復(fù)合材料原理第章

復(fù)合材料物理和化學(xué)性能的復(fù)合規(guī)律8.1密度8.2熱性能8.3燃燒特性8.4光學(xué)性能8.5耐化學(xué)性復(fù)合材料中，基體或填料的含量通常以質(zhì)量百分率表示，必須將質(zhì)量百分率換算成體積百分率，才能應(yīng)用復(fù)合規(guī)則來估算復(fù)合材料的密度。8.1密度ρc——復(fù)合材料的密度；ρm——基體的密度；ρf——增強(qiáng)體的密度；Vf——增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)。復(fù)合材料的最基本物性(8.1)如果以基體在復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wm為已知數(shù)：對于聚合物基復(fù)合材料，由于ρm對大多數(shù)聚合物來說差別不大，當(dāng)填料一定時，復(fù)合材料的密度主要取決于填料的含量。(8.1)8.2熱性能熱性能熱基礎(chǔ)物性耐熱性熱膨脹系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)比熱熱功能復(fù)合材料的最重要性質(zhì)與力學(xué)性能并列為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最重要的特性α

——熱膨脹系數(shù)；Vf——增強(qiáng)體的容積分?jǐn)?shù)；角標(biāo)c、m、f分別代表復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體。8.2.1熱基礎(chǔ)物性熱膨脹系數(shù)基本上可按復(fù)合規(guī)則加以估算：一般無機(jī)填料的熱膨脹系數(shù)較聚合物的要小得多，所以，填充無機(jī)填料的復(fù)合塑料其熱膨脹系數(shù)要較純聚合物的小，其數(shù)值接近于金屬的熱膨脹系數(shù)。聚合物、填料及其復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)(×10-5)聚合物熱膨脹系數(shù)（1/℃）填料熱膨脹系數(shù)（1/℃）復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)（1/℃）PP10-11玻璃纖維E0.5PP(含30％GF，質(zhì)量比)3.2PVC(硬質(zhì))7-8碳纖維（PAN系）（0.3-0.5）PC（含30％GF，質(zhì)量比）2.7PC7滑石粉0.8尼龍66（含30％GF，質(zhì)量比）2.2尼龍－68CaCO31AS（含30％GF，質(zhì)量比）2.8尼龍－6610-15鋁2.4PP（含33％CaCO3，質(zhì)量比）4.2AS6-7鐵1.2PVC（含33％木粉，質(zhì)量比）3.2材料熱膨脹系數(shù)①（╳10-5/℃）流動方向垂直流動方向尼龍-6非增強(qiáng)11.713.7FRTP（含GF30％）0.8712.0PC非增強(qiáng)7.67.6FRTP（含GF30％）1.96.8改性PPO非增強(qiáng)7.78.5FRTP（含GF30％）2.37.1PETFRTP（含GF30％）0.754.5膨脹系數(shù)的各向異性由于纖維在流動方向的取向，使流動方向上及與之垂直方向上的熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生很大的差異。導(dǎo)熱系數(shù)影響成型速度制備導(dǎo)熱或隔熱性制品塑料的成型工藝幾乎都伴隨著加熱和冷卻過程。填料的加入，如果提高混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，可縮短加熱或冷卻時間，也就是提高成型速度。隨著填料的不同，復(fù)合塑料可用作隔熱或?qū)岵牧?。以空氣為填料的泡沫塑料是良好的隔熱材料，而以碳纖維、金屬粉等為填料的復(fù)合塑料則可作為導(dǎo)熱性復(fù)合材料使用。復(fù)合半材料慣的導(dǎo)題熱系鋸數(shù)在猜理想們情況輕下可輩由下垃列復(fù)偵合規(guī)剛則估果算：Pf——填料饒的最饒高填嚷充容脂積分廉?dāng)?shù)實際罵的復(fù)梅合材優(yōu)料由麥于填議料的獨形態(tài)德等因撕素的軍影響慚，其量導(dǎo)熱餡系數(shù)懂各異退。Ni剖el卸se弓n考慮窗了這蠅些因乞素后請?zhí)岢龃认铝谐豆絾蹋篈＝擇KE－1KE——愛因劇斯坦陰系數(shù)各種豪材料脊的導(dǎo)轉(zhuǎn)熱系公數(shù)聚合物導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]填料導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]尼龍-660.25E－玻纖1.30尼龍-66（含40％玻纖）0.50尼龍-120.29碳纖維2.10-10.45尼龍-66（含40％碳纖）1.21PPS0.28碳酸鈣2.34尼龍-12（含30％玻纖）0.24PSU0.26滑石粉2.10PPS（含30％玻纖）0.40PP0.13鐵（鋼）58.52PPS（含30％碳纖）0.75

鋁209PSU（含30％玻纖）0.31

杉（縱向）0.42PPS（含30％碳纖）0.80

杉（橫向）0.11PP（含30％玻纖）0.33

PP（含30％CaCO3）0.35填料掉的導(dǎo)辜熱系崖數(shù)一增般比廉聚合編物的墊大，脈可預(yù)氏計，權(quán)復(fù)合誘塑料角的導(dǎo)部熱系陶數(shù)要貓比單想純聚由合物順的大疼。比熱復(fù)合凍材料效在一語定溫戶度下斥的比勤熱基繳本上辛可由拳復(fù)合葛規(guī)則屠估算箭：使單搬位物騎量的注某種平物質(zhì)乘升高視單位梁溫度銳所需蛋的熱師量質(zhì)量叮比熱容量胖比熱摩爾捐比熱填料孤的質(zhì)繡量比舍熱一脈般比然聚合再物的怖稍小木，因撥此復(fù)封合材蔑料的虹質(zhì)量州比熱簡也比菠單一嶄聚合資物的屑稍小崇。但咬兩者鑰的容籮量比肚熱則興無大麻差異裙。設(shè)各紛元素債在處竄于液竄體和目固體究時的軌摩爾糞比熱展：元素液體固體C2.81.8H4.82.3O6.04.0S、P7.45.4F7.05.0Si5.83.8B4.72.7其他元素8.06.2以碳平酸鈣綁為例秧，其至比熱竹可計辰算如險下：Ca怨C賓O3(固體娃)6.瓶2＋香1.稍8＋鵲3×閃4.蝦0＝躍20碳酸略鈣的許分子吸質(zhì)量蛇＝4克0.遮08+登12今.0繩l物+蘇3×谷16＝1匯00誰.0醉9故其電質(zhì)量郵比熱cf＝2剛0／漁10丈0.攀09侍＝0鎖.2顫0c怎al運(yùn)／g告＝8泄.3學(xué)8J聲／g這個截值與帥碳酸財鈣在好20任℃時唐的實笨測值狂為8誼.5凝7J／外g基本疑吻合秘。一般辣表現(xiàn)絲式為隨慈著填靜料的粒加入闖，玻摘璃化龜溫度壯升高敞，玻嘉璃化部溫度葡的升孤高程刊度與零填料驕加入妙量成鴨正比典。8.汁2.封2耐熱送性表征只非結(jié)躁晶性責(zé)聚合甲物耐崇熱性燭的物辨理量顛是玻優(yōu)璃化膠溫度Tg，結(jié)討晶性掃聚合遵物是繩熔點Tm。聚合退基復(fù)括合材爐料的Tg與填調(diào)充物延含量寫的關(guān)爛系在聚莖甲基遍丙烯件酸甲聾酯中眉加入斧10吵％白澤堊，約玻璃盡化溫任度可樓下降凳10噸℃左些右。在界惹面上蒜由于刑填料-聚合井物分判子間米作用蓬力的邊存在神，使獎聚合爬物大虜分子隔鏈段叢運(yùn)動機(jī)受到紹阻礙碑，因者而使盤聚合線物的維玻璃食化溫?fù)隙壬哺?。諒這種徐聚合田物大秩分子肅鏈段戶運(yùn)動幻玉受阻幕的程師度隨夸著填今料-聚合處物分旨子間往作用濃力增冶大而獎增高灣。填料電的加憑入引寇起聚傭合物跪微觀爐結(jié)構(gòu)聯(lián)的改量變引起攜界面追層罰聚合接物大孩分子挪斂集測密度扶的改蕉變(君一般偽情況煉下是秀密度蝴降低望)，辣隨著秘大分察子斂顫集密懷度的例改變回，改岡變了熟分子吃間作叼用力標(biāo)，因享而改因變分邊子鏈脖段的壟活動豆能力晨，使無聚合溪物的災(zāi)玻璃司化溫購度隨呆之而略發(fā)生輔變化慘?；w趕聚合疲物的摔耐熱討性和FR煙TP的熱毒變形果溫度基體聚合物FRTP(含GF20％)熱變形溫度T2(℃)T2－T1(℃)類別名稱熔點(℃)玻璃化溫度(℃)熱變形溫度(℃)結(jié)晶性樹脂PP176

60121~14961~89HDPE1374912778尼龍-622549218149尼龍-6626571255184POM16511016353PET267124227123非結(jié)晶性樹脂PS

1059310411PSU1901741828材料釘在1.膠86咳MP車a或0.唱46醬MP刺a的受搖壓負(fù)料荷下焰，材劉料變窩形達(dá)雨一定誤尺寸索時的插溫度界。經(jīng)填若料填員充后犁熱變叛形溫產(chǎn)度明背顯上債升經(jīng)填謙料填牧充后化熱變枯形溫視度上職升不魚大一般能來講拆，如術(shù)果填稈料具歌有高爛的表昌面能農(nóng)，或恥聚合集物分喬子的零極性伐較大邁，則亡填料-聚合賣物分昨子間終引力躬也較滅大，肯即提賣高聚君合物鴨玻璃雄化溫旁度較紡明顯范。如斷在填仆料—挽聚合掉物界畢面能稀形成退氫鍵呈，則繼填料適的加桂入促白使聚欺合物嫩玻璃洲化溫?fù)Ф鹊那采呔幘透鸺用魈濓@。招例如渡，玻桿璃纖誰維增已強(qiáng)尼搞龍塑形料，友由于翼玻璃業(yè)—尼縫龍界賢面上衫可能公形成燈氫鍵框，因確此，茶玻璃撫纖維胞加入裳后可牌使尼容龍的壁玻璃登化溫測度有君顯著沾的提鋪高。熱變嘩形溫盞度的基負(fù)荷嘩依賴羊性材料熱變形溫度（℃）0.46MPa1.86MPaPP10560PP/滑石粉（30％）14595PP/GF（20％）162150尼龍-6619070尼龍-66/GF(30%)255250AS10090AS/GF(30%)115105聚合書物的誼燃燒捧過程愚由兩穿個相誦繼的遠(yuǎn)化學(xué)紫過程曬—分馳解和犯燃燒穴所組棕成，程兩者惑通過劃著火災(zāi)和熱跟反饋全相互談聯(lián)系幫。8.3燃燒拜特性8.3東.1聚合杠物的借燃燒讀特性聚合儀物熱分鍋解熱散槽失不燃仁物可燃糠物焦熔融晶物燃燒氣體煙碳粒-Q1+Q2+Q2熱散次失熱反些饋以氧全指數(shù)采作為災(zāi)聚合斤物阻從燃性海的判筆據(jù)是Fe瞎ni立mo比re和Ma醉rt飄in于1倘96拍6年奔引入呈的。桂它是戶指聚椒合物慚著火依后剛隙夠維藍(lán)持燃灰燒時欲氧氣蘇在試著驗氣喝體(屈氧、撲氮混武合氣境體)述中的駱最小襖百分點含量袖。試盾驗用還標(biāo)準(zhǔn)吉試樣繁在標(biāo)也準(zhǔn)條護(hù)件2慕5℃彈和氣丸流線挑速度避為(漠4土糟1)cm餅／s下進(jìn)睜行。一些誓聚合子物的蝕氧指歉數(shù)聚合物氧指數(shù)聚合物氧指數(shù)聚甲醛15羊毛25聚環(huán)氧乙烷15聚碳酸酯27聚甲基丙烯酸甲酯17聚間苯二甲酰苯二胺28.5聚丙稀腈18聚苯醚29聚乙烯18聚砜30聚丙烯18酚醛樹脂35聚異戊二烯18.5氯丁橡膠40聚丁二烯18.5聚苯駢咪唑41.5聚苯乙烯18.5聚氯乙稀42纖維素19聚偏氟乙烯44聚對苯二甲酸乙二酯21聚偏氯乙烯60聚乙烯醇22石墨60尼龍-6623聚四氟乙烯95聚3，3-二（氯甲基）環(huán)氧丙烷23環(huán)氧樹脂19.88．酬3．豎2游填占料對滿聚合凝物基凡復(fù)合閘材料誦燃燒跳性的習(xí)影響8．皮3．央2．沙1滔三鼓氧化隊二銻三氧今化二斤銻(Sb2O3)是最甘常用仆的阻綁燃填免料之錦一，排它是玩很多盡家電挨部件當(dāng)?shù)碾y揉燃塑構(gòu)料基喘本配邪方的杏核心積。三非氧化心二銻繳在單裙獨使置用時腔幾乎棵沒有探阻燃澤效果飽，但囑與有星機(jī)鹵朋化物閃并用慨時卻砌具有她明顯榜的阻溉燃效付果。Sb2O3-有機(jī)緊鹵化寸物的專阻燃算機(jī)理勸相當(dāng)根復(fù)雜揮，一蘋般認(rèn)歇為三介氧化寇二銻助和有膚機(jī)鹵算化物后發(fā)生捉以下灶反應(yīng)眼。三氧政化二葵銻與簽含氯惠有機(jī)名物分鉛解生島成的遮氯化豈氫相由作用組生成癥三氯帽化銻Sb2O3＋3HC霸l—半—2碰Sb摟OC責(zé)l＋H2O5S住bO范Cl急→鬼[2球Sb寄OC醬I·輸Sb2O3](固)們＋Sb袍Cl3(氣)4[忘2Sb克OC虛l·搏Sb2O3](固)解→副5駁[Sb襲OC縮慧l·細(xì)Sb2O3](固)跟＋Sb秀Cl3(氣)3[Sb相OC階l·騎Sb2O3](固)膝→舒4Sb2O3(固)燒＋Sb謊Cl3(氣)2Sb2O3(固)拆→Sb4O6(液)生成危的三修氯化切銻在鍋氣相陪捕捉H·炕、罵HO賞·和·CH3等活機(jī)性自匪由基招從而威減緩述燃燒闖過程幼的進(jìn)展行：Sb辭Cl3＋H·圈→H紀(jì)Cl＋·Sb盟Cl2Sb辛Cl3→C訴1·＋·Sb言Cl2Sb位Cl3＋·CH3→C誤H3C1＋·Sb帳Cl2·S交bC敢l2＋·H(儀·C爪H3)鬧→H陷Cl恨(C謠H3C1葉)＋﹕Sb傘Cl﹕S車bC鍬l＋·H(傘·C關(guān)H3)朋→掠HC司l(描CH3C1公)＋SbSb＋﹕O＋M→彩Sb蘿O·＋MSb＋·OH＋M→六Sb殃OH＋MSb爬OH＋H·肯→S拒bO醉·＋H2Sb冷O．＋H·稼→S搶bO候H表8卷．7Sb2O3鹵化槽物的適阻燃脆效果組成配方（％，質(zhì)量比）PEPPPS聚合物10060100608510085Sb2O3

13

105

5全氯環(huán)戊癸烷

27

30

溴代聯(lián)苯醚

10

10氧指數(shù)17.424.017.427.027.018.324.58．響3．申2。失2土鉬眾化物三氧站化鉬忽和鉬狹酸銻恒等鉬憑化物未通常基被用豬作PV良C和含捏鹵聚目酯等旗塑料朱的阻籃燃劑鄭。鉬化飛物的濕阻燃射效果點雖略餐低于謠三氧叔化二疑銻，椅但它豎具有爛抑制兆燃燒手時發(fā)延煙的雙特點股。表往8.個8為碼鉬化臘物在央玻璃螞纖維釋增強(qiáng)任鹵化廚聚酯晉中的濫阻燃援效果慚。從賢表中假數(shù)據(jù)領(lǐng)可見塑，無泥論鉬姨化物圍單獨責(zé)使用掀，或大與Sb2O3或與站氫氧吹化鋁忌并用直都能辮發(fā)揮脖出優(yōu)仙異的聽阻燃低效果鐘和明容顯的亂抑制何發(fā)煙伴效果密。鉬化耀物之華所以搭有與Sb2O3如此王不同納的效微果，屋可從扮與PV古C復(fù)合母塑料歲燃燒摔殘渣驢的元六素分死析結(jié)星果來陣看，限鉬化旬物的增阻燃俘機(jī)理窄主要浮不是病通過泄氣相護(hù)反應(yīng)防，而揮是在創(chuàng)固相徹上促慈進(jìn)碳覆化層默的生教成或禁者促貨進(jìn)鹵御素或橋鹵化父氫的樸生成默以實降現(xiàn)其恐阻燃設(shè)效果粗。表8捕.8狗鉬化始物在彼玻璃龜纖維銹增強(qiáng)指鹵化放聚酯醒中的株阻燃梳效果阻燃劑氧指數(shù)發(fā)煙量（相對值）無33.08.41％三氧化二銻34.514.03％三氧化二銻42.016.25％三氧化鉬36.05.47％三氧化鉬39.04.31％三氧化二銻＋1％三氧化鉬39.53.91％三氧化二銻＋2％三氧化鉬40.07.15％辛鉬酸銻36.52.75％二鉬酸銻34.02.615％氫氧化鋁35.04.38％氫氧化鋁＋2％三氧化鉬40.01.28％氫氧化鋁＋2％二鉬酸銻38.51.08．老3．賄2．亮3尋含住磷化燈合物用作戀聚合細(xì)物阻匪燃添芽加劑攤的含幣磷化巨合物愉是多租種多嗚樣的茄，例什如，提紅磷換、多展磷酸巧銨、音有機(jī)臨磷酸易酯和桿亞磷糞酸酪馬、含鎮(zhèn)磷聚話合物搏等等坑。它紐奉們的紙阻燃格機(jī)理熔不盡劃相同重，取罩決于且含磷鋼阻燃沖劑的增類別毅和被沫阻燃光對象融的類腐別。不同堪含磷性化合告物對理燃燒遣時不肚成焦亭的聚究合物摸(聚沸乙烯雹、聚讀甲基米丙烯閣酸甲虧酯和頑聚甲個醛)歲和成腹焦聚四合物顏(環(huán)箱氧樹暮脂)斯的阻草燃效啞果見繪表8繞．9閃。表8蒼．9報含磷婦化合耕物的雅阻燃駱效果聚合物阻燃劑氧指數(shù)聚乙烯無17.5三苯基磷酸酯19.4三苯基亞磷酸酯19.5三甲酚基磷酸酯19.8三（2，3-二氯丙基）磷酸酯20.0三苯基膦19.3聚甲基丙烯酸甲酯無17.4三甲酚基磷酸酯18.8聚甲醛無15.7三甲酚基磷酸酯17.9環(huán)氧樹脂無19.8三苯基膦31.78．抬3．竿2．妖4送氫繁氧化闖鋁(晌三水夏合氧顆化鋁缸)對大獲多數(shù)膨熱塑雪性和包熱固梁性聚煌合物猜，氫醬氧化氣鋁是喉最常舍用的糕阻燃播性填饅料之濤一。eg振：添加甘40凈％(沙質(zhì)量革比)哄的氫慈氧化蹲鋁即和可顯肯著地拘減緩轟聚乙漠烯、損聚丙沈烯、麻聚氯帆乙烯怠和AB挑S等聚敵合物哭的熱滑分解留速度菜，對孫熱分針解溫愚度較愁低的秀聚苯榨乙烯怨，氫暑氧化標(biāo)鋁的禮阻燃荷效果堡要差緞一些揚(yáng)。一般贏認(rèn)為述氫氧端化鋁拆的阻梅燃作頓用主要辮由于它脫源水時仍的吸托熱效齊應(yīng)，劣降低次了凝交聚相雞的溫塔度，單因而眠有效鋒地減掘緩了柜聚合捎物的行分解拔速度肥。其臉次，設(shè)氫氧黑化鋁鐘脫水救放出劑的水虎稀釋萄了由叛聚合垮物熱柴解所豈生成楚的可漏燃性錄氣體辣并減錄少了海煙霧昨的生湊成。除氫信氧化屬鋁外申，凡屠在受倉熱時朵可產(chǎn)到生大靜量的鍋水和燃二氧信化碳陸氣體膚的無香機(jī)填叢料都虜具有勤一定原的阻暢燃作松用，擱例如坦，氫藝氧化袋鎂、禮堿性毒碳酸圓鎂(仁3Mg縱CO3·M恒g(訴OH臟)2·3謊H2O)仔、堿式扛碳酸侵鈉鋁宇(Na2O·班A12O3·2為CO2。2娃H20)和硼忠酸鋅役(2Zn緒O·傾2B203·3脂.5喝H2O)等。當(dāng)然幕，并獎不是敬所有叨可產(chǎn)喘生不枕燃性券氣體包的填溝料都要有良瀉好的瘦阻燃討效果停，只病有滿窯足以矮下條遵件的喉才能屠成為茄有效錘的阻險燃劑勉：產(chǎn)漢生不撤燃性臨氣體書的溫借度略就低于跌聚合工物熱母分解毫溫度徹；在抹復(fù)合效塑料夸的混士煉、礎(chǔ)成型劇溫度剩下不撈產(chǎn)生汽不燃思性氣病體。8．兔4違光鉆學(xué)性揀能金屬障和陶荷瓷基際復(fù)合婆材料第都不肌透光潮，唯混獨聚監(jiān)合物儲基復(fù)矩合材慣料可設(shè)制成形透光資性復(fù)墨合材瓶料。喇由于致透明叛玻璃碌鋼具五有輕其質(zhì)、居高強(qiáng)司、透處入光艦柔和浸和具過有透準(zhǔn)過紫嘩外線漲的能共力，瓦目前羽已少兇量用提于農(nóng)石用溫弱室、氣養(yǎng)殖病場和捏工廠魄采光裹等場迅合。玻璃岸鋼屬惡于光馳學(xué)上茶非均威一物白體，君當(dāng)可漸見光墻通過最玻璃在鋼時惑便產(chǎn)攜生散消射現(xiàn)商象。舅由于欣玻璃圈纖維堤的直陣徑(臉6～拳10um行)u臺m)大好綠幾倍悔，且硬相鄰優(yōu)兩根陵纖維謠之間更的距廈離一悅般都火不超棉過纖話維直呢徑的害2倍埋，因亡此，臉需要蒸用多季次散濃射理叼論來乒描述楚光通扒過玻拾璃鋼殿介質(zhì)蔬時的增現(xiàn)象伐。根據(jù)響多次野散射仔理論父，一視束平冤行光熄經(jīng)過擴(kuò)厚度鬧為h的散協(xié)射層憶后，載其透博過部傅分T(透光閘率)的可用其中式中P—窯—吸收脅系數(shù)扁；S—株—反射欺系數(shù)罵。對于錯玻璃食鋼，飾可取獲：式中nf——玻璃爛纖維掏的折鼻射指判數(shù)；nm——粘結(jié)鍛劑的迷折射累指數(shù)南；Kf——玻璃四纖維車的吸論收系掠數(shù)；Km——粘結(jié)賞劑的嫁吸收彼系數(shù)裙；Vf——玻璃配纖維項的體挺積含珍量；d—夢—玻璃酸纖維塑的直逐徑。8．閥5土耐幸化學(xué)束性在復(fù)慚合材跡料中燙，玻口璃鋼漿作為悲非金凡屬耐撫腐蝕伯材料速目前蘆已在毯國內(nèi)酬外得避到廣厭泛的養(yǎng)應(yīng)用摔。這捉是由駐于玻撲璃鋼忍與金須屬耐