第二章 復(fù)合材料基體

第二章復(fù)合材料的基體復(fù)合材料基體分類①聚合物基復(fù)合材料:以有機(jī)聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體；②金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體；③無機(jī)非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體熱塑性樹脂熱塑性樹脂：是具有受熱軟化、冷卻硬化的性能，而且不起化學(xué)反應(yīng)，無論加熱和冷卻重復(fù)進(jìn)行多少次，均能保持這種性能。凡具有熱塑性樹脂其分子結(jié)構(gòu)都屬線型。它包括含全部聚合樹脂和部分縮合樹脂。

熱塑性樹脂有：PE-聚乙烯、PVC-聚氯乙烯、PS-聚苯乙烯、PA-聚酰胺、POM-聚甲醛、PC-聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、橡膠等。熱塑性樹脂的優(yōu)點(diǎn)是加工成型簡便，具有較高的機(jī)械能。缺點(diǎn)是耐熱性(使用溫度在100℃）和剛性較差。熱塑性樹脂決定合成樹脂力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)因素有以下五個(gè)：①大分子鏈的主價(jià)力；②分子間的作用力；③大分子鏈的柔韌性；④分子量；⑤大分子鏈的交聯(lián)密度。熱塑性樹脂與熱固性樹脂在結(jié)構(gòu)上的顯著差別在于前者的大分子鏈為線型結(jié)構(gòu)，而后者的大分子鏈為體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于這一結(jié)構(gòu)上的差別，使熱塑性樹脂與熱固性樹脂相比在力學(xué)性能上有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：①具有明顯的力學(xué)松弛現(xiàn)象；②在外力作用下，形變的能力較大，即當(dāng)應(yīng)變速度不大進(jìn)，可具有相當(dāng)大的斷裂延伸率；③抗沖擊性能好。聚碳酸酯聚碳酸酯(簡稱PC)是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根據(jù)酯基的結(jié)構(gòu)可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的機(jī)械性能較低，從而限制了其在工程塑料方面的應(yīng)用。目前僅有芳香族聚碳酸酯獲的了工業(yè)化生產(chǎn)。由于聚碳酸酯結(jié)構(gòu)上的特殊性，現(xiàn)已成為五大工程塑料中增長速度最快的通用工程塑料。聚碳酸脂（Polycarbonate）常用縮寫PC聚碳酸酯是一種無色透明的無定性熱塑性材料。其名稱來源于其內(nèi)部的CO3基團(tuán)。2011年3月雙酚A在食用瓶中已被歐美國家禁用化學(xué)名：2,2'-雙（4-羥基苯基）丙烷聚碳酸酯

聚碳酸酯的應(yīng)用(1)用于建材行業(yè)聚碳酸酯板材具有良好的透光性，抗沖擊性，耐紫外線輻射及其制品的尺寸穩(wěn)定性和良好的成型加工性能，使其比建筑業(yè)傳統(tǒng)使用的無機(jī)玻璃具有明顯的技術(shù)性能優(yōu)勢。目前，中國建有聚碳酸酯建材中空板生產(chǎn)線20余條，年需用聚碳酸酯7萬t左右，預(yù)計(jì)到2005年將達(dá)到14萬t。(2)用于汽車制造工業(yè)聚碳酸酯具有良好的抗沖擊、抗熱畸變性能，而且耐候性好、硬度高，因此適用于生產(chǎn)轎車和輕型卡車的各種零部件，其主要集中在照明系統(tǒng)、儀表板、加熱板、除霜器及聚碳酸酯合金制的保險(xiǎn)杠等。聚碳酸酯的應(yīng)用(3)用于生產(chǎn)醫(yī)療器械由于聚碳酸酯制品可經(jīng)受蒸汽、清洗劑、加熱和大劑量輻射消毒，且不發(fā)生變黃和物理性能下降，因而被廣泛應(yīng)用于人工腎血液透析設(shè)備和其他需要在透明、直觀條件下操作并需反復(fù)消毒的醫(yī)療設(shè)備中。如生產(chǎn)高壓注射器、外科手術(shù)面罩、一次性牙科用具、血液分離器等。

(4)用于航空、航天領(lǐng)域近年來，隨著航空、航天技術(shù)的迅速發(fā)展，對飛機(jī)和航天器中各部件的要求不斷提高，使得PC在該領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅一架波音型飛機(jī)上所用聚碳酸酯部件就達(dá)2500個(gè)，單機(jī)耗用聚碳酸酯約2噸。而在宇宙飛船上則采用了數(shù)百個(gè)不同構(gòu)型并由玻璃纖維增強(qiáng)的聚碳酸酯部件及宇航員的防護(hù)用品等。聚碳酸酯的應(yīng)用(5)用于包裝領(lǐng)域近年來，在包裝領(lǐng)域出現(xiàn)的新增長點(diǎn)是可重復(fù)消毒和使用的各種型號的儲水瓶。由于聚碳酸酯制品具有質(zhì)量輕，抗沖擊和透明性好，用熱水和腐蝕性溶液洗滌處理時(shí)不變形且保持透明的優(yōu)點(diǎn)，目前一些領(lǐng)域PC瓶已完全取代玻璃瓶。(6)用于電子電器領(lǐng)域由于聚碳酸酯在較寬的溫、濕度范圍內(nèi)具有良好而恒定的電絕緣性，是優(yōu)良的絕緣材料。同時(shí)，其良好的難燃性和尺寸穩(wěn)定性，使其在電子電器行業(yè)形成了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。聚碳酸酯樹脂主要用于生產(chǎn)各種食品加工機(jī)械，電動(dòng)工具外殼、機(jī)體、支架、冰箱冷凍室抽屜和真空吸塵器零件等。聚碳酸酯的應(yīng)用(7)用于光學(xué)透鏡領(lǐng)域聚碳酸酯以其獨(dú)特的高透光率、高折射率、高抗沖性、尺寸穩(wěn)定性及易加工成型等特點(diǎn)，在該領(lǐng)域占有極其重要的位置。采用光學(xué)級聚碳酸配制作的光學(xué)透鏡不僅可用于照相機(jī)、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡及光學(xué)測試儀器等，還可用于電影投影機(jī)透鏡、復(fù)印機(jī)透鏡、紅外自動(dòng)調(diào)焦投影儀透鏡、激光束打印機(jī)透鏡，以及各種棱鏡、多面反射鏡等諸多辦公設(shè)備和家電領(lǐng)域，其應(yīng)用市場極為廣闊。

(8)用于光盤的基礎(chǔ)材料近年來，隨著信息產(chǎn)業(yè)的倔起，由光學(xué)級聚碳酸酯制成的光盤作為新一代音像信息存儲介質(zhì)，正在以極快的速度迅猛發(fā)展。聚碳酸酯以其優(yōu)良的性能特點(diǎn)因而成為世界光盤制造業(yè)的主要原料。目前世界光盤制造業(yè)所耗聚碳酸酯量已超過聚碳酸酯整體消費(fèi)量的20%，其年均增長速度超過10%。熱固性樹脂熱固性樹脂：加熱后產(chǎn)生化學(xué)變化，逐漸硬化成型，再受熱也不軟化，也不能溶解。熱固性樹脂其分子結(jié)構(gòu)為體型，它包括大部分的縮合樹脂，熱固性樹脂的優(yōu)點(diǎn)是耐熱性高，受壓不易變形。其缺點(diǎn)是機(jī)械性能較差。熱固性樹脂有酚醛、環(huán)氧、氨基、不飽和聚酯以及硅醚樹脂等。聚合物基體聚合物基體的種類不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物等。

不飽和聚酯樹脂是制造玻璃纖維復(fù)合材料的一種重要樹脂。在國外，聚酯樹脂占玻璃纖維復(fù)合材料用樹脂總量的80%以上。11Chapter9Composites聚酯樹脂特點(diǎn)：工藝性良好，室溫下固化，常壓下成型，工藝裝置簡單。樹脂固化后綜合性能良好，力學(xué)性能不如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂。價(jià)格比環(huán)氧樹脂低得多，只比酚醛樹脂略貴一些。不飽和聚酯樹脂的缺點(diǎn)是固化時(shí)體積收縮率大、耐熱性差等。主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中12Chapter9Composites

鄰苯型不飽和聚酯：間苯型不飽和聚酯：雙酚Ａ型不飽和聚酯：13Chapter9Composites環(huán)氧樹脂特點(diǎn)：在加熱條件下即能固化，無須添加固化劑。酸、堿對固化反應(yīng)起促進(jìn)作用；已固化的樹脂有良好的壓縮性能，良好的耐水、耐化學(xué)介質(zhì)和耐燒蝕性能；樹脂固化過程中有小分子析出，故需在高壓下進(jìn)行；固化時(shí)體積收縮率大，樹脂對纖維的粘附性不夠好，但斷裂延伸率低，脆性大。14Chapter9Composites

雙酚Ａ型環(huán)氧樹脂：酚醛環(huán)氧樹脂：15Chapter9Composites酚醛樹脂優(yōu)點(diǎn)：比環(huán)氧樹脂價(jià)格便宜缺點(diǎn)：吸附性不好、收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高等。大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強(qiáng)塑料，少量用于玻璃纖維復(fù)合材料、耐燒蝕材料等，很少使用在碳纖維和有機(jī)纖維復(fù)合材料中。16Chapter9Composites酚醛樹脂應(yīng)用生產(chǎn)模壓制品的壓塑粉是酚醛樹脂的主要用途之一。采用輥壓法、螺旋擠出法和乳液法使樹脂浸漬填料并與其他助劑混合均勻，再經(jīng)粉碎過篩即可制得壓塑粉。常用木粉作填料，為制造某些高電絕緣性和耐熱性制件，也用云母粉、石棉粉、石英粉等無機(jī)填料。壓塑粉可用模壓、傳遞模塑和注射成型法制成各種塑料制品。熱塑性酚醛樹脂壓塑粉主要用于制造開關(guān)、插座、插頭等電氣零件，日用品及其他工業(yè)制品。熱固性酚醛樹脂壓塑粉主要用于制造高電絕緣制件。增強(qiáng)酚醛塑料以酚醛樹脂（主要是熱固性酚醛樹脂）溶液或乳液浸漬各種纖維及其織物，經(jīng)干燥、壓制成型的各種增強(qiáng)塑料是重要的工業(yè)材料。它不僅機(jī)械強(qiáng)度高、綜合性能好，而且可進(jìn)行機(jī)械加工。以玻璃纖維、石英纖維及其織物增強(qiáng)的酚醛塑料主要用于制造各種制動(dòng)器摩擦片和化工防腐蝕塑料；高硅氧玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)的酚醛塑料是航天工業(yè)的重要耐燒蝕材料。

聚合物基體的作用把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。用作基體的理想材料，其原始狀態(tài)應(yīng)該是低粘度的液體，并能迅速變成堅(jiān)固耐久的固體，足以把增強(qiáng)纖維粘住。盡管纖維增強(qiáng)材料的作用是承受載荷，但是基體材料的力學(xué)性能會明顯地影響纖維的工作方式及其效率。

18Chapter9Composites例如，在沒有基體的纖維束中大部分載荷由最直的纖維承受，基體使得應(yīng)力較均勻地分配給所有纖維，這是由于基體使所有纖維經(jīng)受同樣的應(yīng)變，應(yīng)力通過剪切過程傳遞，這要求纖維和基體之間有高的膠接強(qiáng)度，同時(shí)要求基體本身也具有高的剪切強(qiáng)度和模量。當(dāng)載荷主要由纖維承受時(shí)，復(fù)合材料總的延伸率受到纖維的破壞延伸率的限制，這通常為1%~1.5%?；w的主要性能是在這個(gè)應(yīng)變水平下不應(yīng)該裂開。在纖維的垂直方向，基體的力學(xué)性能和纖維與基體之間的膠接強(qiáng)度控制著復(fù)合材料的物理性能。由于基體比纖維弱得多，而柔性卻大得多，所以在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免基體直接橫向受載。19Chapter9Composites在高膠接強(qiáng)度體系（纖維間的載荷傳遞效率高，但斷裂韌性差）與較低膠接強(qiáng)度體系（纖維間的載荷傳遞效率不高，但韌性較高）之間需要折衷。在應(yīng)力水平和方向不確定情況下使用或在纖維排列精度較低情況下制造的復(fù)合材料往往要求基體比較軟。在明確應(yīng)力水平情況下使用和在嚴(yán)格控制纖維排列情況下制造的先進(jìn)復(fù)合材料，應(yīng)通過使用高模量和高膠接強(qiáng)度的基體以更充分地發(fā)揮纖維的最大性能。20Chapter9Composites根據(jù)不飽和聚酯樹脂的結(jié)構(gòu)可分為鄰苯型、間苯型、對苯型、雙酚A型、乙烯基酯型等；根據(jù)其性能可分為通用型、防腐型、自熄型、耐熱型、低收縮型等；根據(jù)其主要用途可分為玻璃鋼（FRP）用樹脂與非玻璃鋼用樹脂兩大類，所謂玻璃鋼制品是指樹脂以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料制成的各種產(chǎn)品，也稱為玻璃纖維增強(qiáng)塑料（簡稱FRP或玻璃鋼）；非玻璃鋼制品是樹脂與無機(jī)填料相混合或其本身單獨(dú)使用制成的各種制品，也稱為非增強(qiáng)型玻璃鋼制品。

不飽和樹脂

玻璃鋼制品的應(yīng)用建筑領(lǐng)域：制冷卻塔，噴射式塔及風(fēng)筒、風(fēng)機(jī)、收水器等輔件。門、窗、輕型采光建筑、格柵、活動(dòng)房、冷庫、公園亭、臺、報(bào)亭等。玻璃鋼管、罐、槽等防腐產(chǎn)品及工程：包括大、中、小口徑管道、管件、閥門、貯罐、貯槽、格柵、填倉板、塔器、煙囪、防腐地面及建筑防腐等。玻璃鋼車輛：火車雙層客車及零部件、窗框、汽車車身、保險(xiǎn)杠等。玻璃鋼船艇：包括游艇、救生艇、、舢舨、養(yǎng)殖船、沖鋒舟等。玻璃鋼衛(wèi)生設(shè)備：浴缸、洗漱臺、便器、鏡架、整體衛(wèi)生間、垃圾箱。節(jié)能玻璃鋼產(chǎn)品；包括軸流風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)、太陽能熱水器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。玻璃鋼家具：包括座椅、快餐桌、成套家具、電話亭、柜臺等。玻璃鋼制品的應(yīng)用玻璃鋼制品的應(yīng)用玻璃鋼制品的應(yīng)用玻璃鋼制品的應(yīng)用金屬基體材料選擇基體的原則目前用作金屬基復(fù)合材料的金屬有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物等。基體材料成分的選擇對能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能，滿足使用要求十分重要。

①金屬基復(fù)合材料的使用要求——金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。在航天、航空技術(shù)中高比強(qiáng)度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。作為飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬合金—鎂合金和鋁合金作為基體，與高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復(fù)合材料。28Chapter9Composites高性能發(fā)動(dòng)機(jī)：要求復(fù)合材料不僅有高比強(qiáng)度和比模量，還要具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時(shí)不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。

如碳化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中要求其零件耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、一定的高溫強(qiáng)度等，同時(shí)又要求成本低廉，適合于批量生產(chǎn)，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/鋁基復(fù)合材料。

如碳化硅/鋁復(fù)合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸套等零件。工業(yè)集成電路需要高導(dǎo)熱、低膨脹的金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。

選用具有高導(dǎo)熱率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、高比模量等性能的金屬基復(fù)合材料，可能成為解決高集成電子器件的關(guān)鍵材料。30Chapter9Composites②金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維是主要承載物體，纖維本身具有很高的強(qiáng)度和模量，而金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度。31Chapter9Composites如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強(qiáng)度鋁合金要好得多，使用后者制成的復(fù)合材料的性能反而低。在研究碳鋁復(fù)合材料基體合金優(yōu)化過程中，發(fā)現(xiàn)鋁合金的強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的性能越低，這與基體和纖維的界面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性有關(guān)。32Chapter9Composites對于非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)合材料，基體是主要承載物，基體的強(qiáng)度對復(fù)合材料具有決定性的影響。因此要獲得高性能金屬基復(fù)合材料必須選用高強(qiáng)度鋁合金作為基體，這與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體的選擇完全不同。如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料一般選用高強(qiáng)度鋁合金（如A365，6061，7075）為基體。33Chapter9Composites③基體金屬與增強(qiáng)物的相容性 金屬基復(fù)合材料需要在高溫下成型，制備過程中，處于高溫?zé)崃W(xué)非平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成反應(yīng)層。界面反應(yīng)層大多是脆性的，當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到一定厚度后，材料受力時(shí)將會因界面層的斷裂伸長小而產(chǎn)生裂紋，并向周圍纖維擴(kuò)展，容易引起纖維斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破壞。34Chapter9Composites——因此，選擇基體時(shí)應(yīng)充分注意與增強(qiáng)物的相容性（特別是化學(xué)相容性），并盡可能在復(fù)合材料成型過程中抑制界面反應(yīng)。例如，對增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理在金屬基體中添加其他成分選擇適宜的成型方法縮短材料在高溫下的停留時(shí)間等。35Chapter9Composites結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體分為輕金屬基體和耐熱合金基體①用于450℃以下的輕金屬基體目前最廣泛、最成熟的是鋁基和鎂基復(fù)合材料，用于航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、剎車盤等②用于450~700℃的復(fù)合材料的金屬基體鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可在450～700℃使用，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等零件。

③用于1000℃以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體基體主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物。較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基復(fù)合材料尚處于研究階段。

36Chapter9Composites功能用金屬基復(fù)合材料的基體要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能，如同時(shí)具有高力學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗電弧燒