第四、五章 聚合物基复合材料成型工艺及复合材料界面.ppt

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第四、五章 聚合物基复合材料成型工艺及复合材料界面

复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。因为相与相通过界面偶合,它起着传递应力,阻断裂纹扩展,散射吸收各种电磁波,电偶腐蚀等作用。 复合过程中,液体材料通过润湿、渗透、 扩散和化学反应形成一层成分、结构不 同于两相的过渡层微区——界面。 基体-扩散层-化合物层 -扩散层-纤维 一.典型界面结合 1.?物理结合 (机械咬合 + 次价键结合) 液态基体渗入纤维表面微孔,固化后形成咬合界面。 粗糙界面、低的表面能和低粘度,有利于物理结合。 极性树脂如:酚醛、聚酰胺、环氧等,与极性纤维具有良好的润湿性,并可形成次价键结合。 非极性树脂如:聚乙烯、聚丙烯。聚四氟乙烯等,结合力弱,复合效果差。 CF表面极性差,经氧化后可提高结合力。 总之: 物理结合是一种比较弱的结合方式。 树脂基复合材料若不经特殊处理,多为物理结合。 金属基部分以物理方式结合。 陶瓷基几乎不以这种方式结合。 2.?扩散融合 两相成分不同,经扩散或熔融形成过渡层,性质介于两相之间,结合力较强。 金属与陶瓷基复合材料,复合温度较高,小分子和原子易于扩散,扩散融合界面较常见。 3.?化学结合 化学键结合力强。但当两相亲合力过强,可能发生化学反应,界面形成较厚的脆性化合物时,性能反而下降。 树脂基复合材料:为提高两相的润湿性和结合力,通常采用偶联剂处理纤维表面,或将偶联剂直接加到液态树脂中,以便形成化学键结合。 金属与陶瓷基复合材料:化学键结合常见。多数情况在界面上形成化合物层,脆性大,对力学性能不利。尤其是高温使用的材料,应防止化学反应。 二. 增强材料的表面处理 为改善纤维表面的浸润性,提高界面结合力,对纤维进行的预处理 —— 表面改性。 要点:不同的复合体系应采用不同的处理方法。 树脂基 —— 提高化学结合 金属及陶瓷基 —— 抑制化学反应 1.玻璃纤维 GF成分为SiO2,表面吸水后成-OH,可与含-OH、 -COOH、-Cl的偶联剂反应成醚键结合。 偶联剂通式: R - M – X M --- 中心离子 Cr+3、 Si+4、 Ti+3等高价金属离子。 R --- 可与聚合物交联的基团。如不饱和双键、氨基、环氧、 巯基等。 X ---- 可与玻纤表面醚化的活性基团。如:-Cl、-OH、 -COOH、-OCH3、-OC2H5。 2.???碳纤维 ? 氧化法 ---- 提高表面粗造度和极性。 ? 沉积法 ---- 化学气相沉积碳晶须。 ? 电聚合法 ---- 接枝高分子支链 3.芳纶等有机纤维 等离子处理,使苯环氧化成 -COOH、 -OH ;或接枝聚合生成高分子支链。 4. 与金属基复合的纤维 目的: 提高浸润性,抑制化学反应。 ? CF、BF与金属反应活性高,化学相容性差; ? 氮化物、碳化物纤维反应活性较低; ? Al2O3反应活性最低。 措施: ? 降低复合温度,减少高温停留时间。 ? 涂覆隔离层。如CF、BF表面涂SiC。 ? 镀覆金属层,改善浸润性。如Al2O3纤维镀Cu、Ni等。 ①能够按产品的受力状况设计缠绕规律,使其能充分发挥纤维的强度; ②比强度高,纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器比,重量可减轻40-60%; ③可靠性高,易实现机械化和自动化生产,产品质量稳定、精确; ④生产效率高; ⑤成本低。 第四章 聚合物基复合材料成型工艺 第五节 缠绕成型工艺 1、优点 ①缠统成型适应性小; ②缠绕成型需要有缠绕机、芯模、固化加热炉、脱模机及熟练的技术工人,需要的投资大,技术要求高。 2、缺点 二、纤维缠绕成型的特点 自1946年美国发明用连续纤维缠绕成型压力容器方法以来,缠绕成型工艺得到不断的完善和发展。 我国在1962-1963年总结出纤维缠绕规律,设计出可缠绕各种压力容器的链条式缠绕机,揭开了我国缠绕成型技术的历史;此后,由德国引进大型数控缠绕机,生产火箭发动机壳体和6m长、2m直径的玻璃钢贮罐;进入80年代,先后从意大利、美国、日本等引进了自动化程度较高的微机控制缠绕机,可以生产直径4m、长15m以内的管、罐,引进的现场缠绕机,经研究改造后,可以缠20m直径的立式贮罐;与此同时,我国自行设计制造的机械式缠绕机,微机控制自动化程度很高的大型缠绕和连续缠管机都相继问世,其技术水平在某些地方超过国外进口设备,现已进入国际市场。 1、

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