第12章聚合物基復(fù)合材料

1、第四篇 復(fù)合材料各論第十二章 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料是復(fù)合材料中研究最早、發(fā)展最快的一類復(fù)合材料，聚合物基復(fù)合材料已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的體系,具備完善的成型技術(shù)和生產(chǎn)工藝,復(fù)合材料的性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大在現(xiàn)代復(fù)合材料領(lǐng)域中占有重要的地位，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了越來越重要的作用。第一節(jié) 聚合物基復(fù)合材料的分類與結(jié)構(gòu)形式聚合物基復(fù)合材料以聚合物為基體的復(fù)合材料。聚合物基復(fù)合材料體系的分類，具有多種不同的劃分標(biāo)準(zhǔn):按增強(qiáng)纖維的種類:玻璃纖維增強(qiáng)、碳纖維增強(qiáng)、芳綸纖維增強(qiáng)、硼纖維增強(qiáng)、及其他纖維增強(qiáng)。按基體材料的性能：通用型、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕型、耐高溫型、阻燃型等。按成型固化方式：室溫

2、常壓固化成型及高溫加壓固化成型。按聚合物基體的結(jié)構(gòu)形式來分類：熱固性樹脂基和熱塑性樹脂基。這種方法最能反映聚合物基復(fù)合材料本質(zhì)。 1 熱固性樹脂基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料的熱固性樹脂基體主要包括：不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、其他熱固性樹脂。1.1 不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂是指具有線型結(jié)構(gòu)的、可溶的、分子質(zhì)量不高，主鏈上同時(shí)具有重復(fù)酯鍵及不飽和雙鍵的有機(jī)高分子化合物。根據(jù)不飽和聚酯樹脂的組成和結(jié)構(gòu)，可分為以下幾類: (1)順丁烯二酸酐型(順酐型) 順酐型不飽和聚酯樹脂是由不飽和的順丁烯二酸酐或反丁烯二酸酐與飽和二元酸及多元醇經(jīng)縮聚而成。 (2)丙烯酸型 由甲基丙烯酸作為不飽和酸與飽和

3、二元酸及多元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)而成。(3)丙烯酯型是由鄰苯二甲酸二烯丙基酯(DAP)或間苯二甲酸二烯酯 (DAIP)在過氧化物引發(fā)劑存在下，通過加聚反應(yīng)合成的。其結(jié)構(gòu)式為：(4)二酚基丙烷型是由二酚基丙烷與環(huán)氧丙烷的加成物(又稱D-33單體)代替部分二元醇,再通過與二元酸的縮聚反應(yīng)而合成，其分子鏈中具有二酚基丙烷的鏈節(jié)。(5)乙烯基酯型由不飽和酸(丙烯酸、甲基丙烯酸、丁烯酸等)與低分子量聚合物(常用雙酚A型環(huán)氧樹脂)分子鏈中的活性基進(jìn)行反應(yīng)，引進(jìn)不飽和雙鍵。乙烯基酯型不飽和聚酯樹脂的分子結(jié)構(gòu)為：1.2 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的一類有機(jī)高分子化合物。根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于

4、復(fù)合樹料的品種大體可分為五大類：(1)縮水甘油醚類 (2)縮水甘油酯類(3)縮水甘油胺類(4)線型脂肪族類(5)脂環(huán)族類1.3 酚醛樹脂酚醛樹脂是由酚與醛按一定的比例在酸性或堿催化劑作用下相互縮合而制成的。復(fù)合材料中常用的熱固性酚醛樹脂按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為:(1)氨、鋇催化酚醛樹脂，其結(jié)構(gòu)可表示如下:(2)改性酚醛樹脂 改善酚醛樹脂的工藝性和克服已固化酚醛樹脂的脆性、耐堿性差等缺點(diǎn)。酚醛樹脂的改性包括：聚乙烯醇縮醛改性酚醛樹脂、有機(jī)硅改性酚醛樹脂、二甲苯改性酚醛樹脂等。它們的結(jié)構(gòu)式分別為:聚乙烯醇縮醛改性酚醛 有機(jī)硅改性酚醛 二甲苯改性酚醛環(huán)氧改性酚醛 這類樹脂主要是由酚醛樹脂中的羥甲基、酚羥基

5、分別與環(huán)氧樹脂中環(huán)氧基起反應(yīng)，最后交聯(lián)成復(fù)雜的體型結(jié)構(gòu)。(3)硼酚醛樹脂在酚醛樹脂結(jié)構(gòu)中，引入硼元素，以使樹脂基體具有優(yōu)良的耐熱性和耐燒蝕性。其結(jié)構(gòu)為： 1.4 其他熱固性樹脂(1)呋喃樹脂 樹脂分子結(jié)構(gòu)中含有呋喃環(huán)(氧雜茂)的一類有機(jī)高分子化合物。(2)有機(jī)硅樹脂 分子主鏈由硅氧鍵(SiOSi)構(gòu)成，側(cè)鏈通過硅原子與有機(jī)基團(tuán)相連的一類聚合物。(3)丁苯樹脂 由丁二烯和苯乙烯(克分子比為7.7：1)在離子型催化劑存在下經(jīng)共聚反應(yīng)制得，通過大分子鏈上以及乙烯基側(cè)鏈上的不飽和雙鍵與一定量的乙烯基單體進(jìn)行共聚反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)。(4)二苯醚樹脂 二苯醚樹脂系由二苯醚經(jīng)氯甲基化、水解反應(yīng)或直接

6、由二苯醚與甲醛反應(yīng)制得的熱固性樹脂。 2 熱塑性樹脂基復(fù)合材料熱塑性樹脂基體是指具有線型或支鏈型結(jié)構(gòu)的一類有機(jī)高分子化合物。特性:受熱軟化(或熔化)，冷卻變硬。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料聚合物基體的熱塑性樹脂主要種類:聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯以及聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、ABS樹脂。表1給出了上述熱塑性樹脂的分子結(jié)構(gòu)及主要性能。樹脂種類符號(hào)分子結(jié)構(gòu)（分子式或分子組成）主要性能拉伸強(qiáng)度（MPa）拉伸模量（GPa）彎曲強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）熱變形溫度（）（1.86 MPa ）聚乙烯PE230.8252960聚丙烯PP35401.4425620063聚苯乙烯PS592

7、.377288聚氯乙烯PVC3563701121256080表1 常用熱塑性樹脂基體樹脂種類符號(hào)分子結(jié)構(gòu)（分子式或分子組成）主要性能拉伸強(qiáng)度（MPa）拉伸模量（GPa）彎曲強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）熱變形溫度（）（1.86 MPa ）聚酰胺PA702.8100606686聚甲醛POM702.89860110聚碳酸酯PC632.210060100132138聚對(duì)苯二甲酯乙二醇酯PETP741255068續(xù)表1 常用熱塑性樹脂基體第二節(jié) 聚合物基復(fù)合材料的制造技術(shù)1 聚合物基復(fù)合材料的工藝特點(diǎn)聚合物基復(fù)合材料成型工藝與其他材料加工工藝相比有其特點(diǎn)。材料的形成與制品的成型是同時(shí)完成的。復(fù)合材料生產(chǎn)過

8、程也是制品的生產(chǎn)過程。在成型中，增強(qiáng)材料的性狀變化不大，基體的性狀卻有較大改變。在各種熱固性復(fù)合材料的成型方法中都有固化工序，為使固化后的制品具有良好的性能，制訂工藝規(guī)范，合理確定固化溫度、壓力、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)。成型過程中纖維的預(yù)處理(物理或化學(xué)的處理)，纖維的排列方式，驅(qū)除氣泡的程度,是否擠膠, 是否擠放，溫度、壓力、時(shí)間控制精確度等都直接影響制品性能。根據(jù)制品結(jié)構(gòu)和使用受力情況來選擇成型工藝。成型單向受力桿件和梁應(yīng)采用拉擠法，拉擠成型可保證制品在順著纖維方向上具有最大的強(qiáng)度和剛度。簿殼構(gòu)件可采用連續(xù)纖維纏繞工藝，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向具有不同的強(qiáng)度和剛度的要求。對(duì)于載荷情況不很清楚或承受隨機(jī)分

9、布載荷的制品，選用短切纖維模壓、噴射等成型方法可以獲得近似各向同性的制品。復(fù)合材料形成和制品成型同完成的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大型制品一次整體成型，從而簡化了制品結(jié)構(gòu)，并且減少組成零件和聯(lián)接零件的數(shù)量，這對(duì)減輕制品質(zhì)量，降低工藝消耗和提高結(jié)構(gòu)使用性能十分有利。復(fù)合材料成型方便，金屬材料無法相比。成型的復(fù)合材料制品的工藝特點(diǎn): 比較簡單，具體操作要求嚴(yán)格，材料組分、配比、纖維排布不按設(shè)計(jì)要求，會(huì)形成皺紋、氣泡、或其他缺陷。 2 聚合物基復(fù)合材料的成型方法從原材料到形成制品的過程,可以統(tǒng)一用圖1的生產(chǎn)流程來表示。聚合物基復(fù)合材料中最重要的成型方法復(fù)合材料制品的生產(chǎn)流程圖2.1 手糊法手糊法是用手工工具將布

10、或纖維氈浸上樹脂膠液,鋪糊在敞開模具上，經(jīng)固化和脫模即可獲得制品。特點(diǎn): 所用工具和工藝設(shè)備簡單，不受制品尺寸限制，質(zhì)量不穩(wěn)定，易受作業(yè)人員水平、經(jīng)驗(yàn)和勞動(dòng)態(tài)度的影響，且勞動(dòng)條件差。適宜于小批量、大尺寸、品種變化多的制品生產(chǎn)。用來成型船體、小型游泳池。2.2 噴射法噴射法是利用高壓空氣將樹脂系統(tǒng)(包括固化劑、引發(fā)劑和促進(jìn)劑等)和短切纖維從噴槍上不同噴嘴同時(shí)噴出并沉積在模具面上，用手輥壓實(shí)浸漬纖維層，然后室溫固化成型得到制品。特點(diǎn):噴射成型可以成型較為復(fù)雜形狀的制品，它需要專用的噴射機(jī)，施工中材料浪費(fèi)較大。用噴射工藝能夠成型小船、屋頂、強(qiáng)度不高的罐體和管道、管于襯里、凈化槽和浴槽等制品。2.3

11、壓制法壓制成型分為:預(yù)成型對(duì)模壓制、片狀模塑料壓制、預(yù)混料壓制和冷壓制等。預(yù)成型對(duì)模壓制通常分兩步進(jìn)行：第一步是預(yù)先成型出制品的毛坯；第二步再將毛坯置于成型對(duì)模上，然后倒入樹脂膠液，加溫、加壓固化成型后，脫模即可得到制品。片狀模塑料壓制在對(duì)模中成型制品的方法。具體操作是先將片狀材料根據(jù)制品尺寸進(jìn)行剪裁、稱重，撕去表面保護(hù)薄膜，然后疊放在模具內(nèi)，經(jīng)過熱壓固化成為制品。冷壓成型法是制品成型依賴樹脂系統(tǒng)固化放熱提供熱量成型方法。 2.4 樹脂傳遞(樹脂壓注)模壓法先在閉合模腔中鋪放經(jīng)縫制好的增強(qiáng)材料(布或是纖維氈)，再將樹脂液用泵壓注到模腔內(nèi)，依靠樹脂的液壓浸漬纖維材料，固化后脫模便得到制品。這種方

12、法效率較高且能保證制品內(nèi)外光滑。應(yīng)用：成型大型板、汽車部件、中等容器、雷達(dá)天線罩等制品。2.5 纏繞成型法將連續(xù)纖維或布帶浸漬樹脂后，再纏繞到一定形狀的芯模上，達(dá)到一定厚度后，通過固化脫模得到制品。它適宜要承受一定內(nèi)壓的中空型容器?？梢杂糜诠腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、壓力容器和管道、藥品貯罐等制品。2.6 離心成型法將短切纖維氈鋪在中空芯模的內(nèi)壁上，使芯?？焖傩D(zhuǎn)，同時(shí)向纖維層均勻噴灑樹脂液，由于離心力迫使纖維緊貼在芯模內(nèi)壁，同時(shí)迫使樹脂浸潤纖維，向芯模內(nèi)送入熱風(fēng)加速制品固化。 此法適于成型強(qiáng)度要求不高的大型中空容器和大直徑管。2.7 袋壓法有真空袋壓和壓力袋壓兩種方法。真空袋壓：使柔軟材料和模具之間

13、形成一個(gè)密閉空間，對(duì)密封空間抽真空。壓力袋壓：進(jìn)行加溫加壓。 2.8 連續(xù)成型法包括波紋板、平板連續(xù)成型和連續(xù)拉擠型材等方法。連續(xù)板生產(chǎn)是用樹脂浸漬連續(xù)織物或氈片，上下兩面用玻璃紙或薄膜蓋上，復(fù)合物經(jīng)模板或壓輥壓到一定厚度，并被牽引至加熱爐中加熱固化，然后切割成定尺寸的板材。連續(xù)型材生產(chǎn)是將連續(xù)粗紗浸膠后，牽引到模內(nèi)預(yù)成型，經(jīng)過加熱固化，連續(xù)拉擠成具有各種斷面形狀的材料，再根據(jù)長度切割。生產(chǎn)的型材可以加工成釣魚稈、絕緣棒、高爾夫球桿、等制品。連續(xù)成型生產(chǎn)效率高，可以大批量地生產(chǎn)復(fù)合材料制品,復(fù)合材料制造方法分類如下表。分類制造方法纖維長度(mm)纖維含量（%）強(qiáng)度操作條件滲透成型法手糊法502

14、530一般不好噴射法25502530一般不好預(yù)成型坯模壓法503040一般可以袋壓法5060較高良好冷壓法5030一般可以樹脂注射法5030一般可以纏繞法連續(xù)5070高不太好連續(xù)成型法連續(xù)5060高 可以流動(dòng)成型法SMC模壓法25以下2530一般良好 BMC模壓法13以下1020低良好復(fù)合材料制造方法分類 第三節(jié) 聚合物基復(fù)合材料的基本性能纖維增強(qiáng)塑料(FRP)是由物化性能截然不同的無機(jī)纖維增強(qiáng)材料和有機(jī)高分子化合物通過一定工藝方法復(fù)合而成的多相固體材料。FRP具有許多優(yōu)異的性能。以玻璃纖維增強(qiáng)聚酯聚酯玻璃鋼為例, 在設(shè)計(jì)制造方面有許多優(yōu)點(diǎn)，如：投資小、上馬快、設(shè)計(jì)自由度大、成型工藝簡便、制品

15、尺寸不限及著色自由等，有優(yōu)異的基本性能，如熱固性；比強(qiáng)度和比剛度高；電性能和熱性能良好；耐化學(xué)腐蝕性良好，耐水性優(yōu)異，耐候性和耐紫外光性良好；阻燃性；透明半透明。FRP性能的影響因素如下:增強(qiáng)材料的強(qiáng)度及彈性模量以及基體材料的強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性等是決定FRP性能的最主要因素。不同成型工藝,制品性能亦有較大差異。增強(qiáng)纖維與基體樹脂的界面粘接狀況在一定條件下也可能為影響FRP性能的因素。表4列出了不同成型土藝、不同原材料的FRP的基本性能數(shù)據(jù)。表5給出了不同纖維構(gòu)成的FRP的機(jī)械性能。表6顯示了玻璃纖維制品類型及成型方法對(duì)于FRP機(jī)械性能的影響。 表5 玻璃纖維的構(gòu)成與FRP的機(jī)械性能 續(xù)表 5玻璃

16、纖維的構(gòu)成與FRP的機(jī)械性能表6 增強(qiáng)材料及成型方法和強(qiáng)度的關(guān)系 成型方法性能手糊成型真空袋成型加壓袋成型熱壓釜成型模壓成型增強(qiáng)材料玻璃氈(600gm2)無捻粗紗布(900gm2）玻璃布(340gm2)玻璃氈(600gm2)玻璃布(340gm2)玻璃氈(600gm2)玻璃氈(600gm2)玻璃氈(600gm2)成型壓力（MPa）00.070.8410.528.017.570.035.0120.0纖維含量（%）23 51 4638 50414850密度（g/cm）1.52 1.64 1.631.50 1.671.53 1.611.63 成型方法性能手糊成型真空袋成型加壓袋成型熱壓釜成型模壓成型拉

17、伸強(qiáng)度（MPa）81 231 168130 169136150156拉伸模量（GPa）6.4 14.4 13.66.7 27.78.58.69.0彎曲強(qiáng)度（MPa）143 190 217190 247204218227彎曲模量（MPa）5.7 12.7 13.88.7 13.8 9.09.710.0壓縮強(qiáng)度（MPa）118 119 132157 148159162168壓縮模量（GPa）6.5 17.1 17.28.1 10.88.5 8.79.0續(xù)表6 增強(qiáng)材料及成型方法和強(qiáng)度的關(guān)系 1 FRP的機(jī)械性能 1.1 FRP機(jī)械性能的特點(diǎn)(1)比強(qiáng)度高FRP的密度在1.4g/cm32.2g/cm

18、3之間，約為鋼的1/41/5。強(qiáng)度與一般碳素鋼相近。所以FRP的比強(qiáng)度很高。(2)各向異性 FRP的機(jī)械性能呈現(xiàn)明顯的方向依賴性，是一種各向異性材料。 (3)彈性模量和層間剪切強(qiáng)度低玻璃纖維增強(qiáng)塑料的彈性模量較低，作為結(jié)構(gòu)件使用時(shí)，常感到剛度不足。例如，含玻璃纖維30的單向FRP板，其彈性模量為5104MPa，為鋼的14、鋁的710。雙向FRP板，主應(yīng)力方向彈性模量為鋼的114，鋁的15。金屬的的剪切彈性模量為其拉壓彈性模量的40而雙向FRP的僅為拉壓彈性模量的20，單向FRP的則不到10。FRP的層間剪切強(qiáng)度亦很低，一般不到其拉伸強(qiáng)度的10。(4)性能分散性大FRP的性能受一系列因素的影響，

19、其性能是不穩(wěn)定的。例如3號(hào)鋼屈服強(qiáng)度極限的離散系數(shù)為3.0，而手糊平衡型雙向FRP的強(qiáng)度離散系數(shù)有時(shí)可達(dá)15。1.2 FRP的靜態(tài)特性FRP的基本靜態(tài)特性包括拉伸、壓縮和彎曲強(qiáng)度及彈性模量。(1)拉伸特性單向增強(qiáng)FRP而言，沿纖維方向的拉伸強(qiáng)度 及彈性模量 均隨纖維體積含量 的增大而正比例增加。表7給出了E-42環(huán)氧FRP拉伸性能的方向性。LLEfV表7 E-42環(huán)氧FRP拉伸性能注:原材料:無堿100平紋布9層,E-42環(huán)氧樹脂。 試驗(yàn)溫度：1522，144根試件。(2)壓縮特性FRP的壓縮特性的理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果與拉伸特征的情形類似。在應(yīng)力很小、纖維末壓彎，壓縮彈性模量與拉伸彈性模量接近。

20、例如:玻璃布增強(qiáng)FRP的壓縮彈性模量大體是單向FRP的壓縮彈性橫量 的0.500.55倍；纖維氈增強(qiáng)FRP時(shí)壓縮彈性模量則大致為 的0.4倍。盡管單向FRP的壓縮強(qiáng)度也有隨著纖維含量增加而提高的趨勢，但并非成比例增長，表8顯示了E-42環(huán)氧FRP壓縮性能的方向性。LELE性能方向022.54567.590壓縮強(qiáng)度（MPa）256159134.1167218.7壓縮模量（GPa）19.513.610.812.917.5試件數(shù)（根）44654表8 E-42環(huán)氧FRP不同方向壓縮性能注:原材料:無堿100平紋布184層,E-42環(huán)氧樹脂。樹脂含量:42.3%(3)彎曲特性實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)RP的彎曲強(qiáng)度及

21、彈性模量都隨纖維含量的上升而增加。纖維制品類型不同，方向不同，則彎曲性能亦不同。 (4)剪切特性 FRF的剪切強(qiáng)度與纖維的拉伸強(qiáng)度無多大關(guān)系，與纖維-樹脂界面粘接強(qiáng)度樹脂本身強(qiáng)度有關(guān)，與纖維含量有關(guān)，常取值在100MPa130MPa之間。隨纖維含量增大，F(xiàn)RP的剪切彈性模量上升，F(xiàn)RP的剪切特性亦呈現(xiàn)方向性。見表9 表9 E-42環(huán)氧FRP垂直板面剪切持性 性能方向0153045607590剪切強(qiáng)度（MPa）8583.295.099.298.190.789.5 1.3 FRP的疲勞特性影響FRP疲勞特性的因素是多方面的,靜態(tài)強(qiáng)度高的FRP，其疲勞強(qiáng)度亦高。靜態(tài)強(qiáng)度隨纖維體積含量增加而提高，但疲

22、勞強(qiáng)度則不一定。隨加振方向與纖維方向的夾角由0升到45，疲勞強(qiáng)度急速下降。當(dāng)FRP上存在孔洞或溝槽等缺陷時(shí),將產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此疲勞強(qiáng)度下降。環(huán)境溫度上升，導(dǎo)致FRP疲勞強(qiáng)度下降。各種FRP的疲勞強(qiáng)度見表10 表10 FRP的疲勞強(qiáng)度續(xù)表10 FRP的疲勞強(qiáng)度注：M-玻璃氈；SC-斜紋布；PC-平紋布，R-無捻粗紗布，R-無捻粗紗；TC-粗棉布，F(xiàn)C-細(xì)棉布，P-紙。測試值為經(jīng)受107次干面彎曲的疲勞程度。1.4 FRP的蠕變特性 在常溫下FRP也存在蠕變現(xiàn)象。如果定義10000h使FRP產(chǎn)生0.1的蠕變變形的應(yīng)力為蠕變極限。則FRP的蠕變極限約為靜態(tài)強(qiáng)度的40。1.5 FRP的沖擊特性FRP

23、的沖擊特性主要決定于成型方法和增強(qiáng)材料的形態(tài)。不同成型法的制品的沖擊強(qiáng)度范圍如下：注射成型制品20kJm2；BMC制品10kJm230kJm2；SMC制品50kJm2100kJm2；玻璃氈增強(qiáng)FRP100200kJm2 ；玻璃布增強(qiáng)FRP 200kJm2kJm2，纖維纏繞制品約500kJm2。隨纖維含量上升，F(xiàn)RP沖擊強(qiáng)度提高；而疲勞次數(shù)增加，沖擊強(qiáng)度降低。2 FRP的物理性能2.1 FRP的電性能FRP的電性能一般包括：介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值、體積和表面電阻系數(shù)、擊穿強(qiáng)度等。FRP的電性能的影響因素：樹脂品種、玻璃纖維表面處理劑類型、環(huán)境溫度、濕度的變化、頻率等。表11列舉了FRP的電性

24、能。表12是采用E-GF增強(qiáng)的一些FRP在1MHz頻率時(shí)的電性能FRP的電性能介于纖維的電性能與樹脂的電性能之間, 對(duì)于纖維與樹脂的界面粘接狀態(tài)不敏感；水分對(duì)其影響很大。對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)塑料，選用無堿布并進(jìn)行偶聯(lián)劑表面處理，則可提高其電絕緣性能。樹脂的電性能與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。分子極性越大，電絕緣性越差。項(xiàng)目試驗(yàn)方法性能數(shù)據(jù)體積電阻（ ）JIS-691110121015表面電阻（ ）JIS-691110121015介電常數(shù)（F/m）JIS-691135介電損耗JIS-69110.05以下巖層擊穿電壓(kV/mm)JIS-69111340耐強(qiáng)性(s)JIS-691160180耐摟電徑跡性(kV

25、)浸泡痕跡法2.02.5cm 表11 聚酯型FRP的電性能表12 幾種FRP的電性能FRP品種介電常數(shù) (F/m) 介質(zhì)損耗角正切丁苯基FRP3.54.0(3.55.0)10-2DAP基FRP4.04.8(0.91.5)10-2聚二丁烯FRP3.54.0(4.55.5)10-2307聚酯FRP4.04.8(0.91.5)10-26101環(huán)氧FRP4.75.2(1.72.5)10-26酚醛FRP5.05.4(1.421.66)10-2環(huán)氧酚醛FRP5.4(2.172.32)10-2tg 2.2 FRP的溫度特性(1)FRP的熱性能FRP的熱性能包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、線膨脹系數(shù)和熱變形溫度等。在室溫

26、下，F(xiàn)RP的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.17W/(mK)0.33W(mK)范圍內(nèi)，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)在35W/(mK)232W(mK)范圍之間。FRP具有良好的隔熱性能，可作隔熱材料使用。 FRP的熱膨脹系數(shù)一般在(436)10-6范圍內(nèi)，金屬材料的一般在(1129)10-6之間，二者相近，在一定溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)RP具有較好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。 FRP的熱變形溫度和耐熱溫度極限較低。(2)FRP的耐熱性溫度對(duì)于聚合物基體的影響FRP對(duì)的溫度依賴性較大。在溫度作用下，聚合物基體的物理狀態(tài)和化學(xué)性質(zhì)均發(fā)生變化。在不同溫度下，線型非晶相高聚物一般呈現(xiàn)三種聚集態(tài)玻璃態(tài)、橡膠態(tài)和粘流態(tài)。在FRP中，熱固性樹脂基

27、體已交聯(lián)成體型網(wǎng)狀大分子。使得樹脂不可能發(fā)生大分子的粘性流動(dòng)，故只有玻璃態(tài)和橡膠態(tài)。聚合物物理狀態(tài)的改變將導(dǎo)致FRP的機(jī)械性能發(fā)生巨大變化。溫度上升促使樹脂分子化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生熱老化作用，如變色、降解和氧化等。影響熱固性樹脂耐熱性的主要因素有：大分子鏈剛性、固化劑性質(zhì)和體型樹脂的固化交聯(lián)密度等。大分子鏈剛性提高，交聯(lián)密度增大，則樹脂玻璃化溫度升高，熱變形溫度升高，但柔韌性減小，廷伸率降低，脆性增加。溫度對(duì)FRP拉伸性能的影響溫度對(duì)FRP拉伸強(qiáng)度和彈性模量的影響具有如下特征：a一般在低溫范圍內(nèi)，拉伸性能好，隨溫度上升，強(qiáng)度降低。b在低溫范圍內(nèi)，無捻粗紗布FRP于濕態(tài)下拉伸強(qiáng)度大,而平紋布FRP無此傾

28、向。c在中溫范圍內(nèi)，平紋布FRP在50左右拉伸強(qiáng)度量高，而緞紋布和無捻粗紗布FRP無此傾向，都是隨溫度上升拉伸性能下降。d隨著纖維含量的增加，F(xiàn)RP的耐熱性提高。 溫度對(duì)FRP彎曲性能的影響，F(xiàn)RP的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量均隨溫度升高而降低。特別是溫度超過70100后，急劇降低。表13和表14分別給出了聚酯FRP和環(huán)氧FRP在不同溫度下的機(jī)械性能。表13 197聚酯FRP在不同溫度下的機(jī)械性能性能溫度室溫60100150200拉伸強(qiáng)度（MPa）306.0272.0343.0220.0221.0壓縮強(qiáng)度（MPa）179.087.057.226.0彎曲強(qiáng)度（MPa）264.0140.068.023

29、.9剪切強(qiáng)度（MPa）24.614.89.97.5表14 E-51（固化劑：三乙醇胺）環(huán)氧FRP在不同溫度下的機(jī)械性能 (3)FRP的阻燃性及耐火性當(dāng)FRP接觸火焰或熱源時(shí)，溫度升高，進(jìn)而發(fā)生熱分解、著火、持續(xù)燃燒等現(xiàn)象。FRP的阻燃性即指采用阻燃、自熄或燃燒無煙的樹脂制造的FRP ，其阻燃性主要決定于樹脂基體。在樹脂中引入鹵素或者添加銻、磷等的化合物以及難燃的無機(jī)填料等。阻燃型樹脂可分為反應(yīng)型和添加型。表15列出了聚酯樹脂中可引入的元素，表16列出了如引入上述元素可采用的原料。應(yīng)用：溴的用量只要相當(dāng)于氯用量的一半，便具有同等阻燃效果。三氯化二銻單獨(dú)使用無阻燃作用，與鹵素并用時(shí)，效果卻很顯著。

30、磷化合物單獨(dú)用作阻燃劑時(shí)，用量很大，給成本和物性帶來麻煩。若與鹵素并用，則具有顯著的加和效果。在阻燃性無機(jī)填料中，氫氧化鋁和水合氧化鋁效果最佳，若與鹵素共用，則效果愈加顯著。與其他塑料相比，F(xiàn)RP燃燒發(fā)煙小，這是受不燃燒的纖維的影響。Keiting指出，玻璃纖維合量升高，長度增大，均可抑制發(fā)煙量。 表15 獲得自熄性必須引入的元素元素含量（%）組合磷5磷氧:11520氯25磷溴:13溴1215三氧化二銻氯：189三氧化二銻溴：289表16 阻燃材料 2.3 FRP的隔音性能材料的隔音性能通常是用聲音的透過損失R表示。當(dāng)射入材料的聲強(qiáng)為 ，從材料背面?zhèn)鞒龅穆晱?qiáng)為 時(shí)，則R定義為：氣密材料透過損失

31、中最重要的是散射時(shí)的透過損失，可由下面理論式給出式中 聲波的頻率(Hz)；m材料的面密度(kgm2，) 空氣密度(kgm2)，c空氣中的音速(ms) 散射的聲強(qiáng)(wm2)。iItI10lg()itIRdBI220lg() 10lg 1 () nfmfmRIpcpcfppnI2.4 FRP的光學(xué)性能(1)影響透光性的主要因素玻璃纖維和樹脂的透光性；玻璃纖維和樹脂的折射率；其他(如FRP厚度、表面形狀和光滑程度、玻璃纖維的形態(tài)、玻璃纖維含量、固化劑的種類和用量、著色劑、填料的種類和用量)。(2)透光率和透明度在FRP制品中，采光用FRP波形板和平板的透光性最好，其全光透過率為8590接近普通平板玻

32、璃的透光率。其散射光占全透過光很大比例，沒有普通平板玻璃那樣透明。這主要是由于樹脂和玻璃纖維折射率不同引起的。(3)原材料折射率的匹配玻璃纖維、單體和樹脂的折射率列于表17表17 原材料的折射率原材料品種折射率備注玻璃纖維E玻璃C玻璃1.5481.532單體聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯1.5921.4851.50澆注不飽和聚酯樹脂乙烯基酯樹脂丙烯酸樹脂聚醋酸乙烯甲基丙烯酸1.551.571.501.571.531.54固化樹脂玻璃纖維與樹脂的折射率相互匹配，普通聚酯樹脂與無堿玻璃纖維組合，丙烯酸樹脂則與C玻璃纖維組合。聚酯樹脂的折射率既與其組成(醇、酸)及反應(yīng)程度有關(guān)，也與交聯(lián)單體種類和用量有一定

33、關(guān)系，所以它的折射率可以廣泛調(diào)節(jié)。提高FRP的透光性，既要再次調(diào)整樹脂的拆射率、玻璃纖維與樹脂的折射率之差與透光量的關(guān)系，可以下式表示：玻璃纖維的折射率；樹脂的折射率；入射光量；反射光量；折射光量(透過光量)。4()/()riGRGRIInnnnGnRniIrItT上式表明，纖維與樹脂的折射率之差越大，則反射光量越大，拆射光量因而減少。 (4)FRP的透光性市售各種FRP波形板的透光率列于表18。表18 各種波形板的透光率 3 FRP的老化性能FRP由于各種物理和化學(xué)因素的作用，發(fā)生的物化性能的下降或變差的現(xiàn)象叫劣化或它化。劣化或它化影響因素有氧、光、水、熱、化學(xué)物質(zhì)和機(jī)械摩擦等。物化性能則包

34、括力學(xué)性能、電性能、透光率和光澤等。FRP的耐老化性實(shí)際上反映了FRP的長期工作性能，故又稱為耐久性。3.1 FRP的耐化學(xué)腐蝕性FRP的耐化學(xué)府蝕性是指其抵抗酸、堿、鹽及有機(jī)溶劑等化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞的長期工作性能。優(yōu)異的耐化學(xué)性對(duì)于石油、化工等工業(yè)具有重大意義。FRP具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性。(1)化學(xué)介質(zhì)對(duì)FPR的腐蝕作用與玻璃纖維的作用 酸、堿和水都是通過破壞SiO2網(wǎng)絡(luò)而腐蝕玻璃的。玻璃纖維的耐堿性均較差，有堿纖維更甚；耐酸性則以有堿纖維為好。與樹脂基體的作用主要有物理作用和化學(xué)作用。物理作用是指化學(xué)介質(zhì)使樹脂發(fā)生溶脹，從而產(chǎn)生增塑作用，導(dǎo)致強(qiáng)度和彈性模量下降?；瘜W(xué)作用是指在一定條件下，酸

35、堿鹽和有機(jī)溶劑等與樹脂大分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致FRP的性能變壞。反應(yīng)包括水解、降解和氧化等。一般，樹脂分子中活性官隨團(tuán)愈多，化學(xué)穩(wěn)定性愈差。(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表19列出了各種FRP在不同介質(zhì)中彎曲強(qiáng)度的變化。表20給出了各種FRP在不同介質(zhì)中的耐腐蝕情況。FRP的耐腐蝕性主要依賴于原材料類型，當(dāng)然也與介質(zhì)類型有關(guān)。 表19 各種FRP在不同介質(zhì)中彎曲強(qiáng)度的變化注：FRP的彎曲強(qiáng)度保留率在90%以上；：8090% ：70%80%；：70%以下；：未測續(xù)表19 各種FRP在不同介質(zhì)中彎曲強(qiáng)度的變化表20 FRP在各種介質(zhì)中的耐腐蝕性注：實(shí)驗(yàn)條件：常溫浸泡9個(gè)月 判據(jù)：由質(zhì)量損失判斷。：耐；：尚測；：不

36、耐。 3.2 FRP的耐候性能耐氣候性是指FRP在戶外使用時(shí)，抵抗各種氣候因素，如日光、O2、03、熱、雨、雪、風(fēng)、沙、鹽霧等的侵蝕破壞的能力。(1)氣候?qū)PR的作用溫濕度對(duì)FPR的作用在戶外使用中，日曬溫度不足破壞FRP。在濕度地方，空氣中的水分可以侵入樹脂或纖維-樹脂界中，從而破壞界面粘接，降低FRP的彎曲強(qiáng)度。 光氧的作用在太陽光中，只有小于5的紫外光會(huì)有害于FRP，并且只與樹脂作用。樹脂發(fā)生光氧化、光降解、交聯(lián)，生成氧化產(chǎn)物，發(fā)生分子鏈斷裂。風(fēng)砂的作用風(fēng)砂對(duì)FRP產(chǎn)生機(jī)械磨損，導(dǎo)致表面光澤度下降、表面層脫落、纖維外露等，這對(duì)透光FRP是不利的。(2)老化試驗(yàn)及結(jié)果材料耐候性試驗(yàn)可分為

37、兩大類：一類稱人工加速老化試驗(yàn)。這種方法是借助老化試驗(yàn)機(jī)，試件置于模擬自然界的氣候箱內(nèi)進(jìn)行照射，一般耗時(shí)幾百幾千小時(shí)。另一類叫自然老化試驗(yàn)（戶外露場）。這種方法是將試件置于選定的曝露場，在自然界的氣候條件下，考察其耐氣候性。試驗(yàn)周期過于漫長(一般為330年不等)。對(duì)聚酯、環(huán)氧和酚醛FRP進(jìn)行了38年的自然曝露試驗(yàn)。經(jīng)自然老化后，F(xiàn)RP的外觀出現(xiàn)：失去光澤、表面起毛、變黃、纖維紋理外露等現(xiàn)象。FRP的拉伸、壓縮和彎曲強(qiáng)度及彈性模量以及沖擊強(qiáng)度等性能，歷經(jīng)8年曝露仍無顯著變化，有些甚至有所提高。就力學(xué)性能而言，F(xiàn)RP的耐候性和耐久性是非常優(yōu)異的。(3)FRP耐候性的改善防止透光照FRP在環(huán)境中的老

38、化，國內(nèi)外開展了大量研究。一些行之有效的防老化措施歸納于表21中。注：效果顯著；：效果較好 3.3 FRP的耐水性能水是一種化學(xué)介質(zhì)，它對(duì)FRP的侵蝕是存在且相當(dāng)嚴(yán)重的。(1)水對(duì)FRP的作用水能夠溶解和破壞玻璃纖維的SiO2網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)加速玻璃纖維表面微裂紋的擴(kuò)展，從而降低玻璃纖維的拉伸性能。 水能使樹脂大分子發(fā)生溶脹，導(dǎo)致樹脂內(nèi)聚強(qiáng)度降低。水對(duì)樹脂產(chǎn)生增塑作用，降低其彈性模量。水使樹脂分子中的基等發(fā)生水解，造成斷鏈、降解等。水亦能導(dǎo)致樹脂內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，并使之?dāng)U展。水還能破壞纖維-樹脂界面，并沿界面漸漸侵入，降低FRP的層間剪切性能和彎曲性能。(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表22給出了三大樹脂F(xiàn)RP在蒸餾水

39、中浸泡3年后機(jī)械性能的變化。在初一年里，性能下降最快，隨后便趨于平緩，有些性能反而有所回升。 表22 水對(duì)FRP機(jī)械性能的影響(3)提高FRP耐水性的方法纖維進(jìn)行偶聯(lián)劑表面處理；選用耐水性好的樹脂；表面采用表面氈形成富樹脂層；表面涂層，表面貼附氟薄膜、聚酯薄膜等。注:性能變化=浸水后值/初始值100%;浸泡條件:室溫蒸餾水第四節(jié) 聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用聚合物基復(fù)合材料作為一種新型的工程材料，突出的優(yōu)良性能以及材性的可設(shè)計(jì)性，它的理論研究及成型技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品成本的降低，其產(chǎn)品應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，在航天航空、交通運(yùn)輸、石油化工、建筑工程、機(jī)械電氣及體育衛(wèi)生等各個(gè)方面發(fā)揮著重要的作用。 1 在航

40、天和航空方面的應(yīng)用航天和航空工程對(duì)材料的要求是比強(qiáng)度、比模量和耐燒蝕性能。聚合物基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度及優(yōu)良的耐燒蝕性能，是理想的航天、航空材料，它具有減輕飛行器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量與增加火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)力。廣泛地用于飛行器的次受力構(gòu)件及非受力部件。美國最早使用碳纖維、芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制作火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體性能良好，質(zhì)量比金屬的減輕了45，提高了飛行器的加速度。射程也由原來的1600km增加到4000km。樹脂基復(fù)合材料在機(jī)身和機(jī)翼及其他輔助部件上的應(yīng)用更為可觀。表23是飛機(jī)上使用樹脂基復(fù)合材料的情況。表23 飛機(jī)上使用硼纖維、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的例子續(xù)表23 飛機(jī)上使用硼纖維、碳纖維增強(qiáng)

41、復(fù)合材料的例子 2 在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用由于樹脂基復(fù)合材料比強(qiáng)度、比剛度高，具有隔音、隔熱、減振、阻燃等性能，適宜在車輛上使用。主要包括車輛制造及造船工業(yè)上的應(yīng)用。 樹脂基復(fù)合材料在鐵路客車、貨車、冷藏車上主要應(yīng)用于機(jī)車車身、客車和貨車車箱以及門、窗等部位。應(yīng)用最多的是以泡沫塑料為芯材的夾層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)材料在冷藏車上既做結(jié)構(gòu)材料又做隔熱材料。圖2所示的就是由法國制造的鐵路冷藏車的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。圖2 法國復(fù)合材料冷藏車的結(jié)構(gòu)在汽車制造方面包括車門、儀表盤、油箱、坐椅、擋泥板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等。另外，石棉短纖維增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料或聚芳酰胺纖維增強(qiáng)樹胎基復(fù)合材料，具有較好的耐熱性、耐油性、耐耗性，比較高的溫度、速度下，其摩擦性能