树脂基先进复合材料基体及增强材料.pdf

先进复合材料

英国人赫尔提出复合材料分三类：天然复合材料，如木材、骨骼、肌肉等；

细观复合材料，如合金、增强塑料等；宏观复合材料，如钢筋混凝土等。适合于

工程结构的复合材料定义应包含以下三点内容：

（1）含两种或两种以上物理性质不同并可用机械方法分离的多相材料；

（2）可人为控制将一种材料分布到其它材料中，以达最佳性能；

（3）性能优于单独组分材料，并具独特性能。

把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。人们利用复合效应可自由选择复

合材料组成物质，人为设计各种新型复合材料，把材料科学推进到了一个新阶段。

因此，国外把复合材料称为第四代材料，又称“设计材料”。

先进复合材料（AdvancedCompositesMaterial，简称ACM）专指可用

于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金

的复合材料。ACM具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、

抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高（低）温等特点，已被大量运用到航空

航天、医学、机械、建筑等行业。在本文中将介绍两种先进复合材料用的树

脂基体不饱和聚脂和酚醛树脂。

一.芳纶

芳纶是一种高强度，高模量，耐高温，低密度，耐磨性好和的有机合成的高

科技纤维，并且其化学稳定性好，对橡胶有良好的粘着力。是20世纪六、七十

年代开发出的重要材料。它是在聚酰胺的基础上开发出来的一类产品，为了提高

尼龙的耐热性，就要导入芳香环，这一点人们早就熟知了，于是就出现了芳香族

聚酰胺，芳纶的全称是芳香族聚酰胺纤维。1974年，美国贸易联合会（FTC.为

U.S.FederalTradeCommission的缩写）将他们命名为“Aramidfibers”，我

国称为芳纶。其定义是：至少有85%的酰胺链（-CONH-）直接与两苯环相连接。

根据此定义，可把主要化学链和环链脂肪基的一般聚酰胺聚合物和其清楚的分

[1]

开。它有一些列的产品。在美国，开发芳香族聚酰胺的背景是宇宙开发和军事

用途的需要，特别是对耐热性纤维的需求不断高涨。因此，芳香族聚酰胺的主要

用途几乎都是纤维，非纤维的用途很少。

芳纶主要分为邻位、间位、对位三种，而邻位无商业价值。对位芳纶与1971

年研制成功，1972年投入生产。简称PPTA（Poly-phenylene

ferephthalamide。间位芳纶于1956年开始研究，与1976年实现了工业化，简

称MPIA（Poly-m-phenyleneisophthalamide）.

对位芳纶是一种呈对位排列的刚性高分子材料，其主链结构上的大分

子的结构具有高度的规则性，在其刚性的直线型分子链中，由于存在着较

强的共价键和较弱的氢键，并且在酰胺基中，氧原子和氮原子的电子会产

生共轭效应，而且大分子是以十分伸展的状态存在，因此它通常具有耐高

温、防火、耐化学腐蚀及高的力学性能和抗疲劳性，其突出的特点是高强

度和高模量。它的强度为钢的3倍，为强度较高的涤纶工业丝的4倍，

它的初始模量为涤纶工业丝的4～10倍，聚酰胺纤维的10倍以上。它的

稳定性好，在150℃温度下收缩率为0。它在高温下仍能保持较高的强度，

如在260℃温度下仍可保持原强度的65%。它对橡胶的粘附性良好，是

比较好的帘子线纤维；它还具有较低的密度，优良的减震性，耐磨，耐冲

击，抗疲劳，低膨胀率，低导热率，不然，不熔等突出的热性能以及优良

的节电性能。

间位芳纶的大分子链呈锯齿状，它具有优良的物理和力学性能，如强度、断

后延伸率等。同时还拥有极佳的耐火和耐氧化性。它在260℃温度连续使用1

000h后，其强度仍能保持原强度的65%；在300℃高温下使用7d，仍能

保持原强度的50%；它的0强度约为500℃；在火焰中难以燃烧，离开火焰

后具有自熄性；它在酸、碱、漂白剂、还原剂及有机溶剂中的稳定性很好，他能

耐大多数酸的作用，只有长时间的和盐酸、硝酸或硫酸接触强度才有所降低，对

碱的稳定性也非常的好，只是不能和氢氧化钠等强碱长期接触；同时还具有良好

的抗辐射性能在50KV的X-射线的照射下，历经250小