材料表界面第十章

1、材料表界面第十章第1頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四一、復(fù)合材料概述二、聚合物基復(fù)合材料三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面 第十章 復(fù)合材料的界面第2頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 無機(jī) 非金屬 材料有機(jī)高分子材料金屬材料復(fù)合材料一、復(fù)合材料概述復(fù)合材料是以兩種或兩種以上不同材料通過一定的工藝復(fù)合而成的多相材料。取 長 補(bǔ) 短協(xié) 同 作 用產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能第3頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四一、復(fù)合材料概述復(fù)合材料是以兩種或兩種以上不同材料通過一定的工藝復(fù)合而成的多相材料。包括三

2、層意義：它是一種多相材料，包含兩種或兩種以上物理上不同并可用機(jī)械方法分離的材料。它可以在人為控制下以某種工藝將幾種分離的不同材料混合在一起，形成復(fù)合材料。它的性能應(yīng)優(yōu)于各單獨(dú)的組分材料，在某些方面可能具有組分材料沒有的獨(dú)特性能。第4頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四一、復(fù)合材料概述復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)：基體相增強(qiáng)劑相相與相之間存在界面。纖維增強(qiáng)塑料塑料：把纖維粘結(jié)在一起，使纖維的強(qiáng)度充分發(fā)揮纖維：分散于塑料，混凝土中的“鋼筋”，承擔(dān)負(fù)荷第5頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四一、復(fù)合材料概述 界面對復(fù)合材料的性能起著至關(guān)重要的作用。復(fù)合材料的性能不是

3、組成材料性能的簡單加和，而產(chǎn)生了 112 的作用，稱為協(xié)同效應(yīng)。 復(fù)合材料的界面：斷裂能大幅提高的原因？玻璃纖維的斷裂能約為10 Jm2，聚酯的斷裂能約為 100 Jm2，而復(fù)合后的玻璃纖維增強(qiáng)塑料的斷裂能達(dá)105Jm2 第6頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四一、復(fù)合材料概述界面是復(fù)合材料產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的根本原因復(fù)合材料的界面：第7頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四一、復(fù)合材料概述復(fù)合材料的界面：圖10-2復(fù)合材料破壞過程中的能量吸收裂紋在基體中發(fā)展，遇到纖維，可能發(fā)生界面脫粘、基體和纖維的斷裂、纖維拔出等過程，吸收了大量能量。并且裂紋發(fā)展未必

4、在一個(gè)平面上，可沿著材料中不同的平面發(fā)生如上的界面脫粘、基體和纖維的斷裂、纖維拔出等過程，直到裂紋貫穿了某一平面材料才破壞，這就使得復(fù)合材料的斷裂能大大高于各組分材料的斷裂能的加和，充分體現(xiàn)出復(fù)合材料的協(xié)同效應(yīng)。第8頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四一、復(fù)合材料概述復(fù)合材料的界面：1 纖維本體區(qū)2 纖維表面區(qū)3 界面吸附層4 基體表面區(qū) 5 基體本體區(qū)界面相很薄，是亞微觀的，卻有極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在兩相復(fù)合過程中，會出現(xiàn)熱應(yīng)力（導(dǎo)熱系數(shù)，膨脹系數(shù)的不同），界面化學(xué)效應(yīng)（官能團(tuán)之間的作用或反應(yīng)）和界面結(jié)晶效應(yīng)（成核誘發(fā)結(jié)晶，橫晶），這些效應(yīng)引起的界面微觀結(jié)構(gòu)和性能特征，對

5、復(fù)合材料的宏觀性能產(chǎn)生直接的影響。 圖10-3復(fù)合材料界面模型界面相內(nèi)的化學(xué)組分，分子排列，熱性能，力學(xué)性能呈現(xiàn)連續(xù)的梯度性變化。第9頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四一、復(fù)合材料概述復(fù)合材料的分類：按基體材料分類 聚合物基復(fù)合材料：熱固性和熱塑性樹脂基 金屬基復(fù)合材料 無機(jī)非金屬基復(fù)合材料：陶瓷基，水泥基其中，應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的是聚合物基復(fù)合材料。第10頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四二、聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料的一般特性：輕質(zhì)高強(qiáng)電性能好耐腐蝕性能好熱性能好性能具有可設(shè)計(jì)性界面結(jié)合性差，層間剪切強(qiáng)度低第11頁，共101頁，20

6、22年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚合物基復(fù)合材料的一般特性： 輕質(zhì)高強(qiáng)：相對密度低，之間，約為鋼的1/5,鋁的1/2，比強(qiáng)度比鋼、鋁合金高，如高模量碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的比強(qiáng)度為鋼的5倍，鋁合金的4倍。其比模量是鋼、鋁、鈦的4倍。是復(fù)合材料適宜用作航空、航天材料的寶貴性能。二、聚合物基復(fù)合材料第12頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚合物基復(fù)合材料的一般特性： 輕質(zhì)高強(qiáng)：二、聚合物基復(fù)合材料材料密度（g/cm3）拉伸強(qiáng)度（GPa）彈性模量（102GPa）比強(qiáng)度（106cm）比模量（108cm）鋼.鋁合金.鈦合金.玻璃纖維復(fù)合材料.碳纖維I環(huán)氧復(fù)合材料.碳纖維I

7、I環(huán)氧復(fù)合材料.有機(jī)纖維環(huán)氧復(fù)合材料.0.硼纖維環(huán)氧復(fù)合材料.一些常用材料及纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量第13頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚合物基復(fù)合材料的一般特性：電性能好：電絕緣性、高頻介電性能、微波透過性好，適宜于電機(jī)儀表零件、雷達(dá)罩等。二、聚合物基復(fù)合材料第14頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚合物基復(fù)合材料的一般特性： 耐腐蝕性能好：耐海水、酸堿、鹽和有機(jī)溶劑，適宜于化工機(jī)械零部件、管道、貯槽、漁船等。二、聚合物基復(fù)合材料第15頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚合物基復(fù)合材料的一般特性： 熱性能好

8、：導(dǎo)熱系數(shù)低，是優(yōu)良的絕熱材料。耐燒蝕性能能保護(hù)飛行器重返大氣層免受2000以上的高溫、高速氣流損害。高性能復(fù)合材料可設(shè)計(jì)成熱膨脹系數(shù)為零、能在高低溫的交替中保持良好的尺寸穩(wěn)定性材料。 二、聚合物基復(fù)合材料第16頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚合物基復(fù)合材料的一般特性： 性能具有可設(shè)計(jì)性： 性能除與纖維、樹脂的種類及含量外，還與纖維的排列方向、鋪層次序和層數(shù)有關(guān)，因此可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。 在制造復(fù)合材料的同時(shí)，也就得到了制品，可一次成型。這一特點(diǎn)使得復(fù)合材料制品的零部件數(shù)目可明顯減少，避免了接頭過多，降低了應(yīng)力集中。同時(shí)，也相應(yīng)減輕了零部件的重量

9、，減少了制造工序和加工量，縮短加工周期，降低生產(chǎn)成本。二、聚合物基復(fù)合材料第17頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚合物基復(fù)合材料的一般特性：界面結(jié)合性差，層間剪切強(qiáng)度低 由于復(fù)合材料是由性能遽然不同的兩種材料構(gòu)成，因而界面的相容性和結(jié)合力差，使得復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度都不夠理想。因此，常常要對復(fù)合材料進(jìn)行界面改性來提高復(fù)合材料的性能。 聚合物基復(fù)合材料也存在一些缺點(diǎn)和問題，如工藝穩(wěn)定性較差，材料性能分散性大，耐高溫和環(huán)境老化性不好等。 也正是對復(fù)合材料存在的問題的研究解決，推動著復(fù)合材料科學(xué)的發(fā)展。 二、聚合物基復(fù)合材料第18頁，共101頁，2022年，5

10、月20日，22點(diǎn)34分，星期四用于復(fù)合材料的聚合物基體有多種分類方法，如按樹脂熱行為可分為熱塑性及熱固性兩類。二、聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料的分類：第19頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四熱塑性聚合物的形態(tài)特征熱塑性基體如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它們是一類線形或有支鏈的固態(tài)高分子，可溶可熔，可反復(fù)加工成型而無任何化學(xué)變化。二、聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料的分類（基體）：第20頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四熱固性聚合物的形態(tài)特征熱固性基體如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等，它們在制成最終產(chǎn)品前，通常為分子

11、量較小的液態(tài)或固態(tài)預(yù)聚體，經(jīng)加熱或加固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固化后，形成不溶不熔的三維網(wǎng)狀高分子，這類基體通常是無定形的。二、聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料的分類（基體）：第21頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 1. 不飽和聚酯樹脂 不飽和聚酯樹脂是由飽和二元酸（或酸酐）、不飽和二元酸（或酸酐）與多元醇縮聚而成的聚酯在乙烯基單體（如苯乙烯）中形成的溶液。是制造玻璃纖維復(fù)合材料的一種重要樹脂。在國外，聚酯樹脂占玻璃纖維復(fù)合材料用樹脂總量的80%以上。二、聚合物基復(fù)合材料第22頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 1. 不飽和聚酯樹脂 二、聚合物基復(fù)

12、合材料飽和二元酸或酸酐不飽和二元酸或酸酐多元醇交聯(lián)劑第23頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四首先，多元酸（酸酐）與多元醇縮聚，形成分子量不很大的、主鏈含有雙鍵的不飽和聚酯：調(diào)節(jié)飽和二元酸和不飽和二元酸的比例，可以控制不飽和聚酯中雙鍵的含量 然后，在引發(fā)劑的存在下，不飽和聚酯中的雙鍵與苯乙烯發(fā)生自由基共聚反應(yīng)，交聯(lián)成三元網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 1. 不飽和聚酯樹脂 二、聚合物基復(fù)合材料第24頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 1. 不飽和聚酯樹脂 特點(diǎn)：工藝性良好，室溫下固化，常壓下成型，工藝裝置簡單。樹脂固化后綜合性能良好，力學(xué)性能不如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂。

13、價(jià)格比環(huán)氧樹脂低得多，只比酚醛樹脂略貴一些。不飽和聚酯樹脂的缺點(diǎn)是固化時(shí)體積收縮率大、耐熱性差等。 主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中。二、聚合物基復(fù)合材料第25頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 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)氧基化合物，一般它們的相對分子質(zhì)量都不大，環(huán)氧基可以位于分子鏈的末端，也可在分子鏈的中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于環(huán)氧基非?；顫姡梢耘c多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成不溶不熔的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物。二、聚合物基復(fù)合材料第26頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四二、聚合物基復(fù)合材料 2. 環(huán)氧樹脂分子

14、鏈中引入環(huán)氧基的方法，一種是由含活潑氫的化合物如酚類、有機(jī)酸類、胺類與環(huán)氧氯丙烷發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，然后在堿的作用下閉環(huán)，引入環(huán)氧基：第27頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四二、聚合物基復(fù)合材料 2. 環(huán)氧樹脂分子鏈中引入環(huán)氧基的方法，另一種引入環(huán)氧基的方法是用過醋酸或過氧化氫對帶雙鍵的化合物進(jìn)行環(huán)氧化：第28頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四二、聚合物基復(fù)合材料 2. 環(huán)氧樹脂反應(yīng)性固化劑：與環(huán)氧分子進(jìn)行加成反應(yīng)，并通過逐步反應(yīng)歷程交聯(lián)成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 脂肪族多元胺、芳香胺、多元酸等催化性固化劑：引發(fā)環(huán)氧基按陽離子或陰離子聚合的歷程進(jìn)行固化反應(yīng) 叔

15、胺、三氟化硼等第29頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四二、聚合物基復(fù)合材料 2. 環(huán)氧樹脂脂肪族多元胺固化原理胺基上的活潑氫可與環(huán)氧基發(fā)生如下的反應(yīng)： 第30頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四二、聚合物基復(fù)合材料 2. 環(huán)氧樹脂常用的脂肪胺固化劑H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2 二乙烯三胺H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 三乙烯四胺H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 四乙烯五胺H2N(CH2CH2NH)nCH2CH2NH2 多乙烯多胺第31頁，共101頁，2022年，5月2

16、0日，22點(diǎn)34分，星期四 2. 環(huán)氧樹脂特點(diǎn)：在加熱條件下即能固化，無須添加固化劑。酸、堿對固化反應(yīng)起促進(jìn)作用；已固化的樹脂有良好的壓縮性能，良好的耐水、耐化學(xué)介質(zhì)和耐燒蝕性能；樹脂固化過程中有小分子析出，故需在高壓下進(jìn)行；固化時(shí)體積收縮率大，樹脂對纖維的粘附性不夠好，但斷裂延伸率低，脆性大。二、聚合物基復(fù)合材料第32頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 3. 酚醛樹脂 酚醛樹脂是由酚類和醛類反應(yīng)而成的一類聚合物，是最早合成的熱固性樹脂。常用酚類是苯酚，醛類是甲醛。二、聚合物基復(fù)合材料第33頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 3. 酚醛樹脂二

17、、聚合物基復(fù)合材料反應(yīng)原理：第一步甲醛與苯酚加成生成羥甲基苯酚 第34頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 3. 酚醛樹脂二、聚合物基復(fù)合材料反應(yīng)原理：第二步羥甲基與苯酚鄰對位氫脫水縮合或羥甲基與羥甲基縮合成醚鍵，再在加熱下脫去甲醛成次甲基第35頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 3. 酚醛樹脂 優(yōu)點(diǎn)：比環(huán)氧樹脂價(jià)格便宜缺點(diǎn)：吸附性不好、收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高等。大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強(qiáng)塑料，少量用于玻璃纖維復(fù)合材料、耐燒蝕材料等，很少使用在碳纖維和有機(jī)纖維復(fù)合材料中。二、聚合物基復(fù)合材料第36頁，共101頁，2022年，5

18、月20日，22點(diǎn)34分，星期四三種樹脂基體的比較不飽和聚酯：用量最大，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼）制品所用的樹脂，主要是不飽和聚酯樹脂。用于座椅、船舶、人造大理石等等。環(huán)氧樹脂: 與碳纖維等復(fù)合，界面結(jié)合好，收縮率?。坏w系粘度大，工藝性差。用于高檔制品，如航空航天材料。酚醛樹脂：耐熱性突出，但固化時(shí)有小分子放出，需加壓成型，增加了成本。用于電木，耐燒蝕的碳碳復(fù)合材料（殘?zhí)悸矢摺⑹Y(jié)構(gòu)）二、聚合物基復(fù)合材料第37頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 聚合物基復(fù)合材料基體的作用：把增強(qiáng)材料纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護(hù)纖維不受環(huán)境影響二、聚合物基復(fù)合材料第38

19、頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚合物基復(fù)合材料增強(qiáng)材料： 在復(fù)合材料中，凡能提高機(jī)體的機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的材料稱為增強(qiáng)材料。二、聚合物基復(fù)合材料第39頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚合物基復(fù)合材料增強(qiáng)材料：纖維增強(qiáng)材料：廣泛應(yīng)用的有玻璃纖維、碳纖維、有機(jī)纖維等 片狀增強(qiáng)材料：除長纖維狀使用外，也可切斷后以短切纖維或者編織成織物使用。 顆粒狀增強(qiáng)材料：稱為填料，主要不僅能使復(fù)合材料制品的價(jià)格降低，而且能顯著改善制品的機(jī)械性能、耐摩擦性能、熱性能、耐老化性能等。碳酸鈣、石墨、云母、高嶺土、二氧化硅、滑石粉等。使用量最大二、聚合物

20、基復(fù)合材料第40頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四拉伸強(qiáng)度：塊狀石墨：689MPa，石墨纖維：17002800MPa。拉伸強(qiáng)度：塊狀玻璃：40100MPa；玻璃纖維（直徑10m以下）：1000MPa以上；玻璃纖維（直徑5 m以下）：2400MPa以上。在復(fù)合材料中，大都是以纖維狀材料，特別是連續(xù)長纖維作為增強(qiáng)材料。聚合物基復(fù)合材料增強(qiáng)材料：二、聚合物基復(fù)合材料第41頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維增強(qiáng)塑料：俗稱玻璃鋼，是由玻璃纖維和基體樹脂組成的復(fù)合材料。玻璃纖維賦予復(fù)合材料強(qiáng)度和剛度，基體樹脂則對復(fù)合材料的

21、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、耐腐蝕性、阻燃、耐輻射、電性能等有密切關(guān)系。第42頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維：是目前復(fù)合材料中使用量最大的一種增強(qiáng)纖維。玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度比塊狀玻璃高許多倍，但經(jīng)研究證明，玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與玻璃相同。玻璃是由硅氧原子為主組成的不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間存在空穴，空穴中填充著Na，K、Ca2、Mg2等金屬離子。第43頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維：玻璃纖維骨架的化學(xué)組成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化鈣、三氧化二鋁等。以二氧化硅為主的稱為硅酸鹽破璃，

22、以三氧化二硼為主的稱為硼酸鹽玻璃。第44頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面物理性能外觀和比重表面積玻璃纖維的力學(xué)性能玻璃纖維的耐磨性與耐折性玻璃纖維的熱性能玻璃纖維的電性能玻璃纖維：第45頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維的物理性能：外觀和比重一般天然或人造的有機(jī)纖維，其表面都有較深的皺紋；而對于玻璃纖維來說，其表面呈光滑的圓柱，其橫斷面幾乎都是完整的圓形。第46頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維的物理性能：外觀和比重玻璃纖維直徑

23、從1.5 25 um，大多數(shù)為4 14 um。玻璃纖維的密度為2.16 4.30 gcm3。此外，一般情況下，無堿玻璃纖維的比重大于有堿纖維。第47頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面表面積由于玻璃纖維的表面積大，使得纖維表面處理的效果對性能的影響很大。玻璃纖維的物理性能：第48頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四玻璃纖維的力學(xué)性能1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度一般玻璃制品的拉伸強(qiáng)度只有40 100 MPa，而直徑3 9 um的玻璃纖維拉伸強(qiáng)度則高達(dá)1500 4000 MPa。1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素3)玻

24、璃纖維的彈性三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維的物理性能：第49頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面幾種纖維材料和金屬材料的強(qiáng)度玻璃纖維的物理性能：第50頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素A、一般情況，玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度隨直徑變細(xì)而拉伸強(qiáng)度增加，如下表所示：1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素3)玻璃纖維的彈性玻璃纖維的力學(xué)性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維的物理性能：第51頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界

25、面第52頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素B、拉伸強(qiáng)度也與纖維的長度有關(guān)，隨著長度增加拉伸強(qiáng)度顯著下降。如下表所示： 1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素3)玻璃纖維的彈性玻璃纖維的力學(xué)性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維的物理性能：第53頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四第54頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素C、化學(xué)組成對強(qiáng)度的影響 纖維的強(qiáng)度與玻璃化學(xué)成分關(guān)系密切。而改變系統(tǒng)(即改變它的基本組分)，強(qiáng)度會產(chǎn)生大幅度地變化。 1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度2

26、)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素3)玻璃纖維的彈性玻璃纖維的力學(xué)性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維的物理性能：第55頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素3)玻璃纖維的彈性玻璃纖維的力學(xué)性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面 D、纖維老化的影響E、纖維的疲勞影響F、成型方法和成型條件強(qiáng)度的影響玻璃纖維的物理性能：第56頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素3)玻璃纖維的彈性玻璃纖維的力學(xué)性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面3)玻璃纖維的彈性A、玻璃纖維的

27、延伸率玻璃纖維的延伸率比其它有機(jī)纖維的延伸率低，一般為3左右。 玻璃纖維的物理性能：第57頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素3)玻璃纖維的彈性玻璃纖維的力學(xué)性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面3)玻璃纖維的彈性A、玻璃纖維的彈性模量玻璃纖維的彈性模量約為7 *104 MPa，與鋁相當(dāng)，只有普通鋼的三分之一，致使復(fù)合材料的剛度較低。玻璃纖維的物理性能：第58頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四玻璃纖維的耐磨性與耐折性玻璃纖維這兩個(gè)性能都很差，經(jīng)過揉搓摩擦容易受傷或斷裂，這是玻纖的嚴(yán)重缺點(diǎn)。 三、玻璃纖維增強(qiáng)

28、塑料界面玻璃纖維的物理性能：第59頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四玻璃纖維的熱性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面導(dǎo)熱性耐熱性1）玻璃纖維的導(dǎo)熱性玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 1.1千卡/米度時(shí)，但拉制成玻璃纖維后，其導(dǎo)熱系數(shù)只有0.03千卡米度時(shí)。玻璃纖維的物理性能：第60頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四玻璃纖維的熱性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面導(dǎo)熱性耐熱性2）破璃纖維的耐熱性玻璃纖維耐熱性較高，軟化點(diǎn)為550 580，其熱膨脹系數(shù)為4.8 106 / 。玻璃纖維的物理性能：第61頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四玻璃纖維的電

29、性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維的導(dǎo)電性主要取決于化學(xué)組成、溫度和濕度。無堿纖維的電絕緣性能比有堿纖維優(yōu)越得多。玻璃纖維的電阻率隨著溫度的升高而下降。玻璃纖維的物理性能：第62頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四玻璃纖維的電性能三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面空氣濕度對玻璃布電阻率影響玻璃纖維的物理性能：第63頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維的化學(xué)性能：玻璃是一種非常好的耐腐蝕材料，除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對一般的化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。但拉制成玻璃纖維后，其化學(xué)穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如玻璃。這主要是由于玻璃

30、纖維的比表面積大所造成的。 玻璃纖維的耐腐蝕性能要比塊玻璃差得多，且玻璃纖維的直徑越小，其化學(xué)穩(wěn)定性越差。第64頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面聚合物基復(fù)合材料的基體是有機(jī)高分子材料，玻璃纖維是無機(jī)材料，由于有機(jī)高分子材料和無機(jī)材料在結(jié)構(gòu)和性能上存在很大的差異，相互親和力差，因此難以實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合。有機(jī)高分子材料無機(jī)非金屬材料偶聯(lián)劑第65頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面偶聯(lián)劑： 偶聯(lián)劑是這樣的一類化合物，它們的分子中含有兩種性質(zhì)不同的基團(tuán)，其中一種基團(tuán)可與增強(qiáng)材料發(fā)生化學(xué)作用或物理作用，

31、另一種基團(tuán)則能和基體發(fā)生化學(xué)作用或物理作用。從通過偶聯(lián)劑的歐聯(lián)作用，使基體與增強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合，從而顯著提高復(fù)合材料的性能。 按化學(xué)組成，偶聯(lián)劑主要可分為硅烷類、有機(jī)鉻絡(luò)合物類、鈦酸酯類。 第66頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四 (1)有機(jī)硅烷類偶聯(lián)劑 有機(jī)硅烷是一類品種很多，效果也很顯著的表面處理劑，其一般結(jié)構(gòu)通式為：RnSiX4-n R為有機(jī)基團(tuán)，是可與合成樹脂作用形成化學(xué)鍵的活性基團(tuán),如不飽和雙鍵、環(huán)氧基、氨基等；X為易水解的基團(tuán)，如甲氧基、乙氧基等。n1，2，3 絕大多數(shù)n1偶聯(lián)劑第67頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四偶聯(lián)

32、劑有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑的作用機(jī)理如下：（1）X基團(tuán)水解，形成硅醇：（蒸餾水稀釋5%）（2）硅醇的硅羥基之間以及硅醇硅羥基與玻璃纖維表面硅羥基之間形成氫鍵： RnSiX4-n第68頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四（3） 硅羥基之間脫水形成-Si-O-Si-鍵：這樣，硅烷偶聯(lián)劑在玻璃纖維表面以-Si-O-Si-化學(xué)鍵結(jié)合，同時(shí)在玻璃纖維表面縮聚成膜，形成有機(jī)基團(tuán)R朝外的結(jié)構(gòu) 偶聯(lián)劑有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑的作用機(jī)理如下：第69頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四有機(jī)基因R中可含有-CC-、-NH2、一CH一CH2等基團(tuán)，這些活性基團(tuán)和樹脂基體反應(yīng)， 形成新的化學(xué)

33、鍵，即偶聯(lián)劑與基體結(jié)合起來了例如，-CC-可參與不飽和聚酯的固化反應(yīng)，-NH2可參與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)。有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑的作用機(jī)理如下：偶聯(lián)劑O第70頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四這類鉻絡(luò)合物無水時(shí)的結(jié)構(gòu)式(2)有機(jī)鉻偶聯(lián)劑有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物簡稱鉻絡(luò)合物，這類絡(luò)合物通常是用堿式氯化鉻與羧酸反應(yīng)而制得。2Cr(OH)Cl2+RCOOHRCOOCr2(OH)Cl4+H2O偶聯(lián)劑沃蘭(Vo1an)第71頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四偶聯(lián)劑 有機(jī)鉻偶聯(lián)劑的作用機(jī)理與有機(jī)硅烷類似，可表示如下：第72頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)3

34、4分，星期四偶聯(lián)劑(3) 鈦酸酯偶聯(lián)劑 結(jié)構(gòu)通式：(RO)m Ti - (O-X-R-Y)nm、n為官能團(tuán)數(shù)。n2時(shí)為多官能團(tuán)的鈦酸酯，可與多官能團(tuán)的熱塑性及熱固性樹脂起作用。第73頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四偶聯(lián)劑(3) 鈦酸酯偶聯(lián)劑第74頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面用偶聯(lián)劑進(jìn)行玻璃纖維表面處理的方法后處理法前處理法遷移法第75頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面用偶聯(lián)劑進(jìn)行玻璃纖維表面處理的方法后處理法：用洗滌或灼燒的方法先除去玻璃纖維表面的紡織型浸潤劑，

35、然后用偶聯(lián)劑浸漬、水洗、干燥，使玻璃纖維表面覆蓋一層偶聯(lián)劑。第76頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四浸潤劑：在玻璃纖維的拉制過程中，把在單根纖維表面涂覆的一種由粘結(jié)組分、潤滑組分和表面活性劑組分等配置而成的乳液稱為浸潤劑。浸潤劑的作用:（1）使單絲集束，便于后續(xù)的并股、紡織等工序；（2）防止原紗纏繞成卷時(shí)，纖維相互粘結(jié)；（3）保護(hù)纖維，防止纖維紡織時(shí)，由于表面磨損而降低強(qiáng)度。 坩鍋拉絲法制備玻璃纖維示意圖1300第77頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面用偶聯(lián)劑進(jìn)行玻璃纖維表面處理的方法前處理法：將偶聯(lián)劑作為浸潤劑的一個(gè)

36、組分，使浸潤劑既滿足玻璃纖維的拉絲、紡織和各道工序的要求，同時(shí)在拉絲的過程中就使玻璃纖維表面覆蓋一層偶聯(lián)劑。前處理法是先進(jìn)的玻璃纖維表面處理方法，省去了洗滌或灼燒再后處理的復(fù)雜工藝，避免了玻纖在灼燒中的強(qiáng)度損失。對適合前處理法的浸潤劑配方研究已成為一個(gè)重要的課題。 第78頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面用偶聯(lián)劑進(jìn)行玻璃纖維表面處理的方法遷移法：將偶聯(lián)劑直接加到樹脂膠液中混合，借偶聯(lián)劑從樹脂中向玻璃纖維表面的遷移作用與玻璃纖維表面發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生作用。遷移法的優(yōu)點(diǎn)是工藝操作簡便，不需要龐大復(fù)雜的處理設(shè)備，也不消耗能量。但遷移法的效果要差于前兩種方

37、法。第79頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面用偶聯(lián)劑進(jìn)行玻璃纖維表面處理的效果未經(jīng)處理的玻璃纖維，制成的玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面容易受到介質(zhì)的侵蝕，偶聯(lián)劑使玻璃纖維與基體樹脂以化學(xué)鍵結(jié)合，界面結(jié)合牢固，不易受到介質(zhì)侵蝕。第80頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四聚酯玻璃鋼的水煮強(qiáng)度水煮時(shí)間/h彎曲強(qiáng)度保留率/%未處理A-151沃蘭KH-560KH-5700251.8303.1324.0258.3338.5269.996.084.3106.193.3853.992.470.994.498.62454.082.255.878.8

38、85.44850.669.652.363.967.2硅烷偶聯(lián)劑的處理效果材料在彎曲應(yīng)力的作用下，不但受到壓縮和拉伸應(yīng)力的作用，而且還受到切應(yīng)力的作用。因此彎曲強(qiáng)度可反映出材料界面結(jié)合的情況。 三、玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面第81頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面高性能增強(qiáng)纖維：1.碳纖維碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。碳纖維不屬于有機(jī)纖維范疇，但從制備方法上看，它又不同于普通無機(jī)纖維。碳纖維有機(jī)纖維第82頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四碳纖維的分類當(dāng)前，國內(nèi)外巳商品化的碳纖維種類很多，

39、一般可以根據(jù)原絲的類型、碳纖維的性能和碳纖維的用途等三種方法進(jìn)行分類。四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面第83頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面根據(jù)碳纖維的性能分類(1) 高性能碳纖維在高性能碳纖維中，有高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維、中模量碳纖維等。(2)低性能碳纖維這類碳纖維中，有耐火纖維、碳質(zhì)纖維、石墨纖維等。第84頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面根據(jù)原絲類型分類(1)聚丙烯腈基纖維；(2)粘膠基碳纖維；(3)瀝青基碳纖維；(4)木質(zhì)素纖維基碳纖維；(5)其他有機(jī)纖維基(各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香

40、族合成纖維)碳纖維。第85頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四根據(jù)碳纖維功能分類(1)受力結(jié)構(gòu)用碳纖維(2)耐焰碳纖維(3)活性碳纖維(吸附活性)(4)導(dǎo)電用碳纖維(5)潤滑用碳纖維(6)耐磨用碳纖維四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面第86頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面碳纖維的制造在制備碳纖維的過程中，無論采用什么原材料，都要經(jīng)過原絲預(yù)氧化（拉絲、牽伸、穩(wěn)定）、碳化以及石墨化等五個(gè)階段，所產(chǎn)生的最終纖維，其基本成分為碳。第87頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能 碳纖

41、維的結(jié)構(gòu) 碳纖維的物理性能 碳纖維的化學(xué)性能 其他性能第88頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面用x射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)并不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維的結(jié)構(gòu)第89頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面碳纖維的比重在之間，這除了與原絲結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要還決定于碳化處理的溫度。一般情況下，經(jīng)過高溫(3000 )石墨化處理，比重可達(dá)2.0。 碳纖維的物理性能第90頁，共101頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期四四、先進(jìn)復(fù)合材料的界面碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它類型纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。平行于纖維方向是負(fù)值(-0.72 -0.90 10 -6 /)，而垂直于纖維方向是正值( 32 22 10-6 /)。 碳纖維的物理性能第91