第二章-复合材料的基体材料

第二章复合材料的基体材料,基体作用：传递荷载、保护增强体；基体类型：塑料（热固性、热塑性）、金属、无机非金属（陶瓷、C、水泥等）,2020/6/6,2,21金属材料,用于MMC的主要品种：铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物。合理选择品种的重要性：正确选择基体对能否充分组合和发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综合性能十分重要。,2.1.1选择基体的基本原则,在选择基体金属时应考虑因素：MMC的使用要求MMC的组成特点基体金属与增强物的相容性,1）MMC的使用要求,航天、航空器元件：高比强度、比模量+尺寸稳定性。宜选用密度较小的轻金属合金镁合金和铝合金，如C/Mg、C/Al、B/Al。高性能发动机叶片、转轴：高比强度、比模量+耐高温。选择钛基合金、镍基合金及金属间化合物。如SiC/Ti、W/Ni。汽车发动机活塞、缸套：耐高温+耐磨、导热，选择C/Al、Al2O3/Al、SiC/Al。高集成电子器件：要求高导热+低膨胀，选择高导热率的银、铜、铝等与高导热性、低膨胀的石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合。,2020/6/6,6,2020/6/6,7,2020/6/6,8,连续纤维增强MMC：,如：连续C/Al中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金好得多。且铝合金强度越高，其MMC的性能越低。,2）金属基复合材料的组成特点,2020/6/6,9,2020/6/6,10,3）基体金属与增强物的相容性,基体与纤维的相容性：良好的浸润性、稳定的界面。,2020/6/6,11,如何增强基体金属与增强物的相容性？,3）基体金属与增强物的相容性,例：在纯铝中加入少量的Ti、Zr等元素，可明显改善MMC的界面结构和性质，大大提高MMC的性能。Fe、Ni高温时会破坏CF的结构，使其丧失原有强度，因此不能直接用作CF的基体。,2.1.2结构复合材料的基体,按制品使用温度要求分为：轻金属基体和耐热合金基体,1）用于450以下MMC的轻金属基体,目前研究发展最成熟、应用最广泛的MMC是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并以形成工业化规模生产。对于不同类型的复合材料应选用合适的铝或镁合金基体。连续纤维增强MMC：一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金；颗粒、晶须增强MMC：则选用具有高强度的铝合金。,2020/6/6,15,2）用于450-700的MMC金属基体,钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450-700使用。SiC/Ti制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。,2020/6/6,17,3）用于1000以上的高温MMC金属基体,用于1000以上的基体材料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物，较成熟的是镍基、铁基高温合金。金属间化合物基MMC尚处于研究阶段。W/Ni合金，可以大幅度提高其高温性能高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1-3倍，主要用于高性能发动机叶片等重要零件。,2020/6/6,19,2.1.3功能用MMC的基体,电子、信息能源等高技术领域的发展，要求材料和器件同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高磨擦系数和耐磨性等综合物理性能。如电子器件：集成度越来越高，功率增大，发热严重，需用热膨胀系数小、导热性好的材料做基板和封装材料，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，提高器件可靠性。SiCp/Al、SiCp/Cu；又如汽车发动机零件：要求耐磨、导热性好、热膨胀系数适当。采用SiC、Al2O3、Gr等增强材料增强Al、Mg、Cu、Zn、Pb等MMC,2020/6/6,21,22陶瓷材料,陶瓷材料的特点,陶瓷材料的性能特点优点：1）高硬度：决定了优异的耐磨性；2）高熔点：决定了杰出的耐热性；3）高化学稳定性：决定了良好的耐腐蚀性缺点：脆性，需要增韧复合材料,2020/6/6,23,2020/6/6,24,1、微晶玻璃,2020/6/6,25,1、微晶玻璃,2020/6/6,26,2、氧化物陶瓷,2020/6/6,27,2020/6/6,28,2、非氧化物陶瓷,2020/6/6,29,氮化硅陶瓷,2020/6/6,30,氮化钛陶瓷,2020/6/6,31,碳化硅陶瓷,23聚合物材料,聚合物（高分子化合物）：是指那些众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子质量在一万以上的化合物。特性：聚合物分子量很大，因而具有与低分子同系物完全不同的物理性能。如高分子化合物具有高软化点、高强度、高弹性、其溶液和熔体具有高粘度等性质。RMC中聚合物的主要作用是：把纤维粘接在一起；分配纤维间的荷载；保护纤维不受环境影响。分类：热固性树脂和热塑性树脂两大类。,2.3.1热固性树脂,热固性树脂定义：低分子物在引发剂、促进剂作用下生成的三维体形网状结构聚合物。固化物加热不软化，不溶不融。不饱和聚酯树脂环氧树脂酚醛树脂其它热固性树脂,1）不饱和聚酯树脂,定义：主链上同时具有重复酯键和不饱和双键的一类聚合物。主要优点：工艺性好、固化物的综合性能好、价格低廉、品种多。主要缺点：固化收缩率大，耐热性、强度和模量较低，因此很少用于受力很大的制品中。使用方法：树脂、引发剂、促进剂按配比配制，并按固化制度固化。,2020/6/6,35,2020/6/6,36,2020/6/6,37,2）环氧树脂,定义：分子主链上含有两个或两个以上环氧基团的聚合物。主要优点：形式多样、粘附力强、收缩率低、力学性能好、尺寸稳定、化学稳定性好。主要缺点：工艺性差，价格高。使用方法：,3）酚醛树脂,定义：酚类和醛类的聚合物。主要优点：良好的机械强度、耐热性能、突出的耐高温烧蚀性能。主要缺点：吸附性不好、收缩率高、脆性大、制品空隙含量高。使用方法：树脂+固化剂加热固化，酚醛树脂改性。,4）其它热固性树脂,有机硅树脂：分子主链上含有硅氧键的聚合物。200250下可长时间使用，仍保持优良的电性能，憎水防潮性。呋喃树脂：含有呋喃结构的聚合物。热稳定性、高耐腐蚀性、脆性。聚酰亚胺、双马来酰亚胺：耐热性好，可在200230下长期使用。,41,结构特点：线型、分枝型，遇热软化或熔融且可反复进行力学性能：具有明显的力学松弛现象；较大的断裂延伸率；抗冲击性能好。电学性能：优异的绝缘性能，对腐蚀性介质稳定。举例：聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚丙烯-十二烯-苯乙烯（ABS树脂）等。,热塑性聚合物热塑性聚合物,2020/6/6,42,2020/6/6,43,2020/6/6,44,热塑性树脂基体,热塑性树脂（塑料）,通用塑料,工程塑料,特种工程塑料,按用途可分：,按形态可分：无定形热塑性塑料：结晶性热塑性塑料：,热塑性树脂基体,大分子完全无序排列。最高使用温度应在Tg以下，而其最低加工温度则应在Tg以上。,部分大分子或大分子部分均匀排列。并非100%结晶，分子结构越规整、分子链越柔顺，结晶能力越强，通常用结晶度来表征结晶程度。最高使用温度应在Tm以下，而其最低加工温度则应在Tm以上。,热塑性树脂基体,不定形塑料与结晶性塑料的结构与性质之比较,热塑性树脂的基本性能1、力学性能决定合成树脂力学性能的结构因素有以下五个：大分子链的主价力；分子间的作用力；大分子链的柔韧性；分子量；大分子链的交联密度。,热塑性树脂基体,热塑性树脂与热固性树脂在结构上的显著差别在于前者的大分子链为线型结构，而后者的大分子链为体型网状结构。由于这一结构上的差别，使热塑性树脂与热固性树脂相比在力学性能上有以下几个显著特点：具有明显的力学松弛现象；在外力作用下，形变的能力较大，即当应变速度不大时，可具有相当大的断裂延伸率；抗冲击性能好。,热塑性树脂基体,2、电学性能热塑性树脂的电性能按其大分子的极性不同可分为：以下几：（1）非极性：这类树脂如聚乙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等。（2）弱极性：这类树脂如聚苯乙烯、聚异丁烯等。（3）极性：这类树脂如聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。（4）强极性：这类树脂如聚酯。,热塑性树脂基体,高频率的电解质,低频率的介电体,热塑性树脂的应用,我国热塑性塑料产业,我国是世界高分子材料大国，世界塑料大国,生产大国、消费大国、进口大国。世界第一大PVC、合成纤维生产国。其中，通用塑料PE、PP、PS、PVC和ABS表观消费量占我国合成树脂总产量的94%。但树脂消费仍有一半以上依赖进口。工程塑料(PA、POM、PC、PBT、PET、PPO)大量依靠进口。,我国热塑性塑料产业,规模企业分布，,复合材料常用热塑性树脂迄今，几乎所有的热塑性树脂皆可用玻璃纤维或其它纤维增强。,热塑性树脂基体,55,1、聚烯烃包括聚乙烯（产量最大）、聚丙烯、聚苯乙烯和聚丁烯等2、聚酰胺定义：分子链中含有酰胺基团（尼龙）性能：具有良好的力学性能良好的耐磨性和耐腐蚀性较之金属材料刚性较差，但比拉伸强度高于金属,56,3、聚碳酸酯（PC）O定义：分子链中含有（-ORO-C-）基团的线性聚合物。性能：硬度高、韧性好，良好耐蠕变性、耐热性和电绝缘性制品易产生应力开裂，耐溶剂和水能力差，高温下易水解,57,4、聚甲醛定义：分子链中含有（-CH2-O-）基团高熔点、高结晶的热塑性塑料性能：优异的力学性能（力学性能最接近金属的塑料）很高的比强度和比刚度（在某些场合可以替代钢、铝、铜等金属）,58,5、氟树脂定义：分子链中含有氟单体，应用最多为聚四氟乙烯，分子式为()，产量约占氟塑料的。性能：聚四氟乙烯是高度结晶的聚合物，分解温度为400度，可在度以下长期使用，具有优异的力学性能,耐化学腐蚀性极强，能耐王水及沸腾的氢氟酸（塑料王）,2020/6/6,59,RMC用高性能热塑性树脂优点：耐热性好聚苯硫醚：300短期荷载、240长期；聚砜和聚醚砜：200下长期使用；聚醚醚酮：160长期使用。高性能热塑性树脂缺点：成型难、成本高。,60,1.4橡胶橡胶是指具有显著高弹性的一类高分子化合物，也可用作复合材料的基体材料，包括天然橡胶和人造橡胶，如丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚丁二烯橡胶等。不同于树脂基复合材料，橡胶基复合材料除了要具有轻质高强的特点外，还应具有柔性和较大的弹性。橡胶基复合材料主要用来制备轮胎、传动皮带等。,聚合物共混物基体,聚合物共混物基体分类1）按类型：塑料/塑料相互间改性热塑性/热塑性共混物：非晶/非晶：PS/PC、PS/PSF、ABS/PC等非晶/结晶:PS/PP、PS/PE、PC/PBT、PC/PA等结晶/结晶:PE/PP、PP/PET、PP/PA、PET/PA等,2.2.4聚合物共混物基体,LCP/热塑性共混物：LCP/非晶LCP/PC、LCP/PSF等LCP/结晶LCP/PBT、LCP/PP、LCP/PET、LCP/PA等热塑性/热固性共混物：非晶热塑性树脂/热固性树脂：PC/环氧树脂、PSF/环氧树脂、PEI/环氧树脂、PEI/双马来酰亚胺（BMI）等结晶热塑性树脂/热固性树脂：PBT/环氧树脂等,聚合物共混物基体,热固性/热固性共混物:环氧树脂/双马来酰亚胺、不饱和聚酯树脂/环氧树脂等塑料/橡胶橡胶增韧塑料橡胶增韧无定型塑料：Rub/EP、Rub/PC、Rub/PS等橡胶增韧结晶型塑料：Rub/PP、Rub/PBE、Rub/PA等橡胶/塑料塑料增强橡胶纤维/纤维相互间改性PP/PET、PP/PA、合成纤维与天然纤维等,聚合物共混物基体,（2）按组分：二元、三元、四元共混物；PE/PP、PP/PBT,PE/PP/PS,PE/PP/PS/PVC（3）按基体：PE共混物、PP共混物、PVC共混物、PS共混物、PA共混物、PC共混物、PET共混物、PBT共混物等（4）按性能：耐高温、耐低温、阻燃、耐老化、功能性（抗静电、高阻隔性、离子交换性、导电、导热）共混物等,聚合物基体的选择,对聚合物基体的选择应遵循下列原则：(1)、能够满足产品的使用需要:如使用温度、强度、刚度、耐药品性、耐腐蚀性、热膨胀性等。高拉伸(或剪切)模量、高拉伸强度、高断裂韧性的基体有利于提高FRP力学性能。(2)、对增强材料具有良好的浸润性和粘接力；(3)、容易操作:如要求胶液具有足够长的适用期、预浸料具有足够长的贮存期、固化收缩小等。(4)、低毒性、低刺激性。(5)、价格合理。,聚合物基体的选择,一些常用热固性树脂的物理性能,聚合物基体的选择,热塑性基体的优点:高断裂韧性(高断裂应变和高冲击强度)，这使得FRP具有更高的损伤容限。此外，热塑性树脂基体复合材料，还具有预浸料不需冷藏且贮存期无限、成型周期短、可再成型、易于修补、废品及边角料可再生利用等优点。热塑性基体的缺点：是热塑性基体的熔体或溶液粘度很高，纤维浸渍困难，预浸料制备及制品成型需要在高温高压下进行，聚碳酸酯或尼龙这样一些工程塑料，因耐热性、抗蠕变性或