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聚合物基复合材料及工艺-科学出版社电子商务平
发布时间:2019-04-03 23:36

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  21 世纪高等院校教材 聚合物基复合材料及工艺 王汝敏 郑水蓉 郑亚萍 编著 北 京 内 容 简 介 本书系统地阐述了聚合物基复合材料的基本概念、基本知识和基本性 能。 全书共分4 篇11 章。 首先概述聚合物基复合材料的概念、性能特点、 应用领域和进展。 然后分别介绍主要增强纤维的制备、结构与性能,增强材 料的品种与使用特点;基体材料的作用、性能及其对复合材料性能的影响, 聚合物基体的配方设计与选择;聚合物基复合材料界面的形成、作用与破坏 原理,纤维表面处理与界面研究方法;半成品的制备与复合材料的成型原 理,复合材料固化工艺参数的制定,复合材料的质量控制;用细观力学方法 分析复合材料的基本力学性能,复合材料的各向异性与复合材料层板的力 学性能;复合材料的断裂与损伤、冲击、疲劳、蠕变和环境影响;复合材料的 高频介电性能与雷达罩;复合材料的其他性能等。 本书可作为高等院校高分子材料、材料学及相近专业本科生的必修或 选修课教材,相近专业研究生的参考教材,也可作为从事复合材料研究、工 程设计和工程技术人员的参考书。 图书在版编目(CIP)数据 聚合物基复合材料及工艺/王汝敏,郑水蓉,郑亚萍编著.— 北京: 科学出版社,2004 (21 世纪高等院校教材) ISBN 7唱03唱012058唱2 Ⅰ 畅 聚… Ⅱ 畅① 王… ② 郑… ③ 郑… Ⅲ 畅 高聚物 基质 复合材 料高等学校教材 Ⅳ 畅TB33 中国版本图书馆CIP 数据核字(2003)第078851 号 责任编辑:胡华强 杨向萍 吴伶伶/ 责任校对:钟 洋 责任印制:安春生/ 封面设计:陈 敬 出版 北京东黄城根北街 16 号 邮政编码:100717 http :// .sciencep .com 印刷 科学出版社发行 各地新华书店经销 倡 2004 年 6 月第 一 版 开本:B5(720 × 1000) 2006 年 1 月第二次印刷 印张:28 1/4 印数:2 501 — 4 000 字数:540 000 定价: 38 畅00 元 (如有印装质量问题,我社负责调换枙新欣枛) 前 言 复合材料是一种新型材料,轻质、高强、高模、抗断裂、耐疲劳,对国防工业尤其 是航空航天工业特别重要,在国民经济其他工业部门也获得越来越多的应用。 聚 合物基复合材料是复合材料中惟一获得较大应用、技术较成熟的品种,也是最重要 的品种。 因此,它是材料及相近专业一门重要的技术课程。 近一二十年来,该材料 得到迅速发展,不断涌现性能更优异、功能更多的新材料、新纤维、新基体,新的工 艺方法更是不断诞生,旧品种材料的性能也在不断提高,科研生产的技术装备水 平、工艺水平发生了巨大的变化。 枟 聚合物基复合材料及工艺枠是根据高分子材料 与工程专业的本科培养模式,在 20 世纪 80 年代出版的航空高等学校枟聚合物基复 合材料枠 、枟聚合物基复合材料制品成型工艺枠两本教材和西北工业大学复合材料课 程长期教学实践的基础上编写而成的。 本书列入西北工业大学材料类面向 21 世纪教材计划,在编写过程中,力求反 映复合材料领域的最新发展。 作者希望本书能全貌反映聚合物基复合材料的原材 料、工艺和性能,适合高分子材料与工程专业的教学,满足航空等国防工业对该专 业技术人员在复合材料应用方面的知识技能需求。 但限于作者水平,书中错误和 不妥之处在所难免,恳请专家、读者多加批评指正,以便我们进行修改、补充,不断 完善本教材。 本书由西北工业大学王汝敏、郑水蓉、郑亚萍编著,具体分工为:王汝敏(第 1 章、第 6 ~ 9 章) ,郑水蓉(第 2 、5 、10 章) ,郑亚萍(第 3 、4 、11 章) 。 全书由王汝敏统 稿。 在此书的编写过程中,得到了周希真、孙曼灵等老师的大力支持和帮助,在此 表示衷心的感谢 ! 本书由西安交通大学卢凤纪教授主审。 她在百忙中逐字逐句审阅并提出了许 多宝贵意见和建议,作者在此深表谢意 ! 作 者 2003 年 7 月 目 录 前言 第一篇 概 论 第 1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展… … … … … … … … … … … 3 1畅1 引言 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3 1畅2 复合材料的定义… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 4 1畅3 复合材料的命名及分类 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 5 1畅4 复合材料的成型方法 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 6 1畅5 复合材料的特性… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 6 1畅6 复合材料的应用… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 9 1畅7 复合材料的进展 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 11 习题及思考题 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 20 第二篇 组分材料 第 2 章 增强材料 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 25 2.1 概述 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 25 2.2 玻璃纤维… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 27 2.3 碳纤维… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 40 2.4 芳纶 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 59 2.5 其他增强纤维 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 72 习题及思考题 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 81 第 3 章 基体材料 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 83 3.1 概述 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 83 3.2 基体材料的基本性能 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 87 3.3 基体材料的工艺性 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 94 3.4 复合材料用树脂基体 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 98 3.5 高性能树脂基体… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 121 3.6 耐腐蚀复合材料用树脂基体 … … … … … … … … … … … … … … … … … … 132 习题及思考题… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 138 第 4 章 聚合物基复合材料的界面… … … … … … … … … … … … … … … … … … 139 · iv · 聚合物基复合材料及工艺 4.1 界面的基本概念… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 139 4.2 界面的形成与作用机理 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 140 4.3 界面的破坏机理… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 147 4.4 纤维的表面处理… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 153 4.5 复合材料界面的研究 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 167 习题及思考题… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 172 第三篇 复合材料工艺 第 5 章 聚合物基复合材料成型用半成品的制备… … … … … … … … … … … … 175 5.1 热塑性塑料粒料的制造方法 … … … … … … … … … … … … … … … … … … 176 5.2 热固性模塑料的制造 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 183 5.3 复合材料成型用连续纤维预浸料的制造方法 … … … … … … … … … … … … 193 5.4 增强热塑性塑料片材的制造 … … … … … … … … … … … … … … … … … … 199 习题及思考题… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 203 第 6 章 聚合物基复合材料的成型工艺… … … … … … … … … … … … … … … … 205 6.1 概述 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 205 6.2 各种成型工艺方法简介 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 215 6.3 模具与辅助材料… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 238 6.4 复合材料的固化成型过程 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 244 习题及思考题… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 253 第 7 章 复合材料夹层结构制品的成型工艺… … … … … … … … … … … … … … 254 7.1 蜂窝夹层结构制品的成型工艺 … … … … … … … … … … … … … … … … … 254 7.2 泡沫塑料夹层结构制品的成型工艺 … … … … … … … … … … … … … … … … 262 习题及思考题… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 279 第四篇 复合材料性能 第 8 章 复合材料的基本力学性能… … … … … … … … … … … … … … … … … … 283 8.1 引言 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 283 8.2 单向纤维复合材料拉伸性能 … … … … … … … … … … … … … … … … … … 292 8.3 正交纤维复合材料的拉伸性能 … … … … … … … … … … … … … … … … … 312 8.4 单向纤维复合材料的压缩性能 … … … … … … … … … … … … … … … … … 315 8.5 单向及正交纤维复合材料的剪切性能 … … … … … … … … … … … … … … … 322 8.6 复合材料的弯曲性能 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 332 8.7 复合材料的偏轴力学性能 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 335 8.8 多向复合材料的基本力学性能 … … … … … … … … … … … … … … … … … 348 目 录 · v · 习题及思考题… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 361 第 9 章 复合材料的其他力学性能… … … … … … … … … … … … … … … … … … 364 9.1 复合材料的冲击、疲劳、蠕变、环境影响、断裂及损伤… … … … … … … … … … 364 9.2 复合材料夹层结构的基本力学性能… … … … … … … … … … … … … … … … 376 习题及思考题… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 387 第 10 章 复合材料的高频介电性能与雷达罩 … … … … … … … … … … … … … 389 10.1 玻璃纤维复合材料的高频介电性能 … … … … … … … … … … … … … … … 389 10.2 雷达罩… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 393 习题及思考题… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 412 第 11 章 聚合物基复合材料的其他性能 … … … … … … … … … … … … … … … 414 11.1 热物理性能 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 414 11.2 复合材料的耐热性能及其应用 … … … … … … … … … … … … … … … … … 423 11.3 耐化学腐蚀性 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 425 11.4 耐磨性… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 433 11.5 耐燃性… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 437 习题及思考题… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 440 参考文献… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 441 第一篇 概 论 第1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 1畅1 引 言 材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础,是人类进步的里程碑。 人 类获得和使用材料已有几千年的历史。 翻开人类的文明史就会发现,人类对材料 的取得和使用是随着社会生产力和科学技术的发展而不断发展的,它反映了人类 认识自然和改造自然的能力,同时每当出现一种划时代的新材料,又会使生产力获 得一次巨大的发展,人类社会就出现一个飞跃。 因此,材料就成为人类文明进步的 标志,成为人类历史时代划分的里程碑。 从材料的角度来看,人类社会经历了石器 时代、青铜器时代、铁器时代。 20 世纪出现的高性能塑料和复合材料,以历史上少 有的发展速度渗透到国民经济和人们生活的各个领域,成为传统材料的替代品,并 显示出奇特的优异性能。 在科学技术迅猛发展的今天,材料对于国民经济建设和 国防建设起着重要的作用。 新材料是高新技术的基础和先导,新材料、材料科学已 成为人们普遍认识和关注的学科领域,材料科学与能源技术和信息科学一同成为 现代科学技术的三大支柱。 材料科学是一门与多种学科有着密切联系的综合性学科。 它由化学组成和内 部结构的原理来阐明材料宏观性能的规律性,进而设计、制造和使用具有特定性能 的新材料。 它包括的内容大体分为三个部分:① 从化学角度研究材料的化学组成 及各组分的关系,研究材料的组成与性能的关系,研究材料的制备方法;② 从物理 角度研究材料的性能,研究材料的内部结构(原子和分子的结合方式、在空间的排 列分布及聚集状态)与性能的关系;③ 在化学及物理的理论指导下,研究材料的制 备及应用有关的技术问题。 材料的品种繁多,按主要结合键的本质,可将材料分为性能差异较大的三种类 型:① 金属材料,金属元素以金属键结合;② 有机高分子材料,非金属元素以共价键 连接成大分子化合物;③ 陶瓷材料,非金属元素和金属元素以共价键、离子键或者 两者的混合键结合。 从使用性能角度来看,又可将材料分为两大类:① 结构材料; ② 功能材料。 对于△▪▲□△结构材料,主要使用它的力学性能,即材料的强度、刚度、变形等 特性。 对于功能材料主要使用它的声、光、电、热、磁等性能,需要了解材料在声、 光、电、热、磁场中的行为。 近代科学技术的迅速发展,对材料提出更加苛刻的特殊要求和效能,使材料研 究正逐步摆脱靠经验和摸索的方法研究材料的轨道,向着按预定性能设计材料的 · 4 · 聚合物基复合材料及工艺 方向发展。 用金属、非金属和高分子材料通过一定的工艺方法制成的复合材料,能 保留原有组分的优点,克服某些缺点,并显示一些新性能。 这种复合材料的出现和 发展,就是材料设计的一个典型例子。 复合材料是由基体材料和增强材料构成的多相体系。 基体材料为连续相,按 所用基体材料的不同,可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基 复合材料。 增强材料为分散相,通常为纤维状材料,如玻璃纤维、有机纤维等。 本 教材仅讨论聚合物基复合材料。 聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体,纤维为增强材料组成的复合材料。 纤维材料的强度和模量一般比基体材料高得多,使它成为主要的承载体。 但是必 须有一种粘接性能好的基体材料把纤维牢固地粘接起来。 同时,基体材料又●能起 到使外加载荷均匀分布,并传递给纤维的作用。 此外,复合材料的某些性能主要取 决于基体材料□◁的特性。 因此,在复合材料中,纤维、基体以及纤维与基体之间界面 的性能直接影响复合材料的性能。 1畅2 复合材料的定义 复合材料(composite material)一词,国外于20 世纪 50 年代开始使用,国内使 用大约开始于 60 年代。 复合材料是一类成分复杂的多元多相体系,很难准确地予 以定义。 比较简明的定义是,复合材料是由两种或两种以上不同性能、不同形态的 组分材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料,它既保持了原组分材料的主要 特点,又显示了原组分材料所没有的新性能。 复合材料具有如下特征:① 细观上是 非均相材料,组分材◇=△▲料间有明显的界面;② 组分材料性能差异很大;③ 组成复合材 料后性能有较大的改进;④ 组分材料的体积分数应大于 10 % 。 按这种定义,复合 材料所包含的范围很广,草泥墙、钢筋混凝土、帘子线轮胎等均属于复合材料的 范畴。 分析复合材料的组成和内部相态,均有三种基本的物理相。 一是连续的称为 基体相,另一是呈分散的、被基体包容的称为增强相。 增强相和基体相之间有一交 界面称为复合材料界面。 在微观结构层次上的深入研究,发现复合材料界面附近 的增强相和基体相由于在复合时复杂的物理和化学的原因,变得既不同于基体相 又不同于增强相组分本体的复杂结构,同时发现这一结构和形态会对复合材料宏 观性能产生影响,所以界面附近这一个结构与性能发生变化的微区成为复合材料 的第三相,称为界面相。 因此,复合材料是由基体相、增强相和界面相组成的。 这 三相的结构与性质,它们的配置方式和相互作用以及相对含量决定了复合材料的 性能。 由师昌绪主编的枟材料大词典枠对复合材料给出了比较全面完整的定义:“复合 第1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 · 5 · 材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成 的新型材料,它既能保留原组分材料的主要特色,又通过复合效应获得原组分所不 具备的性能。 可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联,从而获得 新的优越性能,与一般材料的简单混合有本质的区别。” 该定义强调了复合材料具 有可设计性的重要特点。 在工业上,复合材料通常是指高强度、高模量、脆性的增 强剂和低模量韧性的基体材料经过一定的成型加工方法而制成综合性能优异的材 料。 现代材料科学所讨论的复合材料一般是指纤维增强、薄片增强、颗粒增强或自 增强的聚合物基、陶瓷基或金属基复合材料,它把握了复合材料的本质即增强剂增 强的概念。 最广泛使用、效果最好的增强剂是纤维材料,因此人们通常讲的复合材 料是狭义的复合材料——— 纤维增强复合材料。 本教材讨论限于这类复合材料。 1畅3 复合材料的命名及分类 1畅3 畅1 复合材料的命名 许多新材料的发展先于科学命名,故常常习惯地先应用一些通俗的名称。 例 如,国内20 世纪 50 年代开始出现的玻璃纤维和树脂的复合材料,称为“玻璃钢” , 它的其他名称还有玻璃纤维增强塑料、玻璃塑料、玻璃布层压板、玻璃纤维复合材 料等。 对于同一种材料,若其名称很多,互不统一,甚至有的名称含义不确切,就容 易引起混乱,造成错觉,不利于材料的应用与发展。 复合材料可根据增强材料和基体材料的名称来命名。 按基体材料类型命名有 金属基复合材料、铝基复合材料、聚合物基复合材料、环氧树脂基复合材料等。 对 于聚合物基复合材料常常以增强纤维的类型来命名,如玻璃纤维复合材料(俗称玻 璃钢) 、碳纤维复合材料、混杂复合材料。 更具体地,将增强材料的名称放在前面, 基体材料名称放在后面,再加上“复合材料”而构成,如 E唱GF 和环氧树脂构成的复 合材料,可命名为“E 玻璃纤维环氧树脂复合材料” 。 为书写方便,也可仅写增强 材料和基体材料的缩写,中间加一斜线隔开,后面再加“复合材料” ,上述复合材料 简称为“E 玻璃/环氧复合材料”(俗称环氧玻璃钢) 。 碳纤维和金属基体构成的复 合材料叫“金属基复合材料” ,也可书写为“碳/金属复合材料” 。 碳纤维和碳基体构 成的复合材料叫“碳/碳复合材料”或“C/C 复合材料” 。 上述命名法可用商品牌号 直接表示,如 T300/648 、M40/5208 、S唱GF/5245C、Kevlar49/QY8911 等。 1畅3 畅2 复合材料的分类 复合材料的分类方法较多。 如根据增强原理分,有弥散增强型复合材料、粒子 增强型复合材料和纤维增强型复合材料。 根据使用性能的不同分,有结构复合材 料和功能复合材料。 功能复合材料又可根据其功能分电功能复合材料、热功能复 · 6 · 聚合物基复合材料及工艺 合材料、光功能复合材料等。 根据制备工艺不同分类有层合结构复合材料、缠绕结 构复合材料、拉挤复合材料、纺织结构复合材料等。 根据本书的复合材料的含义和命名原则,复合材料的分类有如下几种。 (1) 根据基体材料类型分类,有① 金属基复合材料;② 无机非金属基复合材 料;③ 聚合物基复合材料。 无机非金属基复合材料中最重要的是陶瓷基复合材料 和碳基复合材料如碳/碳复合材料。 在聚合物基复合材料中,又有热固性树脂基复 合材料和热塑性树脂基复合材料,以及单组分聚合物基复合材料和共混聚合物基 复合材料之分。 (2) 根据分散相的形态分类,有① 连续纤维增强复合材料;② 纤维织物、编织 体增强复合材料;③ 片状材料增强复合材料;④ 短纤维或晶须增强复合材料;⑤ 颗 粒增强复合材料;⑥ 纳米增强复合材料。 (3) 根据增强纤维的类型分类,有① 碳纤维复合材料;② 玻璃纤维复合材料; ③ 有机纤维复合材料;④ 硼纤维、碳化硅纤维复合材料;⑤ 混杂纤维复合材料等。 1畅4 复合材料的成型方法 复合材料的成型工艺方法很多,不同类型复合材料的成型工艺差异很大。 玻 璃钢的手糊成型工艺流程(图1 1)是热固性聚合物基复合材料制备的一个典型 过程。 从中可以看出,工艺过程手工劳动多,纤维和树脂的复合、树脂体系的固化 反应过程就是复合材料的材料形成过程,同时也是复合材料产品的形成过程。 材 料制备和产品制备在同一过程完成,是复合材料不同于金属材料的又一特征。 图1 1 玻璃钢的手糊成型工艺流程 1畅5 复合材料的特性 从复合材料的分类中,我们已经知道,复合材料种类繁多。 不言而喻,不同种 类的复合材料具有不同的性能特征。 然而,复合材料也有一些共同的特性。 聚合 物基复合材料由于其固有的特点,因此是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一 第1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 · 7 · 类复合材料。 与传统材料相比,聚合物基复合材料有下述特点。 1畅5 畅1 比强度、比模量高 聚合物基复合材料的突出优点是比强度及比模量高。 比强度是材料的强度与 密度之比值,比模量是材料的模量与密度之比值,其量纲均为长度。 在质量相等前 提下,它是衡量材料承载能力和刚度特性的指标,对于在空中或太空中工作的航空 航天结构材料来讲无疑是非常重要的力学性能。 表 1 1 列出几种材料的比强度 和比模量,碳纤维树脂基复合材料表现了较高的比模量和比强度。 复合材料的高 比强度和高比模量来源于增强纤维的高性能和低密度。 玻璃纤维由于模量相对较 低、密度较高,其玻璃纤维树脂基复合材料的比模量略低于金属材料。 表1 1 一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量 密度 拉伸强度 弹性模量 比强度 比模量 材 料 3 /GPa 2 6 8 /(g/cm ) /10 GPa /10 cm /10 cm 钢 7 .8 1 .03 2 .1 1 .3 2 .7 铝合金 2 .8 0 .47 0 .75 1 .7 2 .6 钛合金 4 .5 0 .96 1 .14 2 .1 2 .5 玻璃纤维复合材料 2 .0 1 .06 0 .4 5 .3 2 .0 碳纤维 Ⅱ /环氧复合材料 1 .45 1 .50 1 .4 10 .3 9 .7 碳纤维 Ⅰ /环氧复合材料 1 .6 1 .07 2 .4 6 .7 15 有机纤维/环氧复合材料 1 .4 1 .40 0 .8 1 .0 5 .7 硼纤维/环氧复合材料 2 .1 1 .38 2 .1 6 .6 10 硼纤维/铝基复合材料 2 .65 1 .0 2 .0 3 .8 7 .5 1畅5 畅2 耐疲劳性能好,破损安全性能高 金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。 复合材料中纤维与 基体的界面能阻止裂纹的扩展,其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始,裂纹扩展 或损伤逐步进行,时间长,破坏前有明显的预兆。 从疲劳性能的 S唱N 曲线可以看 出,大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的 30 % ~ 50 % ,而碳纤维/聚酯 复合材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的 70 % ~ 80 % ,玻璃纤维复合材料的比例 介中。 复合材料的破坏不像传统材料由于主裂纹的失稳扩展而突然发生,而是经历 基体开裂、界面脱粘、纤维拔出、断裂等一系列损伤的发展过程。 基体中有大量独 立的纤维,是力学上典型的静不定体系。 当少数纤维发生断裂时,其失去部分载荷 又会通过基体的传递而迅速分散到其他完好的纤维上去,复合材料在短期内不会 · 8 · 聚合物基复合材料及工艺 因此而丧失承载能力。 内部有缺陷、裂纹时,也不会突然发展而断裂。 1畅5 畅3 阻尼减振性好 受力结构的自振频率除了与结构本身形状有关以外,还同结构材料的比模量 平方根成正比。 所以复合材料有较高的自振频率,其结构一般不易产生共振。 同 时,复合材料基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力,致使材料的振动阻 尼很高,一旦振起来,在较短时间内也可停★▽…◇下来。 1畅5 畅4 具有多种功能性 (1) 瞬时耐高温性、耐烧蚀性好。 玻璃钢的导热系数只有金属材料的 1 % ,同 时可制成具有较高比热容、熔融热和气化热的材料,可用作导弹头锥的耐烧蚀防护 材料。 (2) 优异的电绝缘性能和高频介电性能。 玻璃钢是性能优异的工频绝缘材 料,同时具有良好的高频介电性能,可用作雷达罩的高频透波材料。 (3) 良好的摩擦性能。 碳纤维的低摩擦系数和自润滑性,其复合材料具有良 好的摩阻特性和减摩特性。 (4) 优良的耐腐蚀性。 (5) 有特殊的光学、电学、磁学的特★-●=•▽性。 1畅5 畅5 良好的加工工艺性 (1) 可以根据制品的使用条件、性能要求选择纤维、基体等原材料,即材料具 有可设计性。 (2) 可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。 (3) 可整体成型,减少装配零件的数量,节省工时,节省材料,减轻质量。 1畅5 畅6 各向异性和性能的可设计性 纤维复合材料一个突出的特点是各向异性,与之相关的是性能的可设计性。 纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种类和体积含量而定外,还与 纤维的排列方向、铺层次序和层数密切相关。 因此,可以根据工程结构的载荷分布 及使用条件的不同,选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。 利用这一特 点,可以实现制件的优化设计,做到安全可靠,经济合理。 聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题,如工艺方法的自动化、机械化程度 低、材料性能的一致性和产品质量的稳定性差、质量检测方法不完善、长期耐高温 和环境老化性能不好等。 这些问题也正是需要研究解决,从而推动复合材料的发 展,使之日臻成熟。 第1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 · 9 · 1畅6 复合材料的应用 在复合材料中,最早开发和应用的是玻璃纤维树脂基复合材料。 20 世纪 40 年代,美国首先用玻璃纤维和不饱和聚酯树脂复合,以手糊工艺制造军用雷达罩和 飞机油箱,为玻璃纤维复合材料在军事工业中的应用开辟了道路。 此后,随着玻璃 纤维、树脂基体以及复合材料成型工艺的发展,玻璃纤维复合材料不仅在航天航空 工业,而且在各种民用工业中获得了广泛的应用,成为重要的工程材料。 但是,进入 60 年代以后,人们注意到玻璃钢的质量比较大、模量比较低,满足 不了航天航空飞行器等高新产品对材料的高比模量和高比强度的要求,因此在 60 ~ 70年代相继开发了质轻的碳纤维及其高比模量和高比强度的碳纤维复合材 料。 继碳纤维之后,又开发出芳香族聚酰胺纤维(芳纶)及其他高性能纤维。 这类 以碳纤维复合材料为代表的复合材料称为先进复合材料(ACM) 。 目前,复合材料世界总产量为百万吨级。 确切的产量难以统计。 有资料报道 1990 年的世界产量为 390 万 t,其中美国为 150畅3 万 t,西欧为 148畅5 万 t,日本为 64畅3 万 t,中国为10畅6 万 t。 然而复合材料的产量与其他结构材料相比仍很少。 目前,世界钢产量达 10 亿 t 级,而塑料的产量也达到了亿吨级。 这表明,复合材料 还有很大的发展余地,也需要加速发展。 虽然复合材料最早应用于航空航天部门,而且其发展一直受航空航天需求的 驱动,但航空航天应用的复合材料量只占总产量的很小一部分(1 % ~ 2 % ) 。 复合 材料用量较大的部门为交通运输(汽车、船艇等) 、建筑、防腐设备和电器、电子。 1畅6 畅1 在航空航天工业中的应用 虽然在航空航天工业中应用的复合材料所占◁☆●•○△份额很小,但大多为先进复合材 料,代表了复合材料最先进的技术。 飞行器采用复合材料的根本原因是减轻质量,提升飞行器的性能和经济效益。 先进复合材料在军用飞机上应用近 30 年来走过了一条由小到大、由弱到强、由少 到多、由结构受力到增加功能▪•★的发展道路。 世界 20 世纪 80 年代后服役的战斗机, 其机翼、尾翼等部件基本上都采用 ACM ,ACM 用量已达机体结构质量的 20 % ~ 30 % 。 1980 年首飞的法国 Rafale,其机翼、尾翼、垂尾、机身结构的50 % 均采用 ACM ,复合材料的结构用量为 40 % 。 1989 年首飞的美国隐形轰炸机 B唱2 的复合 材料结构用量为 50 % 。 现在,ACM 已广泛应用于飞机的主、次承载结构件,如垂 直尾翼、水平安定面、方向舵、副翼、前机身和机翼蒙皮等。 在近代直升机上复合材 料的用量较军用飞机还要多,目前高达50 % ~ 80 % 。 美国对直升机有一个 ACAP 计划(先进复合材料应用计划) ,在此计划下研制的 H360 、S唱75 、BK唱117 和 V唱22 等 · 10 · 聚合物基复合材料及工艺 直升机均采用了复合材料。 如垂直起落倾转旋翼后又能高速巡航的 V唱22 用复合 材料近 3000 kg,占结构总重的45 % ,其中包括机身机翼的大部分结构以及发动机 悬挂接头和叶片紧固装置。 美国最新研制的轻型侦察攻击直升机 RAH唱66 ,具有 隐身能力,复合材料用量约50 % ,机身龙骨大梁长7畅62 m,铺层最多处达 1000 层。 法德合作研制的虎(Tiger)式武装直升机,复合材料用量更高达 80 % 。 ACM 在客 机上的应用情况也日益增多。 以波音为例,B707 复合材料使用 18畅5 m2 ,B737 为 2 2 330 m ,B747 为 930 m 。 B707 到 B747 经历 10 年,机身面积增加不到一倍,复合 材料使用面积增加 50 倍。 B757 用量 1429 kg,B767 用 1524 kg,最新研制的 B777 用量则增加到 9900 kg,占结构总量的11 % 。 欧洲空中客车 A340 用 ACM 4 t 多, 占结构总量的13 % 。 法意合作研制的支线 ,由于用到了机翼,用量可 高达20 % 。 很多小型全复合材料飞机更是屡屡问世,举世闻名的“Voyager”(旅行 者)号则创下了不加油不着陆连续环球飞行 9 天的世界纪录,这在复合材料出现之 前是无法想像的。 复合材料在航天上主要应用于固体火箭发动机燃烧室绝热壳体结构,导弹和 运载火箭的间段结构、液氢储箱结构、仪器舱结构、导弹和卫星整流罩结构、导弹防 热材料以及卫星的各种结构。 航天结构材料也经历了从金属到玻璃钢再发展到 ACM 的阶段,典型的例子是固体发动机的壳体。 固体火箭发动机使用的第一代复 合材料是玻璃钢。 第一个成功范例是 20 世纪 60 年代初的“北极星 A唱3”导弹发动 机玻璃钢壳体,它比“北极星 A唱1”的合金钢质量减轻了 60 % ,成本降低了 66 % 。 此后,采用 Kevlar唱49(芳纶) 、IM唱7(碳纤维)/环氧的先进复合材料作发动机壳体, 取得更加显著的减重效果。 1畅6 畅2 复合材料在其他行业上的应用 除了航空航天外,复合材料特别是玻璃纤维复合材料由于自身的性能价格优 势在国民经济的其他领域获得了更广泛的应用,在促进科技进步和国民经济的发 展中发挥了重要作用。 在美国 1991 年纤维复合材料的 117畅1 万 t 市场中,交通运 输 32畅4 万 t,建筑 20畅5 万 t,造船业 16畅9 万 t,防腐设备16畅3 万 t,电子电器11 万 t,商务设备 7 万 t,日用品7畅5 万 t,航空航天军事仅 1畅8 万 t,其他 3畅7 万 t。 (1) 在交通运输方面,复合材料在汽车、火车、轮船等交通工具中的应用已有 半个多世纪的历史,复合材料的产品逐年增加,交通运输业的用量所占比例一直最 大。 在汽车制造业中,复合材料主要应用于各种车身构件、引擎罩、仪表盘、车门、 地板、座椅、冷藏车、消防车、运输槽车箱车等。 在铁路运输中用于客车车箱、车门 窗、水箱、卫生间、冷藏车保温车身、运输液体的储罐、集装箱及各种通讯线路器材 等。 复合材料已逐步成为交通运输中独占鳌头的新材料。 (2) 在建筑工业中,CM 广泛应用于各种轻型结构房屋、大型建筑结构、建筑 第1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 · 11 · 装饰及雕塑、卫生洁具、冷却塔、储水箱、波形瓦、门及窗构件、水工建筑和地面等。 碳纤维复合材料作为基础结构的加固、修补,近年来已显示了较大的市场。 (3) 在造船工业中,复合材料用于生产各种工作艇、渔船、交通船、摩托艇、救 生艇、游船、军用的扫雷艇及潜水艇等。 (4) 在防腐设备中,复合材料特别是玻璃钢具有较高的耐化学介质腐蚀性, 为化工防腐提供了新材料。 用玻璃钢制造的化工腐蚀设备,主要有大型的储槽、 容器、传质用各种管道、弯头、三通、管接头等配件,通风管道、烟囱、风机、泵、阀 门等。 (5) 在电子电器工业中,复合材料用于生产层压板、覆铜板、绝缘管、电机护 环、槽楔、绝缘子、路灯灯具、电线杆、带电操作工▲●…△具等。 (6) 在军械中,主要用于★△◁◁▽▼生产引信体、子弹、弹壳(教练弹) 、炮弹护环、枪托、火 箭发射筒、火炮护罩等。 (7) 复合材料用于体育用品中的各种体育器材,如撑竿、弓箭、赛车、滑板、赛 艇、皮艇、划桨等。 (8) 在农渔业▪▲□◁方面用于蔬菜、花卉、水产养殖、养鸡、养猪等各种温室,以及粮 仓、饲料仓、化粪槽、水渠、喷雾器、花盆、牛奶运送车、粪便运输车等。 (▽•●◆9) 在机械制造中,复合材料的用途很广,如风机、叶片、造纸机械配件(打浆 机部件、吊辊和案辊) 、柴油机部件、纺织机械部件、化纤机械部件(过滤器、离心罐、 套片等) 、煤矿机械部件、泵、铸模、食品机械部件、齿轮、法兰盘、皮带轮和防护 罩等。 1畅7 复合材料的进展 前面已经指出,复合材料虽然在国民经济各个领域获得了广泛的应用,但用量 仍较少。 与发达国家相比,我国复合材料的应用无论数量和质量差距都很大。 为 促进复合材料的发展,应解决如下主要问题:在保证质量的基础上降低复合材料的 价格;开发高性能,尤其是多功能的复合材料,以提高其应用效益;开发高效的新型 成型工艺;进一步推广复合材料的应用领域。 1畅7 畅1 降低纤维价格和开发新纤维 增强纤维是复合材料的主要原材料。 目前的发展趋势是设法降低高性能纤维 的价格以及开发具有特殊功能的增强纤维。 表 1 2 和表 1 3 分别列出 1970 ~ 1995 年和 1995 ~ 2015 年世界对先进纤维的估算需求量及其平均价格。 可以看 出,先进纤维的需求量逐年提高而价格下降。 以碳纤维为例,其需求量从 1995 年 的8000 t 提高至 2015 年的40 000 t,提高了4 倍,其平均价格从 50 美元/kg,降至 · 12 · 聚合物基复合材料及工艺 20 美元/kg,下降了 60 % 。 显然先进纤维价格的下降可扩大其复合材料的应用范 围,如应用于汽车。 反过来,用量的扩大又能促进材料价格的下降。 表1 2 1970 ~~ 1995 年世界对先进纤维的估算需求量及其平均价格1) ~~ 需求量/t 1995 年销售值 纤维类型 1970 年 1980 年 1990 年 1995 年 /百万美元 碳纤维2) 100 1000 6000 18 000 400 有机纤维3) 50 5000 15 000 18 000 500 高性能玻璃纤维4) 10 500 2000 3000 50 总 计 160 6500 23 000 39 000 950 1) 包括用于复合材料和其他材料的纤维的总量。 2) 包括沥青基,PAN 基和氧化 PAN 基碳纤维的平均价。 3) 芳纶的平均价。 4) 主要是高强硼硅玻纤的平均价。 表1 3 1995 ~~ 2015 年世界对先进纤维的估算需求量及其平均价格1) ~~ 纤维需求量/t 2015 年价值 纤维类型 1995 年 2000 年 2005 年 2015 年 /百万美元 碳纤维2) 18 000 15 000 25 000 40 000 800 有机纤维3) 18 000 26 000 35 000 45 000 900 高性能玻璃纤维4) 3000 8000 15 000 25 000 200 总 计 39 000 49 000 75 000 110 000 1900 1) 包括用于复合材料和其他材料的纤维的总量。 2) 包括沥青基,PAN 基和氧化 PAN 基碳纤维的平均价。 3) 芳纶和超高相对分子质量聚乙烯纤维的平均价。 4) 主要是高强玻纤的平均价。 降低碳纤维价格的主要措施是发展沥青基碳纤维和大丝束碳纤维。 沥青比聚 丙烯腈(PAN)原丝的价格要低得多,目前沥青基碳纤维的性能已接近或相当于标 准型的PAN 基碳纤维,预计沥青基碳纤维将成为大宗产品。 过去国防军工技术用 的宇航级碳纤维以1 K、3 K、6 K 为主,逐渐发展到 12 K 和24 K,称为小丝束碳纤 维。 把满足一般工业应用的48 K 以上的商用级碳纤维称为大丝束碳纤维,目前已 发展到480 K、540 K,在价格上有绝对优势。 像 T300 标准型的碳纤维,目前国际 市场商用级大丝束的售价已降至 8 ~ 10 美元/lb① ,而宇航级的售价 15 ~ 20 美元/lb。 ① lb 为非法定单位,1 lb= 0畅453 592 kg,下同。 第1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 · 13 · 过去,高模量有机纤维主要是芳纶。 20 世纪 80 年代以来,开发了不少新的有 机纤维。 其中具有代表性的是超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE) 、聚苯并 唑(PBO)和聚芳酯纤维。 UHMWPE 纤维具有较高强度和模量,在降价方面又具 有较大的潜力,而且质量很轻,是一类很有发展前途的增强材料。 为了适应耐高温和多功能复合材料的需要,近年来也开发了许多特种纤维,其 中较重要的有碳化硅纤维和氮化硅纤维,其特点是耐高温和具有半导性。 由它们 制成的树脂基复合材料具有吸波(隐身)性能。 1畅7 畅2 扩大复合材料的应用 目前,复合材料的应用正朝着高档和大宗产品的行业发展,如汽车业、船舶业、 建筑业等。 1) 汽车业 由于复合材料能大幅降低燃料消耗,并具有耐腐蚀和抗震性能,汽车工业将大 量采用复合材料。 目前,汽车钢材应用比例已下降至 14 % ~ 15 ◆◁•% ,据报道,到2000 年美国 5 辆汽车中将有 1 辆汽车是用复合材料制造的。 此外,为减少环境污染,许 多国家正大力发展以天然气替代汽油作为汽车的燃料,天然气气瓶采用玻璃钢结 构,工作压力可达 20 ~ 100 MPa,寿命可达 10 ~ 20 年,这种气瓶已系列化,并已实 际应用。 用于汽车构件的主要是玻璃纤维不饱和聚酯复合材料,过去多采用手糊法和 喷射法成型,近年来,多采用片状模塑料(SMC)模压和树脂传递模塑成型。 片状 模塑料(sheet moldingcompound) ,它是用不饱和树脂体系、填料和其他助剂的混合 物(树脂糊)浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡,并在两面用聚乙烯或聚丙烯膜 包覆起来形成的片状模塑料。 由于SMC 能连续生产,使用方便,价格较低而被广 泛采用。 除了玻璃纤维复合材料之外,在汽车工业中也应用碳纤维等先进复合材料。 制约使用先进复合材料的因素是其成本太高,但可喜的是目前碳纤维的价格已降 至接近汽车工业能接受的价格。 2) 船舶业 渔船、拖船、游艇、赛艇和扫雷艇用复合材料已有较长的历史。 由于复合材料 质轻,能承受很高的外压,正在开发复合材料潜水器,增加复合材料在潜水艇上的 应用。 3) 建筑业 在建筑业,复合材料除了作为各种轻型结构房屋、装饰材料、卫生洁具和冷却 塔、储水箱等之外,近年来还向混凝土增强筋和桥梁等方面的应用扩展。 用复合材料做混凝土的增强筋代替钢筋制造新型混凝土具有诱人的前景,因 · 14 · 聚合物基复合材料及工艺 为这可提高建筑结构的抗震性和抗磁性。 这种增强筋可用玻璃纤维、碳纤维和芳 纶或混杂纤维用二维或三维编织作增强材料。 目前,这种新型混凝土已应用于地 磁观察站、高频电机房等建筑物及桥梁的地基上,对延长建筑物的使用寿命,提高 性能起着重要作用。 在建筑领域的房屋、桥梁、隧道、涵洞、地铁及其相关的混凝土工程结构等基础 设施(infrastructure)中的应用已成为近年来民用复合材料增长最快、也是最有前途 的领域之一,目前已形成世界性的研究发展热点。 复合材料可以多种形式应用于 该领域中,如承接索、护栏、扶手、格栅;梁、柱、杆、桩;层压板、包缠料、短纤维(增强 水泥) ;筋条。 其中目前应用最广的是将复合材料特别是碳纤维复合材料用于基础 设施的修复、更新和加固上,其应用形式主要是包缠料(片材) 、层压板。 该技术起 源于20 世纪 80 年代末 90 年代初,最早用于修复日本的坂神地震、美国的洛杉矶 地震等造成的损坏工程,此后日本、美国、欧洲等大力研发推广此项技术,已迅速开 拓了土木、砖石、混凝土工程等众多应用领域,现已形成产业化的新技术并为全球 所接受。 该技术在我国台湾“921”大地震后的修复和重建中发挥了巨大的作用,以 至进一步刺激台湾碳纤维工业的发展。 1畅7 畅3 发展新的设计、制备方法和新的复合技术 除了需要对复合材料现有的设计和制备方法不断深化提高外,还必须开辟新 的途径。 (1) 新型的设计方法。 如综合材料— 工艺— 设计三个方面的复合材料一体化 设计,引入虚拟技术的复合材料及其结构的虚拟设计等。 (2) 材料复合的新技术。 如原位复合技术,自蔓延复合技术,梯度复合技术, 分子自组装技术和超分子复合技术等。 (3) 多用途、低成本工艺技术。 成型工艺是复合材料构件制造的关键环节。 成型工艺的选择取决于制品的形 状、性能、用途和复合材料的工艺性能。 现在发展了许多连续和非连续成型工艺。 20 世纪 90 年代成型工艺发展的一个显著特点是由单一化向多用途、自动化和低 成本方向发展,如树脂传递模塑(RTM)成型技术、树脂膜渗透(RFI)成型技术、增 强反应型注射(RRIM)成型技术、电子束固化成型技术、增强热塑性片材(GMT)技 术等。 其中树脂传递模塑(RTM)工艺就是一个成功的范例。 RTM 工艺是一种闭模成型工艺。 其基本工艺过程为:将液态热固性树脂体系 注入事先装有增强纤维坯(称为预成型坯)的模具中,经加热固化、脱模和后加工而 成制品。 RTM 工艺具有设备简单,成型周期短,便于管理专业化和自动化以及制品性 能优异等特点,制造成本低于其他成型工艺,这一点对先进复合材料结构件尤为 第1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 ·◆■ 15 · 明显。 实际上,RTM 工艺的最大特点是在于预成型坯可以专门设计和制造。 因此, 可以将纤维进行多维编织,以解决传统铺层工艺中纤维一维增强引起的层间和横 向强度低的重大问题,大幅度地提高复合材料的▲★-●力学性能,特别是抗损伤性能。 预成型坯制造内容包括纤维的密度及其排列方式,织物层间的形式,纤维的整 体上胶状况等,在进行上述工作时,要对纤维进行编织或缝合。 目前,纤维多维编 织技术中较为成熟的是三维编织。 三维编织是通过长纤维相互交织而获得的三维 无缝合的完整结构,其特点是能制造出各种规则形状的和异形的实心体和空心体, 并可使结构件具有多功能性。 三维编织技术是20 世纪 80 年代初在国外出现的新型纺织技术。 由三维编织 发展起来的编织结构复合材料由于具有优良性能近年来获得了较大的发展和应 用,而 RTM 工艺正好符合编织结构复合材料的制造。 因此,RTM 工艺有更广泛 的发展前景。 RTM 所用树脂在工艺性能方面有特殊的要求,可概括为:在较低温度下具有 低的黏度和一定的储存期,而在较高的温度下能快速固化;对增强纤维具有良好的 浸润性、匹配性和粘接性。 现在,已开发出RTM 专用的不饱和聚酯树脂、环氧树 脂和双马来酰亚胺树脂。 目前,RTM 工艺已广泛用来制造航空航天、汽车、机械、 建筑等行业的复合材料制品。 1畅7 畅4 发展混杂纤维复合材料 混杂纤维复合材料的主要特点是,可使不同纤维取长补短,匹配协调,使之具 有优异的综合性能,且可降低成本。 如采用不同的混杂比和不同的混杂结构,可以 拓宽适应性,增加设计自由度。 设计得当的混杂复合材料还具有某种功能性,甚至 成为功能/结构复合材料。 常用的一种混杂是芳纶与碳纤维的混杂,其中碳纤维提供了芳纶欠缺的压缩 强度,而芳纶则提高了材料的韧性;常用的另一种混杂是碳纤维和玻璃纤维的混 杂。 碳纤维提供高的比强度和比模量,而玻璃纤维则提供较好的韧性,并使材料成 本降低。 混杂复合材料从 20 世纪 70 年代研究应用以来已获得较大的发展。 最初,混 杂复合材料主要用作结构材料,其应用的增长速度较快,在 1985 ~ 1990 年的 5 年 间增长了10 倍。 其应用领域普及国民经济的各个领域。 近年来,又研制成功了功 能性的结构混杂复合材料,如吸波/结构复合材料。 混杂纤维复合材料是比单一纤维复合材料层次更高的复合材料。 首先碰到的 基本问题是混杂效应,它牵涉到纤维的种类的匹配、混杂比和混杂方式。 此外,还 有界面问题、制造问题。 从广泛的角度看,还有材料的强度理论、损伤等问题以及 · 16 · 聚合物基复合材料及工艺 构件的设计问题。 这些问题需要进一步研究。 但是,有一点是很明确,即通过纤维 不同种类、不同方式和不同比例的混杂,可以以较低的成本制造出多种用途的复合 材料。 因此,混杂复合材料是重要的发展方向。 1畅7 畅5 发展功能、多功能、机敏、智能复合材料 前面已指出,复合材料是重要的结构材料。 其实,它的设计自由度大的特点更 适合发展功能复合材料,特别是在由功能→ 多功能→ 机敏→ 智能复合材料,即从低 级形式到高级形式的过程中体现出来。 设计自由度大是由于复合材料可以任意调 节其复合度、选择其连接形式和改变其对称性等因素,以期达到功能材料所追求的 最优值。 1) 功能复合材料 通过具有功能性的不同材料的复合,可以制得各种功能的材料。 如导电功能 复合材料、磁性功能复合材料、电磁波吸收或透过功能复合材料(以上通称为电磁 功能复合材料) 、光功能复合材料、阻尼吸声功能材料、摩擦磨耗功能材料、医用复 合材料等。 目前,功能复合材料中以电磁功能材料发展较为迅速,应用也较为普遍,这里 将重点讨论这类材料。 导电复合材料和磁性复合材料开发较早。 其基本制法则是将导电材料(如炭 黑、碳纤维、金属粉末或其他纤维、镀金属的玻璃纤维)和磁粉分别与树脂基体复合 而成,上述填料赋予材料导电性能或磁性,而树脂基体起粘接剂作用,并赋予材料 的成形性。 因此,这些复合材料可以按高分子材料一般的成型方法(如模压、层压 等) ,加工成具有所需形状且具有一定力学性能的导电产品和磁性产品。 为了获得综合性能优良的产品,必须尽可能加大填料或增强材料的用量,控制 好复合材料的界面,并使复合材料有较好的加工性能。 目前,导电和磁性复合材料的应用日趋广泛。 导电复合材料主要用作防静电、 电磁屏蔽材料、集成电路材料,磁性复合材料则作为永磁材料。 2) 多功能复合材料 复合材料具有多组分的特点,因此必然会发展成多功能的复合材料。 可以说 向多功能方向发展是发挥复合材料优势的必然趋势。 首先想到的是在功能复合材料中应用了增强材料,则能形成兼有功能和结构 的复合材料,这是复合材料一大优势。 由▪…□▷▷•于功能与结构的一体化,充分发挥了材料 的效益。 因此,功能/结构材料是人们追求的理想材料。 下面介绍目前正在发展的 在电子信息和军事技术中具有极重要用途的电磁吸收或透过功能/结构复合材料。 当电磁波入射至材料表面时,取决于材料的性能,电磁波将被反射、透过和吸 收。 能透过电磁波的材料,称为透波材料;能反射和吸收电磁波的材料称为电磁屏 第1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 · 17 · 蔽材料;仅吸收电磁波的材料即为吸波材料。 透波材料主要应用于雷达系统的保护结构(典型的是机载或弹载雷达天线保 护罩) ,而吸波材料主要应用于飞行器和军舰的“隐身” 。 (1) 透波结构复合材料。 材料的透波性能取决于其介电性能,尤其是介电损 耗正切角(tanδ) 。 tanδ 越小,对电磁波的损耗也越小,透波率越高。 因此,在制作 透波材料结构件时应选择介电性能优良的纤维和树脂基体。 用作透波材料复合材料的增强纤维有玻璃、石英和有机纤维,其中,D 玻璃纤 维是常用的纤维。 石英纤维具有更小的 tanδ,由于价格较高,一般应用于高性能 透波材料。 有机纤维的特点是质轻,其中芳纶也被常用。 而超高相对分子质量聚 乙烯由于质轻且优良的介电性能,是一类很有前途的透波材料。 有机高聚物一般都具有较好的介电性能。 以前,作为透波结构材料的树脂基 体有不饱和聚酯树脂、酚醛树脂和环氧树脂。 近年来,已开发和应用了介电性能和 耐热性更佳的树脂,主要有双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂和一些高性能热塑性树 脂。 由玻璃纤维增强这些树脂基的复合材料具有优良的介电性能。 其中,以石英 纤维/氰酸酯的介电性能最佳。 (2) 吸波(隐身)复合材料。 与透波材料相比,吸波材料通过其电磁损耗将电 磁波转换为其他形式的能量(热能、电能等)而消耗。 吸波材料一般由树脂基体与 损耗介质(吸收剂)复合而成。 因此,吸收剂是关键材料。 根据吸收机理的不同,吸 收剂可分为电损耗型和磁损耗型两大类。 前者如各种导电性石墨粉、碳化硅粉末、 碳粉以及碳化硅纤维、特种碳纤维、金属铝纤维、钛酸钡陶瓷体和导电性高聚物,其 主要特点是具有较高的介电损耗正切角tanδ;后者包括各种铁氧体粉、羰基铁粉、 超细金属粉等,它们具有较高的磁损耗正切角 tanδm 。 由粉末状吸收剂和树脂基体复合而成的吸波材料实际上是涂料,不属于结构 复合材料。 这种吸波涂层可认为是第一代吸波复合材料,已应用于隐身飞机B唱2 、 F唱117 和 F/A唱18E/F 等。 吸收剂中最常用的是铁氧体。 因为它是双复(兼有电损耗和磁损耗)介质材 料,具有较高的tanδ ,而且价格低廉。 铁氧体的吸波性能与其化学组分、成型工 m 艺、颗粒形状和大小以及使用频率密切相关。 一般认为,烧结温度较高,呈盘片状 且粒径适中的铁氧体吸波性能较好。 正在发展中的另一吸收剂是金属超细粉末,其粒度在 10 μm 以下至纳米级。 由于颗粒尺寸的减少,表面原子所占的比例急剧增大,导致能带结构发生变化,呈 现一系列的量子尺寸效应,宏观量子隧道效应,使微粉的声、光、电、磁、热等特性明 显地不同于原来的宏观物质。 研究表明,这些微粉对电磁波,特别是高频乃至光波 范围内的电磁波具有优良的衰减性能,但其吸收机理尚不清楚。 目前这类材料已 受到各国的高度重视。 据报道,目前被称为“超黑色”的吸波材料对雷达波的吸收 · 18 · 聚合物基复合材料及工艺 率可达 99 % ,这种吸波材料被认为最有可能属纳米级材料。 必须指出,目前所用的吸收剂都存在质量太重的缺点,因此,研究新一代质轻 高电磁损耗的吸收剂具有重大的实际意义。 吸波涂层虽然工艺较为简单,使用方便,但却带来了增加飞行器质量的缺点, 而且易于脱落。 因此,最好是开发结构型吸波复合材料。 吸波结构复合材料通常由具有吸波功能的增强纤维和树脂基体组成(也可在 树脂中混入粉末吸收剂) 。 碳纤维是导体,它既反射又吸收电磁波。 如果将碳纤维 - 6 3 改性为半导体(电阻率10 ~ 10 Ω· cm) ,可成为优良的吸收剂。 为此,制得了具 有半导性的碳化硅纤维。 此外,研究表明,改变碳纤维的截面形状(如三角形、四边 形或多角形截面)或其表面性能(如在碳纤维表面沉积一层有微小空穴的碳粒或碳 化硅膜) ,都能提高其吸波性能。 吸波结构复合材料多采用混杂复合材料。 其表面层一般为透波层,由玻璃纤 维、芳纶及其混杂纤维复合材料组成,中间层为吸波层,由吸波复合材料组成;底层 为反射层,由碳纤维复合材料或金属薄膜组成。 中间层也可采用含有吸波剂的蜂 窝芯或泡沫塑芯。 吸波结构复合材料已应用于先进隐身战斗机F唱22 中,是目前各军事大国竞相 开发的尖端材料。 3) 机敏复合材料 人类一直期望着材料具有能感知外界作用而且做出适应反应的能力。 将传感 功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一起,并且连接外部信息处 理系统,把传感器给出的信息传达给执行材料,使之产生相应的动作。 这样就构成 了机敏复合材料及其系统。 它能够感知外部环境的变化,做出主动的响应,其作用 可表现在自诊断、自适应和自修复的能力上。 预计机敏复合材料将会在国防尖端 技术、建筑、交通运输、水利、医疗卫生、海洋渔业等方面有很大的应用前景,同时也 会在节约能源、减少污染和提高安全性上发挥很大的作用。 4) 智能复合材料 智能复合材料是功能复合材料的最高形式。 它是在机敏复合材料基础上向自 决策能力上的发展,依靠外部信息处理系统中增加的人工智能系统,对信息进行分 析,给出决策,指挥执行材料做出优化动作。 这样就对材料的传感部分和执行部分 的灵敏度、精确度和响应速率提出更高的要求。 智能复合材料是 21 世纪追求的 目标。 1畅7 畅6 发展纳米复合材料和仿生复合材料 1) 纳米复合材料 当材料尺寸进入纳米范围时,材料的主要成分集中在表面。 例如,直径为 第1 章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 · 19 · 2 nm的颗粒其表面原子数将占有整体的80 % 。 巨大的表面所产生的表面能使具 有纳米尺寸的物体之间存在极强的团聚作用而使颗粒尺寸变大。 如果能将这些纳 米单元体分散在某种基体中构成复合材料,使之不团聚而保持纳米尺寸的单个体 (颗粒或其他形状的物体) ,则可发挥纳米效应。 这种效应的产生是来源于其表面 原子呈无序状态而具有的特殊性质,表现为量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表 面和界面效应等。 由于这些效应的存在使纳米复合材料不仅具有优良的力学性质 而且会产生光学、非线性光学、光化学和电学的功能作用。 无机 无机纳米复合材料虽然研究较早,但发展较慢。 原因在于无机的纳米粒 子容易在成型过程中迅速团聚或晶粒长大,因而丧失纳米效应。 采用原位生长纳 米相的方法可以制成陶瓷基纳米复合材料和金属基纳米复合材料,它们的性能有 明显改善,但仍存在难以精确控制由原位反应生成的增强体含量和生成物的化学 组成。 目前有机 无机分子间存在相互作用的纳米复合材料发展很快,因为该材料在 结构和功能两方面均有很好的应用前景,而且具备工业化的可能性。 无机 有机分 子间的相互作用有共价键型、配位键型和离子键型,各种类型的纳米复合材料均有 其对应的制备方法。 例如,制备共价键型纳米复合材料基本上采用凝胶溶胶法。 该种复合体系中的无机组分是用硅或金属的烷氧基化合物经水解、缩

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