1、第五章 結構(jigu)復合材料共四十七頁Review of HPF4.1碳纖維碳纖維的制造（聚丙烯腈先驅絲法、纖維素先驅絲法以及瀝青(lqng)基碳纖維）碳纖維的性能及應用4.2有機纖維芳綸（PPTA、PBA的制備及性能）超高分子量聚乙烯纖維4.3無機纖維及晶須特種玻璃纖維（制備方法、性能與應用）硼纖維 （制備方法）氧化鋁纖維（制備方法、性能與應用）碳化硅纖維（制備方法、性能與應用）晶須（制備方法） 共四十七頁 Contents5.1、聚合物(樹脂)基復合材料(f h ci lio)5.1.1聚合物基體 5.1.2聚合物復合材料5.2、金屬基復合材料 5.2.1金屬基體 5.2.2金屬基復合

2、材料共四十七頁5.1聚合物基復合材料(f h ci lio)5.1.1聚合物基體(1)概述(2)聚合物基體的作用及類型(lixng)(3)熱固性樹脂(4)熱塑性樹脂5.1.2聚合物基體復合材料(1)復合材料的制造(2)復合材料的結構和性能共四十七頁冷卻塔風力(fngl)發電機葉片玻璃鋼水箱(shuxing) 樹脂基體及其復合材料共四十七頁 (1)概述(i sh)1.1聚合物的結構特征與性能(xngnng) 聚合物是巨型的鏈狀分子，骨架由碳原子共價鍵結合形成； 分子鏈可由相同或不同的結構單元構成； 聚合反應：縮合反應、加聚（加成）反應； 結 構：線型、支鏈型、網狀或梯型共四十七頁(2)聚合物基體

3、的作用(zuyng)及類型2.1、聚合物的作用固結分散的增強體以形成復合材料整體和賦予(fy)制做的形狀；保護增強體不受或少受環境的不利影響；在復合材料受力時向增強體傳遞載荷使他們發揮承力功能；決定復合材料的加工性能.2.2、聚合物的類型 熱固性包括環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂以及熱固性酚醛樹脂等； 熱塑性包括聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、熱塑性酚醛樹脂、聚醚醚酮以及聚醚醚酮等。共四十七頁3.1 基本概念熱固性： 在加熱或固化劑、引發劑、促進劑的作用下發生交聯而變成不溶不熔的網狀結構。交聯反應不可逆，只能(zh nn)一次成型加工。3.2 熱固性樹脂的基本性質3.2.1環氧樹脂 特點：具有優異的力學、電

4、學、化學穩定性和尺寸穩定性、環境耐久性；品種多、固化方便、粘附力強、固化收縮率低.(3) 熱固性樹脂(shzh)共四十七頁分類：縮水甘油醚、縮水甘油酯、縮水甘油胺、線性 脂肪族、環形脂肪族；工業指標：環氧值、環氧當量(dngling)、室溫粘度、軟化點、 氯含量、揮發分、適用期、貯存期等； 固化途徑：加入固化劑（反應或催化）交聯； 環氧基團之間直接交聯； 環氧基團與芳香和脂肪羥基交聯。應用領域：電氣絕緣材料、固態或熱態涂料、層壓復合材料。 3.2 熱固性樹脂(shzh)的基本性質共四十七頁3.2.2酚醛樹脂(fn qun sh zh)特點：耐高溫、不熔性、阻燃性、突出的瞬時(shn sh)高溫

5、耐燒蝕性能以及廣泛的改性余地。固化：熱固化或酸固化應用領域： 環氧改性酚醛樹脂（高強度玻璃鋼、涂層、模壓等）； 有機硅改性酚醛樹脂（高溫使用、耐燒蝕材料）； 硼改性酚醛樹脂（空間技術領域的耐燒蝕材料）改性途徑：封鎖酚羥基、引入其他組份隔離或包圍酚羥基。 3.2 熱固性樹脂的基本性質共四十七頁3.2.3 不飽和聚酯樹脂(j zh sh zh)(UPR,UP)不飽和聚酯樹脂特點： （1）由不飽和聚酯與交聯單體構成，具有(jyu)酯鍵和不飽和雙鍵； （2）不飽和聚酯：不飽和二元酸和飽和二元酸混合成； （3）交聯單體：苯乙烯、乙烯基甲苯、二乙烯甲苯、甲基丙烯酸甲酯和鄰苯二甲酸二烯丙酯。 3.2 熱固性

6、樹脂的基本性質共四十七頁不飽和聚酯樹脂性能： 物理性質： 耐 熱 性 熱變形溫度(wnd)、膨脹系數力學性能 較高的拉伸、彎曲和壓縮強度介電性能 良好 化學性能：耐酸耐水性較好、耐堿性和耐有機溶劑性能次之；耐化學腐蝕性受化學結構(jigu)和幾何形態的影響。 3.2 熱固性樹脂的基本性質共四十七頁 發展方向 1) 致力于開發低苯乙烯或無苯乙烯樹脂; 2) 以汽車(qch)為中心的FRP的再循環利用; 3) 將大型的手工鋪汽車成型方法改換為充氣膨脹法或RTM成型法; 4) 挖掘產品的新用途(如防水襯里材料等)。 應用（乙烯基酯樹脂）： 、粘合劑 、耐化學腐蝕玻璃鋼制品 、浴室(ysh)管道膠衣層

7、 3.2 熱固性樹脂的基本性質共四十七頁 特點：具有優良的物理、力學、電學、熱學和耐化學腐蝕等 性能。如：使用溫度范圍(fnwi)寬、阻燃、尺寸穩定等。 種類：耐高溫、耐輻射以及耐熱性能優良的樹脂圖為熱固性樹脂(shzh)、熱塑性樹脂(shzh)、硫和硫加樹脂(shzh)三套工藝包膜控釋肥產品 3.3 高性能熱固性樹脂共四十七頁3.3.1 聚酰亞胺(PI)特點：耐高溫，對熱和氧非常穩定(wndng)，有突出的耐輻射和良好的導電性能和耐腐蝕特點。類型：縮聚型（c型PI） PMR聚酰亞胺加聚型（a型PI） PMR11、15、20聚酰亞胺 聚雙馬來酰亞胺（BMI） 3.3 高性能熱固性樹脂(shzh

8、)共四十七頁 BMI樹脂(shzh)密度低(1.351.4gcm3)； 玻璃轉變溫度介于EP和PI之間(250-300)； 成型溫度比PI低，可在EP的固化溫度內固化； 無揮發物，無小分子，是酸性加成反應； 需后固化(250)，后固化之后的性能比EP好； 耐老化性能好，制品在220經1000 h老化后，各項重 要性能基本保持不變； 在250經5000 h熱老化后，強度下降50； 耐輻射性好，經Y射線5x109tad劑量照射，力學性能 無明顯變化。 BMI性能(xngnng)共四十七頁BMI性能 BMI分子端基含有活潑雙健，它可以進行游離基自聚或共聚反應形成均聚物或共聚物。 與PI相比，它們的性

9、能不相上下(b xing shng xi)，但BMI的合成工藝 簡單，后加工容易，成本低，可以方便地制成各種復合材料制品。但是BMI固化物較脆。 3.3 高性能熱固性樹脂(shzh)共四十七頁 在聚合物基復合材料制備中，BMI用作纖維增強和無機粒料填充的模塑料、浸漬玻璃布的層壓制品和浸漬漆等； 在航空航天工業中，BMI樹脂層壓件制成航天器的隔熱層、導彈耐燒蝕殼體、飛機雷達罩、尾舵部件、各種耐熱電子元件等； 在電氣工業中，作為F級(155，復合(fh)硅有機聚酯漆)、H級(180，復合薄膜、聚酰亞胺漆) 絕緣材料； 在機械工業中，作為剎車片、減震器、軸承、墊圈、密封件等。超細聚酰亞胺樹脂(shz

10、h)粉-結合劑 H級或F級電氣絕緣材料樹脂基體 BMI樹脂的應用共四十七頁3.3.2聚苯并咪唑(PBl)概述：聚苯并咪唑(PBl)樹脂(shzh)于20世紀50年代末期首次合成， 它是在主鏈中含有苯并咪唑重復單元的芳雜環聚合物。PBI性能：樹脂具有優異的熱穩定性，能在300空氣中耐氧化。PBI的制備： 聚苯并咪唑由芳族二元胺和芳族二元酸反應形成的低分子量預聚體與芳香族四元胺和芳香族二羧酸的衍生物縮聚制得。 3.3 高性能熱固性樹脂(shzh)共四十七頁PBI的性能與應用 PBI具有優良的耐高溫性能(具有芳香鏈的PBI在500穩定、具有脂肪鏈的PBI可在350以下(yxi)使用)。 PBI可用作

11、耐高溫粘接劑和復合材料基體；Tg427；耐蝕性好、電絕緣性好、不燃燒； 工藝復雜，復合材料成型需要高壓力、原料貴、成本高； 纖維增強的PBI基復合材料耐熱性高，如T300PBI的使用溫度316，拉件強度1000 MPa，彎曲強度1300 MPa。 3.3 高性能熱固性樹脂(shzh)共四十七頁 (4) 熱塑性樹脂(shzh)4.1 聚醚醚酮（PEEK）樹脂PEEK制備方法: 第一種方法原料(yunlio)：4，4，-二氟甲酮、對苯二酚、碳酸鈉(或碳酸鉀)，溶劑為二苯砜。第二種原料是4 ，4，-二氯苯酮和對苯二酚鈉。工藝為： 將4，4，二氟二苯甲酮、對苯二酚和二苯礬混勻，加熱到180，N2保護。

12、 加入等摩爾比的無水Na2C03反應，升溫210保溫1h，升至250保溫1 h，最后升至320保溫2.5 h。 冷卻反應物得到淡黃色粒狀固體，粉碎，再用丙酮、水、丙酮-甲醇溶液反復洗漆，除去二苯礬和無機鹽; 真空干燥(140)，得到純PEEK。共四十七頁 PEEK樹脂具有相當好的熱穩定性，熱變形溫度為160左右，熔點為334。 在空氣中420經2h失重僅為2左右。 最高長期使用溫度可達到200，在200下使用壽命可達5104h左右。 若加人30的玻璃纖維，連續(linx)使用溫度可達310。 PEEK樹脂還具有優良的長期耐蠕變性能和耐疲勞特性；具有優良的化學穩定性； PEEK樹脂(shzh)的

13、性能共四十七頁 除H2S04、氯磺酸等強酸外，在常溫下幾乎可以耐所有的化學試劑； 具有(jyu)優良的耐X射線、p射線和7射線性能，能承受高劑量的輻照而性能無明顯降低； 具有優良的電絕緣性能； 具有良好的阻燃性，氧指數較高，厚度1.6的制品，阻燃性可達到UL94V-0級。 PEEK樹脂對碳纖維有較好的粘接性，經碳纖維增強的PEEK具有較高的力學性能和耐熱性。 PEEK樹脂(shzh)的性能共四十七頁 PEEK樹脂(shzh)的應用耐高溫PEEK軸承(zhuchng)PEEK板材/棒材PEEK注塑件PEEK零件PEEK管線和接頭PEEK閥門共四十七頁 聚醚酮酮(PEKK)樹脂是繼PEEK之后開發

14、的又一種具有特殊結構的熱塑性工程塑料，特別適合于作為高性能樹脂復合材料的基體。(1) PEKK的制備美國DuPont公司法 1988年。制備樹脂原料(yunlio)：二苯醚、對苯二甲酰氧，用AICl3作催化劑。在硝基苯溶液中于6080下進行縮合反應，得到的PEKK分子量低，特性黏度小。4.2 聚醚酮酮樹脂(shzh)(PEKK)共四十七頁英國ICI法 制備樹脂原料(yunlio)：二苯醚，間苯二氯甲烷為溶劑。制成結晶型的PEKK樹脂。樹脂具有很高的熱穩定性能和力學強度。6氟雙酚A環狀聚醚酮(砜)合成(hchng)流程圖共四十七頁 PEKK樹脂的Tg比PEEK高1012；拉伸模量比PEEK高0.

15、7GPa，斷裂功不如PEEK，但比EP高10倍； 作為復合材料基體樹脂有足夠的強度，具有優良的耐燃性，氧指數高， NBS煙密度低，加工(ji gng)性能好。 (2) PEKK樹脂(shzh)的性能共四十七頁PEKK的應用與PEEK相仿。因PEKK的熔點高、黏度低、成型工藝好，所以應用比PEEK更廣泛。例如： 電線、電纜的絕緣包覆材料可用作耐輻的原于能控制電纜，耐H2S和耐熱的油井電纜、飛機、船舶(chunb)、X光裝置等特殊電纜的包覆材料，能在苛刻條件下長期使用； 機械零部件注塑制品有發動機輔助部件(能在240度長期使用)、活塞環、O形圈、滾珠軸承、飛機零部件、抗蠕變的天線罩等。 (3) P

16、EKK樹脂(shzh)的應用共四十七頁 概述： 聚苯硫醚(PPS)又名聚亞苯基硫醚，是以亞苯基硫醚為主鏈的半晶態高聚物，白色粉末，有極優良的熱穩定性，能在400空氣或氮氣中保持穩定。熔融聚合物于空氣中加熱時變黑，然后凝膠和固化，交聯后為熱固性固體。聚苯硫醚樹脂的制備技術： 溶液聚合法以對二氯苯和硫化鈉為原料，N甲基吡咯烷酮為溶劑，在175350，常壓至70Pa下進行(jnxng)反應制得PPS。 4.3 聚苯硫醚樹脂(shzh)(PPS)共四十七頁自縮聚法 以鹵代苯硫酚金屬鹽為原料，在吡啶溶液或無溶劑下自縮聚制得聚苯硫醚。PPS的性能： PPS的密度為1.36g/cm3，白色粉末，硬而脆，是一

17、種結晶型高級(goj)工程塑料； 具有高的熱穩定性，良好的耐化學藥品性，優良的電絕緣性、耐老化性、耐疲勞和阻燃性； 4.3 聚苯硫醚樹脂(shzh)(PPS)共四十七頁PPS的性能： 線型PPS在400的空氣和氟氣中保持穩定，長期使用溫度可達250，經化學交聯后可在290使用。 PPS為不燃性樹脂，其耐燃性能優于一般工程塑料。氧指數約為44，接近或超過耐燃性極優的聚氯乙烯； 有良好的耐無機酸、堿、芳香及脂肪烴、酮、醇及氧化烴等性能； PPS的剛性好，但韌性差，沖擊強度低。玻璃纖維或其他增強材料(cilio)增強后，沖擊強度、耐熱性和其他力學性能能得到全面改進。 4.3 聚苯硫醚樹脂(shzh)

18、(PPS)共四十七頁 PPS的應用(yngyng)聚苯硫醚PPS型材(xn ci)聚苯硫醚PPS板材、管材聚苯硫醚PPS板材、管材共四十七頁1、聚合物基復合材料(f h ci lio)的制造 常用制造工藝：手糊工藝、纖維纏繞、拉擠、熔融流動。（1）手糊工藝 分類：觸壓成型、袋壓成型、高壓釜成型等三類 特點：適應性強，不易精確控制(kngzh)，需要的填料少，成型周期 長，勞動強度大等。 應用：手糊工藝的應用廣泛。遍及從航空航天、艦船、汽 車、化工、醫療、體育到民用的多數部門。5.1.2 聚合物基體復合材料共四十七頁（1）手糊制品(zhpn)共四十七頁（2）纏繞成型 分類：干法纏繞、半干法纏繞和

19、濕法纏繞三種 纖維纏繞方式：環向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞三種 特點： 具備能充分發揮纖維的強度，制品的質量輕，勞動強 度低， 質量穩定，生產效率高等優點；但不能纏繞任意(rny)形狀的制 品，且生產設備成本高。 應用： 用于制造大直徑的圓柱形筒體和球形封頭容器，高壓氣 瓶，電機綁環及護環，船桅桿，風機葉片，網球拍，撐竿等。5.1.2 聚合物基體(j t)復合材料共四十七頁（1）纏繞(chnro)成型共四十七頁（3）拉擠成型 特點：生產過程能完全實現自動化控制，生產效率高，纖維體積含 量高（可達80），產品強度高，可以根據制品力學性能要 求調整縱橫向強度，廢料少，省工，省料，省能耗，質量穩定，重

20、復性好；但是產品形狀單調，只能生產線性型材，而且橫向強度不高。 應用：電工(dingng)領域、防腐工程、建筑工業、交通領域、運動娛樂等領域。5.1.2 聚合物基體(j t)復合材料共四十七頁（3）拉擠成型(chngxng)共四十七頁（4）熔融流動的成型技術(jsh) 工藝分類：注射成型、擠出成型和熱塑成型（5）增強反射注射模塑（RRIM） 特點：產品設計自由度大，可生產大尺寸件，成型壓力低，反應成型時無模具壓力，產品在模具內發熱量小，制品收縮率低，尺寸穩定性好，制品表面質量好，成型周期短，生產成本低。 應用：制作汽車和運動器材（6）樹脂傳遞模塑（RTM） 特點：制件尺寸精度高，外光質量高，可

21、以制造兩面拋光的制品，工藝環節少，成型效率高，適合中等規模產量的玻璃鋼產品，閉模操作，不污染環境，原材料及能耗少，建廠投資少；當時其模具設計和加工比較復雜5.1.2 聚合物基體(j t)復合材料共四十七頁樹脂(shzh)傳遞模塑格柵 FL-RTM-1不飽和聚酯樹脂(j zh sh zh) 樹脂傳遞模塑樹脂傳遞模塑（RTM）共四十七頁（7）模壓成型工藝 特點：生產效率高，易于實現全自動化，機械操作，產品尺寸精度高，重復性好，表面光潔，生產成本低。但是，其模具制造復雜，投資較大，只適合大批量生產。 應用：用于制造衛星天線罩、車輛外殼、保險杠、傳動軸油盤(yu pn)、輪轂、彈簧片、全塑汽車車體、水箱、整體浴室、淋浴間底盤、居室門、運貨箱、左翼等5.1.2 聚合物基體(j t)復合材料共四十七頁模壓(my)成型模壓成型(chngxng)對焊式彎管模壓成型管材汽車（嵌入式）模壓成型模壓成型板材共四十七頁（8）壓層及卷管成型工藝（9）噴射成型技術 特點：用玻璃纖維粗紗代替織物，降低了材料的成本，生產效率比手糊高24倍，產品整體性好，無接縫，層間剪切力強度高，耐滲漏性好，產品尺寸形狀不受限制。