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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
10、）硼/铝复合材料,硼纤维高温强度高，1500时蠕变速率低。但高温氧化后 强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层SiC或B4C，防止纤 维表面氧化。,包括长纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强以及原位复合增强等。,2）石墨/铝复合材料,具有导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀等特点。利用石墨纤维表面沉积Ti/Bi涂层技术，可改善石墨纤维与液态铝的湿润性，有效控制铝与纤维的表面反应，提高复合材料的性能。,MMC的SEM照片,3）石墨/镁复合材料,材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是 金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材 料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤维的润湿性。,4）
11、碳化硅/钛复合材料,碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐 氧化，与金属的反应小，润湿性好。这种复合材料的高温 强度高，主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭 发动机箱体材料。,5）氧化铝/铝复合材料,氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚 度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚 度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。,2、短纤维增强金属基复合材料,1）氧化铝/铝复合材料,2）碳化硅/铝复合材料,3）氧化铝/镍复合材料,3、颗粒增强金属基复合材料,2）碳化钛/钛复合材料,1）碳化硅/铝复合材料,3）颗粒增强金属间化合物复合材料,TiB2/NiAl
12、、 TiB2/TiAl,铝基复合材料刹车盘片,铁道车辆铝基复合材料制动盘片,新开发的铝基复合材料活塞,石墨（颗粒）铝基复合材料活塞,舰用燃气涡轮发动机,中国一航燃气涡轮研究院展出的涡扇500型发动机,航天后封头（钛合金）,火箭公共底（钛合金）,钛合金精铸件,4.6陶瓷基复合材料,陶瓷基体中添加碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须、氧化铝晶须、碳化硅颗粒和碳化钛颗粒，形成的复合材料称为陶瓷基复合材料。增强体加入可以提高陶瓷材料的强度和韧性。,一、陶瓷基复合材料基本性能,优点：强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和比重较小。是一般常用金属材料、高分子
13、材料及其复合材料所不具备的。 缺点：但陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。 韧性差：龟裂扩展引起，可用破坏韧性值K1c衡量。 破坏韧性值K1c是对材料龟裂的阻抗。其由材料的模量和破坏时吸收的能量决定即：,E-杨氏模量，r-破坏能，r0-表面能，r1-塑性变形能，r2-龟裂倾向能，r3-龟裂分枝能。,其中，r=r0+r1+r2+r3,纤维增强陶瓷时，E纤维E基体，纤维主要承受力，且纤维使基体的龟裂难于扩展。当纤维基体时，裂缝沿着纤维偏折。有利于K1c提高。例如： Al2O3陶瓷断裂韧性值：5.5MPam1/2， SiC/Al2O3陶瓷后：8.8MPam1/2。 ZrO2陶
14、瓷的断裂韧性：5.0MPam1/2， SiC纤维增强后：22.0MPam1/2。 韧性与纤维及基体，纤维与基体结合强度、基体孔隙率、工艺参数有明显联系：纤维与基体间的结合强度过大将使韧性降低，基体中的孔隙率能改变复合材料的破坏模式，孔隙率越大，韧性越差。 拉伸和弯曲性能与纤维的长度、取向和含量、纤维与基体的强度和弹性模量、它们的热膨胀系数的匹配程度、基体的孔隙率和纤维的损伤程度密切相关。无规排列短纤维陶瓷复合材料的拉伸和弯曲性能经常低于基体材料，因无规排列纤维的应力集中的影响以及热膨胀系数不匹配造成的。将短纤维定向可以提高该方向上的性能。用定向的连续纤维可以明显提高强度，降低了应力集中。,二、
15、陶瓷基复合材料种类,（一）长纤维增强陶瓷基复合材料,1、碳/陶瓷基复合材料,具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧性。 碳纤维/氮化硅陶瓷:1400以上的高温下长期工作； 碳纤维/石英陶瓷:冲击韧性比烧结石英陶瓷高40倍、 抗弯强度大512倍。可承受12001500高温气流 的冲击。,2、碳化硅/陶瓷基复合材料,碳化硅纤维/碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等复合。 碳化硅纤维通常采用CVD制备。利用 碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高56倍， 抗弯强度提高50以上，且基体与纤维之间的结合性能 良好。,3、碳/碳复合材料,将碳纤维用聚合物浸润，固化成型后，无氧条件下，高温裂解树脂，得到
16、碳/碳复合材料。 碳/碳复合材料强度和刚度都好，能承受极高的温度和极高的加热速度，高温力学性能比低温时还好，是目前使用温度最高的复合材料。,C/C复合材料,（二）短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料,1、碳/玻璃陶瓷基复合材料,晶须：SiC、Si3N4、Al2O3晶须。,2、晶须/陶瓷基复合材料,基体：Si3N4、Al2O3、ZrO2、SiO2、莫来石等。,Si/Si复合材料,ZnO晶须,自增韧Si3N4陶瓷,（三）颗粒增强陶瓷基复合材料,1、氧化锆/陶瓷基复合材料,利用ZrO2相变增韧原理，提高陶瓷的断裂韧性。利用ZrO2增韧的氧化Al2O3陶瓷，其断裂韧性可提高1.4倍。,2、氧化钇/陶瓷基复合
17、材料,功能复合材料,导电功能复合材料： C/金属/镀金玻纤+树脂 压电功能复合材料：PZT(ZrTiO3)+C/Ce/Si+树脂 磁性复合材料：铁氧体/稀土+ 树脂 吸波功能复合材料： Pd/Fe+ 树脂 减磨阻功能复合材料：C/石墨纤维+ 树脂(PA氟塑料 化学腐蚀功能复合材料：无机粉体+树脂 光功能复合材料：聚甲基丙烯酸甲酯+氟化物 生体功能复合材料：金属Co/Ti/Ni陶瓷Al高分子 纳米复合材料：蒙脱土/PA6复合材料 ，纳米氮化钨铜复合粉体 梯度功能复合材料：固化剂+环氧类树脂（一定方向上,耐热性Tg,粘接强度,拉伸强度,冲击强度,伸长率等依次连续或阶梯缓缓变化）,除机械性能以外而提
18、供其他物理性能的复合材料,作业： 1.名词解释 复合材料 材料界面 增强体 基体 不饱和聚酯树脂 2.简答题 （1）C/C复合材料的性能特点及应用 （2）金属基复合材料的性能特点 （3）聚合物基复合材料的性能 （4）不同增强体的增强机理 （5）复合材料的发展趋势,3.完成下列表格,4. 完成下列表格,体会复合材料和合金及功能高分子材料的异同.,实习与考试安排,周五，3-4节课材化楼门前集合，参观实习 考试形式：名词、填空、简答、问答 考试时间：4月8日，1-2节 考试地点：教三楼111室,“神六”回家返回舱怎样“退烧”？ 飞船返回再入大气层进入距地面80公里至40公里的稠密大气层时,是气动加热
19、量最严重的一段,返回舱表面温度将高达上千摄氏度,像一个大火球。如果不采取防热措施,整个返回舱将被烧为灰烬。为飞船“退烧”的措施主要有3种: “冰块式退烧”吸热。吸热是采用导热性能好、熔点高和热容量大的钛合金等金属材料,吸收大量气动热量。用这类材料做飞船返回舱的蒙皮,气动加热传给飞船的热量为蒙皮所吸收、储存。这种方法防热能力有限,只适用于加热量很小的部分。 “酒精式退烧”用辐射散热的方法将热量散去。这种方法只适用于最大热流不超过每平方米100卡的情况。 “釜底抽薪式退烧”烧蚀。用一些高分子材料做飞船的蒙皮,有意识地让它在高温加热时烧掉,将热量带走,从而达到保存主要结构的目的。如玻璃钢。烧蚀防热是广泛用于载人飞船再入大气层时降温的一种方法,目前,随着技术的发展,烧蚀材料的种类很多。,