第三章--纤维增强改性.ppt

第三章 纤维增强改性聚合物复合材料 第一节 纤维增强改性聚合物的基本原理 第二节 增强纤维 第三节 增强材料的表面处理 第四节 纤维增强聚合物复合材料的制造 第一节 纤维增强改性聚合物的基本原理 一．增强改性及其类型 1、增强改性 增强改性是在聚合物基体中加入增强材料以改进聚合物性能，特别是力学性能的一种改性方法. 2、使用纤维增强聚合物的主要目的 （1）提高比强度与比模量（比强度是指材料的强度与相对密度之比值） （2）提高减震(阻尼）特性 （3）提高抗疲劳性 （4）提高过载安全性 （5）提高耐热性 （6）降低成型收缩率与线膨胀系数 3、纤维增强聚合物基复合材料的类型 （1）按基体材料划分　　 纤维增强塑料（树脂基）（FRP，FRTP） 纤维增强弹性体（橡胶基） （2）按增强材料划分 按纤维的排列　单向、双向与三向纤维 按纤维的长度　连续、长、短与磨碎纤维 按纤维的材料组成　玻璃、碳、芳纶、金属 （如GFRP 、GFRTP、CFRP、CFRTP） （3）按复合方式划分 预混复合、浸渍复合、层叠复合、骨架复合 二、纤维增强聚合物复合材料中的基本单元 纤维增强聚合物复合材料的三种基本单元： 增强相（纤维） 基体相 界面相 1、纤维 一类长度（纵向尺寸）与横（径）向尺寸比值（通常称为纤维的长径比L／D）很大）（至少为10：1至100：1）的材料。 纤维临界长度 Lc：指以基体包裹纤维的复合物在顺纤维轴向拉伸，当从基体传到纤维上的应力刚能使纤维断裂时纤维的应有长度。通常Lc／D在100－200的范围。 为使纤维能够发挥较好的增强作用，必须使纤维（直径为D）的长度超过临界长度 Lc。（加工过程中纤维的断裂应予以重视） 纤维的取向方式：单轴取向、交叉定向、无规取向 2、基体相 作用：是将应力传递和分配到各根纤维上以及将各孤立的纤维粘接在一起并使其按要求取向。同时基体也使纤维作为一个整体来抵抗负荷下的破坏和变形。 3、界面相 一个多层结构的过渡区域：包含了基体聚合物与增强纤维的部分原始接触面及相互扩散层，基体聚合物与增强纤维表面的反应产物等。 增强纤维－基体聚合物界面必须有适当的界面结合力，并由此产生复合效果和界面强度，从而能促使负荷从基体聚合物传递到增强纤维。 三、纤维增强聚合物复合材料的力学强度 1、 连续长纤维单轴取向时的拉伸性能 2、短切纤维单轴取向时的拉伸性能 3、短切纤维无规取向时的拉伸性能 当纤维沿单轴取向又与拉力同向时，e＝1，当纤维呈平面内无规取向时e＝0.33。 4、弯曲性能 5、韧性或冲击强度 在纤维增强聚合物复合材料中，冲击能量的分散通常是通过纤维与界面的脱粘、纤维拔出、纤维与基体的摩擦及基体的变形来实现。为了同时获得较高的拉伸强度与冲击强度，需要使纤维增强聚合物复合材料中有适度的界面结合强度。 复合材料的韧性或冲击强度还与基体材料、纤维长度及增韧剂有关。 6、蠕变与疲劳 加入增强纤维可以大大降低聚合物的蠕变和应力松驰的程度； 纤维增强热固性聚合物的抗蠕变性比纤维增强热塑性聚合物要好得多 ； 长纤维增强聚合物复合材料的耐蠕变性比短纤维增强复合材料要好得多（尤其在高温下） ； 增强纤维的加入还可提高基体聚合物的耐疲劳性； 四、纤维增强聚合物复合材料的其它性能 1、磨损性 复合材料中使用纤维可以提高表面硬度和聚合物的耐磨损性; 碳纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维能降低摩擦系数，再配合添加硅油、硅酮或PTFE粉末等会有更好的效果； 使纤维沿着与滑移运动相垂直的方向取向将有利于提高复合材料的耐磨损性； 2、热变形温度 添加增强纤维后，热变形温度总有不同程度的提高； 同样的玻纤含量，非结晶性塑料的热变形温度提高幅度较小，而结晶性塑料会有很大幅度的提高； 3、热膨胀系数 随着增强纤维含量的增加，复合材料的热膨胀系数变得更小； 不仅纤维增强聚合物的模塑收缩率低，并且成型后的制品尺寸稳定性好； 纤维增强聚合物的热膨胀系数还与基体聚合物的结晶性、纤维的取向情况有关 结晶性聚合物在其玻璃化温度Tg以上的热膨胀系数明显高于Tg 以下时的热膨胀系数； 纤维取向的结果，会使顺料流方向的线膨胀系数较小，而垂直于料流方向的线膨胀系数较大； 4、电性能 具有导电性的纤维：碳纤维（石墨纤维）、金属纤维 导静电用途：体积电阻率＜108Ω·cm（最好＜106Ω·cm） 电磁屏蔽用途：体积电阻率＜100Ω·cm以下,（最好＜10-1Ω·cm） 　电磁屏蔽性能S(dB)的计算（经验公式）: 　S(dB) = 50 + 10lg(1/ρf) + 1.7t(f/ρ)1/2 为了有利于导电通道的形成，在加工与成型过程中除应确保纤维的良