聚合物基复合材料的研究

材料专业学术性论文论文题目：聚合物基复合材料的研究进展指导教师：李银涛学生姓名：任超学号：20110114二零一四年十二月十五日材料专业学术论文阅读与写作-1-聚合物基复合材料的研究进展任超西南科技大学621010摘要：聚合物基复合材料是复合材料中发展最快、应用最广、规模最大的一类，有着比强度大、比模量大、耐疲劳性能好、减振性好、过载时安全性好等诸多突出的性能，在当前的汽车，通信，船舶以及航天航空等领域已得到应用。本文简要介绍了聚合物基复合材料的特性，制备工艺以及应用，也对该复合材料的发展进行了展望。关键字：聚合物;复合材料;制备;应用CurrentStatusofResearchonpolymerbasedcompositesAbstract：Polymerbasedcompositesarethefastest-growing,mostwidelyusedandthelargestscaleinthecompositematerials.Ithashighspecificstrength,highspecificmodulus,goodfatigueresistance,vibrationdamping,overloadsafetyandmanyotheradvantages.Polymerbasedcompositeshavebeenusedincommunication,automotive,aerospace,marineandmanyotherfields.Inthepresentpaper,someuniquepropertiesofpolymerbasedcomposites,preparation,applicationaresimplyintroduced,thecurrentresearchdevelopmentofpolymerbasedcompositesisalsoforecasted.Keyword:polymer,composite,preparation,application0引言复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基相，另一相为分散相，称为增强材料。聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，采用适当的工艺方法，把另外一种或以上物化性能不同的材料与之复合而成的一种多相固体材料。随着现代工业的发展，对材料性能的要求也随之增加，传统单一材料已很难满足需求，复合材料应运而生，复合材料凭借其灵活多变的特性已在工业生产中获得广泛的应用。而聚合物基复合材料是复合材料中发展最快，应用最广，规模最大的一类。聚合物基复合材料在国民经济和国防军工的诸多领域具有广泛的用途和广阔的市场前景。开展聚合物基复合材料的研究和开发具有良好的社会效益和经济效益。以聚合物基导电复合材料为例，其在日本获得了广泛的应用，有关研究课题被列为通产省制定的“21世纪产业基础技术研究开发”中12项优先科研项目之一[1]。1聚合物基复合材料的分类(1)按聚合物基体材料分类可分为：环氧树脂基、酚醛树脂基，聚氨酯基、聚酰亚胺基、不饱和聚酯基和其他树脂基复合材料。(2)按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺材料专业学术论文阅读与写作-2-纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等[2]。2聚合物基复合材料的特性与传统材料相比，聚合物基复合材料有着以下述特点。(1)比强度，比模量高聚合物基复合材料突出的优点就是比强度，比模量高。比强度是材料的强度与密度的比值，比模量是材料模量和密度的比值，其量纲均为长度。表1一些常用材料及纤维复合材料的比强度，比模量[4](2)耐疲劳性能好，破损安全性能高金属材料的疲劳破坏常是没有预兆的突发想破坏。复合材料的纤维和基体的界面能够阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏常是从纤维的薄弱环节开始扩展的，有明显的预兆。当少数纤维发生破裂时，其失去部分的载荷又会通过其他纤维进行分散，使得材料不会在短时间内因此而丧失承重能力，内部有缺陷和裂纹时也不会突然发展而断裂。(3)阻尼减震性好受力结构的自振频率除与自身形状有关，还与结构材料的比模量平方根成正比。所以复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振。(4)具有多种功能性①瞬时耐高温性、耐烧蚀性好。②优异的电绝缘性能和高介电性能。③良好的摩擦性能。④优良的耐腐蚀性。⑤特殊的光学、电学、磁学的特性。(5)良好的加工工艺性材料具有可设计性，可选择加工成型方法，可整体成型，减少装配零件的数量，节省工时、材料，减轻质量。材料专业学术论文阅读与写作-3-(6)各向异性和性能的可设计性纤维复合材料一个突出的特点就是各向异性，因此它具有可设计性。利用这一点，可以实现制件的优化设计，做到安全可靠，经济合理。[2]3聚合物基复合材料的制备工艺聚合物基复合材料的制造把复合材料的制造和产品的制造融合为一体。根据增强体和基体材料种类的不同，有两大类不同的制造方法：①热固性树脂复合材料的制造方法：手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、RTM成型法(注射成型法)等。②热塑性复合材料的制造方法：模压成型法、注射成型法、RTM成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。[3,4]这里介绍几种主要制作方法：一、手糊成型工艺：是指纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺覆成型，室温(或加热)、无压(或低压)条件下固化，脱模成制品的工艺方法。图一手糊成型工艺流程优点：(1)不受尺寸、形状的限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；(2)设备简单、投资少、设备折旧费低，成本低；(3)工艺简单；(4)可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求；(5)产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。缺点：(1)生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差；(2)产品质量不易控制，性能稳定性差；(3)产品力学性能较低。二、喷射成型工艺：将混有引发剂和促进剂的不饱和聚酯树脂从喷枪喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。优点：(1)生产效率比手糊法提高2~4倍；(2)利用粗纱代替织物，降低了材料成本；(3)成型过程中无接缝，制品的整体性好；(4)减少了飞边、裁屑和剩余胶液的损耗；材料专业学术论文阅读与写作-4-(5)可自由调节产品壁厚、纤维与树脂的比例及纤维的长度。缺点：(1)产品的均匀程度在很大程度上取决于操作工人的熟练程度；(2)树脂含量高，增强纤维短，制品的强度较低，耐温性能差；(3)因过量喷涂而造成原材料损耗大；(4)阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制品难度大；(5)现场粉尘大，工作环境恶劣；(6)初期投资比手糊成型大。三、模压成型工艺：将一定量的模压料放入金属对模中，在一定温度、压力作用下，固化成型制品的方法。加热加压使模压料塑化、流动，充满空腔，并使树脂发生固化反应。优点：有较高的生产效率，适于大批量生产，制品尺寸精确，表面光洁，可以有两个精制表面，价格低廉，容易实现机械化和自动化，多数结构复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性能的辅助加工，制品外观及尺寸的重复性好。缺点：压模的设计与制造较复杂，初次投资较高，制品尺寸受设备限制，一般只适于制备中、小型玻璃钢制品。四、层压成型工艺：将浸有或涂有树脂的片材层叠，送入层压机，在加热加压条件下，固化成型玻璃钢制品的一种成型工艺。特点：生产的机械化、自动化程度较高；产品质量稳定；但一次性投资较大，适合于批量生产。五、缠绕成型工艺：将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合材料制品的工艺过程。图二纤维缠绕成型示意图缠绕成型又分为干法、湿法，半干法三种：(1)干法缠绕：将预浸纱带(或预浸布)，在缠绕机上经加热软化至粘流状态并缠绕到芯模上的成型工艺过程。(2)湿法缠绕：将无捻粗纱(或布带)经浸胶后直接缠绕到芯模上的成型工艺过程。(3)半干法缠绕：将无捻粗纱(或布带)浸胶后，随即预烘干，然后缠绕到芯模上的成型工艺方法。材料专业学术论文阅读与写作-5-六、挤出成型工艺：先将树脂和增强纤维制成粒料，然后再将粒料加入挤出机内，经塑化、挤出、冷却定型而成制品。图三拉挤成型工艺示意图优点：1、能加工绝大多数热塑性复合材料及部分热固性复合材料；2、生产过程连续，自动化程度高；3、工艺易掌握及产品质量稳定等。缺点：只能生产线型制品聚合物基复合材料自二十世纪以来，制备工艺也已成熟并且种类繁多，在事事追求效率的今天应当多投入机械生产，从而提高生产效率，并且在生产时要根据材料性能等因素选择适当的制造工艺。4聚合物基复合材料的应用复合材料范围广，产品多，在国防工业和国民经济各部门中都有广泛的应用。在复合材料中，聚合物基复合材料的应用最广，发展也最快。例如在汽车、船舶、飞机、通讯、建筑．电子电气、机械设备、体育用品等各个方面部有应用。(1)玻璃纤维增强塑料(GFRP)的应用石油化工工业利用GPRP的特点，解决了许多工业生产过程中的关健问题，尤其是耐腐蚀性和降低设备维修费等方向。GFRP管道和罐车是原油陆上运输的主要设备；海上油田管道为防止海水腐蚀采用玻璃钢制造管道等。(2)玻璃纤维增强热塑性塑料(FR—TP)的应用玻璃纤维增强聚丙烯的电绝缘性良好，用它可以制作高温电气零件。由于它的各方面性能均超过了一般的工程塑料，而且价格低廉，因而它不但进入了工程塑料的行列，而且在某些领域中还代替金属使用。主要应用于汽车、电风扇、洗衣机零部件，油泵阀门、管件、泵零部件等。玻璃纤维聚酰胺可用来代替有色金属．制造为有色金属的轴承架、精密机器零件、电器零件、汽车零件等。(3)高强度、高模量纤维增强塑料的应用碳纤维增强塑料主要是火箭和人造卫星最好的结构材料。因为它不但强度高，而且具有良好的减振性，用它制造火箭和人造卫星的机架、壳体、无线构架是非常材料专业学术论文阅读与写作-6-理想的—种材料。[5]5聚合物基复合材料的发展随着材料的发展，传统的力学性能聚合物基复合材料已不能满足工业生产的需要，聚合物基纳米复合材料，聚合物基导电复合材料等新型复合材料层出不穷。例如聚合物基导电复合材料就凭借其重量轻，易加工成复杂形状，电阻可调节范围大等特性得到的较多的关注。[6]相关研究表明，将低熔点合金与聚合物复合，在加工过程中不会发生金属纤维或金属薄片那样的折断和成团，对基体的加工性能几乎没有影响，设备磨损小，复合材料的物理性能也更好。美国普林斯顿聚合物实验室的科学家用Zn-Sn合金与PP复合，制得了低电阻(0.3Ω)、高屏蔽效果（1000MHz时40dB）和良好综合性能的材料[7~9]；。Bormashenko等研究了线性低密度聚乙烯(LDPE)/LMPA二元体系和LDPE/LMPA/CB(炭黑)三元体系的制备工艺、结构和性能。结果表明，在加工过程中，LPMA导致LDPE结构的改变和炭黑的氧化。低熔点合金复合体系的加工过程中能够形成图1所示的微纤，该加工过程甚至被视为制备低熔点金属微细粒子的一种新方法。低熔点合金与聚合物复合的另外一种形式是制备胶粘剂。为降低颗粒之间的接触电阻，改善导电性能，将低熔点合金用于导电胶中。在固化过程中，随温度的升高，金属颗粒之间形成连接，从而降低材料的电阻率。低熔点合金与聚合物复合不仅用于制备具有高导电率的复合材料，还用于制备具有高导热率的复合材料。在日本，低熔点合金与聚合物复合制备的高导热率塑料已经开发成功[10~15]；国内武汉理工大学的熊传溪研究小组，采用PP，低熔点Sn-Pb合金以及金属Sn开展类似研究。他们对Sn(Sn-Pb)/PP体系中金属相在加工过程中的形态变化、复合材料的加工性能、电学性能和力学性能等进行了比较全面的研究。结果表明，金属相能够显著提高PP的加工性能；金属相可以被细化为尺寸低于100nm的粒子，此时复合材