聚合物复合材料讲解(详细版)(13)

而制成的。有两个重要的品种用于增强。第一种是E玻璃，含55%二氧化硅，20%氧化钙，15%氧化铝和10%氧化硼，拉伸强度为5GPa，因最初目标是在电气场合应用而得名（Electrical application）。第二种是S玻璃，其原料是10%氧化镁，25%氧化铝和65%二氧化硅。因其高强度而得名（High Strength），强度比E玻璃要高约30%。

玻璃纤维直径在5~25m之间。二者的用途基本相同，Ｅ玻璃价格略低，并且可以在较低温度下操作。

用作增强材料的玻璃纤维有多种形式，图4-9中为一些重要的种类。纤维可以是单根的，可以由若干根集结成束，也可以加捻成股。可以直接使用连续长纤维，可以切成短纤维，可以编织成织物，也可以由单根纤维制成无纺布。短纤维用于增强热塑性塑料与整体模塑制品。纤维束用于缠绕加工，或用于编织两维的玻璃布。两维织物增强的性能显然优于单维增强，但仍会造成材料性能的各向异性。目前正在研究三维的编织与增强技术。无纺布是中等长度纤维无规叠合而成的，类似毛毡。用无纺布增强比用两维织物要消耗更多的树脂，但制品表面光洁度要好一些。

玻璃纤维与基体树脂的亲和性对复合材料的机械强度是十分重要的。玻璃纤维经常用偶联剂进行处理以增强这种亲和性，最常用的偶联剂是硅烷偶联剂，通式为A3SiB，Ａ代表卤素，Ｂ代表一种可以与基体表面发生作用的官能团。使用硅烷偶联剂的目的就是要在玻璃表面生成Si-O键，而使分子的另一端与基体相容。偶联剂用于其它增强材料作用也是一样的。但如果偶联剂与基体结合不好，就会影响基体对应力的传递。因此偶联剂的选用也是材料设计的一部分。

图4-9 增强用玻璃纤维的种类

表4-1一些典型增强纤维的性质

4.4.6金属纤维

金属纤维很少作为聚合物的增强材料，主要原因有二。（1）制造复合材料的主要目的之一是减轻重量，而金属材料一般比重较高；（2）聚合物一般与金属材料的结合力很差。金属材料在聚合物基复合材料中最大的应用是制造夹心材料中的蜂窝结构，最常用的是铝。铝制的蜂窝结构再覆之以纤维增强的聚合物层，长期用作飞机上的构件，如门，座位，衬层等。但金属纤维用途有限。

增强纤维材料种类繁多，以上介绍只是择其要者。表4-1中的数据可以作一些补充。

4.5聚合物基复合材料

聚合物基复合材料是使用最早，使用量最大的复合材料。纤维增强的复合材料中聚合物基占四分之三。前面我们介绍了一些常用的聚合物基体。事实上，几乎所有的聚合物材料都可以用作复合材料的基体，而且前面介绍的所有纤维都可用作聚合物的增强材料。聚合物材料用体积分数20%到40%的玻璃纤维增强后，强度与模量都可以提高到未增强材料的两倍。如果用连续纤维增强，强度与模量可以提高四倍。增强的同时使热胀系数降低，蠕变速率降低，抗冲击性、热变形温度、尺寸稳定性提高。图4-10为玻璃纤维对聚合物材料的增强效果。有人还对长短纤维作了对比，发现长纤维复合材料的强度高于相同体积含量的短纤维，但并不高出许多。玻璃纤维、碳纤维或芳香尼龙纤维增强的聚合物材料用于汽车车身、飞机机身、电器外壳等一系列重要工业构件。

复合材料也有缺点，主要由于它是两相材料。两种不同材料的结合总会引起内应力，引起电化学作用，这使得复合材料所受到的环境侵蚀要比任一种单独材料严重。热胀系数的差异会造成翘曲、塑性形变和开裂等。

图4-10 玻璃纤维对一些塑料性能的影响 (a)拉伸强度；(b)模量

在聚合物基的复合材料中，临界纤维长度公式必须加以修正，因为聚合物基体并不能发生很大的塑性形变。由于界面应力的作用，在纤维末端处引起分层；分层的结果使基体将顺着纤维流动。结果应力不是直接通过基体传递，而是通过基体与纤维间的摩擦传递。所以方程（4-13）和（4-14）中的tc应该用mP来代替，m为基体与纤维间的摩擦系数，P为正压力。这种正压力或由聚合物固化收缩引起，或由材料不相容而发生的侧面变形引起。mP的乘积约为金属基复合材料中tc的十分之一。

纤维增强不仅提高了聚合物的强度与模量，也显著提高了聚合物的使用温度。图4-11分别表示了聚合物热变形温度和连续使用温度的提高。

聚合物基复合材料可以按基体分作热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基复合材料。几种典型热塑性树脂基复合材料的性能见表4-2。

图4-11 (a)纤维增强对热变形温度的影响；(b)对连续使用温度的影响

表4-2 几种热塑性树脂基复合材料的性能

热固性树脂基复合材料的种类比热塑性的多得多。文献中有时将其分为低性能与高性能两类。不饱和聚酯不能与昂贵的碳纤维和芳香尼龙纤维很好结合，一般只用玻璃纤维增强，被归入低性能复合材料一类。此类材料一般在常温下使用，不需要高温性能，也不需要太高的强度，如汽车车体、浴缸、游船船体、管材等。 高性能类热固性树脂基又可以分为三类：中温型、高温型与中温高强型。中温型的代表是酚醛。酚醛树脂的用途受到一定限制，原因是其加工比较困难，而且在固化时产生缩合水，造成气孔，降低材料 …… 此处隐藏：1108字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……