聚合物基复合材料

2015—2016学年第一学期复合材料课程论文题目：浅谈聚合物基复合材料姓名：学号：任课教师：成绩：摘要：伴随着科学技术的发展及人类发展的需求，传统的材料已经不能满足我们的需求。因此复合材料得以重视并得到长足的发展并发展出不同种类的复合材料，其中聚合物基复合材料应用最为广泛。本文主要介绍聚合物基复合材料的发展、分类、特性、应用及其发展前景与方向。关键词：聚合物复合材料种类用途引言：5000年以前，中东地区用芦苇增强沥青造船。古埃及墓葬出土，发现有用名贵紫檀木在普通木材上装饰贴面的棺撑家具。古埃及修建金字塔，用石灰、火山灰等作粘合剂，混和砂石等作砌料，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。但是，上述辉煌的历史遗产，只是人类在与自然界的斗争实践中不断改进而取得的，同时都是取材于天然材料，对复合材料还是处于不自觉的感性认识阶段。如今随着科学技术的发展，复合材料也得到了长足的发展与认识，也根据其不同的特性产生了不同的分类，如今应聚合物基复合材料是应用最为广泛的一类复合材料。1现代复合材料现代复合材料20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料，同时相应地开展了与之有关的研究设计工作。这可以认为是现代复合材料的开始，也是对复合材料进入理性认识阶段。1.1现代复合材料发展简介常用树脂基复合材料第一次世界大战前，用胶粘剂将云母片热压制成人造云母板。20世纪初市场上有虫胶漆片与纸复合制成的层压板出售。但真正的纤维增强塑料工业，是在用合成树脂代替天然树脂、用人造纤维代替天然纤维以后才发展起来的。公元前，排尼基人在火山口附近发现玻璃纤维。1841年英国人制成玻璃纤维拉丝机。第一次世界大战期间，德国人拖动脚踏车轮拉拔玻璃纤维丝。20世纪30年代，美国发明用铂柑涡生产连续玻璃纤维的技术，从此在世界范围内大规模生产玻璃纤维，以其增强塑料制成复合材料。至60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。1.2常用树脂基复合材料的发展历史常用树脂基复合材料的发展历史，可按制成年份排列如下:1910年酚醛树脂复合材料1928年脉醛树脂复合材料1938年三聚氛胺甲醛复合材料1942年聚酷树脂复合材料1946年环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强尼龙1951年玻璃纤维增强聚苯乙烯1956年酚醛石棉耐磨复合材料2聚合物基复合材料的分类及特性2.1聚合物基复合材料主要分类（1）玻璃纤维增强树脂基复合材料；（2）天然纤维增强树脂基复合材料；（3）碳纤维增强树脂基复合材料；（4）芳纶纤维增强树脂基复合材料；（5）金属纤维增强树脂基复合材料；（6）特种纤维增强聚合物基复合材料；（7）陶瓷颗粒树脂基复合材料；（8）热塑性树脂基复合材料；（聚乙烯，聚丙烯，尼龙，聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚醚酮酮（PEKK））（9）热固性树脂基复合材料；（环氧树脂，聚酰亚胺，聚双马来酰亚胺（PBMI），不饱和聚酯等）（10）聚合物基纳米复合材料2.2聚合物基复合材料的特性2.2.1复合材料的可设计性复合材料的可设计性是指组成复合材料的两大组分材料（增强体/基体）可以按照设计要求进行选择，基体和增强体的性能必须满足设计需求。合理的选择基体和增强体及它们的含量和各种铺层堆叠形式，便可组成具有不同性能的复合材料。2.2.2聚合物基复合材料的机械性能聚合物基复合材料是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料。比强度、比模量（刚度）高o比强度是材料强度与密度之比值即：比强度=强度/密度Mpa/（g/cm3）。质量相等的前提下，衡量材料承载能力；o比模量是材料模量与密度之比值即：比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。质量相等的前提下，刚度特性指标耐疲劳性能好，破损安全性能高疲劳破坏的种类不同：金属突发性破坏疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50%碳纤维/聚酯复合材料有预兆破坏疲劳强度极限是其拉伸强度的70%~80%原因：复合材料的破坏经历基体开裂、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，当少数纤维发生断裂时，其失去部分载荷又会通过基体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因此而丧失承载能力。故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比较高。阻尼减振性好的原因：①复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；受力结构的自振频率有关因素：结构形状比模量的平方根②复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的振动阻尼很高，一旦振起来，在较短的时间内也可以停下来。2.2.3聚合物基复合材料存在的缺点（1）材料工艺的稳定性差（2）材料性能的分散性差（3）长期耐高温与环境老化性能不好（4）抗冲击性能低（5）横向强度和层间剪切强度不够好2.2.4聚合物基复合材料的多功能性（1）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；（2）优异的电绝缘性能和高频介电性能；（3）良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性；有特殊的光学、电学、磁学性能。3聚合物基复合材料的应用3.1聚合物基复合材料的主要应用领域（1）航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。（2）汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。（3）化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。（4）医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。3.2碳纤维的主要应用现在科学技术发展越来越快，因此聚合物基复合材料也将以更快速度发展，而聚合物基复合材料的发展关键在于降低成本。聚合物基复合材料的研究重点已经从过去主要关心性能与质量转到降低成本，强调低成本生产技术。低成本生产技术包括原材料、复合工艺和质量控制等各个方面。现重点用碳纤维复合材料来举例说明。与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面：(1)宇航工业用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层;卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件;航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件;哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。(2)航空工业用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体;次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有c/c刹车片。(3)交通运输用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件;船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆;海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。(4)运动器材用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。(5)土木建筑幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。(6)其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐;催化剂，吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、x光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。4聚合物基复合材料的未来与展望21世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟和集团化，这将更充分的利用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。今后的结构设计不仅仅是考虑承载和强度，不仅仅是考虑某一种功能，如阻尼减振降噪，突出要考虑的是它的智能性，即对环境变化做出适时响应和适应的能力，亦即材料与结构对信息的收集，信息的综合与处理以及信息的反馈与控制的方法与能力。智能材料与结构必须是材料、电子、机械、计算机？等多方面的集成与一体化，它是现代高新技术的综合与集成。由材料、结构和电子互相融合而构成的智能材料与结构，是当今材料与结构高新技术发展的方向。随着智能材料与结构的发展还将出现一批新的学科与技术。包括：综合材料学、精细工艺学、材料仿生学、生物工艺学、分子电子学、自适应力学以及神经元网络和人工智能学等。智能材料与结构已被许多国家确认为必须重点发展的一门新技术，成为21世纪复合材料一个重要发展方向。参考资料1、复合材料发展概述，复材中国，2012-04-242、杨飞飞，展望新型功能材料的未来，百度文库，2014-05-163、管理员，碳纤维复合材料的发展和应用，中电易展网，2014-09-244、王辉，陈宇飞，聚合物基复合材料，化学工业出版社，2010-7-1