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第2讲
高分子基复合材料
研究历史
n塑料的出现
¨塑料在1868年的出现，才使得人们大范围地制备复合材料
n20世纪初出现了苯酚塑料/颗粒的高分子复合材料
¨颗粒的填充是为了提高强度
n1942年制备出玻璃纤维/不饱和聚酯树脂复合材料
¨俗称“玻璃钢”
n之后，玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺合成纤
维等具有高性能的纤维，制备出先进的高分子基复合材料，
用在宇宙航空、造船、飞机、汽车、建筑、体育器材、医
疗器械等各方面。
n高性能复合材料的研究和开发的重要方面
是高性能纤维和基体材料的研究和开发。
n性能：（相对于传统的金属材料）
¨高比刚度
¨高比强度
¨耐腐蚀
¨耐疲劳
¨易成形
n长纤维
¨用于制造大型零件，一体化成形
¨可以编织
n短纤维
¨作为增强相，提高基体的性能
¨注塑成形
n晶须
¨单晶结构生长
¨直径极小（3um）
¨强度接近于理论值
纤维的特性
n高分子中的一大类
¨塑料、橡胶、纤维
n纤维
¨纤维是一种特殊的状态
¨具有取向
¨强度高于块体材料
n纤维强度高于块体的原因
n对于纤维
¨尺寸小
¨晶粒小、裂纹小、气孔小
¨因此，具有比块体优异的强度
常见的纤维
n玻璃纤维
n碳纤维
n凯夫拉纤维
n超高分子量聚乙烯纤维
1.1玻璃纤维
n特点：
¨非晶态
¨主要成分：
n二氧化硅和三氧化硼
¨添加剂：
n氧化钠、氧化钾、氧化铝、氧化镁、氧化锆…
n外观
¨横截面一般为圆形，与天然纤维（蚕丝等）不
同
¨直径一般为5-20um
n物理性能
¨各向同性
物理性能
力学性能C型E型S-2型ECC型AR型无硼
3
密度(g/cm)2.522.582.462.722.72.62
线膨胀系数6.35.41.65.96.56.0
-6
(10/℃)
-30~250℃
弹性模量（
GPa）
23℃68.972.386.972.373.180.5
538℃-81.388.981.3--
拉伸强度（
GPa）
23℃3.33.44.93.43.23.4
371℃-2.64.42.2--
538℃-1.72.41.7--
n玻璃纤维的制造——池窑法
¨按配方加入原料熔化
¨玻璃液从坩埚底下小孔流出
¨机械牵引拉丝
¨单丝涂浸润剂并集束
¨缠绕到丝筒上
n后续纺织
PAN基生产工艺
n基本工艺过程
¨聚丙烯腈碳纤维原丝→预氧化→碳化→石墨化
→表面处理→卷取→碳纤维
n详细过程
¨生产中制取聚丙烯腈纤维的过程是：先由丙烯
腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲醋、甲
叉丁二脂等)共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子
量高于6～8万)
n然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等)
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