第五章-聚合物基复合材料

1第5章聚合物基复合材料5．1聚合物基复合材料的种类和性能聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。基体材料由于其粘接性能好，把纤维牢固地粘接起来。同时，基体又能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。纤维和基体之间的良好的复合显示了各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。21、高比强、高比模量2、设计性强、成型工艺简单。3、热膨胀系数低，尺寸稳定。4、耐腐蚀、抗疲劳性能好。5、减震性能好。6、高温性能好。7、安全性能好。3聚合物复合材料的分类：纤维增强（FRC）按纤维形态：连续纤维非连续纤维按铺层方式：单向角铺层：（0/）织物三维按纤维种类：玻璃纤维碳纤维芳纶（Kevlar）纤维混杂纤维晶须增强（WRC）、粒子增强（PRC）45.1.1破璃纤维增强热固性塑料(代号GFRP)玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维(包括长纤维、布、带、毡等)做为增强材料，热固性塑料(包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等)做为基体的纤维增强塑料。俗称玻璃钢。根据基体种类不同，可将GFRP分成三类，即玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂。5GFRP的突出特点是比重小、比强度高。比金属铝轻而比强度比高级合金钢还高。“玻璃钢”这个名称便由此而来。还具有良好的耐腐蚀性，在酸、碱、有机溶剂、海水中均很稳定，良好的电绝缘材料，电阻率和击穿电压强度达到了电绝缘材料的标准，可做为耐高压的电器零件。不反射无线电波，微波透过性好，可制造扫雷艇和雷达罩。具有保温、隔热、隔音、减振等性能。缺点是刚性差。会因日光照射空气中的氧化作用、有机溶剂的作用产生老化现象，比塑料要缓慢。玻璃纤维增强环氧、酚醛、聚酯树脂除具有上述共同的性能特点而外，各自有其特殊的性能。6玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种。因环氧树脂的粘结能力最强，与玻璃纤维复合时，界面剪切强度最高。机械强度高于其他GFRP。环氧树脂固化时无小分子放出，故尺寸稳定性最好，收缩率只有1％－2％，环氧树脂的固化反应是放热反应，易产生气泡，但因添加剂少，很少发生鼓泡现象。唯一不足的是环氧树脂粘度大，加工不太方便，成型时需要加热，室温下成型会导致环氧树脂固化反应不完全。不能制造大型制件。7玻璃纤维增强酚醛树脂是各种GFRP中耐热性最好的一种，可在200℃下长期使用，在1000℃以上的高温下，也可短期使用。是耐烧蚀材料，可做宇宙飞船的外壳。耐电弧性，可用于制做绝缘材料。价格便宜，原料来源丰富。不足处是性能较脆，机械强度不如环氧树脂。固化时有小分子副产物放出，故尺寸不稳定，收缩率大。对人体皮肤有刺激，会使手和脸肿胀。8玻璃纤维增强聚酯树脂突出特点是加工性好，加入引发剂和促进剂后，可在室温下固化成型，由于树脂中的交联剂也起稀释剂的作用，所以树脂的粘度大大降低了，可采用各种成型方法进行加工成型，可制作大型构件，扩大了应用的范围。它的透光性好，透光率可达60％－80％，可制作采光瓦。价格便宜。不足之处是固化时收缩率大，可达4％—8％，耐酸、碱性差，不宜制作耐酸碱的设备及管件。9玻璃纤维增强热塑性塑料是指玻璃纤维做为增强材料，热塑性塑料(包括聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料)为基体的纤维增强塑料。玻璃纤维增强热塑性塑料除了具有纤维增强塑料的共同特点外，它与玻璃纤维增强热固性塑料相比较，特点是具有更轻的比重，在1.1—1.6之间，为钢材的1／5—1／6；比强度高，蠕变性大大改善。5.1.2玻璃纤维增强热塑性塑料(代号FR一TP)10１．玻璃纤维增强聚丙烯(代号FR—PP)特点是机械强度大大提高，当短切玻璃纤维增加到30％—40％时，其强度达到顶峰，抗拉强度达到100MPa，大大高于工程塑料，尤其是低温脆性得到了大大改善，随玻璃纤维含量提高，低温时的抗冲击强度也有所提高。吸水率很小，是聚甲醛和聚碳酸酯的十分之一。在耐沸水和水蒸气方面更加突出，含有20％短切纤维的FR—PP，在水中煮1500小时，其抗拉强度比初始强度降低10％，如在23℃水里浸泡时强度不变。在高温、高浓度的强酸、强碱中会使机械强度下降。在有机化合物的浸泡下会降低机械强度，并有增重现象。112．玻璃纤维聚酰胺(代号FR—PA)聚酰胺是一种热塑性工程塑料，本身的强度就比一般通用塑料的强度高，耐磨性好，但因吸水率太大，影响了尺寸稳定性，耐热性也较低。用玻璃纤维增强的聚酰氨，这些性能就会大大改善。玻璃纤维增强聚酰胺的品种很多。有玻璃纤维增强尼龙6(FR—PA6)、玻璃纤维增强尼龙66(FR—PA66)、玻璃纤维增强尼龙1010(FR—PA1010)等。玻璃纤维的含量达到30％—35％时，其增强效果最为理想，抗拉强度可提高2—3倍，抗压强度提高1.5倍，最突出的是耐热性提高幅度最大。12在聚酰胺中加入玻璃纤维后，唯一的缺点是使本来耐磨性好的性能变差了。因为聚酰胺的制品表面光滑，光洁度越好越耐磨。而加入玻璃纤维以后，如果将制品经过二次加工或者被磨损时，玻璃纤维就会暴露于表面上，这时材料的磨擦系数和磨耗量就会增大。因此，如果用它来制造耐磨性要求高的制品时，一定要加入润滑剂。133．玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料聚苯乙烯类树脂目前已成为系列产品，多为橡胶改性树脂，例如：丁二烯—苯乙烯共聚物(BS)、丙烯腈—苯乙烯共聚物(AB)、丙烯腈一丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)等。这些共聚物大大改善了纯聚苯乙烯的性能，使原来只是一种通用塑料的聚苯乙烯改性成为工程塑料。耐冲击性和耐热性提高了。这些聚合物再用长玻璃纤维或短切玻璃纤维增强后，其机械强度及耐高、低温性、尺寸稳定性均大有提高。也要加入偶联剂，不然聚苯乙烯类塑料与玻璃纤维粘结不牢。影响强度。144．玻璃纤维增强聚碳酸酯(代号ＦＲ—PC)聚碳酸酯是一种透明度较高的工程塑料，它的刚韧相兼的特性是其他塑料无法相比的，唯一不足之处是易产生应力开裂、耐疲劳性差。加入玻璃纤维以后，ＦＲ—PＣ比PＣ的耐疲劳强度提高2—3倍，耐应力开裂性能可提高6—8倍，耐热性比PＣ提高10—20℃，线膨胀系数缩小为1.6－2.4×10－６ｍ／℃，因而可制成耐热的机械零件。155．玻璃纤维增强聚酯聚酯作为基体材料主要有两种，一种是聚苯二甲酸乙二酯(代号PET)，另一种为聚苯二甲酸丁二酯(代号PBT)。未增强的纯聚酯结晶性高，成型时收缩率大，尺寸稳定性差、耐温性差。质脆。用玻璃纤维增强后，机械强度比其他玻璃纤维增强热塑性塑料均高，抗拉强度135-145MPa，抗弯强度209－250MPa，耐疲劳强度达52MPa。耐热性提高最大，PET的热变形温度为85℃，PR—PFT为240℃，仍能保持机械强度，是玻璃纤维增强热塑性塑料中耐热温度最高的一种。耐低温度性能好，超过了FR—PA6，在温度高低交替变化时，机械性能变化不大；电绝缘性好，可制造耐高温电器零件；高温下耐老化性好，胜过玻璃钢，尤其是耐光老化性能好，所以使用寿命长。不足之处是在高温下易水解，使机械强度下降。不适于在高温水蒸气下使用。166．玻璃纤维增强聚甲醛(代号ＦＲ—POＭ)聚甲醛是一种性能较好的工程塑料，加入玻璃纤维后，不但起到增强的作用，而且耐疲劳性和耐蠕变性有很大提高。含有25％玻璃纤维的ＦＲ—PＯＭ的抗拉强度为纯PＯM的两倍、弹性模量为纯PＯM的三倍，耐疲劳强度为纯PＯM的两倍，高温下仍具有良好的耐蠕变性，同时耐老化性也很好。但不耐紫外线照射，因此在塑料中要加入紫外线吸收剂。不足之处是加入玻璃纤维后其摩接系数和磨耗量大大提高了，即耐磨性降低了。为了改善其耐磨牡，可用聚四氟乙烯粉末做为填料加入聚甲醛中，或加入碳纤维来改性。175.1.3高强度、高模量纤维增强塑料高强度、高模量纤维增强塑料主要是指以环氧树脂为基体，以各种高强度、高模量的纤维(包括碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺纤维、各种晶须等)做为增强材料的高强度、高模量纤维增强塑料。该种材料由于受增强纤维高强度、高模量这一性能的影响．致使其具有共同的特点：（1）比重轻、强度高、模量高和低的热膨胀系数。是目前力学性能最好的高分子复合材料。(2)加工工艺简单。该种增强塑料可采用ＧＦＲＰ的各种成型方法，如模压法、缠绕法、手糊法等。（3）价格昂贵。该种材料唯一的缺点是价格比较贵。181．碳纤维增强塑料碳纤维增强环氧塑料是一种强度、刚度、耐热性均好的复合材料，这方面的性能是其他材料无法相提并论的。比重小、刚度大、抗冲击强度特别突出，耐疲劳强度很大．摩擦系数很小，这方面性能均超过了钢材。耐热性特别好，可在12000℃高温下经受10秒钟，保持不变。不足之处一是碳纤维与塑料的粘结性差，且各向异性，这方面不如金属材料。目前已有解决办法，使碳纤维氧化和晶须化来提高其粘结性。用碳纤维编织法来解决各向异性的问题。另一个不足之处是价格昂贵，因而虽然有上述一些优良性能，但还只是应用于宇航工业，其他领域应用较少。192．芳香族聚酰胺纤维增强塑料基体材料主要是环氧树脂，其次是热塑性塑料的聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等。芳香族聚酰胺纤维增强环氧树脂的抗拉强度大于GFRP，而与碳纤维增强环氧树脂相似。最突出的特点是有压延性，与金属相似，而与其他有机纤维则大大不同。3．硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料是指硼纤维增强环氧树脂。该种材料突出的优点是刚度外，它的强度和弹性模量均高于碳纤维增强环氧树脂。是高强度高模量纤维增强塑料中性能最好的一种。204．碳化硅纤维增强塑料主要是指碳化硅纤维增强环氧树脂。碳化硅纤维与环氧树脂复合时不需要表面处理，粘结力就很强，材料层间剪切强度可达1.2MPa。它的抗弯强度和抗冲击强度为碳纤维增强环氧树脂的两倍，如果与碳纤维混合叠层进行复合时，会弥补碳纤维的缺点。215．1．4其他纤维增强塑料其他纤维增强塑料是指以石棉纤维、矿锦纤纶、棉纤维、麻纤维、木质纤维、合成纤维等为增强材料，以各种热塑性和热固性塑料为基体的复合材料。这方面的复合材料发展得比较早．应用也比较广。其中热固性酚醛塑料与纸、布、棉、木片等纤维的复合材科，在电器工业方面做为绝缘材制使用。在机械工业中制成各种机械零件。225．2聚合物基复合材料结构设计5.2.1概述1、复合材料结构设计过程复合材料结构设计是选用不同材料综合各种设计(如层合板设计、典型结构件设计、连接设计等)的反复过程。在综合过程中必须考虑的一些主要因素有：结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、工装模具的通用性及设计经验等。23复合材料结构设计的综合过程大致分为三个步骤(1)明确设计条件。如性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等。(2)材料设计。包括原材料选择、铺层性能的确定、复合材料层合板的设计等。(3)结构设计。包括复合材料典型结构件(如杆、梁、板、壳等)的设计，以及复合材料结构(如衍架、刚架、硬壳式结构等)的设计。在上述材料设计和结构设汁中都涉及到应变、应力与变形分析，以及失效分析，以确保结构的强度与刚度。24复合材料结构往往是材料与结构一次成型的，且材料也具有可设计性。不同于常规的金属结构设计，它是包含材料设计和结构设计在内的一种新的结构设计方法，比金属结构设计要复杂。在复合材料结构设计时，可以从材料与结构两方面进行考虑，以满足各种设计要求、尤其是材料的可设计性，可使复合材料结构达到优化设计的目的。252、复合材料结构设计条件(1)结构性能要求一般来说，体现结构性能的主要内容有：1）结构所能承受的各种载荷。确保在使用寿命内的安全；2)提供装置各种配件、仪器等附件的空间。对结构形状和尺寸有一定的限制；3)隔绝外界的环境状态而保护内部物体。(2)载荷情况。分静载荷和动载荷。在静载荷作用下结构一般应设计成具有抵抗破坏和变形的能力，即具有足够的强度和刚度。在冲击载荷作用下应使结构具有足够抵抗冲击载荷的能力