聚合物基复合材料.ppt

聚合物基复合材料,目录,4.1 概述 4.2 聚合物基体4.3 纤维增强聚合物复合材料4.4 聚合物基复合材料的制备和加工4.5 聚合物复合材料的应用,4.1 概述,聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。,实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种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。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。,聚合物基发展史,4.2 聚合物基体,4.2.1 热固性树脂,4.2.1.1 不饱和聚酯,聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键。不饱和聚酯：含有非芳族的不饱和键,由不饱和二元羧酸或酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物。不饱和聚酯树脂：在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。,结构特点：,1、主链上含有脂键、不饱和双键。2、具有线性结构，线性不饱和聚酯。3、含有双键，可在加热、光照、高能辐射及引发剂作用 下与交联单体进行共聚，固化成具有三维网络的体型 结构。4、交联前后性能变化很大。取决于酸、醇的种类及数量。,不饱和聚酯的用途：,不饱和聚酯树脂作为玻璃钢复合材料基体树脂不饱和聚酯树脂作为涂料不饱和聚酯树脂作为胶粘剂,不饱和聚酯树脂的物理和化学性质,物理性质 不饱和聚酯树脂的相对密度在1.111.20左右，固化时体积收缩率较大，固化树脂的一些物理性质如下：(1)耐热性。绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都 在5060，一些耐热性好的树脂则可达120。(2)力学性能。不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度。(3)耐化学腐蚀性能。不饱和聚酯树脂耐水、稀酸、稀碱的性能较好，耐有机溶剂的性能差，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何开关的不同，可以有很大的差异。(4)介电性能。不饱和聚酸树脂的介电性能良好。,化学性质 不饱和聚酯是具有多功能团的线型高分子化合物，在其骨架主链上具有聚酯链键和不饱和双键，而在大分子链两端各带有羧基和羟基.主链上的双键可以和乙烯基单体发生共聚交联反应，使不饱和聚酯树脂从可溶、可熔状态转变成不溶、不熔状态。主链上的酯键可以发生水解反应，酸或碱可以加速该反应。若与苯乙烯共聚交联后，则可以大大地降低水解反应的发生。在酸性介质中，水解是可逆的，不完全的，所以，聚酯能耐酸性介质的侵蚀；在碱性介质中，由于形成了共振稳定的羧酸根阴离子，水解成为不可逆的，所以聚酯耐碱性较差。,聚酯链末端上的羧基可以和碱土金属氧化物或氢氧化物例如MgO，CaO，Ca(OH)2等反应，使不饱和聚酯分子链扩展，最终有可能形成络合物。分子链扩展可使起始粘度为0.11.0Pas粘性液体状树脂，在短时间内粘度剧增至103Pas以上，直至成为不能流动的、不粘手的类似凝胶状物。树脂处于这一状态时并未交联，在合适的溶剂中仍可溶解，加热时有良好的流动性.,4.2.1.2 环氧树脂,分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。,定义：,分子中含有两个或两个以上环氧基团的线型有机高分子化合物。环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构,特点：,相对分子质量不高，可与多种类型的固化剂发生交联反应形成三维网状聚合物。良好的粘结性能、力学性能、耐化学药品性、耐气候性、电绝缘性、尺寸稳定性优异。是复合材料的主要基体。,环氧树脂的特性,a、具有多样化的形式:各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。b、固化方便:选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在0180温度范围内固化。c、收缩率低：固化反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于2%）。d、黏附力强：分子链中固有的极性羟基和醚键，使对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。可做环氧结构胶。,e、力学性能高：固化后的环氧树脂体系具有具有很强的内聚力，分子结构致密，其力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯等通用型热固性树脂。f、电绝缘性：固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料，是热固性树脂中介电性能最好的品种之一。g、化学稳定性好:固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性，其耐腐蚀性优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。像固化环氧体系的其它性能一样，化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂，可以使其具有特殊的化学稳定性能。h、尺寸稳定性：上述的许多性能的综合，使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。i、耐霉菌：固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻的热带条件下使用。,环氧树脂的应用,土建材料 防腐地坪、防静电地坪、环氧砂浆和混凝土制品、高级路面和机场跑道、快速修补材料、加固地基基础的灌浆材料、建筑胶粘剂及涂料等,底涂一般是用来抹平地面，修补基层的一些问题，如粉化，鼓泡，同时还可以进行一定的防水处理，中涂是施工产品的重要表现，是耐磨还是防静电或者是其他要求，一般在中涂采用不同的材料和工艺，面涂一般是调色和保护作用。,修复桥梁结构,电子行业 高低压电器、电机、LED、电子元器件的绝缘及封装,4.2.1.3 酚醛树脂,优点：比环氧树脂价格便宜缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料。少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。,酚醛树脂的发展历史,1872年德国化学家拜尔首先合成了酚醛树脂。19051909年，美国科学家L.H.贝克兰对酚醛树脂及其成型工艺进行了系统的研究，1910年在柏林吕格斯工厂建立通用酚醛树脂公司，实现了工业生产。是最早合成的一类热固性树脂，也是最早工业化的热固性树脂。1911年J.W.艾尔斯沃思提出用六亚甲基四胺固化热塑性酚醛树脂，并制得了性能良好的塑料制品，获得了广泛的应用。1969年，由美国金刚砂公司开发了以苯酚甲醛树脂为原料制得的纤维，随后由日本基诺尔公司投入生产。酚醛树脂的生产至今不衰，2006年世界总产量约4015kt，居热固性树脂的首位。中国自40年代开始生产，2006年产量为450kt。,4.2.1.4 呋喃树脂,糠醛或糠醇本身进行均聚或与其它单体进行共缩聚而得到的缩聚产物，习惯上称为呋喃树脂。这类树脂的品种很多，其中以糠醛苯酚树脂、糠醛丙酮树脂及糠醇树脂较为重要。树脂具优良的耐热性、化学稳定性、硬度、防水性，主要用于化工厂。阻燃性能良好，但脆性大，粘结性差。,4.2.1.5 其他热固性树脂,1.聚酰亚胺树脂：分子链中含有酰亚胺基团的芳杂环聚合物，是一种半梯形环链结构聚合物。通式：,不同的芳基,聚酰亚胺对热和氧化十分稳定，并具有突出的耐辐射性和良好的电绝缘性，它可分为热固性和热塑性两种。是近年来发展较快的耐高温树脂，250度下可长期使用，无氧时可在300度下使用，零强度温度达800度。适于制造航空航天领域的复合材料。,有机硅树脂:,在有机硅聚合物中，具有实用价值和得到广泛应用的主要是由有机硅单体（如有机卤硅烷）经水解缩聚而成的主链结构为硅氧键的高分子有机硅化合物。这种主链由硅氧键构成，侧链通过硅原子与有机基团相连的聚合物，称为聚有机硅氧烷。,有机硅树脂则是聚有机硅氧烷中一类分子量不高的热固性树脂。用这类树脂制造的玻璃纤维增强复合材料，在较高的温度范围内（200250）长时间连续使用后，仍能保持优良的电性能，同时，还具有良好的耐电弧性能及憎水防潮性能。,有机硅树脂的性能如下：,（1）热稳定性 有机硅树脂的Si-O键有较高的键能（363kJ/mol），所以比较稳定，耐热性和耐高温性能均很高。一般说来其热稳定性范围可达200250，特殊类型的树脂可以更高一些。（2）力学性能 有机硅树脂固化后的力学性能不高，若在大分子主链上引进氯代苯基，可提高力学性能。有机硅树脂有机硅树脂/玻璃纤维层压板的层间粘接强度较差，受热时弯曲强度有较大幅度的下降。若在主链中引入亚苯基，可提高刚性、强度及使用温度。（3）电性能 有机硅树脂具有优良的电绝缘性能，它的击穿强度、耐高压电弧及电火花性能均较优异。受电弧及电火花作用时，树脂即使裂解而除去有机基团，表面剩下的二氧化硅同样具有良好的介电性能。,（4）憎水性 有机硅树脂的吸水性很低，水珠在其表面只能滚落而不能润湿。因此，在潮湿的环境条件下，有机硅树脂玻璃纤维增强复合材料仍能保持其优良的性能。（5）耐腐蚀性能 有机硅树脂玻璃纤维增强复合材料可耐浓度（质量）10%30%硫酸、10%盐酸、10%15%氢氧化钠、2%碳酸钠及3%过氧化氢。醇类、脂肪烃和润滑油对它的影响较小，但耐浓硫酸及某些溶剂（如四氯化碳、丙酮和甲苯）的能力较差。,三聚氰胺甲醛树脂：,三聚氰胺和甲醛缩聚而成，氨基塑料，大量用于制造模塑混合料、层压板材、黏合剂及其他材料，价格较昂贵。用玻璃纤维增强的三聚氰胺甲醛层压板具有高的力学性能、优良的耐热性和电绝缘性及自熄性。,脲醛树脂：,由甲醛和尿素合成，是最重要的氨基树脂（塑料），与酚醛树脂相比，价格便宜，色泽浅，气味小，具有较好的抗电弧性，但耐热性差，吸水量高。脲醛模塑混合料主要用来制作电器配件、瓶盖，泡沫塑料用于隔热材料等。,4.2.2 热塑性树脂,树脂分子链都是线型或带支链的结构，分子链之间无化学键,加热熔融、冷却后硬化，此过程可逆的，可反复加工成型，占塑料的70%以上。,热塑性树脂的基本性能,1、力学性能 决定合成树脂力学性能的结构因素有以下五个：大分子链的主价力；分子间的作用力；大分子链的柔韧性；分子量；大分子链的交联密度。热塑性树脂与热固性树脂在结构上的显著差别在于前者的大分子链为线型结构，而后者的大分子链为体型网状结构。由于这一结构上的差别，使热塑性树脂与热固性树脂相比在力学性能上有以下几个显著特点：具有明显的力学松弛现象；在外力作用下，形变的能力较大，即当应变速度不大时，可具有相当大的断裂延伸率；抗冲击性能好。,2、电学性能,热塑性树脂的电性能按其大分子的极性不同可分成以下几类：（1）非极性：这类树脂如聚乙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等。非极性树脂具有优异的绝缘性能，对腐蚀性介质稳定，可作为高频率的电解质。（2）弱极性：这类树脂如聚苯乙烯、聚异丁烯等。弱极性与极性的树脂可用于中频率的电工技术。（3）极性：这类树脂如聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。（4）强极性：这类树脂如聚酯。强极性树脂只能作为低频率的介电体。,热塑性树脂的应用,4.2.2.1 聚烯烃,聚烯烃树脂是一类发展最快、品种最多、产量最大的热塑性树脂，主要品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。,4.2.2.2 聚酰胺,聚酰胺商品名又称尼龙（Nylon）或锦纶。聚酰胺是主链上含有许多重复酰胺基团的一大类线型聚合物，品种很多。通常由-氨基酸或内酰胺开环聚合而得，或由二元酸和二元胺经缩聚反应而得。,缩聚聚合,开环聚合,聚酰胺分子链中的酰胺基团可以相互作用形成氢键，使聚合物有较高的结晶度和熔点。各种聚酰胺的熔点随高分子主链上酰胺基团的浓度和间距而变化，熔点相差较大，约在140280之间。聚酰胺的熔点虽较高，但其热变形温度都较低，长期使用温度低于80。,由于存在牢固的氢键，具有良好的力学性能，比抗张强度高于金属，比抗压强度与金属相近，可作为替代金属的材料。因聚酰胺分子中含有的酰胺基团极性大，故吸水率较高，电绝缘性能较差。抗张和抗压强度随吸湿量增加而降低，伸长率增加。尼龙在干态下的抗冲击强度较低，随含水量增加冲击性能提高。聚酰胺树脂用玻璃纤维增强后其热形温度会明显提高，线膨胀系数也会降低很多。GF增强抗张强度可提高2-3倍。,5.当采用玻璃纤维增强后，虽不能保证明显降低吸湿性，但可以明显改善使用性能。6.弹性模量的增加和蠕变性能的改善，能大大提高聚酰胺吸湿时的尺寸稳定性。聚酰胺对大多数化学试剂具有良好的稳定性，耐油性较好（如植物油、动物油及矿物油），对碱的稳定性亦较好，但不耐极性溶剂，如苯酚、甲酚等。,尼龙的应用,PA消费结构图,4.2.2.3 聚碳酸酯,聚碳酸酯是在分子链中含有碳酸酯的一类高分子总称。-(-O-R-O-CO-)n-根据R不同，可以是脂肪族、脂环族、芳香族、或脂肪族芳香族的聚碳酸酯但从物理性能和加工性来考虑，只有双酚A型的芳香族聚碳酸酯（PC）获得工业化和实际应用PC主链由柔软的碳酸酯链与刚性的苯环相连接而成为无定形热塑性树脂，透明，透光率87-91,主要性能：,相对密度为1.20，熔点为220230，可溶于二氯甲烷、间甲酚、环己酮和二甲基酰胺等，在乙酸乙酯、四氢呋喃和苯中溶胀。力学性能十分优良，尤其是极好的抗冲击性能，抗冲击强度是热塑性塑料中最好的一种，注射模塑材料的冲击韧性大于20kJ/，断裂伸长率为60%，弯曲弹性模量2.22.5GPa。热变形温度达到130140，加GF后HDT可达150-160，具有良好的耐寒性，脆化温度为-100，使用温度范围-100-135。,它的吸水率很低，在较广的温度范围和潮湿条件下，仍具有较好的介电性能。具有良好的电性能以及耐寒、耐热、自熄等特点，是性能最优异的热塑性塑料之一。制品容易产生应力开裂，耐溶剂、耐碱性能差，高温易水解，摩擦因素大，无自润滑性，耐磨性和耐疲劳性都较低。PC作为基体树脂可以和各种纤维、填料复合成各种功能、增强复合材料，如导电、增强、高抗冲、半透明复合材料等。,聚碳酸酯的应用,PC消费结构图,4.2.2.4 聚甲醛,分为甲醛的均聚物和与少量其他单体共聚的共聚甲醛两种。主要为共聚聚甲醛，因为合成工艺简单，易于成型加工。是一种没有侧链、高密度、高结晶性的线型聚合物，具有优异的综合性能。熔融温度为180 左右，脆化温度为-40，可在-40-100下长期使用。,聚甲醛的力学性能相当好，它具有较高的强度的弹性模量，摩擦系数小，耐磨性能好。聚甲醛还具有高度抗蠕变和应力松弛的能力。聚甲醛尺寸稳定性好，吸水率很小，所以吸水率对其力学性能的影响可以不予考虑。聚甲醛有较好的介电性能，在很宽的频率和温度范围内，它的介电常数和介质损耗角正切值变化很小。聚甲醛的耐热性较差，在成型温度下易降解放出甲醛，一般在造粒时加入稳定剂。若不受力，聚甲醛可在140下短期使用，其长期使用温度为85。聚甲醛耐气候性较差，经大气老化后，一般性能均有所下降。但它的化学稳定性非常优越，特别是对有机溶剂，其尺寸变化和力学性能的降低都很少。受强酸侵蚀，耐候性差，粘结性差，热分解与软化温度接近，故熔融加工困难。,聚甲醛的应用,POM消费结构图,4.2.2.5 氟树脂,氟树脂是一类由乙烯分子中氢原子被氟原子取代的后的衍生物合成的聚合物。氟树脂的分子链结构中由于有C-F键，碳链外又有氟原子形成的空间屏蔽效应，故其具有优异的化学稳定性、耐热性、介电性、耐老化性和自润滑性等。主要的品种有聚四氟乙烯（PTFE）、聚三氟氯乙烯（PCTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚氟乙烯（PVF），其中聚四氟乙烯占90%以上等。,聚四氟乙烯能在-250260长期连续使用，它不溶解或溶胀于任何已知的溶剂，即使在高温下，王水对它也不起作用，俗称塑料王。它还具有极低的静摩擦系数以及优异的润滑性、阻燃性和耐大气老化性能等，聚四氟乙烯是塑料中摩擦因数最小者。但不容易成型加工，需用类似于粉末冶金法冷压与烧结相结合的方法加工。聚三氟氯乙烯长期使用的温度范围低于聚四氟乙烯，为-200200，但具有较高的硬度、较低的渗透性和良好的耐蠕变性，并且更容易成型加工。,聚偏氟乙烯长期使用温度范围为-40150，其拉伸强度、抗压强度都比聚四氟乙烯高得多，是氟树脂中韧性最好的一种，并且可用于一般热塑性塑料的加工方法进行加工成型。聚氟乙烯最高使用温度为120，具有氟树脂中最高的拉伸强度和最低的气体透过系数，和极优异的耐气候性，在大气中使用寿命长达25年，是一种极优的耐老化材料。表面敷贴有聚氟乙烯薄膜的玻璃纤维增强复合材料可大大提高室外使用寿命。,氟树脂的应用,4.3纤维增强聚合物复合材料,纤维增强材料 在现代复合材料的发展历史中，纤维增强材料是最大的功臣，也可以说是现代复合材料的支柱。最早使用的复合材料就是玻璃纤维增强塑料，至今在高技术新材料领域纤维增强复合材料仍然在发挥重要的作用。为了进一步提高复合材料的性能，纤维增强材料的研究与开发显得特别活跃，先后开发出几十种纤维增强材料。主要有玻璃纤维、芳纶纤维（kevlar纤维）、尼龙纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及金属纤维（如钨、钼、不锈钢丝等）。其中在各类复合材料中得到大量使用的是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。,4.3.1 玻璃纤维增强热塑性塑料,玻璃纤维是由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。性能优异的无机非金属材料，应用广泛。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。,性能特点：玻璃纤维的密度在2.4-2.8 g/cm3之间，抗拉强度在3-4.6GPa之间（为高强度钢的2-3倍），弹性模量在70-110GPa（与铝和钛合金模量相当），但比强度为12.5-18.4106cm（为高强度钢的6-10倍），比模量为2.84.0107cm（略高于高强度钢）不燃、耐高温、电绝缘、热膨胀系数小、化学稳定性好。可用来制作绝缘材料，纤维内窥镜、光导纤维，还可以做复合材料的增强材料。,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1.11.6之间，为钢材的1516；比强度高，蠕变性大大改善。,4.3.1.1 玻璃纤维增强聚丙烯,玻璃纤维增强聚丙烯(代号FRPP)，特点是机械强度大大提高，当短切玻璃纤维增加到3040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FRPP，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。,4.3.1.2 玻璃纤维聚酰胺,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(代号FRPA)的品种很多。有玻璃纤维增强尼龙6(FRPA6)、玻璃纤维增强尼龙66(FRPA66)、玻璃纤维增强尼龙1010(FRPA1010)等。玻璃纤维的含量达到3035时，其增强效果最为理想，抗拉强度可提高23倍，抗压强度提高1.5倍，最突出的是耐热性提高幅度最大。,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。,4.3.1.3 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。,4.3.1.4 玻璃纤维增强聚碳酸酯,玻璃纤维增强聚碳酸酯聚(代号PC)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，P比P的耐疲劳强度提高23倍，耐应力开裂性能可提高68倍，耐热性比P提高1020，线膨胀系数缩小为1.62.410，因而可制成耐热的机械零件。,4.3.1.5 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209250MPa，耐疲劳强度达52MPa。耐热性提高最大，PET的热变形温度为85，PRPFT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FRPA6，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。,4.3.1.6 玻璃纤维增强聚甲醛,玻璃纤维增强聚甲醛(代号PO)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P的抗拉强度为纯PM的两倍、弹性模量为纯PM的三倍，耐疲劳强度为纯PM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。,4.3.2 破璃纤维增强热固性塑料,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。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。,玻璃纤维增强环氧树脂,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12，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。,玻璃纤维增强酚醛树脂,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。,玻璃纤维增强聚酯树脂,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6080，可制作采光瓦。价格便宜。不足之处是固化时收缩率大，可达48，耐酸、碱性差，不宜制作耐酸碱的设备及管件。,4.3.3 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。,4.3.3.1 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。,4.3.3.2 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。,4.3.3.3 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。,4.3.3.4 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。,4.3.4 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。,4.4 聚合物基复合材料的制备和加工,复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定适于成型固化工艺。所谓成型固化工艺包括两方面的内容，一是成型，这就是将预浸料根据产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状。二是进行固化，这就是使已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预计的性能要求。,生产中采用的成型方法有：,(1)手糊成型湿法铺层成型。(2)真空袋压法成型。(3)压力袋成型。(4)树脂注射和树脂传递成型。(5)喷射成型。(6)真空辅助树脂注射成型。(7)夹层结构成型。(8)模压成型。(9)注射成型。(10)挤出成型。(11)纤维缠绕成型。(12)拉挤成型。(13)连续板材成型。(14)层压或卷制成型。(15)热塑性片状模塑料热冲压成型。(16)离心浇铸成型。上述(9)(10)，(15)为热塑性树脂基复合材料成型工艺，分别适用于短纤维增强和连续纤维增强热塑性复合材料两类。,1.预浸料及其制造方法,预浸料通常是指定向排列的连续纤维(单向、织物)等浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。（1）热固性预浸料制造 根据浸渍设备或制造方式不同，热固性FRP预浸料的制造分轮鼓缠绕法和阵列排铺法；按浸渍树脂状态分湿法(溶液预浸法)和干法(热熔预浸法)。,（2）热塑性预浸料制备：,连续纤维被切成一定长度的短纤维，散落在连续输送的涂有含填料的糊状树脂的塑料薄膜上，将含有纤维、填料和树脂混合物的塑料薄膜卷绕起来就成为片状模塑料（SMC）。,2.手糊成型工艺,手糊工艺：是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。工艺过程：先在磨具上涂刷一层脱膜剂，然后加入含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡，再涂刷树 脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后再固化、脱膜、修边，得到复合材料制品。手糊成型工艺在世界各国复合材料工业生产中，仍占用很大的比例，如美国占35%，西欧占25，日本占42；中国占75%。这说明接触低压成型工艺在复合材料工业生产中的重要性和不可替代性。,手糊成型示意图,3.喷射成型工艺,喷射成型一般是将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧测(或在喷枪内混合)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。持沉积到一定厚度，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。,4.袋压成型工艺,袋压成型是将手糊成型的未固化制品，通过橡胶袋或其它弹性材料向其施加气体或液体压力，使制品在压力下密实，固化。袋压成型法的优点是：产品两面光滑；能适应聚酯、环氧和酚醛树脂；产品重量比手糊高。袋压成型分压力袋法和真空袋法2种：压力袋法：压力袋法是将手糊成型未固化的制品放入一橡胶袋，固定好盖板，然后通入压缩空气或蒸汽（0.250.5MPa），使制品在热压条件下固化。真空袋法：是将手糊成型未固化的制品，加盖一层橡胶膜，制品处于橡胶膜和模具之间，密封周边，抽真空（0.050.07MPa），使制品中的气泡和挥发物排除，制品表面更加致密。,5.模压成型工艺,模压成型工艺:是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。是广泛使用的对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。,6.缠绕成型工艺,一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上。常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。是一种生产各种尺寸回转体的简单有效的方法。,7.拉挤成型工艺,将浸渍过树脂液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面和长度不受限制的复合材料型材的方法。,4.5 聚合物复合材料的应用,目前应用的复合材料主要有金属基、陶瓷基和聚合物基三个大类，由于前两类复合材料价格昂贵，主要用于宇航、航空工业部门，一般工业应用尚不多见。在三类复合材料中，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。,4.5.1 玻璃纤维增强塑料(GFRP)的应用,(1)GFRP在石油化工工业中的应用 石油化工工业利用GFRP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。聚酯和环氧GFRP均可做输油管和储油设备，以及天然气和汽油GFRP罐车和贮槽。海上采油平台上的配电房可用钢制骨架和GFRP板组装而成。板的结构是硬质聚氨酯泡沫塑料加GFRP蒙面。这样的材料质轻、强度高、刚度好，而且包装运输也很方便。能合理利用平台的空间并减轻载荷，同时还有较好的热和电的绝缘性能。化学工业生产也是离不开GFRP的。用GFRP制成的风机叶片，不仅延长了使用的寿命，而且还大大地降低了电耗量。,(2)GFRP在建筑业中的应用 建筑业使用GFRP，主要是代替钢筋、树木、水泥、砖等。并己占有相当的地位。其中应用最多的是GFRP透明瓦，这是一种聚酯树脂浸渍玻璃布压制而成的。波形瓦主要用于工厂采光，其次是作街道、植物园、温泉、商亭等的顶篷，GFRP板应用于货栈的屋顶、建筑物的墙板、天花板、太阳能集水器等，还可用GFRP制成饰面板、圆屋顶、卫生间、浴室、建筑模板、门、窗框、洗衣机的洗衣缸、储水槽格、管内衬、收集贮罐和管道减阻器等。(3)GFRP在造船业中的应用 用GFRP可制造各种船舶，如赛艇、警艇、游艇、碰碰船、交通艇、救生艇、帆船、鱼轮、扫雷艇等。,(4)GFRP在铁路运输上的应用 GFRP在铁路上主要是用在造车生产中。铁路车辆有冲多部件可以用GFRP创造，如内燃机车的驾驶室、车门、车窗、框、行里架、座椅、车上的整体厕所等。(5)GFRP在汽车制造业中的应用GFRP除制造汽车的外壳外还可制造汽车上的许多零件和部件，如汽车底盘、车门、车商、车座、发动机罩以及驾驶室。从1958年开始我国就开始研制GFRP汽车外壳，近年来、我国许多城市已经使用了GFRP制成的汽车外壳及其零部件，这种汽车制造方法简尽、力便、省工时、省劳力，可降低造价，同时汽车自重轻，外观设计美观，保温隔热效果好。也可以用GFRP创造卡车的贺驶室的顶盖、风窗、发动机罩、门框、仪表盘等。,(6)GFRP在冶金工业中的应用 耐腐蚀性的容器、管道、泵、阀门等设备，GFRP烟囱。(7)GFRP在宇航工业中的应用 飞机上的雷达罩，机身、机翼、螺旋桨、起落架、尾舵、门、窗等。GFEP在导弹和火箭上的应用也很多。(8)GFRP在其它部门的应用,玻璃纤维增强热塑性塑料(FRTP)的应用,1.玻璃纤维增强聚丙烯(代号FRPF)，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可代替金属用。主要应用于汽车、电风扇、洗衣机零部件，油泵阀门、管件、泵件、叶轮，油箱、电话机齿轮、农用喷雾器筒身、气室等。2.玻璃纤维聚欧肢(代号P、ItIIA)、玻璃纤维聚酰胺可用宋代替有色金属制造原为有色金属的轴承舶承架、仍轮、精密机器零件、电器零件、汽车零件等c在船舶制造中，对代秽金属制成螺旋桨。还可制造洗衣机的壳体及零部件,3玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料、该类塑料主要用于制造汽车内部的零部件、家用电器的零部件、线圈骨架、矿用蓄电池壳和照相机、放映机、电视机、录音机、空调等机壳和底盘等。4玻璃纤维增强聚碳酸酯(代号FRPC)玻璃纤维增强聚碳酸酯主要应用于机械工业和电器工业方面，近年来在航空工业方面也有所发展。5.玻璃纤维增强聚酯，玻璃纤维增强聚酯主要用于制造电器零件、特别是那些在高温、高机械强度条件下使用的部件，例如印刷线路板、各种线圈骨架、电视机的高压变压器、硒整流器、配电盘、集成电路罩壳等。,6玻璃纤维增强聚甲醛(代号RFPOM)，玻璃纤维增强聚甲醛可用来代替有色金属及其合金，制造要求耐磨性好的机械零件，例如传动零件、轴承；轴承支架、齿轮、凸轮等。7玻璃纤维增强聚苯醚(代粤FRPPO)，它的电绝缘性也是工程塑料中居第一位的，