復合材料與粉體材料

1、復合材料與粉體材料第1頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二復合材料概述三大材料：金屬無機非金屬有機高分子復合材料取長補短協(xié)同作用產生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能無機非金屬材料有機高分子材料金屬材料復合材料2Chapter 9 Composites第2頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二復合材料：由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同的材料組合而成的多相固體材料。一般由基體組元與增強體或功能組元所組成。復合材料特點：可設計性 即通過對原材料的選擇、各組分分布設計和工藝條件的保證等，使原組分材料優(yōu)點互補，因而呈現(xiàn)出出色的綜合性能。第3頁，共47頁，

2、2022年，5月20日，13點19分，星期二基體和增強材料Matrix and Reinforcement基體連續(xù)相增強材料分散相也稱為增強體、增強劑、增強相等顯著增強材料的性能多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強度較基體大?？梢允抢w維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體和增強體之間存在著界面。4第4頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二聚合物基復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料碳基復合材料水泥基復合材料復合材料第5頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二復合材料系統(tǒng)組合分散相連續(xù)相金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料金屬材料金屬纖維纖維/金屬

3、基復合材料鋼絲/水泥復合材料增強橡膠金屬晶須晶須/金屬基復合材料晶須/陶瓷基復合材料金屬片材金屬/塑料板無機非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復合材料纖維/陶瓷基復合材料晶須晶須/金屬基復合材料晶須/陶瓷基復合材料顆粒彌散強化合金材料粒子填充塑料玻璃纖維纖維/樹脂基復合材料顆粒碳纖維碳纖維/金屬基復合材料碳纖維/陶瓷基復合材料碳纖維/樹脂基復合材料炭黑顆粒/橡膠；顆粒/樹脂基有機高分子材料有機纖維纖維/樹脂基復合材料塑料金屬/塑料橡膠6Chapter 9 Composites第6頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二復合材料在受沖擊載荷時材料發(fā)生破壞（斷裂），其韌性大小取決于材

4、料吸收沖擊能量大小和抵抗裂紋擴展的能力。 以纖維增強復合材料為例，主要有纖維的拔出、纖維與基體的脫粘、纖維搭橋等增韌機制。9.5.2 增韌機制7Chapter 9 Composites第7頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二纖維脫粘纖維搭橋纖維拔出8Chapter 9 Composites第8頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二 目前在生產中采用的成型工藝方法有：手糊成型顯法鋪層真空袋壓法成型壓力袋成型樹脂注射和樹脂傳遞成型噴射成型真空輔助樹脂注射成型夾層結構成型模壓成型9Chapter 9 Composites第9頁，共47頁，2022年，5月20

5、日，13點19分，星期二注射成型擠出成型纖維纏繞成型拉擠成型連續(xù)板材成型層壓或卷制成型熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型離心澆鑄成型10Chapter 9 Composites第10頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二 擠出成型示意圖1-轉動機構；2-止推軸承；3-料斗；4-冷卻系統(tǒng)；5-加熱器；6-螺桿；7-機筒；8-濾板；9-機頭孔型11第11頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二聚合物/無機納米微粒復合材料聚合物/無機納米微粒復合材料是指無機納米粒子分散于聚合物基體中的復合體系。第一類以改善塑料力學性能和物理性能為主要目的。第二類主要是利用無機納米粒子的

6、某些功能制備功能材料。第12頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二1）塑料增強和增韌無機納米粒子分散相具有較大的比表面積和較高的表面能，并且具有剛性，復合材料力學性能好。聚合物基體中加納米粉體后，耐沖擊強度、拉伸強度、熱變形溫度都有較大幅度提高。最大優(yōu)點：可同時提高沖擊強度和抗張強度，模量也有提高。第13頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二2）功能材料第14頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二聚合物/無機納米微粒復合材料的制備方法1）共混法溶液共混法、乳液共混法、熔融共混法、機械共混法。除機械共混法允許采用非納米微粒外，其他共混法

7、都需先制備納米材料。共混法的主要難點是納米粒子的分散問題。第15頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二2）溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠(Sol-Gel)過程是一種用金屬烷氧化物或金屬無機鹽等前驅物 Si(OC2H5)4 在一定的條件下水解成溶膠(Sol)，再縮聚成凝膠(Gel)，然后經溶劑揮發(fā)或加熱等方法處理而制成固體樣品的方法。1）前驅物的水解2）縮聚第16頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二溶膠-凝膠法3）凝膠化 經過水解、縮聚后得到的是低粘度的溶膠，隨著時間的延長，溶膠中顆粒逐漸交聯(lián)而形成三維網絡結構。在該過程中，溶膠的粘度明顯增大，最后形成堅硬的玻

8、璃狀固體。溶膠的顆粒大小及交聯(lián)程度可通過pH值以及水的加入量來控制。4）陳化 凝膠形成后，由于凝膠顆粒之間的連接還較弱，因而在干燥時很容易開裂為了克服開裂，需要將凝膠在溶劑的存在下陳化一段時間，以使凝膠顆粒與顆粒之間形成較厚的界面 5）干燥 在干燥過程中，溶劑以及生成的水和醇從體系中揮發(fā)，產生應力，而且分布不均，這種分布不均的應力很容易使凝膠收縮甚而開裂。因此應注意控制溶劑、水和醇的揮發(fā)速度來降低凝膠的收縮和開裂程度。第17頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二溶膠-凝膠法Sol-Gel過程一般可采取兩種方式來實現(xiàn)： 一是無機相原位生成； 二是無機相和有機相協(xié)同生長。 無機

9、粒子是在聚合物提供的受控環(huán)境下通過Sol-Gel反應原位生成，相當于在一個納米模板或納米微反應器中生成。將預先形成的聚合物膜浸入前驅體溶液中，通過前驅體的離子交換或滲透完成摻合，然后經過水解、老化和干燥等步驟形成無機相。 無機相原位生成:第18頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二溶膠-凝膠法無機相和有機相協(xié)同生長: 將高分子先溶解于合適的溶劑中，再加入前驅物、水和催化劑，在適當?shù)臈l件下前驅物水解成溶膠，經縮聚反應后形成無機相，再干燥制得有機-無機納米復合膜。第19頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二溶膠-凝膠法在以上兩種不同的Sol-Gel方式得到的

10、納米復合體系中，一個明顯的區(qū)別在于最終微觀結構的不同。無機相原位生成可以有效控制無機相的尺寸，粒子的最大粒徑不會超過離子簇的尺寸。而當有機相和無機粒子的生長同時進行時，兩相之間的相互作用以及相對含量就會影響到復合膜最終的微觀結構。 第20頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二聚合物/蒙脫石納米復合材料聚合物/蒙脫石納米復合材料屬于納米插層復合材料。插層材料一般是指由層狀無機物與嵌入物質構成的一類材料。第21頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二蒙脫土的結構和性質蒙脫土是一種由納米厚度的硅酸鹽片層構成的粘土. 某些有機物可以進入蒙脫土的硅酸鹽片層之間,并可

11、在其間發(fā)生聚合. 根據這一特點,蒙脫土可以在有機單體的加熱聚合過程中有可能被解離成為納米尺寸的顆粒,這樣就為制備聚合物/ 粘土納米復合材料提供了新的途徑.第22頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二目前研究較多并具有實際應用前景的層狀硅酸鹽是21型粘土礦物，其基本結構單元是由兩層硅氧四面體中間夾帶一層鋁氧八面體構成，兩者之間靠共用氧原子連接。這種黏土的硅酸鹽片層之間存在堿金屬離子，在水中溶脹，即可溶脹的黏土。第23頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二蒙脫土重要性質膨脹性晶層之間的陽離子是可交換的，可用無機或有機陽離子進行置換。黏土等礦物顆?？煞蛛x成片層

12、，徑/厚比可高達1000，具有極高的比表面積，從而賦予復合材料極優(yōu)異的增強性能。第24頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二 蒙脫石有機改性表面修飾： 離子交換增大層間距 使粘土內表面由親水變?yōu)槭杷鍖觿┻x擇的條件：1 容易進入，并能顯著增加粘土晶片間層間距2 插層劑與聚合物或單體有較強的物理或化學作用，利于單體和聚合物的插層，并可增強粘土片層與聚合物間的界面黏結3 價廉易得第25頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二改性方法離子交換法硅烷偶聯(lián)劑法冠醚改性法單體或活性有機物插層法第26頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二高分子/層狀

13、硅酸鹽納米復合材料的制備方法插層復合法是制備高分子/層狀硅酸鹽納米復合材料的方法，即將單體或聚合物插入層狀硅酸鹽片層之間，進而破壞硅酸鹽的片層結構，使其剝離成層狀基本單元，并均勻分散在聚合物基體中，實現(xiàn)高分子與層狀硅酸鹽在納米尺度上的復合。一些常見的層狀硅酸鹽 ： 層狀硅酸鹽layered silicates分 子 式Chemical formula蒙 脫 土滑 石鋰蒙脫土沸 石蛭 石Nax(Al2-xMgx)(Si4O10)(OH)mH2OCax/2Mg2(AlxSi4-xO10)(OH)2mH2ONax(Mg3-xLix)(Si4O10)(OH)2mH2O(Na,Ca)x/2(Mg3-xL

14、ix)(Si4O10) (OH,F) mH2O(Na,Ca)x/2(Mg3 ) (AlxSi4-x)O10(OH)2mH2O第27頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二插層方法： 插層聚合：先將聚合物單體分散、插層進入層狀硅酸鹽片層之間，然后原位聚合，使片層剝離； 聚合物插層：聚合物直接嵌入硅酸鹽片層的坑道中。又分聚合物熔融插層和溶液插層第28頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二聚合物/層狀硅酸鹽納米復合物的結構與性能從結構的觀點來看，聚合物/層狀硅酸鹽（PLS）納米復合材料包括插層型（intercalated）和剝離型（exfoliated）納米復合

15、材料兩種類型。插層型PLS納米復合材料可作為各向異性的功能材料，而剝離型PLS納米復合材料具有很強的增強效應，是理想的強韌型材料。第29頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二 2聚合物基體材料的分類 用于復合材料的聚合物基體有多種分類方法，如按樹脂熱行為可分為熱固性及熱塑性兩類。第30頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二 2聚合物基體材料的分類 用于復合材料的聚合物基體有多種分類方法，如按樹脂熱行為可分為熱固性及熱塑性兩類。第31頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二熱塑性基體如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它們是一

16、類線形或有支鏈的固態(tài)高分子，可溶可熔，可反復加工成型而無任何化學變化。熱塑性聚合物的形態(tài)特征第32頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二熱固性基體如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬樹脂、不飽和聚酯等，它們在制成最終產品前，通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預聚體，經加熱或加固化劑發(fā)生化學反應固化后，形成不溶不熔的三維網狀高分子，這類基體通常是無定形的。熱固性聚合物的形態(tài)特征第33頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二聚合物基體按樹脂特性及用途分為：一般用途樹脂、耐熱性樹脂、耐候性樹脂、阻燃樹脂等。 按成型工藝分為：手糊用樹脂、噴射用樹脂、膠衣用樹脂、纏繞用樹脂、拉擠用

17、樹脂等。第34頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二由于不同的成型工藝對樹脂的要求不同，如粘度、適用期、凝膠時間、固化溫度、增粘等，因而不同工藝應選用不同型號樹脂。第35頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二 4聚合物基體的選擇 對聚合物基體的選擇應遵循下列原則：（）能夠滿足產品的使用需要；如使用溫度、強度、剛度、耐藥品性、耐腐蝕性等。 高拉伸(或剪切)模量、高拉伸強度、高斷裂韌性的基體有利于提高FRP力學性能。 第36頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二(2)對纖維具有良好的浸潤性和粘接力；(3)容易操作，如要求膠液具有足夠長的適

18、用期、預浸料具有足夠長的貯存期、固化收縮小等。(4)低毒性、低刺激性。(5)價格合理。 第37頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二傳統(tǒng)的聚合物基體是熱固性的，其最大的優(yōu)點是具有良好的工藝性。由于固化前，熱固性樹脂粘度很低，因而宜于在常溫常壓下浸漬纖維，并在較低的溫度和壓力下固化成型；固化后具有良好的耐藥品性和抗蠕變性；第38頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二熱固性樹脂的缺點是預浸料需低溫冷藏且貯存期有限，成型周期長和材料韌性差。第39頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二 熱塑性基體的最重要優(yōu)點是其高斷裂韌性(高斷裂應變和高沖擊強度)，這使得FRP具有更高的損傷容限。第40頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二此外，熱塑性樹脂基體復合村料，還具有預浸料不需冷藏且貯存期無限、成型周期短、可再成型、易于修補、廢品及邊角料可再生利用等優(yōu)點。第41頁，共47頁，2022年，5月20日，13點19分，星期二熱塑性基體的缺點：、是熱塑性基體的熔體或溶液粘度很高，纖維浸漬困難，預浸料制備及制品成型需要在高溫高壓下進行，、聚碳酸酯或尼龍這樣一些工程