第12章聚合物基復(fù)合材料

第四篇復(fù)合材料各論第十二章聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料是復(fù)合材料中研究最早、發(fā)展最快的一類復(fù)合材料，聚合物基復(fù)合材料已經(jīng)形成了一個龐大的體系,具備完善的成型技術(shù)和生產(chǎn)工藝,復(fù)合材料的性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大在現(xiàn)代復(fù)合材料領(lǐng)域中占有重要的地位，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了越來越重要的作用。第一節(jié)聚合物基復(fù)合材料的分類與結(jié)構(gòu)形式聚合物基復(fù)合材料以聚合物為基體的復(fù)合材料。聚合物基復(fù)合材料體系的分類，具有多種不同的劃分標(biāo)準(zhǔn):按增強(qiáng)纖維的種類:玻璃纖維增強(qiáng)、碳纖維增強(qiáng)、芳綸纖維增強(qiáng)、硼纖維增強(qiáng)、及其他纖維增強(qiáng)。按基體材料的性能：通用型、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕型、耐高溫型、阻燃型等。按成型固化方式：室溫常壓固化成型及高溫加壓固化成型。按聚合物基體的結(jié)構(gòu)形式來分類：熱固性樹脂基和熱塑性樹脂基。這種方法最能反映聚合物基復(fù)合材料本質(zhì)。1熱固性樹脂基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料的熱固性樹脂基體主要包括：不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、其他熱固性樹脂。1.1不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂是指具有線型結(jié)構(gòu)的、可溶的、分子質(zhì)量不高，主鏈上同時具有重復(fù)酯鍵及不飽和雙鍵的有機(jī)高分子化合物。根據(jù)不飽和聚酯樹脂的組成和結(jié)構(gòu)，可分為以下幾類:(1)順丁烯二酸酐型(順酐型)順酐型不飽和聚酯樹脂是由不飽和的順丁烯二酸酐或反丁烯二酸酐與飽和二元酸及多元醇經(jīng)縮聚而成。(2)丙烯酸型由甲基丙烯酸作為不飽和酸與飽和二元酸及多元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)而成。(3)丙烯酯型是由鄰苯二甲酸二烯丙基酯(DAP)或間苯二甲酸二烯酯(DAIP)在過氧化物引發(fā)劑存在下，通過加聚反應(yīng)合成的。其結(jié)構(gòu)式為：(4)二酚基丙烷型是由二酚基丙烷與環(huán)氧丙烷的加成物(又稱D-33單體)代替部分二元醇,再通過與二元酸的縮聚反應(yīng)而合成，其分子鏈中具有二酚基丙烷的鏈節(jié)。(5)乙烯基酯型由不飽和酸(丙烯酸、甲基丙烯酸、丁烯酸等)與低分子量聚合物(常用雙酚A型環(huán)氧樹脂)分子鏈中的活性基進(jìn)行反應(yīng)，引進(jìn)不飽和雙鍵。乙烯基酯型不飽和聚酯樹脂的分子結(jié)構(gòu)為：1.2環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團(tuán)的一類有機(jī)高分子化合物。根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于復(fù)合樹料的品種大體可分為五大類：(1)縮水甘油醚類(2)縮水甘油酯類(3)縮水甘油胺類(4)線型脂肪族類(5)脂環(huán)族類1.3酚醛樹脂酚醛樹脂是由酚與醛按一定的比例在酸性或堿催化劑作用下相互縮合而制成的。復(fù)合材料中常用的熱固性酚醛樹脂按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為:(1)氨、鋇催化酚醛樹脂，其結(jié)構(gòu)可表示如下:(2)改性酚醛樹脂改善酚醛樹脂的工藝性和克服已固化酚醛樹脂的脆性、耐堿性差等缺點(diǎn)。酚醛樹脂的改性包括：聚乙烯醇縮醛改性酚醛樹脂、有機(jī)硅改性酚醛樹脂、二甲苯改性酚醛樹脂等。它們的結(jié)構(gòu)式分別為:①聚乙烯醇縮醛改性酚醛②有機(jī)硅改性酚醛③二甲苯改性酚醛④環(huán)氧改性酚醛

這類樹脂主要是由酚醛樹脂中的羥甲基、酚羥基分別與環(huán)氧樹脂中環(huán)氧基起反應(yīng)，最后交聯(lián)成復(fù)雜的體型結(jié)構(gòu)。(3)硼酚醛樹脂

在酚醛樹脂結(jié)構(gòu)中，引入硼元素，以使樹脂基體具有優(yōu)良的耐熱性和耐燒蝕性。其結(jié)構(gòu)為：1.4其他熱固性樹脂(1)呋喃樹脂樹脂分子結(jié)構(gòu)中含有呋喃環(huán)(氧雜茂)的一類有機(jī)高分子化合物。(2)有機(jī)硅樹脂分子主鏈由硅氧鍵—(Si—O—Si)—構(gòu)成，側(cè)鏈通過硅原子與有機(jī)基團(tuán)相連的一類聚合物。(3)丁苯樹脂由丁二烯和苯乙烯(克分子比為7.7：1)在離子型催化劑存在下經(jīng)共聚反應(yīng)制得，通過大分子鏈上以及乙烯基側(cè)鏈上的不飽和雙鍵與一定量的乙烯基單體進(jìn)行共聚反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)。(4)二苯醚樹脂二苯醚樹脂系由二苯醚經(jīng)氯甲基化、水解反應(yīng)或直接由二苯醚與甲醛反應(yīng)制得的熱固性樹脂。2熱塑性樹脂基復(fù)合材料熱塑性樹脂基體是指具有線型或支鏈型結(jié)構(gòu)的一類有機(jī)高分子化合物。特性:受熱軟化(或熔化)，冷卻變硬。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料聚合物基體的熱塑性樹脂主要種類:聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯以及聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、ABS樹脂。表1給出了上述熱塑性樹脂的分子結(jié)構(gòu)及主要性能。樹脂種類符號分子結(jié)構(gòu)（分子式或分子組成）主要性能拉伸強(qiáng)度（MPa）拉伸模量（GPa）彎曲強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）熱變形溫度（℃）（1.86MPa）聚乙烯PE230.825～2960聚丙烯PP35～401.442～56>20063聚苯乙烯PS592.377288聚氯乙烯PVC35～6370～1121～2560～80表1常用熱塑性樹脂基體樹脂種類符號分子結(jié)構(gòu)（分子式或分子組成）主要性能拉伸強(qiáng)度（MPa）拉伸模量（GPa）彎曲強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）熱變形溫度（℃）（1.86MPa）聚酰胺PA702.81006066～86聚甲醛POM702.89860110聚碳酸酯PC632.210060～100132～138聚對苯二甲酯乙二醇酯PETP741255068續(xù)表1常用熱塑性樹脂基體第二節(jié)聚合物基復(fù)合材料的制造技術(shù)1聚合物基復(fù)合材料的工藝特點(diǎn)聚合物基復(fù)合材料成型工藝與其他材料加工工藝相比有其特點(diǎn)。材料的形成與制品的成型是同時完成的。復(fù)合材料生產(chǎn)過程也是制品的生產(chǎn)過程。在成型中，增強(qiáng)材料的性狀變化不大，基體的性狀卻有較大改變。在各種熱固性復(fù)合材料的成型方法中都有固化工序，為使固化后的制品具有良好的性能，制訂工藝規(guī)范，合理確定固化溫度、壓力、保溫時間等工藝參數(shù)。成型過程中纖維的預(yù)處理(物理或化學(xué)的處理)，纖維的排列方式，驅(qū)除氣泡的程度,是否擠膠,是否擠放，溫度、壓力、時間控制精確度等都直接影響制品性能。根據(jù)制品結(jié)構(gòu)和使用受力情況來選擇成型工藝。成型單向受力桿件和梁應(yīng)采用拉擠法，拉擠成型可保證制品在順著纖維方向上具有最大的強(qiáng)度和剛度。簿殼構(gòu)件可采用連續(xù)纖維纏繞工藝，以實(shí)現(xiàn)各個方向具有不同的強(qiáng)度和剛度的要求。對于載荷情況不很清楚或承受隨機(jī)分布載荷的制品，選用短切纖維模壓、噴射等成型方法可以獲得近似各向同性的制品。復(fù)合材料形成和制品成型同完成的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大型制品一次整體成型，從而簡化了制品結(jié)構(gòu)，并且減少組成零件和聯(lián)接零件的數(shù)量，這對減輕制品質(zhì)量，降低工藝消耗和提高結(jié)構(gòu)使用性能十分有利。復(fù)合材料成型方便，金屬材料無法相比。成型的復(fù)合材料制品的工藝特點(diǎn):比較簡單，具體操作要求嚴(yán)格，材料組分、配比、纖維排布不按設(shè)計(jì)要求，會形成皺紋、氣泡、或其他缺陷。2聚合物基復(fù)合材料的成型方法從原材料到形成制品的過程,可以統(tǒng)一用圖1的生產(chǎn)流程來表示。聚合物基復(fù)合材料中最重要的成型方法復(fù)合材料制品的生產(chǎn)流程圖2.1手糊法手糊法是用手工工具將布或纖維氈浸上樹脂膠液,鋪糊在敞開模具上，經(jīng)固化和脫模即可獲得制品。特點(diǎn):所用工具和工藝設(shè)備簡單，不受制品尺寸限制，質(zhì)量不穩(wěn)定，易受作業(yè)人員水平、經(jīng)驗(yàn)和勞動態(tài)度的影響，且勞動條件差。適宜于小批量、大尺寸、品種變化多的制品生產(chǎn)。用來成型船體、小型游泳池。2.2噴射法噴射法是利用高壓空氣將樹脂系統(tǒng)(包括固化劑、引發(fā)劑和促進(jìn)劑等)和短切纖維從噴槍上不同噴嘴同時噴出并沉積在模具面上，用手輥壓實(shí)浸漬纖維層，然后室溫固化成型得到制品。特點(diǎn):噴射成型可以成型較為復(fù)雜形狀的制品，它需要專用的噴射機(jī)，施工中材料浪費(fèi)較大。用噴射工藝能夠成型小船、屋頂、強(qiáng)度不高的罐體和管道、管于襯里、凈化槽和浴槽等制品。2.3壓制法壓制成型分為:預(yù)成型對模壓制、片狀模塑料壓制、預(yù)混料壓制和冷壓制等。預(yù)成型對模壓制通常分兩步進(jìn)行：第一步是預(yù)先成型出制品的毛坯；第二步再將毛坯置于成型對模上，然后倒入樹脂膠液，加溫、加壓固化成型后，脫模即可得到制品。片狀模塑料壓制在對模中成型制品的方法。具體操作是先將片狀材料根據(jù)制品尺寸進(jìn)行剪裁、稱重，撕去表面保護(hù)薄膜，然后疊放在模具內(nèi)，經(jīng)過熱壓固化成為制品。冷壓成型法是制品成型依賴樹脂系統(tǒng)固化放熱提供熱量成型方法。2.4樹脂傳遞(樹脂壓注)模壓法先在閉合模腔中鋪放經(jīng)縫制好的增強(qiáng)材料(布或是纖維氈)，再將樹脂液用泵壓注到模腔內(nèi)，依靠樹脂的液壓浸漬纖維材料，固化后脫模便得到制品。這種方法效率較高且能保證制品內(nèi)外光滑。應(yīng)用：成型大型板、汽車部件、中等容器、雷達(dá)天線罩等制品。2.5纏繞成型法將連續(xù)纖維或布帶浸漬樹脂后，再纏繞到一定形狀的芯模上，達(dá)到一定厚度后，通過固化脫模得到制品。它適宜要承受一定內(nèi)壓的中空型容器。可以用于固體火箭發(fā)動機(jī)殼體、壓力容器和管道、藥品貯罐等制品。2.6離心成型法將短切纖維氈鋪在中空芯模的內(nèi)壁上，使芯?？焖傩D(zhuǎn)，同時向纖維層均勻噴灑樹脂液，由于離心力迫使纖維緊貼在芯模內(nèi)壁，同時迫使樹脂浸潤纖維，向芯模內(nèi)送入熱風(fēng)加速制品固化。此法適于成型強(qiáng)度要求不高的大型中空容器和大直徑管。2.7袋壓法有真空袋壓和壓力袋壓兩種方法。真空袋壓：使柔軟材料和模具之間形成一個密閉空間，對密封空間抽真空。壓力袋壓：進(jìn)行加溫加壓。2.8連續(xù)成型法包括波紋板、平板連續(xù)成型和連續(xù)拉擠型材等方法。連續(xù)板生產(chǎn)是用樹脂浸漬連續(xù)織物或氈片，上下兩面用玻璃紙或薄膜蓋上，復(fù)合物經(jīng)模板或壓輥壓到一定厚度，并被牽引至加熱爐中加熱固化，然后切割成定尺寸的板材。連續(xù)型材生產(chǎn)是將連續(xù)粗紗浸膠后，牽引到模內(nèi)預(yù)成型，經(jīng)過加熱固化，連續(xù)拉擠成具有各種斷面形狀的材料，再根據(jù)長度切割。生產(chǎn)的型材可以加工成釣魚稈、絕緣棒、高爾夫球桿、等制品。連續(xù)成型生產(chǎn)效率高，可以大批量地生產(chǎn)復(fù)合材料制品,復(fù)合材料制造方法分類如下表。分類制造方法纖維長度(mm)纖維含量（%）強(qiáng)度操作條件滲透成型法手糊法5025～30一般不好噴射法25～5025～30一般不好預(yù)成型坯模壓法5030～40一般可以袋壓法50～60較高良好冷壓法5030一般可以樹脂注射法5030一般可以纏繞法連續(xù)50～70高不太好連續(xù)成型法連續(xù)50～60高可以流動成型法SMC模壓法25以下25～30一般良好BMC模壓法13以下10～20低良好復(fù)合材料制造方法分類第三節(jié)聚合物基復(fù)合材料的基本性能

纖維增強(qiáng)塑料(FRP)是由物化性能截然不同的無機(jī)纖維增強(qiáng)材料和有機(jī)高分子化合物通過一定工藝方法復(fù)合而成的多相固體材料。FRP具有許多優(yōu)異的性能。以玻璃纖維增強(qiáng)聚酯——聚酯玻璃鋼為例,在設(shè)計(jì)制造方面有許多優(yōu)點(diǎn)，如：投資小、上馬快、設(shè)計(jì)自由度大、成型工藝簡便、制品尺寸不限及著色自由等，有優(yōu)異的基本性能，如①熱固性；②比強(qiáng)度和比剛度高；③電性能和熱性能良好；④耐化學(xué)腐蝕性良好，⑤耐水性優(yōu)異，⑥耐候性和耐紫外光性良好；⑦阻燃性；⑧透明／半透明。FRP性能的影響因素如下:①增強(qiáng)材料的強(qiáng)度及彈性模量以及基體材料的強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性等是決定FRP性能的最主要因素。②不同成型工藝,制品性能亦有較大差異。③增強(qiáng)纖維與基體樹脂的界面粘接狀況在一定條件下也可能為影響FRP性能的因素。表4列出了不同成型土藝、不同原材料的FRP的基本性能數(shù)據(jù)。表5給出了不同纖維構(gòu)成的FRP的機(jī)械性能。表6顯示了玻璃纖維制品類型及成型方法對于FRP機(jī)械性能的影響。表5玻璃纖維的構(gòu)成與FRP的機(jī)械性能續(xù)表5玻璃纖維的構(gòu)成與FRP的機(jī)械性能表6增強(qiáng)材料及成型方法和強(qiáng)度的關(guān)系成型方法性能手糊成型真空袋成型加壓袋成型熱壓釜成型模壓成型增強(qiáng)材料玻璃氈(600g／m2)無捻粗紗布(900g／m2）玻璃布(340g／m2)玻璃氈(600g／m2)玻璃布(340g／m2)玻璃氈(600g／m2)玻璃氈(600g／m2)玻璃氈(600g／m2)成型壓力（MPa）0～0.070.8410.5～28.017.5～70.035.0～120.0纖維含量（%）2351463850414850密度（g/cm）1.521.641.631.501.671.531.611.63成型方法性能手糊成型真空袋成型加壓袋成型熱壓釜成型模壓成型拉伸強(qiáng)度（MPa）81231168130169136150156拉伸模量（GPa）6.414.413.66.727.78.58.69.0彎曲強(qiáng)度（MPa）143190217190247204218227彎曲模量（MPa）5.712.713.88.713.89.09.710.0壓縮強(qiáng)度（MPa）118119132157148159162168壓縮模量（GPa）6.517.117.28.110.88.58.79.0續(xù)表6增強(qiáng)材料及成型方法和強(qiáng)度的關(guān)系1FRP的機(jī)械性能1.1FRP機(jī)械性能的特點(diǎn)(1)比強(qiáng)度高FRP的密度在1.4g/cm3～2.2g/cm3之間，約為鋼的1/4～1/5。強(qiáng)度與一般碳素鋼相近。所以FRP的比強(qiáng)度很高。(2)各向異性FRP的機(jī)械性能呈現(xiàn)明顯的方向依賴性，是一種各向異性材料。(3)彈性模量和層間剪切強(qiáng)度低玻璃纖維增強(qiáng)塑料的彈性模量較低，作為結(jié)構(gòu)件使用時，常感到剛度不足。例如，含玻璃纖維30％的單向FRP板，其彈性模量為5×104MPa，為鋼的1／4、鋁的7／10。雙向FRP板，主應(yīng)力方向彈性模量為鋼的1／14，鋁的1／5。金屬的的剪切彈性模量為其拉壓彈性模量的40％．而雙向FRP的僅為拉壓彈性模量的20％，單向FRP的則不到10％。FRP的層間剪切強(qiáng)度亦很低，一般不到其拉伸強(qiáng)度的10％。(4)性能分散性大FRP的性能受一系列因素的影響，其性能是不穩(wěn)定的。例如3號鋼屈服強(qiáng)度極限的離散系數(shù)為3.0％，而手糊平衡型雙向FRP的強(qiáng)度離散系數(shù)有時可達(dá)15％。1.2FRP的靜態(tài)特性FRP的基本靜態(tài)特性包括拉伸、壓縮和彎曲強(qiáng)度及彈性模量。(1)拉伸特性單向增強(qiáng)FRP而言，沿纖維方向的拉伸強(qiáng)度及彈性模量均隨纖維體積含量的增大而正比例增加。表7給出了E-42環(huán)氧FRP拉伸性能的方向性。表7E-42環(huán)氧FRP拉伸性能注:原材料:無堿100平紋布9層,E-42環(huán)氧樹脂。試驗(yàn)溫度：15℃～22℃，144根試件。(2)壓縮特性FRP的壓縮特性的理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果與拉伸特征的情形類似。在應(yīng)力很小、纖維末壓彎，壓縮彈性模量與拉伸彈性模量接近。例如:玻璃布增強(qiáng)FRP的壓縮彈性模量大體是單向FRP的壓縮彈性橫量的0.50～0.55倍；纖維氈增強(qiáng)FRP時壓縮彈性模量則大致為的0.4倍。盡管單向FRP的壓縮強(qiáng)度也有隨著纖維含量增加而提高的趨勢，但并非成比例增長，表8顯示了E-42環(huán)氧FRP壓縮性能的方向性。性能方向0°22.5°45°67.5°90°壓縮強(qiáng)度（MPa）256159134.1167218.7壓縮模量（GPa）19.513.610.812.917.5試件數(shù)（根）44654表8E-42環(huán)氧FRP不同方向壓縮性能注:原材料:無堿100平紋布184層,E-42環(huán)氧樹脂。樹脂含量:42.3%(3)彎曲特性實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)RP的彎曲強(qiáng)度及彈性模量都隨纖維含量的上升而增加。纖維制品類型不同，方向不同，則彎曲性能亦不同。(4)剪切特性FRF的剪切強(qiáng)度與纖維的拉伸強(qiáng)度無多大關(guān)系，與纖維-樹脂界面粘接強(qiáng)度樹脂本身強(qiáng)度有關(guān)，與纖維含量有關(guān)，常取值在100MPa～130MPa之間。隨纖維含量增大，F(xiàn)RP的剪切彈性模量上升，F(xiàn)RP的剪切特性亦呈現(xiàn)方向性。見表9表9E-42環(huán)氧FRP垂直板面剪切持性性能方向0°15°30°45°60°75°90°剪切強(qiáng)度（MPa）8583.295.099.298.190.789.51.3FRP的疲勞特性影響FRP疲勞特性的因素是多方面的,靜態(tài)強(qiáng)度高的FRP，其疲勞強(qiáng)度亦高。靜態(tài)強(qiáng)度隨纖維體積含量增加而提高，但疲勞強(qiáng)度則不一定。隨加振方向與纖維方向的夾角由0℃升到45℃，疲勞強(qiáng)度急速下降。當(dāng)FRP上存在孔洞或溝槽等缺陷時,將產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此疲勞強(qiáng)度下降。環(huán)境溫度上升，導(dǎo)致FRP疲勞強(qiáng)度下降。各種FRP的疲勞強(qiáng)度見表10表10FRP的疲勞強(qiáng)度續(xù)表10FRP的疲勞強(qiáng)度注：M-玻璃氈；SC-斜紋布；PC-平紋布，R-無捻粗紗布，R-無捻粗紗；TC-粗棉布，F(xiàn)C-細(xì)棉布，P-紙。測試值為經(jīng)受107次干面彎曲的疲勞程度。1.4FRP的蠕變特性在常溫下FRP也存在蠕變現(xiàn)象。如果定義10000h使FRP產(chǎn)生0.1％的蠕變變形的應(yīng)力為蠕變極限。則FRP的蠕變極限約為靜態(tài)強(qiáng)度的40％。1.5FRP的沖擊特性FRP的沖擊特性主要決定于成型方法和增強(qiáng)材料的形態(tài)。不同成型法的制品的沖擊強(qiáng)度范圍如下：注射成型制品＜20kJ／m2；BMC制品10kJ／m2～30kJ／m2；SMC制品50kJ／m2～100kJ／m2；玻璃氈增強(qiáng)FRP100～200kJ／m2；玻璃布增強(qiáng)FRP200kJ／m2～kJ／m2，纖維纏繞制品約500kJ／m2。隨纖維含量上升，F(xiàn)RP沖擊強(qiáng)度提高；而疲勞次數(shù)增加，沖擊強(qiáng)度降低。2FRP的物理性能2.1FRP的電性能FRP的電性能一般包括：介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值、體積和表面電阻系數(shù)、擊穿強(qiáng)度等。FRP的電性能的影響因素：樹脂品種、玻璃纖維表面處理劑類型、環(huán)境溫度、濕度的變化、頻率等。表11列舉了FRP的電性能。表12是采用E-GF增強(qiáng)的一些FRP在1MHz頻率時的電性能FRP的電性能介于纖維的電性能與樹脂的電性能之間,對于纖維與樹脂的界面粘接狀態(tài)不敏感；水分對其影響很大。對于玻璃纖維增強(qiáng)塑料，選用無堿布并進(jìn)行偶聯(lián)劑表面處理，則可提高其電絕緣性能。樹脂的電性能與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。分子極性越大，電絕緣性越差。項(xiàng)目試驗(yàn)方法性能數(shù)據(jù)體積電阻（）JIS-69111012～1015表面電阻（）JIS-69111012～1015介電常數(shù)（F/m）JIS-69113～5介電損耗JIS-69110.05以下巖層擊穿電壓(kV/mm)JIS-691113～40耐強(qiáng)性(s)JIS-691160～180耐摟電徑跡性(kV)浸泡痕跡法2.0～2.5表11聚酯型FRP的電性能表12幾種FRP的電性能FRP品種介電常數(shù)(F/m)介質(zhì)損耗角正切丁苯基FRP3.5～4.0(3.5～5.0)×10-2DAP基FRP4.0～4.8(0.9～1.5)×10-2聚二丁烯FRP3.5～4.0(4.5～5.5)×10-2307聚酯FRP4.0～4.8(0.9～1.5)×10-26101環(huán)氧FRP4.7～5.2(1.7～2.5)×10-26酚醛FRP5.0～5.4(1.42～1.66)×10-2環(huán)氧酚醛FRP5.4(2.17～2.32)×10-22.2FRP的溫度特性(1)FRP的熱性能FRP的熱性能包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、線膨脹系數(shù)和熱變形溫度等。在室溫下，F(xiàn)RP的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.17W/(m·K)～0.33W／(m·K)范圍內(nèi)，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)在35W/(m·K)～232W／(m·K)范圍之間。FRP具有良好的隔熱性能，可作隔熱材料使用。FRP的熱膨脹系數(shù)一般在(4～36)×10-6℃范圍內(nèi)，金屬材料的一般在(11～29)×10-6℃之間，二者相近，在一定溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)RP具有較好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。FRP的熱變形溫度和耐熱溫度極限較低。(2)FRP的耐熱性①溫度對于聚合物基體的影響FRP對的溫度依賴性較大。在溫度作用下，聚合物基體的物理狀態(tài)和化學(xué)性質(zhì)均發(fā)生變化。在不同溫度下，線型非晶相高聚物一般呈現(xiàn)三種聚集態(tài)—玻璃態(tài)、橡膠態(tài)和粘流態(tài)。在FRP中，熱固性樹脂基體已交聯(lián)成體型網(wǎng)狀大分子。使得樹脂不可能發(fā)生大分子的粘性流動，故只有玻璃態(tài)和橡膠態(tài)。聚合物物理狀態(tài)的改變將導(dǎo)致FRP的機(jī)械性能發(fā)生巨大變化。溫度上升促使樹脂分子化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生熱老化作用，如變色、降解和氧化等。影響熱固性樹脂耐熱性的主要因素有：大分子鏈剛性、固化劑性質(zhì)和體型樹脂的固化交聯(lián)密度等。大分子鏈剛性提高，交聯(lián)密度增大，則樹脂玻璃化溫度升高，熱變形溫度升高，但柔韌性減小，廷伸率降低，脆性增加。②溫度對FRP拉伸性能的影響溫度對FRP拉伸強(qiáng)度和彈性模量的影響具有如下特征：a．一般在低溫范圍內(nèi)，拉伸性能好，隨溫度上升，強(qiáng)度降低。b．在低溫范圍內(nèi)，無捻粗紗布FRP于濕態(tài)下拉伸強(qiáng)度大,而平紋布FRP無此傾向。c．在中溫范圍內(nèi)，平紋布FRP在50℃左右拉伸強(qiáng)度量高，而緞紋布和無捻粗紗布FRP無此傾向，都是隨溫度上升拉伸性能下降。d．隨著纖維含量的增加，F(xiàn)RP的耐熱性提高。③溫度對FRP彎曲性能的影響，F(xiàn)RP的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量均隨溫度升高而降低。特別是溫度超過70℃～100℃后，急劇降低。表13和表14分別給出了聚酯FRP和環(huán)氧FRP在不同溫度下的機(jī)械性能。表13197聚酯FRP在不同溫度下的機(jī)械性能性能溫度室溫60°100°150°200°拉伸強(qiáng)度（MPa）306.0272.0343.0220.0221.0壓縮強(qiáng)度（MPa）179.087.057.226.0彎曲強(qiáng)度（MPa）264.0140.068.023.9剪切強(qiáng)度（MPa）24.614.89.97.5表14E-51（固化劑：三乙醇胺）環(huán)氧FRP在不同溫度下的機(jī)械性能(3)FRP的阻燃性及耐火性當(dāng)FRP接觸火焰或熱源時，溫度升高，進(jìn)而發(fā)生熱分解、著火、持續(xù)燃燒等現(xiàn)象。FRP的阻燃性即指采用阻燃、自熄或燃燒無煙的樹脂制造的FRP，其阻燃性主要決定于樹脂基體。在樹脂中引入鹵素或者添加銻、磷等的化合物以及難燃的無機(jī)填料等。阻燃型樹脂可分為反應(yīng)型和添加型。表15列出了聚酯樹脂中可引入的元素，表16列出了如引入上述元素可采用的原料。應(yīng)用：溴的用量只要相當(dāng)于氯用量的一半，便具有同等阻燃效果。三氯化二銻單獨(dú)使用無阻燃作用，與鹵素并用時，效果卻很顯著。磷化合物單獨(dú)用作阻燃劑時，用量很大，給成本和物性帶來麻煩。若與鹵素并用，則具有顯著的加和效果。在阻燃性無機(jī)填料中，氫氧化鋁和水合氧化鋁效果最佳，若與鹵素共用，則效果愈加顯著。與其他塑料相比，F(xiàn)RP燃燒發(fā)煙小，這是受不燃燒的纖維的影響。Keiting指出，玻璃纖維合量升高，長度增大，均可抑制發(fā)煙量。表15獲得自熄性必須引入的元素元素含量（%）組合磷5磷／氧:1／15～20氯25磷／溴:1／3溴12～15三氧化二銻／氯：1／8～9三氧化二銻／溴：2／8～9表16阻燃材料2.3FRP的隔音性能材料的隔音性能通常是用聲音的透過損失R表示。當(dāng)射入材料的聲強(qiáng)為

，從材料背面?zhèn)鞒龅穆晱?qiáng)為

時，則R定義為：氣密材料透過損失中最重要的是散射時的透過損失，可由下面理論式給出式中—聲波的頻率(Hz)；m—材料的面密度(kg／m2，)—空氣密度(kg／m2)，c—空氣中的音速(m／s)

—散射的聲強(qiáng)(w／m2)。2.4FRP的光學(xué)性能(1)影響透光性的主要因素①玻璃纖維和樹脂的透光性；②玻璃纖維和樹脂的折射率；③其他(如FRP厚度、表面形狀和光滑程度、玻璃纖維的形態(tài)、玻璃纖維含量、固化劑的種類和用量、著色劑、填料的種類和用量)。(2)透光率和透明度在FRP制品中，采光用FRP波形板和平板的透光性最好，其全光透過率為85％～90％接近普通平板玻璃的透光率。其散射光占全透過光很大比例，沒有普通平板玻璃那樣透明。這主要是由于樹脂和玻璃纖維折射率不同引起的。(3)原材料折射率的匹配

玻璃纖維、單體和樹脂的折射率列于表17表17原材料的折射率原材料品種折射率備注玻璃纖維E玻璃C玻璃1.5481.532單體聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯1.5921.485～1.50澆注不飽和聚酯樹脂乙烯基酯樹脂丙烯酸樹脂聚醋酸乙烯甲基丙烯酸1.55～1.571.50～1.571.53～1.54固化樹脂玻璃纖維與樹脂的折射率相互匹配，普通聚酯樹脂與無堿玻璃纖維組合，丙烯酸樹脂則與C玻璃纖維組合。聚酯樹脂的折射率既與其組成(醇、酸)及反應(yīng)程度有關(guān)，也與交聯(lián)單體種類和用量有一定關(guān)系，所以它的折射率可以廣泛調(diào)節(jié)。提高FRP的透光性，既要再次調(diào)整樹脂的拆射率、玻璃纖維與樹脂的折射率之差與透光量的關(guān)系，可以下式表示：——玻璃纖維的折射率；——樹脂的折射率；——入射光量；——反射光量；——折射光量(透過光量)。上式表明，纖維與樹脂的折射率之差越大，則反射光量越大，拆射光量因而減少。(4)FRP的透光性市售各種FRP波形板的透光率列于表18。表18各種波形板的透光率

3FRP的老化性能FRP由于各種物理和化學(xué)因素的作用，發(fā)生的物化性能的下降或變差的現(xiàn)象叫劣化或它化。劣化或它化影響因素有氧、光、水、熱、化學(xué)物質(zhì)和機(jī)械摩擦等。物化性能則包括力學(xué)性能、電性能、透光率和光澤等。FRP的耐老化性實(shí)際上反映了FRP的長期工作性能，故又稱為耐久性。3.1FRP的耐化學(xué)腐蝕性FRP的耐化學(xué)府蝕性是指其抵抗酸、堿、鹽及有機(jī)溶劑等化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞的長期工作性能。優(yōu)異的耐化學(xué)性對于石油、化工等工業(yè)具有重大意義。FRP具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性。(1)化學(xué)介質(zhì)對FPR的腐蝕作用①與玻璃纖維的作用酸、堿和水都是通過破壞SiO2網(wǎng)絡(luò)而腐蝕玻璃的。玻璃纖維的耐堿性均較差，有堿纖維更甚；耐酸性則以有堿纖維為好。②與樹脂基體的作用主要有物理作用和化學(xué)作用。物理作用是指化學(xué)介質(zhì)使樹脂發(fā)生溶脹，從而產(chǎn)生增塑作用，導(dǎo)致強(qiáng)度和彈性模量下降。化學(xué)作用是指在一定條件下，酸堿鹽和有機(jī)溶劑等與樹脂大分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致FRP的性能變壞。反應(yīng)包括水解、降解和氧化等。一般，樹脂分子中活性官隨團(tuán)愈多，化學(xué)穩(wěn)定性愈差。(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表19列出了各種FRP在不同介質(zhì)中彎曲強(qiáng)度的變化。表20給出了各種FRP在不同介質(zhì)中的耐腐蝕情況。FRP的耐腐蝕性主要依賴于原材料類型，當(dāng)然也與介質(zhì)類型有