复合材料概论-基体材料-

2020/5/3上海大学1《复合材料及其应用》CompositeMaterialsandtheirApplication冯鹤Office：材料大楼361室Tel：021-66138019E-mail:[e-mail]上海大学材料学院电子信息材料系2二、基体材料概述聚合物基金属基无机非金属基上海大学材料学院电子信息材料系3§2.1基体材料—概述基体的作用:固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。选材原则：强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。上海大学材料学院电子信息材料系4相容性：化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。环境适应性：耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。工艺性：制备是否方便，成本是否合适、低廉等。上海大学材料学院电子信息材料系5§2.2基体材料—聚合物基1、前言特点：一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；可选择的增强材料范围广泛，成本最低。研究与应用：发展最早，品种最多，应用最广。可选材料：几乎所有的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、粘结剂等。上海大学材料学院电子信息材料系6(1)按树脂热行为:热固性及热塑性。2．聚合物基体材料的分类(2)按聚集态结构:非晶(或无定形)和结晶(3)按树脂特性及用途：一般用途树脂、耐热性树脂、耐候性树脂、阻燃树脂等。(4)按成型工艺：手糊树脂、喷射树脂、胶衣树脂、缠绕树脂、拉挤树脂等。上海大学材料学院电子信息材料系7由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线型预聚体。COOHCHHOOCn)(2OHCHHOm)(2COOHCHCHHOOCmnCHOCOCHOCO)()(22OCOCHCHOCO热固性聚合物（-OH、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-……）A、结构特征：不饱和二元酸结构++饱和二元酸结构1、不饱和聚酯树脂上海大学材料学院电子信息材料系8HOCHCH2CH3OCOCHCHCOOCHCH2CH3OCOCOOHnHOCHCH2CH3OCOCHCHCOOCHCH2CH3OCOCOOHnCCH3CH3OCH2OCHCH2CH3CHOOCH3CCCHOCHCCHOOOCHCHOOn邻苯型不饱和聚酯：间苯型不饱和聚酯：双酚Ａ型不饱和聚酯：B、不饱和聚酯树脂种类上海大学材料学院电子信息材料系9物理性质：耐热性；力学性能；耐化学腐蚀性能；介电性能良好；固化时体积收缩率较大。化学性质：共聚、交联反应；水解反应；耐碱性较差；增粘特性。C、不饱和聚酯树脂性质上海大学材料学院电子信息材料系10•引发剂D、不饱和聚酯的固化及其特点---苯胺类和有机钴。室温固化•促进剂•固化剂---乙烯、苯乙烯、丁二烯等烯类单体。---过氧化物（加热固化）上海大学材料学院电子信息材料系11特点粘度低，工艺性好。综合性能好，价廉，用量约占80%。苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度和模量较低。一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制作次受力件。上海大学材料学院电子信息材料系12CH2CHCH2OCCH3CH3OOCH2CHCH2OHOCCH3CH3CH2CHOCH2Onn=0~19双酚Ａ型环氧树脂：CH2CH2OOOH2CHCCH2H2CHCCH2H2CHCCH2OOOn酚醛环氧树脂：2、环氧树脂上海大学材料学院电子信息材料系13CH2-CH-CH2Cl+n(HO--R--OH)环氧氯丙烷二酚基化合物O碱通式：线性预聚体CH2-CH-CH2[O--R--O]nOa、双酚型（A）结构与种类上海大学材料学院电子信息材料系14其中R:CH3│-C-│CH3A—丙基-CH2-F—亚甲基O‖-S-‖OS—砜双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。固化特点：环氧活性基主要在链两端，固化交联点不高。上海大学材料学院电子信息材料系15b、非双酚型—酚醛环氧树脂•链内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性均提高。•三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。上海大学材料学院电子信息材料系16c、有机硅环氧树脂d、胺基环氧树脂:四官能团胺基环氧树脂对氨基苯酚环氧树脂e、脂环族环氧树脂f、脂肪族环氧树脂上海大学材料学院电子信息材料系17环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。•常用固化剂：胺（二元胺）类固化剂、酸酐（二元酸酐）类固化剂、咪唑类固化剂、潜伏性固化剂。•潜伏性固化剂/潜伏剂：单组份产品可加入潜伏剂，如双氰胺，室温下可存放6个月，145～165℃下，80min可固化。（B）环氧树脂固化上海大学材料学院电子信息材料系18•粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料强度高，尺寸稳定。•电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。•化学稳定性。•热稳定性良好。•固化方便。（C）环氧树脂特点上海大学材料学院电子信息材料系19酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂，一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂，它是最早合成的一类热固性树脂。由酚和醛缩合而成。酚/醛0.9，碱催化可得体型热固性树脂。O‖R–C-HOH│153（1）概述3、酚醛树脂上海大学材料学院电子信息材料系20大量用于粉状模压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。OHn+nCHOHOHCH2n+nH2O苯酚甲醛酚醛树脂上海大学材料学院电子信息材料系21（2）酚醛树脂种类(a)氨酚醛树脂：2124酚醛树脂、1184酚醛树脂、616酚醛树脂。(b)镁酚醛树脂：351酚醛树脂；(c)钡酚醛树脂；(d)钠酚醛树脂：2180酚醛树脂。(e)改性酚醛树脂。上海大学材料学院电子信息材料系22（3）酚醛树脂的改性改性一般通过下列途径：①封锁酚羟基在酚醛树脂制造过程中留下的酚羟基易吸水，使固化制品的电性能、耐碱性和力学性能下降。在热或紫外光作用下生成醌或其它结构，造成颜色的不均匀变化。②引进其它组分引进与酚醛树脂发生化学反应或与它相容性较好的组分，分隔或包围羟基，从而达到改变固化速度，降低吸水性的目的。上海大学材料学院电子信息材料系23改性的酚醛树脂——聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂聚酰胺改性酚醛树脂环氧改性酚醛树脂有机硅改性酚醛树脂硼改性酚醛树脂******二甲苯改性酚醛树脂二苯醚甲醛树脂苯胺改性酚醛树脂上海大学材料学院电子信息材料系24（4）酚醛树脂的固化与固化剂酚醛树脂固化方法有两种：(1)加热固化；(2)通过加入固化剂使树脂发生固化。常用的固化剂有两类：（a）六次甲基四胺，用量10％～15％（b）有机酸：苯磺酸、甲基苯磺酸、苯磺酰氯、石油磺酸、硫酸—硫酸乙酯等。用量8％～10％。上海大学材料学院电子信息材料系25特点：耐热性高，可达315℃、价格最低。粘附性较差，收缩率大,成型压力高、制品气孔率高，性脆。改性：•引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛•降低树脂中-OH基的含量。如：以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。提高电性能。•硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能均提高。（5）酚醛树脂的特点和应用上海大学材料学院电子信息材料系26应用：一般酚醛树脂不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合后，多用于电器绝缘材料。但是经改性的酚醛树脂可以与碳纤维进行较好的复合使用。由于酚醛树脂碳含量高78％，碳化收率达63％，因此可用于制作瞬时耐高温烧蚀材料，用于导弹、航天器载入大气层的防护层。上海大学材料学院电子信息材料系27（6）其它热固性树脂三聚氰胺甲醛树脂呋喃树脂聚丁二烯树脂有机硅树脂聚氨酯树脂上海大学材料学院电子信息材料系28热塑性树脂1、何为热塑性树脂？2、热塑性——热固性树脂比较：•力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。•工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。3、热塑性树脂种类：聚烯烃、氟树脂、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚砜、聚甲醛、聚丙烯-十二烯-苯乙烯（ABS树脂）、聚苯乙烯-丙烯腈（SAN或AS树脂）上海大学材料学院电子信息材料系29～CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH～链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。使用温度100℃，吸水率高。常用品种：尼龙6、66、1010、610等。（1）聚丙烯（2）聚酰胺（尼龙）柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。上海大学材料学院电子信息材料系30由双酚A的钠盐与碳酸双酰氯缩聚而成（3）聚碳酸酯刚性苯环，Tm=225～250℃,Tg=145℃；变形小，抗蠕变，尺寸稳定。可与玻璃纤维和碳纤维复合。上海大学材料学院电子信息材料系31以砜和苯环连结成硬性链，可在100～150℃下长期使用，Tg200℃；S+6处于最高价，抗氧化，耐辐射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达300℃。可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。（4）聚砜上海大学材料学院电子信息材料系32此外：耐高温的聚酰亚胺、双马来酰亚胺等杂环结构的聚合物，耐温可达300～400℃，也常作为复合材料的基材。聚苯硫醚被认为是目前耐热性最佳的聚合物之一；聚芳醚酮对碳纤维有较好的粘结性，具有高强度、耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、良好阻燃性和易加工的综合性能等。(5)其它的高性能热塑性树脂１.金属基体材料的选择原则（1）根据金属基复合材料的使用要求（2）根据金属基复合材料组成特点（3）基体金属与增强体的相容性§2.3基体材料—金属基材料金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行。一、金属基复合材料的种类1．按基体分类(1)铝基复合材料(2)镍基复合树树(3)钛基复合材料这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。(1)铝基复合材料在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。(2)镍基复合材料人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。(3)钛基复合材料随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。基体和增强体的热膨胀系数钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。2.按增强体分类(1)颗粒增强复合材料(2)层状复合材料(3)纤维增强复合材料(1)颗粒增强复合材料这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20％的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1um。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。(2)层状复合材料这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近。因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小。(3)纤维增强复合材料金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表现