1、第二章 复合材料的基体材料l金属材料金属材料l陶瓷材料陶瓷材料l聚合物材料聚合物材料12.1 金属材料 现代科学技术的发展对材料性能的要求越来现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得发展，使得单一材料单一材料难以满足实际工程的要求，难以满足实际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。这促进了金属基复合材料的迅猛发展。21与传统金属材与传统金属材料相比，金属料相比，金属基复合材料具基复合材料具有较高的比强有较高的比强度、比刚度和度、比刚度和耐磨性耐磨性2与树脂基复合材与树脂基复合材料相比，金属基料相
2、比，金属基复合材料具有优复合材料具有优良的导电、导热良的导电、导热性，高温性能好，性，高温性能好，可焊接可焊接3 与陶瓷材料相与陶瓷材料相比，金属基复合比，金属基复合材料具有高韧性材料具有高韧性和高冲击性能、和高冲击性能、热膨胀系数小等热膨胀系数小等优点优点3 航空、航天领域航空、航天领域轻质、高强结构材轻质、高强结构材料：料：如如B/Al复合材料复合材料 电子领域电子领域低热膨胀系数、低热膨胀系数、高导热系数高导热系数4高体份（高体份（60-70%）碳化硅颗粒）碳化硅颗粒/铝基复合材料电子封装件铝基复合材料电子封装件 5国产太行战机用涡轮风扇航空发动机国产太行战机用涡轮风扇航空发动机高温高性
3、能高铌钛铝合金材料高温高性能高铌钛铝合金材料 62.1.1 选择基体的原则选择基体的原则金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。间化合物等。基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综合性能十分重要。合性能十分重要。71金属基复合材料金属基复合材料的使
4、用要求的使用要求 2金属基复合材料金属基复合材料组成的特点组成的特点3基体金属与增强基体金属与增强体的相容性体的相容性81 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求 不同领域、不同工况下对复合材料构件的性不同领域、不同工况下对复合材料构件的性能要求不同。能要求不同。l航天航空领域：航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳定性、高比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小密度小如：如：镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维进行复合。的石墨纤维、硼纤维进行复合。9l高性能发动机：高性能发动机：高比强度、比模量、耐高温性、高比强度、比模量、耐
5、高温性、抗氧化抗氧化如：如：钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体，钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体，如碳化硅如碳化硅/钛、钨丝钛、钨丝/镍基超合金复合材料用于喷镍基超合金复合材料用于喷气发动机叶片、涡轮叶片、转轴、火箭发动机箱气发动机叶片、涡轮叶片、转轴、火箭发动机箱体材料。体材料。10l汽车发动机：汽车发动机：耐热、耐磨、导热、一定高温强度、耐热、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉成本低廉如：如：选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进行复合，如碳化硅行复合，如碳化硅/铝，碳纤维铝，碳纤维/铝，氧化铝铝，氧化铝/铝等铝等复合材料用作发动机活
6、塞、缸套等零件。复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。11l工业集成电路：工业集成电路：高导热、低膨胀高导热、低膨胀如：如：银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合，用作散热元件和基板。复合，用作散热元件和基板。12 针对不同的增强体系，应充分分析和考虑针对不同的增强体系，应充分分析和考虑增强物的特点来正确选择基体合金材料。增强物的特点来正确选择基体合金材料。2 金属基复合材料组成特点金属基复合材料组成特点13l对于对于连续纤维增强连续纤维增强的金属基复合材料：的金属基
7、复合材料：基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性能，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而能，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而不要求基体本身有高强度，可选用不要求基体本身有高强度，可选用铝、镁铝、镁作基体。作基体。14l对于对于非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）的的金属基复合材料：金属基复合材料：基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，可选用高强度的可选用高强度的铝合金（如，铝合金（如，A365，6061，7075）而不用铝作为基体。而不用铝作为基体。153 基体金属与增强
8、物的相容性基体金属与增强物的相容性金属基复合材金属基复合材料高温成型料高温成型纤维与金属发生化学反应，纤维与金属发生化学反应，在界面形成反应层在界面形成反应层脆性界面反应层受力产生的裂纹引起脆性界面反应层受力产生的裂纹引起复合材料结构破坏复合材料结构破坏界面破坏产生原因：界面破坏产生原因：16 在选择基体时，应充分注意与增强物的在选择基体时，应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并考虑到尽相容性（特别是化学相容性），并考虑到尽可能在金属基复合材料成型过程中，抑制界可能在金属基复合材料成型过程中，抑制界面反应。面反应。17如何增强基体如何增强基体与增强物的相与增强物的相容性？容性？A
9、对增强纤维进行表面处理改性对增强纤维进行表面处理改性B 在金属基体中添加其他成分在金属基体中添加其他成分C 选择适宜的成型方法选择适宜的成型方法18 注意注意：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨）：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨）纤维作为增强物。纤维作为增强物。l因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化，因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不能破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不能提高复合材料的综合性能。提高复合材料的综合性能。192.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料的基体结构复合材料的基体大致可分为结构复合
10、材料的基体大致可分为轻金属基体轻金属基体和和耐热合金基体耐热合金基体两大类。两大类。（1）用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体铝、铝、镁合金镁合金（2）用于用于450700的复合材料的金属的复合材料的金属基体基体钛合金钛合金（3）用于用于1000以上的高温复合材料的以上的高温复合材料的金属基体金属基体镍基、铁基耐热合金镍基、铁基耐热合金和金属间化合物和金属间化合物201 用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体铝、镁合金铝、镁合金 铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零
11、件、刹车盘等方面。刹车盘等方面。21各种牌号铝、镁合金的成分和性能各种牌号铝、镁合金的成分和性能222 用于用于450700以下的复合材料基体以下的复合材料基体钛合金钛合金 钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，用碳化硅纤维增强的钛基复合强度高等特点，用碳化硅纤维增强的钛基复合材料可制成叶片和传动轴等零件用于高性能航材料可制成叶片和传动轴等零件用于高性能航空发动机。空发动机。23钛合金的成分和性能钛合金的成分和性能243 用于用于1000以上的高温复合材料的金属基体以上的高温复合材料的金属基体镍基、铁基耐热合金和金属间化合物镍基、铁基耐热合金
12、和金属间化合物 镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中，镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中，用钨丝、钍钨丝增强的镍基可用于高性能航空用钨丝、钍钨丝增强的镍基可用于高性能航空发动机叶片。发动机叶片。25高温金属基复合材料的基体合金成分和性能高温金属基复合材料的基体合金成分和性能26 目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复合目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复合材料）主要有用于微电子技术的电子封装和热沉材料、高导材料）主要有用于微电子技术的电子封装和热沉材料、高导热、耐电弧烧蚀的集电材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐热、耐电弧烧蚀的集电材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀的电池极板材
13、料等等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合蚀的电池极板材料等等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。烧蚀性差等缺点。2.1.3 功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体27用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合材料，高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼材料，
14、高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/铝铝复合材料等。复合材料等。用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合须、纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料。材料。用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金材料。铜、银及合金材料。282.2 陶瓷材料传统陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的传统陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质制成。天然硅酸盐矿物质制成。现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、现代陶瓷：高纯度、高性
15、能的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等。硼化物、氮化物等。29l单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因存在单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因存在的裂纹、空隙、杂质等缺陷而破碎。的裂纹、空隙、杂质等缺陷而破碎。l在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。或晶须，可提高陶瓷的韧性。30 作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优良的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的良的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。界面相容性以及较好的工艺性能等。常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物
16、陶瓷、常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。非氧化物陶瓷等。311 微晶玻璃微晶玻璃l微晶玻璃是微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶材料，又称为玻璃陶瓷。材料，又称为玻璃陶瓷。l微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中了玻璃与陶瓷的特点
17、。了玻璃与陶瓷的特点。l典型代表：典型代表：Li2O-Al2O3-SiO232 微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数较大等特点，同时还具有一定的机械强度。较大等特点，同时还具有一定的机械强度。33 为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应具化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应具有良好的惰性不被基体液相腐蚀。有良好的惰性不被基体液相腐蚀。常见的有：常见的有：碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化碳纤维、碳
18、化硅纤维（晶须）、氧化铝纤维铝纤维增强微晶玻璃基复合材料。增强微晶玻璃基复合材料。34l应用较多的有：应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石（莫来石（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高）等。具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。性大。l主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。2 氧化物陶瓷氧化物陶瓷35 Al2O3（刚玉）（刚玉）典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温和高温强度。和高温强度。ZrO2使用温度达使用温度达20002200，主要用作耐火坩锅，主
19、要用作耐火坩锅，反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶型：反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶型：立方结构（立方结构（C相）、四方结构（相）、四方结构（t相）和单斜结构（相）和单斜结构（m相），相），加入适量的稳定剂后，加入适量的稳定剂后，t相可以亚稳定状态存在于室温，相可以亚稳定状态存在于室温，称部分稳定称部分稳定ZrO2。在压力作用下发生。在压力作用下发生t-m马氏体转变，称马氏体转变，称应力诱导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力应力诱导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用的稳定场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实
20、现增韧，常用的稳定剂有剂有MgO、Y2O3等。等。363 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 指不含氧的指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。等。自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定的金属键成分。的金属键成分。共价键结合能比较高共价键结合能比较高材料有高的耐火度、高的硬度材料有高的耐火度、高的硬度（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能力低
21、。力低。37氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷(Si3N4)共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高纯的纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反的固相烧结极为困难。因此，常用反应烧结和热压烧结。前者是将应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的粉以适当的方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约约1350）。后者是将加适当的助烧剂）。后者是将加适当的助烧剂(MgO,Al2O3,16001700)烧结。烧结。38氮化硼和氮化钛陶瓷氮化硼和氮化钛陶瓷 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 BN有两种晶型：六方有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，
22、因此结构，性能与石墨相似，因此有白石墨之称。有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的硬度不高，是唯一易于机械加工的陶瓷。高温（陶瓷。高温（15002000)高压（高压（69103MPa）下可）下可转化为立方转化为立方BN(CBN）。）。CBN的硬度接近于金刚石，是的硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料。极好的耐磨材料。39 氮化钛陶瓷氮化钛陶瓷 TiN是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点（2950）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的
23、代金装饰材料。材料。TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材料；料；TiN具有较高的超导临界温度，还是一种优良具有较高的超导临界温度，还是一种优良的超导材料。的超导材料。40碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷材材 料料制备温制备温度（度（）抗弯强度抗弯强度（室温三点）（室温三点）Mpa密度密度/gcm-3 弹性模量弹性模量/MPa线膨胀系数线膨胀系数/(201000)反应烧结反应烧结SiC160017001594243.093.12380420103 5.24.410-6 热压热压SiC180020007187603.193.2440103 4.810-6 CV
24、D SiC涂层涂层120018007319932.953.21480103 重结晶重结晶SiC160017001702.6206103 烧结烧结SiC（掺（掺SiCB4C）195021002803.11 烧结烧结SiC（掺（掺B）195021005403.14.910-6 41碳化硼和碳化钛陶瓷碳化硼和碳化钛陶瓷 碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷 碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa，仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换
25、器、轻型装甲陶瓷等。型装甲陶瓷等。B4C粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得：粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得：B2O3+CB4C B4C陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度过低，烧结不致密，温度太高易导致过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。分解。42碳化硼和碳化钛陶瓷碳化硼和碳化钛陶瓷 碳化钛陶瓷碳化钛陶瓷 碳化钛结晶为面心立方晶格（碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型型)。晶格常数为。晶格常数为0.4319nm，密度为，密度为4.934.9 gcm-3，熔点为，熔点为31603250，1.15K时时TiC呈现超导特性，呈现超导特性，TiC莫氏
26、硬度莫氏硬度910，弹性模量，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。，可用作耐磨材料。TiC粉末制粉末制取方法：取方法：2TiO2+C=Ti2O3+CO Ti2O3+C=2TiO+CO TiO+2C=TiC+CO TiC陶瓷的烧结方法主要有热压法。透明的陶瓷的烧结方法主要有热压法。透明的TiC陶瓷是陶瓷是较好的光学功能材料。较好的光学功能材料。43二硅化钼陶瓷二硅化钼陶瓷 MoSi2是介于无机非金属与金属间化合物之是介于无机非金属与金属间化合物之间的材料，结合方式为共价键与金属键。熔点间的材料，结合方式为共价键与金属键。熔点2030，800 以上发生氧化反应形成以上发生氧化反应形成SiO2保保
27、护层，能阻止氧化的继续发生。可以作为高温护层，能阻止氧化的继续发生。可以作为高温连接材料。连接材料。442.3.1 基体材料的组分及作用基体材料的组分及作用1.聚合物基体：聚合物基体：基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工艺及价格。（几乎不是单一的，还包括辅助材料）辅助艺及价格。（几乎不是单一的，还包括辅助材料）辅助材料的加入可以改变材料的使用性能，工艺性，成本，材料的加入可以改变材料的使用性能，工艺性，成本，应用范围等等。因此辅助材料的研究也极为重要。应用范围等等。因此辅助材料的研究也极为重要。要求：要求：具有较高的力学性能、介电性能、耐热性
28、能和耐老具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。2.3 聚合物材料聚合物材料452 辅助剂：辅助剂：（1）交联剂（引发剂、促进剂）交联剂（引发剂、促进剂）交联剂交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合交联成网络结构的物质。交联成网络结构的物质。促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形成的物质。也称为固化剂。成的物质。也称为固化剂。(为什么要用交联剂？常用的交联剂，为什么要用交联剂？常用的交联剂，p2
29、5)引发剂引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。化和高分子交联反应。（临界温度和半衰期，常用的引发剂，（临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）促进剂促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的一种用量：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的一种用量较少的物质。（作用？）较少的物质。（作用？）46（2）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。）稀释剂：降低聚合物基体粘度
30、，便于施工。非活性稀非活性稀释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加入量为入量为1060%。如：丙酮、乙醇、甲苯、苯如：丙酮、乙醇、甲苯、苯活性活性稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为10%。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚 47（3）增韧（增塑）剂增韧（增塑）剂降低树脂刚性、提高塑性，将导致强度和耐热性下降。降低树脂刚性、提高塑性，将导致强度和耐热性下降。如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺 等。等。（4）触变剂）触变剂提高树脂在静
31、止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成提高树脂在静止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入量为量为13%。如：活性如：活性SiO2(白炭黑白炭黑)、膨润土、聚氯乙烯粉。、膨润土、聚氯乙烯粉。48（5）填料填料降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐磨降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐磨性能、导电、导热等）。性能、导电、导热等）。如如：CaCO3、滑石粉、石英粉、金属粉。、滑石粉、石英粉、金属粉。（6）颜料颜料用量用量约约0.55%要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树
32、脂中分散良好，要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树脂中分散良好，不影响树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂不影响树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂固化。固化。493 基体的作用基体的作用 均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）；均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）；保护纤维，防止纤维磨损；保护纤维，防止纤维磨损；赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射）；赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射）；决定复合材料生产工艺、成型方法。决定复合材料生产工艺、成型方法。P21，总结了三种作用。，总结了三种作用。基体材料与纤维的胶接强度、基体材料本身的剪切强
33、度和基体材料与纤维的胶接强度、基体材料本身的剪切强度和模量。（模量。（p21/22）504 基体材料的选用原则基体材料的选用原则产品性能产品性能工艺性能工艺性能成本及来源成本及来源基体材料基体材料综合决定综合决定512.3.2 基体材料的结构和性能基体材料的结构和性能结构特点：结构特点：（1）分子链很大（）分子链很大（103105个结构单元）：线形的，支链的，网状个结构单元）：线形的，支链的，网状的，均聚和共聚。的，均聚和共聚。（2）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基。（端基反应）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基。（端基反应）（3）聚合物分子间的作用力：）聚合物分子间的作用力：若分子
34、链中化学键有一定的内旋若分子链中化学键有一定的内旋转自由度，则柔性大，反之，则呈刚性。转自由度，则柔性大，反之，则呈刚性。52一、力学性能一、力学性能1.强度与模量强度与模量主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。基体弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂；基体弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂；基体弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强基体弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强度高。度高
35、。2.树脂内聚强度树脂内聚强度固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性性能性能533.树脂断裂延伸率树脂断裂延伸率聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变普弹形变：普弹形变：由聚合物分子的键长和键角改变引起，由聚合物分子的键长和键角改变引起，变形较小（变形较小（1%）（小应力小形变）（小应力小形变）高弹形变：高弹形变：由大分子链的链段移动引起，是聚合物主由大分子链的链段移动引起，是
36、聚合物主 要变形形式（要变形形式（Tg以上）（小应力大形变）以上）（小应力大形变）强迫高弹形变（强迫高弹形变（Tg以下）：以下）：在外力作用量够大，时间在外力作用量够大，时间 是够长条件下出现（大应力大形变）是够长条件下出现（大应力大形变）决定因素：决定因素：大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度544.树脂体积收缩率：树脂体积收缩率：物理收缩、化学收缩物理收缩、化学收缩固化收缩率：固化收缩率：环氧树脂环氧树脂12%；聚酯树脂；聚酯树脂46%；酚醛树脂；酚醛树脂810%影响因素：影响因素：固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度；固化前树脂系统（包括树脂
37、、固化剂等）的密度；基体固化后的网络结构的紧密程度；基体固化后的网络结构的紧密程度；固化过程中有无小分子释放。固化过程中有无小分子释放。降低收缩率方法：降低收缩率方法：调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子 间填充密实，固化后有紧密的空间网络。间填充密实，固化后有紧密的空间网络。55 固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下，固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下，发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固态树脂的全过程。态树脂的全过程。凝胶：凝胶：定型：定型：熟化：熟化：液态树脂液态树脂可溶线型
38、小分子可溶线型小分子 固态树脂固态树脂不溶不熔体型结构大分子不溶不熔体型结构大分子固化固化粘流态树脂粘流态树脂半固态凝胶半固态凝胶失去流动性失去流动性凝胶凝胶硬度、形状硬度、形状表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学性能性能p22/23,*固化阶段固化阶段56二、耐热性能二、耐热性能复合材料耐热性：复合材料耐热性：温度升高，性能变化温度升高，性能变化物理性能：模量、强度、变形物理性能：模量、强度、变形化学性能：失重、分解、氧化、交联化学性能：失重、分解、氧化、交联树脂耐热性树脂耐热性物理耐热性：在一定温度条件下，仍然保持物理耐热性：在一
39、定温度条件下，仍然保持 其作为基体材料的强度其作为基体材料的强度化学耐热性：树脂发生热老化或交联时的温度范围化学耐热性：树脂发生热老化或交联时的温度范围聚合物受热变化聚合物受热变化物理变化：变形、软化、流动、熔融物理变化：变形、软化、流动、熔融化学变化：分子链交联、氧化、产生气体等化学变化：分子链交联、氧化、产生气体等57提高树脂耐热性方法：提高树脂耐热性方法：增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构；增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构；进行结晶：进行结晶：-C-O-C-,-OH,-NH2等；等；进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。
40、热稳定性：热稳定性：p2358三、耐腐蚀性能三、耐腐蚀性能p24树脂的腐蚀树脂的腐蚀物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降影响因素：影响因素：树脂结构树脂结构树脂含量树脂含量树脂固化交联密度树脂固化交联密度化学作用：化学键破坏或新的化学键化学作用：化学键破坏或新的化学键59四、介电性能四、介电性能 树脂分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料树脂分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料.极性大的分子一般介电常数也大极性大的分子一般介电常数也大影响因素：影响因素：树脂大分子的极性：极性增加，电绝缘性下降；树脂大分子的极性：极性增加，电绝缘性下降；
41、固化树脂杂质含量及种类固化树脂杂质含量及种类602.3.3 热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料树脂加热后产生树脂加热后产生化学变化化学变化，逐渐硬化成型，再受热也，逐渐硬化成型，再受热也不软化，也不能溶解。热固性树脂其分子结构为体型，不软化，也不能溶解。热固性树脂其分子结构为体型，它包括大部分的缩合树脂，热固性树脂有酚醛、环氧、它包括大部分的缩合树脂，热固性树脂有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。61聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。饱和聚酯：饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键没有非芳族的不饱和键不饱和聚酯：不饱和聚酯：含有非
42、芳族的不饱和键，由不饱和二元羧酸或酸酐、含有非芳族的不饱和键，由不饱和二元羧酸或酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物。的相对分子质量不高的线型高分子化合物。不饱和聚酯树脂：不饱和聚酯树脂：在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。聚酯树脂。不饱和不饱和聚酯树脂主要应用于玻璃纤维复合材料。聚酯树脂主要应用于玻璃纤维复合材料
43、。62主要特点：l工艺性能好，粘度低可在室温下成型；工艺性能好，粘度低可在室温下成型；l价格低廉；价格低廉；l固化时体积收缩率大，成型时气味和毒性较大；固化时体积收缩率大，成型时气味和毒性较大；l耐热性、强度和模量较低，易变形耐热性、强度和模量较低，易变形63常用不饱和聚酯树脂常用不饱和聚酯树脂牌号牌号主要成分主要成分技术指标技术指标性能与用途性能与用途FL191丙二醇丙二醇/苯乙烯苯乙烯苯酐苯酐/顺酐顺酐酸值酸值：2838 mgKOH/g粘度粘度：0.250.45Pa.S室温凝胶时间室温凝胶时间：1222min耐光通用型树脂，耐光通用型树脂，适用于平板和波纹适用于平板和波纹板等玻纤增强产品板
44、等玻纤增强产品FL189乙二醇乙二醇/苯酐苯酐顺酐顺酐/苯乙烯苯乙烯2028 mgKOH/g0.250.45Pa.S6.511.5min耐水耐候树脂、耐水耐候树脂、冷却塔、卫生洁具冷却塔、卫生洁具FL195丙二醇丙二醇/苯酐苯酐/顺酐顺酐苯乙烯苯乙烯2735 mgKOH/g0.120.22Pa.S3054min高透光率树脂、透高透光率树脂、透明板材、采光罩明板材、采光罩FL198丙二醇丙二醇/苯酐苯酐顺酐顺酐/苯乙烯苯乙烯2028 mgKOH/g0.450.85Pa.S610min高活性树脂、适用高活性树脂、适用于强度高、耐中温于强度高、耐中温纤维增强塑料纤维增强塑料64 分子中含有两个或两个
45、以上环氧基团的有机高分子化合物，分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，它们的相对分子质量都不高。它们的相对分子质量都不高。分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。CH2CHO65 环氧树脂具有优良的物理
46、机械性能、电绝缘性能和粘结性环氧树脂具有优良的物理机械性能、电绝缘性能和粘结性能，可以作为涂料、浇铸料、模压料、胶粘剂、层压材料以直能，可以作为涂料、浇铸料、模压料、胶粘剂、层压材料以直接或间接使用的形式渗透到从日常生活用品到高新技术领域的接或间接使用的形式渗透到从日常生活用品到高新技术领域的国民经济的各个方面。例如：飞机、航天器中的复合材料、大国民经济的各个方面。例如：飞机、航天器中的复合材料、大规模集成电路的封装材料、发电机的绝缘材料、钢铁和木材的规模集成电路的封装材料、发电机的绝缘材料、钢铁和木材的涂料、机械土木建筑用的胶粘剂、乃至食品罐头内壁涂层和金涂料、机械土木建筑用的胶粘剂、乃至食
47、品罐头内壁涂层和金属抗蚀电泳涂装等都大量使用环氧树脂。它已成为国民经济发属抗蚀电泳涂装等都大量使用环氧树脂。它已成为国民经济发展中不可缺少的材料。展中不可缺少的材料。66 酚类化合物与醛类化合物缩聚而得的树脂，一般常指酚类化合物与醛类化合物缩聚而得的树脂，一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂。由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂。OH苯酚苯酚 COHH甲醛甲醛原为无色或黄褐色透明物，市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、原为无色或黄褐色透明物，市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色，有颗粒、粉末状。耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强棕、蓝等颜色，有颗粒、粉末状。耐弱酸和
48、弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。碱发生腐蚀。不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。67l特点：特点：耐高温性、耐酸性、机械强度较高、低烟低毒耐高温性、耐酸性、机械强度较高、低烟低毒 l用途：用途：主要用于生产压塑粉、层压塑料；制造清漆或绝缘、主要用于生产压塑粉、层压塑料；制造清漆或绝缘、耐腐蚀涂料；制造日用品、装饰品；制造隔音、隔热材料、耐腐蚀涂料；制造日用品、装饰品；制造隔音、隔热材料、人造板、铸造、耐火材料等。人造板、铸造、耐火材料等。682.3.4 热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性聚合物是指热塑性聚合物是指具有线型或支链型结构的那
49、一类有机高具有线型或支链型结构的那一类有机高分子化合物，这类聚合物可以反复受热软化（或熔化），分子化合物，这类聚合物可以反复受热软化（或熔化），而冷却后变硬。而冷却后变硬。热塑性聚合物在软化或熔化状态下，可以进行模塑加工，热塑性聚合物在软化或熔化状态下，可以进行模塑加工，当冷却至软化点以下时能保持模塑成型的形状。当冷却至软化点以下时能保持模塑成型的形状。69聚乙烯聚乙烯CH2CH2nCH2CHCH3nCH2CHnCH2CHCl聚苯乙烯聚苯乙烯聚丙烯聚丙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚酰胺（尼龙）聚酰胺（尼龙）70聚碳酸酯聚碳酸酯CH2OnCH2CH2HOOCOCOOnOCHCH3CH3OCOn聚甲醛聚甲醛
50、聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯CH2CH2HOOHHOCOCOHO+71 与热固性树脂基复合材料比，热塑性聚合物基复合材与热固性树脂基复合材料比，热塑性聚合物基复合材料在力学性能、使用温度、老化性能方面处于劣势，而在料在力学性能、使用温度、老化性能方面处于劣势，而在工艺简单、工艺周期短、成本低、相对密度小等方面占优工艺简单、工艺周期短、成本低、相对密度小等方面占优势。势。72本章习题：1、制备金属基复合材料如何有效选择基体？、制备金属基复合材料如何有效选择基体？2、选择金属基体时，如何增强基体与增强物的相容性？、选择金属基体时，如何增强基体与增强物的相容性？3、常用的陶瓷基体主要有哪
