聚合物复合材料性能.pdf

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1、 13 玻璃钢 2008 年第 1 期 聚合物复合材料性能 周祝林 叶进峰 许皓 郑忠星 羊慧芳（浙江电力成套控股集团公司）聚合物复合材料性能的最突出特点是性能可设计性和各向异性。可以选择不同聚合物和增强材料，以及不同的配方、成型工艺等达到不同的性能。可以采用增强纤维及织物，按不同的铺设方法达到各向不同的性能，从而达到产品设计目的。聚合物复合材料的性能，在常温常态下也称常规性能，可分为基本力学性能和理化性能。基本力学性能主要指拉伸、弯曲、压缩、剪切、冲击性能。理化性能主要指密度、巴氏硬度、固化度、树脂含量、负荷热变形温度、热导率、电阻率、线热膨胀系数、耐水性等。另还有特殊性能，如蠕变、疲劳、高

2、低温、热、电、声、耐化学腐蚀、燃烧性、大气老化等性能。1 基本力学性能 聚合物复合材料是轻质高强的现代材料，其力学性能，特别是增强纤维方向的拉伸强度比较高，大于一般金属材料。聚合物复合材料力学性能主要取决于增强材料性能、状态（纤维、织物）、方向，也取决于聚合物性能及成型工艺。1.1 拉伸性能 拉伸性能包括拉伸强度、弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。对于如高压容器、高压管、叶片等产品，必须要测出聚合物复合材料的拉伸性能，才能进行产品设计及检验。对于不同的聚合物复合材料，拉伸性能试验方法是不同。对于普通的，用国标 GB/T1447进行测试；对于缠绕成型的，用国标 GB/T1458 进行测试；对于定向

3、纤维增强的，用国标GB/T33541 进行测试；对于拉挤成型的，用国标 GB/T13096-1 进行测试。使用最多的是GB/T1447。国标 GB/T1447，对于不同成型工艺复合材料，又规定不同形状的拉伸试样，有带 R 型、直条型及哑铃型。使用拉伸试验机或万能试验机按规定的加载速度对试样施加拉伸载荷直到试样破坏。用破坏载荷除以试样横截面面积则为拉伸强度。从测出的应力应变曲线的直线段的斜率则为弹性模量，试样横向应变与纵向应变比为泊松比。破坏时的应变称为断裂伸长率。单位面积上的力，称为应力，通常用 MPa（兆帕）表示，1MPa 相当于 1N/mm2的应力。应变是单位长度的伸长量，是没有量刚（单位

4、）的。14 不同的现代复合材料其拉伸性能大不一样，以玻璃纤维增强的玻璃钢为例：1：1 玻璃钢，拉伸强度为（200-250）MPa，弹性模量为（10-14）GPa；4：1 玻璃钢，拉伸强度为（250-350）MPa，弹性模量为（15-22）GPa；单向纤维的玻璃钢（如缠绕），拉伸强度大于 800MPa，弹性模量大于 24GPa；SMC 材料，拉伸强度为（40-80）MPa，弹性模量为（5-8）GPa；DMC材料，拉伸强度为（20-60）MPa，弹性模量为（4-6）GPa。1.2 弯曲性能 一般产品普遍存在弯曲载荷，弯曲性能是很重要的。同时，往往用弯曲性能来进行原材料、成型工艺参数、产品使用条件因

5、素等的选择。弯曲性能，一般采用国标 GB/T1449 进行测试；对于拉挤材料，用国标 GB/T13096.2 进行测试；对于单向纤维增强的，用国标 GB/T3356 进行测试。测试弯曲性能的试样一般是矩形截面积的长条，简称为矩形梁。采用当中加载的三点弯曲法。梁的横截面的上表面承压缩应力，梁下表面承受拉伸应力，横截面积上还要承受剪切应力，中性层剪应力最大，因此梁所承受弯曲时，其应力状态是很复杂的，破坏形色也是多种的。原材料品种、性能及成型工艺参数对弯曲性能很敏感，试验方法和试样尺寸同样也很敏感，为了达到材料弯曲破坏，国标对试样的跨（跨度或支距）高（试样厚度）比（l/h）有一定要求，一般要求 l/

6、h16，对于单向纤维增强的材料，要求 l/h32。由于弯曲性能的复杂性及对各因素的敏感性，对于上述不同材料的弯曲性能，或大于1.1 节中拉伸性能，或小于 1.1 节中的拉伸性能。在正常成型工艺情况下，一般弯曲强度略大于拉伸强度，弯曲弹性模量略小于拉伸弹性模量。1.3 压缩性能 增强纤维或织物，只能承受很大的拉伸力，其本身很柔软，是不能承受压缩力的，当聚合物复合材料承受压缩载荷时，是靠聚合物基体把增强纤维或织物粘结成整体后才能承受。因此，聚合物复合材料的压缩性能与聚合物的品种、性能、成型工艺、二者的界面等的关系很密切，同一种复合材料的压缩性能变化也很大。一般高温高压成型的压缩性能要高，有的甚至于

7、高于拉伸性能。一般情况弹性模量，压缩的与拉伸的相差的极小，压缩强度略比拉伸强度低，特别是室温固化，成型工艺质量欠佳的材料，压缩强度要比拉伸强度低得多。压缩性能，一般用国标 GB/T1448 进行测试。标准试样为 301010（mm）棱型或 351010（mm）园柱型。要求两端面相互平行，不平行度应小于试样高度的 0.1%，否则，试验本身对测试结果也有不良影响。当产品的壁厚较薄时，不能按 GB/T1448 进行测试，应用 GB/T5258 测试,试样厚度可 以按产品实际厚度，这个试验方法的夹具是比较先进、科学的。1.4 剪切性能 由于聚合物复合材料的层状结构特点，产品在使用中，在不同受力条件下，

8、在不同部位存在三种剪切性能，为面内剪切，层间剪切和断纹剪切。如工字梁腹板，在工字梁承受弯曲时，腹板就是承受面内剪切。对于面内剪切性能，用国标 GB/T3355 进行测试。该方法用 45方向的拉伸试验测出复合材料纵横剪切性能，包括 15 剪切强度和剪切模量。试验方法与普通拉伸性能一样，只要测出纵向和横向变形，如同拉伸试验测泊松比一样。计算公式不一样，计算结果是纵横剪切强度和模量。对于层间剪切性能，有两个测试方法：国标 GB/T1450.1；国标 GB/T3357。方法要求试样较厚为 15mm，要特制试样，往往与产品实际情况有差别。方法可以按产品实际厚度取样，较方便，但对于较接近各向同性，或层间剪

9、切强度较大的，唯以测准。方法仅只能测出层间强度。要测出层间剪切模量可以参考 GB/T1456 的原理进行测试，已有大量试验说明，此原理可以测出复合材料的的层间剪切模量。对于拉挤材料，可以用 GB/T13096.3 和 13096.4 测出剪切强度。用国标 B/T1450.2 测出来的是复合材料断纹剪切强度。纵横剪切强度为（40-80）MPa，纵横剪切模量为（2-4）MPa；层间剪切强度为（10-50）MPa，剪切模量为（0.2-2）GPa；断纹剪切强度为（80-100）MPa。1.7 冲击性能 当产品经受动载荷时，需要材料的冲击强度(韧性)性能指标,冲击强度高低也说明材料的韧性性能,是选材的性

10、能指标之一。冲击强度用国标 GB/T1451 进行测试。国标规定标准试样尺寸，当试样尺寸，特别是试样厚度小于标准尺寸时，测出来的冲击强度要偏小。冲击强度除与材料品种、性能有关外，还与试样厚度有关。一般试样厚，测出来的冲击强度高。一般情况下，冲击强度为：11玻璃钢，（100-300）kJ/m2；41 玻璃钢，（200-600）kJ/m2；SMC，（20-60）KJ/m2；DMC，（10-30）KJ/m2；拉挤材料，（300-650）KJ/m2。1.8 性能的方向性 纤维增强复合材料，其力学性能有较明显的方向性，拉伸强度、模量，弯曲强度、模量，压缩强度、模量沿纤维方向的最大，与纤维方向成 45方向

11、的最小，拉伸性能最为明显，无压成型的压缩性能，方向性程度要低一些。面内剪切强度、模量、伯松比、冲击强度，与上相反，45方向最大。可以利用这一特点，设计出最优的复合材料产品。2 基本理化性能 2.1 密度 聚合物复合材料轻质是指密度小，为（1.5-2.0）g/cm3,是金属的 1/4-1/5。用国标 GB/T1463进行测试。常用聚合物复合材料制成夹层结构的蜂窝,密度为(0.03-0.16)g/cm3，泡沫塑料密度为(0.025-0.20)g/cm3。2.2 巴氏硬度 聚合物复合材料的硬度指标不同于金属，是用巴柯尔硬度计测试，国标 GB/T3854。巴氏硬度除与原材料品种、性能有关外，更与成型工

12、艺、固化程度有关，一般用巴氏硬度来控制产品制造过程。一般巴氏硬度为 30-60，玻璃的巴氏硬度为 100。16 2.3 固化度 固化度是指聚合物（树脂）的固化程度，用树脂不可溶分含量的试验方法，国标GB/T2576 来测试，一般产品要求固化度80%；对于高温固化产品，要求90%。2.4 树脂含量 树脂含量的大小直接影响产品的力学性能和理化性能。用测出树脂含量的方法可以直接检验产品的成型工艺是否符合产品的设计要求及均匀性，用国标 GB/T2577 进行测试。2.5 负荷热变形温度 试样在一定负荷（1.82MPa）下受热变形到一定指标的温度，称为负荷热变形温度。用国标 GB/T1634-2 进行测

13、试，此性能直接反映聚合物（树脂）的耐热性能，不同聚合物复合材料，其负荷热变形温度差别很大，低的为 120，高的可达 300以上。测出此性能指标，可供产品在什么样温度条件下使用时参考。2.6 热导率 聚合物复合材料的热导率是比较小的，为（0.28-0.40）W/Km，属绝热材料，用国标GB/T3139 进行测试。2.7 电阻率 聚合物复合材料的电阻率是比较高的，属于电绝缘材料，同时又是非磁性材料，体积电阻率、表面电阻率依次为 1012-15cm 和 1011-14，与聚合物（树脂）的品种有关系。环氧类型的电阻率要更高一些。2.8 线热膨胀系数 线热膨胀系数与聚合物（树脂）品种关系很大，聚酯类的线

14、膨胀系数大，环氧、酚醛类的小。同时与纤维方向织物经纬比也很有关系，一般纤维方向线热膨胀系数小。在（6.7-30）10-6范围。当然，这是指玻璃纤维增强的复合材料，当采用碳纤维时，可以制零热膨胀系数，甚至于是负热膨胀系数的材料，在精密仪器上得到广用。2.9 吸水性 在保证产品质量情况下制成的聚合物复合材料的吸水率，一般1%，用国标 GB/T1462测试。复合材料吸水性能的另一个指标是耐水性，把复合材料放在水中一定时间后，其强度（主要指弯曲强度）的变化，这有两个测试方法：GB/T2575，是用常温水浸试样。GB/T10703，是用（60-100）水浸试样，属耐水性加速试验方法。3 特殊性能 聚合物

15、复合材料在常温下就有蠕变，承受拉伸时，蠕变小，承受弯曲和剪切时，蠕变大，测试方法国标为 GB/T6059。持久强度为破坏强度的（40-50）%。聚合物复合材料的疲劳性能，与受力状态、树脂品种、纤维方向、成型工艺、循环次数等关系密切。若循环到 5106次时，疲劳强度约为静态强度的（25-30）%。试验方法国标 17 为 GB/T16779。聚合物复合材料的高低性能取决于聚合物种类，目前已有耐 350以上的耐高温聚合物。在低温下，其性能反而提高，温度越低，强度越高，包括冲击韧性也一样，一般提高20%-30%。这是优于普通热塑性塑料之处。测试方法为 GB/T9979。不同聚合物复合材料有不同耐化学腐

16、蚀性能，必须根据具体介质选用复合材料。测试方法为 GB/T3857。一般聚合物复合材料是不阻燃的，必须加阻燃剂，按产品设计要求加不同阻燃剂及含 量，达到一定的氧指数、指标等。测试方法为 GB/T8294。50-60k 高强度碳纤维 P330 系列与 TRH50 纤维（三菱 Rayon 公司的高强度纤维之一）具有相同的特性，但它的长丝支数更多（50-60k）。与差不多丝束尺寸的其他碳纤维相比，P330 系列的加工性能更佳，而且强韧性更高，模量也更高。三菱 Rayon 公司希望这种新产品能够改变复合材料产业对聚丙烯腈基碳纤维在商业及工业用途上的认识。这种新型纤维具备了连续性及表面质量佳这些特性，可

17、将碳纤维转换成中间材料（如：预浸料、预成型料），并且可采取直接加工法（如：纤维缠绕、拉挤等）。P330 系列可以实现最初通过大丝束碳纤维来提高产能的诺言。这个目标可以扩大到更广泛的复合材料领域，即风力叶片、船舶、基础结构，以及包括汽车零部件和压力容器在内的各类工业用途。其销售额有望在 2010 年达到 500 万美元。新型热塑性芯材 Diab 推出了一种新型可循环热塑性芯材，具有防火、防烟和防毒（FST）等特性。这种材料将 M1/F1 等级与良好的机械性能、广泛的加工范围（可达 150）相结合。该材料被定为 Divinycell P 级别，具有良好的隔音、绝热特点，而且吸水性低、耐化学性佳，并且易热塑成型。目前，有 3 种密度可供选择（60，100，150kg/m3）。对于公共运输、风能、工业和建筑领域所用到的夹层式复合材料出现的问题来说，该材料是一个种解决方案。Divinycell p适合常用树脂体系（聚酯、乙烯基酯和环氧），可通过手动层压、真空袋和灌注技术进行加工。可用于大范围的涂饰剂（栅格、双纹和“灌注”槽/孔），并可作为“备用”的芯材组合。