为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划短纤维增强聚合物基复合材料(共5篇)纤维增强聚合物基复合材料研究进展专业班级：J高分子0702姓名：许天锫指导老师李素敏职称：讲师摘要本文综述了纤维增强聚合物基复合材料特性和应用，总结了纤维增强热固性树脂基复合材料的研究进展，介绍了双马聚酰亚胺树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂和聚酰亚胺树脂等热固性树脂的现状及进展。分析了碳纤维增强环氧树脂基复合材料的进展及应用，综述了纳米材料、聚合物对碳纤维环氧树脂复合材料的改性进展,探讨了其改性机理。关键词：碳纤维环氧树脂聚合物基复合材料改性一、概述复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料，它们可以是金属、陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维1-2。范围在68m内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身质量却大为减轻；由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，因而碳纤维轴向拉伸强度大大提高，成为一种轻质、高强度、高模量、化学性能稳定的高性能纤维材料。用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料。此外，用天然纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维作增强体的树脂基复合材料也在快速发展。1、纤维增强聚合物基复合材料的特性比强度、比模量大碳纤维、硼纤维等有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度比钛合金高3-5倍，比模量比金属高4倍。这种性能因增强的纤维排列不同会在一定的范围内浮动。耐疲劳性能好金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏，而聚合物基复合才来哦中纤维与基体的界面能阻止材料的受力所致裂纹的扩展。因此，其疲劳破坏总能从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30-50%，而碳纤维/聚酯复合材料的疲劳强度极限可为其拉伸强度的70-80%。减振性好受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与结构材料比模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量高，因此用这类材料制成的结构件具有较高的自振频率。同时，复合材料中的界面具有吸震能力，使材料的振动阻尼很高。对相同形状和尺寸的梁进行振动实验得知，轻合金梁需9秒才能停止振动，而碳纤维复合材料只需秒就能停止同样大小的振动。过载时安全性好复合材料中有大量独立的纤维，当材料过载而有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到破坏的纤维上，使整个构件短期内不致于是去承载能力。具有多种功能性a、耐烧蚀性好聚合物基复合材料可以制成具有较高的比热，烧融热和气化热，可吸收高温烧蚀的大量热能。b、有良好的摩擦性能包括良好的摩阻特性及减摩特性。c、高度的电绝缘性能。d、耐腐蚀性。e、具有特殊的光，电、磁特性的聚合物与其它材料组成的多种功能复合材料。2、纤维增强聚合物基复合材料在低温下的应用纤维增强聚合物基复合材料的低温应用途径主要有3个方面【2】。结构支撑对重量有严格要求的航天器上目前常采用碳纤维及Kevlar纤维增强环氧树脂基复合材料作为太阳电池阵结构、天线结构及椼架结构支撑材料。东方红三号通信广播卫星的太阳电池阵结构中就采用了高模量碳纤维增强环氧树脂基复合材料作为夹层结构的面板以实现减轻质量，增加有效载荷效率的目的【3,4】。纤维增强聚合物基复合材料用于低温系统中的两类支撑定位结构形式分别是支承柱/管和支撑带，支承柱/管主要受压缩载荷，固定支撑带则主要承受拉伸载荷。支撑带低温下的应用主要涉及核磁共振元件，杜瓦及航天应用方面【5】；支撑柱/管的低温应用则包括杜瓦支撑，航天应用，高能物理加速器中超导磁体、超导磁流体动力系统及强冲击加载条件下超导磁体的支撑【6】。对于纤维增强聚合物基复合材料关键性能的要求包括压缩模量、压缩强度、拉伸模量、拉伸强度、导热系数、热膨胀系数、疲劳性能和抗辐射性能。低温容器压力容器和低温储罐采用纤维增强聚合物基复合材料作为结构材料。以玻璃、硼、Kevlar、碳等高强纤维作为增强材料，铝合金、不锈钢、钛合金等金属为内衬材料制成的纤维缠绕式容器，被用于运载火箭及航天飞机液氢、液氧燃料贮箱【7,8】；为降低发射费用，减轻飞行器质量，美国国家航空航天局自20世纪90年代中期开始研发以碳纤维增强复合材料为面板、轻质聚合物材料为芯材的夹层结构容器作为单级入轨、可重复使用下一代飞行器中低温燃料贮箱【9】。在民用方面，随着氢、天然气作为新型能源而逐渐得到广泛应用，也出现采用铝材做内衬材料，外部用碳纤维/环氧树脂做增强材料的压力储氢容器【10】，以及采用玻璃纤维层压复合材料作为液化天然气运输船绝热贮槽隔热材料的例子【11】。对于纤维增强聚合物基复合材料关键性能的要求包括导热系数、拉伸强度、拉伸模量、气/液渗透性、疲劳性能等。低温超导系统的绝缘件在低温超导领域，对于设备的要求除了支承、绝热方面还有电绝缘性、抗磁性、热膨胀性等。国际热核实验反应堆项目、中国科学院等离子体物理研究所的先进超导托卡马克核聚变装置、欧洲核子中心的大型强子对撞机中所用的超导磁体装置均采用纤维增强聚合物基复合材料作为绝缘材料。此外，用做核聚变反应堆和磁流体能量转换器中大型线圈的框架及励磁绕组线圈层间绝缘，以及脉冲磁体中非金属低温恒温器，也大都采用玻璃/环氧树脂等纤维增强层压复合材料作为支撑元件，同时也作为电绝缘部件【12】。对于纤维增强聚合物基复合材料关键性能的要求包括材料厚度方向力学性能，如剪切强度、压缩强度、剪切/压缩耦合强度，以及介电强度、抗辐射性能、放气性能、导热系数和热膨胀系数。二、纤维增强热固性树脂基体材料研究进展树脂基体是复合材料的另一个主要组分材料，分为热固性树脂基体和热塑性树脂基体，前者是目前发展的主流。热固性树脂基体在复合材料的固化和制造成型过程中，分子结构会产生一系列的物理和化学变化，由线性的分子结构转变成三维的网状交联结构；而树脂基体本身由粘流状态转变成不熔的坚实固体状态，将其中的纤维紧紧地固结在一起，形成一种新的多相的材料体系。树脂和纤维的作用是相辅相成的，正是由于树脂的固结和保护，纤维才能有效地发挥承载作用，所生成的复合材料才能用作结构件【13】。1、聚酰亚胺树脂聚酰亚胺是一类含有酰亚胺基的高分子,可以分成假热塑性聚酰亚胺(如Vespel零件和型材),热塑性聚酰亚胺(如P84,Ultem等)和热固性聚酰亚胺(Kinel模制零件等)。热固性聚酰亚胺是一种高温型的复合材料树脂基体，最高使用温度可达371，但加工工艺条件苛刻。大多是单体反应物原位聚合的聚酰亚胺，主要是以满足航空发动机复合材料部件的需要而开发的。美国NASA的Lewis中心于20世纪70年代率先进行了这方面的工作，并成功地开发出系列产品，如PMR-15，PMR-II，PMR-NV-15等，耐热性均高于BMI树脂，Tg可达350以上【14】。聚酰亚胺是一类耐热性极佳的高分子,60年初作为宇宙开发的一部分,杜邦公司率先开发出全芳香族聚酰亚胺(模塑料Vespel,薄膜Kapton)。70年代后半期开始以民用电气电子材料作为发展方向,轻量化高强度飞机用复合材料作为科研的发展方向。进入80年代几个有价值的热塑料聚酰亚胺商业化。1984年宇部兴产公司开发聚联苯四甲酰亚胺,该聚合物是耐化学药品性、耐热性较优良的Up2ilex。1993年三井东压化学公司上市了热塑性聚酰亚胺Aurum,上述二个品种1994年均获日本高分子学会奖,此种聚合物和NASA公司开发的热固性高韧性聚酰亚胺一起将作为21世纪飞机用耐热复合材料的母体树脂。聚酰亚胺除用作柔性印刷线路板(FPC)和带自动粘接(TAB)外,还可用作微电子层间绝缘膜和保护膜,为此感光性聚酰亚胺得到发展。透明聚酰亚胺由于价格昂贵,发展受到一定限制。液晶定向膜,聚酰亚胺纤维等的开发正盛行起来。聚酰亚胺的合成方法大致归纳为一步合成法,二步合成法、三步合成法和气相沉积法。可根据用途和品种选择合成方法。在二步合成法中目前正在研究解决聚酰胺酸溶液稳定性问题,所以出现聚酰胺酸烷基酯法,聚酰胺酸硅烷基酯法等。在一步法合成中为了提高聚酰亚胺的分子量,要尽量使溶液中的水份除去,可考虑共沸溶剂带水的方法,或用异氰酸酯代替二胺的合成方法,或将聚酰胺酸盐在高温高压下聚合的方法,这些改进方法都将向实用化迈进。在三步合成方法中实际上是终由聚异酰亚胺的合成方法,此法亚胺化过程中无低分子物产生,可使制品无气泡,正受到人们的关注。聚酰亚胺开发工作,从实用性考虑,二步合成法仍是通用广泛采用的方法。气相沉积法是制备聚酰亚胺涂层的方法,该法于高温把二酐和二胺直接以气流的形式传输到混炼器中混合形成薄膜。此法需要高温,控制有一定困难。2、氰酸酯树脂氰酸酯树脂吸湿率低、韧性好、介电性能好。氰酸酯是未来结构/功能一体化的有力候选材料，氰酸酯树脂一般需要较高的后处理温度，这给使用带来一些不便【15】。氰酸酯树脂是20世纪60年代研制开发的新型树脂,它的分子中含有两个或两个以上氰酸酯官能团(2OCN),结构通式可用NCO2R2OCN表示。氰酸酯树脂常温下多为固态或半固态,可溶于常见的溶剂如丙酮、氯仿、四氢呋喃、丁酮等,且与增强纤维如玻璃纤维、Kevlar纤维、碳纤维、石英纤维以及晶须等有良好的浸润性、表现出优良的粘结性、涂覆性及流变学特性。工艺性能与环氧树脂相近,不但可以用传统的注塑、模压等工艺成型,也适用于先进的宇航复合材料成型工艺,如:缠绕、热压罐、真空袋和树脂传递模塑(RTM)等。氰酸酯树脂收缩率较低,吸湿率小于115%,电性能好,介电损耗角正切值低,仅为0100201008,介电常数为218312,具有优良的粘结性和良好的阻燃性。此外,氰酸酯树脂还具有优良的力学性能,其弯曲强度和弯曲模量高于双官能团环氧树脂,弯曲模量介于双马来酰亚胺和多官能团环氧树脂之间,玻璃化转变温度较高(Tg为240280),并且改性后可一、1、复合材料定义及定义包含的内容和粒料纤维或片状材料所组成的一种固体物。定义包含的内容:(1)复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是各组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。复合材料中通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料2、有机纤维碳化法将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维；在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为