1、吉林化工学院材料科学与工程学院电子课件课程名称：复合材料教师姓名：陈连发 授课对象：材料化学 授课学时：32 选用教材：复合材料概论-哈工大 2百度百科：百度百科： 金属是一种具有金属是一种具有光泽光泽（即对可见光强烈反（即对可见光强烈反射）、富有射）、富有延展性延展性、容易、容易导电导电、导热导热等性质的物等性质的物质。金属的特质跟金属晶体内含有自由电子有关。质。金属的特质跟金属晶体内含有自由电子有关。 自然界中，绝大多数金属以自然界中，绝大多数金属以化合态化合态存在，少存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。 金属之间的连结是金属之间的连结是金属
2、键金属键，因此随意更换位，因此随意更换位置都可再重新建立连结，这也是金属延展性良好置都可再重新建立连结，这也是金属延展性良好的原因。的原因。 34567811使用性能要求是选择的最重要依据！航空、航天高强度、高模量、高稳定性镁、铝合金基；高性能发动机同时耐高温、抗氧化钛、镍基和金属间化合物基；汽车发动机耐热、耐磨、成本低铝基；集成电路散热好、低膨胀银、铜、铝基12增强物性质和增强机理不同，基体材料选择原则不同！连续增强型：纤维是主要承载体，基体应充分发挥增强纤维性能，基体具有很好的相容性，具有很好塑性；非连续增强型：基体为主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性影响；13高温反应会产生界面反
3、应层，受力时易产生脆性断裂，破坏材料；同时，不同反应的反应产物亦不同；例：铁、镍基不宜选碳纤维为增强体（会石墨化）；因此，通常应抑制界面反应！141 450以下轻金属铝合金、镁合金2 450700金属基体钛合金：密度小，耐腐蚀，耐氧化，强度高高性能发动机31000以上的金属基体镍基、铁基和金属间化合物；15电子封装：铝基和铜基耐磨元件：铝、镁、锌、铜、铅等；电触头：铝、铜、银及合金；16陶器陶器瓷器（釉）瓷器（釉）17陶瓷，china ；陶器；瓷器；名扬海外；18传统陶瓷指：陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等硅酸盐材料；此外，还包括：碳化物，硼化物和氮化物；特点：为共价键或离子键，高熔
4、点、高硬度，化学性质稳定，耐热，抗老化；但是，脆性大！和金属的区别？和金属的区别？1、日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，坛、盆、罐、盘、碟、碗、刀等。 2、艺术（工艺）陶瓷：如花瓶、雕塑品、园林陶瓷、器皿、 陈设品等。 3、工业陶瓷：指应用于各种工业的陶瓷制品。建筑一卫生陶瓷 化工（化学）陶瓷 电瓷： 电力工业输电线路上的绝缘子。特种陶瓷：功能陶瓷：具有电磁、光、声、超导、化学和生物特性等20特点；非晶态；玻璃化转变温度；软化温度；非晶晶化；热膨胀系数小；力学性能好，导热系数大；21作为基体材料使用的作为基体材料使用的主要有主要有，莫来石等，它们的熔点在莫来石等，它们的熔点在2000 以上。以上。
5、氧化物陶瓷氧化物陶瓷主要为主要为，除晶相外，除晶相外，可能还含有少量可能还含有少量气相气相(气孔气孔)。氧化物的强度较高，氧化物的强度较高，结构时，晶界面结构时，晶界面上的上的残余应力残余应力较大，对强度不利。较大，对强度不利。 22 氧化铝仅有一种热动力学氧化铝仅有一种热动力学，即，即 -Al2O3 ，属六方晶系。属六方晶系。 物理性质物理性质:白色粉末，无臭、无味，不溶于水白色粉末，无臭、无味，不溶于水和和乙醇乙醇，熔点，熔点2852，沸点，沸点3600，氧化镁有高度，氧化镁有高度耐火绝缘性能。耐火绝缘性能。 应用：应用：用作白色颜料的标准。轻质氧化镁主用作白色颜料的标准。轻质氧化镁主要用
6、作制备要用作制备陶瓷陶瓷、搪瓷搪瓷、耐火坩锅耐火坩锅和和耐火砖耐火砖的原料。的原料。23以氧化锆以氧化锆()为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度瓷。氧化锆密度5.65.9 g / cm3，熔点熔点2175 。 由于氧化锆具有由于氧化锆具有，故在氧化锆陶瓷的烧，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量结过程中加入适量、等与等与ZrO2结构近似的氧结构近似的氧化物作为化物作为，形成稳定的，形成稳定的结构。结构。稳定的氧化锆陶瓷的稳定的氧化锆陶瓷的和和小，小，良好，高温时具有良好，高温时具有。在室温为在室温为在在1100形成四方晶体，形成四方晶体，在在1900形成立方晶体
7、。形成立方晶体。24 -Al2O3被被粉体粉体，其原理是：，其原理是：氧化锆粒子氧化锆粒子形态转变，从而导致形态转变，从而导致体积改变，吸收能量，减缓微观裂纹尖端的应力集体积改变，吸收能量，减缓微观裂纹尖端的应力集中，从而起到中，从而起到的作用。的作用。25非氧化构陶瓷是指非氧化构陶瓷是指的的、和和。它们的特点是它们的特点是和和好，好，但，但也很强。也很强。26和和的的约约9001000 。略低些，略低些，的表面能形成的表面能形成，所，所以以达达13001700 。具有类似石墨的具有类似石墨的，在，在(1360 )和和作用下可转变成作用下可转变成的的 氮化氮化硼，耐热温度高达硼，耐热温度高达2
8、000 ，硬度极高，可作为金硬度极高，可作为金刚石的代用品。刚石的代用品。5、陶瓷材料的制备工艺粉料制备成型烧成干燥与排塑加工 粉体的制备方法： 粉碎法：机械粉碎，气流粉碎; 杂质多 合成法：固相法，液相法和气相法；纯度好，粒度可控，均匀性好，颗粒微细 固相法：通过固相到固相的变化来制造粉体。如：固相反应法、热分解法、火花放电法、溶出法等。 液相法：共同点是以均相溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。如：水热法、沉淀法、水解法、喷雾法、沉淀法、乳液法、蒸发溶剂热解法等。 气相法：直接用气体或通过各种手段将物质变成气体，使
9、之在气体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米颗粒。如；溅射法、化学气相反应法、气体中蒸发法、化学气相凝聚法等。 已知化学计量的配料计算配料 根据化学成分的配料计算 干混混料 注意加料程序和混料磨介的使用 湿混 陶瓷粉体、坯料进一步加工成坯体的这一过程称为成型 成型分为：干压成型、等静压成型、热压铸成型、塑性成型等 干压成型最常用：其工艺过程控制相对简单、容易掌控(需要进行塑化、造粒处理) 热空气干燥干燥 电热干燥 辐射干燥（高频、微波、红外） 排除黏合剂，为烧成创造条件排塑 使坯体获得一定的机械强度 避免粘合剂在烧成时的还原作用v烧结是指多孔状陶瓷胚体在高温条件件下，表面积
10、减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。升温阶段保温阶段冷却阶段气氛盐类选择及煅烧条件添加剂烧结温度成型压力粉料粒度影响因素 反应烧结（加入气相或液相以获得一定强度和精度） 热压烧结（加压） 常压烧结（常压） 热等静压（高温恒压） 气氛烧结（防氧化，加气） 放电等离子体烧结 微波烧结 爆炸烧结36高分子材料：以高分子化合物为基础的材料。高分子材料：以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。所有的生命
11、体都可以看作是高分子的集合。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能。材料不可比拟、不可取代的优异性能。按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂。涂料和黏合剂。37橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小，分子橡胶是
12、一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力下可产生较大形变，除去外力能迅速恢复原状。链柔性好，在外力下可产生较大形变，除去外力能迅速恢复原状。高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料，经过纺丝制得。纤等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料，经过纺丝制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分。其分子塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成
13、分。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；高分子胶粘剂是以合成天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。高分子胶粘剂是以合成天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质。根据成膜物质不同，分高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质。根据成膜物质不同，分为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料
14、。38 用于复合材料的用于复合材料的有多种有多种分类方法，如按分类方法，如按可分为可分为及及两类。两类。39如如、等，它们是一类等，它们是一类或或的固态高分子，可溶可的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。熔，可反复加工成型而无任何化学变化。热塑性聚合物的形态特征热塑性聚合物的形态特征如如、等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态态，经，经或或发生化学反应固化后，形成不溶发生化学反应固化后，形成不溶不熔的不熔的三维网状高分子三维网状高分子，这类基体通常是，这类基体通常是的。的。热固性聚合物的形态特征热固性聚合物的
15、形态特征40 主要成分是主要成分是聚合物聚合物此外，还包括辅助材料：此外，还包括辅助材料：固化剂、增韧剂、稀释剂和催化剂等；固化剂、增韧剂、稀释剂和催化剂等；41将纤维将纤维粘合成整体粘合成整体并使纤维并使纤维位置固定位置固定，在纤维间，在纤维间传递载传递载荷荷，并使，并使载荷均衡载荷均衡；基体决定基体决定复合材料的一些性能复合材料的一些性能。如复合材料的。如复合材料的(耐热性耐热性)、(等；等；基体决定复合材料成型基体决定复合材料成型以及以及选择等。选择等。基体保护纤维基体保护纤维各种各种。此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如、
16、尤其是、尤其是，性能，性能，等。等。421聚合物的结构聚合物的结构单个聚合物分子的化学结构和立体化学结构，包括单个聚合物分子的化学结构和立体化学结构，包括、可能的支化和胶联与结构顺序中、可能的支化和胶联与结构顺序中，以及高分子的以及高分子的；分子链包含大数目的结构单元，每个结构单元相当于一个小分子链包含大数目的结构单元，每个结构单元相当于一个小分子；分子；含有官能团或端基，与其它反应基团的含有官能团或端基，与其它反应基团的对其物理性能和对其物理性能和力学性能影响很大；力学性能影响很大；与聚集态结构和材料的物理性能密切相关；与聚集态结构和材料的物理性能密切相关；2聚合物的性能聚合物的性能力学性能
17、力学性能“温度温度-时间时间-环境环境-载荷载荷”决定因素：分子内和分子间的作用力；决定因素：分子内和分子间的作用力；结构决定性能：结构决定性能：结构上：热塑性树脂为线性结构；结构上：热塑性树脂为线性结构； 热固性树脂为网状结构；热固性树脂为网状结构；性能上性能上（热塑性树脂）：明显的力学松弛；大形变；热塑性树脂）：明显的力学松弛；大形变；良好的抗冲击性能；良好的抗冲击性能；耐热性：耐热性：刚性分子链、结晶性、交联结构可以改善耐热性：刚性分子链、结晶性、交联结构可以改善耐热性：1）选用能产生交联结构的聚合物；）选用能产生交联结构的聚合物；2）增加分子链的刚性：少单键；多双键、三键或环）增加分子
18、链的刚性：少单键；多双键、三键或环状结构；状结构；3）选用结晶能力大的聚合物；）选用结晶能力大的聚合物；热稳定性热稳定性失效形式：降解和交联失效形式：降解和交联提高途径：提高途径：1）提高键能；）提高键能；2）尽可能引入芳环和杂环；）尽可能引入芳环和杂环； ：具有：具有。由于固化前，由于固化前，粘度很低，因而宜于粘度很低，因而宜于在常温常在常温常压下压下浸渍纤维，并浸渍纤维，并在较低的温度和压力在较低的温度和压力下固化成型；下固化成型；缺点：缺点：需需且且，成型周期长成型周期长和和材料韧性差材料韧性差。热固性热固性在在基复合材料中占统治地位。基复合材料中占统治地位。、主要用于主要用于玻璃增强塑
19、料玻璃增强塑料，其，其中中用量最大，约占总量的用量最大，约占总量的80，而，而则一般则一般用作用作耐腐蚀性耐腐蚀性或或先进复合材料先进复合材料基体。基体。耐腐蚀性能耐腐蚀性能性能酚醛聚酯环氧有机硅吸水率, 24h(%)0.120.360.150.600.100.14少弱酸影响轻微轻微无轻微强酸影响被侵蚀被侵蚀被侵蚀被侵蚀弱碱影响轻微轻微无轻微强碱影响分解分解轻微被侵蚀有机溶剂的影响部分侵蚀部分侵蚀耐侵蚀部分侵蚀常用热固性树脂的耐化学腐蚀性能性能酚醛聚酯环氧有机硅密度，g/cm31.301.321.101.461.111.231.701.90吸水率,24h(%)0.120.360.150.600
20、.100.14少热变形温度，788260100120线膨胀系数，10-6/ 60808010060308洛氏硬度，M12011510045收缩率，%810461248对玻璃、陶瓷、金属粘接力优良良好优良较差常用热固性树脂的其它物理性能其他物理性能其他物理性能(1)不饱和聚酯树脂及其特点不饱和聚酯树脂及其特点是指有是指有的，主链上同时的，主链上同时具有具有及及的一类聚合物。的一类聚合物。在在热固性树指热固性树指中是工业化较早，中是工业化较早，产量较多的一类，它主要应用于产量较多的一类，它主要应用于。由于树脂的由于树脂的且且，因此很少，因此很少用它与用它与制造复合材料。制造复合材料。：、，如室温下
21、，如室温下，可以，可以在室温下固化在室温下固化，在在常压下成型常压下成型，可以制作，可以制作彩色制品彩色制品，有，有多种措施来调多种措施来调节其工艺性能节其工艺性能等；等；、固化后树脂的、固化后树脂的良好，并有良好，并有适应适应不同用途不同用途的需要；的需要；、，其价格远低于，其价格远低于环氧树脂环氧树脂，略高于，略高于酚醛树脂酚醛树脂。： 固化时固化时较大，成型时较大，成型时较大，较大，性、性、和和都较低，易都较低，易，因此很少用于，因此很少用于受力较强受力较强的制品中。的制品中。 (a)交联剂交联剂 不饱和聚酯不饱和聚酯分子链中含有分子链中含有，因而，因而在热的作在热的作用下用下通过这些双
22、键，通过这些双键，可以可以起来，变成起来，变成。但这种。但这种交联产物交联产物很很，没有什么优点，无实用价，没有什么优点，无实用价值。值。实际中常把实际中常把溶于溶于中，使中，使聚酯聚酯中的双键间中的双键间发生发生，得到，得到，以改善，以改善固化固化后树脂后树脂的性能。的性能。 在这里既是在这里既是，又是，又是。的选择和用量直接影响着树脂的性能和工艺的选择和用量直接影响着树脂的性能和工艺 引发剂一般为引发剂一般为，它的，它的特性特性通常用通常用和和来表示。来表示。 是指是指有机过氧化物有机过氧化物具有引发活性的具有引发活性的。在此温度下，过氧化物开始以可察觉的速度在此温度下，过氧化物开始以可察
23、觉的速度形成形成游游离基离基，从而引发，从而引发以可以观察的速度以可以观察的速度。是指是指在给定的温度条件在给定的温度条件下，下，有机过氧化物有机过氧化物所需要的时间。所需要的时间。 促进剂的促进剂的是把是把引发剂引发剂的的降到降到。对对有效的促进剂有效的促进剂大都是具有大都是具有，如如、等。等。为了操作方便，配制准确，常用为了操作方便，配制准确，常用将将配成较配成较稀的溶液。稀的溶液。不饱和聚酯树脂的固化不饱和聚酯树脂的固化是一个是一个，其，其可可分为三个阶段：分为三个阶段： 在在碱土金属氧化物碱土金属氧化物或或氢氧化物氢氧化物不饱和聚树脂很快稠化，不饱和聚树脂很快稠化，形成形成物，这种物质
24、称为物，这种物质称为。 增粘剂可使增粘剂可使粘度粘度 0.1 1.0 Pa s短时间内短时间内剧增至剧增至103 Pa s，直至成为直至成为的、的、的类似的类似物，过程为物，过程为。 树脂处于树脂处于时并时并，在合适的溶剂中仍，在合适的溶剂中仍，加热时有良好的加热时有良好的。利用的利用的来制备来制备，片状，片状模压料模压料(SMC)和和团状团状模压料模压料，其中，片状，其中，片状模压料模压料可以进行可以进行自动化自动化、机械化机械化、连连续大量生产续大量生产，并且用它可以，并且用它可以压制大型制品压制大型制品。含有含有的的高聚物高聚物统称为统称为。按原料组分而言，有按原料组分而言，有环氧树脂，
25、环氧树脂，环氧树环氧树脂以及脂以及环氧化合物等环氧化合物等新型环氧树脂新型环氧树脂。 是是线型结构线型结构的，必须加入固化剂使它变为的，必须加入固化剂使它变为的树脂才有用处。的树脂才有用处。凡能与凡能与环氧树脂中环氧树脂中发生反应，使树脂固化的物质，发生反应，使树脂固化的物质，统称为统称为或或剂；剂； 固化剂的种类很多，通常有固化剂的种类很多，通常有固化剂、固化剂、固化剂、固化剂、固化刑、固化刑、固化剂，以及固化剂，以及的固化剂。的固化剂。酚醛树脂系酚醛树脂系，它主要应用于，它主要应用于、及及、玻璃布的、玻璃布的等。等。酚醛树脂的酚醛树脂的是比环氧树脂是比环氧树脂，但有，但有、制品、制品等缺点
26、。等缺点。因此较少用酚醛树脂来制造因此较少用酚醛树脂来制造碳纤维复合材料碳纤维复合材料。 有两种：有两种：(一一)，不加任何固化剂，仅仅通过加热的办法，不加任何固化剂，仅仅通过加热的办法，依靠酚醛本身的依靠酚醛本身的等等活性基团活性基团，进行化学反应而固化：，进行化学反应而固化：(二二)通过通过使树脂发生固化。使树脂发生固化。酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂层压板酚醛树脂层压板 热塑性聚合物热塑性聚合物是指具有是指具有结构结构的有机高分子化合物。这类聚合物可以反复的有机高分子化合物。这类聚合物可以反复(或熔化或熔化)，而，而后后。热塑性聚合物热塑性聚合物在软化或熔化状态下在软化或熔化状态下，可以进，可
27、以进行行，当冷却至，当冷却至软化点以下软化点以下能保持能保持 的最重要的最重要是其是其(高高断裂应变和高冲击强度断裂应变和高冲击强度)，这使得，这使得FRP具有更高的具有更高的。此外，热塑性树脂基体复合村料，还具有此外，热塑性树脂基体复合村料，还具有且且、废品及边角料废品及边角料可可等优点。等优点。属于属于的有：的有：、等。等。在这些聚合物中，有一些已用于在这些聚合物中，有一些已用于，但，但是用作是用作的目前还不多。的目前还不多。复合材料与复合材料与复合材料相比，复合材料相比，在在、方面处于劣势，但具有方面处于劣势，但具有、等方面占优势。等方面占优势。1、金属：金属键；、金属：金属键； 特性：
28、金属光泽、导电性、导热性、延展性等。特性：金属光泽、导电性、导热性、延展性等。 2、陶瓷：离子键、共价键；、陶瓷：离子键、共价键； 特性：绝缘性、耐高温、硬度高、化学性质稳定、脆特性：绝缘性、耐高温、硬度高、化学性质稳定、脆性强等。性强等。 3、高分子：共价键和范德华力，构成原子多为非金属，、高分子：共价键和范德华力，构成原子多为非金属， 特性：绝缘性，耐腐蚀，量轻。根据结构性质差异巨特性：绝缘性，耐腐蚀，量轻。根据结构性质差异巨大。大。 陶瓷中原子形成共价键或离子键的网络，弹性形变遵守胡陶瓷中原子形成共价键或离子键的网络，弹性形变遵守胡克定律，来源于化学键的键长和键角的改变，这种改变需要很克
29、定律，来源于化学键的键长和键角的改变，这种改变需要很大的力。无法产生大的形变，往往在小应变时，材料内部开始大的力。无法产生大的形变，往往在小应变时，材料内部开始出现裂纹，并造成脆性的断裂。出现裂纹，并造成脆性的断裂。 金属的结构特点是金属键，没有方向性和饱和性，所以金金属的结构特点是金属键，没有方向性和饱和性，所以金属原子之间可以滑移，形成比较大的不可回复的形变，称为塑属原子之间可以滑移，形成比较大的不可回复的形变，称为塑性形变。金属可冲压，锻打，都来源于金属键的特性。性形变。金属可冲压，锻打，都来源于金属键的特性。 高分子中的情况就复杂得多，与高分子的种类和结构有关高分子中的情况就复杂得多，与高分子的种类和结构有关系。系。谢谢！谢谢！
