第六章-聚合物基复合材料.ppt
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1、5/11/20241第四章第四章 聚合物基复合材料聚合物基复合材料5/11/20242Outline聚合物基复合材料的种类和性能聚合物基复合材料的种类和性能聚合物基复合材料成型加工技术聚合物基复合材料成型加工技术聚合物基复合材料的界面聚合物基复合材料的界面聚合物基复合材料的应用聚合物基复合材料的应用5/11/202431.聚合物基复合材料的种类和性能聚合物基复合材料的种类和性能聚合物基复合材料的优点聚合物基复合材料的优点a.具有比较高的比强度和比模量,可以和常用的金属材料进行比较,力具有比较高的比强度和比模量,可以和常用的金属材料进行比较,力学性能相当出色。学性能相当出色。b.抗疲劳性能好,抗
2、疲劳性能好,纤维与基体的界面能够阻止裂纹的扩展,在破坏前有纤维与基体的界面能够阻止裂纹的扩展,在破坏前有明显的征兆。明显的征兆。c.减振性能好,纤维与基体界面具有吸振的能力,其振动阻尼很高。减振性能好,纤维与基体界面具有吸振的能力,其振动阻尼很高。d.高温性能好,适宜作烧蚀材料。高温性能好,适宜作烧蚀材料。e.安全性好,纤维数量大,材料超载时载荷可以重新分配到其他纤维上。安全性好,纤维数量大,材料超载时载荷可以重新分配到其他纤维上。f.可设计性强、成型工艺简单。可设计性强、成型工艺简单。5/11/20244A.玻璃纤维增强热固性塑料(玻璃纤维增强热固性塑料(GFRP)特点:特点:比重小、比强度
3、高。比重小、比强度高。具有良好的耐腐蚀性,三种具有良好的耐腐蚀性,三种GFRP的耐腐蚀性能均超过不锈钢,的耐腐蚀性能均超过不锈钢,期中玻璃纤维增强环氧树脂最突出。期中玻璃纤维增强环氧树脂最突出。良好的电绝缘材料,其电阻率和击穿电压强度都达到了电绝缘材良好的电绝缘材料,其电阻率和击穿电压强度都达到了电绝缘材料的标准。料的标准。不受电磁作用的影响,不反射无线电波,微波透过性好。不受电磁作用的影响,不反射无线电波,微波透过性好。保温、隔热、隔音、减振。保温、隔热、隔音、减振。刚性差、耐热性和导热性低、容易老化。刚性差、耐热性和导热性低、容易老化。5/11/20245分类:玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤
4、维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂分类:玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强环氧树脂:玻璃纤维增强环氧树脂:综合性能最好,环氧树脂的粘结能力最强,与玻璃综合性能最好,环氧树脂的粘结能力最强,与玻璃纤维复合时界面剪切强度最高。固化时没有小分子放出,尺寸稳定性好。不纤维复合时界面剪切强度最高。固化时没有小分子放出,尺寸稳定性好。不足是树脂年度大,加工不方便,而且成型时需要加热,不能制造大的部件。足是树脂年度大,加工不方便,而且成型时需要加热,不能制造大的部件。玻璃纤维增强酚醛树脂:玻璃纤维增强酚醛树脂:耐热性最好,可以在耐热性最好,可以在200oC下长期使
5、用,在下长期使用,在1000oC以上的高温可以短期使用。耐烧蚀,可用作飞船的外壳。耐电弧性好。价以上的高温可以短期使用。耐烧蚀,可用作飞船的外壳。耐电弧性好。价格便宜,不足是性能较脆,固化时有小分子放出,尺寸不稳定。格便宜,不足是性能较脆,固化时有小分子放出,尺寸不稳定。玻璃纤维增强聚酯树脂:玻璃纤维增强聚酯树脂:加工性能好,可采用各种成型方法进行加工成型,加工性能好,可采用各种成型方法进行加工成型,可制作大型构件,不足是固化时收缩率大,耐酸、耐碱性稍差,不宜制作耐可制作大型构件,不足是固化时收缩率大,耐酸、耐碱性稍差,不宜制作耐酸性的设备及管件。酸性的设备及管件。5/11/20246各种玻璃
6、钢与金属性能的比较各种玻璃钢与金属性能的比较5/11/20247B.玻璃纤维增强热塑性塑料(玻璃纤维增强热塑性塑料(FR-TP)热塑性塑料:聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、热塑性塑料:聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚碳酸酯树脂、聚甲醛、聚碳酸酯 聚苯醚聚苯醚几种典型金属及几种典型金属及FR-TP的强度对比的强度对比5/11/20248(1).玻璃纤维增强聚丙烯(玻璃纤维增强聚丙烯(FR-PP)玻璃纤维大大提高聚丙烯的机械强度,短切玻璃纤维增加到玻璃纤维大大提高聚丙烯的机械强度,短切玻璃纤维增加到3040时,时,强度达到强度达到100MPa,并能改善聚丙烯的低温脆性。,并能改善聚丙
7、烯的低温脆性。FR-PP吸水率小,在水中长时间煮对强度影响不大。吸水率小,在水中长时间煮对强度影响不大。(2).玻璃纤维增强聚酰胺(玻璃纤维增强聚酰胺(FR-PA)玻璃纤维可提高聚酰胺的尺寸稳定性、强度、耐热性、耐水性。玻璃纤维可提高聚酰胺的尺寸稳定性、强度、耐热性、耐水性。玻璃纤维会降低聚酰胺的耐磨性。玻璃纤维会降低聚酰胺的耐磨性。玻璃纤维增强尼龙玻璃纤维增强尼龙6(FR-PA6)、玻璃纤维增强尼龙)、玻璃纤维增强尼龙66(FR-PA66)、)、5/11/20249(3).玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料(4).玻璃纤维增强聚碳酸酯玻璃纤维增强聚碳酸酯聚碳酸酯是一种钢韧相
8、兼的工程塑料,但容易产生应力开裂、耐疲劳性能差。聚碳酸酯是一种钢韧相兼的工程塑料,但容易产生应力开裂、耐疲劳性能差。加入玻璃纤维后疲劳强度提高加入玻璃纤维后疲劳强度提高23倍,耐应力开裂性能提高倍,耐应力开裂性能提高68倍,耐热性提倍,耐热性提高高1020oC,线膨胀系数减少,适合做耐热的机械零件。,线膨胀系数减少,适合做耐热的机械零件。20玻璃纤维可提高玻璃纤维可提高AS抗拉强度近一倍,弹性模量提高几倍,热变形温度抗拉强度近一倍,弹性模量提高几倍,热变形温度提高提高10-15oC。线膨胀系数随着玻璃纤维的增加而减少。线膨胀系数随着玻璃纤维的增加而减少。玻璃纤维会提高玻璃纤维会提高AS、PS的
9、冲击强度,但会降低的冲击强度,但会降低ABS的冲击强度。的冲击强度。玻璃纤维与聚苯乙烯类树脂复合时需加入偶联剂玻璃纤维与聚苯乙烯类树脂复合时需加入偶联剂5/11/202410(5).玻璃纤维增强聚酯玻璃纤维增强聚酯(6).玻璃纤维增强聚甲醛(玻璃纤维增强聚甲醛(FR-POM)(7).玻璃纤维增强聚苯醚(玻璃纤维增强聚苯醚(FR-PPO)加入玻璃纤维明显提高耐疲劳性能和耐蠕变性能加入玻璃纤维明显提高耐疲劳性能和耐蠕变性能不耐紫外线照射,需在塑料中加入紫外线吸收剂不耐紫外线照射,需在塑料中加入紫外线吸收剂加入玻璃纤维降低耐磨性能加入玻璃纤维降低耐磨性能FR-PPO蠕变性很小,蠕变性很小,3/4的变
10、形量发生在的变形量发生在24小时内,耐疲劳强度高小时内,耐疲劳强度高热膨胀系数小,为热膨胀系数小,为FR-TP中最小,接近金属的热膨胀系数中最小,接近金属的热膨胀系数电绝缘性不受温度、湿度、频率影响,为工程塑料中最好电绝缘性不受温度、湿度、频率影响,为工程塑料中最好机械强度较其他玻璃纤维增强热塑性塑料均高机械强度较其他玻璃纤维增强热塑性塑料均高耐热性提高幅度最大,耐热性提高幅度最大,85oC240oC,耐热度最高,耐热度最高在高温下易水解,不适合在高温水蒸气下使用在高温下易水解,不适合在高温水蒸气下使用5/11/202411各种塑料与其玻璃纤维增强后的性能对比各种塑料与其玻璃纤维增强后的性能对
11、比5/11/202412C.高强度、高模量纤维增强塑料高强度、高模量纤维增强塑料(1).碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料碳纤维增强环氧树脂复合材料强度、刚度、耐热性均突出。碳纤维增强环氧树脂复合材料强度、刚度、耐热性均突出。质量轻:比质量轻:比GFRP低低1/4,比钢低,比钢低34倍。倍。刚度高:可比拟钢刚度高:可比拟钢抗冲击:手枪在抗冲击:手枪在10步远的距离不能射穿步远的距离不能射穿1cm厚的碳纤维增强环氧塑料板厚的碳纤维增强环氧塑料板耐热性:可在耐热性:可在12000oC的高温下经受的高温下经受10秒钟不变形秒钟不变形不足:碳纤维与塑料的粘结性差,而且各向异性,价格昂贵。不足:碳纤维与塑料的
12、粘结性差,而且各向异性,价格昂贵。5/11/202413(2).芳香族聚酰胺纤维增强塑料芳香族聚酰胺纤维增强塑料抗拉强度大于抗拉强度大于GFRP,与碳纤维增强环氧树脂相当,耐冲击性能优于碳,与碳纤维增强环氧树脂相当,耐冲击性能优于碳纤维增强环氧树脂,具有压延性,耐疲劳性好于纤维增强环氧树脂,具有压延性,耐疲劳性好于GFRP或金属铝。或金属铝。(3).硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料刚度好,强度和弹性模量均高于碳纤维增强环氧树脂。刚度好,强度和弹性模量均高于碳纤维增强环氧树脂。(4).碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维与环氧树脂复合时不需要进行表面处理,粘结力就很强。复碳化硅纤维与环氧树
13、脂复合时不需要进行表面处理,粘结力就很强。复合材料的抗弯强度和抗冲击强度为碳纤维增强环氧树脂的两倍。用于与合材料的抗弯强度和抗冲击强度为碳纤维增强环氧树脂的两倍。用于与碳纤维混合叠层进行复合可以弥补碳纤维的不足。碳纤维混合叠层进行复合可以弥补碳纤维的不足。5/11/202414D.其他纤维增强塑料其他纤维增强塑料石棉纤维、矿棉纤维、棉纤维、麻纤维、木质纤维、合成纤维石棉纤维、矿棉纤维、棉纤维、麻纤维、木质纤维、合成纤维(1).石棉纤维增强聚丙烯复合材料石棉纤维增强聚丙烯复合材料断裂伸长率:断裂伸长率:200变为变为10,抗拉弹性模量大大提高,为纯聚丙烯三倍;,抗拉弹性模量大大提高,为纯聚丙烯三
14、倍;热变形温度:热变形温度:100oC变为变为140oC,提高了,提高了30oC;线膨胀系数:线膨胀系数:11.310-5 cm/oC变为变为4.3 10-5 cm/oC,成形加工尺寸稳定性,成形加工尺寸稳定性变好。变好。5/11/202415(2).矿物纤维增强塑料矿物纤维增强塑料矿物纤维增强聚丙烯、矿物纤维增强聚酯矿物纤维增强聚丙烯、矿物纤维增强聚酯矿物纤维与树脂接触面积大,因而分配、定向性好,挠度扭曲小。矿物纤维与树脂接触面积大,因而分配、定向性好,挠度扭曲小。加入加入50矿物纤维可以使聚丙烯的抗冲击强度提高矿物纤维可以使聚丙烯的抗冲击强度提高50,热变形温度提高,热变形温度提高14,弯
15、曲强度提高,弯曲强度提高53。5/11/202416几种纤维增强树脂的特点几种纤维增强树脂的特点5/11/2024173.聚合物基复合材料成型加工技术聚合物基复合材料成型加工技术A.手糊工艺手糊工艺 首先,在模具上涂刷含有固首先,在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物,再在化剂的树脂混合物,再在其上铺贴一层按要求剪裁其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物,用刷子、好的纤维织物,用刷子、压辊或刮刀压挤织物,使压辊或刮刀压挤织物,使其均匀浸胶并排除气泡后,其均匀浸胶并排除气泡后,再涂刷树脂混合物和铺贴再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物,反复上第二层纤维织物,反复上述过程直至达到所需厚度述过程直至达到所需
16、厚度为止。为止。然后,在一定压力作用下加然后,在一定压力作用下加热固化成型(热压成型)热固化成型(热压成型)或者利用树脂体系固化时或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型(冷放出的热量固化成型(冷压成型),最后脱模得到压成型),最后脱模得到复合材料制品。复合材料制品。5/11/202418手糊成型工艺流程手糊成型工艺流程5/11/202419适用条件:适用条件:基体树脂能在室温下胶凝、固化且无小分子物产生;基体树脂能在室温下胶凝、固化且无小分子物产生;树脂能制备成粘度适中的胶液;树脂能制备成粘度适中的胶液;无毒或低毒,价格便宜。无毒或低毒,价格便宜。工艺优缺点:工艺优缺点:不受产品尺寸和形状限
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