第2章-复合材料的基体材料

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

22.1金属材料百度百科：金属是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。金属的特质跟金属晶体内含有自由电子有关。自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。金属之间的连结是金属键，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的原因。3铝合金：

性质决定用途地壳中含量最高；密度小（2.7）；导电好（仅次于银、铜）；导热好；延展性佳；性质活泼；耐腐蚀性强；银白色光泽；光反射率高；良好的吸音性能；耐低温在19世纪非常珍贵；自然界中主要以铝硅酸盐矿石存在；α-Al2O3，硬度仅次于金刚石，熔点高、耐酸碱；红宝石（Cr+3）；蓝宝石（Fe+2，或Ti+4）；β-Al2O3，多孔，表面积大，活性高；4镁合金：

性质决定用途镁：地壳中含量高；密度小（1.74）；用量第3的结构材料；主要用途是：制造铝合金，压模铸造（与锌形成合金），钢铁生产中脱硫处理镁合金：密度最小的金属结构材料应用于航空航天工业、军工领域、交通领域、3C领域等；5钛合金：

性质决定用途地壳中含量第10；密度4.5；无磁；耐中高温度（600度）；比强度居于金属之首；主要用途是：航空航天、航海、生物医学、高档体育生活用品、白色颜料（TiO2）；6镍合金：

性质决定用途密度8.9；铁磁性；抗腐蚀；可高度磨光；主要用途是：合金（不锈钢）、催化剂、货币、防腐镀层、记忆合金、磁头；7铜合金：

性质决定用途密度8.9；无磁性；导电、导热仅次于银；主要用途是：电气工业（电力输送、电机、通讯电缆）、电子工业（印刷电路、集成电路）能源石化；交通运输；机械冶金；轻工业；（印刷、造纸、钟表）紫铜（纯铜）；黄铜（铜锌）；白铜（铜镍）；青铜（除锌镍以外，主要有锡青铜、铝青铜）8铁合金：

性质决定用途密度7.9；铁磁性；抗腐蚀；主要用途是： 最大用途是用于炼钢； 也大量用来制造铸铁和煅铁。 铁和其化合物还用作磁铁、染料（墨水、蓝晒图纸、胭脂颜料）和磨料（红铁粉）。 还原铁粉大量用于冶金。112.1.1选择基体的原则1．金属基复合材料的使用要求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122、组成特点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；133．基体金属与增强物相容性高温反应会产生界面反应层，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2．450~700℃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3．1000℃以上的金属基体镍基、铁基和金属间化合物；2.1.2结构复合材料的基体152.1.3功能用金属基复合材料电子封装：铝基和铜基耐磨元件：铝、镁、锌、铜、铅等；电触头：铝、铜、银及合金；162.3陶瓷材料陶器瓷器（釉）17陶瓷的历史陶瓷，china；陶器；瓷器；名扬海外；182.3陶瓷材料传统陶瓷指：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？？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。①建筑一卫生陶瓷②化工（化学）陶瓷③电瓷：电力工业输电线路上的绝缘子。④特种陶瓷：功能陶瓷：具有电磁、光、声、超导、化学和生物特性等应用20几种陶瓷材料1．玻璃特点；非晶态；玻璃化转变温度；软化温度；2．玻璃陶瓷非晶晶化；热膨胀系数小；力学性能好，导热系数大；213氧化物陶瓷基体作为基体材料使用的氧化物陶瓷主要有A12O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石等，它们的熔点在2000℃以上。

氧化物陶瓷主要为单相多晶结构，除晶相外，可能还含有少量气相(气孔)。

微晶氧化物的强度较高，粗晶结构时，晶界面上的残余应力较大，对强度不利。22氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态，即--Al2O3，属六方晶系。

(1)氧化铝陶瓷基体(2)氧化镁陶瓷基体物理性质:白色粉末，无臭、无味，不溶于水和乙醇，熔点2852℃，沸点3600℃，氧化镁有高度耐火绝缘性能。应用：用作白色颜料的标准。轻质氧化镁主要用作制备陶瓷、搪瓷、耐火坩锅和耐火砖的原料。23(3)氧化锆陶瓷基体

以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度5.6~5.9g/cm3，熔点2175℃。由于氧化锆具有可逆相变，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量CaO、MgO等与ZrO2结构近似的氧化物作为稳定剂，形成稳定的立方相结构。稳定的氧化锆陶瓷的比热容和导热系数小，韧性好，化学稳定性良好，高温时具有抗酸性和抗碱性。

氧化锆在室温为单斜相，在1100℃形成四方晶体，在1900℃形成立方晶体。24--Al2O3被氧化锆粉体增韧，其原理是：氧化锆粒子从单斜相向四方相形态转变，从而导致体积改变，吸收能量，减缓微观裂纹尖端的应力集中，从而起到增韧氧化铝的作用。254非氧化物陶瓷

非氧化构陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它们的特点是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。26

碳化物和硼化物的抗热氧化温度约900~1000℃。氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达1300~1700℃。

氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温(1360℃)和高压作用下可转变成立方结构的~氮化硼，耐热温度高达2000℃，硬度极高，可作为金刚石的代用品。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。配料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成型陶瓷粉体、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)干燥与排塑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烧结原理及工艺烧结是指多孔状陶瓷胚体在高温条件件下，表面积减小、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影响烧结的因素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烧结方法：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。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、涂料和黏合剂。聚合物材料37①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。

②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。纤维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。

③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；

④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。

⑤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。382.4聚合物基体材料

1．种类

用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。2.4.1聚合物基体种类、组分和作用39

热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。热塑性聚合物的形态特征

热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。热固性聚合物的形态特征40

2．组分

主要成分是聚合物此外，还包括辅助材料：固化剂、增韧剂、稀释剂和催化剂等；413.基体的作用主要包括以下四个部分

①将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡；②基体决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐介质性能(等；③基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选择等。④基体保护纤维免受各种损伤。此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。422.4.2聚合物的结构与性能1．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，包括重复单元的本性、端基本性、可能的支化和胶联与结构顺序中缺陷的本性，以及高分子的大小和形态；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；含有官能团或端基，与其它反应基团的反应对其物理性能和力学性能影响很大；分子间作用力与聚集态结构和材料的物理性能密切相关；2．聚合物的性能力学性能“温度-时间-环境-载荷”决定因素：分子内和分子间的作用力；结构决定性能：结构上：热塑性树脂为线性结构；热固性树脂为网状结构；性能上（热塑性树脂）：明显的力学松弛；大形变；良好的抗冲击性能；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；2）增加分子链的刚性：少单键；多双键、三键或环状结构；3）选用结晶能力大的聚合物；热稳定性失效形式：降解和交联提高途径：1）提高键能；2）尽可能引入芳环和杂环；

2.4.3．热固性树脂

优点：具有良好的工艺性。由于固化前，热固性树脂粘度很低，因而宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较低的温度和压力下固化成型；缺点：预浸料需低温冷藏且贮存期有限，成型周期长和材料韧性差。

热固性在连续纤维增强树脂基复合材料中占统治地位。

不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，约占总量的80％，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀性或先进复合材料基体。耐腐蚀性能常用热固性树脂的耐化学腐蚀性能常用热固性树脂的其它物理性能其他物理性能1．不饱和聚酯树脂(1)不饱和聚酯树脂及其特点

不饱和聚酯树脂是指有线型结构的，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。

不饱和聚酯树脂在热固性树指中是工业化较早，产量较多的一类，它主要应用于玻璃纤维复合材料。由于树脂的收缩率高且力学性能较低，因此很少用它与碳纤维制造复合材料。

主要优点：１、工艺性能良好，如室温下粘度低，可以在室温下固化，在常压下成型，颜色浅，可以制作彩色制品，有多种措施来调节其工艺性能等；２、固化后树脂的综合性能良好，并有多种专用树脂适应不同用途的需要；３、价格低廉，其价格远低于环氧树脂，略高于酚醛树脂。主要缺点：固化时体积收缩率较大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形，因此很少用于受力较强的制品中。(2)交联剂、引发剂和促进剂(a)交联剂

不饱和聚酯分子链中含有不饱和双键，因而在热的作用下通过这些双键，大分子链之间可以交联起来，变成体型结构。但这种交联产物很脆，没有什么优点，无实用价值。实际中常把线型不饱和聚酯溶于烯类单体中，使聚酯中的双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。

烯类单体在这里既是溶剂，又是交联剂。

交联剂的选择和用量直接影响着树脂的性能和工艺(b)引发剂引发剂一般为有机过氧化物，它的特性通常用临界温度和半衰期来表示。

临界温度是指有机过氧化物具有引发活性的最低温度。在此温度下，过氧化物开始以可察觉的速度分解形成游离基，从而引发不饱和聚酯树脂以可以观察的速度进行固化。

半衰期是指在给定的温度条件下，有机过氧化物分解一半所需要的时间。

(c)促进剂

促进剂的作用是把引发剂的分解温度降到室温以下。对氢过氧化物有效的促进剂大都是具有变价的金属钴，如环烷酸钻、萘酸钴等。为了操作方便，配制准确，常用苯乙烯将促进剂配成较稀的溶液。(3)不饱和聚酯树脂的固化特点

不饱和聚酯树脂的固化是一个放热反应，其过程可分为三个阶段：(a)胶凝阶段：从加入促进剂后到树脂变成凝胶状态的一段时间，受成分、温度、湿度等影响。(b)硬化阶段：从树脂开始胶凝到一定硬度，能把制品从模具上取下为止的一段时间。(c)完全固化阶段：可能几天至几星期，可升温来加速。

(4)不饱和聚酯树脂的增粘特性

在碱土金属氧化物或氢氧化物不饱和聚树脂很快稠化，形成凝胶状物，这种物质称为增粘剂。增粘剂可使粘度0.1~1.0Pa·s短时间内剧增至103Pa·s，直至成为能流动的、不粘手的类似凝胶状物，过程为增粘过程。树脂处于凝胶状时并未交联，在合适的溶剂中仍可溶解，加热时有良好的流动性。利用的增粘特性来制备聚酯预混料，片状模压料(SMC)和团状模压料，其中，片状模压料可以进行自动化、机械化、连续大量生产，并且用它可以压制大型制品。2．环氧树脂

含有二个以上环氧基的高聚物统称为环氧树脂。按原料组分而言，有双酚型环氧树脂，非双酚型环氧树脂以及脂肪族环氧化合物等新型环氧树脂。

环氧树脂是线型结构的，必须加入固化剂使它变为不溶不熔的网状结构的树脂才有用处。凡能与环氧树脂中环氧基发生反应，使树脂固化的物质，统称为固化剂或硬化剂；固化剂的种类很多，通常有胺类固化剂、酸酐类固化剂、咪唑类固化刑、潜伏性固化剂，以及其他类型的固化剂。3．酚醛树脂酚醛树脂系酚醛缩合物，它主要应用于胶粘剂、涂料及布、纸、玻璃布的层压复合材料等。酚醛树脂的优点是比环氧树脂价格便宜，但有吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等缺点。因此较少用酚醛树脂来制造碳纤维复合材料。

固化方法有两种：(一)加热固化，不加任何固化剂，仅仅通过加热的办法，依靠酚醛本身的羟甲基等活性基团，进行化学反应而固化：(二)通