课件10.1.1 热塑性复合材料的分类及特性第十章 热塑性复合材料10 热塑性复合材料及其工艺 定义 热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermo Plastics简称FRTP)是指以热塑性树脂为基体，以 各种纤维为增强材料而制成的复合材料。 分类 按树脂基体及复合后的性能 高性能复合材料 通用型复合材料 以优良纤维增强高性能热塑性树脂。eg：碳纤维、芳纶纤维 聚苯硫醚、聚醚酮 特点：比强度、比模量高，能在200以上长期使用 以玻纤及制品增强一般通用的热塑性树脂。eg：PP、PE、PVC 课件第十章 热塑性复合材料增强材料在复合材料中的形状 短纤维增强热 塑性复合材料 连续纤维增强热 塑性复合材料 长纤维粒料 短纤维粒料 长0.20.7mm，均匀无定向 分布在树脂基体中，纤维含 量30，各向同性。 连续纤维毡或布，按铺层方向分布， 属非均质材料。一般说，用连续纤维增强的热塑性复合材料的力学性能优 于短纤维增强的复合材料。10.1.1 热塑性复合材料的分类及特性课件第十章 热塑性复合材料热塑性复合材料的特性 (1)密度小、强度高 (2)性能可设计性 钢 7.8 g/cm3, 热固性CM 1.72.0 g/cm3热塑性CM 1.11.6 g/cm3与热固性复合材料相比，热塑性树脂种类多， 可选择性大，其可设计性好。热塑性复合材料的物理性能、化学性能及力学 性能都可以根据使用要求，通过合理的选择材料及 工艺来设计。10.1.1 热塑性复合材料的分类及特性课件第十章 热塑性复合材料(3)耐热性(4)耐化学腐蚀性一般地认为其耐热性比热固性树脂差。热塑性复 合材料耐热性一般在100左右。用玻纤增强后的热塑 性塑料的使用温度可大大提高。例如：尼龙6的热变形 温度为50左右，增强后可提高到190以上，高性能 热塑性复合材料的耐热可达250以上。导热系数：0.30.36 w/m.k 与热固性CM相当 CM的耐化学腐蚀性能一般取决于基体材料的特性 。耐腐蚀性较好的热塑性树脂有：氟塑料、聚苯硫醚 、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀等。表10-2列出了防腐 性能。热塑性复合材料的耐水性普遍比热固性复合材料 好。 10.1.1 热塑性复合材料的分类及特性课件第十章 热塑性复合材料(5)电性能(6)加工性能CM的电性能取决于树脂基体和增强材料的性能，其 电性能可以根据使用要求进行设计。热塑性CM具有良好的介电性能，优于热固性CM，不 受电磁作用，不反射无线电波。热塑性CM的工艺性能优于热固性CM，它可以多次成 型，废料可回收利用等。10.1.1 热塑性复合材料的分类及特性课件第十章 热塑性复合材料 10.1.2 FRTP的成型方法 (1)短纤维增强FRTP成型方法： 1)注射成型工艺 2)挤出成型工艺 (2)连续纤维及长纤维增强FRTP成型方法 1)片状模塑料冲压成型工艺 2)预浸料模压成型工艺 3)片状模塑料真空成型工艺 4)预浸纱缠绕成型工艺 5)拉挤成型工艺 热塑性CM的发展非常迅速，特别是近些年来，出现了 许多热塑性CM的成型方法。其产量美、日、西欧等国占 CM28，我国占4。主要用途：汽车制造、机电工业、化工防腐、建筑工程等。10.1.2 FRTP的成型方法课件第十章 热塑性复合材料102 热塑性复合材料成型工艺理论基础PRTP的成型过程 使物料变形或流动 取得形状 保持形状 FRTP成型的基础理论 树脂基体的成型性能 聚合物熔体的流变性 成型过程中的物理和化学变化 10.1.2 FRTP的成型工艺理论基础课件第十章 热塑性复合材料10.2.1 树脂基体的成型性能 1 可挤压性 可挤压性是指树脂通过挤压作用变形时 获得形状和保持形状的能力。 粘流状态注意：树脂只有在粘流状态时才能通过挤压而获得需 要的变形。树脂的熔体流动速率与温度、压力有关。树脂的可挤压性主要取决于熔体的剪切粘度和拉伸 粘度。剪切速率，熔体粘度挤压力，熔体流动速率10.2.1 树脂基体的成型性能课件第十章 热塑性复合材料2 可模塑性 是指树脂在温度和压力作用下，产生变形 充满模具的成型能力。 取决于树脂流变性、热性能和力学性能等 T，流动性充模能力强 ，易成型T过高，收缩率，易分解T过低，粘度，成型困难。P，流动性易成型P过高，易溢料和增加制品的内 应力，脱模后变形。P过低，造成缺料，产生废品。10.2.1 树脂基体的成型性能课件第十章 热塑性复合材料3 可延展性 高弹态聚合物受单向或双向拉伸时的变 形能力称为可延展性。 线型聚合物的可延展性取决于分子长链结构和柔顺性。 拉伸在Tg以下，称为冷拉伸拉伸在Tg以上，称为热拉伸10.2.1 树脂基体的成型性能课件第十章 热塑性复合材料4 热塑性聚合物的物理状态与温度关系 玻璃态 高弹态 粘流态 物态的变化受其化学组成，分子结构，所受应力和 环境温度的影响 10.2.1 树脂基体的成型性能课件第十章 热塑性复合材料图10-2 热塑性聚合物温度形变曲线与成型方法的关系。10.2.1 树脂基体的成型性能冷拉伸热拉伸真空压力成型中空吹塑压延挤出吹塑注射纺丝玻璃态TxTgTfTd 高弹态粘流态课件第十章 热塑性复合材料Tg玻璃化温度；Tf粘流温度；Td分解温度当T在TgTf时，高弹态，E，可逆的。 当TTf时，E 最小，粘度较小，变形不可逆的。 粘流温度是高分子链开始运动的最低温度，不仅和聚合物 的结构有关，还与分子质量大小有关。粘流态：纺丝、注射、吹塑、挤出、压延。 高弹态：真空压力成型、热拉伸、冷拉伸10.2.1 树脂基体的成型性能课件第十章 热塑性复合材料1022 聚合物熔体的流变行为 1 聚合物熔体的流变特性 n1n1n1时，胀流体 10.2.2 聚合物熔体的流变行为课件第十章 热塑性复合材料h吊丝内筒熔体外筒R1: 内半径； R2：外半径； h ：流体浸没内筒高度； ：外筒旋转角速度； M ：力偶（即内筒受到的 转矩）Margules 方程 假设：1、层流；2、忽略体积变化。同轴回转粘度计10.2.2 聚合物熔体的流变行为课件第十章 热塑性复合材料非牛顿流体表观粘度 k、n非牛顿参数 剪切速率 对非牛顿体除少数几种热塑性聚合物（聚碳酸酯、聚砜）外 ，绝大多数热塑性聚合物的流动规律属非牛顿型流动 。聚合物成型时的剪切速率大都在10104 S-1之间。10.2.2 聚合物熔体的流变行为课件第十章 热塑性复合材料聚合物(FRTP)熔体有以下流动特性(1)聚合物(FRTP)熔体流动本质，不同于低分子液体， 其分子运动是通过分子链段运动来实现，首先是若干链 段运动，然后是另一部分链段运动，最终导致整个大分 子重心移动而产生流动。 (2)聚合物熔体流动时呈非牛顿流体的流变性质，其流 动特征是粘度除与流体温度有关外，还随剪切力和剪切 速率的变化而改变。(3)聚合物熔体为粘弹体系，它在流变过程中包含有不 可恢复的粘性变形和可恢复的弹性变形。(4)聚合物熔体的粘度很大，流动困难，成型时需要加 大作用力。10.2.2 聚合物熔体的流变行为课件第十章 热塑性复合材料2 影响聚合物流变的主要因素 (1)聚合物结构和组分对粘度影响 a、聚合物分子链的刚性和极性愈小，熔体粘度愈小。 b、分子量分布愈宽（相同平均分子量），熔体粘度愈小。 c、玻璃纤维的加入提高粘度； d、增塑剂等可降低粘度。 (2)温度对粘度的影响 T，但T过高，会使聚合物降解。 T，加入GF，(3)压力对粘度影响 P， 主要是熔体体积收缩，分子间的作用力增加所 致。 (4)剪切速率对粘度的影响 大多数聚合物熔体的粘度随剪切应力或剪切速率的 增加而下降。10.2.2 聚合物熔体的流变行为课件第十章 热塑性复合材料3 聚合物熔体的弹性表现 (1)端末效应 产生原因：熔体由大管逼近小管时，它必须变形且有适 当的压缩以适应新的流道内流动。但聚合物熔体有弹性，对 变形具有抵抗力。因此，就须消耗适当的能量，即消耗相当 的压力降，来完成管内变形，这部分能量贮存于大分子的弹 性流动。入口收缩 效应 出口膨胀 效应 当熔体流出管口端头时，由于弹性变形的回复，使熔体 膨胀，聚合物熔体的这种弹性变形，称为端末效应。 10.2.2 聚合物熔体的流变行为课件第十章 热塑性复合材料(2)熔体破碎 熔体破碎是聚合物熔体从模口挤出后，挤出物表 面出现凹凸不平或外形畸变，乃至断裂的总称。 产生的原因：熔体流动时，在流道管 壁出现滑移和熔体中的 弹性回复所引起的。a、剪切速率不能过大； b、模口应光滑图10-8 有机玻璃于170不同应力 下发生不稳定流动时挤出物试样。10.2.2 聚合物熔体的流变行为课件第十章 热塑性复合材料作业：1、热塑性聚合物（FRTP）具有哪些流动特征？2、聚合物熔体的端末效应、熔体破碎是什么？3、热塑性树脂的成型性能表现为哪几个方面？10.2.2 聚合物熔体的流变行为课件第十章 热塑性复合材料10.3.3 聚合物的结晶和定向 聚合物在成型过程中受到某些条件的作用，能发生结 晶或使结晶度改变，在外力作用下大分子会发生取向。1 成型过程中聚合物的结晶 （1）聚合物结晶：大分子链段重新排列进入晶格，分子 链段由无规变为有规的松弛过程。 大分子链段的重新排列需要一定的热运动能量和分子 间足够的内聚能量。因此，只有在适当的温度范围内，聚 合物才能形成结晶。聚合物的结晶过程一般发生在TgTm 之间。10.3.3 聚合物的结晶和定向课件第十章 热塑性复合材料二次结晶：后结晶：后处理：可以降低制品的内应力，提高制品的尺寸和 形状稳定性。需要说明的是：1、并非所有的聚合物都能结晶，能够结晶的聚合物称“ 晶态聚合物”，不能结晶的聚合物为“非晶态聚合物” 。2、即使是晶态聚合物也只能部分结晶，不能与低分子一 样全部结晶。3、同一种晶态聚合物的结晶度不同，会使其物理性质有 很大差异。比如硬度、密度、软化点、强度等。10.3.3 聚合物的结晶和定向课件第十章 热塑性复合材料（2）聚合物的结态结构模型a、两相结构模型模型：聚合物结晶时总不能完全结晶，而只能部 分结晶，是晶区与非晶区同时共存的两相结构。每个 长链高分子贯穿几个晶区与非晶区，在晶区中分子链 段整齐排列成晶体，在非晶区中，大分子呈卷曲无序 状态。 这个模型可用来解释为什么结晶高聚物中晶区尺 寸比高分子链的长度要小得多的实验结果（X衍射 实验），以及在X射线衍射图中除了有代表晶态结 构的衍射环外还存在代表非晶态结构的弥散环的实验 事实。但它无法解释为什么有的高聚物结晶速度很快 ，如聚乙烯、聚酰胺等高聚物几乎能瞬时结晶，因为 一堆缠结的卷曲大分子链运动是很困难的，它们很难 在极短的时间内相互解开并规整排列形成结晶。 10.3.3 聚合物的结晶和定向课件第十章 热塑性复合材料b、褶迭链模型模型：认为在晶体中的柔性大分子链有两种不同类型 的排列和堆砌方式。一种是大分子链各自卷曲成有序程度 不高的链“球”，链“球”再互相有规则地堆砌起来，这 种堆砌在大范围上是有序的，在小范围内是无序的(分子 、原子数量级)。因此从X射线分析其是非晶相的。另一 种情况是大分子链基本保持伸直的构象，由于它们平行交 错可构成链束，如果链束的排列非常规整，那么可结晶成 晶体链束。由于这种链束细而长，表面能很大，它会褶迭 成“带”状结构。这就是高聚物结晶时的基本机构单元。 “带”还能堆积成晶片，“片”再增长可形成单晶。10.3.3 聚合物的结晶和定向课件第十章 热塑性复合材料c、聚合物分子结构与结晶性 1、化学结构和几何结构规则，对称的高分子能结晶。如 聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯等。 2、大分子链上取代基较小时能结晶有较大侧基的高分子不能结晶，如聚乙烯醇能结晶， 甲基丙烯酸甲酯不能结晶等。 3、缩聚产物能结晶如聚酯、聚酰胺等可以结晶。10.3.3 聚合物的结晶和定