【正文】 緒論 復(fù)合材料的定義與分類 ― 由兩個或兩個以上獨立的物理相，包括粘結(jié)材料 ( 基體 ) 和粒 , 纖維或片狀材料所組成的一種固體產(chǎn)物” 稱為復(fù)合材料 （ GB 3691）。 復(fù)合材料的最大特點是復(fù)合后的材料特性優(yōu)于組成該復(fù)合材料的各單一材料之特性增強(qiáng)材料的性能隨其組成材料含量及分布情況而變，基體材料的性能、含量，增強(qiáng)材料與基體材料間的界面結(jié)合情況及其復(fù)合方式與工藝等是決定復(fù)合材料性能的基本因素。 樹脂基復(fù)合材料的特性 ? 輕質(zhì)高強(qiáng) 比強(qiáng)度、比模量高 強(qiáng)度、模量分別除以密度之值，是衡量樹料承載能力的指標(biāo)之一。玻璃鋼的比強(qiáng)度可達(dá)鋼材的 4倍。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料約比強(qiáng)度可達(dá)鈦的 ，比模量可達(dá)鋁約 。這對要求自重輕的產(chǎn)品意義頗大。 優(yōu)點 ? 抗疲勞性能好疲勞破壞是材料在交變裁荷作用下，由于微觀裂縫的形成和擴(kuò)展而造成的低應(yīng)力破壞金屬材料的疲勞破壞是由里向外突然發(fā)展的，往往爭先無征兆，而纖維復(fù)合材料中纖維與基體的界面能阻止裂紋擴(kuò)展，其疲勞破壞總是從材料的薄弱環(huán)節(jié)開始，逐漸擴(kuò)展，破壞前有明顯的征兆。大多數(shù)金屬材料的疲勞極限是其拉伸強(qiáng)度的 40 ％ 50 ％，碳纖維復(fù)合材料則達(dá) 70 ％ 80 ％。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的抗聲振疲勞性能亦甚佳。 ?減振性好復(fù)合材料中的纖維與樹脂基體界面有吸振能力，故其振動阻尼甚高，可避免共振而致的破壞曾對形狀。尺寸相同的 輕金屬合金 及 碳纖維復(fù)合材料 所制的懸臂梁作過振動試驗，前者需 9 s才能停止振動，后者僅需 s。 ?破損安全性好纖維復(fù)合材料基體中有大量獨立的纖維，每平方匣米上的纖維少則幾干根，多至上萬根從力學(xué)觀點上看，是典型的靜不定體系。當(dāng)構(gòu)件超載并有少量纖維斷裂時，裁荷會迅速重新分配在末破壞的纖維上。這樣，在短期內(nèi)不致于使整個構(gòu)件喪失承載能力。 ? 耐化學(xué)腐蝕 常見的熱面性破璃鋼一般都耐酸、稀堿、鹽、有機(jī)溶劑、海水并耐濕熱塑性玻璃鋼耐化學(xué)腐蝕性一般較熱固性為佳。一般而言，耐化學(xué)腐蝕性主要決定于基體。玻璃纖維不耐氫氟酸等氯化物，生產(chǎn)適應(yīng)氫氟酸等氰化物的復(fù)合材料產(chǎn)品時，接觸氟化物表面的增強(qiáng)材料不能用玻璃纖維．可采用飽和聚酯或丙綸纖維 ( 薄氈 ) ，基體亦須采用耐氫氟酸的樹脂，如乙烯基酯樹脂。 ?電性能好絕緣性可達(dá)到甚高水平，但亦可做成防靜電的或?qū)щ姷脑诟哳l下能保持良好的介電性能。不受電磁作用，不反射電磁波，能透過微波。這些性能遠(yuǎn)非金屬材料所能比擬。 ?熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)小，在有溫差時所產(chǎn)生的熱應(yīng)力比金屬低得多。有的玻璃鋼 ( 酚醛基體 ) 耐瞬時高溫 (3800 ℃ ) ，是很好的耐燒蝕材料。 ?可制得透明及各種色彩的產(chǎn)品；藉助加強(qiáng)肋、夾芯結(jié)構(gòu)、波紋等可使制品獲得所需的強(qiáng)度與模量；各種組件、構(gòu)件可在主體成型中一并嵌入成型，脫模后工時大為縮減；易于修補(bǔ)與保養(yǎng)；隔磁、隔音。 ?成型工藝性優(yōu)越可根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與使用要求及生產(chǎn)數(shù)量，合理地靈活選擇原輔材料及成型工藝。 ?成型工藝性優(yōu)越可根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與使用要求及生產(chǎn)數(shù)合理地靈活選擇原輔材料及成型工藝。 缺點 (1)玻璃鋼的彈性模量較低； (2)耐熱性遠(yuǎn)低于金屬，目前高性能樹脂基復(fù)合材料長期使用溫度在 250 ℃ 以下，一般玻璃鋼在 60100 ℃ 以下； (3)可燃，雖可做到阻燃或自熄，但燃燒時冒黑煙、有臭味； (4)表面硬度低，易劃痕，耐磨性差； (5)存在老化問題； (6)生產(chǎn)要注意安全防護(hù)； (7)產(chǎn)品質(zhì)量離散系數(shù)大； (8)沖擊、剪切強(qiáng)度低無屈服點，受力過程中可產(chǎn)生分層； (9) 影響性能的因素多，難以達(dá)到理想的性能，至今尚未建立完善的設(shè)計公式與數(shù)據(jù)庫。 復(fù)合材料的組成分為兩大部分：基體與增強(qiáng)材料。 基體： 構(gòu)成復(fù)合材料連續(xù)相的單一材料如玻璃鋼中的樹指就是基體。 增強(qiáng)材料： 復(fù)合材料中不構(gòu)成連續(xù)相的材料如玻璃鋼中的玻璃纖維就是增強(qiáng)材料，復(fù)合材料的分類方法頗多，通常按其基體材料不同，可分為三大類：。 ①聚合物基復(fù)合材料．通常說的樹脂基復(fù)合材料歸屬此類。 ②金屬基復(fù)合材料。 ③無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，如陶瓷基復(fù)合材料三種復(fù)合材料中，以樹脂基復(fù)合材料用量為大，占所有復(fù)合材料用量的 90 ％以上。 ? 熱固性樹脂復(fù)合材料； ? 熱塑性樹脂復(fù)合材料。 樹脂基復(fù)合材料按聚合物特性 ( 樹脂 ) 分類 聚合物加工的理論基礎(chǔ) 第一章 材料的加工性 聚合物具有一些特有的加工性質(zhì)，如有良好的可模塑性 Moudability)，可擠壓性 (Extrudbility) ，可紡性 (Sinnability) 和可延性 Stretchability) 正是這些加工性質(zhì)為聚合物材料提供了適于多種多樣加工技術(shù)的可能性，也是聚合物能得到廣泛應(yīng)用的重要原因。 第一節(jié) 聚合物材料的加工性 一、聚合物的可擠壓性 聚合物在加工過程中常受到擠壓作用，例如聚合物在擠出視和注塑機(jī)料筒申、壓延機(jī)輥筒間，以及在模具中部受到擠壓作用。 可擠壓性 是指聚合物通過擠壓作用形變時獲得形狀和保持形狀的能力。 如果粘度很低，雖流動性好，但保持形狀的能力差；相反，剪切粘度很高時會造成流動和成型的因難。材料的擠壓性質(zhì)還與加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)有關(guān)。擠壓過程聚合物熔體的流動速率隨壓力增大而增加，通過流動速率的測定可以決定加工時所需的壓力和設(shè)備的幾何尺寸。 一定溫下 10 分鐘內(nèi)聚合物從出料孔擠出的重量 ( 克 ) 來表示，其數(shù)值就稱為熔體流動指數(shù) [MI]，通常稱為熔融指數(shù) , 熔體流動速率簡寫為 [MFI] 。 根據(jù) Flory 的經(jīng)驗式，聚合物粘度 η 與重均分子量 Mw有如下關(guān)系 : 二、聚合物的可模塑性 可模塑性 是指材料在溫度和壓力作用下形變和在模具中模制成型的能力。具有可模塑性的材料可通過注射、模壓和擠出等成型方法制成各種形狀的模塑制品。 可模塑性主要取決于材料的流變性，熱性質(zhì)和其它物理力學(xué)性質(zhì)，熱固性聚合物還與聚合構(gòu)的 化學(xué)反應(yīng)性 有關(guān)。 除了測定聚合物流變性之外，加工過程廣泛用來判斷聚合物可模塑性的方法是螺旋流動試驗，它是通過一個有阿基米得螺旋形槽的模具來實現(xiàn)的。 模具的熱傳導(dǎo)對螺旋線長度的影響 通過螺旋流動試驗可以了解 : ? 聚合物在寬廣的剪切應(yīng)力和溫度范圍內(nèi)的流變性質(zhì)； ? 模塑時溫度、壓力和模塑周期等的最佳條件； ? 聚合物分子量和配方中各種添加劑成分和用量對模塑材料流動性和加工條件的影響關(guān)系 。 ? 成型模具澆口和模腔形狀與尺寸對材料流動性和模塑條件的影響。 三、聚合物的可紡性 可紡性 是指聚合物材料通過加工形成連續(xù)的固態(tài)纖維的能力它主要取決于材料的流變性質(zhì)，熔體粘度、熔體強(qiáng)度以及熔體的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等。 四、聚合物的可延性 可延性 表示無定形或半結(jié)晶固體聚合構(gòu)在一個方向或二個方向上受到壓延或拉伸時變形的能力。 由于材料在拉伸時發(fā)熱 ( 外力所作的功轉(zhuǎn)化為分子運動的能量，使材料出現(xiàn)宏觀的放熱效應(yīng) ) ，溫度升高，以致形變明顯加速，并出現(xiàn)形變的“細(xì)須”現(xiàn)象這種因形變引起發(fā)熱，使材料變軟形變加速的作用稱為“應(yīng)變軟化”。所謂“細(xì)頸”，就是材料在拉應(yīng)力作用下截面形狀突然變細(xì)的一個很短的區(qū)域。 α稱為細(xì)頸角 1 通知 ? 下周五做實驗，時間： 8： 00，不得遲到（具體內(nèi)容周三通知）； ? 下周三理論課，不得缺課和遲到，違者取消本課程成績； ? 提交實習(xí)報告、實習(xí)日記。 ? 交回吉林實習(xí)車票。 總結(jié) ? 可擠壓性 是指聚合物通過擠壓作用形變時獲得形狀和保持形狀的能力。 ? 可模塑性 是指材料在溫度和壓力作用下形變和在模具中模制成型的能力。具有可模塑性的材料可通過注射、模壓和擠出等成型方法制成各種形狀的模塑制品。 ? 可紡性 是指聚合物材料通過加工形成連續(xù)的固態(tài)纖維的能力它主要取決于材料的流變性質(zhì)，熔體粘度、熔體強(qiáng)度以及熔體的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等。 ? 可延性 表示無定形或半結(jié)晶固體聚合構(gòu)在一個方向或二個方向上受到壓延或拉伸時變形的能力。 第二節(jié) 聚合物在加工過程中的粘彈行為 加工過程中聚合物于不同條件下會分別表現(xiàn)出固體和液體的性質(zhì)，即表現(xiàn)出彈性和粘性但由于聚合物大分子的長鏈結(jié)構(gòu)和大分子運動的逐步性質(zhì)，聚合物的形變和流動不可能是純彈性的或純粘性的，而是彈性和粘性的綜合即粘彈性的。 一、聚合物的粘彈性形變與加工條件的關(guān)系 按照經(jīng)典的粘彈性理論，加工過程線型聚合物的總形變 γ可以看成是普彈形變 γE, 推遲高彈形變 γH 和粘性形變 γV三部分所組成，可用下式表示； σ為作用外力 。 t 為外力作用時間； El 和 E2 分別表示聚合物的普彈形變模量和高彈形變模量； η 2 和 η 3 分別表示聚合物高彈形變和粘性形變時的粘度。 二、粘彈性形變的滯后效應(yīng) 聚合物大分子的長鏈結(jié)構(gòu)和大分子運動的逐步性質(zhì)，聚合物分子在外力作用時與應(yīng)力相適應(yīng)的任何形變都不可能在瞬間完成，一定溫度下，從受外力作用開始，大分子的形變經(jīng)過一系列的中間狀態(tài)過渡到與外力相適應(yīng)的平衡態(tài)的過程看成是一個 松弛過程 ，過程所需的時間稱為 松弛時間 。 式中 t*為推遲高彈形變松弛時間 t*=η 2／ E2 其數(shù)值為應(yīng)力松弛到最初應(yīng)力值 1/ e( ％ ) 所需之時間。 第二章 聚合物的流變性質(zhì) 大多數(shù)加工中，聚合物都要產(chǎn)生流動和形變 , 研究物質(zhì)形變與流動的科學(xué)稱為流變學(xué) (流動學(xué) ) 。聚合物流變學(xué)的用主要研究對象是認(rèn)識應(yīng)力作用下高分子材料產(chǎn)生彈性 , 塑性和粘性形變的行為以及研究這些行為與各種因素 ( 聚合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，溫度，力的大小和作方式 , 作用時間以及聚合物體系的組成等 ) 之間的相互關(guān)系。由于流動與形變是聚合物加工過程最基本的工藝特征，所以，流變學(xué)研究對聚合物加工有非常重要的現(xiàn)實意義 。 第一節(jié) 聚合物熔體的流變行為 材料受力后產(chǎn)生的形變和尺寸改變 ( 即幾何形狀的改變 ) 稱為應(yīng)變 γ。應(yīng)變方式和應(yīng)變速率與外力的性質(zhì)和作用位置有關(guān)在上述三種應(yīng)力作用下的應(yīng)變相應(yīng)為簡單的剪切、簡單的拉伸和流體靜壓力的均勻壓縮。 單位時間內(nèi)的應(yīng)變稱為應(yīng)變速率 ( 或速度梯度 ) ，可以表示為： 一、牛頓流體及其流變方程 低分子液體在圓管中流動時，當(dāng)其雷諾準(zhǔn)數(shù) Reynod‘s 2100 為層流聚合物熔體通常在加工過程中的流動基本上是層流流動，一般熔體的 Reynod‘s 1 。 速度梯度為 一個液層相對于又一個液層移動的距離，是剪切力作用下該液層的剪切應(yīng)變。 γ表示單位時間內(nèi)的剪切應(yīng)變，即剪切速率。 低分子液體的流動時應(yīng)力和剪切速率之間存在關(guān)系可表示為： 二、非牛頓流體及其流變行為 ? 由于大分子的長鏈結(jié)構(gòu)和纏繞聚合物熔體、溶液和懸浮體的流動行為遠(yuǎn)比低分子液體復(fù)雜，在寬廣的剪切速率范圍內(nèi)，這類液體流動時剪切力和剪切速率不再成比例關(guān)系，液體的粘度也不是一個常數(shù)，因而聚合物液體的流變行為不服從牛頓流動定律。 聚合物加工時 ?當(dāng)作用于假塑性液體的剪切應(yīng)力變化時，剪切速率的變化要比剪切應(yīng)力的變化快得多； ?膨脹性液體的流變行為則正好相反，液體中剪切速率的變化比應(yīng)力的變化來得慢； ?賓漢液體的流動曲線是不通過座標(biāo)原點的直線 . 屈服剪切應(yīng)力 τ y ?假塑性液體和膨脹性液體的粘度不是常數(shù)，它隨剪切速率或剪應(yīng)力而變化。將非牛頓流體的粘度定義為表觀粘度 ηa ( 即非牛頓粘度 ) 在剪應(yīng)力 剪切速率的雙對數(shù)座標(biāo)圖上，表觀粘度就是通過曲線的非牛頓區(qū)域 ( 即彎曲部分 ) 某點所作斜率為 1 的直線與 logγ=0( 即 γ＝ 1) 的垂線交點所對應(yīng)的數(shù)值。 以表現(xiàn)粘度對剪切速率 ( 或剪應(yīng)力 ) 作圖可得到幾種典型的 ηa γ曲線，可明顯看出不同類型液體的粘度對剪切速率的依賴性不同。 根據(jù)應(yīng)變中有彈性效應(yīng)和應(yīng)變時事件的關(guān)系，通常可將非牛頓流體分為三種類型： 非牛頓流體的應(yīng)力 —應(yīng)變關(guān)系曲線如圖。 非牛頓流體受到外力作用時，其流動行為有以下特征： 結(jié)論： ?剪應(yīng)力和剪切速率間通常不呈比例關(guān)系，因而剪切粘度對剪切作用有依賴性； ?非牛頓性是粘性和彈性行為的綜合，流動過程中包含著不可逆形變和可逆形變兩種成分。 Oswald De Waele 提出指數(shù)定律方程，反映粘性液體流變性質(zhì)的經(jīng)驗性關(guān)系式。在 有限的范圍 內(nèi) (γ在一個數(shù)量級內(nèi) ) 有相當(dāng)好的準(zhǔn)確性，形式簡單。對成型來說，剪切速率不能很寬。指數(shù)定律在分析液體的流變行為、加工能量的計算以及加工設(shè)備或模具的設(shè)計等方面都比較成功。粘性液體，在定溫下與給定的剪切速率范圍內(nèi)流動時，剪切力和剪切速率具有指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，其數(shù)學(xué)式為： ( 一 ) 粘性液體及指數(shù)定律 K 相當(dāng)于牛頓流體