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  • 发表于:2018-01-02 9:39:03

聚合物材料可靠性分析原理(4)

石拓•著

1.1.3聚合物基复合材料

无机非金属材料经过表面活性处理,与有机高分子可以有良好地结合。由于无机非金属材料,在硬度、耐热、模量等机械物理性能方面,优于高分子聚合物。假如,通过物理化学的方法,把两者有机地结合起来,就能取长补短,获得性能更为理想的材料。

定义1.1.3.1  以聚合物或聚合物合金为基体,与一种或一种以上的无机材料,通过物理化学方法,复合而成的固体材料,称为聚合物基复合材料(polymer matrix composite)。

聚合物基复合材料的历史,可以追溯到20世纪初期,酚醛树脂(PF)的发明。纯净的酚醛树脂,即使固化成型后,也没有良好的机械性和物理性能。因此,酚醛树脂作为材料,其应用的范围非常窄。然而,在酚醛树脂中加入木粉,或者石棉粉,或者玻璃纤维等其它物质,组成酚醛塑料后,即俗称的电木粉,其性能范围不仅扩大,而且提高。因此,就此意义上,酚醛塑料是最早的聚合物基复合材料。

无机矿物质具有独特的理化性能,例如优异的刚性、耐高温、抗蠕变等。但是要与有机高分子稳定地结合,并不是一件容易的事,必须经过表面处理(见1.4),才能获得理想的效果。

然而,天然的无机矿物,含有较多的杂质,杂质将会影响最终的结果。所以实验室制备或工业生产,通常采用无机化工产品,诸如粉状的碳酸钙(Ca2CO3),等,即使天然矿物,也是经过精加工的,诸如高岭土之类等。

硅酸盐材料中的玻璃纤维(GF),纯碳结构的碳纤维(CF),以及芳纶纤维(AF),是复合材料中常用的角色。碳纤维(CF)是一种微晶石墨结构的纤维,它是由聚丙烯腈纤维,经过高温碳化而制得。芳纶纤维(AF),是一种有机高分子的合成纤维,其特点是具有极高的强度和极高的耐温性。这些纤维经过表面处理后,可以直接与高分子聚合物,在熔融或软化状态下混炼。

无机矿物、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等,都是聚合物基复合材料中的重要组份。

在热塑性聚合物基复合材料中,聚合物与无机物之间的结合,是在偶联剂的作用下,通常以偶联的形式结合。由于有机高分子与无机分子的偶联,聚合物基中的高分子运动,因此而受到了限制。所以,为了到达复合材料的玻璃化转变温度,由于无机物的被偶联,使得复合后的聚合物,需要获得更多的热能。因此,聚合物基复合材料,比自身的聚合物,具有更低的玻璃温化温度。

此外,在热塑性复合材料中,由于选择复合的无机非金属材料,在高温下通常比聚合物稳定,属于不易分解的物质。因此,聚合物在高温熔化吸热时,因为不易分解的物质存在,使得在到达聚合物熔化温度时,吸热的作用是升高自身的温度。而聚合物的吸热,是转变自身的状态,即由固态到熔融或软化态的转化。因此,复合材料有着更高的软化温度。

聚合物基复合材料,与聚合物或聚合物合金材料相比,不但强度高,而且更耐温。

(待续)