先進(jìn)復(fù)合材料-第2講課件

1、第2講高分子基復(fù)合材料研究歷史塑料的出現(xiàn)塑料在1868年的出現(xiàn)，才使得人們大范圍地制備復(fù)合材料20世紀(jì)初出現(xiàn)了苯酚塑料/顆粒的高分子復(fù)合材料顆粒的填充是為了提高強(qiáng)度1942年制備出玻璃纖維/不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料俗稱(chēng)“玻璃鋼”之后，玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳香族聚酰胺合成纖維等具有高性能的纖維，制備出先進(jìn)的高分子基復(fù)合材料，用在宇宙航空、造船、飛機(jī)、汽車(chē)、建筑、體育器材、醫(yī)療器械等各方面。高性能復(fù)合材料的研究和開(kāi)發(fā)的重要方面是高性能纖維和基體材料的研究和開(kāi)發(fā)。性能：（相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材料）高比剛度高比強(qiáng)度耐腐蝕耐疲勞易成形1 增強(qiáng)材料長(zhǎng)纖維：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙

2、烯纖維、聚酯纖維等等短纖維晶須金屬晶須，如鐵晶須、銅晶須、鎳晶須、鉻晶須等陶瓷晶須，如碳化硅晶須、氧化鋁晶須、氮化硅晶須等長(zhǎng)纖維用于制造大型零件，一體化成形可以編織短纖維作為增強(qiáng)相，提高基體的性能注塑成形晶須單晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)直徑極小（=1）在常溫下是固體?？刂圃系谋壤秃线m的反應(yīng)條件，可合成不同n值的樹(shù)脂。分子量越高，環(huán)氧值越小，環(huán)氧當(dāng)量越高粘度與分子量有關(guān)環(huán)氧樹(shù)脂某些性能的實(shí)際值n環(huán)氧氯丙烷:二酚基丙烷(摩爾比）相對(duì)分子量環(huán)氧當(dāng)量0.01001.57:19004505253.71.22:1140087010258.81.15:129001650205012.01.11

3、:1375024004000環(huán)氧樹(shù)脂的特性工業(yè)環(huán)氧樹(shù)脂實(shí)際上是不同n值的混合物。大多數(shù)的分子是含2個(gè)環(huán)氧基端基的線性結(jié)構(gòu)。少數(shù)分子可能支化，極少數(shù)分子的端基是氯醇基。性能指標(biāo)：環(huán)氧值無(wú)機(jī)氯含量總氯含量揮發(fā)分相對(duì)分子量工藝條件原料摩爾比氫氧化鈉的用量，濃度和投料方式一步法，兩步法反應(yīng)溫度加料順序水含量其他環(huán)氧樹(shù)脂四溴二酚基丙烷型環(huán)氧樹(shù)脂小結(jié)縮水甘油醚類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂含有活潑氫的酚類(lèi)和醇類(lèi)(-OH)與環(huán)氧氯丙烷縮聚而成雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂是工業(yè)用量最大的環(huán)氧樹(shù)脂雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂的粘度與分子量的關(guān)系環(huán)氧值的計(jì)算分類(lèi)縮水甘油醚類(lèi)縮水甘油酯類(lèi)縮水甘油胺類(lèi)線性脂肪族類(lèi)脂環(huán)族類(lèi)2.2.2 縮水甘油胺類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂特點(diǎn)：多官能

4、度環(huán)氧當(dāng)量高交聯(lián)密度大耐熱性顯著提高缺點(diǎn)：有一定的脆性對(duì)氨基苯酚環(huán)氧樹(shù)脂(TGPAP)由對(duì)氨基苯酚與環(huán)氧氯丙烷反應(yīng)制得環(huán)氧當(dāng)量95-107低粘度液體(0.550.85 Pas，25)活性非常高，放出大量的熱，甚至使樹(shù)脂碳化性質(zhì)優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性用DDS固化時(shí)Tg值可以高達(dá)250 用TGPAP樹(shù)脂制得的復(fù)合材料具有耐燒蝕性能和耐輻射的性能海茵(Hydantoin)環(huán)氧樹(shù)脂R1和R2可以是H、-CH3、-C2H5，芳基或芳烷基等等。例如：性能特點(diǎn)：粘度低，工藝性能好，海因環(huán)氧樹(shù)脂的粘度比二酚基丙烷型要低得多，在使用時(shí)無(wú)需添加稀釋劑就有很好的工藝性。熱穩(wěn)定性好，能耐高溫。耐候性好。耐日光、紫

5、外線，耐鹽霧、抗腐蝕。高電壓、超高電壓下性能突出。未固化的樹(shù)脂有良好的水溶性，可以處理紡織品、紙張、提高強(qiáng)度和抗皺性。極性很強(qiáng)，對(duì)玻璃纖維、碳纖維等多種填料都有很好的潤(rùn)濕能力和粘結(jié)性能。小結(jié)樹(shù)脂（A）多種多樣的共性：含有一個(gè)以上的環(huán)氧基團(tuán)固化劑（B）？2.2.3 環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑兩種主要固化劑反應(yīng)型常用固化劑：胺類(lèi)（-NH2）酸酐（需要水作催化，產(chǎn)生-OH）用量計(jì)算關(guān)系：根據(jù)環(huán)氧值和固化劑的活潑基團(tuán)的數(shù)量來(lái)計(jì)算，實(shí)際用量有所調(diào)整催化型引發(fā)樹(shù)脂自身聚合可以單獨(dú)用，也可以和反應(yīng)型固化劑一起用胺類(lèi)固化劑的固化原理+例：環(huán)氧值為0.51的二酚基丙烷型環(huán)氧樹(shù)脂，用三乙烯四胺作固化劑，用量為：胺當(dāng)量146

6、/6=24.3三乙烯四胺用量=24.30.51=12.4固化程度固化的初級(jí)階段，樹(shù)脂是半熱塑性的，隨著進(jìn)一步固化，樹(shù)脂轉(zhuǎn)變成熱固性。完全固化難以實(shí)現(xiàn)。合適的固化時(shí)間和固化溫度。隨不同固化劑不同而不同。基本規(guī)律：高溫后固化總比室溫固化的交聯(lián)度要高。固化劑25時(shí)的粘度(Pas)或熔點(diǎn)()推薦的用量(phr)適用期典型的固化周期鄰苯二甲酸酐(PA)1313075110為3.5h到200為30min424h/150三乙烯四胺(TETA)約2.510-2101330min7d/25或室溫凝膠+2h/100BF3-乙胺(BF3-mea)8915至少6個(gè)月2h/105+4h/150或2002.2.4 環(huán)氧樹(shù)

7、脂的稀釋劑和增韌劑稀釋劑（主要對(duì)雙酚A）降低粘度一般有毒非活性和活性稀釋劑增韌劑提高固化物的韌性非活性和活性?xún)煞N一定范圍內(nèi)調(diào)控粘度、脆性；適量原則；小結(jié)性能優(yōu)異，收縮率小雙酚A是最主要的一類(lèi)種類(lèi)多固化劑和固化工藝可以稀釋降低粘度、增韌其他熱固性基體熱固性聚酰亞胺2.3 熱塑性基體有機(jī)玻璃尼龍乙烯基高分子聚乙烯聚乙醚酮樹(shù)脂（PEEK）聚乙醚亞胺樹(shù)脂（PEI）PEEK為了彌補(bǔ)熱固性樹(shù)脂的脆性而研制乙醚、酮以及芳香族組成的結(jié)晶性高分子熔點(diǎn)300度以上剛度和強(qiáng)度與環(huán)氧樹(shù)脂接近、沖擊韌性和斷裂韌性比環(huán)氧高很多C/Epoxy KIC100-150 J/cm-2C/PEEK KIC1500 J/cm-2低速

8、沖擊后的殘余壓縮強(qiáng)度飛機(jī)成形溫度和壓力要求比環(huán)氧樹(shù)脂高過(guò)程比較復(fù)雜成本較高PEI乙醚和亞胺組成的非結(jié)晶性高分子玻璃化遷移溫度較高耐高溫、韌性好不易燃燒多作為宇宙航空結(jié)構(gòu)及軍事設(shè)備等高性能材料熱塑性樹(shù)脂的性能特點(diǎn)耐沖擊，斷裂韌性高大部分用于汽車(chē)、電器產(chǎn)品多數(shù)短纖維復(fù)合基體的斷裂韌性斷裂韌性的含義和測(cè)量斷裂韌性指材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無(wú)關(guān)。是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對(duì)物體所作的功表示。例如應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸

9、長(zhǎng)值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。 測(cè)量方法壓痕法（IM）測(cè)試試樣表面先拋光成鏡面，在顯微硬度儀上，以10Kg負(fù)載在拋光表面用硬度計(jì)的錐形金剛石壓頭產(chǎn)生一壓痕，這樣在壓痕的四個(gè)頂點(diǎn)就產(chǎn)生了預(yù)制裂紋。根據(jù)壓痕載荷P和壓痕裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度C計(jì)算出斷裂韌性數(shù)值（KIC）。 計(jì)算公式為： E為揚(yáng)氏模量，例如對(duì)于Si3N4系統(tǒng)一般取300GPa。公式中載荷P單位為kg, 裂紋長(zhǎng)度C單位為mm, 顯微硬度HV單位為GPa。 實(shí)物照片單邊切口梁法在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試采用三點(diǎn)彎曲的模式進(jìn)行測(cè)量復(fù)雜的制樣和數(shù)據(jù)處理過(guò)程加工長(zhǎng)條試樣線切割開(kāi)口疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋測(cè)量，加載測(cè)試數(shù)據(jù)處理初步處

10、理判斷結(jié)果合理性，否則要做更大尺寸的樣品測(cè)試方法比較單邊梁法優(yōu)于壓痕法。公認(rèn)單邊梁法為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。為了實(shí)際方便，要對(duì)壓痕法進(jìn)行修正。以實(shí)現(xiàn)又快捷又準(zhǔn)確。熱塑性樹(shù)脂的性能特點(diǎn)耐沖擊，斷裂韌性高大部分用于汽車(chē)、電器產(chǎn)品多數(shù)短纖維復(fù)合小結(jié)纖維高于塊體的性能內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征高定向，低缺陷典型的性能典型的斷裂行為區(qū)分彈性模量與抗拉強(qiáng)度纖維的彎曲變形正是纖維的存在，使得人們可以用很小的力將強(qiáng)度和剛度很大的材料成型為非常復(fù)雜的形狀，而且無(wú)纖維斷裂。這是因?yàn)椋瑢?duì)于直徑如此小的纖維，當(dāng)把它貼覆在復(fù)雜型面上時(shí)其實(shí)際上仍處于彈性彎曲。 先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)p10根據(jù)典型彈性假設(shè)，當(dāng)把直徑為d的纖維彎曲成曲率半徑為時(shí)的

11、軸向應(yīng)變可表示為：舉例：直徑7m的纖維彎曲成2.54mm的曲率，其軸向應(yīng)變僅為1.410-3，這比碳纖維的典型斷裂應(yīng)變大約小一個(gè)數(shù)量級(jí)。在不損傷纖維的前提下，可以成型很小的先進(jìn)復(fù)合材料零件。纖維強(qiáng)度的分散性 脆性纖維的強(qiáng)度SiC、B、C、Al2O3等脆性纖維破裂應(yīng)變小，而且強(qiáng)度分散性大纖維強(qiáng)度需采用概率手段進(jìn)行評(píng)價(jià)Weibull分布被普遍使用Weibull分布F()是破斷概率是纖維強(qiáng)度， 0和m分別為尺寸因子和形狀因子m越大分散越小小結(jié)纖維高于塊體的性能內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征高定向，低缺陷典型的性能典型的斷裂行為區(qū)分彈性模量與抗拉強(qiáng)度成型時(shí)的彈性形變強(qiáng)度的分散性Weibull分布基體熱固性不飽和聚酯樹(shù)脂的成分與結(jié)構(gòu)大分子聚酯和小分子交聯(lián)單體引發(fā)劑引發(fā)聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)固化環(huán)氧樹(shù)脂的成分與結(jié)構(gòu)大分子樹(shù)脂與小分子固化劑環(huán)氧值與配方計(jì)算種類(lèi)繁多可以離線浸潤(rùn)，低溫保存脆性與基團(tuán)有一定的關(guān)系應(yīng)用黏度低，易于與纖維浸潤(rùn)常用于先進(jìn)復(fù)