復合材料的基體材料

復合材料的基體材料22.1金屬材料百度百科：金屬是一種具有光澤（即對可見光強烈反射）、富有延展性、容易導電、導熱等性質的物質。金屬的特質跟金屬晶體內含有自由電子有關。自然界中，絕大多數(shù)金屬以化合態(tài)存在，少數(shù)金屬例如金、鉑、銀、鉍以游離態(tài)存在。金屬之間的連結是金屬鍵，因此隨意更換位置都可再重新建立連結，這也是金屬延展性良好的原因。第2頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3鋁合金：

性質決定用途地殼中含量最高；密度?。?.7）；導電好（僅次于銀、銅）；導熱好；延展性佳；性質活潑；耐腐蝕性強；銀白色光澤；光反射率高；良好的吸音性能；耐低溫在19世紀非常珍貴；自然界中主要以鋁硅酸鹽礦石存在；α-Al2O3，硬度僅次于金剛石，熔點高、耐酸堿；紅寶石（Cr+3）；藍寶石（Fe+2，或Ti+4）；β-Al2O3，多孔，表面積大，活性高；第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天4鎂合金：

性質決定用途鎂：地殼中含量高；密度小（1.74）；用量第3的結構材料；主要用途是：制造鋁合金，壓模鑄造（與鋅形成合金），鋼鐵生產(chǎn)中脫硫處理鎂合金：密度最小的金屬結構材料應用于航空航天工業(yè)、軍工領域、交通領域、3C領域等；第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天5鈦合金：

性質決定用途地殼中含量第10；密度4.5；無磁；耐中高溫度（600度）；比強度居于金屬之首；主要用途是：航空航天、航海、生物醫(yī)學、高檔體育生活用品、白色顏料（TiO2）；第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天6鎳合金：

性質決定用途密度8.9；鐵磁性；抗腐蝕；可高度磨光；主要用途是：合金（不銹鋼）、催化劑、貨幣、防腐鍍層、記憶合金、磁頭；第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天7銅合金：

性質決定用途密度8.9；無磁性；導電、導熱僅次于銀；主要用途是：電氣工業(yè)（電力輸送、電機、通訊電纜）、電子工業(yè)（印刷電路、集成電路）能源石化；交通運輸；機械冶金；輕工業(yè)；（印刷、造紙、鐘表）紫銅（純銅）；黃銅（銅鋅）；白銅（銅鎳）；青銅（除鋅鎳以外，主要有錫青銅、鋁青銅）第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天8鐵合金：

性質決定用途密度7.9；鐵磁性；抗腐蝕；主要用途是： 最大用途是用于煉鋼； 也大量用來制造鑄鐵和煅鐵。 鐵和其化合物還用作磁鐵、染料（墨水、藍曬圖紙、胭脂顏料）和磨料（紅鐵粉）。 還原鐵粉大量用于冶金。第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天112.1.1選擇基體的原則1．金屬基復合材料的使用要求使用性能要求是選擇的最重要依據(jù)?。『娇?、航天———高強度、高模量、高穩(wěn)定性——鎂、鋁合金基；高性能發(fā)動機——同時耐高溫、抗氧化——鈦、鎳基和金屬間化合物基；汽車發(fā)動機——耐熱、耐磨、成本低——鋁基；集成電路——散熱好、低膨脹——銀、銅、鋁基第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天122、組成特點增強物性質和增強機理不同，基體材料選擇原則不同?。∵B續(xù)增強型：纖維是主要承載體，基體應充分發(fā)揮增強纖維性能，基體具有很好的相容性，具有很好塑性；非連續(xù)增強型：基體為主要承載物，基體的強度對復合材料具有決定性影響；第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天133．基體金屬與增強物相容性高溫反應會產(chǎn)生界面反應層，受力時易產(chǎn)生脆性斷裂，破壞材料；同時，不同反應的反應產(chǎn)物亦不同；例：鐵、鎳基不宜選碳纖維為增強體（會石墨化）；因此，通常應抑制界面反應??！第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天141．450℃以下輕金屬鋁合金、鎂合金2．450~700℃金屬基體鈦合金：密度小，耐腐蝕，耐氧化，強度高——高性能發(fā)動機3．1000℃以上的金屬基體鎳基、鐵基和金屬間化合物；2.1.2結構復合材料的基體第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天152.1.3功能用金屬基復合材料電子封裝：鋁基和銅基耐磨元件：鋁、鎂、鋅、銅、鉛等；電觸頭：鋁、銅、銀及合金；第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天162.3陶瓷材料陶器瓷器（釉）第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天17陶瓷的歷史陶瓷，china；陶器；瓷器；名揚海外；第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天182.3陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷指：陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、磚瓦等——硅酸鹽材料；此外，還包括：碳化物，硼化物和氮化物；特點：為共價鍵或離子鍵，高熔點、高硬度，化學性質穩(wěn)定，耐熱，抗老化；但是，脆性大?。?！和金屬的區(qū)別？？第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1、日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，壇、盆、罐、盤、碟、碗、刀等。2、藝術（工藝）陶瓷：如花瓶、雕塑品、園林陶瓷、器皿、陳設品等。3、工業(yè)陶瓷：指應用于各種工業(yè)的陶瓷制品。①建筑一衛(wèi)生陶瓷②化工（化學）陶瓷③電瓷：電力工業(yè)輸電線路上的絕緣子。④特種陶瓷：功能陶瓷：具有電磁、光、聲、超導、化學和生物特性等應用第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天20幾種陶瓷材料1．玻璃特點；非晶態(tài)；玻璃化轉變溫度；軟化溫度；2．玻璃陶瓷非晶晶化；熱膨脹系數(shù)小；力學性能好，導熱系數(shù)大；第20頁,共64頁，2024年2月25日，星期天213氧化物陶瓷基體作為基體材料使用的氧化物陶瓷主要有A12O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫來石等，它們的熔點在2000℃以上。

氧化物陶瓷主要為單相多晶結構，除晶相外，可能還含有少量氣相(氣孔)。

微晶氧化物的強度較高，粗晶結構時，晶界面上的殘余應力較大，對強度不利。第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天22氧化鋁僅有一種熱動力學穩(wěn)定的相態(tài)，即--Al2O3，屬六方晶系。

(1)氧化鋁陶瓷基體(2)氧化鎂陶瓷基體物理性質:白色粉末，無臭、無味，不溶于水和乙醇，熔點2852℃，沸點3600℃，氧化鎂有高度耐火絕緣性能。應用：用作白色顏料的標準。輕質氧化鎂主要用作制備陶瓷、搪瓷、耐火坩鍋和耐火磚的原料。第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天23(3)氧化鋯陶瓷基體

以氧化鋯(ZrO2)為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.6~5.9g/cm3，熔點2175℃。由于氧化鋯具有可逆相變，故在氧化鋯陶瓷的燒結過程中加入適量CaO、MgO等與ZrO2結構近似的氧化物作為穩(wěn)定劑，形成穩(wěn)定的立方相結構。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導熱系數(shù)小，韌性好，化學穩(wěn)定性良好，高溫時具有抗酸性和抗堿性。

氧化鋯在室溫為單斜相，在1100℃形成四方晶體，在1900℃形成立方晶體。第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天24--Al2O3被氧化鋯粉體增韌，其原理是：氧化鋯粒子從單斜相向四方相形態(tài)轉變，從而導致體積改變，吸收能量，減緩微觀裂紋尖端的應力集中，從而起到增韌氧化鋁的作用。第24頁,共64頁，2024年2月25日，星期天254非氧化物陶瓷

非氧化構陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它們的特點是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很強。第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天26

碳化物和硼化物的抗熱氧化溫度約900~1000℃。氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度達1300~1700℃。

氮化硼具有類似石墨的六方結構，在高溫(1360℃)和高壓作用下可轉變成立方結構的

~氮化硼，耐熱溫度高達2000℃，硬度極高，可作為金剛石的代用品。第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天5、陶瓷材料的制備工藝粉料制備成型燒成干燥與排塑加工第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天粉體的制備粉體的制備方法：

粉碎法：機械粉碎，氣流粉碎;雜質多

合成法：固相法，液相法和氣相法；純度好，粒度可控，均勻性好，顆粒微細

第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天固相法：通過固相到固相的變化來制造粉體。如：固相反應法、熱分解法、火花放電法、溶出法等。液相法：共同點是以均相溶液為出發(fā)點，通過各種方法使溶質與溶劑分離，溶質形成一定大小和形狀的顆粒，得到所需粉末的前軀體，熱解后得到粉體。如：水熱法、沉淀法、水解法、噴霧法、沉淀法、乳液法、蒸發(fā)溶劑熱解法等。氣相法：直接用氣體或通過各種手段將物質變成氣體，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理化學反應，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米顆粒。如；濺射法、化學氣相反應法、氣體中蒸發(fā)法、化學氣相凝聚法等。第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天配料

已知化學計量的配料計算配料根據(jù)化學成分的配料計算干混混料注意加料程序和混料磨介的使用濕混第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天成型

陶瓷粉體、坯料進一步加工成坯體的這一過程稱為成型成型分為：干壓成型、等靜壓成型、熱壓鑄成型、塑性成型等

干壓成型最常用：其工藝過程控制相對簡單、容易掌控(需要進行塑化、造粒處理)第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天干燥與排塑

熱空氣干燥干燥電熱干燥輻射干燥（高頻、微波、紅外）排除黏合劑，為燒成創(chuàng)造條件排塑使坯體獲得一定的機械強度避免粘合劑在燒成時的還原作用第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天燒結原理及工藝燒結是指多孔狀陶瓷胚體在高溫條件件下，表面積減小、孔隙率降低、機械性能提高的致密化過程。升溫階段保溫階段冷卻階段第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天影響燒結的因素氣氛鹽類選擇及煅燒條件添加劑燒結溫度成型壓力粉料粒度影響因素第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天燒結方法：反應燒結（加入氣相或液相以獲得一定強度和精度）熱壓燒結（加壓）常壓燒結（常壓）熱等靜壓（高溫恒壓）氣氛燒結（防氧化，加氣）放電等離子體燒結微波燒結爆炸燒結第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天36高分子材料：以高分子化合物為基礎的材料。高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復合材料。所有的生命體都可以看作是高分子的集合。高分子材料的結構決定其性能，對結構的控制和改性，可獲得不同特性的高分子材料。高分子材料獨特的結構和易改性、易加工特點，使其具有其他材料不可比擬、不可取代的優(yōu)異性能。按用途一般將通用高分子材料分為五類，即塑料、橡膠、纖維、涂料和黏合劑。聚合物材料第36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天37①橡膠是一類線型柔性高分子聚合物。其分子鏈間次價力小，分子鏈柔性好，在外力下可產(chǎn)生較大形變，除去外力能迅速恢復原狀。

②高分子纖維分為天然纖維和化學纖維。前者指蠶絲、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子為原料，經(jīng)過紡絲制得。纖維的次價力大、形變能力小、模量高，一般為結晶聚合物。

③塑料是以合成樹脂或化學改性的天然高分子為主要成分。其分子間次價力、模量和形變量等介于橡膠和纖維之間。通常按合成樹脂的特性分為熱固性塑料和熱塑性塑料；

④高分子膠粘劑是以合成天然高分子化合物為主體制成的膠粘材料。分為天然和合成膠粘劑兩種。應用較多的是合成膠粘劑。

⑤高分子涂料是以聚合物為主要成膜物質。根據(jù)成膜物質不同，分為油脂涂料、天然樹脂涂料和合成樹脂涂料。第37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天382.4聚合物基體材料

1．種類

用于復合材料的聚合物基體有多種分類方法，如按樹脂熱行為可分為熱固性及熱塑性兩類。2.4.1聚合物基體種類、組分和作用第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天39

熱塑性基體如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它們是一類線形或有支鏈的固態(tài)高分子，可溶可熔，可反復加工成型而無任何化學變化。熱塑性聚合物的形態(tài)特征

熱固性基體如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬樹脂、不飽和聚酯等，它們在制成最終產(chǎn)品前，通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預聚體，經(jīng)加熱或加固化劑發(fā)生化學反應固化后，形成不溶不熔的三維網(wǎng)狀高分子，這類基體通常是無定形的。熱固性聚合物的形態(tài)特征第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天40

2．組分

主要成分是聚合物此外，還包括輔助材料：固化劑、增韌劑、稀釋劑和催化劑等；第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天413.基體的作用主要包括以下四個部分

①將纖維粘合成整體并使纖維位置固定，在纖維間傳遞載荷，并使載荷均衡；②基體決定復合材料的一些性能。如復合材料的高溫使用性能(耐熱性)、橫向性能、剪切性能、耐介質性能(等；③基體決定復合材料成型工藝方法以及工藝參數(shù)選擇等。④基體保護纖維免受各種損傷。此外，基體對復合材料的另外一些性能也有重要影響，如縱向拉伸、尤其是壓縮性能，疲勞性能，斷裂韌性等。第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天422.4.2聚合物的結構與性能1．聚合物的結構單個聚合物分子的化學結構和立體化學結構，包括重復單元的本性、端基本性、可能的支化和膠聯(lián)與結構順序中缺陷的本性，以及高分子的大小和形態(tài)；分子鏈包含大數(shù)目的結構單元，每個結構單元相當于一個小分子；含有官能團或端基，與其它反應基團的反應對其物理性能和力學性能影響很大；分子間作用力與聚集態(tài)結構和材料的物理性能密切相關；第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天2．聚合物的性能力學性能“溫度-時間-環(huán)境-載荷”決定因素：分子內和分子間的作用力；結構決定性能：結構上：熱塑性樹脂為線性結構；熱固性樹脂為網(wǎng)狀結構；性能上（熱塑性樹脂）：明顯的力學松弛；大形變；良好的抗沖擊性能；第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天耐熱性：剛性分子鏈、結晶性、交聯(lián)結構可以改善耐熱性：1）選用能產(chǎn)生交聯(lián)結構的聚合物；2）增加分子鏈的剛性：少單鍵；多雙鍵、三鍵或環(huán)狀結構；3）選用結晶能力大的聚合物；熱穩(wěn)定性失效形式：降解和交聯(lián)提高途徑：1）提高鍵能；2）盡可能引入芳環(huán)和雜環(huán)；第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

2.4.3．熱固性樹脂

優(yōu)點：具有良好的工藝性。由于固化前，熱固性樹脂粘度很低，因而宜于在常溫常壓下浸漬纖維，并在較低的溫度和壓力下固化成型；缺點：預浸料需低溫冷藏且貯存期有限，成型周期長和材料韌性差。

熱固性在連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料中占統(tǒng)治地位。

不飽合聚酯樹脂、酚醛樹脂主要用于玻璃增強塑料，其中聚酯樹脂用量最大，約占總量的80％，而環(huán)氧樹脂則一般用作耐腐蝕性或先進復合材料基體。第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天耐腐蝕性能性能酚醛聚酯環(huán)氧有機硅吸水率,24h(%)0.12~0.360.15~0.600.10~0.14少弱酸影響輕微輕微無輕微強酸影響被侵蝕被侵蝕被侵蝕被侵蝕弱堿影響輕微輕微無輕微強堿影響分解分解輕微被侵蝕有機溶劑的影響部分侵蝕部分侵蝕耐侵蝕部分侵蝕常用熱固性樹脂的耐化學腐蝕性能第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天性能酚醛聚酯環(huán)氧有機硅密度，g/cm31.30~1.321.10~1.461.11~1.231.70~1.90吸水率,24h(%)0.12~0.360.15~0.600.10~0.14少熱變形溫度，℃78~8260~100120——線膨脹系數(shù)，10-6/℃60~8080~10060308洛氏硬度，M12011510045收縮率，%8~104~61~24~8對玻璃、陶瓷、金屬粘接力優(yōu)良良好優(yōu)良較差常用熱固性樹脂的其它物理性能其他物理性能第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1．不飽和聚酯樹脂(1)不飽和聚酯樹脂及其特點

不飽和聚酯樹脂是指有線型結構的，主鏈上同時具有重復酯鍵及不飽和雙鍵的一類聚合物。

不飽和聚酯樹脂在熱固性樹指中是工業(yè)化較早，產(chǎn)量較多的一類，它主要應用于玻璃纖維復合材料。由于樹脂的收縮率高且力學性能較低，因此很少用它與碳纖維制造復合材料。

第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天主要優(yōu)點：１、工藝性能良好，如室溫下粘度低，可以在室溫下固化，在常壓下成型，顏色淺，可以制作彩色制品，有多種措施來調節(jié)其工藝性能等；２、固化后樹脂的綜合性能良好，并有多種專用樹脂適應不同用途的需要；３、價格低廉，其價格遠低于環(huán)氧樹脂，略高于酚醛樹脂。主要缺點：固化時體積收縮率較大，成型時氣味和毒性較大，耐熱性、強度和模量都較低，易變形，因此很少用于受力較強的制品中。第49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(2)交聯(lián)劑、引發(fā)劑和促進劑(a)交聯(lián)劑

不飽和聚酯分子鏈中含有不飽和雙鍵，因而在熱的作用下通過這些雙鍵，大分子鏈之間可以交聯(lián)起來，變成體型結構。但這種交聯(lián)產(chǎn)物很脆，沒有什么優(yōu)點，無實用價值。實際中常把線型不飽和聚酯溶于烯類單體中，使聚酯中的雙鍵間發(fā)生共聚合反應，得到體型產(chǎn)物，以改善固化后樹脂的性能。

烯類單體在這里既是溶劑，又是交聯(lián)劑。

交聯(lián)劑的選擇和用量直接影響著樹脂的性能和工藝第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(b)引發(fā)劑引發(fā)劑一般為有機過氧化物，它的特性通常用臨界溫度和半衰期來表示。

臨界溫度是指有機過氧化物具有引發(fā)活性的最低溫度。在此溫度下，過氧化物開始以可察覺的速度分解形成游離基，從而引發(fā)不飽和聚酯樹脂以可以觀察的速度進行固化。

半衰期是指在給定的溫度條件下，有機過氧化物分解一半所需要的時間。

第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(c)促進劑

促進劑的作用是把引發(fā)劑的分解溫度降到室溫以下。對氫過氧化物有效的促進劑大都是具有變價的金屬鈷，如環(huán)烷酸鉆、萘酸鈷等。為了操作方便，配制準確，常用苯乙烯將促進劑配成較稀的溶液。第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(3)不飽和聚酯樹脂的固化特點

不飽和聚酯樹脂的固化是一個放熱反應，其過程可分為三個階段：(a)膠凝階段：從加入促進劑后到樹脂變成凝膠狀態(tài)的一段時間，受成分、溫度、濕度等影響。(b)硬化階段：從樹脂開始膠凝到一定硬度，能把制品從模具上取下為止的一段時間。(c)完全固化階段：可能幾天至幾星期，可升溫來加速。第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

(4)不飽和聚酯樹脂的增粘特性

在堿土金屬氧化物或氫氧化物不飽和聚樹脂很快稠化，形成凝膠狀物，這種物質稱為增粘劑。增粘劑可使粘度0.1~1.0Pa·s短時間內劇增至103Pa·s，直至成為能流動的、不粘手的類似凝膠狀物，過程為增粘過程。樹脂處于凝膠狀時并未交聯(lián)，在合適的溶劑中仍可溶解，加熱時有良好的流動性。利用的增粘特性來制備聚酯預混料，片狀模壓料(SMC)和團狀模壓料，其中，片狀模壓料可以進行自動化、機械化、連續(xù)大量生產(chǎn)，并且用它可以壓制大型制品。第54頁,共64頁，2024年2月25日，星期天2．環(huán)氧樹脂

含有二個以上環(huán)氧基的高聚物統(tǒng)稱為環(huán)氧樹脂。按原料組分而言，有雙酚型環(huán)氧樹脂，非雙酚型環(huán)氧樹脂以及脂肪族環(huán)氧化合物等新型環(huán)氧樹脂。

環(huán)氧樹脂是線型結構的，必須加入固化劑使它變?yōu)椴蝗懿蝗鄣木W(wǎng)狀結構的樹脂才有用處。凡能與環(huán)氧樹脂中環(huán)氧基發(fā)生反應，使樹脂固化的物質，統(tǒng)稱為固化劑或硬化劑；固化劑的種類很多，通常有胺類固化劑、酸酐類固化劑、咪唑類固化刑、潛伏性固化劑，以及其他類型的固化劑。第55頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3．酚醛樹脂酚醛樹脂系酚醛縮合物，它主要應用于膠粘劑、涂料及布、紙、玻璃布的層壓復合材料等。酚醛樹脂的優(yōu)點是比環(huán)氧樹脂價格便宜，但有吸附性不好、收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高等缺點。因此較少用酚醛樹脂來制造碳纖維復合材料。

固化方法有兩種：(一)加熱固化，不加任何固化劑，僅僅通過加熱的辦法，依靠酚醛本身的羥甲基等活性基團，進行化學反應而固化：(二)通過加入固化劑使樹脂發(fā)生固化。第56頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酚醛樹脂酚醛樹脂層壓板第57頁,共64頁，20