高分子复合材料

高分子复合材料现状

　　高分子复合材料中以纤维增强材料应用Z广、用量Z大。其特点是比强度和比模量大、比重小。例如碳纤维与环氧树脂复合的高分子复合材料，其比强度、比模量比钢和铝合金的比强度、比模量大数倍，且具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

　　现代高科技的发展离不开高分子复合材料，高分子复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。

　　高分子复合材料的市场有以下几个:

　　一是清洁、可再生能源用高分子复合材料，包括风力发电用高分子复合材料、烟气脱硫装置用高分子复合材料、输变电设备用高分子复合材料和天然气、氢气高压容器;

　　二是汽车、城市轨道交通用高分子复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等;

　　三是民航客机用高分子复合材料，主要为碳纤维高分子复合材料，热塑性高分子复合材料约占10%，主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。

　　高分子复合材料技术已发展成为重要的现代化应用技术之一，其主要有以下特点:①优异的附着力;②优异的机械性能;③抗化学腐蚀性能;④材料的安全性。

导热高分子复合材料

　　固体内部的导热载体分别为电子、光子、声子三种。对于聚合物而言，通常为饱和体系，没有自由电子，导热载体为声子，热传导则主要是依靠晶格振动。

　　聚合物的相对分子质量很大，具有多分散性，分子链则以无规则缠结方式存在，难以完全结晶，再加上分子链的振动对声子有散射作用，使聚合物材料的热导率很小。

　　为了使聚合物具有更好的热导率，可通过以下两种方式进行改性：diyi，合成具有高热导率的聚合物。如采用良好导热性能的聚苯胺等，通过电子导热机制实现导热;或者合成具有完整结晶性的聚合物，通过声子实现导热。第二，采用高热导率物质填充聚合物，制备聚合物基导热复合材料。如氮化铝(AlN)、碳纤维填充环氧树脂(EP)导热复合材料。

　　在生产实践中通常是采用添加高热导率填料的方式来提高高分子材料的热导率，得到导热高分子复合材料。在聚合物中填充高导热性的填料是制备高导热材料的常用途径。导热填料种类、温度、结晶度、分子链取向密度和湿度都会影响导热高分子复合材料的热导率。

　　导热高分子复合材料的导热性能Z终取决于填料及其在高分子基体中的分布情况。当填料含量过多时，复合材料的力学性能会受到影响;当填料含量较少时，则会对材料导热性能的作用不大。当填料含量增加到某一值时，填料之间相互作用并在体系中形成类似链条与网状的导热网链，当导热网链的方向与热流方向一致的时候，热阻Z小、导热性能Z好;反之则Z差。

导电高分子复合材料

　　导电高分子的原材料一般为聚合物或者具有导电效果较强的填充物，随着科学技术的不断发展，目前已经成功研制出了具有良好导电性的高分子复合材料，且随着高分子复合材料的广泛应用，也增加了抗静电、电磁波屏蔽等功能，使得导电高分子材料获得了巨大的技术突破。

　　目前，根据导电高分子材料的性能不同，可以将其分为半导体材料、高导电体材料、热敏导体材料等，其材料成分不仅有金属材料，如铜、铝等，同时也含有碳系聚合物，大大增加了导电高分子复合材料的稳定性，同时降低了制作成本。

　　由于导电高分子复合材料的优点，使得基于传统的工作方式有了极大程度的改善，如，在开关元件生产过程中，传统的导电材料在开关中虽然能够保证电流的有效传输，但是金属材质会产生无用功率，同时导体过热还会引发安全事故。因此，在开关元件的生产中应用高分子复合材料，能够有效地保护用电安全。

　　同时，利用高分子复合材料的热效应，能够制作出热敏传感器，提高能源的利用率，另外，导电高分子复合材料也在航电器的制作、煤电系统、建筑施工中有着广泛的应用。

纳米高分子复合材料

　　纳米材料以其独特的小尺寸效应、界面效应，以及在光、电、磁、声、热力学和催化方面的奇异功能，与聚合物的韧性、可加工性、介电性及阻隔性wan美地结合起来。它是以聚合物为基体，用纳米材料具有的尺寸效应、量子效应等的刚性粒子(小于100nm)材料采用填充、共混、增强等技术分布于基体中;也可以是其他高分子材料或有机物，用共聚、接枝、交联等方法形成的新型复合高分子材料。

　　纳米高分子复合材料一般具有下列特点:

　　①优于常规材料：如聚合物/层状无机纳米复合材料，由于聚合物分子进入层状无机纳米材料片层之间，分子的运动受到了限制，因而显著提高复合材料的热学性能及材料的尺寸稳定性。纳米复合材料和传统的复合材料相比，它的力学、热学性能均大有提高。

　　②基外材料用量少：就填充类纳米复合材料而言，只需要很少的填充材料，如质量分数3%～5%，即达到高分子材料的改性，可使强度、模量、韧性、刚性及阻隔性能得到明显提高，而常规填料的用量则多达4～6倍。

　　③热稳定性和力学性能好：这类材料具有优良的热稳定性及尺寸稳定性，其力学性能有望优于纤维增强聚合物体系。

高分子复合材料的应用

　　1、环氧树脂和聚酯方面

　　将纳米SiO₂复合材料加入环氧树脂，由于表面严重的配位不足，表现出极强的活性，庞大的比表面缺氧可使它很容易和环氧树脂中的氧发生键合作用，提高了分子间的键力;同时有一部分SiO₂颗粒仍分布在高分子键的孔隙中，可提高环氧树脂复合材料的强度、韧性和延展性。

　　塑料封装材料是以合成树脂和SiO₂微粒为主体复配以多种化学助剂混炼而成的，其主要产品为环氧树脂和硅树脂系列，在使用纳米SiO₂复合材料混炼后，可使性能得到更大改善，加入环氧树脂中也利于拉丝。

　　2、橡胶工业

　　以往橡胶的改性，多通过加入炭黑来提高强度。纳米SiO₂复合材料可部分取代白炭黑用于橡胶制品中，可使橡胶的弹性、耐磨性和抗老化等特性获得相应的改善。但是加入炭黑处理，制品将会变成黑色。为了制成彩色橡胶，将白色SiO₂粒子作补强剂，或使SiO₂粒子着色制成彩色橡胶制品。

　　SiO₂粒子是三维链状结构物，将其均匀地分散在橡胶大分子中，并与之结成立体网状结构，从而提高制品的强度、弹性和耐磨性。同时，纳米SiO₂复合材料对波长499nm的紫外线反射达70%～80%，故可使材料有屏蔽紫外线作用，以提高材料的抗老化作用。例如轮胎侧面胶的抗折性能由10万次提高到50万次。

　　3、纤维制品

　　纳米无机粒子的出现，为制备各种功能性材料开辟了新的途径，例如将少量的UV-Ti-TANP580纳米TiO₂加入合成纤维中，就能制得抗老化的合成纤维，用它制成的服装和用品，具有防紫外线的功能;如防紫外线的遮阳伞等。

　　日本帝人公司将SiO₂/ZnO混合在化纤中，得到的化纤具有除臭和净化空气的功能;这种纤维用于制造长期卧床病人和医院消臭敷料、绷带、睡衣等。

　　日本仑敷公司将ZnO加入聚酰胺纤维中，制得了防紫外线功能的纤维，该纤维具有除臭、消毒的功能。其对塑料的改性相似，目前在各种家电、手机、电视机、电脑和微波炉等领域中的应用已经得到肯定。现在日本、韩国和美国已经有抗电磁波的服装上市。

　　4、汽车工业

　　1991年日本丰田汽车工业公司与三菱化学公司共同开发成功PP/EPR(乙丙橡胶)/纳米复合材料，克服了以往PP改性材料韧性增加而断裂伸长率下降的缺点，兼具有高流动性、高刚性和耐冲击性，用于制造汽车的前、后保险杠，并于同年实现了工业化生产，称为“丰田超级烯烃聚合物”。广泛应用于汽车工业、食品包装等，其潜在的广泛应用还包括飞机内部材料、电子、电子元件、防护罩结构部件、制动器和轮胎等。

　　5、军事工业

　　一些国家广泛采用复合材料来生产产品，如用它来减轻坦克、装甲车辆的质量，显著地改进了各种战技性能，同时降低了成本。Z近几年不断有轻量化的坦克推出。

　　采用复合材料制造的装甲车辆比用钢制造的减重27%左右，发动机系统体积的缩小，可使其减重约40%，大约有20多个零部件可减重1400kg以上。

　　如美国Ml坦克是薄钢板+Kevlar增强尼龙+陶瓷+铝合金钢板制造。又如美国的坦克发动机是用Torlon7130石墨增强聚酰胺酰亚胺或Fiberlight耐热尼龙等。