聚合物基复合材料--增强材料

1第二章增强材料Reinforcementmaterial22.1概述2.1.1添加剂（助剂或配合剂）能改善聚合物基体性能，而不明显影响聚合物分子结构的辅助材料。按功能分类：1.提高稳定性：抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂和防霉剂等2.改善力学性能：强度、模量、硬度、韧性等，纤维增强剂、微粒填充剂、增韧剂、偶联剂等；3.加工性能：降低熔融温度，增加物料流动性，如增塑剂、润滑剂、脱模剂等；4.表面性能和外观：抗静电剂、防雾滴剂、着色剂和荧光增白剂5.耐燃性：阻燃剂3颗粒、薄片和纤维增强材料，是聚合物基复合材料的骨架。它是决定复合材料强度和刚度的主要因素。2.1.2增强纤维的品种与性能4纤维材料的性能优势5商品化的纤维品种：1.无机纤维1）玻璃纤维fiberglassOwenscorning美国；泰山、巨石、重庆复合材料有限公司；2）碳纤维：聚丙烯腈基、沥青基；日本:东丽三菱3）硼纤维boron4）碳化硅纤维SiC5）氧化铝纤维Alumina2.有机纤维1）刚性分子链对位芳酰胺：kevlar,twaron；聚苯并咪唑；聚芳酯；2）柔性分子链聚乙烯；聚乙烯醇62.2玻璃纤维glassfiber玻璃纤维：将熔融的玻璃液以极快的速度拉成细丝而成。质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布，玻璃带等织物。玻璃纤维无捻粗纱GlassFiberRoving短切纤维AR-GlassFiberChoppedStrand72.2玻璃纤维2.2.1玻璃纤维的组成和分类2.2.2玻璃纤维及玻纤制品的制备2.2.3玻璃纤维的结构2.2.4玻璃纤维的性质2.2.5玻璃纤维制品的品种和规格82.2.1玻璃纤维的组成及分类1)玻璃纤维的组成SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离子结构物质。（1）SiO2：作用：形成基本骨架，高熔点（2）金属氧化物Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3等，作用：①改善制备玻璃纤维的工艺条件：Na2O、K2O；②使玻纤具有一定特性。BeO：提高模量；B2O3：提高耐酸性，改善电性能，降低熔点、黏度。但模量和强度下降。9（1）按化学组成（碱金属氧化物含量）p28有碱玻璃纤维12%;中碱玻璃纤维6%~12%；低碱玻璃纤维2%~6%；微碱玻璃纤维2%（无碱玻璃纤维）（2）按纤维使用特性分普通玻璃纤维（A-GF：average）电工用玻璃纤维（E玻璃纤维：electrical）高强型玻璃纤维（S玻璃纤维strength）高模量型玻璃纤维（M-GF：modulus）耐化学药品玻璃纤维（C玻璃纤维：chemical）耐碱玻璃纤维（AR玻璃纤维：alkali-resistant）低介玻璃纤维（D玻璃纤维：dielectric）高硅氧玻璃纤维石英玻璃纤维2）玻璃纤维的分类10表2-2常用玻璃纤维的化学成分中碱玻璃纤维11（3）按产品特点分按纤维长短分：定长纤维（6~50mm）连续纤维按纤维直径的大小：粗纤维（单丝直径30um）初级纤维（单丝直径20um）中级纤维（单丝直径10~20um）高级纤维（单丝直径3~9um）；按纤维外观分：连续纤维短切纤维空心玻璃纤维磨细纤维玻璃粉中空玻璃纤维玻璃粉纤维越细、缺陷越少、强度越高122.2.2玻璃纤维及玻纤制品的制备1）玻璃纤维的制备砂石灰石硼酸熔炼炉造球机玻璃球铂金坩埚漏丝板玻璃纤维1260℃15~18mm3~20um1000~3000m/min1300℃坩埚拉丝法：制球和拉丝（102、204、408孔，d=1.5~2mm,玻璃液为1190℃）132011第一次课单丝filament：从坩埚中拉出的每根纤维叫单丝；原纱strand：一个坩埚拉出的所有单丝经过浸润剂槽后，集束成一根原纱；池窑法将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维。省去制球工艺生产能力高可自动化控制，产品质量稳定；适用于生产粗玻璃纤维；142）玻纤制品的制造玻纤经原纱退绕后可以制成各种制品，如无捻粗纱、短切纤维毡等。设备：纺纱机和织布机15无捻粗纱ContinuousRovings短切纤维毡Choppedstrandmat表面毡Surfaceveils第一次课2010163）玻璃纤维浸润剂玻璃纤维突出的弱点:较脆而且不耐磨，纤维之间的摩擦系数大。在拉丝和纺织过程中，纤维就难免出现断裂现象；刚拉出的纤维容易受到空气中水蒸汽的侵蚀，使其强度下降。浸润剂的作用：使单丝集束，便于后续的并股、纺织等工序；防止原纱缠绕成卷时，纤维相互黏结；保护纤维，防止纺织时纤维的表面磨损而降低强度使多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度；保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用。浸润剂：是一种乳液，包括：粘结组分:2~15%润滑组分:0~5%表面活性剂17浸润剂类型:（1）纺织型浸润剂石蜡型浸润剂淀粉-油浸润剂（2）增强型浸润剂主要成分：（3）化学处理剂偶联剂成膜剂：聚酯、环氧、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯，聚丙烯酸酯等；还包括：偶联剂、润滑剂、润湿剂、抗静电剂等组分：石蜡、凡士林、矿物油、硬脂酸、表面活性剂等；：淀粉、动植物油、阳离子胺类化合物、水溶性树脂等；182.2.3玻璃纤维的结构一次结构：以SiO2为基本骨架的无机离子型高聚物；19二次结构：为各向同性的无定形结构。拉制出的玻璃纤维处于不稳定状态，再次受热会发生收缩，其结构也应与玻璃的结构相同，为无定形的离子结构。结晶1190℃1135~1140℃600℃冷却速率↑→玻璃化温度↑→自由体积↑→密度↓E块状玻璃：ρ=2.58g/cm3玻璃纤维：ρ=2.52g/cm3202.2.4玻璃纤维的性质1）力学性质（1）玻璃纤维的拉伸应力－应变关系应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段;呈脆性材料特征（2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低。拉伸强度：10um以下1000MPa；5um以下2400MPa；21玻璃纤维强度具有以下特点：①单丝直径越小，拉伸强度越高；②试样测试段长度越大，拉伸强度越低；22③化学组成对强度的影响：④强度的分散性较大⑤受湿度影响：吸水后，湿态强度下降23拉伸模量：70GPa断裂伸长率2.6~3%;密度为2.50~2.56g/cm3，比有机纤维大，但比一般金属纤维密度低。242）热性能类似于无定形有机高聚物，存在Tg、Tf两个转变；Tg较高，约600℃；拉伸强度受温度的影响较大；200~250℃：无明显影响300℃24h：↓20%400℃24h：↓50%导热系数低，良好的绝热性能；热膨胀系数较低。253）耐介质性能Na2O/K2O离析，溶解酸玻纤硅酸盐硅酸胶体（促进）保护膜（减缓溶解过程）水玻纤Na2O/K2O溶解碱性SiO2骨架破坏浓碱玻纤溶解玻纤所有成分，玻纤变细26碱含量越大，玻璃纤维受水侵蚀的速率越快。在水中浸泡后，强度降低。一般来说，除氢氟酸外，对酸、稀碱、盐及有机溶剂都具有较好的耐腐蚀能力。274）电性能（1）电绝缘性好玻璃纤维的体积电阻率为1011~1018Ω.cm。玻璃钢大部分做绝缘材料。含碱量越高，电阻率越低；湿度越大，电阻率越低；温度越高，电阻率越低。（2）良好的高频介电性能玻璃纤维的介电常数较小，介质损耗很低，具有良好的高频介电性能，可做雷达罩，微波天线的天线罩。282.2.5玻璃纤维制品的品种与规格1玻璃纤维纱1）常用的术语、参数（1）原纱Strand玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱；（2）表示（原）纱粗细的指标支数:1g纱的长度（m）。支数越大，原纱越细；特（tex）:1000m长纱的质量（g）旦或袋（Denier）:9000m长纱的质量（g），特和旦数越大，纱越粗。29（3）捻度纱的加捻程度，单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，以捻／m为单位（4）股数N由几根原纱合股组成。玻璃纱的公称支数为原纱支数/股数Z捻(左捻)，顺时针方向加捻；S捻(右捻)，逆时针方向加捻。加捻的作用：提高纤维的抱合力改善单纤维的受力状况，利于纺织工序的进行。缺点：捻度过大不易被树脂浸透。302）纱的品种和规格（1）品种有捻纱和无捻纱随合股数的不同分：粗纱、细纱无捻粗纱：纤维平行排列，较松散，对树脂的浸润性好，但易断头、起毛、不易编制。有捻细纱：刚好相反。（2）规格单丝直径：4um、6um、8um原纱支数（m）:40、80、160股数：有捻纱：2~8股；无捻纱：5~60股；纱的公称支数（原丝支数/股数）、断裂强度及捻度等。（3）牌号表示法无碱纱4－600/2：4－单丝直径4um；600－原纱支数；2－股数N为2无碱玻璃纱。313）折算断裂强度纱的截面积：折算断裂强度：Pb-纱的拉断力β0-原纱的支数,β0=Nββ-玻璃纱的公称支数，1g纱的长度，（m）ρf-密度（g/cm3）注意纱和原纱的区别，纱由N股数的原纱组成。324）纱强度低于单丝强度的原因①两者的测量标距不一样，单丝：10mm；纱：200mm；②各单丝准直不一，不可能同时受力，同时断裂，最终断裂是强度最大的单丝；③加捻使得纤维承受附加的扭转力。332玻璃布1）布的品种与规格（1）玻璃布的品种按编织方法不同，分为：平纹布、斜纹布、缎纹布单向布无纬布无捻布（无捻方格布）3435单向布经纬向拉断力相差悬殊的玻璃布，经纱是密纱或强纱，纬纱是稀纱或弱纱。与无纬布不同。无捻布无捻纱编制的玻璃布，比较常用的是平纹编织无捻粗纱布。无捻方格布单向布3637（2）主要规格表2-7编织方法：布的厚度：反映纤维弯曲程度；布的幅度：排纱密度：为1cm布宽上排了多少根经纬纱，面密度Gf：布单位面积的纤维质量，g/m2布在经、纬向的拉断力有很大差别的，这种布即单向布。常有4:1，7:1，11:1，14:1的单向布供应。（3）牌号表示法平纹-100：厚度0.1mm的平纹布；EW100A-90:E:无碱；W：布；100：0.1mm厚;A:类别；90：幅宽90cm。382）布的折算断裂强度3）布强度低于纱强度的原因玻纤经过纺织以及在布中呈现弯曲和扭曲状态。2.5cm—测试时布条的宽度b—排纱密度，根纱/cm;394）布的使用特点（1）编织情况编织方法对布的使用特点的影响：（2）布厚度布越薄，纤维弯曲越小，纤维拉伸强度越高；易浸透胶，但糊制层数多。（3）排纱密度排纱密度越大，越不易浸透胶。403.其他玻纤制品1）立体编织物2）玻璃纤维毡片①短切原丝毡②连续纤维毡③缝合毡④表面毡（单丝毡）3）缝编织物4）无纬布短切原丝毡缝合毡412.3碳纤维2.3.1碳纤维的分类2.3.2碳纤维的制造2.3.3碳纤维的结构2.3.4碳纤维的性能2.3.5碳纤维品种与规格2.3.6碳纤维的发展422.3碳纤维1880爱迪生曾经用竹炭纤维作灯丝；1959美国联合碳化物公司（UnionCarbideCorp.）人造丝Thornel1962日本进藤昭男聚丙烯腈1963日本大谷杉郎沥青20世纪70年代，中国生产碳纤维（品种少，性能一般，产量低）——是由有机纤维如黏胶纤维、聚丙烯腈纤维或沥青纤维在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90~99%的纤维。432.3.1碳纤维的分类1.按先驱体纤维原料类型分类聚丙烯腈基碳纤维沥青基碳纤维黏胶基碳纤维气相生长碳纤维有机纤维炭化法气相法442.按碳纤维的制造方法不同分类碳纤维（800~1600℃）石墨纤维（2000~3000℃）氧化纤维（预氧化丝200~300℃）活性炭纤维气相生长碳纤维（600～1200℃）453.按纤维力学性能分类通用级碳纤维（GP）高性能碳纤维（HP）:中强型MT高强型HT超高强型UHT中模型IM高模型HM超高模型UHM通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为100GPa46474.按碳纤维应用领域分类：商品级碳纤维：大丝束，单丝数在24K以上宇航级碳纤维：小丝束，12K5.按碳纤维功能分类：受力结构用碳纤维；耐焰碳纤维；活性碳纤维；导电用碳纤维；润滑用碳纤维；耐磨用碳纤维；耐腐蚀用碳纤维2010第二次课482.3.2结构与力学性能的关系(该部分内容需要加强！)1)拉伸强度与实际值理论值模量（GPa）1020强度（GPa）180实际