复合材料与粉体材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,复合材料概述,三大材料：,金属,无机非金属,有机高分子,复合材料,取长补短,协同作用,产生原来单一材料没有本身所没有的新性能,无机,非金属,材料,有机,高分子,材料,金属,材料,复,合,材,料,2,Chapter 9 Composites,复合材料：,由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的多相固体材料。,一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。,复合材料特点：可设计性,即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现出出色的综合性能。,基体和增强材料,Matrix and Reinforcement,基体,连续相,增强材料,分散相,也称为增强体、增强剂、增强相等,显著增强材料的性能,多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。,可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。,在基体和增强体之间存在着界面。,4,聚,合,物,基,复,合,材,料,金,属,基,复,合,材,料,陶,瓷,基,复,合,材,料,碳,基,复,合,材,料,水,泥,基,复,合,材,料,复合材料,复合材料系统组合,分散相,连续相,金属材料,无机非金属材料,有机高分子材料,金,属,材,料,金属纤维,纤维,/,金属基复合材料,钢丝,/,水泥复合材料,增强橡胶,金属晶须,晶须,/,金属基复合材料,晶须,/,陶瓷基复合材料,金属片材,金属,/,塑料板,无,机,非,金,属,材,料,陶瓷,纤维,纤维,/,金属基复合材料,纤维,/,陶瓷基复合材料,晶须,晶须,/,金属基复合材料,晶须,/,陶瓷基复合材料,颗粒,弥散强化合金材料,粒子填充塑料,玻璃,纤维,纤维,/,树脂基复合材料,颗粒,碳,纤维,碳纤维,/,金属基复合材料,碳纤维,/,陶瓷基复合材料,碳纤维,/,树脂基复合材料,炭黑,颗粒,/,橡胶；颗粒,/,树脂基,有机高分子材料,有机纤维,纤维,/,树脂基复合材料,塑料,金属,/,塑料,橡胶,6,Chapter 9 Composites,复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。,以纤维增强复合材料为例，,主要有纤维的拔出、,纤维与基体的脱粘、,纤维搭桥等增韧机制。,9.5.2,增韧机制,7,Chapter 9 Composites,纤维脱粘,纤维搭桥,纤维拔出,8,Chapter 9 Composites,目前在生产中采用的成型工艺方法有：,手糊成型,显法铺层,真空袋压法成型,压力袋成型,树脂注射和树脂传递成型,喷射成型,真空辅助树脂注射成型,夹层结构成型,模压成型,9,Chapter 9 Composites,注射成型,挤出成型,纤维缠绕成型,拉挤成型,连续板材成型,层压或卷制成型,热塑性片状模塑料热冲压成型,离心浇铸成型,10,Chapter 9 Composites,挤出成型示意图,1-,转动机构；,2-,止推轴承；,3-,料斗；,4-,冷却系统；,5-,加热器；,6-,螺杆；,7-,机筒；,8-,滤板；,9-,机头孔型,11,聚合物,/,无机纳米微粒复合材料,聚合物,/,无机纳米微粒复合材料是指无机纳米粒子分散于聚合物基体中的复合体系。,第一类以改善塑料力学性能和物理性能为主要目的。,第二类主要是利用无机纳米粒子的某些功能制备功能材料。,1,）塑料增强和增韧,无机纳米粒子分散相具有较大的比表面积和较高的表面能，并且具有刚性，复合材料力学性能好。,聚合物基体中加纳米粉体后，耐冲击强度、拉伸强度、热变形温度都有较大幅度提高。,最大优点：可同时提高冲击强度和抗张强度，模量也有提高。,2,）功能材料,聚合物,/,无机纳米微粒复合材料的制备方法,1,）共混法,溶液共混法、乳液共混法、熔融共混法、机械共混法。除机械共混法允许采用非纳米微粒外，其他共混法都需先制备纳米材料。,共混法的主要难点是纳米粒子的分散问题。,2,）溶胶,-,凝胶法,溶胶,-,凝胶,(Sol-Gel),过程,是一种用金属烷氧化物或金属无机盐等前驱物,Si(OC,2,H,5,),4,在一定的条件下水解成溶胶,(Sol),，,再缩聚成凝胶,(Gel),，,然后经溶剂挥发或加热等方法处理而制成固体样品的方法。,1,）前驱物的水解,2,）缩聚,溶胶,-,凝胶法,3,）凝胶化,经过水解、缩聚后得到的是低粘度的溶胶，随着时间的延长，溶胶中颗粒逐渐交联而形成三维网络结构。在该过程中，溶胶的粘度明显增大，最后形成坚硬的玻璃状固体。溶胶的颗粒大小及交联程度可通过,pH,值以及水的加入量来控制。,4,）陈化,凝胶形成后，由于凝胶颗粒之间的连接还较弱，因而在干燥时很容易开裂为了克服开裂，需要将凝胶在溶剂的存在下陈化一段时间，以使凝胶颗粒与颗粒之间形成较厚的界面,5,）干燥,在干燥过程中，溶剂以及生成的水和醇从体系中挥发，产生应力，而且分布不均，这种分布不均的应力很容易使凝胶收缩甚而开裂。因此应注意控制溶剂、水和醇的挥发速度来降低凝胶的收缩和开裂程度。,溶胶,-,凝胶法,Sol-Gel,过程一般可采取两种方式来实现：,一是无机相原位生成；,二是无机相和有机相协同生长。,无机粒子是在聚合物提供的受控环境下通过,Sol-Gel,反应原位生成，相当于在一个纳米模板或纳米微反应器中生成。,将预先形成的聚合物膜浸入前驱体溶液中，通过前驱体的离子交换或渗透完成掺合，然后经过水解、老化和干燥等步骤形成无机相。,无机相原位生成,:,溶胶,-,凝胶法,无机相和有机相协同生长,:,将高分子先溶解于合适的溶剂中，再加入前驱物、水和催化剂，在适当的条件下前驱物水解成溶胶，经缩聚反应后形成无机相，再干燥制得有机,-,无机纳米复合膜溶胶,-,凝胶法,在以上两种不同的,Sol-Gel,方式得到的纳米复合体系中，一个明显的区别在于最终微观结构的不同。无机相原位生成可以有效控制无机相的尺寸，粒子的最大粒径不会超过离子簇的尺寸。,而当有机相和无机粒子的生长同时进行时，两相之间的相互作用以及相对含量就会影响到复合膜最终的微观结构。,聚合物,/,蒙脱石纳米复合材料,聚合物,/,蒙脱石纳米复合材料属于纳米插层复合材料。,插层材料一般是指由层状无机物与嵌入物质构成的一类材料。,蒙脱土的结构和性质,蒙脱土是一种由纳米厚度的硅酸盐片层构成的粘土,.,某些有机物可以进入蒙脱土的硅酸盐片层之间,并可在其间发生聚合,.,根据这一特点,蒙脱土可以在有机单体的加热聚合过程中有可能被解离成为纳米尺寸的颗粒,这样就为制备聚合物,/,粘土纳米复合材料提供了新的途径,.,目前研究较多并具有实际应用前景的层状硅酸盐是,21,型粘土矿物，其基本结构单元是由两层硅氧四面体中间夹带一层铝氧八面体构成，两者之间靠共用氧原子连接。,这种黏土的硅酸盐片层之间存在碱金属离子，在水中溶胀，即可溶胀的黏土。,蒙脱土重要性质,膨胀性,晶层之间的阳离子是可交换的，可用无机或有机阳离子进行置换。,黏土等矿物颗粒可分离成片层，径,/,厚比可高达,1000,，具有极高的比表面积，从而赋予复合材料极优异的增强性能。,蒙脱石有机改性,表面修饰：,离子交换增大层间距,使粘土内表面由亲水变为疏水,插层剂选择的条件：,1,容易进入，并能显著增加粘土晶片间层间距,2,插层剂与聚合物或单体有较强的物理或化学作用，利于单体和聚合物的插层，并可增强粘土片层与聚合物间的界面黏结,3,价廉易得,改性方法,离子交换法,硅烷偶联剂法,冠醚改性法,单体或活性有机物插层法,高分子,/,层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法,插层复合法,是制备高分子,/,层状硅酸盐纳米复合材料的方法，即将单体或聚合物插入层状硅酸盐片层之间，进而破坏硅酸盐的片层结构，使其剥离成层状基本单元，并均匀分散在聚合物基体中，实现高分子与层状硅酸盐在纳米尺度上的复合。,一些常见的层状硅酸盐,：,层状硅酸盐,layered silicates,分 子 式,Chemical formula,蒙 脱 土,滑 石,锂蒙脱土,沸 石,蛭 石,Na,x,(Al,2-,x,Mg,x,)(Si,4,O,10,)(OH),m,H,2,O,Ca,x,/2,Mg,2,(Al,x,Si,4-,x,O,10,)(OH),2,m,H,2,O,Na,x,(Mg,3-,x,Li,x,)(Si,4,O,10,)(OH),2,m,H,2,O,(Na,Ca),x,/2,(Mg,3-,x,Li,x,)(Si,4,O,10,)(OH,F),m,H,2,O,(Na,Ca),x,/2,(Mg,3,)(Al,x,Si,4-,x,)O,10,(OH),2,m,H2,O,插层方法,：,插层聚合：先将聚合物单体分散、插层进入层状硅酸盐片层之间，然后原位聚合，使片层剥离；,聚合物插层：聚合物直接嵌入硅酸盐片层的坑道中。又分聚合物,熔融插层,和,溶液插层,聚合物,/,层状硅酸盐纳米复合物的结构与性能,从结构的观点来看，聚合物,/,层状硅酸盐（,PLS,）,纳米复合材料包括插层型（,intercalated,）,和剥离型（,exfoliated,）,纳米复合材料两种类型。,插层型,PLS,纳米复合材料可作为各向异性的功能材料，而剥离型,PLS,纳米复合材料具有很强的增强效应，是理想的强韧型材料。,2聚合物基体材料的分类,用于复合材料的,聚合物基体,有多种分类方法，如按,树脂热行为,可分为,热固性,及,热塑性,两类。,2聚合物基体材料的分类,用于复合材料的,聚合物基体,有多种分类方法，如按,树脂热行为,可分为,热固性,及,热塑性,两类。,热塑性基体,如,聚丙烯,、,聚酰胺,、,聚碳酸酯,、,聚醚砜,、,聚醚醚酮,等，它们是一类,线形,或,有支链,的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。,热塑性聚合物的形态特征,热固性基体,如,环氧树脂,、,酚醛树脂,、,双马树脂,、,不饱和聚酯,等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态,预聚体,，经,加热,或,加固化剂,发生化学反应固化后，形成不溶不熔的,三维网状高分子,，这类基体通常是,无定形,的。,热固性聚合物的形态特征,聚合物基体按,树脂特性及用途,分为：,一般用途树脂,、,耐热性树脂,、,耐候性树脂,、,阻燃树脂,等。,按,成型工艺,分为：,手糊用树脂,、,喷射用树脂,、,胶衣用树脂,、,缠绕用树脂,、,拉挤用树脂,等。,由于不同的,成型工艺,对树脂的要求不同，如,粘度,、,适用期,、,凝胶时间,、,固化温度,、,增粘,等，因而不同工艺应选用不同型号树脂。,4聚合物基体的选择,对聚合物基体的选择,应,遵循下列原则,：,（）能够,满足,产品的,使用需要,；,如,使用温度,、,强度,、,刚度,、,耐药品性,、,耐腐蚀性,等。,高,拉伸(或剪切)模量,、高,拉伸强度,、高断裂韧性,的基体有利于,提高,FRP,力学性能,。,(2)对纤维具有良好的,浸润性,和,粘接力,；,(3),容易操作,，如要求,胶液,具有,足够长的适用期,、,预浸料,具有,足够长的贮存期,、,固化收缩小,等。,(4),低毒性,、,低刺激性,。,(5),价格合理,。,传统的聚合物基体,是,热固性,的，其最大的,优点,是具有,良好的工艺性,。,由于固化前，,热固性树脂,粘度很低，因而宜于,在常温常压下,浸渍纤维，并,在较低的温度和压力,下固化成型；,固化后具有良好的,耐药品性,和,抗蠕变性,；,热固性树脂,的缺点是,预浸料,需,低温冷藏,且,贮存期有限,，,成型周期长,和,材料韧性差,。,热塑性基体,的最重要,优点,是其,高断裂韧性,(高断裂应变和高冲击强度)，这使得,FRP,具有更高的,损伤容限,。,此外，热塑性树脂基体复合村料，还具有,预浸料不需冷藏,且,贮存期无限,、,成型周期短,、,可再成型,、,易于修补,、,废品及边角料,可,再生利用,等优点。,热塑性基体的缺点：,、,是热塑性基体的,熔体或溶液粘度很高,，,纤维浸渍困难,，,预浸料制备,及,制品成型,需要在,高温高压下,进行，,、,聚碳酸酯或尼龙这样,一些工程塑料,，因,耐热性,、,抗蠕变性,或,耐药品性,等方面问题而使应用受到限制。,二、热固性基体,热固性基体,(主要是,不饱合聚酯树脂,、,环氧树脂,、,酚醛树脂,),一直在,连续纤维,增强,树脂,基复合材料中占统治地位。,不饱合聚酯树脂,、,酚醛树脂,主要用于,玻璃增强塑料,，其中,聚酯树脂,用量最大，约占总量的80，而,环氧树脂,则一般用作,耐腐蚀性,或,先进复合材料,基体。,2环氧树脂,凡是含有,二个以上环氧基,的,高聚物,统称为,环氧树脂,。,按原料组分而言，有,双酚型,环氧树脂，,非双酚型,环氧树脂以及,脂肪族,环氧化合物等,新型环氧树脂,。,双酚,A,型环氧树脂的结构通式如下,(,b),双酚-,F,环氧树脂,这种树脂的,分子量小,，,结构简单,；,其特点是,粘度小,，只有双酚,A,环氧树脂的13左右。它所用的,固化剂,以及,固化物的性能,与双酚,A,环氧树脂相似。,(,c),双酚-,S,环氧树脂,双酚-,S,环氧树脂是以,4，4-二羟基二苯砜,(双酚-)与过量,环氧氯丙烷,在,氢氧化钠催化剂,存在下合成树脂。,这种树脂的,特点,是,热稳定性,和,耐腐蚀性,比,双酚-,A,型树脂,好得多，对,玻璃纤维,有较好的,润湿性,，制品,尺寸稳定性,好。,