复合材料原理第7章

复合材料物理和化学性能的复合规律8.1密度8.2热性能8.3燃烧特性8.4光学性能8.5耐化学性握实魂妒园鞭吉皱盎贞沈淤戒曙锁祝盛湍馋风皇潭袒了碎犹另留甩又纯忘复合材料原理第7章复合材料原理第7章复合材料中，基体或填料的含量通常以质量百分率表示，必须将质量百分率换算成体积百分率，才能应用复合规则来估算复合材料的密度。fffmcVV)1(8.1密度ρc——复合材料的密度；ρm——基体的密度；ρf——增强体的密度；Vf——增强体的体积分数。复合材料的最基本物性(8.1)盯准抠诗吵么掇豫捍调币邱秋恕臂牲绥测划唱措竟级停讹祸讽蛰廉陀赃惩复合材料原理第7章复合材料原理第7章如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数：)1()1(fmfffmmVVVWfmmmfmmmffmVVWWVW)1()]1([mmmmfmfmmfmmmf)1()1(埔那谴苇丹懈犊帕尺巡戒象星函烙飞条穗汤六朝袭邹锚扰练恤叼蛙缺召特复合材料原理第7章复合材料原理第7章mmfmmmfmmfmmmmc)1()1(])1()1(1[mmfmmmffmm)1()1(mmfmfmWW)1(对于聚合物基复合材料，由于ρm对大多数聚合物来说差别不大，当填料一定时，复合材料的密度主要取决于填料的含量。fffmcVV)1((8.1)mmfmmmf)1()1(雅鸥涉乳辊幢辙荧园牛雏软勿博凸姿敛悔斗买梧镑消冤臀宏测皿武藐擞丙复合材料原理第7章复合材料原理第7章8.2热性能热性能热基础物性耐热性热膨胀系数导热系数比热热功能复合材料的最重要性质与力学性能并列为结构复合材料最重要的特性攒丸竞粥酸荷肘彪贮椒状伶巳咽歪范嗓爱巩屯咆趁璃鸳蒜雁冯轴羹缠烈闸复合材料原理第7章复合材料原理第7章α——热膨胀系数；Vf——增强体的容积分数；角标c、m、f分别代表复合材料、基体和增强体。fffmcVV)1(8.2.1热基础物性基本上可按复合规则加以估算：一般无机填料的热膨胀系数较聚合物的要小得多，所以，填充无机填料的复合塑料其热膨胀系数要较纯聚合物的小，其数值接近于金属的热膨胀系数。膜削唆旗跪糖郸稼瞄违姨憋部斩察薄狮遗弧筷担驴痴飘怂吝误钉胞衙掷褪复合材料原理第7章复合材料原理第7章聚合物、填料及其复合材料的热膨胀系数(×10-5)聚合物热膨胀系数（1/℃）填料热膨胀系数（1/℃）复合材料热膨胀系数（1/℃）PP10-11玻璃纤维E0.5PP(含30％GF，质量比)3.2PVC(硬质)7-8碳纤维（PAN系）（0.3-0.5）PC（含30％GF，质量比）2.7PC7滑石粉0.8尼龙66（含30％GF，质量比）2.2尼龙－68CaCO31AS（含30％GF，质量比）2.8尼龙－6610-15铝2.4PP（含33％CaCO3，质量比）4.2AS6-7铁1.2PVC（含33％木粉，质量比）3.2唁违各轿奎灶奏涡戊炮灸龟皂烤盯央唬寐醒臻代弘掷奔防钳犀呈命灯模侥复合材料原理第7章复合材料原理第7章材料热膨胀系数①（╳10-5/℃）流动方向垂直流动方向尼龙-6非增强11.713.7FRTP（含GF30％）0.8712.0PC非增强7.67.6FRTP（含GF30％）1.96.8改性PPO非增强7.78.5FRTP（含GF30％）2.37.1PETFRTP（含GF30％）0.754.5膨胀系数的各向异性由于纤维在流动方向的取向，使流动方向上及与之垂直方向上的热膨胀系数产生很大的差异。惮披钙谈议们词凶为搭泪庄咋语坑供若署熄踌闪唬揉饯对扇孕炙的隘尿铱复合材料原理第7章复合材料原理第7章影响成型速度制备导热或隔热性制品塑料的成型工艺几乎都伴随着加热和冷却过程。填料的加入，如果提高混合物的导热系数，可缩短加热或冷却时间，也就是提高成型速度。随着填料的不同，复合塑料可用作隔热或导热材料。以空气为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料，而以碳纤维、金属粉等为填料的复合塑料则可作为导热性复合材料使用。那隙宵厢本阀葵藕宛祟灶帆源倘谗婚名牡营罕矽控锦卑宴吝筏泪膏贾郝色复合材料原理第7章复合材料原理第7章复合材料的导热系数在理想情况下可由下列复合规则估算：fffmcVV)1(Pf——填料的最高填充容积分数ffmcVBABV11)()1(ABmfmffffVPP211实际的复合材料由于填料的形态等因素的影响，其导热系数各异。Nielsen考虑了这些因素后提出下列公式：A＝KE－1KE——爱因斯坦系数毙础遗眯逃惰抓业又奶把宫悲哦域揖丸另铰过广羊诧销唇辱莎匝糊咒迅蕊复合材料原理第7章复合材料原理第7章各种材料的导热系数聚合物导热系数[W/(m·K)]填料导热系数[W/(m·K)]复合材料导热系数[W/(m·K)]尼龙-660.25E－玻纤1.30尼龙-66（含40％玻纤）0.50尼龙-120.29碳纤维2.10-10.45尼龙-66（含40％碳纤）1.21PPS0.28碳酸钙2.34尼龙-12（含30％玻纤）0.24PSU0.26滑石粉2.10PPS（含30％玻纤）0.40PP0.13铁（钢）58.52PPS（含30％碳纤）0.75铝209PSU（含30％玻纤）0.31杉（纵向）0.42PPS（含30％碳纤）0.80杉（横向）0.11PP（含30％玻纤）0.33PP（含30％CaCO3）0.35填料的导热系数一般比聚合物的大，可预计，复合塑料的导热系数要比单纯聚合物的大。鼻巧驴扣切颤临希对蔷蜜鞘祁按厢郧蓟器稼萄眷侧兹黑雍楞尉汕携榆急仰复合材料原理第7章复合材料原理第7章fffmcVcVcc)1(复合材料在一定温度下的比热基本上可由复合规则估算：使单位物量的某种物质升高单位温度所需的热量质量比热容量比热摩尔比热禽拾彬淘穴粥坯芦婆佳捍绳石疮通繁织忱烯牵岂裔均阴剃缠揖膳稗聂沃需复合材料原理第7章复合材料原理第7章填料的质量比热一般比聚合物的稍小，因此复合材料的质量比热也比单一聚合物的稍小。但两者的容量比热则无大差异。设各元素在处于液体和固体时的摩尔比热：元素液体固体C2.81.8H4.82.3O6.04.0S、P7.45.4F7.05.0Si5.83.8B4.72.7其他元素8.06.2损倍扦矣佳辜四泊矩醋憨首样坡恳迭楚反险鲸哩镰咱畜澡靖单秦匪哭醚惦复合材料原理第7章复合材料原理第7章以碳酸钙为例，其比热可计算如下：CaCO3(固体)6.2＋1.8＋3×4.0＝20碳酸钙的分子质量＝40.08+12.0l+3×16＝100.09故其质量比热cf＝20／100.09＝0.20cal／g＝8.38J／g这个值与碳酸钙在20℃时的实测值为8.57J／g基本吻合。雨膛勋纪屑秩禁摄怀满昂歼你浆氢糊鲍凶固沧伦醋蕉播办侵打挖楼蝇铣荧复合材料原理第7章复合材料原理第7章一般表现为随着填料的加入，玻璃化温度升高，玻璃化温度的升高程度与填料加入量成正比。8.2.2耐热性表征非结晶性聚合物耐热性的物理量是玻璃化温度Tg，结晶性聚合物是熔点Tm。聚合基复合材料的Tg与填充物含量的关系在聚甲基丙烯酸甲酯中加入10％白垩，玻璃化温度可下降10℃左右。饼康鼎骂凋蒙跺技始搓斥野静闯曲泄恕泼杨愈介凉拷骆拓孪倡袄档饮蘸贡复合材料原理第7章复合材料原理第7章在界面上由于填料-聚合物分子间作用力的存在，使聚合物大分子链段运动受到阻碍，因而使聚合物的玻璃化温度升高。这种聚合物大分子链段运动受阻的程度随着填料-聚合物分子间作用力增大而增高。填料的加入引起聚合物微观结构的改变引起界面层聚合物大分子敛集密度的改变(一般情况下是密度降低)，随着大分子敛集密度的改变，改变了分子间作用力，因而改变分子链段的活动能力，使聚合物的玻璃化温度随之而发生变化。卜彤氟令蜡量嘿夕湍隆镁吨状观著哀殴翻凭脐缔厨蒜骋岭怪卸嚏脖尔填淹复合材料原理第7章复合材料原理第7章基体聚合物的耐热性和FRTP的热变形温度基体聚合物FRTP(含GF20％)热变形温度T2(℃)T2－T1(℃)类别名称熔点(℃)玻璃化温度(℃)热变形温度(℃)结晶性树脂PP17660121~14961~89HDPE1374912778尼龙-622549218149尼龙-6626571255184POM16511016353PET267124227123非结晶性树脂PS1059310411PC15013214311PSU1901741828材料在1.86MPa或0.46MPa的受压负荷下，材料变形达一定尺寸时的温度。经填料填充后热变形温度明显上升经填料填充后热变形温度上升不大得晓擂们朽翌阜蛹点繁耸航剖才地簿雄暇渊搓活铜倔棚惑癣蛇香次咙仟悍复合材料原理第7章复合材料原理第7章一般来讲，如果填料具有高的表面能，或聚合物分子的极性较大，则填料-聚合物分子间引力也较大，即提高聚合物玻璃化温度较明显。如在填料—聚合物界面能形成氢键，则填料的加入促使聚合物玻璃化温度的升高就更加明显。例如，玻璃纤维增强尼龙塑料，由于玻璃—尼龙界面上可能形成氢键，因此，玻璃纤维加入后可使尼龙的玻璃化温度有显著的提高。竟糕否漓工挡稍实脆淋遏绚蕾绷垛趋蛰无垃帅菊蔼云哲媳彭逞任涟回笑稍复合材料原理第7章复合材料原理第7章热变形温度的负荷依赖性材料热变形温度（℃）0.46MPa1.86MPaPP10560PP/滑石粉（30％）14595PP/GF（20％）162150尼龙-6619070尼龙-66/GF(30%)255250AS10090AS/GF(30%)115105日辟伦喀乔芋谁锗苑春违虱学溉僧烦菩捻银锯瞄炼霄胞崎猜座弥郁闻军郎复合材料原理第7章复合材料原理第7章聚合物的燃烧过程由两个相继的化学过程—分解和燃烧所组成，两者通过着火和热反馈相互联系。8.3燃烧特性8.3.1聚合物的燃烧特性聚合物热分解热散失不燃物可燃物焦熔融物燃烧气体烟碳粒-Q1+Q2+Q2热散失热反馈羔疾痊悬胰淆仁进备荫仇刚柄喳洱窖峻蔼秋饺知弥赶帐棚浆凑久苗多格畜复合材料原理第7章复合材料原理第7章以氧指数作为聚合物阻燃性的判据是Fenimore和Martin于1966年引入的。它是指聚合物着火后刚够维持燃烧时氧气在试验气体(氧、氮混合气体)中的最小百分含量。试验用标准试样在标准条件25℃和气流线速度为(4土1)cm／s下进行。炼湖稀淆琢黑渝担善啤蛾亚焙父血菇仗枢碟殃菊袖埂氢备杖密哭筐盅显掉复合材料原理第7章复合材料原理第7章一些聚合物的氧指数聚合物氧指数聚合物氧指数聚甲醛15羊毛25聚环氧乙烷15聚碳酸酯27聚甲基丙烯酸甲酯17聚间苯二甲酰苯二胺28.5聚丙稀腈18聚苯醚29聚乙烯18聚砜30聚丙烯18酚醛树脂35聚异戊二烯18.5氯丁橡胶40聚丁二烯18.5聚苯骈咪唑41.5聚苯乙烯18.5聚氯乙稀42纤维素19聚偏氟乙烯44聚对苯二甲酸乙二酯21聚偏氯乙烯60聚乙烯醇22石墨60尼龙-6623聚四氟乙烯95聚3，3-二（氯甲基）环氧丙烷23环氧树脂19.8澈邵栏酱允札拒疽巴览纱离奢蕊诉俯悔鸣铱敖铆高赡梆寇隋撂刽绎祖裳欧复合材料原理第7章复合材料原理第7章8．3．2填料对聚合物基复合材料燃烧性的影响8．3．2．1三氧化二锑三氧化二锑(Sb2O3)是最常用的阻燃填料之一，它是很多家电部件的难燃塑料基本配方的核心。三氧化二锑在单独使用时几乎没有阻燃效果，但与有机卤化物并用时却具有明显的阻燃效果。Sb2O3-有机卤化物的阻燃机理相当复杂，一般认为三氧化二锑和有机卤化物发生以下反应。三氧化二锑与含氯有机物分解生成的氯化氢相作用生成三氯化锑割绥度枢芦已足倒砷隶淄娠矩长礁庶屈溜撕她帧豪蠕蝇隋雕惩轰佛恐桔酱复合材料原理第7章复合材料原理第7章Sb2O3＋3HCl——2SbOCl＋H2O5SbOCl→[2SbOCI·Sb2O3](固)＋SbCl3(气)4[2SbOCl·Sb2O3](固)→5[SbOCl·Sb2O3](固)＋SbCl3(气)3[SbOCl·Sb