聚合物基復(fù)合材料初稿1

1、二、復(fù)合材料的基本理論 增強(qiáng)機(jī)理 1、纖維增強(qiáng) 指由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性纖維作增強(qiáng)體與韌性基體 或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。 復(fù)合材料的基本理論 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理： 1、增強(qiáng)纖維因直徑較小，產(chǎn)生裂紋的幾率降低。 2、纖維的表面受到基體的保護(hù)，不易在承載中 產(chǎn)生裂紋，增大承載力。 3、基體能阻止纖維的裂紋擴(kuò)展。 4、基體對纖維的粘結(jié)作用、基體與纖維之間的摩擦 力，使得材料的強(qiáng)度大大提高。 無機(jī)非金屬基無機(jī)非金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)相是具有強(qiáng)結(jié)合鍵復(fù)合材料增強(qiáng)相是具有強(qiáng)結(jié)合鍵 玻璃纖維阻止裂紋的產(chǎn)生，使脆性降低。玻璃纖維阻止裂紋的產(chǎn)生，使脆性降低。 高分子基高分子基復(fù)合材料中纖維增

2、強(qiáng)相有效阻止基體分子復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相有效阻止基體分子 鏈的運(yùn)動；鏈的運(yùn)動； 金屬基金屬基復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相有效復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相有效 阻止位錯運(yùn)阻止位錯運(yùn) 動而強(qiáng)化基體。動而強(qiáng)化基體。 鎢纖維銅基復(fù)合材料中的裂紋在銅中擴(kuò)展受阻 碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料斷裂 時纖維斷口電子掃描照片 纖維復(fù)合材料的復(fù)合原則 1、增強(qiáng)纖維有高于基體的強(qiáng)度和模量。 3、纖維應(yīng)有一定的含量、尺寸和分布。 2、纖維與基體之間有良好的相容性。 4、兩者間不發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng) 增強(qiáng)纖維的形狀、分布及數(shù)量等均影響復(fù)合材料的性能增強(qiáng)纖維的形狀、分布及數(shù)量等均影響復(fù)合材料的性能 (a) (a) 數(shù)量數(shù)量 (b) (b) 大小

3、大小 (c) (c) 形狀形狀 (d) (d) 分布分布 and (e) and (e) 取向取向 復(fù)合材料的基本理論 增強(qiáng)機(jī)理 2、顆粒增強(qiáng) 指由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性顆粒作增強(qiáng)體 與韌性基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。 納米微細(xì)硬顆粒彌散增強(qiáng)，微米顆粒增強(qiáng)。 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的種類： 復(fù)合材料的基本理論 彌散強(qiáng)化復(fù)合材料中彌散顆粒種類 金屬氧化物 碳化物 硼化物 復(fù)合材料的基本理論 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理： 彌散分布基體中的硬顆粒可以有效地阻止 位錯運(yùn)動，產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。 復(fù)合材料的基本理論 增韌機(jī)理 3、纖維增韌 由于定向、取向或無序排布的纖維加入，使得 復(fù)合材料的韌性

4、得到顯著提高。 纖維吸收裂紋尖端能量是靠晶須斷裂及晶須從機(jī) 體中拔出實(shí)現(xiàn)的。要求用于補(bǔ)強(qiáng)的纖維具有較高的強(qiáng) 度且能與基體有良好的粘結(jié)。 晶須增韌前后裂紋生長變化晶須增韌前后裂紋生長變化 復(fù)合材料的基本理論 增韌機(jī)理 顆粒增韌 增韌的機(jī)理主要包括相變增韌、裂紋轉(zhuǎn)向 增韌和分叉增韌。 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料 n 聚合物基體材料聚合物基體材料 熱固性基體材料：熱固性基體材料：環(huán)氧樹脂、不飽和聚脂樹脂環(huán)氧樹脂、不飽和聚脂樹脂、熱固性、熱固性 酚醛樹脂等。酚醛樹脂等。 熱塑性基體材料：熱塑性基體材料：聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、熱塑性酚聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、熱塑性酚 醛樹脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮等

5、醛樹脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮等 n 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料 主要指纖維增強(qiáng)：主要指纖維增強(qiáng)：玻璃纖維、玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、其他碳纖維、芳綸纖維、其他 無機(jī)纖維（硼纖維、氧化鋁纖維）等無機(jī)纖維（硼纖維、氧化鋁纖維）等 n 聚合物基復(fù)合材料的加工成型技術(shù)聚合物基復(fù)合材料的加工成型技術(shù) （一）概念（一）概念 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料是以有機(jī)聚合物為基體，纖維類增強(qiáng)材是以有機(jī)聚合物為基體，纖維類增強(qiáng)材 料為增強(qiáng)劑的復(fù)合材料。料為增強(qiáng)劑的復(fù)合材料。 纖維的高強(qiáng)度、高模量的特性使它成為理想的承載體。基纖維的高強(qiáng)度、高模量的特性使它成為理想的承載體?；?體材料由于其粘結(jié)性能好，把纖維牢固的粘結(jié)起來，

6、同時，體材料由于其粘結(jié)性能好，把纖維牢固的粘結(jié)起來，同時， 基體又能使載荷均勻分布，并傳遞到纖維上去，并允許纖基體又能使載荷均勻分布，并傳遞到纖維上去，并允許纖 維承受壓縮和剪切載荷。纖維和基體之間的良好的復(fù)合顯維承受壓縮和剪切載荷。纖維和基體之間的良好的復(fù)合顯 示了各自的優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有很多優(yōu)良示了各自的優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有很多優(yōu)良 的特性。的特性。 是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中發(fā)展最早、研究最多，應(yīng)用最廣、規(guī)模發(fā)展最早、研究最多，應(yīng)用最廣、規(guī)模 最大最大的一類復(fù)合材料。的一類復(fù)合材料。 聚合物基復(fù)合材料概述聚合物基復(fù)合材料概述 （二）發(fā)展簡況（二）發(fā)展簡況

7、聚合物基復(fù)合材料發(fā)展史第一階段：聚合物基復(fù)合材料發(fā)展史第一階段：20世紀(jì)世紀(jì)40年代初年代初20世紀(jì)世紀(jì) 60年代。年代。 1942年出現(xiàn)玻璃鋼，標(biāo)志著聚合物復(fù)合材料誕生，年出現(xiàn)玻璃鋼，標(biāo)志著聚合物復(fù)合材料誕生，1946年出現(xiàn)玻璃纖維尼龍。年出現(xiàn)玻璃纖維尼龍。 20世紀(jì)世紀(jì)80 年代初年代初 1964年硼纖維出現(xiàn)。硼纖維價格貴，年硼纖維出現(xiàn)。硼纖維價格貴，1965年碳纖維開始出現(xiàn)。年碳纖維開始出現(xiàn)。 1972年美國杜邦研制出高強(qiáng)度、高模量的有機(jī)纖維年美國杜邦研制出高強(qiáng)度、高模量的有機(jī)纖維聚芳酰胺纖聚芳酰胺纖 維（維（Kevlar） 20世紀(jì)世紀(jì)80 年代初年代初 1964年硼纖維出現(xiàn)。硼纖維價

8、格貴，年硼纖維出現(xiàn)。硼纖維價格貴，1965年碳纖維開始出現(xiàn)。年碳纖維開始出現(xiàn)。 1972年美國杜邦研制出高強(qiáng)度、高模量的有機(jī)纖維年美國杜邦研制出高強(qiáng)度、高模量的有機(jī)纖維聚芳酰胺纖聚芳酰胺纖 維（維（Kevlar）凱芙拉）凱芙拉 （三）聚合物基復(fù)合材料的特點(diǎn)（三）聚合物基復(fù)合材料的特點(diǎn) 1.1.比強(qiáng)度和比模量高比強(qiáng)度和比模量高 聚合物基復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是聚合物基復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度比強(qiáng)度及及比模量比模量高。比強(qiáng)度高。比強(qiáng)度 是材料的強(qiáng)度與密度之比值，比模量是材料的模量與密度之是材料的強(qiáng)度與密度之比值，比模量是材料的模量與密度之 比值，其量綱均為長度。復(fù)合材料的高比強(qiáng)度和高比模量來比值，其

9、量綱均為長度。復(fù)合材料的高比強(qiáng)度和高比模量來 源于源于增強(qiáng)纖維的高性能和低密度增強(qiáng)纖維的高性能和低密度。玻璃纖維由于模量相對較。玻璃纖維由于模量相對較 低、密度較高，其玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料的比模量略低于低、密度較高，其玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料的比模量略低于 金屬材料。金屬材料。 2.2.耐疲勞性能好，破損安全性能高耐疲勞性能好，破損安全性能高 金屬材料的疲勞破壞常常是沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞。復(fù)合金屬材料的疲勞破壞常常是沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞。復(fù)合 材料中纖維與基體的界面能阻止裂紋的擴(kuò)展，其疲勞破壞總是材料中纖維與基體的界面能阻止裂紋的擴(kuò)展，其疲勞破壞總是 從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開始，裂紋擴(kuò)展或損

10、傷逐步進(jìn)行，時間長，從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開始，裂紋擴(kuò)展或損傷逐步進(jìn)行，時間長， 破壞前有明顯的預(yù)兆。玻璃纖維復(fù)合材料的比例介中。破壞前有明顯的預(yù)兆。玻璃纖維復(fù)合材料的比例介中。 復(fù)合材料的破壞不像傳統(tǒng)材料由于主裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展而突然發(fā)復(fù)合材料的破壞不像傳統(tǒng)材料由于主裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展而突然發(fā) 生，而是經(jīng)歷基體開裂、界而脫粘、纖維拔出、斷裂等一系列生，而是經(jīng)歷基體開裂、界而脫粘、纖維拔出、斷裂等一系列 損傷的發(fā)展過程?；w中有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)少數(shù)纖維發(fā)生損傷的發(fā)展過程?；w中有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)少數(shù)纖維發(fā)生 斷裂時，其失支部分載荷又會通過基體的傳遞面迅速分散到其斷裂時，其失支部分載荷又會通過基體的傳遞面

11、迅速分散到其 他完好的纖維上去，復(fù)合材料在短期內(nèi)不會因此而喪失承載能他完好的纖維上去，復(fù)合材料在短期內(nèi)不會因此而喪失承載能 力。內(nèi)部有缺陷、裂紋時，也不會突然發(fā)展而斷裂。力。內(nèi)部有缺陷、裂紋時，也不會突然發(fā)展而斷裂。 3.3.阻尼減震性好阻尼減震性好 復(fù)合材料有較高的自振頻率，其結(jié)構(gòu)一般不易產(chǎn)生共振。同時，復(fù)復(fù)合材料有較高的自振頻率，其結(jié)構(gòu)一般不易產(chǎn)生共振。同時，復(fù) 合材料基體與纖維的界面有較大的吸收振動能量的能力，致使材料合材料基體與纖維的界面有較大的吸收振動能量的能力，致使材料 的振動阻尼很高，一旦旅起來，在較短時間內(nèi)也可停下來。的振動阻尼很高，一旦旅起來，在較短時間內(nèi)也可停下來。 4.4

12、.具有多種功能性具有多種功能性 (1)(1)瞬時耐高溫性、耐燒蝕性好。玻璃鋼的導(dǎo)熱系數(shù)只有金屬材料的瞬時耐高溫性、耐燒蝕性好。玻璃鋼的導(dǎo)熱系數(shù)只有金屬材料的1 1，同，同 時可制成具有較高比熱容、熔融熱和氣化熱的材料，可用作導(dǎo)彈頭錐的耐時可制成具有較高比熱容、熔融熱和氣化熱的材料，可用作導(dǎo)彈頭錐的耐 燒燭防護(hù)材料。燒燭防護(hù)材料。 (2)(2)優(yōu)異的電絕緣性能和高頻介電性能。玻璃鋼是性能優(yōu)異的工頻絕緣材料。優(yōu)異的電絕緣性能和高頻介電性能。玻璃鋼是性能優(yōu)異的工頻絕緣材料。 同時具有良好的高頻介電性能，可用作雷達(dá)罩的高頻透波材料。同時具有良好的高頻介電性能，可用作雷達(dá)罩的高頻透波材料。 (3)(3)

13、良好的摩擦性能。碳纖維的低摩擦系數(shù)和自潤滑性，其復(fù)合材料具有良良好的摩擦性能。碳纖維的低摩擦系數(shù)和自潤滑性，其復(fù)合材料具有良 好的摩阻特性和減摩特性。好的摩阻特性和減摩特性。 (4)(4)優(yōu)良的耐腐蝕性。優(yōu)良的耐腐蝕性。 (5)(5)有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)的特性。有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)的特性。 5.5.良好的加工工藝性良好的加工工藝性 (1)(1)可以根據(jù)制品的使用條件、性能要求選擇纖維、基體等原材料，可以根據(jù)制品的使用條件、性能要求選擇纖維、基體等原材料， 即材料具有可設(shè)計性。即材料具有可設(shè)計性。 (2)(2)可以根據(jù)制品的形狀、大小、數(shù)量選擇加工成型方法?？梢愿鶕?jù)制品的形狀、大小、數(shù)量

14、選擇加工成型方法。 (3)(3)可整體成型，減少裝配個件的數(shù)量，節(jié)省工時，節(jié)省材料，減可整體成型，減少裝配個件的數(shù)量，節(jié)省工時，節(jié)省材料，減 輕質(zhì)量。輕質(zhì)量。 6.6.各向異性和性能的可設(shè)計性各向異性和性能的可設(shè)計性 纖維復(fù)合材料一個突出的特點(diǎn)是各向異性，與之相關(guān)的是性能纖維復(fù)合材料一個突出的特點(diǎn)是各向異性，與之相關(guān)的是性能 的可設(shè)計性。纖維復(fù)合材料的力學(xué)、物理性能除了由纖維、樹的可設(shè)計性。纖維復(fù)合材料的力學(xué)、物理性能除了由纖維、樹 脂的種類和體積含量而定外，還與纖維的排列方向、鋪層次序脂的種類和體積含量而定外，還與纖維的排列方向、鋪層次序 和層數(shù)密切相關(guān)。因此，可以根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使

15、用和層數(shù)密切相關(guān)。因此，可以根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使用 條件的不問，選取相應(yīng)的材料及鋪層設(shè)計來滿足既定的要求。條件的不問，選取相應(yīng)的材料及鋪層設(shè)計來滿足既定的要求。 利用這一特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)制件的優(yōu)化設(shè)計，做到安全可靠，經(jīng)利用這一特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)制件的優(yōu)化設(shè)計，做到安全可靠，經(jīng) 濟(jì)合理。濟(jì)合理。 （一）聚合物基體的作用：（一）聚合物基體的作用： 固結(jié)分散的增強(qiáng)體以形成復(fù)合材料整體和賦固結(jié)分散的增強(qiáng)體以形成復(fù)合材料整體和賦 予制件形狀予制件形狀 保護(hù)增強(qiáng)體不受或少受環(huán)境的不利影響保護(hù)增強(qiáng)體不受或少受環(huán)境的不利影響. . 在復(fù)合材料受力時，向增強(qiáng)體傳遞載荷使它在復(fù)合材料受力時，向增強(qiáng)體傳遞載荷使它

16、們發(fā)揮承力功能們發(fā)揮承力功能 決定復(fù)合材料的加工性能決定復(fù)合材料的加工性能 聚合物基體聚合物基體 聚合物基體包括聚合物基體包括熱固性樹脂熱固性樹脂和和熱塑性樹脂熱塑性樹脂兩類。兩類。 熱固性熱固性樹脂樹脂(thermosetting resin) ： v受熱會軟化，發(fā)生分子鏈的交聯(lián)反應(yīng)，這種固化受熱會軟化，發(fā)生分子鏈的交聯(lián)反應(yīng)，這種固化 反應(yīng)使其由線型轉(zhuǎn)化為體型高分子結(jié)構(gòu)，成為不反應(yīng)使其由線型轉(zhuǎn)化為體型高分子結(jié)構(gòu)，成為不 熔不溶狀態(tài)。熔不溶狀態(tài)。 v上述為不可逆反應(yīng)，冷卻后再受熱它不會變軟和上述為不可逆反應(yīng)，冷卻后再受熱它不會變軟和 熔化，強(qiáng)熱則會分解破壞。熔化，強(qiáng)熱則會分解破壞。 v熱固性樹

17、脂包括：熱固性樹脂包括：環(huán)氧樹脂、不飽和聚脂樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚脂樹脂、 熱固性酚醛樹脂熱固性酚醛樹脂等。等。 （二）主要的聚合物基體材料介紹（二）主要的聚合物基體材料介紹 不飽和聚酯樹脂 不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂（Unsaturated Polyester Resins，簡記為簡記為UPR或或 UP）是由是由不飽和二元羧酸不飽和二元羧酸（或酸酐）、（或酸酐）、飽和二元羧酸飽和二元羧酸（或酸酐）組（或酸酐）組 成的混合酸與成的混合酸與多元醇多元醇縮聚而成的、具有酯鍵和不飽和雙鍵的線型高分縮聚而成的、具有酯鍵和不飽和雙鍵的線型高分 子化合物。子化合物。 通常，通常，聚酯化縮聚反應(yīng)聚酯化縮

18、聚反應(yīng)是在是在190220進(jìn)行，直至達(dá)到預(yù)期的酸值進(jìn)行，直至達(dá)到預(yù)期的酸值 （或黏度）。（或黏度）。 在聚酯化縮聚反應(yīng)結(jié)束后，趁熱加入一定量的在聚酯化縮聚反應(yīng)結(jié)束后，趁熱加入一定量的乙烯基單體乙烯基單體，配成黏稠，配成黏稠 的液體，這樣的聚合物溶液稱為不飽和聚酯樹脂。的液體，這樣的聚合物溶液稱為不飽和聚酯樹脂。 用量最大，在用量最大，在80% 性能：性能： （1 1）物理性質(zhì)）物理性質(zhì) 不飽和聚酯樹脂的密度約為不飽和聚酯樹脂的密度約為1.111.20g/cm3左右，固化時左右，固化時 體積收縮率較大，固化樹脂的物理性質(zhì)如下：體積收縮率較大，固化樹脂的物理性質(zhì)如下： 耐熱性耐熱性：絕大多數(shù)不飽和

19、聚酯樹脂的：絕大多數(shù)不飽和聚酯樹脂的熱變形溫度熱變形溫度HDT都在都在 5060左右，一些耐熱性好的可達(dá)左右，一些耐熱性好的可達(dá)120；線熱膨脹系線熱膨脹系 數(shù)數(shù) l l為為（80100） 10-6。 力學(xué)性能力學(xué)性能：不飽和聚酯樹脂具有較高的：不飽和聚酯樹脂具有較高的拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)彎曲強(qiáng) 度度和和壓縮強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度。 介電性能介電性能：不飽和聚酯樹脂的介電性能良好。：不飽和聚酯樹脂的介電性能良好。 （2 2）化學(xué)性質(zhì)）化學(xué)性質(zhì) 不飽和聚酯樹脂耐水、稀酸的性能較好，耐稀堿的性能尚可，不飽和聚酯樹脂耐水、稀酸的性能較好，耐稀堿的性能尚可， 但耐堿和耐有機(jī)溶劑的性能較差。樹脂的耐化學(xué)腐蝕性

20、能隨其但耐堿和耐有機(jī)溶劑的性能較差。樹脂的耐化學(xué)腐蝕性能隨其 化學(xué)結(jié)構(gòu)和幾何形狀的不同有很大差異?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)和幾何形狀的不同有很大差異。 環(huán)氧樹脂 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂（Epoxy resin）出現(xiàn)于出現(xiàn)于20世紀(jì)世紀(jì)30年代年代，由瑞士的，由瑞士的 Pierre Castam和美國的和美國的 S.O.Greenlee首先合成首先合成. . 于于40年代年代工業(yè)化工業(yè)化 60年代年代以來，廣泛用于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是聚合物基復(fù)合材以來，廣泛用于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是聚合物基復(fù)合材 料料最重要的最重要的基體基體 環(huán)氧樹脂的定義：環(huán)氧樹脂的定義：環(huán)氧樹脂是指含有環(huán)氧樹脂是指含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團(tuán)兩

21、個或兩個以上環(huán)氧基團(tuán) （ CH CH2 ）的有機(jī)高分子化合物。的有機(jī)高分子化合物。 O 環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中活潑的環(huán)氧基團(tuán)可位于分子鏈的環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中活潑的環(huán)氧基團(tuán)可位于分子鏈的末端末端、中間中間 或或成為環(huán)狀成為環(huán)狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 環(huán)氧樹脂可與環(huán)氧樹脂可與多種類型的固化劑多種類型的固化劑發(fā)生發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)交聯(lián)反應(yīng)，形成不熔不溶的、，形成不熔不溶的、 具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高聚物。具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高聚物。 環(huán)氧樹脂的特性（環(huán)氧樹脂的特性（Characteristics） 環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的使用性能使用性能和和工藝性能工藝性能。 環(huán)氧樹脂優(yōu)異的環(huán)氧樹脂優(yōu)異的使用性能使用性能包括：包

22、括： 工藝性好，成型收縮率小，與基體材料粘接力大工藝性好，成型收縮率小，與基體材料粘接力大 固化后有優(yōu)異的固化后有優(yōu)異的力學(xué)性能；力學(xué)性能； 良好的良好的電性能電性能（它是一種具有高介電性能、耐表面漏電、耐電（它是一種具有高介電性能、耐表面漏電、耐電 弧的優(yōu)良絕緣材料）；弧的優(yōu)良絕緣材料）； 很強(qiáng)的很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性（具有耐堿性、耐酸性和耐溶劑性）；（具有耐堿性、耐酸性和耐溶劑性）； 良好的良好的尺寸穩(wěn)定性尺寸穩(wěn)定性和和環(huán)境耐久性（耐霉菌）環(huán)境耐久性（耐霉菌）, ,便于濕熱環(huán)境下便于濕熱環(huán)境下 使用。使用。 環(huán)氧樹脂的韌性雖較好，但對于某些較高的使用要求而言仍嫌環(huán)氧樹脂的韌性雖較好，但

23、對于某些較高的使用要求而言仍嫌 過脆，因此常常需要進(jìn)行過脆，因此常常需要進(jìn)行增韌改性增韌改性。 酚醛樹脂 定義：定義： 酚類與醛類的酚類與醛類的縮聚產(chǎn)物縮聚產(chǎn)物通稱為酚醛樹脂（通稱為酚醛樹脂（Phenolic Resins，簡記為，簡記為 ph） 。一般常指由苯酚和甲醛經(jīng)縮聚反應(yīng)而得的合成樹脂。是最早。一般常指由苯酚和甲醛經(jīng)縮聚反應(yīng)而得的合成樹脂。是最早 發(fā)明的一類發(fā)明的一類熱固性樹脂熱固性樹脂。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：價格低廉、高溫性能價格低廉、高溫性能、不熔性不熔性( (infusibility) )、阻燃性阻燃性( (flame reterdance) )、突出的、突出的瞬時高溫耐燒蝕性能瞬時高溫

24、耐燒蝕性能和廣泛的和廣泛的改性余地改性余地，是其，是其 獲得廣泛應(yīng)用的原因。獲得廣泛應(yīng)用的原因。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：吸附性不好，收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高，較少吸附性不好，收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高，較少 用在風(fēng)力機(jī)葉片和碳纖維復(fù)合材料用在風(fēng)力機(jī)葉片和碳纖維復(fù)合材料 在酚醛樹脂的合成中，根據(jù)原料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、酚和醛在酚醛樹脂的合成中，根據(jù)原料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、酚和醛 的用量（摩爾比）以及介質(zhì)的的用量（摩爾比）以及介質(zhì)的pH值的不同，所生成的值的不同，所生成的 樹脂有兩種類型，即樹脂有兩種類型，即熱塑性熱塑性酚醛樹脂和酚醛樹脂和熱固性熱固性酚醛樹酚醛樹 脂。脂。 熱固性酚醛樹脂是在熱固性酚

25、醛樹脂是在堿性催化劑堿性催化劑作用下作用下苯酚與甲醛以苯酚與甲醛以 摩爾比小于摩爾比小于1的情況下反應(yīng)制成。的情況下反應(yīng)制成。 熱塑性酚醛樹脂是在熱塑性酚醛樹脂是在酸性催化劑酸性催化劑作用下作用下苯酚與甲醛以苯酚與甲醛以 摩爾比大于摩爾比大于1的情況下反應(yīng)制成。的情況下反應(yīng)制成。 熱塑性熱塑性樹脂樹脂( thermoplastic resin)： v可以反復(fù)受熱軟化（或熔化）和冷卻凝固?？梢苑磸?fù)受熱軟化（或熔化）和冷卻凝固。 v熱塑性樹脂是線型高分子化合物。熱塑性樹脂是線型高分子化合物。 v以它為基體的復(fù)合材料能采用塑料加工的類似以它為基體的復(fù)合材料能采用塑料加工的類似 工藝（如注射、模塑工藝

26、（如注射、模塑）來加工。）來加工。 v熱塑性聚合物包括：熱塑性聚合物包括：聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、 熱塑性酚醛樹脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮熱塑性酚醛樹脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮等。等。 增強(qiáng)材料：在復(fù)合材料中，能提高基體材料機(jī)械強(qiáng)度、增強(qiáng)材料：在復(fù)合材料中，能提高基體材料機(jī)械強(qiáng)度、 彈性模量等力學(xué)性能的材料。彈性模量等力學(xué)性能的材料。 增強(qiáng)材料不僅能提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量，而且增強(qiáng)材料不僅能提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量，而且 能降低收縮率，提高熱變形溫度，并在熱、電、磁等方面賦能降低收縮率，提高熱變形溫度，并在熱、電、磁等方面賦 予復(fù)合材料新的性能予復(fù)合材料新的性能 增強(qiáng)

27、材料種類增強(qiáng)材料種類 物理形態(tài)：纖維狀、片狀、顆粒狀增強(qiáng)材料等物理形態(tài)：纖維狀、片狀、顆粒狀增強(qiáng)材料等 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料 纖維增強(qiáng)：纖維增強(qiáng)： 玻璃纖維、玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、金屬纖維、 陶瓷纖維 纖維的種類和性能纖維的種類和性能 1、玻璃纖維：、玻璃纖維：用量最大、用量最大、 價格最便宜。價格最便宜。 2、碳纖維：、碳纖維：化學(xué)性能與碳化學(xué)性能與碳 相似。相似。 3、硼纖維：、硼纖維：耐高溫、強(qiáng)度、耐高溫、強(qiáng)度、 彈性模高。彈性模高。 4、金屬纖維：、金屬纖維：成絲容易、成絲容易、 彈性模量高。彈性模量高。 5、陶瓷纖維：、陶瓷纖維：用于高溫、用于高溫、 高強(qiáng)復(fù)合材料。高強(qiáng)復(fù)合材料。 玻

28、璃纖維玻璃纖維 碳纖維碳纖維 SiC纖維纖維 玻璃纖維及其制品玻璃纖維及其制品 玻璃纖維是復(fù)合材料中使用量最大的一種增強(qiáng)材料。玻璃纖維是復(fù)合材料中使用量最大的一種增強(qiáng)材料。 1.1 玻璃纖維的發(fā)展?fàn)顩r玻璃纖維的發(fā)展?fàn)顩r 國外玻璃纖維特點(diǎn)：國外玻璃纖維特點(diǎn)： 1. 技術(shù)上先進(jìn)，普遍采用池窯拉絲技術(shù)，發(fā)展多排多孔技術(shù)上先進(jìn)，普遍采用池窯拉絲技術(shù)，發(fā)展多排多孔 拉絲工藝?yán)z工藝 2. 直徑越來越粗，纖維直徑為直徑越來越粗，纖維直徑為1424m，甚至達(dá)到，甚至達(dá)到27m 3. 大量生產(chǎn)無堿玻纖，無紡織玻璃纖維織物大量生產(chǎn)無堿玻纖，無紡織玻璃纖維織物 1 概述概述 4. 無捻粗紗的短切纖維氈片所占比例增

29、加，偶聯(lián)劑的品種無捻粗紗的短切纖維氈片所占比例增加，偶聯(lián)劑的品種 不斷增加不斷增加 5. 重視纖維樹脂界面的研究，玻璃纖維的前處理受到重視纖維樹脂界面的研究，玻璃纖維的前處理受到 普遍重視普遍重視 國內(nèi)玻璃纖維特點(diǎn)：國內(nèi)玻璃纖維特點(diǎn)： 較國外起步較晚，中堿玻璃纖維仍然占大多數(shù)，正向粗較國外起步較晚，中堿玻璃纖維仍然占大多數(shù)，正向粗 纖維方向發(fā)展，池窯拉絲工藝正在推廣，新型偶聯(lián)劑不斷出纖維方向發(fā)展，池窯拉絲工藝正在推廣，新型偶聯(lián)劑不斷出 現(xiàn)，改善了纖維樹脂界面，重視纖維現(xiàn)，改善了纖維樹脂界面，重視纖維-樹脂界面的研究。樹脂界面的研究。 1.2 玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類 玻璃纖維的分類方法很多

30、，一般可從玻璃纖維的分類方法很多，一般可從玻璃原料成分玻璃原料成分、 單絲直徑單絲直徑、纖維外觀纖維外觀及及纖維特性纖維特性等方面進(jìn)行分類。等方面進(jìn)行分類。 (1) 以玻璃原料成分分類以玻璃原料成分分類 這種分類方法主要用于連續(xù)玻璃纖維的分類。這種分類方法主要用于連續(xù)玻璃纖維的分類。 一般以不同的含堿量來區(qū)分：一般以不同的含堿量來區(qū)分： 無堿玻璃纖維無堿玻璃纖維(通稱通稱E玻璃玻璃)： 國內(nèi)目前規(guī)定堿金屬氧化物含量不大于國內(nèi)目前規(guī)定堿金屬氧化物含量不大于0.5，國外一般，國外一般 為為1左右；左右； 中堿玻璃纖維：中堿玻璃纖維：堿金屬氧化物含量為堿金屬氧化物含量為11.512.5； 特種玻璃纖

31、維：特種玻璃纖維：如由純鎂鋁硅三元組成的高強(qiáng)玻璃纖維；如由純鎂鋁硅三元組成的高強(qiáng)玻璃纖維； 鎂鋁硅系高強(qiáng)、高彈玻璃纖維；硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)介質(zhì)腐鎂鋁硅系高強(qiáng)、高彈玻璃纖維；硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)介質(zhì)腐 蝕玻璃纖維；含鉛纖維；高硅氧纖維；石英纖維等。蝕玻璃纖維；含鉛纖維；高硅氧纖維；石英纖維等。 E玻璃纖維，無堿纖維玻璃纖維，無堿纖維 C玻璃纖維，中堿纖維玻璃纖維，中堿纖維 A玻璃纖維，有堿纖維，含堿玻璃纖維，有堿纖維，含堿1215 S玻璃纖維，高強(qiáng)纖維，含堿玻璃纖維，高強(qiáng)纖維，含堿0.3 M高彈玻璃纖維高彈玻璃纖維 L防輻射玻璃纖維防輻射玻璃纖維 (2) 以單絲直徑分類以單絲直徑分類 玻璃纖維單絲呈圓

32、柱形，以其直徑的不同可以分成幾種：玻璃纖維單絲呈圓柱形，以其直徑的不同可以分成幾種： 粗纖維：粗纖維： 30m；初級纖維：；初級纖維：20m 中級纖維：中級纖維：10m20m； 高級纖維：高級纖維：3m10m(亦稱紡織纖維亦稱紡織纖維)； 超細(xì)纖維：單絲直徑小于超細(xì)纖維：單絲直徑小于4m。 單絲直徑的不同，不僅纖維的性能有差異，而且影響單絲直徑的不同，不僅纖維的性能有差異，而且影響 到纖維的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)量和成本。一般到纖維的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)量和成本。一般5m10m纖維作纖維作 為紡織制品用；為紡織制品用；10m14m的纖維一般做無捻粗紗、無的纖維一般做無捻粗紗、無 紡布、短切纖維氈等較為適宜。紡布

33、、短切纖維氈等較為適宜。 (3) 以纖維外觀分類以纖維外觀分類 有連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及有捻粗紗有連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及有捻粗紗(用于紡織用于紡織)； 短切纖維；空心玻璃纖維；玻璃粉及磨細(xì)纖維等。短切纖維；空心玻璃纖維；玻璃粉及磨細(xì)纖維等。 (4) 以纖維特性分類以纖維特性分類 以纖維本身具有的性能可分為：高強(qiáng)玻璃纖維；高模以纖維本身具有的性能可分為：高強(qiáng)玻璃纖維；高模 量玻璃纖維；耐高溫玻璃纖維；耐堿玻璃纖維；耐酸玻璃量玻璃纖維；耐高溫玻璃纖維；耐堿玻璃纖維；耐酸玻璃 纖維；普通玻璃纖維纖維；普通玻璃纖維(指無堿及中堿玻璃纖維指無堿及中堿玻璃纖維)。 無捻粗紗無捻粗紗 短切纖維短切纖

34、維 玻璃粉玻璃粉 2 玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與組成玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與組成 2.1 玻璃纖維的物態(tài)玻璃纖維的物態(tài) 玻璃纖維是纖維狀的玻璃。玻璃是無色透明具有光澤玻璃纖維是纖維狀的玻璃。玻璃是無色透明具有光澤 的脆性固體。它是由熔融態(tài)過冷時因粘度增加而具有固體的脆性固體。它是由熔融態(tài)過冷時因粘度增加而具有固體 物理機(jī)械性能的無定形物體，屬于各向同性的均質(zhì)材料。物理機(jī)械性能的無定形物體，屬于各向同性的均質(zhì)材料。 玻璃沒有固定的熔點(diǎn)，隨著溫度的升高，逐漸由固玻璃沒有固定的熔點(diǎn)，隨著溫度的升高，逐漸由固 體變?yōu)橐后w，其軟化溫度范圍比較大。體變?yōu)橐后w，其軟化溫度范圍比較大。 2.2 玻璃纖維的結(jié)構(gòu)玻璃纖維的結(jié)構(gòu) 微

35、晶結(jié)構(gòu)假說：微晶結(jié)構(gòu)假說： 玻璃是由硅酸塊或二氧化硅玻璃是由硅酸塊或二氧化硅 的的“微晶子微晶子”組成，在組成，在“微晶子微晶子” 之間由硅酸塊過冷溶液所填充。之間由硅酸塊過冷溶液所填充。 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說： 玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三 面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng) 絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間的空隙由絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na、K、Ca、Mg等等 陽離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)陽離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)，填充的狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)，填充的Na、 Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。

36、等陽離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。 玻璃纖維結(jié)構(gòu)示意圖玻璃纖維結(jié)構(gòu)示意圖 2.3 玻璃纖維的化學(xué)組成玻璃纖維的化學(xué)組成 玻璃纖維的化學(xué)組成主要是二氧化硅玻璃纖維的化學(xué)組成主要是二氧化硅(SiO2)、三氧化二、三氧化二 硼硼(B2O3)、氧化鈣、氧化鈣(CaO)、三氧化二鋁、三氧化二鋁(Al2O3)等等 以二氧化硅為主的稱為硅酸鹽玻璃；以二氧化硅為主的稱為硅酸鹽玻璃； 以三氧化二硼為主的稱為硼酸鹽玻璃。以三氧化二硼為主的稱為硼酸鹽玻璃。 氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它可以降低氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它可以降低 玻璃的熔化溫度和粘度，使玻璃溶液中的氣泡容易排除，它主玻璃的熔化溫度

37、和粘度，使玻璃溶液中的氣泡容易排除，它主 要通過破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助溶的目的。要通過破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助溶的目的。 氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度、電絕緣性氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度、電絕緣性 和化學(xué)穩(wěn)定性會相應(yīng)的降低和化學(xué)穩(wěn)定性會相應(yīng)的降低 加入氧化鈣、三氧化二鋁能在一定條件下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)加入氧化鈣、三氧化二鋁能在一定條件下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò) 的一部分，改善玻璃的某些性質(zhì)和工藝性。的一部分，改善玻璃的某些性質(zhì)和工藝性。 玻璃纖維化學(xué)成分的制定一方面要滿足玻璃纖維物理和玻璃纖維化學(xué)成分的制定一方面要滿足玻璃纖維物理和 化學(xué)性能的要求，具有良好的

38、化學(xué)穩(wěn)定性；另一方面要滿足化學(xué)性能的要求，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；另一方面要滿足 制造工藝的要求，如合適的成型溫度、硬化速度及粘度范圍。制造工藝的要求，如合適的成型溫度、硬化速度及粘度范圍。 玻璃玻璃 纖維纖維 種類種類 國內(nèi)外常用玻璃纖維的成分國內(nèi)外常用玻璃纖維的成分 SiO2Al2O3CaOMgOZrO2B2O3Na2OK2O 無堿無堿1#54.1 0.7 15.0 0.5 16.5 0.5 4.5 0.5 9.0 0.5 0.5 無堿無堿2#54.5 0.7 13.8 0.5 16.2 0.5 4.0 0.5 9.0 0.5 2.0 無堿無堿5#67.5 0.7 6.6 0.5 9.5 0

39、.5 4.2 0.5 11.5 0.5 玻璃纖維環(huán)氧樹脂玻璃纖維環(huán)氧樹脂玻璃纖維聚酯樹脂玻璃纖維聚酯樹脂 價格：價格：與之相反與之相反 當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料 對于高功率的大型風(fēng)力機(jī)葉片材料，采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧對于高功率的大型風(fēng)力機(jī)葉片材料，采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧 樹脂將是一個趨勢樹脂將是一個趨勢 MR3 p E玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料 l 具有較好的比強(qiáng)度、比模量和耐腐蝕性能，價格具有較好的比強(qiáng)度、比模量和耐腐蝕性能，價格 較低廉，是當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片的主流材料，與許多樹較低廉，是當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片的主流材料，與許多樹 脂的成型工藝匹配性好脂的成型工藝匹

40、配性好 l 各種編制形式不斷開發(fā)，單軸向、雙軸向，三軸各種編制形式不斷開發(fā)，單軸向、雙軸向，三軸 向等，以滿足不同的使用需求向等，以滿足不同的使用需求 l 缺點(diǎn)：密度大，更大型的葉片需要選擇替代材料缺點(diǎn)：密度大，更大型的葉片需要選擇替代材料 當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料 p S玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料 l 性能強(qiáng)于性能強(qiáng)于E玻璃纖維玻璃纖維 l S 玻璃纖維也是玻璃材質(zhì)，但其模量卻能達(dá)到玻璃纖維也是玻璃材質(zhì)，但其模量卻能達(dá)到 85.5GPa，比，比E 玻璃纖維高玻璃纖維高18，且強(qiáng)度高出，且強(qiáng)度高出33 l 缺點(diǎn)：價格較貴。缺點(diǎn)：價格較貴。$15/K

41、g，玻纖，玻纖 $11/Kg 美國的美國的AGY公司計劃擴(kuò)大產(chǎn)能降低成本。如公司計劃擴(kuò)大產(chǎn)能降低成本。如S玻玻 璃纖維與璃纖維與E玻璃纖維的成本降低到同一水平的話，玻璃纖維的成本降低到同一水平的話， 將具有極大的市場前景將具有極大的市場前景 當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料 p 碳纖維或碳碳纖維或碳/?；祀s纖維?；祀s纖維 l 如果葉片進(jìn)一步加長，玻璃纖維的重量增加顯著，如果葉片進(jìn)一步加長，玻璃纖維的重量增加顯著， 碳纖維將成為主要選擇的材料碳纖維將成為主要選擇的材料 34m 葉片葉片 玻纖環(huán)氧樹脂復(fù)合材料重量玻纖環(huán)氧樹脂復(fù)合材料重量5.2T，碳纖維重量，碳纖維重

42、量 為為3.8T l 使用性能大大優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，高強(qiáng)度、使用性能大大優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，高強(qiáng)度、 高模量，耐腐蝕性能高模量，耐腐蝕性能 l 缺陷：缺陷： 價格是幾種纖維中最貴的，碳纖維價格為價格是幾種纖維中最貴的，碳纖維價格為 玻璃纖維價格的玻璃纖維價格的10倍倍 l 折中的方案：玻纖與碳纖混雜。折中的方案：玻纖與碳纖混雜。42 m以上的葉片以上的葉片 采用采用 當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料 p 采用熱塑性樹脂為基體的復(fù)合材料采用熱塑性樹脂為基體的復(fù)合材料 l 熱固性樹脂復(fù)合材料。難以自然降解，很難進(jìn)行熱固性樹脂復(fù)合材料。難以自然降解，很難進(jìn)行 回

43、收利用。未來幾十年間，隨著退役葉片不斷增加，回收利用。未來幾十年間，隨著退役葉片不斷增加， 退役葉片的處理將成為科學(xué)家和環(huán)境保護(hù)者面臨的退役葉片的處理將成為科學(xué)家和環(huán)境保護(hù)者面臨的 一大現(xiàn)實(shí)難題一大現(xiàn)實(shí)難題 l熱塑性復(fù)合材料具有密度小、質(zhì)量輕、抗沖擊性熱塑性復(fù)合材料具有密度小、質(zhì)量輕、抗沖擊性 能好、生產(chǎn)周期短等一系列優(yōu)點(diǎn)能好、生產(chǎn)周期短等一系列優(yōu)點(diǎn) l 但該類復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)與傳統(tǒng)的熱固性但該類復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)與傳統(tǒng)的熱固性 復(fù)合材料成型工藝差異較大復(fù)合材料成型工藝差異較大, 制造成本較高制造成本較高, 成為限成為限 制熱塑性復(fù)合材料用于風(fēng)力機(jī)葉片的關(guān)鍵問題制熱塑性復(fù)合材料用于風(fēng)力機(jī)葉片的關(guān)鍵問題 l各國都在開發(fā)熱塑性樹脂。日本的三菱重工和美各國都在開發(fā)熱塑性樹脂。日本的三菱重工和美 國國cyclics公司簽署合作協(xié)議，致力于熱塑性樹脂復(fù)公司簽署合作協(xié)議，致力于熱塑性樹脂復(fù) 合材料的開發(fā)合材料的開發(fā) 當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片主要使用的復(fù)合材料 p 手糊工藝手糊工藝 l 是傳統(tǒng)復(fù)合葉片材料的主要制造工藝是傳統(tǒng)復(fù)合葉片材料的主要制造工藝 l 主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)： 1、手工操作、開模