复合材料的基体材料

1,复合材料的基体,复合材料的基体是复合材料的连续相，起到将增强体黏结成整体，并赋予复合材料一定形状、传递外界作用力、保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。复合材料的基体主要有以下几种：金属材料陶瓷材料聚合物材料,2,一、金属材料,基体材料是金属基复合材料中增强体的载体，占有很大的体积比列，基体材料的力学物理性能将直接影响复合材料的性能。金属材料分为结构金属材料和功能用金属基复合材料。,3,金属复合材料的优点,4,结构复合材料的基体,结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。,5,功能用金属基复合材料的基体,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。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。,6,选择金属基体的原则及主要金属基金属,选择基体材料是要考虑复合材料的类型。比如连续增强纤维增强金属基体要求与纤维有良好的相容性与塑性，而不要求基体有很强的强度，而非连续增强金属基复合材料要求金属基体强度很高。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，镍合金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。,7,二、陶瓷基体材料,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。包括玻璃、水泥、搪瓷等现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等。如氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等。,8,由于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。因此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。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、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等,9,1 、微晶玻璃,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。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。典型代表：Li2O-Al2O3-SiO2,10,应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。,2 、 氧化物陶瓷,11,3 、 非氧化物陶瓷,指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。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，也有一定的金属键成分。 共价键结合能比较高材料有高的耐火度、高的硬度（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能力低。 主要有氮化硅陶瓷(Si3N4)、氮化硼和氮化钛陶瓷、碳化硅陶瓷等,12,一、基体材料的组分及作用,聚合物基体： 基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工艺及价格。要求：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。,三、聚合物基体材料,13,2 、 辅助剂：,（1）交联剂（引发剂、促进剂） 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成的物质。也称为固化剂。 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、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。 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较少的物质。,14,（2）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。,非活性稀释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加入量为1060%。如：丙酮、乙醇、甲苯、苯,活性稀释剂：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,15,（3） 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。如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺 等。,（4）触变剂,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，加入量为13%。如：活性SiO2(白炭黑)、膨润土、聚氯乙烯粉。,16,（5） 填料,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）。如：CaCO3、滑石粉、石英粉、金属粉。,（6） 颜料,用量约0.55%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，有机颜料影响树脂固化。,17,3 、基体的作用,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；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。,18,4 、基体材料的选用原则,产品性能工艺性能成本及来源,基体材料,综合决定,19,二、基体材料的结构和性能,结构特点：（1）分子链很大（103105个结构单元）：线形的，支链的，网状的（2）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基（3）聚合物分子间的作用力： 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。,20,一、力学性能,1. 强度与模量,主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。纤维弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂；纤维弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强度高。,2. 树脂内聚强度,固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性,三、聚合物基体的性能,21,3. 树脂断裂延伸率,聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变,普弹形变：由聚合物分子的键长和键角改变引起， 变形较小（1%）,高弹形变：由大分子链的链段移动引起，是聚合物主 要变形形式（Tg以上）,强迫高弹形变（Tg以下）：在外力作用量够大，时间 是够长条件下出现 决定因素：大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度,22,4. 树脂体积收缩率：物理收缩、化学收缩,固化收缩率：环氧树脂12%；聚酯树脂46%；酚醛树脂810%影响因素：固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度； 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。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 间填充密实，固化后有紧密的空间网络。,23,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，具有体型结构的固态树脂的全过程。,凝胶：,定型：,熟化：,液态树脂可溶线型小分子,固态树脂不溶不熔体型结构大分子,固化,粘流态树脂,半固态凝胶,失去流动性,凝胶时间手糊时间,凝胶,硬度、形状,表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学性能,固化阶段,24,二、耐热性能,复合材料耐热性：温度升高，性能变化,物理性能：模量、强度、变形化学性能：失重、分解、氧化,树脂耐热性,物理耐热性：在一定温度条件下，仍然保持 其作为基体材料的强度化学耐热性：树脂发生热老化时的温度范围,聚合物受热变化,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,25,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；,进行结晶：-C-O-C-, -OH, -NH2等；进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。,26,三、耐腐蚀性能,树脂的腐蚀,物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降,影响因素：,树脂结构树脂含量树脂固化交联密度,化学作用：化学键破坏或新的化学键,27,四、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.极性大的分子一般介电常数也大,影响因素：,树脂大分子的极性：极性增加，电绝缘性下降；固化树脂杂质含量及种类,28,热固性树脂基复合材料,树脂加热后产生化学变化，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，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。,29,1. 不饱和聚酯树脂,聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键不饱和聚酯：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：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聚酯树脂。,不饱和聚酯树脂主要应用于玻璃纤维复合材料。,30,主要特点：工艺性能好，粘度低可在室温下成型；价格低廉；固化时体积收缩率大，成型时气味和毒性较大；耐热性、强度和模量较低，易变形,31,2.环氧树脂,环氧树脂（Epoxy Resin）：指分子结构中含有2个或2个以上环氧基并在适当的化学试剂存在下能形成三维网状固化物的化合物的总称，是一类重要的热固性树脂。 环氧树脂既包括环氧基的低聚物，也包括含环氧基的低分子化合物。环氧树脂作为胶粘剂、涂料和复合材料等的树脂基体，广泛应用于水利、交通、机械、电子、家电、汽车及航空航天等领域。,32,一、 环氧树脂及其固化物的优缺点 (1) 力学性能高。环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，所以它的力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯等通用型热固性树脂。 (2) 附着力强。环氧树脂固化体系中含有活性极大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团，赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝士、木材等极性基材以优良的附着力。 (3) 固化收缩率小。一般为12。是热固性树脂中固化收缩率最小的品种之一(酚醛树脂为810；不饱和聚酯树脂为46；有机硅树脂为48)。线胀系数也很小，一般为610-5/。所以固化后体积变化不大。 (4) 优良的电绝缘性优良。环氧树脂是热固性树脂中介电性能最好的品种之一。,33,(5) 工艺性好。环氧树脂固化时基本上不产生低分子挥发物，所以可低压成型或接触压成型。能与各种固化剂配合制造无溶剂、高固体、粉末涂料及水性涂料等环保型涂料。 (6) 稳定性好，抗化学药品性优良。不含碱、盐等杂质的环氧树脂不易变质。只要贮存得当(密封、不受潮、不遇高温)，其贮存期为1年。超期后若检验合格仍可使用。环氧固化物具有优良的化学稳定性。其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。因此环氧树脂大量用作防腐蚀底漆，又因环氧树脂固化物呈三维网状结构，又能耐油类等的浸渍，大量应用于油槽、油轮、飞机的整体油箱内壁衬里等。 (7) 环氧固化物的耐热性一般为80100。环氧树脂的耐热品种可达200或更高。,34,环氧树脂也存在一些缺点，比如耐候性差，环氧树脂中一般含有芳香醚键，固化物经日光照射后易降解断链，所以通常的双酚A型环氧树脂固化物在户外日晒，易失去光泽，逐渐粉化，因此不宜用作户外的面漆。另外，环氧树脂低温固化性能差，一般需在10以上固化，在10以下则固化缓慢，对于大型物体如船舶、桥梁、港湾、油槽等寒季施工十分不便。,35,环氧树脂的命名方法1. 代号与型号 主要有E、F、R（二氧化双环戊二烯环氧）等。 型号“E-51”表征的意义。2.主要指标 环氧值或环氧当量。 环氧值：100g环氧树脂中含有环氧基团的物质的量（或克当量数）。 环氧当量：含有1克当量环氧基的环氧树脂的克数。环氧值环氧当量100 表征意义：反应活性，相对分子量的大小,36,3.1.4 二酚基丙烷型环氧树脂 1、主要原料 （1）二酚基丙烷 - 双酚A （2）环氧氯丙烷：非常活泼，可与多种试剂进行反应。,37,从分子结构上可分为五大类： 1.缩水甘油醚类 4.脂肪族环氧 2.缩水甘油酯类 5.脂环族环氧 3.缩水甘油胺类,38,1.缩水甘油醚类,2.缩水甘油酯类,3.缩水甘油胺类,4.脂肪族环氧,5.脂环族环氧,39,双酚A型环氧树脂，目前应用最广，其分子中的双酚A骨架提供强韧性和耐热性，亚甲基链赋予柔软性，醚键赋予耐化学药品性，羟基赋予反应性和粘接性。双酚F型环氧树脂与双酚A型环氧树脂性质相似，只不过其黏度比双酚A型环氧树脂低得多，适合作无溶剂涂料。双酚S型环氧树脂也与双酚型A型环氧树脂相似，其黏度比双酚A型环氧树脂略高，其最大的特点是固化物具有比双酚A型环氧树脂固化物更高的热变型温度和更好的耐热性能。氢化双酚A型环氧树脂的特点是树脂的黏度非常低，但凝胶时间比双酚A型环氧树脂凝胶时间长两倍多，其固化物的最大特点是耐候性好，可用于耐候性的防腐蚀涂料。,40,酚醛环氧树脂主要包括苯酚线性酚醛环氧树脂和邻甲酚线性酚醛环氧树脂，其特点是每分子的环氧官能度大于2，可使涂料的交联密度大，固化物耐化学药品性、耐腐蚀性以及耐热性比双酚A型环氧树脂好，但漆膜较脆，附着力稍低，且常常需要较高的固化温度，常用作集成电路和电子电路、电子元器件的封装材料。溴化环氧树脂因分子中含有阻燃元素，因此其阻燃性能高，可作为阻燃型环氧树脂使用，常用于印刷电路板