纤维增强聚合物基复合材料的界面研究进展

综 述

纤维增强聚合物基复合材料的界面研究进展

陈　平　于　祺　路　春

(大连理工大学化工学院,116012)

摘　要　本文较系统的综述了国内外增强树脂用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维表面处理的方法,对各种改性技术的特点进行了评述,并指出了其进一步的发展趋势。

关键词　玻纤,碳纤,芳纶,表面处理,界面

Advance in the Study of Interface of Fiber Rein forced P olymer Matrix C omposites

Chen Ping　Y u Qi　Lu Chun

(C ollege of Chemical Engineering,Dalian University of T echnology,China,116012)

ABSTRACT　The sur face treating methods of G F,CF and AF used in resin matrix are summarized in this paper.The character2 istics of these methods and their further development are als o discussed.

KEY WORDS　G lass fiber,Carbon fiber,Aramid fiber,Sur face m odification,Inter face

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。随着对复合材料界面结构及优化设计研究的不断深入,研究材料的界面力学行为与破坏机理是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一。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,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。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,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。

热塑性复合材料不仅有优越的力学性能、耐腐蚀、无毒性和低价格指数,还由于具有热固性复合材料所不具备的可重复加工和使用的特点,避免产生三废,有利于环保,因而倍受人们的重视,发展迅速。对于增强热塑性复合材料来说,由于基体本身缺乏可反应的活性官能团,很难与纤维产生良好化学键结合,因而界面结合的问题就显得更为重要。

2　玻璃纤维的表面处理方法

玻璃纤维在复合材料中主要起承载作用。为了充分发挥其作用,减少玻璃纤维和树脂基体差异对复合材料界面的影响,以及减少玻璃纤维表面缺陷所导致的与树脂基体不良的粘合,有必要对玻璃纤维的表面进行处理,使之能够很好地与树脂粘合,形成性能优异的界面层,从而提高复合材料的综合性能。

2.1　玻璃纤维表面的偶联剂处理

Z isman[2]于1963年发表关于粘结的表面化学与表面能,认为要获得完全的表面润湿,粘结剂起初必须是低粘度且其表面张力须低于无机物的临界表面张力,这一结果引发了对采用偶联剂处理玻璃纤维表面的研究。偶联剂是增强用玻璃纤维表面处理的主要处理剂,种类很多,包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂等,通过偶联剂能使两种不同性质的材料很好地“偶联”起来,从而使复合材料获得较好的粘结强度。

2.1.1　硅烷偶联剂处理

用偶联剂对玻璃纤维表面处理中研究较多的是

第1期纤维复合材料N o1153　2005年3月FIBER COMPOSITES M ar1,2005

硅烷偶联剂。硅烷偶联剂的水解产物通过氢键与玻纤表面作用,在玻纤表面形成具有一定结构的膜。偶联剂膜含有物理吸附、化学吸附和化学键作用的三个部分,部分偶联剂会形成硅烷聚合物。在加热的情况下,吸附于玻纤表面的偶联剂将与玻纤表面的羟基发生缩合,在两者之间形成牢固的化学键。

氨基硅烷偶联剂也是偶联剂的一种,对其研究后得出:含有氨基的偶联剂比不含氨基的对玻璃纤维的表面处理效果好,因为偶联剂的氨基与基体中的氨基有亲和性,使界面较好粘结;氨基还能与接枝的酸酐官能团反应,提高复合材料的性能。Pluedde2 mann[3]采用含羧基的化合物改性聚丙烯,并用含氨基的硅烷偶联剂来处理玻璃纤维,使玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能极大提高。Crespy[4]等采用含有双键的乙烯基-三乙氧基硅氧烷和正丙稀-三甲氧基硅氧烷以及相容助剂混合物处理玻璃纤维的表面,使玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲强度得到大幅度的提高。

2.1.2　铝酸酯偶联剂的表面处理

铝酸酯偶联剂具有处理方法多样化、偶联反应快、使用范围广、处理效果好、分解温度高、价格性能比好等优点而被广泛地应用。陈育如[5]利用铝锆偶联剂对玻璃钢中玻璃纤维的表面处理比用沃兰(甲基丙稀酰氯化铬络合物)、硅烷偶联剂处理的效果要好,其弯曲强度、拉伸强度、弯曲模量都高于后者处理的结果。

2.1.3　偶联剂和其它助剂协同表面处理

由于偶联剂的独特性质,利用偶联剂和其它物质的协同效应对玻璃纤维的表面处理,如运用氯化物和硅烷偶联剂混合处理玻璃纤维的表面,可显著改善PP/G F复合材料强度,特别是采用具有热稳定性的氯化二甲苯,其性能最优异[6]。

2.2　玻璃纤维表面的接枝处理

聚烯烃类基体缺乏活性反应官能团,难以与偶联剂形成化学键,用偶联剂不会起到应有的作用。为了玻璃纤维在聚烯烃类基体中较好应用,需要寻找一种方法使聚烯烃类基体和玻璃纤维有良好的界面粘合。国内外的学者用不同的方法使高分子链接枝到玻璃纤维的表面上,接枝了高分子链的玻璃纤维在界面处产生一个柔性界面层。柔性界面层的引入使复合材料能在成型以及受到外力作用时所产生的界面应力得到松弛,使复合材料具有较高的冲击性能。Salehi[7]等用两种方法对玻璃纤维的表面接枝处理:①采用界面缩聚的方法处理玻璃纤维的表面;②玻璃纤维表面经含有过氧键硅烷偶联剂处理,再用缩聚的方法处理。两种方法都可以得到柔性界面层。薛志云[8]利用臭氧对表面涂有MAC(一种玻璃纤维表面处理剂)试剂的玻璃纤维进行预处理,使玻璃纤维表面产生活化中心,引发甲基丙烯酸甲酯在玻璃纤维上进行接枝聚合。接枝甲基丙烯酸甲酯的玻璃纤维与树脂基体具有很大亲和性,处理后的玻璃纤维与树脂有充分的相容性,接枝聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃纤维与树脂基体之间形成了过渡层,使复合材料的力学等性能获得极大的提高。杨卫疆[9]用的方法是在玻璃纤维的表面涂上有过氧键的偶联剂,然后接枝苯乙烯等高分子链。经接枝处理的玻璃纤维作为复合材料的增强体,得到粘合较好的复合材料界面,减少了界面的应力,达到了界面优化的目的。

2.3　等离子体表面处理

用等离子体对碳纤维表面处理的报道很多[11],而对玻璃纤维表面处理的报道却不多[10],这是由于玻璃纤维和碳纤维的表面性质不同。等离子体虽不适于玻璃纤维的表面处理,但用适当的处理方式也能获得好的玻纤表面。李志军[10]研究了等离子体对玻璃纤维处理的机理是:使玻璃纤维表面的官能团发生变化,产生轻微刻蚀,扩大玻璃纤维的有效接触面积,改善基体对玻璃纤维的浸润状况,使界面粘合增强。结果表明:等离子体处理的玻璃纤维作为增强体的复合材料力学性能提高了2～3倍,还明显降低复合材料的吸湿率,改善复合材料的耐湿热稳定性。

除此之外,可采用几种方法联用处理玻璃纤维表面,这样可以集合几种处理方法的优点于一体。因此,要在玻璃纤维增强的树脂基复合材料中获得良好的界面,最好的方法是在增强体进行表面处理,在其表面接上一定长度的高分子链,使其与基体有良好的相容性,获得优良的界面层。

3　碳纤维的表面处理方法

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于具有密度小、比强度高、比模量高、热膨胀系数小等一系列优异特性,在航天器结构上已得到广泛的应用。碳纤维表面惰性大、表面能低,缺乏有化学活性的官能团,反应活性低,与基体的粘结性差,界面中存在较多的缺陷,直接影响了复合材料的力学性能,限制了碳纤维高性能的发挥。为了改善界面性能,充分利用界面效应的有利因素,可以通过对碳纤维进行表面改性的办法来提高其对基体的浸润性和粘结性。国内外对碳纤维表面改性的研究进行得十分活跃,主要有氧化处理、涂覆处理、等离子体处理法等,经表面改性后的碳纤维,其复合材料层间剪切强度

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有显著提高。

3.1　氧化处理

3.1.1　气相氧化法

气相氧化是用氧化性气体来氧化纤维表面而引入极性基团(如—OH等),并给予适宜的粗糙度来提高复合材料层间剪切强度。如把碳纤维在450℃下空气中氧化10min,所制备的复合材料的剪切强度和拉伸强度都有提高;采用浓度为05～15mg/L 的臭氧连续导入碳纤维表面处理炉对碳纤维进行表面处理,经处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度可达78.4～105.8MPa;另外除这种对纤维直接进行表面气相氧化外,还可以对经涂覆处理的纤维进行氧化改性。

气相氧化虽易于实现工业化,但它对纤维拉伸强度的损伤比液相氧化大。另外随纤维种类的不同(高模量碳纤维、高强度碳纤维)、处理温度的不同,气相氧化处理效果也不尽相同。

3.1.2　液相氧化法

液相氧化处理对改善碳纤维/树脂复合材料的层间剪切强度很有效。硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢和过硫酸钾等都可以用于对碳纤维进行表面处理。硝酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂,用硝酸氧化碳纤维,可使其表面产生羧基、羟基和酸性基团,这些基团的量随氧化时间的延长和温度的升高而增多,氧化后的碳纤维表面所含的各种含氧极性基团和沟壑明显增多,利于提高纤维与基体材料之间的结合力。

由于液相氧化的方法较气相氧化法温和,不易使纤维产生过度的刻蚀和裂解,而且在一定条件下含氧基团数量较气相氧化多,因此是实践中常用的处理方法之一。

3.1.3　电化学氧化法

电化学氧化处理是利用了碳纤维的导电性,一般是将碳纤维作为阳极置于电解质溶液中,通过电解所产生的活性氧来氧化碳纤维表面而引入极性基团,从而提高复合材料性能。同其它氧化处理相同,电化学氧化使纤维表面引入各种功能基团从而改善纤维的浸润、粘敷特性及与基体的键合状况,显著增加碳纤维复合材料的力学性能。国内的房宽峻等通过正交试验的方法对碳纤维在酸、碱、盐三类电解质中的电化学氧化进行研究,认为在氧化过程中,电解质种类是影响处理碳纤维表面酸性官能团的最主要因素,其次是处理时间和电流密度,电解质浓度的影响最不显著。

3.2　表面涂层处理3.2.1　气相沉淀法

近年来,用气相沉积技术对碳纤维进行涂覆处理是碳纤维改性的一个重要方面。在高模量结晶型碳纤维表面沉积一层无定性碳来提高其界面粘接性能。涂层方法主要有两种,一是把碳纤维加热到1200℃,用甲烷(乙炔、乙烷)-氮混合气体处理,甲烷在碳纤维表面分解,形成无定型碳的涂层。处理后所得到的复合材料层间剪切强度可提高两倍。另一种方法是先用喹啉溶液处理碳纤维,经干燥后在1600℃下裂解,所得到的复合材料层间剪切强度可提高27倍。另外还可以用羧基铁、二茂铁和酚醛等热解后的沉积物来提高界面性能。

气象沉积处理是在碳纤维和树脂的界面引入活性炭的塑性界面区来松弛应力,从而提高了复合材料的界面性能。

3.2.2　表面电聚合

表面电聚合技术是近年来发展起来的碳纤维表面改性的一项新技术,在电场的引发作用下使物质单体在碳纤维表面进行聚合反应,生成聚合物涂层,从而引入活性基团使纤维与基体的连接强度大幅提高。

3.2.3　偶联剂涂层

偶联剂提高复合材料的界面粘接性能的应用非常广泛,用硅烷偶联剂处理玻璃纤维的技术已有较成熟的经验。用它处理碳纤维(低模量)同样可以提高碳纤维增强树脂基复合材料的界面强度。但对高模量碳纤维效果不明显。偶联剂为双性分子,一部分官能团能与碳纤维表面反应形成化学键,另一部分官能团与树脂反应形成化学键。这样偶联剂就在树脂与碳纤维表面起到一个化学媒介的作用,将二者牢固地连在一起。但由于碳纤维表面的官能团数量及种类较少,用偶联剂处理的效果往往不太理想。

3.2.4　聚合物涂层

碳纤维经表面处理后,再使其表面附着薄层聚合物,这就是所谓的上浆处理。这层涂覆层即保护了碳纤维表面,同时又提高了纤维对基体树脂的浸润性。常用的聚合物有聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、聚缩水甘油醚、酯环族环氧化合物等,这些聚合物都含有两种基团,能同时与碳纤维表面及树脂结合。树脂浆料的用量一般为碳纤维质量的0.4%～5%,最佳含量为0.9%～16%。

3.2.5　表面生成晶须法

在碳纤维表面,通过化学气相沉积生成碳化硅、硼化金属、T iO2、硼氢化合物等晶须,能明显提高复合材料的层间剪切强度,并且晶须质量只占纤维的0.5%～4%,晶须含量在3%～4%时层间性能达到

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最大。生长晶须的过程包括成核过程以及在碳纤维表面生长非常细的高强度化合物单晶的过程。尽管晶须处理能获得很好的效果,但因费用昂贵、难以精确处理,故工业上无法采用。

3.3　等离子体处理

用等离子体对碳纤维表面进行辐射,可以使碳纤维表面发生化学反应,从而引入活性基团,改善碳纤维的表面性能。等离子体处理包括高温和低温处理两种。高温处理时温度为4000～8000K,设备功率为8MH z下10kW,在含有5%～15%氩气的混合气中产生等离子体。低温处理是在惰性气体中、0～150℃、1×105～3×105Pa条件下产生等离子体。等离子体处理能明显改善碳纤维表面与树脂基体的结合力,且不影响其它强度性能。

对于等离子体改性碳纤维表面的理论有不同的解释。有人提出碳纤维表面经等离子体辐射后生成了SP3杂化的碳及2C2O2C2结构,破坏并降低了表面层的石墨化结构,形成三维交联结构而增加了纤维表面层的抗剪能力。还有另外一种解释指出,低温等离子体生成的活性体与高分子或碳纤维表面反应生成游离基,这些游离基在表面层氧化、交联、分解及接枝,与基体树脂形成化学键、范德华力、氢键等从而提高层间剪切强度。作为一种新兴的处理手段,等离子体处理有以下几个优点:

(1)可以在低温下进行,避免了高温对纤维的损伤;

(2)处理时间短,几秒钟就能获得所需要的效果;

(3)经改性的表面厚度薄,可达到几微米,因此可以做到使材料表面性质发生较大变化,而本体相的性质基本保持不变。

4　芳纶纤维的表面处理方法

芳纶纤维以其高比模量、高比强度、耐疲劳等优异性能在航空航天领域得到了广泛的应用。但是从其结构可知,它是刚性分子,分子对称性高,横向分子间作用力变弱,且分子间氢键弱,在压缩及剪切力作用下容易产生断裂。因此,为了充分发挥芳纶优异的力学性能,对芳纶表面进行改性处理,改善芳纶增强复合材料的界面结合状况成为材料科学界研究的一个热点。

目前,针对芳纶进行的表面改性技术,主要集中在利用化学反应改善纤维表面组成及结构,或借助物理作用提高芳纶与基体树脂之间的浸润性。

4.1　表面涂层法

表面涂层法是在纤维表面涂上柔性树脂,而后与基体复合。这层涂层可以钝化裂纹的扩展,增大纤维的拔出长度,从而增加材料的破坏能。这类处理剂主要是改善材料的韧性,同时又使材料的耐湿热老化性能提高。目前用于芳纶的涂层主要是饱和、不饱和脂肪族酯类,包括S VF-200硅烷涂层、Estapol-7008聚氨酯涂层[18]等。

4.2　化学改性技术

化学改性方法是利用化学反应,在纤维表面引入可反应的基团,从而在与基体复合时产生共价键,增加材料的界面性能。化学改性方法一般分为表面刻蚀和表面接枝。

4.2.1　表面刻蚀技术

表面刻蚀技术是通过化学试剂处理芳纶表达,引起纤维表面的酰氨键水解,从而破坏纤维表面的结晶状态,使纤维表面粗化。一般表面刻蚀技术采用的化学试剂为酰氨。T arantili[19]、Andreopoulos[20]等人采用甲基丙烯酸酰氨的CCl4溶液对芳纶进行了处理,并研究了芳纶表面刻蚀后,芳纶/环氧复合材料的力学性能。经过丙烯酰氯处理后的纤维,一方面表面粗糙度增加,增大了纤维与基体的啮合,除去了弱界面层,增加了纤维/基体间的接触面积;另一方面提高了纤维的表面能,使树脂更有效地润湿纤维,因而使改性后的芳纶/环氧复合材料韧性提高8%。C.Y.Y ue采用乙酸酐刻蚀芳纶表面也使界面剪切强度从38MPa提高到63MPa[21]。但是这类化学试剂都属于高反应活性的物质,反应速度快,很难控制反应仅在纤维表面发生,极易损伤纤维,降低纤维的本体强度,使复合材料的抗拉强度降低。因而在要求抗拉强度较高的复合材料制品的制备过程中,不宜采用这种方法。

4.2.2　接枝技术

表面接枝技术改性芳纶是化学改性方法中研究最多的技术。根据接枝官能团位置的不同,可将表面接枝技术分为两大类:一是发生在苯环上的接枝反应;另一种则是取代芳纶表面层分子中酰氨键上氢的接枝反应。

4.2.2.1　苯环上的接枝反应

芳纶中苯环的邻-对位具有反应活性,可与某些亲电取代基团发生2H的取代反应,因此可在芳纶表面引入一些具有反应活性的极性基团,增加与基体的反应,提高材料的界面强度,从而达到改善界面的目的。目前利用发生在苯环上的反应改善芳纶的方法有两类:一是硝化还原反应引入氨基,另一类则是利用氯磺化反应引入氯磺酸基团,以便进一步引入活性基团。

硝化还原反应是将芳纶浸在硝化介质中,在苯

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环上引入硝基,随后在一定介质中用硼氢化钠等还原剂将硝基还原成氨基,从而在纤维表面引入极性基团,促进树脂对纤维的润湿,提高界面粘结性能。Ramazan[22]等人研究了不同硝化介质、不同还原试剂处理方法对芳纶的影响。通过研究发现,在一定条件下处理的芳纶,韧性提高幅度最大,用其制成的复合材料界面剪切强度提高33%。

氯磺化反应是发生在苯环上的另一类取代反应,在芳纶表面引入-S O2Cl基团,随后与含有反应活性官能团的反应物反应,在芳纶表面接枝上极性基团。芳纶表面发生的氯磺化反应,反应速度快,且极易引入其它极性基团,很适于芳纶的改性处理,但是氯磺化反应也存在着反应不易控制,易损伤纤维的缺点。

发生在苯环的硝化还原反应、氯磺化反应在改变芳纶表面结构、增加纤维润湿的表面积、降低表面自由能、提高界面强度方面都是很有效的。但这两种方法都存在着需要控制反应程度,以纤维表面引入的官能团不超过1.0

A为极限的问题,否则反应将进入纤维内部发生,致使纤维本体强度降低。

4.2.2　酰氨上的H的取代反应

芳纶表面酰氨基团的H可以被其它亲电基团所取代而在纤维表面引入极性基团。L.S.Penn[23]等人研究了PPT A表面与二异氰酸酯反应在纤维表面接枝上己胺,发现纤维表面引入的胺基并不与环氧基反应,改性后材料的粘结性能提高主要是由于界面附近基体的模量提高以及界面处起始裂纹的尺寸降低而引起的。并且在其后的研究[24]中发现,当接枝在纤维上的分子链时,可显著提高材料的界面强度,芳纶表面接枝上[(CH2)6NHC ONH]2-(CH2)6NH2]时可使界面剪切强度提高43%,接枝六异氰酸酯可使界面剪切强度提高65%。国内采用2,4-甲苯二异氰酸酯与芳纶进行接枝反应,也使短梁剪切强度从40MPa提高到54.4MPa[25]。

化学处理芳纶的效果比较显著,可以改善复合材料的韧性,提高材料的界面剪切性能,但是这种方法只能处理少量的纤维,且己胺等接枝改性反应的时间较长,不适宜连续制备的复合材料使用,利用硝化还原、氯磺化反应等化学改性技术的反应速度很快,不易控制,很难保证化学反应仅在纤维表面发生,极易损伤纤维,使材料的拉伸性能降低。因此,化学方法改性芳纶只适用于复合材料界面控制的理论研究,很难在工业上实现连续化处理。

4.3　离子体表面改性技术

等离子体处理技术是目前进行芳纶表面改性技术中研究最多的一种方法。目前,用于芳纶表面改性的多为冷等离子体。其能量只有几十电子伏特,且有作用强度高,穿透力小的特点。

4.3.1　冷等离子体表面改性

等离子体表面改性是利用等离子体引发高聚物的自由基反应进行的。由等离子体引发产生的自由基随后可进行裂解、自由基转移、氧化、歧化和耦合等反应。其中氧气、氨气气氛中的等离子体改性,主要是通过增加纤维的表面极性,改善纤维的润湿性,使芳纶增强复合材料的力学性能较大幅度提高,特别是氨气气氛中5min等离子体处理后,层间剪切强度和韧性强度分别提高60%和50%[26]。

4.3.2　等离子体表面接枝

低温等离子体接枝聚合反应一般分为两个阶段。首先是芳纶表面经等离子体处理产生的活性自由基和官能团形成活性中心,然后与气体接触,引发单体进行接枝聚合反应。

X.Wang[27]等人在研究芳纶/环氧复合材料的破坏行为中,采用等离子体处理芳纶表面后,与丙烯酸单体反应进行液固相接枝聚合反应。通过单丝拔出实验发现,芳纶表面接枝的聚丙烯酸-乙基丙烯酸酯共聚物不但可以提高界面的粘接性能,而且还能起到保护芳纶,防止断裂的作用。并且作者在随后的研究中发现,等离子体接枝后的芳纶的G i得到提高,从未处理的36J/m2提高到55J/m2。

C.X.Zhang[28-29]等人的研究也证明了芳纶表面接枝PPA形成能量吸收层有利于提高芳纶/环氧复合材料的界面性能。

M.Shaker[30]等人采用等离子体在芳纶表面接枝烯丙基胺时,发现在最佳等离子体作用参数处理下可以在不损伤纤维力学性能的前提下,在芳纶增强复合材料的界面引入能量吸收层提高界面的粘附强度。

以上等离子体改性技术采用液相法接枝,接枝率很高,但是存在着单体自聚现象。

Q.Wang[31]等人采用了一种新型技术处理K evlar纤维,先用O2等离子体处理纤维,然后与T iCl4反应,以Z iegler-Natta引发剂,以Al(C2H5)3为助催化剂,在乙烯的己烷溶液中引发乙烯在纤维表面的催化聚合,改性后的K evlar纤维增强复合材料的力学性能得到大幅度提高。

4.4　射线辐射方法

利用γ-射线对芳纶进行表面接枝以及纤维内部微纤交联反应,从而提高纤维本体强度及其润湿性的方法,是近年来一种新型的改进技术,这种方法不需催化剂或引发剂,可在常温下进行反应,是很有发展前途的一种改性技术。

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从目前的文献报道来看,仅前苏联采用γ-射线辐照技术对芳纶表面进行了改性处理,国内哈尔滨工业大学对该技术也进行了跟踪研究[32]。γ-射线辐照处理芳纶主要发生两种作用:一是辐照交联,利用γ-射线辐照引发光化学自由基反应,使纤维的皮层与芯层之间发生交联,提高纤维的横向抗拉强度;另一种方法是辐照接枝,利用γ-射线促进芳纶与表面涂覆物发生自由基反应,增加纤维表面极性基团的数量,从而提高芳纶的润湿性、粘附性,改善界面状况。

若在γ-辐照过程中将纤维放入一定单体的溶液环境中,还可将某些单体接枝到纤维表面,在界面形成较强的化学键合,并且由于接枝使纤维表面能升高,物理镶嵌作用也相应地得到加强,因而,γ-射线辐照接枝技术可以提高芳纶增强复合材料的力学性能。

4.5　超声浸渍改性技术

超声浸渍技术是处理芳纶增强复合材料界面的改性技术。俄罗斯首先对超声改性技术进行了研究,指出超声辐射技术主要是利用超声在液体中引起气泡的破裂时产生的高温、高压及局部激波作用引起树脂浸渍纤维的变化。超声对胶液及复合材料主要产生两方面的作用:一是作用于胶液,有利于提高胶粘剂的活性,改善工艺加工特性;利用超声的空化作用消除槽中多余的空气夹杂物及局部多余的热量,并提高树脂基体的强度;二是作用于浸胶之后的湿纤维上可进一步除去空气夹杂物,并使纤维表面浸胶均匀,进而浓缩,改善树脂沿界面分布不均匀以降低缺陷程度,提高复合材料的性能。

哈工大在应用超声技术进行芳纶表面及界面处理方面进行了多年的研究。从纤维表面化学组成及其表面结构特征、树脂体系物理化学变化和界面特征多角度研究了超声对芳纶的在线处理[33～36]。结果表明,在芳纶增强复合材料制备过程中,超声主要是通过降低树脂体系的粘度和表面张力,增强对芳纶的浸润性,并且利用超声空化作用产生的高压强迫树脂浸渗芳纶,可以大大地改善两者的浸润性,使其初始浸润速度提高90%以上。经超声处理后,芳纶增强复合材料的力学性能得到了提高。

5　结束语

影响纤维/树脂基复合材料性能的因素很多,如纤维与树脂基体的匹配性、成型工艺中的质量控制、参数优化等,以上介绍了玻纤、碳纤维及芳纶纤维表面处理方法,主要是针对如何提高纤维与树脂基体的粘接性能的,还有其它一些处理方法,实际应用中,应根据纤维类型、基体材料的种类及实际需要和条件来选择表面处理方法。总之,作为先进复合材料的增强材料,对纤维的表面结构与性质、表面改性的研究将会受到越来越多的关注,碳纤维、芳纶纤维也将在航天领域中发挥越来越重要的作用。

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58　纤　维　复　合　材　料2005年

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玻璃钢夹砂管道生产线加砂装置的变革

自九十年代初期,我国引进第一条生产线以来,随着进口设备的国产化,玻璃钢夹砂管道生产线经过了数次更新换代,其加砂装置也经过了数次变革。

最初引进玻璃钢夹砂管道生产线,其加砂装置为绞龙提升后将石英砂从管芯模上方加到芯模上,芯模正向旋转,这种工艺应用了数年,采用这种工艺生产的加砂管也得到了广泛的应用。但在生产管道的过程中,众多厂家发现了一些不足,一些制造厂商推出了反向加砂,生产工艺有了进一步的改进。加砂工艺的重大突破是将传统的上加砂方式改为下加砂方式,这一工艺的变革对生产环境的改善、生产成本的降低作出了一定的贡献。

最近,河北衡水实力复合材料设备有限公司又成功地研制出了第四代玻璃钢夹砂管道缠绕机,它采用了一种全新加砂装置———中加砂装置。其从根本上克服了传统上加砂工艺保性差、砂层厚度不均匀、提砂系统耐用性低、操作繁琐的缺点,也克服了下加砂设备庞大、设备投资大、占地面积大且加砂时必须用网格布兜纱、管道成本高的不足。

中加砂装置具有以下特点:

(1)夹砂层厚度在1～15mm之间任意调节,砂片宽度在80～220mm之间任意调节,可满足不同管径的需求。设备调整方便,操作简单。

(2)减少了调整环节,加砂装置的加砂嘴对准芯模回转中心线,无论管道直径如何变化,加砂装置上下位置无需调节。

(3)模具线速度与加砂速度同步,模具转动速度不会影响砂层的厚度。石英砂层截面厚度均匀。加砂量调整、测量非常方便,易于控制,克服了上加砂工艺中因模具偏心、主轴转速不稳而影响砂层厚度不均的缺陷。

(4)砂层采用多次预浸,使加砂层浸透性得到了可靠保证,同时大大降低了树脂的消耗,节约了生产成本。采用独特的气动辊压装置,砂层更平整,更密实,产品的内在质量和外观质量得到了很大提高。各项指标符合标准要求。

该加砂装置属国内首创,结构新颖、使用方便、操作简单、故障率低。经专家鉴定及生产实践验证,其各项技术指标已达到国际领先水平。已申报专利。它的推广使用必将带来显著的经济效益和社会效益。现已投入生产销售。

康久福1期陈　平等:纤维增强聚合物基复合材料的界面研究进展59　

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

复合材料复习题

复合材料复习题 1、简述增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用，并举例说明。 填充：廉价、颗粒状填料，降低成本。例：PVC中添加碳酸钙粉末。 增强：纤维状或片状增强体，提高复合材料的力学性能和热性能。效果取决于增强体本身的力学性能、形态等。例：TiC颗粒增强Si3N4复合材料、碳化钨/钴复合材料，切割工具；碳/碳复合材料，导弹、宇航工业的防热材料（抗烧蚀），端头帽、鼻锥、喷管的喉衬。 赋予功能：赋予复合材料特殊的物理、化学功能。作用取决于功能体的化学组成和结构。例：1-3型PZT棒/环氧树脂压电复合材料，换能器，用于人体组织探测。 2、复合材料为何具有可设计性？简述复合材料设计的意义。如何设计防腐蚀（碱性）玻璃纤维增强塑料？ 组分的选择、各组分的含量及分布设计、复合方式和程度、工艺方法和工艺条件的控制等均影响复合材料的性能，赋予了复合材料性能的可设计性。 意义：①每种组分只贡献自己的优点，避开自己的缺点。②由一组分的优点补偿另一组分的缺点，做到性能互补。③使复合材料获得一种新的、优于各组分的性能（叠加效应）。优胜劣汰、性能互补、推陈出新。 耐碱玻璃纤维增强塑料的设计：使用无碱玻璃纤维和耐碱性树脂（胺固化环氧树脂）。在保证必要的力学性能的前提下，尽量减少玻璃纤维的体积比例，并使树脂基体尽量保护纤维不受介质的侵蚀。 3、简述复合材料制造过程中增强材料的损伤类型及产生原因。 力学损伤：属于机械损伤，与纤维的脆性有关。脆性纤维（如陶瓷纤维）对表面划伤十分敏感，手工操作、工具操作，纤维间相互接触、摆放、缠绕过程都可能发生。 化学损伤：主要为热损伤，表现为高温制造过程中，增强体与基体之间化学反应过量，增强体中某些元素参与反应，增强体氧化。化学损伤与复合工艺条件及复合方法有关。热损伤伴随着增强体与基体之间界面结构的改变，产生界面反应层，使界面脆性增大、界面传递载荷的能力下降。 4、简述复合材料增强体与基体之间形成良好界面的条件。 在复合过程中，基体对增强体润湿；增强体与基体之间不产生过量的化学反应；生成的界面相能承担传递载荷的功能。 复合材料的界面效应，取决于纤维或颗粒表面的物理和化学状态、基体本身的结构和性能、复合方式、复合工艺条件和环境条件。 5、什么是相乘效应？举例说明。 两种具有转换效应的材料复合在一起，产生了连锁反应，从而引出新的机能。可以用通式表示：X/Y·Y/Z=X/Z （式中X、Y、Z分别表示各种物理性能）。 压磁效应?磁阻效应=压敏电阻效应；闪烁效应?光导效应=辐射诱导导电。 例：磁电效应（对材料施加磁场产生电流）——传感器，电子回路元件中应用。 压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。最大输出已达103 V·A。 单一成分的Cr2O3也有磁电效应，但最大输出只有约170 V·A。 6、推导单向板复合材料中纤维体积分数与纤维半径的关系（以正方形阵列为例）。 纤维体积：(4?1/4)πr2l=πr2l 复合材料体积：(2R)2l=4R2l 纤维体积分数：V f=πr2l/(4R2l)= πr2/(4R2) 纤维间距与纤维体积分数的关系： s=2R-2r=2[πr2/(4V f)]1/2-2r=2[(π/4V f)1/2-1]r 7、什么是材料复合的结构效果？试述其内涵。 结构效果是指在描述复合材料的性能时，必须考虑组分的几何形态、分布形态和尺度等可变因素。这类效果往往可以用数学关系描述。 结构效果包括：1、几何形态效果（形状效果）：决定因素是组成中的连续相。对于1维分散质，当分散质的性质与基体有较大差异时，分散质的性能可能会对复合材料的性能起支配作用。2、分布形态效果（取向效果）：又可分为几何形态分布（几何体的取向）和物理性能取向：导致复合材料性能的各向异性，对复合材料的性能有很大影响。3、尺度效果：影响材料表面物理化学性能（比表面积、表面自由能）、表面应力分布和界面状态，导致复合材料性能的变化。 8、简述单向复合材料的细观力学分析模型的基本假设的要点。 单元体：宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性。 增强体：匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续。

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

聚合物基复合材料复习要点 增强材料

聚合物基复合材料 高分子专业考试复习资料 现已完结，另有小抄版本稍后更新 第二章增强材料 2.2玻璃纤维 2.21分类 (1)根据化学组成(含碱量)分为：1%以下的无碱纤维,2%-6%的低碱纤维,10%-16%的有碱纤维。 (2)根据外观形状分为：长纤维、短纤维、空心纤维、卷曲纤维。 (3)根据纤维特性分为：高强度(S)、高模量(M)、耐高温、耐碱(G)、普通纤维。 2.2.1成分与作用:氧化硅SiO2：物质基础、骨架 氧化铝Al2O3 ：降析晶和膨胀系数,提高稳定性和强度 氧化钙氧化镁：降低高温时粘度，促进熔化、澄清、提高拉丝速度 氧化硼B2O3 氧化铁Fe2O3 碱金属；助熔，提高流动性 2.2.2玻璃纤维物理化学性能： 物理性能：直径5~20微米，密度2.4~2.7 g/cm3；力学性能影响因素（P11）；耐热性高，绝缘性取决于组成、温度和湿度 化学性能：直径越小，稳定性越低；碱金属氧化物含量越高，稳定性越低 2.2.3玻璃纤维及制品的生产工艺：（1）坩埚法（2）池窑法 2.2. 3.1池窑法：多种原材料按不同比例混合均匀送入池窑熔化成玻璃液，玻璃液经过澄清，降温后流入支路上的铂铑合金漏板。漏板上布满了100～4000个的小孔，玻璃被拉丝机从这些小孔中拉出，即成玻璃纤维。 池窑法的优点：省去制球工艺，简化工艺流程，效率高；池窑容量大，生产能力高；对窑温、液压、压力、流量和漏板温度可实现自动化集中控制，所得产品质量稳定；适用于采用多孔大漏板生产粗玻璃；废产品易于回炉。 2.3芳纶纤维：芳香族聚酰胺树脂纺成的纤维 分类：全芳族聚酰胺纤维；杂芳族聚酰胺纤维 2.3.1芳纶纤维的制备： 2.3.2芳纶纤维的结构与性能 结构：线型刚性伸直链，分子间氢键，高度结晶，超分子结构 性能：优异的拉伸强度、拉伸模量，低密度，优良的减震性能，耐磨性、耐冲击性、抗疲劳性、尺寸稳定性，良好的耐化学腐蚀性，低膨胀、低导热、不燃、不熔以及优良的介电性能。 2.4碳纤维 2.4.1分类：聚丙烯腈基碳纤维；沥青基碳纤维；纤维素基碳纤维；酚醛基碳纤维；其它有机纤维基碳纤维 2.4.2国产碳纤维存在的主要问题：1）原丝质量与国外比还存在差距。2）大部分国产碳纤维未经过表面处理，制成复合材料层间剪切强度偏低。3）尚未形成经济规模，价格太贵，成本组成不合理。4）品种单一、规格单一，碳纤维来源大部分依赖于进口。 2.4.3碳纤维的制造方法：基本步骤：1）纤维化，聚合物熔化或溶解后制成纤维；2）稳定（氧化或热固化），200~450o C空气中进行；3）碳化，1000~2000o C惰性气体保护，含碳量85~99%；4）石墨化，2500o C以上氩气保护，含碳量99%以上 2.4.4原丝的制备：a.聚合 加入共聚单体的目的：①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；②并可大大提高预氧化及碳化的速度；③有利于预氧化过程的牵伸。共聚单体的种类：在众多的共聚单体中，不饱和羧酸类：如甲基丙烯酸、丙烯酸、丁烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等占有重要位置。

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

聚合物基复合材料期中复习

一、填空题 1、不饱和树脂是由与两部分组成的溶液。 2、在小规模生产的车间布置中，底层可以防止各种醇与苯乙烯贮罐或设地下储藏、室外贮 藏，二层为，三层为。 3、促进剂实际是一种活化剂，可以促进引发剂活化，加速分解，以引发交联过程，最常用 的促进剂是和。 4、粘流态树脂体系发生而转变为不溶、不熔的具有体型网络结构的固态树 脂的全过程称为树脂的固化。 5、促进剂实际上是一种可以加速分解，以引发交联过程。 6、固化剂的固化温度和耐热性：一般固化温度（高/低）的固化剂可以得到耐热性优良 的环氧树脂固化剂。 二、选择题 1、下列能使聚酯树脂有良好的透光性的是（） A、乙烯基甲苯 B、甲基丙烯酸甲酯 C、苯乙烯 D、二乙烯基苯 2、能够给基体树脂或层合材料提供一个保护层，提高制品的耐候、耐腐蚀等性能，并给制品以光亮美丽的外表是（） A、通用树脂 B、浇铸树脂 C、胶衣树脂 D、阻燃树脂 3、以下不属于环氧树脂特点的是（） 4、A、形式多样B、固化不便C、粘附力强D、收缩性高 5、最常用的促进剂是（） A、辛酸钴和环烷酸钴 B、叔胺——苯胺衍生物 C、环烷酸或亚油酸钴 D、变价金属皂 6、以下关于胶衣树脂的概述哪点不正确（） A、具有优异的耐化学、耐腐蚀、耐热及耐冲击性能 B、普通的胶衣树脂，无色透明，但是耐老化性能好 C、所有的胶衣树脂都是可接触食品级树脂 D、阻燃胶衣树脂，是基于氯菌酸或氯菌酸—间苯二甲酸混合型树脂制成的。 7、脂肪族多元胺与环氧树脂的反应虽然并不需要催化剂，然而不同的添加物对反应有不同的效应，添加物的促进效应一般按下列顺序递减( ) A、酸类>酚类>水>醇类 B、酸类>腈类>酚类>醇类 C、酚类>酸类>水>醇类 D、酚类>酸类>醇类>腈类 三、判断题 1、用二乙烯基苯交联固化的树脂有较高的交联密度，它的硬度与耐热性都比苯乙烯交联固 化的树脂好，但是其固化物脆性大。（）

《聚合物复合材料》复习提纲

《聚合物复合材料》复习提纲 一、题型及分数 1、选择题（每空1分，共10分）； 2、简答题（每题5分，共40分）； 3、计算题（每题10分，共20分）； 4、分析与论述题（每题10分，共30分）。 第一章 1、复合材料的定义与分类； 答:复合材料是指将两种或两种以上不同性能的材料，用适当的方法复合而成的一种新材料，其性能比单一材料性能优越。1、按基体材料类型分为聚合物基复合材料（PMC）金属基复合材料（MMC）无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料和水泥基复合材料（CMC）等,2、按增强材料类型分为玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料；芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料；UHMW-PE纤维增强复合材料等3、按用途分为结构复合材料、功能复合材料、结构功能一体化复合材料. 2、聚合物基复合材料的性能特点（比强度、比模量）； 3、聚合物基复合材料的主要应用领域。 第二章 1、UP与UPR的区别、UPR的特征官能团； 2、通用UP 的合成配方，配方中各成分的主要作用； 3、UP稀释剂的种类、作用及用量； 4、酸值的定义及含义； 5、提高聚酯化反应程度的方法； 6、UPR的固化机理； 7、引发剂的引发途径、有机过氧化物的特性参数及其意义； 8、UPR最常用的有机过氧化物类引发剂的名称、性状及用量； 9、有机过氧化物最常用的促进剂、特点及用量； 10、UPR最常用的阻聚剂及其用量； 11、乙烯基酯树脂的结构特点与性能特点； 12、VE的合成方法与常用原材料； 13、VE的分子结构与性能的关系； 14、环氧树脂的定义、特征官能团及分类； 15、EP最重要的几个性能特点； 16、二酚基丙烷型EP的合成原料、合成原理、结构通式； 17、环氧值的定义及含义，环氧值与环氧当量的关系； 18、常用脂肪胺类固化剂的特点、多乙烯多胺的结构通式； 19、胺类固化剂用量的计算； 20、常用芳香族多元胺的种类及特点； 21、酸酐类固化剂的特点、常用酸酐及其活性顺序； 22、酸酐类固化剂用量的计算； 23、常用阴离子型固化剂的种类与代表； 24、EP常用的活性与非活性稀释剂、增韧剂； 25、酚醛树脂的特点与分类；

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： 基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分 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

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。

聚合物基复合材料考试答案

1聚合物基复合材料的定义、特征、结构模式。 聚合物基复合材料：是以有机聚合物为基体，以颗粒、纤维等为增 强材料组成的复合材料 特征：1比强度和比模量高，比强度（抗拉强度与密度之比）和比模 量(弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚性大。2 良好的抗 疲劳性能疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复合材料能有效地 阻止疲劳裂纹的扩展。3、减振性能好在工作过程中振动问题十分突出，复合材料为多相系统，大量的界面对振动有反射吸收作用。且 自振动频率高，不易产生共振4、高温性能好复合材料在高温下强度 和模量基本不变5、各项异性和可设计性。6、成型加工性好复合材 料可成型任意型面的零件7、其它优点与其它类材料相比，聚合物基 复合材料耐化学腐蚀、导电、导热率低等特点。 缺点：1耐湿热性差2.材料性能分散性差3.价格过高 复合材料的结构①无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、短 纤维）②连续长纤单向增强结构（单向板）③层合(板)结构(二维 织布或连续纤维铺层，每层不同)④三维编织体增强结构⑤夹层结 构（蜂窝夹层等）⑥混杂结构 2、复合材料的界面效应有哪些？怎么影响材料的性能。 界面在复合材料中所起到的效应： 1、传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。 2、阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。 3、不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现 的现象 4、散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生 散射和吸收。 5、诱导效应：一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常 是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由 此产生一些现象 3.试说明玻璃纤维、碳纤维与芳纶纤维表面处理方法的相同点和不 同点。 相同点是都需要在高温下处理，改善纤维的微结构，使纤维与界面 和基体更加匹配。包括化学键理论，润湿理论，表面形态理论，可

聚合物基复合材料复习3

1.聚合物基复合材料（PMC）的组成 (1) 基体 热固性基体(thermosetting matrix)： 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(thermoplastic matrix)： 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。 2.复合材料的结构(structure of composites) ①无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、 短纤维）(randomly oriented) ②连续长纤维单向增强结构（单向板）(aligned) ③层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层，每层 不同) ④三维编织体增强结构 ⑤夹层结构(sandwich structure) ⑥混杂结构(hybrid structure) 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）

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