聚合物基复合材料重点内容
考试题型
一、填空题（1分*10题=10分）
二、判断题（1分*6=6分）
三、名词解释（4分*5=20分）
四、简答题（8分*8题=64分，含1道计算题）
第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展
1.什么是复合材料？与金属材料相比有何主要差别？
答：定义：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保持了原组分材料的主要特色，又通过符合效应获得原组分所不具备的的新性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并充分并联，从而获得新的优越性能，这与一般的简单的混合有本质的区别。
与金属材料的区别：
2.复合材料有哪些优点？存在的主要问题是什么？
答：优点：1）比强度、比模量高；2）耐疲劳性好，破损性能高；3）阻尼减振性好：a.受力结构的自振频率除了与结构本身形状有关以外，还与材料的比模量平方根成正比；b.复合材料具有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振；c.复合材料机体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料得振动阻尼很高，一旦振起来，也可在较短时间内停下来。4）具有多种功能性：a.瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；b.优异的电绝缘性能和高频介电性能；c.良好的摩擦性能；d.优良的腐蚀性，维护成本低；e.特殊的光学、电学、磁学的特性。5）良好的加工工艺性；6）各向异性和性能的可设计性。
主要问题：工艺方法的自动化、机械化程度低，材料性能的一致性和产品质量的稳定性差，质量的检测方法不完善，破坏模式不确定和长期性能不确定，长期耐高温和环境老化性能不好等。
3.简述复合材料的组成。界面为什么也是一个重要组成部分？
答：复合材料是由基体材料和增强体材料构成的多项体系。基体材料为连续相，按所用基体材料的不同，可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料。增强材料为分散相，通常为纤维状材料，如玻璃纤维、有机纤维等。
原因：界面也是重要组成部分的原因是因为增强相与基体相的界面区域因为其特殊的结构组成，这种结构对材料的宏观性能产生影响，因此也是不可缺少的重要组成部分。
4.什么是先进复合材料（ACM）？
答：具有质轻、高比模量、高比强度等优良性能的的纤维复合材料称为先进复合材料(ACM)。
第二章增强材料
1.为什么玻璃纤维与块状玻璃性能不同？纤维的粗细对其强度有什么影响？为
什么？
答：块状玻璃比玻璃纤维本身尺寸大，其内部和表面存在较大缺陷的概率增大，而材料破坏就是由最危险或尺寸最大的裂纹导致的，所以块状玻璃壁纤维的强度低得多。而且玻璃纤维具有以下特点：1）玻璃纤维的体积效应或尺寸效应，即：体积或尺寸越大，测试的强度越低。2）玻璃纤维强度的分散性较大；3）玻璃纤维强度受湿度影响。吸水后，湿态强度下降。4）玻璃纤维的拉伸模量较低。
2.制备玻璃纤维时，为什么要使用浸润剂？主要有哪三类浸润剂？各有什么不
同？
答：浸润剂的作用在于：使单丝集束，便与后续的并股、纺织等工序；防止原纱缠绕成卷时，纤维相互粘结；保护纤维，防止纺织时，纤维的表面磨损而降低强度。
浸润剂的类型有如下三类：1）纺织型浸润剂。纺织型浸润剂具有良好的集束性、润滑性、成膜性和抗静电性。主要用于玻璃纤维纺织加工制品。2）增强型浸润剂。增强型浸润剂是专门为生产增强用玻璃纤维而发展起来的，主要是为了改善树脂对纤维的浸润性，提高树脂与纤维的粘结力。3）化学处理剂。在制
备玻璃纤维的过程中，直接采用玻璃纤维的化学处理剂作为浸润剂，这就是玻璃纤维的前处理法，常用于高性能无捻玻纤纱等制品。
3.什么是原纱、单丝、捻度、合股数、支数、特、旦？
答：原纱：是指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱；市购的或用于织布的玻璃纱一般是原纱退绕后加捻或不加捻的合股纱。
单丝：
支数：指1g原纱的长度（m）。支数越大表示原纱越细。
特：指1000m原纱的质量。tex数越大，纱越粗。
旦：指9000m原纱的质量。den数越大，纱越粗。
合股数：几根原纱合并起来的原纱根数即为合股数N。
捻度：捻度表示纱的加捻程度，指每米原纱的加捻数，即捻/m。
芳纶：芳香族聚酰胺纤维统称芳纶。
比强度：材料的强度与密度的比值。
4.根据哪些指标来判断纱的粗细？如何判断？牌号6-80/2中各数字的含义是
什么？6-80/2与6-160/4两种规格的无碱纱中，哪种纱粗些？15特的原纱与80支的原纱相比，哪种纱粗些？
答：判断原纱粗细的指标有支数β、特（tex）和旦。支数越大表示原纱越细。tex数越大，纱越粗。den数越大，纱越粗。
牌号6-80/2中各数的含义：6表示单丝直径d
f 为6μm，原纱支数β
位80，股
数N为2。6-80/2的纱粗些。β
=1000/15=66.7<80,故15特的原纱更粗。
5.为什么玻璃布的强度比单丝强度要低得多？
答：布的断裂强度σ
b
实际上也表示了布中纤维的拉伸强度。由于布中的玻璃纤维经过纺织以及在布中呈现弯曲及扭曲状态，其拉伸强度要低于玻璃纱的强度。
6.在PAN法制备碳纤维的工艺过程中，为什么要进行预氧化、碳化和石墨化三
个过程？这三个处理过程对碳纤维的性能有什么影响？
答：PAN原丝的预氧化处理预氧化的目的就是为了防止原丝在碳
化时裂解，通过氧化反应使得纤维分子中含有羟基、羰基，这样可在分子间和分子内形成氢键，从而提高纤维的热稳定性。预氧丝的碳化预氧丝的碳化一般
是在惰性气氛中，将预氧丝加热至300一1500 ℃，从而除去纤维中的非碳原子(如H、O、N等)。生成的碳纤维的碳含量约为95％。碳化过程中，未反应的聚丙烯腈进一步环化，分子链间脱水、脱氢交联，末端芳构化生成氨。随着温度的进一步升高，分子链间的交联和石墨晶体进一步增大。PAN的石墨化石墨化过程是在高纯度惰性气体保护下于2000—3000℃温度下对碳纤维进行热处理。碳纤维经石墨化温度处理后，纤维中残留的氮、氢等元素进一步脱除，碳一碳重新排列，层面内的芳环数增加，层片尺寸增大，结晶态碳的比例增加。
7.对生产CF的PAN原丝的质量有什么要求？（P36）
答：1）碳化过程不熔融，能保持纤维形态；2）碳化收率较高（碳化收率即制备出的碳纤维与原丝的质量比，他是碳纤维制造过程中重要的经济技术指标）；3）碳纤维强度、模量等性能符合要求；4）能获得稳定连续长丝。
8.简单描述一下碳纤维的结构。结构对碳纤维的性能有什么影响？
答：
9.Ⅰ型碳纤维和Ⅱ型碳纤维在结构与性能上有什么不同？
答：答：结构：碳纤维的模量随碳化过程处理温度的提高而提高，这是因为随碳化温度升高，结晶区长大，碳六元环规整排列区域扩大，结晶取向度提高。经2500℃高温处理后，称高模量碳纤维——Ⅰ型碳纤维。碳纤维的强度随处理温度升高，在1300-1700℃范围内，强度出现最高值，超过1700℃后处理，强度反而下降，这是由于纤维内部缺陷增多、增大所造成的，碳纤维的强度与其内部缺陷有关，内部缺陷越大，强度越低。在1300-1700℃范围内处理的碳纤维强度称为高强度碳纤维或Ⅱ型纤维。
性能：Ⅰ型CF模量最高，强度最低，断裂伸长率最小，密度最大；Ⅱ型CF模量介质中，强度最高，断裂伸长率最大，密度最小。
10.比较CF、GF和KF性能上的差异？
答：CF和GF比较：CF在空气下的耐热性比GF差，CF不像GF那样在湿空气中会发生水解反应，其耐水性比GF好。Σfu：S-GF最高，Ⅰ型CF最低，E-GF与Ⅱ型CF差不多。Ef：Ⅱ型CF是GF的3倍，Ⅰ型CF是GF的5-7倍；CF密度小，断裂伸长率低。KF与GF的比较：KF韧性比CF好，强度与S-GF、CF-Ⅱ相
当，断裂伸长率高于CF，低于GF；密度低于CF、GF，界面粘结性比CF差，介电性能比GF好，模量比CF低。
11.影响碳纤维强度的主要因素是什么？
答：影响碳纤维强度的主要因素是温度。CF强度随处理温度升高，在1300-1700℃后，强度反而下降，这是由于内部缺陷增多、增大造成的。
12.Nomex纤维与Kelvar-49的化学纤维结构式有什么不同？
13.杜邦公司的新芳纶纤维Kelvar-49在性能上有什么主要特点？
答：1）力学性能 ( 弹性模量高；( 强度高；(σ-ε曲线为直线，具有脆性材料特征，断裂伸长率εfu为2.5%，高于CF，低于GF。④密度最小；⑤良好的韧性；⑥各向异性；⑦抗压性能、抗扭性能较低；⑧强度分散性大；⑨防止性能好；⑩抗蠕变性、抗疲劳性好。2）热性能：Kelvar-49具有良好的热稳定性和良好的耐低温性。3）化学性能除强酸强碱以外，芳纶几乎不受有机溶剂、油类的影响。4）其他性能。①芳纶与树脂的界面粘性不好，甚至比CF差。②
芳纶的介电性能比GF好，可做雷达罩透波材料。
14.Kelvar纤维结构是什么？它是如何影响纤维性能的？
答：1）模量高。结构含有大量苯环，分子链刚性大，使分子链难以旋转。高聚物分子不能折叠，又呈伸展状态，形成棒状结构，并具有极高结晶度，从而使纤维具有很高的模量。2）强度高。聚合物的线形结构使分子间排列的十分紧密，分子链堆积密度大，单位面积的分子链数目多，纤维具有较高的强度。3）各向异性。沿纤维方向是强的共价键，而在纤维的横向是较弱的氢键，是纤维力学性能各向异性的主要原因。4）韧性比CF好。主链有柔性链节。5）耐热性好，尺寸稳定性好。由于苯环结构的刚性，高聚物具有晶体的本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性，如不发生高温分解，其热焓不会有很大变化，这又使纤维在高温下不致热塑化。6）耐腐蚀性。这种苯环结构环内电子的共轭作用使纤维具有化学稳定性。
15.比较GF、CF和KF的主要优缺点。
答：
第三章基体材料
1.简要说明基体在复合材料中的作用。
答：1）基体起着均衡载荷、传递载荷的作用。2）纤维只有在基体的支撑下才能承受压力，同时基体防止纤维屈曲。3）在复合材料的生产与应用中，基体起着保护纤维、防止纤维磨损的作用。4）复合材料的耐热性、耐腐蚀性、阻燃性、抗辐射、耐溶剂及吸湿性，复合材料的工艺性以及制件的成型方法都取决于基体。
2.在选择复合材料应用树脂基体时，主要考虑哪几个方面的问题？
答：1）使用性。使用性时首先要考虑的条件。2）工艺性。应考虑树脂基体的操作工艺性，例如，是室温固化还是加热固化，是否需要加压，树脂粘度大小，使用周期长短，毒性大小等。3）经济性。例如，原料来源是否丰富，成本高低，是否具有打入市场的竞争力等。
3.环氧树脂、酚醛及不饱和聚酯树脂的固化各有什么特点？对制备工艺有什么影响？
答：1）酚醛树脂固化：A阶段（可溶、可熔）——B阶段（转变阶段）——C 阶段（不溶、不熔）。固化阶段界限明显，干法工艺可根据固化阶段性把浸渍和压制分别在不同的工段进行。2）不饱和聚酯树脂：不饱和聚酯在湿法工艺中，其固化阶段分为凝胶、定型、和熟化三个阶段。固化阶段不明显，一般采用从粘流态树脂到固化定型一次完成的工艺方法。3）环氧树脂：环氧树脂固化阶段也可分为凝胶、定型、和熟化三个阶段。由于其固化是借助于分子中的环氧基团与固化剂分子间开环加成反应，且具有逐步的性质，因此其三个阶段比
聚酯树脂明显。同时，环氧树脂的固化条件随固化剂不同可在很大范围内变动。所有这些，使环氧树脂比聚酯树脂有更好的工艺适应性，几乎对所有成型工艺都能适应。
4.双酚A型环氧树脂有什么特点？试写出其结构式。
答：1）大分子的两端是反应能力很强得环氧基。2）分子链上有很多醚键，是一种线型聚醚结构。3）n值较大的树脂分子链上有规律的，相距较远的出现许多种羟基，可以看成是一种长链多元醇。4）主链上还有大量苯环次甲基和异丙基。
5.环氧值为0.51当量/100g的618#环氧树脂，用苯酐作固化剂，试计算100g 环氧树脂所需苯酐的量。
phr=0.85*148*0.51=64
6.目前，环氧树脂的增韧有几种方法？简要说明其增韧机理。
答：1）橡胶弹性体增韧：具有活性端基的弹性分子可以通过活性端基与环氧基的反应嵌段进入环氧的交联网络中。2）热塑性树脂增韧；3）热致液晶增韧；4）核壳结构聚合物增韧；5）刚性粒子纳米增韧。
增韧机理：1）“银纹钉锚”机理：银纹钉锚机理又称为“颗粒撕裂拉伸机理”。指向环氧相引入外来相，外来相在连续的环氧相中以颗粒、条状或其他形状分散存在，外来相有与环氧相相当的弹性模量和远大于基体的断裂伸长率。微裂纹在环氧相中产生并延伸，外来相颗粒在微裂纹中起桥梁或钉锚作用，对微裂纹的进一步扩大或延伸起到约束作用，阻止形成宏观断裂。外来相颗粒拉长或撕裂所吸收的能量就是断裂韧性的增加值。
2）银纹剪切带机理：外来相颗粒作为应力集中物在外力作用下诱发大量银纹和剪切带，吸收能量。外来相颗粒和剪切带控制和终止银纹。
3)空穴增韧机理：体系相容性较差时分散相以规整的球状均匀分散在基体连续相中，两相之间有明显的界面，甚至在分散相粒子周围存在着空穴。
4)协同效应。
第四章聚合物基复合材料的界面
1.复合材料的界面效应应该有哪些？如何影响复合材料的性能？
答：复合材料的界面效应包括：1）物理效应，引起各组分之间相互浸润、扩散、相溶性、界面吉布斯自由能、结构网络互传的变化；2）化学效应，导致界面上的化学效应，形成新的界面层结构；3）力学效应，引起界面上的应力分布。
界面对复合材料的断裂韧性及对潮湿和腐蚀环境的反应起着决定性作用。具有弱界面的复合材料有较低的强度和刚度，但它的断裂抗力较高；具有强界面的复合材料有高的刚度和强度，但非常脆，这个效应与裂纹扩展过程中发生脱粘和纤维从基体中拔出的难易有关。
2.复合材料界面的形成有几个阶段？
答：界面的形成可以分成两个阶段：第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。第二个阶段是聚合物的固化阶段。
3.影响界面粘结强度的因素有哪些？
答：1）纤维表面晶体大小及比表面积：碳纤维表面晶体增大，碳纤维石墨化程度上升，模量增高，导致表面光滑、更惰性，它与树脂粘附性和反应性变得更差，所以界面粘结强度下降；纤维的比表面积，粘结的物理界面大，粘结强度高。2）界面的粘结强度随浸润性增加而增大，随空隙率的上升而下降。3）界面反应性：界面粘结强度随界面反应性的增大而增大，界面的反应性大小与复合材料层剪强度紧密相关。4）残余力对界面粘结强度的影响：对于高聚物基复合材料而言，界面残余应力的产生是由树脂和纤维热膨胀系数不同所产生的热应力与固化过程树脂体积收缩所产生的化学应力所致。界面内应力的存在，使试件破坏所需的外力相应的下降。
4.简述水对复合材料的破坏机理。
答：1）水的进入；2）水对玻璃纤维表面的化学腐蚀作用；3）水对树脂的降解作用；4）水溶胀树脂界面脱粘破坏；5）水进入孔隙产生渗透压导致界面脱粘破坏；6）水促使破坏裂纹的扩展
5.什么是偶联剂？简述用于玻璃纤维的偶联剂类型以及作用机理。
答：表面处理剂的分子在化学结构上至少带有两类反应性官能团；一类官能团与玻璃纤维表面的Si-OH发生反应而与之聚合；另一类官能团能够参与树脂的固化反应而与之结合。
类型：
作用机理：1)水解；2)与玻璃纤维表面作用；3)与树脂基体作用
第八章
1.复合材料的疲劳性有哪些特点？在破坏模式和能量吸收机理上与金属有什么不同？
答：1）复合材料在稍低的静态强度的应力水平上，可使试样达到较高的循环次数。
2）复合材料试样温度升高，有时会高达40~50摄氏度，温度升高会削弱基体材料性能，从而使材料的疲劳寿命下降。
当一个固体承受静载荷或冲击载荷时，能量吸收的机理有两种：①形成新的表面；②材料变形。材料形变首先发生；如果能量足够大，裂纹可能产生并扩展；在裂纹扩展的过程中，裂纹前沿又总存在材料形变。热固性塑料是脆性材料，基体形变很小，不像金属基体那样可产生打的塑性形变从而对冲击能贡献很大。
2.什么是复合材料的持久强度和耐持久性？复合材料的蠕变有什么特点?
答：材料长时期在静载荷作用下，保持一定时间不破坏，所能承受的最大静载荷，称为材料的持久强度；材料长期在一定的静载荷作用下，保持不破坏所能承受的最大时间，称为材料的耐持久性。
蠕变特点：①碳纤维复合材料的蠕变比玻璃钢小；②沿纤维方向拉伸作用下的蠕变现象最不明显；③沿与纤维成任意角α方向拉伸时，蠕变现象逐渐明显，
沿45度方向拉伸时最为明显；④持久弯曲再喝下的蠕变，比持久拉伸载荷作用下的蠕变明显；⑤温度升高，复合材料的蠕变显著。
第十章
1.聚合物基复合材料的阻燃机理是什么？怎样提高阻燃性？
答：燃烧的发生和维持需要三要素的同时满足，即燃烧性物质，氧化和热源，能消除一个或一个以上要素的措施都能称为阻燃机理。
1）减少可燃性物质
在聚合物基复合材料中加入某种物质，使其在燃烧时可产生碳化层，抑制可燃性气体的产生，另外在燃烧过程中，HO?游离基起了很重要作用，在材料中加入某种物质，燃烧时分解初能接受和捕捉HO?基团，可终止燃烧过程中的连锁反应。
2）隔绝热源
大密度气体和碳化层都可以有效地延缓表面燃烧产生的热量向内层传递，阻燃剂能更好地消除加热内层材料的热源，抑制燃烧的进一步蔓延。
3）冲稀或隔绝氧气
是聚合物基复合材料燃烧时产生碳化层，一方面可以隔绝氧气与内层聚合物的接触；另一方面可以有效地延缓热量向内层的传递，起到助燃作用。燃烧过程中产生密度大的气体可以覆盖与材料的表面，同样起到冲稀或隔绝氧气的作用。
复合材料的界面改性
界面及界面改性方法 界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。 在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。 1、聚合物基复合材料界面 界面结合有机械粘接与润湿吸附、化学键结合等。 大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。 偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。增强剂本身一般不与基体材料反应。 聚合物基复合材料界面改性原则： 1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。２）适度的界面结合强度 ３）减少复合材料中产生的残余应力 ４）调节界面内应力和减缓应力集中 聚合物基体复合材料改性方法 １、颗粒增强体在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增容剂)，则能使液晶微纤与基体间形成结合良好的界面 ２、纤维增强体复合材料界面改善 a)纤维表面偶联剂 b)涂覆界面层 c)增强体表面改性 2、金属基复合材料界面 金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，在冷却凝固热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。 金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。 金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。 金属基复合材料的界面控制研究方法： 1）对增强材料进行表面涂层处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。 2）选择金属元素改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 3）优化制备工艺和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。 3、陶瓷基复合材料的界面 陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。 陶瓷基体复合材料界面控制方法
聚合物基复合材料 知识点总结
第二章增强材料 1.增强材料的品种： 1）无机纤维：（1）玻璃纤维 （2）碳纤维：①聚丙烯腈碳纤维②沥青基碳纤维 （3）硼纤维，（4）碳化硅纤维，（5）氧化铝纤维 2）有机纤维：（1）刚性分子链——液晶（干喷湿纺）： ①对位芳酰胺②聚苯并噁唑③聚芳酯 （2）柔性分子链：①聚乙烯②聚乙烯醇 2.玻璃纤维的分类： 1）按化学组成份：有碱玻璃纤维，碱金属含量>12%；中碱玻璃纤维，碱金属含量6%~12%；低碱玻璃纤维，碱金属含量2%~6%；微碱玻璃纤维，碱金属含量<2% 2）按纤维使用特性分：普通玻纤（A-GF）；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；高模玻纤（M-GF）；耐化学药品玻纤（C玻纤）…… 3）按产品特点分：长度（定长玻纤<6-50mm>，连续玻纤）；直径（粗纤维30μm，初级纤维20μm，中级纤维10-20μm，高级纤维3-9μm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，磨细纤维和玻璃粉） 3.玻璃纤维的制备：目前生产玻璃纤维最多的方法有坩埚拉丝法（玻 璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法） 4.玻璃纤维的力学特性： 1）玻璃纤维的拉伸应力--应变关系：玻璃纤维直到拉断前其应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段，呈脆性材料特征 2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低；解释： （1）Griffith微裂纹理论： 玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。所以，缺陷尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低 （2）分子取向理论： 玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。 3）玻璃纤维强度特点：单丝直径越小，拉伸强度σb越高；试样测试段长度L越大，拉伸强度σb越低。这两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应和体积效应，即体积或尺寸越大，测试的强度越低 4）缺点：①强度分散性大，生产工艺影响②强度受湿度影响，吸水后，湿态强度下降③拉伸模量较低（70GPa），断裂伸长率约为2.6% 5.玻璃纤维纱的常用术语、参数：（填空） 1）原纱：指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱 2）表示纤维粗细的指标：①支数β：指1g原纱的长度(m)，支数越大表示原纱越细②特(tex)：指1000m长原纱的质量(g)，tex数越大，纱越粗③旦、袋(den)：指9000m长原纱的质量(g)，den 数越大纱越粗 3）捻度：表示纱的加捻程度，指每米长原纱的加捻数，即捻/m。S：右捻，Z：左捻。增加抱合力 4）股数N：指由几根原纱合股组成。纱的合股数指以一根原纱为一股，几根原纱合并起来的原纱根数即为合股纱的合股数N。玻璃纱的公称支数为原纱支数除以股数（β=β0/N） 6.预氧化阶段施加张力的目的，是使纤维中形成的梯形结构取向。热定型后的聚丙烯纤维在温度高于玻璃化温度后，在纤维长轴方向上会发生收缩。预氧化过程前期为物理收缩，表现为取向度
聚合物基复合材料的发展现状和最新进展
聚合物基复合材料的发展现状和最新进展 摘要聚合物基复合材料以聚合物为基体，玻璃纤维、碳纤维、芳纶等为增强材料复合而成。主要包括热固性复合材料和热塑性复合材料。本文先介绍聚合物基复合材料的最新性能研究，再简单介绍下最近几年的研究热点，最后从应用角度谈一谈聚合物基复合材料的发展现状和最近进展。 关键词聚合物基复合材料发展现状最近进展 一、引言 我国聚合物基复合材料的研究始于1958 年，第一个产品就是我们所熟知的玻璃钢。我国热塑性树脂基复合材料开始于20世纪80年代末期，近20年来取得了快速发展。迄今，我国已经成功将碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维增强高性能聚合物基复合材料实用化，其中高强度玻璃纤维增强复合材料已达到国际先进水平，形成了年产500t的规模[1]。随着科技的高速发展，传统聚合物基复合材料已不能满足使用需求，对高性能、耐高温、耐磨损、耐老化性能的研究不断深入。新型复合材料的出现也给该领域带来了更大的发展前景，进而在军事、航空航天、交通，乃至日常生活中的广泛运用也使得该领域具有巨大的发展空间和良好的市场前景[2]。 二、性能研究进展 常见的高性能耐高温聚合物材料有聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。研究发现液晶材料能很好的提高PTFE的耐磨损性能，将PEEK与其它聚合物共混或采用碳纤
维(CF)、玻璃纤维(GF)、无机纳米粒子等复合增强，已成为制备摩擦学性能和力学性能更优异的PEEK复合材料的首选[3]。美国一家PI复合材料供应商，主要生产不含MDA型PI／碳纤维、玻璃纤维、石英纤维单向带、织物以及预制品。该公司开发的900HT材料的瓦约为426℃，使用温度最高816℃，可采用热压罐、模压以及某些液体模塑工艺加工[4]。该材料还具有十分优异的热氧化稳定性，因此尤其适用于制造在高温氧气环境中长期工作的发动机以及机身部件[5]。 聚合物基复合材料在自然环境下使用，性能会受到许多环境因子（如紫外辐射、臭氧、氧、水、温度、湿度、微生物、化学介质等）的影响。这些环境因子通过不同的机制作用于复合材料，导致其性能下降、状态改变、直至损坏变质，通常称之为“腐蚀”或“老化”[6]。环境因素对复合材料性能的影响主要是通过树脂基体、增强纤维以及树脂/纤维粘接界面的破坏而引起性能的改变。陈跃良等分析了湿热老化、化学侵蚀和大气老化对复合材料的作用机理及对其力学性能的影响[7]，也提出了复合材料老化寿命预测方法。 对于大多数聚合物材料而言，阻燃性能不佳，加入阻燃剂往往是必须的。从阻燃剂发展趋势来看,以高效、价廉、无卤素、无污染为特征的无机类阻燃剂符合世界各国发展环保型材料,推进可持续发展战略的政策要求。无机阻燃剂可以单独使用,也可以与有机阻燃剂复配使用,产生协同效应,起到很好的阻燃效果,是目前阻燃剂发展的主流。而其中的氢氧化物阻燃剂被认为是最有发展前途的、环境友好的无机阻燃剂, 成为近几年各国研究的热点[8]。Kazuki等研究发现了含
聚合物基复合材料制备方法
摘自课本《聚合物基复合材料》,针对的是聚合物基纳米复合材料的制备方法。 1、溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是最早用来制备纳米复合材料的方法之一。所谓的溶胶-凝胶工艺过程是将前驱物在一定的有机溶剂中形成均质溶液，均质溶液中的溶质水解形成纳米级粒子并成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶。溶胶-凝胶中通常用酸、碱和中性盐来催化前驱物水解和缩合，因其水解和缩合条件温和，因此在制备上显得特别方便。根据聚合物与无机组分的相互作用情况，可将其分为以下几类： （1）直接将可溶性聚合物嵌入到无机网络中把前驱物溶解在形行成的聚合物溶液中，在酸、碱或中性盐的催化作用下，让前驱化合物水解，形成半互穿网络。（2）嵌入的聚合物与无机网络有共价键作用在聚合物侧基或主链末端引入能与无机组分形成共价键的基团，就可赋予其具有可与无机组分进行共价交联的优点，可明显增加产品的弹性模量和极限强度。在良好溶解的情况下，极性聚合物也可与无机物形成较强的物理作用，如氢键。 （3）有机-无机互穿网络在溶胶-凝胶体系中加入交联单体，使交联聚合和前驱物的水解与缩合同步进行，就可形成有机-无机同步互穿网络。用此方法，聚合物具有交联结构，可减少凝胶的收缩，具有较大的均匀性和较小的微区尺寸，一些完全不溶的聚合物可以原位生成均匀地嵌入到无机网络中。 溶胶-凝胶法的特点是可在温和条件下进行，可使两相分散均匀，通过控制前驱物的水解-缩合来调节溶胶-凝胶化过程，从而在反应早期就能控制材料的表面与界面性能，产生结构极其精细的第二相。存在的问题是在凝胶干燥过程中，由于溶剂、小分子、水的挥发可能导致材料内部产生收缩应力，从而会影响材料的力学和机械性能。另外，该法所选聚合物必须是溶解于所用溶剂中的，因而这种方法受到一定限制。 2、层间插入法 层间插入法是利用层状无机物(如粘土、云母等层状金属盐类)的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作为无机主体，将聚合物(或单体)作为客体插入于无机相的层间，制得聚合物基有机-无机纳米复合材料。层状无机物是一维方向上的纳米材料，其粒子不易团聚且易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范
聚合物基复合材料精彩试题
第一章 聚合物合金的概念、合金化技术的特点？ 聚合物合金：有两种以上不同的高分子链存在的多组分聚合物体系 合金化技术的特点:1、开发费用低，周期短，易于实现工业化生产。2、易于制得综合性能优良的聚合物材料。3、有利于产品的多品种化和系列化。 热力学相容性和工艺相容性的概念？ 热力学相容性：达到分子程度混合的均相共混物，满足热力学相容条件的体系。 工艺相容性：使用过程中不会发生剥离现象具有一定程度相容的共混体系。 如何从热力学角度判断聚合物合金的相容性？ 1、共混体系的混合自由能（ΔG M ）满足ΔG M =ΔH M -TΔS M <0 2、聚合物间的相互作用参数χ 12 为负值或者小的正值。 3、聚合物分子量越小，且两种聚合物分子量相近。 4、两种聚合物的热膨胀系数相近。 5、两种聚合物的溶度参数相近。 *思考如何从改变聚合物分子链结构入手，改变聚合物间的相容性？ 1、通过共聚使分子链引入极性基团。 2、对聚合物分子链化学改性。 3、通过共聚使分子链引入特殊相互作用基团。 4、形成IPN或交联结构。 5、改变分子量。 第二章 *列举影响聚合物合金相态结构连续性的因素，并说明分别是如何影响的？ 组分比：含量高的组分易形成连续相； 黏度比：黏度低的组分流动性较好，容易形成连续相； 内聚能密度：内聚能密度大的聚合物，在共混物中不易分散，容易形成分散相；溶剂类型：连续相组分会随溶剂的品种而改变； 聚合工艺：首先合成的聚合物倾向于形成连续性程度大的相。 说明聚合物合金的相容性对形态结构有何影响？
共混体系中聚合物间的工艺相容性越好，它们的分子链越容易相互扩散而达到均匀的混合，两相间的过渡区越宽，相界面越模糊，分散相微区尺寸越小。完全相容的体系，相界面消失，微区也随之消失而成为均相体系。两种聚合物间完全不相容的体系，聚合物之间相互扩散的倾向很小，相界面和明显，界面黏接力很差，甚至发生宏观的分层剥离现象。 什么是嵌段共聚物的微相分离？如何控制嵌段共聚物的微相分离结构？ 微相分离：由化学键相连接的不同链段间的相分离 控制溶剂、场诱导、特殊基底控制、嵌段分子量来控制 *简述聚合物合金界面层的特性及其在合金中所起的作用。 特性：1、两种分子链的分布是不均匀的，从相区到界面形成一浓度梯度；2、分子链比各自相区内排列松散，因而密度稍低于两相聚合的平均密度；3、界面层内易聚集更多的表面活性剂、其他添加剂、分子量较低的聚合物分子。 作用：力的传递效应；光学效应；诱导效应。 第三章 简述橡胶增韧塑料的形变机理及形变特点。 形变机理：银纹化和剪切带形变 特点：1、橡胶的存在有利于发生屈服形变；2、力学性能受形变机理影响 简述橡胶增韧塑料形变机理的研究方法及影响形变机理的因素。 定量研究：高精度的蠕变仪同时测定试样在张应力作用下的纵向和横向形变 影响因素：树脂基体；应力和应变速率；温度；橡胶含量；拉伸取向 简述橡胶增韧塑料的增韧机理，并列举实例加以说明。 多重银纹化增韧理论：在橡胶增韧的塑料中，由于橡胶粒子的存在，应力场不再是均匀的，橡胶粒子起着应力集中的作用。（脆性玻璃态高聚物受外力作用发生银纹形变时材料韧性很差） 银纹-剪切带增韧机理：银纹和剪切到之间存在着相互作用和协同作用。（ABS 拉伸过程中既有发白现象，又有细颈形成） 试比较橡胶增韧塑料和刚性粒子工程塑料的异同点。 1、增韧剂种类不同； 2、增韧的对象不同； 3、增韧剂含量对增韧效果的影响不同； 4、改善聚合物合金性能的效果不同； 5、增韧机理不同； 6、对两相界面黏结强度的要求是相同 第四章
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料 摘要：聚合物基复合材料以其特有的性能近年来越来越受到人们的青睐。本文简单的介绍了聚合物基复合材料，描述了其作为一种新材料的性能特点，并详细描述了其发展历史及应用。 关键词：聚合物、复合材料、应用、历史 1、聚合物基复合材料 复合材料是指：两个或两个以上独立的物理相，包括粘接材料（基体）和粒料纤维或片状材料所组成的一种固体物。 (1) 复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是各组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。（2）复合材料中通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。（3）分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。 实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料。 而聚合物基复合材料一般都具有以下特性： 1. 比强度、比模量大。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的
聚合物基复合材料的界面研究进展
大学研究生课程论文 题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩 专业材料工程 课程名称、代码1512011080405 年级 姓名学号 时间年月 任课教师
聚合物基复合材料的界面研究进展 【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。 【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强 1 前言 界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。 复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。 2 无机刚性粒子增强聚合物基复合材料及其界面 无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。 在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低
聚合物复合材料课后总结
聚合物复合材料课后总结什么是复合材料？这个概念很难说清。由于缺乏严格的定义以及近年来人们用词的随意，模糊了复合材料的概念。关于复合材料有许多种定义。一种定义为：“a mixture of two or more materials that are distinct in composition and form, each being present in significant quantities (e.g., >5%)” (两种或多种不同组成、不同存在形式材料的混合物，各以显著的量存在)。另一定义为：“the union of two or more diverse materials to attain synergistic or superior qualities to those exhibited by individual members”（两种或多种不同材料的结合体，可获得协同的或优于个别材料的质量）。美国ASM的工程材料手册中的定义为：“a combination of two or more materials differing in form or composition on a macroscale. The constituents retain their identities…and can be physically identified.”（两种或多种不同组成、不同存在形式在宏观水平上的结合体。各组分保持各自的特征，并可用物理方法鉴别）。这里“宏观”、“各自特征”是两个关键。不符合这两个关键词的混合物将不被视为复合材料。例如固溶体，是两种材料在原子水平上的混合物，不能算作复合材料。但“宏观”是个什么概念？毫米级还是微米级还是纳米级？橡胶与塑料的混合一般不认为复合材料，原因有二。第一因为橡胶分散相的尺寸在微米级以下，不能视为宏观存在；第二因为橡胶与塑料同属高分子材料，不能视为不同材料的混合。但近年来又出现了“纳米复合材料”，其中有一种是纳米尺寸的无机粒子在塑料中的混合物。纳米尺寸能够称得上“宏观”吗？人们近年来还提出“分子复合材料”，即同系列聚合物棒状分子与线团状分子的混合物。既是分子水平的混合，又是同一种材料，也称为复合材料。但在本书的学习中，我们不必理会复合材料的确切定义，只将讨论的内容限定在ASM规定的材料范围之内。 人类从很早的时期起就认识到将两种或多种材料混合使用的益处。13世纪的蒙古包就是将动物筋、木头和丝用粘合剂粘在一起制成的。在更早的时期，人们就懂得将稻草混入泥巴来盖房子，这一技术直到今日还在我国农村使用。古埃及人已懂得制造轻便坚固的三合板，中世纪的欧洲人用合层的金属片制造盾牌。大自然也创造了不少天然复合材料：如木材、竹子、骨头等。 第二次世界大战期间，诞生了玻璃纤维与聚酯树脂的复合材料。这标志着先进复合材料时代的到来。最早的复合材料被用于制造飞机的门的档板，还用于制造导弹外壳。人们从这种高比强度（强度/密度）、高比刚度（模量/密度）的材料中看到了巨大的前途，开始有意识地开发复合材料，希望能够替代铝和钛等金属。从五十年代起，开始致力于纤维的研制，并开发出高性能的S型玻璃纤维。1963年，硼纤维问世，以后又相继开发出碳纤维、二氧化铍纤维、石墨纤维、芳香尼龙纤维、氧化铝纤维等。纤维可以加入到聚合物基体，也可以加入到金属基体或陶瓷基体，开创出一代高性能的复合材料。为有别于传统的与天然的复合材料，我们称此类材料为先进复合材料。复合材料可以金属、陶瓷、聚合物中任一种材料为基体，可以三种材料中的任一种为增强材料，如图4-1所示。一种复合材料的分类法就是以基体分类，将复合材料分为三大类：金属基复合材料（MMC），陶瓷基复合材料（CMC）和聚合物基复合材料（PMC）。碳材料比较特殊，所以可以单列一类，称为碳基复合材料。本章中我们着重介绍聚合物基复合材料，简单介绍碳基复合材料，陶瓷基和金属基复合材料将放到陶瓷和金属的专章中介绍。
聚合物基复合材料
纤维增强的聚合物基复合材料 一、复合材料 1、定义 复合材料是一种多相的复合体系，由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料。 2、分类 根据组成复合材料的不同物质在复合材料中的形态，可将它们分为基体材料和分散材料。复合材料按分散材料形式不同可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料、晶须增强复合材料等；按基体材料不同可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。 二、纤维增强聚合物基复合材料 聚合物基复合材料是以高分子聚合物为基体，添加增强纤维制得的一种复合材料。 它有许多优异的性能：（1）质轻高强。若按比强
度计算（强度与密度的比值），玻璃纤维增强的聚合物基复合材料不仅大大超过碳钢，而且可超过某些特殊合金钢。特别是有机纤维、碳纤维复合材料有更低的密度和更高的强度。（2）耐疲劳性能好。聚合物复合材料中的纤维与基体的界面能阻止裂纹的发展，金属的疲劳强度是其拉伸强度的30~50%，碳纤维/不饱和聚酯复合材料是70~80%。（3）耐热性强。虽然聚合物基复合材料的耐热性不及金属基和陶瓷基复合材料，但随着高性能树脂和高性能增强材料的发展，它的耐热性也达到很优异的效果。甲基二苯乙炔基硅烷树脂为基体的复合材料在500℃下仍能保持较好的力学性能。（4）介电性能好。通过选择树脂基体和增强纤维可制备低介电损耗角正切（小于0.005）的复合材料.如，热固性丁苯树脂基、聚酰亚胺树脂基复合材料。 1、聚合物基体 目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂等，另一类为热塑性树脂，如尼龙、聚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺等。 聚合物的选择应考虑：A、基体材料能在结构使用温度范围内正常使用；B、基体材料具有一定的力学
(1)纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究
纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究 赵若飞 周晓东 戴干策 (华东理工大学聚合物加工室上海200237) 摘要:本文综述了聚合物基纤维复合材料界面残余热应力的形成、测定方法和各种理论分析方法。阐述了残余应力对界面粘结强度以及复合材料断裂韧性和强度的影响,最后对界面残余应力的控制方法作了评述。 关键词:聚合物基纤维复合材料 残余热应力 界面 1 前 言 聚合物基纤维复合材料的基体和增强纤维的热 膨胀系数存在很大的差异,而复合材料有相当部分 是在升温条件下成型的,当温度降低时,由于基体和 纤维的体积收缩率不同,会产生热残余应力,热固性 树脂在固化过程中发生体积收缩也会形成残余应 力。复合材料的残余应力同时存在于基体、纤维和 界面上,基体中的应力会使基体的性质发生变 化[1、2],使基体的耐冲击性、疲劳强度、压缩强度等下 降,甚至会引起基体的破坏。纤维中主要存在轴向 压缩残余应力,可能引起纤维发生曲折[3]。界面相 的残余应力有径向压缩或拉伸应力、环向拉伸应力 和界面剪切应力[4、5],这些应力都会对界面的粘结强 度和纤维的脱粘产生重要的影响[6～8]。 界面相残余应力的存在显然严重影响复合材料 的宏观性能,因此,人们一直希望能定量测定它,但 是界面层的厚度很小,属于微结构(纳米结构),而且界面存在材料的内部,所以难以直接测量残余应力[9]。纤维和基体中的残余应力则可采用各种实验方法来测定,例如光弹性法[2、10]、Ramman光谱法[11]、纤维总应变法[12]、碳纤维电阻率法[13]、单丝拔除法[14]等,可以通过测定邻近界面的基体或纤维中的残余应力来得到界面残余应力。另一方面,三十年来发展了有限元分析等各种理论分析方法研究复合材料残余应力[15～21],使人们对界面残余应力有了深入的认识。 近年来热塑性树脂基复合材料得到发展和广泛应用,人们对聚合物基复合材料的界面残余应力的研究越来越重视,这是因为与热固性树脂基复合材料相比,这种热塑性树脂在加工冷却过程中多伴有结晶的形成,与纤维的体积收缩比具有更大的差异[1、22] ,可能形成较大的界面残余应力。 2 残余应力的形成 聚合物基纤维复合材料有不少是在高于环境温度(150～300℃)的条件下加工,当体系温度降低时,会由于树脂和纤维的体积收缩不匹配而造成残余应力,表1列举了几种纤维和树脂的热膨胀系数和温度变化时的体积收缩率。由表1可见玻璃纤维是各向同性的,而碳纤维和凯芙拉纤维的横向和纵向热膨胀系数差别很大,当升温时沿纤维纵向收缩,横向膨胀。环氧树脂在固化过程中,伴随着化学反应体积发生收缩,产生残余应力,体积收缩率随树脂类型的不同在1%-6%范围内,固化完成后,环氧树脂随温度的降低继续发生一定的体积收缩,热膨胀系数在较窄的温度范围内(50～150℃)可看作常数(40～80ppm/℃)[24]。热塑性树脂在温度达到固化温度时(T c或者T g),体积收缩开始产生热应力,在达到固化温度以前,热塑性树脂仍然是熔体,虽然也有很大的体积收缩但却不产生残余应力,非晶型热塑性树脂的体积收缩率与环氧树脂相差不大,而结晶型的体积收缩率则相当高。 FRP/CM 2000.No.4
聚合物基复合材料的界面研究进展
深圳大学研究生课程论文 题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩 专业材料工程 课程名称、代码1512011080405 年级 姓名学号 时间年月 任课教师
聚合物基复合材料的界面研究进展 【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。 【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强 1 前言 界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。 复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。 2 无机刚性粒子增强聚合物基复合材料及其界面 无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。 在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低了添加刚性粒子所引起的材料韧性下降的程度；同时由于界面层的引入，使三相复合体系在较低的橡胶含量下具有较高的模量和冲击强度。欧玉春[6]等报道了PP/三元乙丙橡胶(EPDM)/
聚合物基复合材料重点内容
测试题型 一、填空题（1分*10题=10分） 二、判断题（1分*6=6分） 三、名词解释（4分*5=20分） 四、简答题（8分*8题=64分，含1道计算题） 第一章聚合物基复合材料的概念、特性、使用和进展 1.什么是复合材料？和金属材料相比有何主要差别？ 答：定义：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保持了原组分材料的主要特色，又通过符合效应获得原组分所不具备的的新性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并充分并联，从而获得新的优越性能，这和一般的简单的混合有本质的区别。 和金属材料的区别： 2.复合材料有哪些优点？存在的主要问题是什么？ 答：优点：1）比强度、比模量高；2）耐疲劳性好，破损性能高；3）阻尼减振性好：a.受力结构的自振频率除了和结构本身形状有关以外，还和材料的比模量平方根成正比；b.复合材料具有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振；c.复合材料机体和纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料得振动阻尼很高，一旦振起来，也可在较短时间内停下来。4）具有多种功能性：a.瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；b.优异的电绝缘性能和高频介电性能；c.良好的摩擦性能；d.优良的腐蚀性，维护成本低；e.特殊的光学、电学、磁学的特性。5）良好的加工工艺性；6）各向异性和性能的可设计性。 主要问题：工艺方法的自动化、机械化程度低，材料性能的一致性和产品质量的稳定性差，质量的检测方法不完善，破坏模式不确定和长期性能不确定，长期耐高温和环境老化性能不好等。
3.简述复合材料的组成。界面为什么也是一个重要组成部分？ 答：复合材料是由基体材料和增强体材料构成的多项体系。基体材料为连续相，按所用基体材料的不同，可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料。增强材料为分散相，通常为纤维状材料，如玻璃纤维、有机纤维等。 原因：界面也是重要组成部分的原因是因为增强相和基体相的界面区域因为其特殊的结构组成，这种结构对材料的宏观性能产生影响，因此也是不可缺少的重要组成部分。 4.什么是先进复合材料（ACM）？ 答：具有质轻、高比模量、高比强度等优良性能的的纤维复合材料称为先进复合材料(ACM)。 第二章增强材料 1.为什么玻璃纤维和块状玻璃性能不同？纤维的粗细对其强度有什么影响？为 什么？ 答：块状玻璃比玻璃纤维本身尺寸大，其内部和表面存在较大缺陷的概率增大，而材料破坏就是由最危险或尺寸最大的裂纹导致的，所以块状玻璃壁纤维的强度低得多。而且玻璃纤维具有以下特点：1）玻璃纤维的体积效应或尺寸效应，即：体积或尺寸越大，测试的强度越低。2）玻璃纤维强度的分散性较大；3）玻璃纤维强度受湿度影响。吸水后，湿态强度下降。4）玻璃纤维的拉伸模量较低。 2.制备玻璃纤维时，为什么要使用浸润剂？主要有哪三类浸润剂？各有什么不 同？ 答：浸润剂的作用在于：使单丝集束，便和后续的并股、纺织等工序；防止原纱缠绕成卷时，纤维相互粘结；保护纤维，防止纺织时，纤维的表面磨损而降低强度。 浸润剂的类型有如下三类：1）纺织型浸润剂。纺织型浸润剂具有良好的集束性、润滑性、成膜性和抗静电性。主要用于玻璃纤维纺织加工制品。2）增强型
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料 摘要：本文主要研究的是聚合物基复合材料的制备、性能、和应用。聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组成的复合材料。它有许多突出的性能：比强度大、比模量大；耐疲劳性能好；减振性好；过载时安全性好等。聚合物基复合材料的结构和性能存在广泛的灵活关系，通过不同的工艺控制，可以形成不同的结构形态，从而获得目标性能。 关键词：聚合物基复合材料制备性能应用 1、聚合物基复合材料的制备 1.1.聚合物复合材料概述及其制备流程 聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。 实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。 1.2.基体及其制备： 基体是聚合物基复合材料的主要成分。用于复合材料的聚合物基体主要按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砚、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变比。热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分于量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子。 1.2.1热固性聚合物的制备
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料 第二节聚合物基复合材料（PMC） 1.1聚合物基体 1.2PMC界面 1.3PMC制备工艺 1.4PMC性能与应用 聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。 实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、
短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。 通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料(FRP)，而为各种目的加入各种填料的高分子材料不在这里论及。 1.1聚合物基体 聚合物基体是纤维增强塑料的一个必需组分，在复合材料成型过程中，基体经过复杂的物理、化学变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体。因而基体性能直接影响复合材料性能。基体的主要作用包括将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均匀；决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水、耐化学品性能)等；决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择；保护纤维免受各种损伤。此外对复合材料一些性能有重要影响，如纵向位伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。 1、分类 用于复合材料的聚合物基体主要按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砚、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加
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考试题型 一、填空题（1分*10题=10分） 二、判断题（1分*6=6分） 三、名词解释（4分*5=20分） 四、简答题（8分*8题=64分，含1道计算题） 第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 1.什么是复合材料？与金属材料相比有何主要差别？ 答：定义：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保持了原组分材料的主要特色，又通过符合效应获得原组分所不具备的的新性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并充分并联，从而获得新的优越性能，这与一般的简单的混合有本质的区别。 与金属材料的区别： 2.复合材料有哪些优点？存在的主要问题是什么？ 答：优点：1）比强度、比模量高；2）耐疲劳性好，破损性能高；3）阻尼减振性好：a.受力结构的自振频率除了与结构本身形状有关以外，还与材料的比模量平方根成正比；b.复合材料具有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振；c.复合材料机体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料得振动阻尼很高，一旦振起来，也可在较短时间内停下来。4）具有多种功能性：a.瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；b.优异的电绝缘性能和高频介电性能；c.良好的摩擦性能；d.优良的腐蚀性，维护成本低；e.特殊的光学、电学、磁学的特性。5）良好的加工工艺性；6）各向异性和性能的可设计性。 主要问题：工艺方法的自动化、机械化程度低，材料性能的一致性和产品质量的稳定性差，质量的检测方法不完善，破坏模式不确定和长期性能不确定，长期耐高温和环境老化性能不好等。 3.简述复合材料的组成。界面为什么也是一个重要组成部分？
答：复合材料是由基体材料和增强体材料构成的多项体系。基体材料为连续相，按所用基体材料的不同，可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料。增强材料为分散相，通常为纤维状材料，如玻璃纤维、有机纤维等。 原因：界面也是重要组成部分的原因是因为增强相与基体相的界面区域因为其特殊的结构组成，这种结构对材料的宏观性能产生影响，因此也是不可缺少的重要组成部分。 4.什么是先进复合材料（ACM）？ 答：具有质轻、高比模量、高比强度等优良性能的的纤维复合材料称为先进复合材料(ACM)。 第二章增强材料 1.为什么玻璃纤维与块状玻璃性能不同？纤维的粗细对其强度有什么影响？为 什么？ 答：块状玻璃比玻璃纤维本身尺寸大，其内部和表面存在较大缺陷的概率增大，而材料破坏就是由最危险或尺寸最大的裂纹导致的，所以块状玻璃壁纤维的强度低得多。而且玻璃纤维具有以下特点：1）玻璃纤维的体积效应或尺寸效应，即：体积或尺寸越大，测试的强度越低。2）玻璃纤维强度的分散性较大；3）玻璃纤维强度受湿度影响。吸水后，湿态强度下降。4）玻璃纤维的拉伸模量较低。 2.制备玻璃纤维时，为什么要使用浸润剂？主要有哪三类浸润剂？各有什么不 同？ 答：浸润剂的作用在于：使单丝集束，便与后续的并股、纺织等工序；防止原纱缠绕成卷时，纤维相互粘结；保护纤维，防止纺织时，纤维的表面磨损而降低强度。 浸润剂的类型有如下三类：1）纺织型浸润剂。纺织型浸润剂具有良好的集束性、润滑性、成膜性和抗静电性。主要用于玻璃纤维纺织加工制品。2）增强型浸润剂。增强型浸润剂是专门为生产增强用玻璃纤维而发展起来的，主要是为了改善树脂对纤维的浸润性，提高树脂与纤维的粘结力。3）化学处理剂。在制
(完整word版)聚合物基复合材料复习
1.聚合物基复合材料的组成 (1) 基体 热固性基体： i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好 ii) 交联固化后成网状结构，尺寸稳定性好耐热性好，但性脆 iii) 制备过程伴有复杂化学反应 热塑性基体： i) 熔体粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型，工艺性差 ii) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好 iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象 (2) 增强体 主要有碳纤、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等 由于树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，增强体多经过表面处理与表面改性，以及浸润剂、偶联剂和涂复层的使用，使其组成复杂化。 3.复合材料的界面 1)界面现象：①表面吸附作用与浸润 ②扩散与粘结（含界面互穿网络结构） ③界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键合力） 2). 复合材料的界面形成过程 PMC、MMC、CMC等复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。（1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。 i) 界面设计与控制的重要手段 ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分 iii) 为第二阶段作准备 （2）第二阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程 i) 接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合或物理结合。化学结合可看作是一种 特殊的浸润过程 ii) 界面形成与发展的关键阶段 （3）第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应 i) 界面的固定（亚稳态、非平衡态） ii) 界面的稳定（稳态、平衡态） 在复合材料界面形成过程中涉及： i) 界面间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程 ii) 界面间的相互转化：如，固化过程是固-液界面向固-固界面转化的过程后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程 3）复合材料界面结构与性能特点 i) 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样。界面区至少包括： ii ) 具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料的性能特征