聚合物基复合材料-李珍-轻化101

复合材料概论论文

题目：聚合物基复合材料

姓名：李珍

学院：纺织服装学院

班级：轻化101

学号：3100302124

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聚合物基复合材料

摘要：:聚合物基复合材料有许多突出的性能和工艺特点，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；具有多种功能性。聚合物基复合材料的结构和性能存在广泛的灵活关系，通过不同的工艺控制，可以形成不同的结构形态，从而获得目标性能。

关键字：聚合物基 复合材料 制备 性能 应用

引言：材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的四大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。而树脂基复合材料于1932年在美国出现，1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机，并于1944年3月在莱特-帕特空军基地试飞成功。从此纤维增强复合材料开始受到军界和工程界的注意。第二次世界大战以后这种材料迅速扩展到民用，风靡一时，发展很快。1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961年片状模塑料（Sheet Molding Compound, 简称SMC）在法国问世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、船的壳体以及卫生洁具等大型制件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。拉挤成型工艺的研究始于50年代，60年代中期实现了连续化生产，在70年代拉挤技术又有了重大的突破，近年来发展更快。除圆棒状制品外，还能生产管、箱形、槽形、工字形等复杂截面的型材，并还有环向缠绕纤维以增加型材的侧向强度。上前拉挤工艺生产的制品断面可达76cm×20cm。在70年代树脂反应注射成型（Reaction Injection Molding, 简称RIM）和增强树脂反应注射成型（Reinforced Reaction Injection Molding, 简称RRIM）两种技术研究成功，进一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁，现已大量用于卫生洁具和汽车的零件生产。1972年美国PPG公司研究成功热塑性

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片状模型料成型技术，1975年投入生产。这种复合材料最大特点是改变了热固性基体复合材料生产周期长、废料不能回收问题，并能充分利用塑料加工的技术和设备，因而发展得很快。制造管状构件的工艺除缠绕成型外，80年代又发展了离心浇铸成型法，英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。中国的复合材料起始于1958年，首先用于军工制品，而后逐渐扩展到民用。1958年以手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹，1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚醛树脂烧蚀防热弹头，1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座直径44m的雷达罩。自70年代以后玻璃钢复合材料逐渐转向民用。1981年复合材料的年产量为1.5万吨，到1986年达到6.5万吨，年增长率为13%。1987年以后受到国内原材料品种数量不足的影响，发展曾一度停滞，在此期间，在国家改革开放政策的指导下，大量引进国外先进技术。20世纪出现的高性能塑料和复合材料，以历史上少有的发展速度渗透到国民经济和人们生活的各个领域，成为传统材料的替代品，并显示出奇特的优异性能。现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。而聚合基复合材料具有比强度、高比模量、耐温性好、抗疲劳性能好、热膨胀系数小等特点，更适合高要求的结构使用。先进复合材料性能虽然优良，但价格相对较高，主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品等。 正文

聚合物基复合材料是由增强材料和基体材料复合材料而成的。纤维复合材料在成型过程中，基体与增强纤维通过一定的物理和化学变化，复合成为具有特定形状的整体。基体主要有3个作用：基体通过其与纤维间的界面以剪应力的形式向纤维传递载荷；保护纤维材料免受外界环境的化学作用和物理损伤；将纤维彼此隔开，这样，即使个别纤维断裂，裂纹也不会迅速从一根纤维扩展到其它纤维，

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阻止纤维断裂的裂纹传递。复合材料的许多性能，如横向拉伸性能、压缩性能、剪切性能、耐湿性能和介电性能等均与基体有着密切的关系。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。

1.1 聚合物基体

在纤维增强复合材料中，要求基体对纤维有良好的粘结性，以使两者之间形成完整的界面。一般纤维的表面常含有羰基、羧基和羟基等极性基团，基体应用具有与之能够反应工相适应的基团，以便在复合时形成化学键或范德华作用，在基体与纤维之间构成一个完整的界面。同时，基体的弹性模量和断裂伸长率等指标应与所用增强纤维相匹配，使复合材料显示出良好的机械性能。此外，基体还应有良好的加工工艺性能，如良好的流动性、浸润性、成型性等。只有这样，基体与纤维才能结合成为一个整体，相互协同作用，使复合材料具有良好的强度、刚度和韧性，能够用于各种需要场合。而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。

1.1.1 热塑性树脂基体

原则上．所有的热塑性树脂，如聚烯烃、聚醚、聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜等都可作为复合材料基体。

普通的热塑性基体包括通用塑料，如聚丙烯(PP)、ABS树脂和工程塑料等。它们通常用20一40％的短纤维增强，拉伸强度和弹性模量可提高1—2倍，可明显改善蠕变性能，提高热变形温度和导热系数，降低线膨胀系数，增加尺寸稳定性，降低吸湿率，抑制应力开裂、提高疲劳性能。这些短纤维增强的热塑性塑料作为工程材料广泛用于机械零部件、汽车、化工设备等。

聚醚砜(PES)是一种非晶聚合物，其玻璃化转变温度高达225nC，可在1800c温度下长期使用。但是，由于PES的耐溶剂性差，限制了它在飞机结构等领域的应用，但PES基复合材料的在电子产品、雷达天线罩、靶机蒙皮等方面得到大量应用，它也可用于宇宙飞船的关键部件。

聚酰胺商品名又称尼龙（Nylon）是一种熔体粘度很高的热塑性树脂，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ω-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。

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缩聚聚合

1.1.2热固性树脂基体

热固性基体(不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等)在连续纤维增强树脂基复合材料中一直占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，约占总量的80％，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀性或先进复合材料基体。

不饱合聚酯树脂是由不饱合二元酸或酸酐、饱合二元酸或酸酐与二元醇经缩聚反应合成的低聚物。

将其溶解在乙烯类单体中所形成的溶液称不饱合聚酯树脂。通用不饱合聚酯是由顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐与I，2—丙二醉合成的，溶于苯乙烯中得到低粘度树脂。UP的固化是由聚酯中的双键，在引发剂(如过氧化物)作用下与固化剂苯乙烯(或MMA)共聚形成高交联度的三维网状结构而完成的。不饱合聚酯的性能取决于单体类型和比例，饱和二元酸与不饱和二元酸比例越大，则树脂韧性越好，但耐热性越差。UP是目前复合材料领域中用量最大约一类树脂基体，其牌号繁多、用途广泛，可根据制品性能要求及成型工艺方法的不同，选用不同种类树脂，可适用于手糊、模压、缠绕、拉挤等各种工艺。

与环氧比较，不饱合聚酯树脂的固化收缩率较大、耐热性较差，但由于它的价格较便宜，制造也较方便，因而作为通用复合材料加GF／UP玻璃钢仍占市场主导地位。广泛用于电器、建筑、防腐、交通等许多领域。

环氧树脂(EP)是—种分子中含有两个或两个以上活性环氧基团的低聚物。环氧树脂具有适应性强(可选择的品种、固化剂、改性剂等种类很多)、工艺性好、粘接力大、成型收缩率低、化学稳定性好等优点．因而其用量大，使用广泛。

环氧树脂的固化可以通过催化剂使环氧基相互连接而固化，即与环氧基反应

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2.1 聚合物基复合材料的性能

2.1.1力学性能

（1）拉伸性能

单向增强树脂基复合材料沿纤维方向的拉伸强度及拉伸模量均随纤维体积含量的增大而正比例增加；短切纤维和玻璃布增强的复合材料层合板来讲，其拉伸强度及拉伸模量不与纤维体积含量成正比例增加，但随着纤维体积含量的增加而提高。 （2）压缩性能

树脂基复合材料的压缩破坏取决于基体材料的破坏，而拉伸破坏取决于纤维增强材料的破坏。因此，提高树脂基复合材料压缩性能应着眼于选用压缩强度较高的树脂基体。 （3）弯曲性能

纤维增强复合材料的弯曲强度和弯曲弹性模量都随体积含量的上升而提高，而且依纤维增强材料的种类、铺层方式、纤维织物种类的不同而异。纤维增强树脂基复合材料的弯曲破坏首先表现为增强纤维与集体界面的破坏，其次是基体材料的破坏，最后才是增强材料的破坏。 （4）剪切性能

纤维增强树脂复合材料的层间剪切强度与纤维含量有关，实验表明，随纤维含量增大，复合材料的剪切弹性模量上升，剪切特性亦呈现方向性。

2.1.2冲击强度

纤维增强树脂基复合材料的冲击特性取决于成型方法和增强材料的形态，不同成型方法的制品的冲击强度不同。纤维缠绕制品的冲击性能最佳，约500kJ/m2；

模压成型次之，约50~100kJ/m2；手糊成型和注射成型较低，在10~30kJ/m2之间；玻璃布增强树脂基复合材料的冲击性能在200~300kJ/m2左右，玻璃毡增强的复合材料则在100~200kJ/m2之间。 此外，纤维的体积含量、种类、基体材料及界面黏结状况等因素会影响复合材料的冲击强度。实验表明，纤维含量越高，冲击强度提高；而疲劳次数增加，冲击强度也会降低。

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2.1.3物理性能

（1）电学性能

纤维增强树的电性能一般介于纤维和树脂的电性能之间，因此改善纤维或树脂的电性能对于改善复合材料的电性能是有益的。树脂基复合材料的电性能对于纤维与树脂的界面黏结状态并不敏感；但杂质尤其是水分对其影响很大。石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维的介电性最佳；无碱玻璃纤维的电绝缘性优良；碳纤维属于半导体材料，其导电性能随热处理温度的升高而提高。

树脂的电性能与其分子结构密切相关。一般而言，分子极性越大，电绝缘性越差；分子中极性基团的存在以及分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，也影响着树脂的电性能。 （2）温度特性

纤维增强树脂基复合材料具有较低的热导率，因此树脂基复合材料具有良好的隔热性能，可作隔热材料使用；

纤维增强树脂基复合材料具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。复合材料的热膨胀系数取决于树脂基体的热膨胀系数，还与纤维的含量有关，纤维含量越高，其热膨胀系数越小，而且沿纤维方向上膨胀最小。

树脂基复合材料的热变形温度和耐热温度很低，例如各种复合材料的热变形温度在100~200℃之间，耐热极限大多不超过250 ℃。因此，一般来说纤维增强树脂基复合材料的耐热性不好。提高复合材料耐热性能的关键在于基体材料的选择上，如脂肪族环氧树脂、聚酰亚胺树脂等，可使材料的使用温度提高到250 ℃以上。 （3）阻燃性能

当纤维树脂基复合材料接触火焰或热源时，温度升高，进而发生热分解、着火、持续性燃烧等现象。

阻燃性复合材料即指采用阻燃自熄或燃烧无烟的树脂制造的复合材料，其阻燃性主要取决于树脂基体。制作阻燃复合材料时，要在树脂分子中引入卤素，或掺入含锑、磷等元素的化合物。

3.1聚合基复合材料的应用

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。

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3.1.1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，聚脂和环氧GFRP均可做输油管和储油设备，以及天然气和汽油LFBP罐车和贮槽。海上油田不可缺少的海水淡化及污水处理装置可用玻璃钢制造管道。在化工生产过程中，经常产生各种强腐蚀性的物质。所以一般不能采用普通钢制造设备或管道，而需要耐腐蚀的环氧GERP和酚醛GRBP来制造。大型冷却塔的导风机叶片以及各种耐腐蚀性酌贮槽、贮罐、反应设备、管道、阀门、泵、管件等。用GFRP制成的风机叶片，不仅延长了使用的奉命，而且还大大地降低了电耗量。如发电厂锅炉送风机、轴流式风机，装GFRP叶片的比装金属叶片的离心式风机，平均每台每天节电2500kwh．一年可节电91万Kw·h。我国每年生产各类风机10万台．如果全部换上玻璃钢叶片，节约能量就相当可观了。建筑业中使用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。

3.1.2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了金属使用。主要应用于汽车、电风扇、洗衣机零部件，油泵阀门、管件、泵件等。玻璃纤维聚酰胺可用来代替有色金属．制造原为有色金属的轴承舶承架、齿轮、精密机器零件、电器零件、汽车零件等。玻璃纤维增强聚苯乙烯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。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。玻璃纤维增强聚脂，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、电视机的商压变压器、硒整流器、配电敛、集成电路罩壳等。

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3.1.3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、无线构架是非常理想的—种材料。用它制造的人造卫星和火箭的飞行器，不仅机械强度高，而且重量比金属轻一半，这意昧着可以节省大量的燃料，因为飞行器增加一公斤就会消耗数字可观的燃料。用它制造火箭和导弹的发动机的壳体，可比金属制的重量减轻45％，射程由原来的1600km增加到4000km；用它制造个宙飞船的助推器推力结构时，可比金属制造的飞船减轻26％，还可用它制飞行器上的仪器设备的台架、齿轮等。也可制造飞行器的外壳，因它有防宇宙射线的作用。飞行器穿过大气层时，由于与空气摩擦，产生了大量的热．使飞行器外表面的温度高达4000～6000度，因此飞行器的外表面须加防热层．这种材料就是采用最好的合金或陶瓷也无法承担。目前还没有—种材料的熔点达到4000度以上，而采用碳纤维增强的酚酪塑料就能够胜任。Kevlar—29增强塑料在要求非常高的拉神强度、低延伸率、电气绝缘性、耐反复疲劳性、耐蠕变性及高的强韧性等领域，可代替拉伸机构和电缆类。此外安全手套、防护衣、耐热衣等劳动保护服也是开芙拉—29的重要用途之一。碳化硅纤维增强塑料可用来制造飞机的门、降落传动装置箱、机翼等。

3.1.4其他纤维增强塑料的应用

石棉纤维增强聚丙烯，由于石棉纤维和聚丙烯的电绝缘性都好，所以复合以后电绝缘性仍然很好、因此主要用作制造电器绝缘件的材料。矿物纤维增强塑料主要用于制造耐磨材料。

4.1聚合基复合材料的展望

飞机结构件大规模使用复合材料，是现代飞机制造史上的一次革命性变化。它使得飞机的重量更轻、强度更高以及耐疲劳耐腐蚀性能更好，而且复合材料中的高强度碳纤维实现大规模工业化生产后，可以使飞机的制造成本更低。同时在计算机技术、激光、C扫描等先进科技的配合下，用复合材料制造的飞机结构件的质量要求能够更加可靠地保证飞机的安全性能。根据波音和空客公开的研究资料表明，到2020年它们的飞机结构件将全部采用复合材料，但是国产先进复合

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材料的性能、质量、规格、价格以及供货能力等方面还远不能满足国防、航空航天以及民用发展领域的需求。为了缩小与国际先进水平的差距，我国现在开始抓复合材料的预研。未来先进复合材料的研发热点有以下几点： （1）原材料技术

基体和增强体等原材料是发展先进复合材料的基础和前提,而增强纤维技术最为重要。到目前为止,我国要稳定生产模量> 700 GPa和强度> 5. 5 GPa的高模高强碳纤维,仍是非常困难的。 （2）低成本技术

在过去多年中,复合材料的研究重点放在材料性能和工艺改进方面上,但目前及未来几十年的重点将是是复合材料的低成本技术,低成本技术的开发和应用将是复合材料研发的主流方向。 （3）新型复合材料

新型航空航天器的发展不断寻求高效能、低成本、长寿命、高可靠性能,对其材料与结构的综合性能要求也越来越高。为此在现有材料性能得基础上继续挖掘先进材料的潜力,一批批新型复合材料应运而生。

综上所述，我国现阶段以及未来几十年里必须重点解决先进复合材料研制中的关键问题,发展我国的优势材料,通过国家与企业协同研发,自主创新,使我国成为复合材料强国。在满足国防、航空航天领域需求的前提下不断促进向民用领域拓展。

5．1总结

聚合物基复合材料及其产业的发展已成为２１世纪新材料技术发展最为重要的方向之一，由于其结构与功能的可设计性，人类对其的期望值越来越高。高性能复合材料与传统材料不同，从材料的设计、原材料的取舍、材料的制备、加工工艺到应用的终端是一个系统工程。原材料是复合材料的基础，低成本是复合材料拓展利用的前题，设计理论是复合材料利用与成长的支持与保障，这些是制约复合材料成长的３个“瓶颈”问题。开发质量稳定的高性能纤维与专用树脂及相关配合料，开拓高性能纤维在复合材料领域的应用，降低成本，解决原材料、工艺、设计、评价等方面一系列的科学与技术问题，是全部材料界同仁所肩负的重担；国内有关部门和材料工作者应配合全力，达成“我国由新材料大国向新材料强国改变”的目的。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7hht.html