復(fù)合材料的基體材料課件

1復(fù)合材料的基體

復(fù)合材料的基體是復(fù)合材料的連續(xù)相，起到將增強(qiáng)體黏結(jié)成整體，并賦予復(fù)合材料一定形狀、傳遞外界作用力、保護(hù)增強(qiáng)體免受外界環(huán)境侵蝕的作用。復(fù)合材料的基體主要有以下幾種：金屬材料陶瓷材料聚合物材料2一、金屬材料

基體材料是金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的載體，占有很大的體積比列，基體材料的力學(xué)物理性能將直接影響復(fù)合材料的性能。金屬材料分為結(jié)構(gòu)金屬材料和功能用金屬基復(fù)合材料。31與傳統(tǒng)金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和耐磨性2與樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，高溫性能好，可焊接3

與陶瓷材料相比，金屬基復(fù)合材料具有高韌性和高沖擊性能、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)金屬?gòu)?fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)4結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體大致可分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類(lèi)。（1）用于450℃以下的輕金屬基體——鋁、鎂合金（2）用于450～700℃的復(fù)合材料的金屬基體——鈦合金（3）用于1000℃以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體——鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物5

功能用金屬基復(fù)合材料的基體6選擇基體材料是要考慮復(fù)合材料的類(lèi)型。比如連續(xù)增強(qiáng)纖維增強(qiáng)金屬基體要求與纖維有良好的相容性與塑性，而不要求基體有很強(qiáng)的強(qiáng)度，而非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料要求金屬基體強(qiáng)度很高。金屬與合金品種繁多，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。7二、陶瓷基體材料傳統(tǒng)陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的天然硅酸鹽礦物質(zhì)制成。包括玻璃、水泥、搪瓷等現(xiàn)代陶瓷：高純度、高性能的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等。如氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等。8

由于單一的陶瓷存在脆性大，韌性差，很容易因存在的裂紋、空隙、雜質(zhì)等缺陷而破碎。因此在陶瓷基體中添加其他成分，如陶瓷粒子，纖維或晶須，可提高陶瓷的韌性。作為基體材料使用的陶瓷，應(yīng)具有：優(yōu)良的耐高溫性質(zhì)、與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常見(jiàn)的陶瓷基體有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等91、微晶玻璃微晶玻璃是通過(guò)加入晶核劑等方法，經(jīng)過(guò)熱處理過(guò)程在玻璃中形成晶核，再使晶核長(zhǎng)大而形成的玻璃與晶體共存的均勻多晶材料，又稱(chēng)為玻璃陶瓷。微晶玻璃具有熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)較大等特點(diǎn)，同時(shí)還具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。典型代表：Li2O-Al2O3-SiO210應(yīng)用較多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫來(lái)石（3Al2O3-2SiO2）等。具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等性能，但脆性大。主要的增強(qiáng)物為：陶瓷顆?；蚓ы?。2、氧化物陶瓷113、非氧化物陶瓷12一、基體材料的組分及作用聚合物基體：基體材料主要成分，決定復(fù)合材料的性能、成型工藝及價(jià)格。要求：具有較高的力學(xué)性能、介電性能、耐熱性能和耐老化性能，并且要施工簡(jiǎn)單，有良好的工藝性能。

三、聚合物基體材料132、輔助劑：（1）交聯(lián)劑（引發(fā)劑、促進(jìn)劑）

交聯(lián)劑：能在線(xiàn)型分子間起架橋作用從而使多個(gè)線(xiàn)型分子相互鍵合交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。促進(jìn)或調(diào)節(jié)聚合物分子鏈間共價(jià)鍵或離子鍵形成的物質(zhì)。也稱(chēng)為固化劑。

引發(fā)劑：指一類(lèi)容易受熱分解成自由基的化合物，可用于引發(fā)烯類(lèi)、雙烯類(lèi)單體的自由基聚合和共聚合反應(yīng)，也可用于不飽和聚酯的交聯(lián)固化和高分子交聯(lián)反應(yīng)。

促進(jìn)劑：與催化劑或交聯(lián)劑并用時(shí)，可以提高反應(yīng)速率的一種用量較少的物質(zhì)。14（2）稀釋劑：降低聚合物基體粘度，便于施工。非活性稀釋劑：不參與樹(shù)脂固化反應(yīng)，樹(shù)脂成型中揮發(fā)，加入量為10~60%。如：丙酮、乙醇、甲苯、苯活性稀釋劑：不與樹(shù)脂固化反應(yīng)，成為材料成分，加入量為10%。如：苯乙烯（不飽和）、環(huán)氧丙烷丁基醚15（3）增韌（增塑）劑（4）觸變劑提高樹(shù)脂在靜止?fàn)顟B(tài)下的粘度，在外力作用下，樹(shù)脂又變成流動(dòng)性液體。適合于大型產(chǎn)品，尤其在垂直面上使用，加入量為1~3%。如：活性SiO2(白炭黑)、膨潤(rùn)土、聚氯乙烯粉。16（5）填料降低成本，改善性能（降低收縮率，提高表面硬度和耐磨性能、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等）。如：CaCO3、滑石粉、石英粉、金屬粉。（6）顏料用量約0.5~5%要求：顏色鮮明，有耐熱性和耐光性；在樹(shù)脂中分散良好，不影響樹(shù)脂固化。一般選用無(wú)機(jī)顏料，有機(jī)顏料影響樹(shù)脂固化。173、基體的作用均衡載荷，傳遞載荷（將單根的纖維粘成整體）；保護(hù)纖維，防止纖維磨損；賦予復(fù)合材料各種特性（耐熱、耐腐蝕、阻燃、抗輻射）；決定復(fù)合材料生產(chǎn)工藝、成型方法。184、基體材料的選用原則①產(chǎn)品性能②工藝性能③成本及來(lái)源基體材料綜合決定19二、基體材料的結(jié)構(gòu)和性能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）分子鏈很大（103~105個(gè)結(jié)構(gòu)單元）：線(xiàn)形的，支鏈的，網(wǎng)狀的（2）鏈長(zhǎng)有限的聚合物分子中含有官能團(tuán)或端基（3）聚合物分子間的作用力：若分子鏈中化學(xué)鍵有一定的內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度，則柔性大，反之，則呈剛性。20一、力學(xué)性能1.強(qiáng)度與模量主要因素是分子內(nèi)和分子間的作用力?；w材料的破壞是主鏈上的化學(xué)鍵斷裂或是分子間相互作用力的破壞。纖維彈性模量低，纖維受拉時(shí)單獨(dú)受力，纖維單根或單束斷裂；纖維彈性模量高，纖維受拉時(shí)由于粘接力作用，纖維表面整體強(qiáng)度高。2.樹(shù)脂內(nèi)聚強(qiáng)度固化程度提高，分子量增大，內(nèi)聚強(qiáng)度升高；機(jī)械強(qiáng)度增加并達(dá)到穩(wěn)定值；固化程度很高，則樹(shù)脂形變能力減低，呈現(xiàn)脆性三、聚合物基體的性能213.樹(shù)脂斷裂延伸率聚合物形變：普彈形變、高彈形變、粘流形變普彈形變：由聚合物分子的鍵長(zhǎng)和鍵角改變引起，變形較?。?%）高彈形變：由大分子鏈的鏈段移動(dòng)引起，是聚合物主要變形形式（Tg以上）強(qiáng)迫高彈形變（Tg以下）：在外力作用量夠大，時(shí)間是夠長(zhǎng)條件下出現(xiàn)決定因素：大分子鏈的柔韌性、大分子鏈間的交聯(lián)密度224.樹(shù)脂體積收縮率：物理收縮、化學(xué)收縮固化收縮率：環(huán)氧樹(shù)脂1~2%；聚酯樹(shù)脂4~6%；酚醛樹(shù)脂8~10%影響因素：固化前樹(shù)脂系統(tǒng)（包括樹(shù)脂、固化劑等）的密度；基體固化后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的緊密程度；固化過(guò)程中有無(wú)小分子釋放。降低收縮率方法：調(diào)節(jié)樹(shù)脂大分子鏈段充分伸直，固化前分子間填充密實(shí)，固化后有緊密的空間網(wǎng)絡(luò)。23

固化是指線(xiàn)型樹(shù)脂在固化劑存在下或加熱條件下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)變成不溶、不熔，具有體型結(jié)構(gòu)的固態(tài)樹(shù)脂的全過(guò)程。凝膠：定型：熟化：

液態(tài)樹(shù)脂可溶線(xiàn)型小分子

固態(tài)樹(shù)脂不溶不熔體型結(jié)構(gòu)大分子固化粘流態(tài)樹(shù)脂半固態(tài)凝膠失去流動(dòng)性凝膠時(shí)間＜手糊時(shí)間凝膠硬度、形狀表觀上變硬，一定力學(xué)性能，經(jīng)后處理，穩(wěn)定物理化學(xué)性能固化階段24二、耐熱性能復(fù)合材料耐熱性：溫度升高，性能變化物理性能：模量、強(qiáng)度、變形化學(xué)性能：失重、分解、氧化樹(shù)脂耐熱性物理耐熱性：在一定溫度條件下，仍然保持其作為基體材料的強(qiáng)度化學(xué)耐熱性：樹(shù)脂發(fā)生熱老化時(shí)的溫度范圍聚合物受熱變化物理變化：變形、軟化、流動(dòng)、熔融化學(xué)變化：分子鏈交聯(lián)、氧化、產(chǎn)生氣體等25提高樹(shù)脂耐熱性方法：增加高分子鏈剛性：引入共軛雙鍵、三鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)；進(jìn)行結(jié)晶：-C-O-C-,-OH,-NH2等；進(jìn)行交聯(lián)：交聯(lián)鍵增加，提高分子間作用力。26三、耐腐蝕性能樹(shù)脂的腐蝕物理作用：溶脹或溶解，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，性能下降影響因素：樹(shù)脂結(jié)構(gòu)樹(shù)脂含量樹(shù)脂固化交聯(lián)密度化學(xué)作用：化學(xué)鍵破壞或新的化學(xué)鍵27四、介電性能樹(shù)脂分子由共價(jià)鍵組成，是一種優(yōu)良的電絕緣材料.極性大的分子一般介電常數(shù)也大影響因素：樹(shù)脂大分子的極性：極性增加，電絕緣性下降；固化樹(shù)脂雜質(zhì)含量及種類(lèi)28熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料樹(shù)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(shù)脂其分子結(jié)構(gòu)為體型，它包括大部分的縮合樹(shù)脂，熱固性樹(shù)脂有酚醛、環(huán)氧、氨基、不飽和聚酯以及硅醚樹(shù)脂等。291.不飽和聚酯樹(shù)脂聚酯包括飽和聚酯和不飽和聚酯。飽和聚酯：沒(méi)有非芳族的不飽和鍵不飽和聚酯：含有非芳族的不飽和鍵，由不飽和二元羧酸或酸酐、飽和二元羧酸或酸酐與多元醇縮聚而成的具有酯鍵和不飽和雙鍵的相對(duì)分子質(zhì)量不高的線(xiàn)型高分子化合物。不飽和聚酯樹(shù)脂：在聚酯化縮聚反應(yīng)結(jié)束后，趁熱加入一定量的乙烯基單體，配成粘稠的液體，這樣的聚合物溶液稱(chēng)之為不飽和聚酯樹(shù)脂。不飽和聚酯樹(shù)脂主要應(yīng)用于玻璃纖維復(fù)合材料。30主要特點(diǎn)：工藝性能好，粘度低可在室溫下成型；價(jià)格低廉；固化時(shí)體積收縮率大，成型時(shí)氣味和毒性較大；耐熱性、強(qiáng)度和模量較低，易變形312.環(huán)氧樹(shù)脂

環(huán)氧樹(shù)脂（EpoxyResin）：指分子結(jié)構(gòu)中含有2個(gè)或2個(gè)以上環(huán)氧基并在適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑存在下能形成三維網(wǎng)狀固化物的化合物的總稱(chēng)，是一類(lèi)重要的熱固性樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂既包括環(huán)氧基的低聚物，也包括含環(huán)氧基的低分子化合物。環(huán)氧樹(shù)脂作為膠粘劑、涂料和復(fù)合材料等的樹(shù)脂基體，廣泛應(yīng)用于水利、交通、機(jī)械、電子、家電、汽車(chē)及航空航天等領(lǐng)域。3233

(5)工藝性好。環(huán)氧樹(shù)脂固化時(shí)基本上不產(chǎn)生低分子揮發(fā)物，所以可低壓成型或接觸壓成型。能與各種固化劑配合制造無(wú)溶劑、高固體、粉末涂料及水性涂料等環(huán)保型涂料。

(6)穩(wěn)定性好，抗化學(xué)藥品性?xún)?yōu)良。不含堿、鹽等雜質(zhì)的環(huán)氧樹(shù)脂不易變質(zhì)。只要貯存得當(dāng)(密封、不受潮、不遇高溫)，其貯存期為1年。超期后若檢驗(yàn)合格仍可使用。環(huán)氧固化物具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。其耐堿、酸、鹽等多種介質(zhì)腐蝕的性能優(yōu)于不飽和聚酯樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等熱固性樹(shù)脂。因此環(huán)氧樹(shù)脂大量用作防腐蝕底漆，又因環(huán)氧樹(shù)脂固化物呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，又能耐油類(lèi)等的浸漬，大量應(yīng)用于油槽、油輪、飛機(jī)的整體油箱內(nèi)壁襯里等。

(7)環(huán)氧固化物的耐熱性一般為80～100℃。環(huán)氧樹(shù)脂的耐熱品種可達(dá)200℃或更高。34

環(huán)氧樹(shù)脂也存在一些缺點(diǎn)，比如耐候性差，環(huán)氧樹(shù)脂中一般含有芳香醚鍵，固化物經(jīng)日光照射后易降解斷鏈，所以通常的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂固化物在戶(hù)外日曬，易失去光澤，逐漸粉化，因此不宜用作戶(hù)外的面漆。另外，環(huán)氧樹(shù)脂低溫固化性能差，一般需在10℃以上固化，在10℃以下則固化緩慢，對(duì)于大型物體如船舶、橋梁、港灣、油槽等寒季施工十分不便。

35環(huán)氧樹(shù)脂的命名方法1.代號(hào)與型號(hào)主要有E、F、R（二氧化雙環(huán)戊二烯環(huán)氧）等。型號(hào)“E-51”表征的意義。2.主要指標(biāo)環(huán)氧值或環(huán)氧當(dāng)量。環(huán)氧值：100g環(huán)氧樹(shù)脂中含有環(huán)氧基團(tuán)的物質(zhì)的量（或克當(dāng)量數(shù)）。環(huán)氧當(dāng)量：含有1克當(dāng)量環(huán)氧基的環(huán)氧樹(shù)脂的克數(shù)。環(huán)氧值×環(huán)氧當(dāng)量＝100

表征意義：反應(yīng)活性，相對(duì)分子量的大小363.1.4二酚基丙烷型環(huán)氧樹(shù)脂

1、主要原料（1）二酚基丙烷-雙酚A

（2）環(huán)氧氯丙烷：非?；顫姡膳c多種試劑進(jìn)行反應(yīng)。37381.縮水甘油醚類(lèi)

2.縮水甘油酯類(lèi)

3.縮水甘油胺類(lèi)4.脂肪族環(huán)氧5.脂環(huán)族環(huán)氧39雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂，目前應(yīng)用最廣，其分子中的雙酚A骨架提供強(qiáng)韌性和耐熱性，亞甲基鏈賦予柔軟性，醚鍵賦予耐化學(xué)藥品性，羥基賦予反應(yīng)性和粘接性。雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂與雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂性質(zhì)相似，只不過(guò)其黏度比雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂低得多，適合作無(wú)溶劑涂料。雙酚S型環(huán)氧樹(shù)脂也與雙酚型A型環(huán)氧樹(shù)脂相似，其黏度比雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂略高，其最大的特點(diǎn)是固化物具有比雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂固化物更高的熱變型溫度和更好的耐熱性能。氫化雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的特點(diǎn)是樹(shù)脂的黏度非常低，但凝膠時(shí)間比雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂凝膠時(shí)間長(zhǎng)兩倍多，其固化物的最大特點(diǎn)是耐候性好，可用于耐候性的防腐蝕涂料。40酚醛環(huán)氧樹(shù)脂主要包括苯酚線(xiàn)性酚醛環(huán)氧樹(shù)脂和鄰甲酚線(xiàn)性酚醛環(huán)氧樹(shù)脂，其特點(diǎn)是每分子的環(huán)氧官能度大于2，可使涂料的交聯(lián)密度大，固化物耐化學(xué)藥品性、耐腐蝕性以及耐熱性比雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂好，但漆膜較脆，附著力稍低，且