定義、組成及特點(diǎn)1.2基體材料的組分及其作用（次重點(diǎn)）1.3基體材料的基本性能(重點(diǎn)）1.4聚合物的分類1.5聚合物及其復(fù)合材料發(fā)展歷程1.6PMC主要性能特點(diǎn)(重點(diǎn)）1.7PMC的應(yīng)用第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日1.1復(fù)合材料的定義、組成及特點(diǎn)

簡而言之，復(fù)合材料是指將兩種或兩種以上不同性能的材料，用適當(dāng)?shù)姆椒◤?fù)合而成的一種新材料，其性能比單一材料性能優(yōu)越。材料界資深專家、兩院院士師昌緒在《材料大詞典》中給出比較全面完整的定義：復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同的材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料，它既能保留原組分材料的主要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的特殊性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)。從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般材料簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別。

例：玻璃鋼、砂漿、混凝土、籬笆等都是復(fù)合材料。第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日復(fù)合材料的分類1、按基體材料類型分為聚合物基復(fù)合材料（PMC）金屬基復(fù)合材料（MMC）無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，包括陶瓷基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料（CMC）等2、按增強(qiáng)材料類型分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芳綸（Kevlar）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料UHMW-PE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等3、按用途分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日復(fù)合材料的組成與特點(diǎn)

復(fù)合材料是一種多相材料。包含三種基本的物理相：基體相：連續(xù)相材料增強(qiáng)相：分散相材料界面相：增強(qiáng)相與基體相之間的交界面

特點(diǎn)：非均質(zhì)材料，各向異性；可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日PMC（材料與制品）組成關(guān)系基體材料增強(qiáng)材料輔助材料制品產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工工藝第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日材料結(jié)構(gòu)工藝測試制品復(fù)合材料制品與各要素關(guān)系圖

與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料既是一種材料，也是一種結(jié)構(gòu)，而且材料、結(jié)構(gòu)、功能具有一致性。這種材料和結(jié)構(gòu)特性，只能通過具體的制品才能得以體現(xiàn)，因此無論是從事復(fù)合材料理論研究，還是工程技術(shù)研究的目標(biāo)都是研制出更能發(fā)揮材料特性與效率的制品及制備方法。第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日問題1

基體材料在復(fù)合材料中所起的作用是什么？第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日基體材料在復(fù)合材料中的作用

1、粘結(jié)作用基體材料作為連續(xù)相，把單根纖維粘成一個(gè)整體，使纖維共同承載。

2、均衡載荷、傳遞載荷在復(fù)合材料受力時(shí)，力通過基體傳給纖維。

3、保護(hù)纖維在復(fù)合材料的生產(chǎn)與應(yīng)用中，基體可以防止纖維受到磨損、遭受浸蝕。第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日基體材料系統(tǒng)的選配原則

基體材料從使用性能、工藝性能以及經(jīng)濟(jì)性三方面統(tǒng)籌考慮，擇優(yōu)選用。（1）使用性能（性能）（2）工藝性能（工藝）（3）經(jīng)濟(jì)性（成本）

重要性次序：使用性能＞工藝性能＞經(jīng)濟(jì)性第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日1.2基體材料的基本組分及其作用1、聚合物是基體的主要組分，對復(fù)合材料的工藝性能和成型方法起決定作用。如：UP、EP、PP、PVC等。2、助劑

改進(jìn)工藝性能、或降低成本。如：固化劑（引發(fā)劑/促進(jìn)劑）、稀釋劑、增韌劑（增塑劑）、觸變劑、填料和顏料等。第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日1）固化劑（引發(fā)劑/促進(jìn)劑）：固化成形，使聚合物由線型結(jié)構(gòu)變成體型結(jié)構(gòu)。2）稀釋劑：降低樹脂粘度。有活性與非活性之分。3）增韌劑：降低脆性，提高韌性。有活性與非活性之分。4）觸變劑：提高樹脂在靜態(tài)下的粘度。用于立面成型。5）填料：改善性能，降低成本。6）顏料：著色。第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日1.3基體材料的基本性能1.3.1力學(xué)性能

1、強(qiáng)度與模量決定聚合物強(qiáng)度的主要因素是分子內(nèi)和分子間力。聚合物材料的破壞，是由主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或是聚合物分子鏈間相互作用力的破壞造成?；w的粘結(jié)力和模量是支配基體傳遞應(yīng)力的兩個(gè)最重要的因素。這兩個(gè)因素聯(lián)合作用，可影響到復(fù)合材料拉伸時(shí)的破壞形式。第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日

2、樹脂的內(nèi)聚強(qiáng)度與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系

隨固化反應(yīng)交聯(lián)密度提高，內(nèi)聚強(qiáng)度不斷增大直至相對穩(wěn)定；若繼續(xù)使交聯(lián)密度增加到很大，樹脂的形變能力降低，呈現(xiàn)脆性。內(nèi)聚強(qiáng)度：在拉伸試驗(yàn)中假如材料沒有顯示出塑性變形，而引起材料斷裂的理論應(yīng)力。

第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日

3、樹脂的斷裂伸長率與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

1）大分子鏈的柔順性：由C－C鍵組成的脂肪鏈?zhǔn)侨嵝枣湹拇?，具有柔性鏈結(jié)構(gòu)的樹脂，伸長率較大；具有剛性鏈結(jié)構(gòu)（苯環(huán)、萘環(huán)、聯(lián)苯環(huán)等）的樹脂，具有相當(dāng)大的剛性，伸長率較小。

2）大分子鏈間的交聯(lián)密度：交聯(lián)密度越大，樹脂的伸長率越小，呈現(xiàn)脆性。第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日

4、樹脂的體積收縮率與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系熱固性樹脂在固化時(shí)伴隨著體積收縮現(xiàn)象。影響樹脂體積收縮的因素是固化前樹脂系統(tǒng)密度、固化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的緊密程度、固化過程有無小分子釋放等。

低收縮添加劑（LPA）：熱塑性聚合物第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日幾種樹脂的固化收縮率如下：環(huán)氧樹脂：1～2％不飽和聚酯樹脂：4～6％酚醛樹脂：8～10％問題2：環(huán)氧樹脂固化收縮率小的原因？第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日1.3.2耐熱性能

將聚合物加熱，一般會(huì)發(fā)生物理及化學(xué)變化。

物理變化指樹脂的變形、軟化、流動(dòng)、熔融。

化學(xué)變化指分子鏈斷裂、交聯(lián)、氧化、產(chǎn)生氣體、質(zhì)量變化（熱失重）等。

物理耐熱性：以樹脂在一定條件下仍然保留其作為基體材料的強(qiáng)度或強(qiáng)度保留率來表示。

化學(xué)耐熱性：以樹脂在發(fā)生熱老化時(shí)的溫度范圍來表示。如：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、熱變形溫度等。第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日提高樹脂耐熱性的途徑

1）增加高分子鏈的剛性如在主鏈中盡量減少單鍵，引進(jìn)共軛雙鍵、三鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)（包括苯環(huán)和雜環(huán)）。

2）進(jìn)行結(jié)晶在主鏈上引入醚鍵、酰胺鍵或在側(cè)基上引入羥基、氨基或氰基，都能提高結(jié)晶高聚物的熔融溫度。

3）進(jìn)行交聯(lián)隨交聯(lián)密度的增加。樹脂耐熱性不斷提高。第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日1.3.3耐腐蝕性

基體對水、酸和堿的抵抗能力一般比玻纖好，而對有機(jī)溶劑的抵抗能力要比玻纖差。樹脂和介質(zhì)之間作用引起的腐蝕，主要有物理作用與化學(xué)作用。物理作用：指樹脂吸附介質(zhì)引起溶脹或溶解導(dǎo)致樹脂結(jié)構(gòu)破壞，性能下降?；瘜W(xué)作用：指樹脂分子在介質(zhì)作用下引起化學(xué)鍵的破壞?；蛏尚碌幕瘜W(xué)鍵而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，性能下降。

第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日

影響樹脂耐溶劑介質(zhì)能力的最根本的內(nèi)因是組成體系的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定，相互間極性大小、電負(fù)性與相互間溶劑化能力都影響耐化學(xué)腐蝕性能。（相似相溶原理：溶解度參數(shù)相近）

結(jié)論：一般樹脂的極性越弱，交聯(lián)密度越大，耐介質(zhì)腐蝕性越好。第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日1.3.4電性能

樹脂分子由共價(jià)鍵組成，是一種優(yōu)良的絕緣材料。

影響樹脂電絕緣性能的因素有兩個(gè)：一是大分子鏈的極性；二是已固化樹脂中雜質(zhì)的存在。

1）樹脂大分子鏈中極性基團(tuán)越多，極性越大，則電絕緣性越差；

2）已固化樹脂中的雜質(zhì)越少，則電性能越好。第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日電性能參數(shù)

體積電阻率（ρv

）、表面電阻率（ρs

）、介電常數(shù)（ε

）、介質(zhì)損耗角正切（tgδ

）擊穿強(qiáng)度第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日課前回顧

1、復(fù)合材料的定義與分類？2、基體材料在復(fù)合材料中所起的作用是什么？3、基體材料中的助劑有哪些？它們的作用分別是什么？4、提高樹脂基體耐熱性的途徑有哪些？5、影響樹脂電絕緣性能的因素是什么？第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日1.4聚合物的分類1）按大分子形態(tài)可分為：線性、支鏈、部分交聯(lián)、交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

。。。。。。。。。。。。線性支鏈部分交聯(lián)交聯(lián)網(wǎng)狀第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日2）按用途分類：纖維、橡膠、塑料（樹脂）、涂料、粘結(jié)劑

3）按聚集態(tài)分類：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)

溫度變形第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

4）按物理特性熱固性：分子鏈之間通過化學(xué)鍵連結(jié)、形成的不溶、不熔的三向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加熱不能改變其形狀。熱塑性：分子鏈呈線形或支化、部分交聯(lián)形態(tài)存在，可以通過加熱改變其形狀。問題3

熱固性與熱塑性的本質(zhì)區(qū)別是什么？第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日1.5聚合物的發(fā)展概述1907年酚醛樹脂成為第一種合成樹脂1927年聚氯乙烯（PVC）1931年聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）1938年尼龍66纖維1939年三聚氰胺-甲醛樹脂1941年不飽和聚酯樹脂1942年環(huán)氧樹脂第三十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日聚合物及其復(fù)合材料的進(jìn)展

神舟飛船主承力結(jié)構(gòu)、低密度模塑料等FRP件榮獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，標(biāo)志著我國復(fù)合材料科學(xué)技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平；歷經(jīng)20年，我國玻璃鋼/復(fù)合材料年產(chǎn)量已超過日本、歐洲，躍居世界第二大國，顯示了當(dāng)今我國FRP行業(yè)的活力。

1986-2006，我國玻璃鋼（熱固性）增長51倍。總量在上世紀(jì)90年代末期超過德國，本世紀(jì)初超過日本，熱固性玻璃鋼已超過歐洲總和。我國玻璃鋼的總產(chǎn)量現(xiàn)僅次于美國（美國2005年熱