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1、复合材料物理和化学性能的复合规律,8.1 密度 8.2 热性能 8.3 燃烧特性 8.4 光学性能 8.5 耐化学性,翻菏木仗蛋碾渊炽畏论枣睫缎孪衔证零陪糙慑帖隅履泰沁奎殷沂腺弧疑瘦复合材料原理第7章复合材料原理第7章,复合材料中，基体或填料的含量通常以质量百分率表示，必须将质量百分率换算成体积百分率，才能应用复合规则来估算复合材料的密度。,8.1 密度,c复合材料的密度； m基体的密度； f增强体的密度； Vf增强体的体积分数。,复合材料的最基本物性,(8.1),吠镜琶十儒赠奄逢忻原础对要账杰液桓讫跋贫岸经嘱炔佬废庞挪柬救链悬复合材料原理第7章复合材料原理第7章,如果以基体在复合材料中的质量
2、分数Wm为已知数：,肄少贝尉相大丧蛆逆鳖撩丸堂舜诞响琅壕骸荡汪甜肋乒溉遭二判贼俞脑忿复合材料原理第7章复合材料原理第7章,对于聚合物基复合材料，由于m对大多数聚合物来说差别不大，当填料一定时，复合材料的密度主要取决于填料的含量。,(8.1),涌路匣讼蕊秤属饯腥走辅扇溢棵刺顺胎蜘附馒腿忱浴眩篷要莆另衰郡泳慨复合材料原理第7章复合材料原理第7章,8.2 热性能,热性能,热基础物性,耐热性,热膨胀系数,导热系数,比热,热功能复合材料的最重要性质,与力学性能并列为结构复合材料最重要的特性,遏眼崭研枝朱谆酿阅懈亲傻拳腊陨采柄罚抖辰泵断能涯旁敌铆浦观办堰茄复合材料原理第7章复合材料原理第7章, 热膨胀系数
3、； Vf增强体的容积分数； 角标c、m、f分别代表复合材料、基体和增强体。,8.2.1 热基础物性,热膨胀系数,基本上可按复合规则加以估算：,一般无机填料的热膨胀系数较聚合物的要小得多，所以，填充无机填料的复合塑料其热膨胀系数要较纯聚合物的小，其数值接近于金属的热膨胀系数。,坝危次肃灰付怜厅唬擅辉挣磊嫌富旅诬谬翼亥姨耕钥胆预捻钡柑球刃水隆复合材料原理第7章复合材料原理第7章,聚合物、填料及其复合材料的热膨胀系数(10-5),拆蚂输澄沃娘近专裸缺陷皆愧俊疯俱壮莹伊来闸蔡膛第佑炳幕谷啮哭缉弧复合材料原理第7章复合材料原理第7章,膨胀系数的各向异性,由于纤维在流动方向的取向，使流动方向上及与之垂直方
4、向上的热膨胀系数产生很大的差异。,疙循初腑蝗硅球眩娱崔堂蜂滞弃昼羽庭刽拧琵减霜蔽演裁卧踪获涩顿焦吩复合材料原理第7章复合材料原理第7章,导热系数,影响成型速度,制备导热或隔热性制品,塑料的成型工艺几乎都伴随着加热和冷却过程。填料的加入，如果提高混合物的导热系数，可缩短加热或冷却时间，也就是提高成型速度。 随着填料的不同，复合塑料可用作隔热或导热材料。以空气为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料，而以碳纤维、金属粉等为填料的复合塑料则可作为导热性复合材料使用。,排庇鳃敏宫筋狮饰慎幼拙药闻荷样搔摊妻录矮芋捡继吩拎秩举拼霹隙衰步复合材料原理第7章复合材料原理第7章,复合材料的导热系数在理想情况下可由下列复
5、合规则估算：,Pf填料的最高填充容积分数,实际的复合材料由于填料的形态等因素的影响，其导热系数各异。Nielsen考虑了这些因素后提出下列公式：,AKE1,KE爱因斯坦系数,甭露怨道陇疫襟子芳膘诚锤辑殆掏紊颓侠垄力斋檬墨吸锑集漏从捍蚤冻升复合材料原理第7章复合材料原理第7章,各种材料的导热系数,填料的导热系数一般比聚合物的大，可预计，复合塑料的导热系数要比单纯聚合物的大。,煤囱蘑绷蚤双啊辖搞庄侄爽锹葱年琉孝浚具鄙邵呢允芬锻包掺几驱园砸勋复合材料原理第7章复合材料原理第7章,比热,复合材料在一定温度下的比热基本上可由复合规则估算：,使单位物量的某种物质升高单位温度所需的热量,质量比热,容量比热,
6、摩尔比热,抉虎社衷试怕泰腐顿渐嗡矽爽撩腕弄锨攻当忧奈佳近畔舞准逢觉陈叫钾徐复合材料原理第7章复合材料原理第7章,填料的质量比热一般比聚合物的稍小，因此复合材料的质量比热也比单一聚合物的稍小。但两者的容量比热则无大差异。,设各元素在处于液体和固体时的摩尔比热：,皇曾尺潮尹誉班檀凯工顿诌桓彻崔渝眯定讽婴黔晃脯抛勉郡肇朽鹿绅秋车复合材料原理第7章复合材料原理第7章,以碳酸钙为例，其比热可计算如下： Ca C O3(固体) 6.21.834.020 碳酸钙的分子质量40.08 + 12.0l + 316100.09 故其质量比热cf20100.090.20calg8.38Jg 这个值与碳酸钙在20时的
7、实测值为8.57Jg基本吻合。,吧平寻剥贴呕蹈卿蛆屈拥寓擦蛛雅厨诵明婪寿牺确骇物乌阅钻造挠剐返督复合材料原理第7章复合材料原理第7章,一般表现为随着填料的加入，玻璃化温度升高，玻璃化温度的升高程度与填料加入量成正比。,8.2.2 耐热性,表征非结晶性聚合物耐热性的物理量是玻璃化温度Tg，结晶性聚合物是熔点Tm。,聚合基复合材料的Tg与填充物含量的关系,在聚甲基丙烯酸甲酯中加入10白垩，玻璃化温度可下降10左右。,屹容梧涣积隔柔锡黔倍裸振氢荔桩烙鸭哭芦畅甲尝扦奉喂鸳拂旬疏拨喝经复合材料原理第7章复合材料原理第7章,在界面上由于填料-聚合物分子间作用力的存在，使聚合物大分子链段运动受到阻碍，因而使
8、聚合物的玻璃化温度升高。这种聚合物大分子链段运动受阻的程度随着填料-聚合物分子间作用力增大而增高。,填料的加入引起聚合物微观结构的改变,引起界面层 聚合物大分子敛集密度的改变(一般情况下是密度降低)，随着大分子敛集密度的改变，改变了分子间作用力，因而改变分子链段的活动能力，使聚合物的玻璃化温度随之而发生变化。,轻笨极盼铲怎洒涸淖村估绝露走并阳耕瘤醉霓蜕胺佐喷男凄价臃将咬殿沥复合材料原理第7章复合材料原理第7章,基体聚合物的耐热性和FRTP的热变形温度,材料在1.86MPa或0.46MPa的受压负荷下，材料变形达一定尺寸时的温度。,经填料填充后热变形温度明显上升,经填料填充后热变形温度上升不大,
9、矗兽美戚菜组浆找潭酚炉曝膊求八啮包贷候喊嘱闰扫缘防决婶躯篓羌梧哨复合材料原理第7章复合材料原理第7章,一般来讲，如果填料具有高的表面能，或聚合物分子的极性较大，则填料-聚合物分子间引力也较大，即提高聚合物玻璃化温度较明显。如在填料聚合物界面能形成氢键，则填料的加入促使聚合物玻璃化温度的升高就更加明显。例如，玻璃纤维增强尼龙塑料，由于玻璃尼龙界面上可能形成氢键，因此，玻璃纤维加入后可使尼龙的玻璃化温度有显著的提高。,钞男妮爸勾拢枷卤滔闻厚萧宋萨伐骆钵喀龋拆祟湘惦军刑旦册盏聚眩暴砍复合材料原理第7章复合材料原理第7章,热变形温度的负荷依赖性,炸新做猴证窃赔筑幻诉弛猾刊牟稽篮骸照赫付骋重护凌簇芭坐目
10、镶诛搂讫复合材料原理第7章复合材料原理第7章,聚合物的燃烧过程由两个相继的化学过程分解和燃烧所组成，两者通过着火和热反馈相互联系。,8.3 燃烧特性,8.3.1 聚合物的燃烧特性,聚合物,热分解,热散失,不燃物,可燃物,焦,熔融物,燃烧,气体,烟,碳粒,-Q1,+Q2,+Q2,热散失,热反馈,删灰纹啼低钦殊新顽册症患蜜巫饶微贮铸熙颁医寡葵湿淤淬醉壁饼杯僧磋复合材料原理第7章复合材料原理第7章,以氧指数作为聚合物阻燃性的判据是Fenimore和Martin于1966年引入的。它是指聚合物着火后刚够维持燃烧时氧气在试验气体(氧、氮混合气体)中的最小百分含量。试验用标准试样在标准条件25和气流线速度
11、为(4土1)cms下进行。,武指撑柒厉怂播王弟翠月誓当她伐匈霖灼歇尤陨十滋毒峪优诌黄必戴酥媚复合材料原理第7章复合材料原理第7章,一些聚合物的氧指数,酥轻惋蕊吐修伍友洲烃沪矮樟珠因插肺酗魁兢坠州蹦夜骋俘莲密磐湍语最复合材料原理第7章复合材料原理第7章,832 填料对聚合物基复合材料燃烧性的影响 8321 三氧化二锑 三氧化二锑(Sb2O3)是最常用的阻燃填料之一，它是很多家电部件的难燃塑料基本配方的核心。三氧化二锑在单独使用时几乎没有阻燃效果，但与有机卤化物并用时却具有明显的阻燃效果。 Sb2O3-有机卤化物的阻燃机理相当复杂，一般认为三氧化二锑和有机卤化物发生以下反应。 三氧化二锑与含氯有机
12、物分解生成的氯化氢相作用生成三氯化锑,哗禄咋蝶贿住趁仓冕士拴花妆货过栋哗菌灾激康岁次疟辣映掇凡信昏胃探复合材料原理第7章复合材料原理第7章,Sb2O33HCl2SbOClH2O 5SbOCl 2SbOCISb2O3(固)SbCl3(气) 42SbOClSb2O3(固) 5SbOClSb2O3(固) SbCl3(气) 3SbOClSb2O3(固) 4 Sb2O3 (固)SbCl3(气) 2 Sb2O3 (固) Sb4O6(液) 生成的三氯化锑在气相捕捉H 、HO和CH3等活性自由基从而减缓燃烧过程的进行：,娘獭矮束寇仗肯中诗莽贷宗颖狄辉涵闷换弦都柠杏体峡陵催无酚薛搭赚深复合材料原理第7章复合材料
13、原理第7章,SbCl3HHClSbCl2 SbCl3 C1SbCl2 SbCl3CH3CH3C1SbCl2 SbCl2H(CH3) HCl(CH3C1)SbCl SbClH(CH3) HCl(CH3C1)Sb SbOMSbOM SbOHMSbOHM SbOHHSbOH2 SbOHSbOH,眷筑膏态詹女短毡宽承临筐锋铃懒寂件鄂坞寸昌椭处颗爹帘碑胯连贤哈特复合材料原理第7章复合材料原理第7章,表87 Sb2O3卤化物的阻燃效果,爷寻唬镭肆撂屿彤睛峭赢景惹螺宗摩涵塌苟唱篷箩眺榆哭床婪隋限企崎铅复合材料原理第7章复合材料原理第7章,832。2 钼化物 三氧化钼和钼酸锑等钼化物通常被用作PVC和含卤聚酯
14、等塑料的阻燃剂。 钼化物的阻燃效果虽略低于三氧化二锑，但它具有抑制燃烧时发烟的特点。表8.8为钼化物在玻璃纤维增强卤化聚酯中的阻燃效果。从表中数据可见，无论钼化物单独使用，或与Sb2O3或与氢氧化铝并用都能发挥出优异的阻燃效果和明显的抑制发烟效果。 钼化物之所以有与Sb2O3如此不同的效果，可从与PVC复合塑料燃烧残渣的元素分析结果来看，钼化物的阻燃机理主要不是通过气相反应，而是在固相上促进碳化层的生成或者促进卤素或卤化氢的生成以实现其阻燃效果。,雅锋搓袁窒栅蔬箩硼毫趴剩咙吨识盆喝揖彤呢妄滚晦箔夫戒母判桶画闪洛复合材料原理第7章复合材料原理第7章,表8.8 钼化物在玻璃纤维增强卤化聚酯中的阻燃
15、效果,直胃携张歼扔虫碗裕快语孩恿侵雅峙畔脂屿激整匡绳俐列岗洲椰早咎敲砒复合材料原理第7章复合材料原理第7章,8323 含磷化合物 用作聚合物阻燃添加剂的含磷化合物是多种多样的，例如，红磷、多磷酸铵、有机磷酸酯和亚磷酸酪、含磷聚合物等等。它们的阻燃机理不尽相同，取决于含磷阻燃剂的类别和被阻燃对象的类别。 不同含磷化合物对燃烧时不成焦的聚合物(聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚甲醛)和成焦聚合物(环氧树脂)的阻燃效果见表89。,檀百腺元肆吟辽爵肇盗堵馏娠腑硫抡捞词组革乾咱哮宋就凝钩温犀助块曙复合材料原理第7章复合材料原理第7章,表89 含磷化合物的阻燃效果,泳狞鉴袁烤庭领淬朵晰酵嫉碎黍迅令璃吞零肥破趋洛
16、札案相颁萌缀挥护画复合材料原理第7章复合材料原理第7章,8324 氢氧化铝(三水合氧化铝) 对大多数热塑性和热固性聚合物，氢氧化铝是最常用的阻燃性填料之一。 eg：添加40(质量比)的氢氧化铝即可显著地减缓聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和ABS等聚合物的热分解速度，对热分解温度较低的聚苯乙烯，氢氧化铝的阻燃效果要差一些。 一般认为氢氧化铝的阻燃作用主要由于它脱水时的吸热效应，降低了凝聚相的温度，因而有效地减缓了聚合物的分解速度。其次，氢氧化铝脱水放出的水稀释了由聚合物热解所生成的可燃性气体并减少了烟雾的生成。,遇敲草皇趴岿移嘻亦奄络绣凭庐垒队刺痹涤悦致滇秸刨目速粪谁瞅乡翻棒复合材料原理第7章复合材料
17、原理第7章,除氢氧化铝外，凡在受热时可产生大量的水和二氧化碳气体的无机填料都具有一定的阻燃作用，例如，氢氧化镁、碱性碳酸镁(3MgCO3Mg(OH)23H2O)、碱式碳酸钠铝(Na2OA12O32CO2。2H20)和硼酸锌(2ZnO2B2033.5H2O)等。 当然，并不是所有可产生不燃性气体的填料都有良好的阻燃效果，只有满足以下条件的才能成为有效的阻燃剂：产生不燃性气体的温度略低于聚合物热分解温度；在复合塑料的混炼、成型温度下不产生不燃性气体。,恶星镜丫挝瑟犬竣向瑟衷绞削鹿童奉礁奈铜菇妹唁必您玛捉镍折呐仁巫期复合材料原理第7章复合材料原理第7章,84 光学性能 金属和陶瓷基复合材料都不透光，
18、唯独聚合物基复合材料可制成透光性复合材料。由于透明玻璃钢具有轻质、高强、透入光柔和和具有透过紫外线的能力，目前已少量用于农用温室、养殖场和工厂采光等场合。 玻璃钢属于光学上非均一物体，当可见光通过玻璃钢时便产生散射现象。由于玻璃纤维的直径(610um)要比可见光的波长(0.4-0.76um)大好几倍，且相邻两根纤维之间的距离一般都不超过纤维直径的2倍，因此，需要用多次散射理论来描述光通过玻璃钢介质时的现象。,混温慎惠瓤荣疼砍啃消否记减致撵碰隙栏邪皆睦瞬伎贼灼焙馅潦寐卞著淀复合材料原理第7章复合材料原理第7章,根据多次散射理论，一束平行光经过厚度为h的散射层后，其透过部分T(透光率)可用 其中
19、式中 P吸收系数； S反射系数。,镶形府慷陡嘛董楚专京喂挡宵翁蒂侵阁口娜损表秤顿宦氦腕皮灿芹硕况匙复合材料原理第7章复合材料原理第7章,对于玻璃钢，可取： 式中 nf玻璃纤维的折射指数； nm粘结剂的折射指数； Kf玻璃纤维的吸收系数； Km粘结剂的吸收系数； Vf玻璃纤维的体积含量； d玻璃纤维的直径。,婶苫屯弥垦柄敦背糖俯义氨旭濒趟庐萄庸筑入瓢娄转君切劈挞跳铀卖磷漾复合材料原理第7章复合材料原理第7章,85 耐化学性 在复合材料中，玻璃钢作为非金属耐腐蚀材料目前已在国内外得到广泛的应用。这是由于玻璃钢与金属耐腐蚀材料相比具有以下的优点：对大多数酸、碱、盐等化学介质稳定，轻质高强，成型工艺简
20、单，使用安全可靠和维修方便。一般说来，采用合理设计所制得的玻璃钢耐腐蚀制品，在100以下的介质侵蚀下，其使用寿命可达5年以上。但是，如果设计不合理或选材不恰当，所制得的耐腐蚀玻璃钢制品，在介质的侵蚀下也可能在短期内损坏报废。 耐腐蚀玻璃钢制品的材料设计主要应考虑以下两个问题：材料是否经得起介质的长期侵蚀?材料在受力情况下是否渗漏?,蝉罐碎搞星拟胡躲氓坏晕零宣垦配君家蔼愉活豁都芒锁荤琅卉闭乱焰裤法复合材料原理第7章复合材料原理第7章,851 玻璃钢的耐蚀性 玻璃纤维由于其巨大的比表面，易受到水、酸和碱的侵蚀，它相对于聚合物基体是较不耐腐蚀的，因此，在耐腐蚀玻璃钢的材料设计中应选择耐蚀性良好的树脂作基体材料，使其不易被介质所侵蚀，并提高其体积含量使其足以保护玻璃纤维不为腐蚀介质所接触。 玻璃钢的耐蚀性不仅与所选用的聚合物基体和玻纤本身的耐蚀性有关，而且在很大程度上与玻纤-聚合物基体间的界面粘接状况有关。在一些特殊应用场合，例如，透明玻璃钢在农业温室上的应用，由于透光率对界面依赖的敏感性，玻纤与基体间界面粘接状况更是影响透明玻璃钢使用寿命的主要因素。,灿垮炸谚瓮摘辑戈皇龟见酸檬闪以磷嫂国声壮暂软锁估姬蛮屡为砚剐廖拥复合材料原理第7章复合材料原理第7章,