复合材料概论-1VIP

1,复合材料科学概述,赵丽君,吉林大学材料科学与工程学院,E-mail:lijunzhaoQQ:191428411,2,3,材料、能源、信息是现代科技的三大支柱没有材料的世界是虚无的世界，没有能源的世界是死寂的世界,没有信息的世界是混乱的世界，它们会将人类文明推向新阶段。记得上学时，数学老师经常将数学比作皇冠上的宝石，以说明数学在自然科学领域中的重要性，我要将材料学比作皇冠上的钻石。因为新材料是社会进步的物质基础、重要支柱和技术先导。可以这样说“世间万物，凡于我所用，皆为材料”,4,石器时代、铜器时代、铁器时代,物质基础,中国古代的四大发明当代文明的三大支柱全球新技术革命的四大标志,5,技术先导,钢铁材料：现代文明开始的标志,1856年平炉炼钢，1864年转炉炼钢,蒸汽机（1888年）,纺织、交通（20世纪初）,半导体材料：当代信息技术的起点,1947年锗晶体管，1958年硅集成电路,第一代电子管计算机（1945年，ENIAC）,第二代晶体管计算机（1959年）,第三代集成电路计算机（1964年）,第四代大规模集成电路计算机（1970年代初）,6,重要支柱,美国国家科学研究委员会的报告：美国若在新材料的开发、制造及市场开拓方面不做出更大的努力，就极可能在当今这个时代中失去有效参与竞争的能力。,7,1.1复合材料发展的概况材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。7000年前，人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品广泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。,8,5000年前，人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。,9,10,雅格布森承认漫画作品能够帮助开发新的技术。“我到影院看了所有那些影片。它们激发了你的想象力。”雅格布森的150磅XOS外骨骼是一种机械战甲，可以预测詹姆森一举一动，赋予其一种常常存在于神奇漫画中的力量和耐力。现实版的“钢铁侠”与电影版“钢铁侠”不一样，并没有装备火焰投射器。但是，拜其机械肌肉所赐，XOS外骨骼坚不可摧，一举一动天衣无缝，影射詹姆森的每个动作。为炫耀他超人一般的耐力，詹姆森把一个负重200磅的横木举起数百次。（1磅=0.4536公斤）,11,核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实。,12,13,火箭科学家称它们为“轨道碎片”，一般人将其称为“太空垃圾”。,绕地轨道上的可跟踪物体,14,德国柏林某打铁铺,15,核反应器内腔（镍基合金材料）,16,磁悬浮列车,朱镕基和施罗德乘坐中国第一辆磁悬浮列车,17,ArianeD503,SpaceLifeBoat,18,19,ColumbusLaboratory,20,现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。在现代高技术迅猛发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而对材料提出了越来越苛刻的要求。,1.1.1复合材料的提出,21,例如，航天飞机等空间飞行器在飞行过程中要受到大气阻力、地球引力、太阳辐射力、空间热环境、太阳风、宇宙射线、宇宙尘埃、流星、磁矩等的作用。飞行器发动机还要受到其热环境、内流形成的气动力、结构振动、机件高速转动、液体晃动和振荡燃烧等非正常破坏力的作用。,22,同时由于飞行范围（M数、飞行高度）的扩大、发动机的推力、比推力大大提高，导致了发动机压力比、进口温度、燃烧室温度、转子转速等也日益提高。由此构成的力、热、化学和物理等效应的作用，最终都要集中到构成飞行器和发动机结构的材料上去，因此对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。,23,又如现代武器系统的发展对新材料提出了如下要求：1、高比强、高比模；2、耐高温、抗氧化；3、防热、隔热；4、吸波、隐身；5、减振、降噪，稳定、隐蔽、高精度和命中率；6、抗激光、抗定向武器；7、多功能；8、高可靠性和低成本。,24,25,很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。例如，金属材料的强度、模量和高温性能等已几乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子材料的低模量、低熔点等固有的缺点极大地限制了其应用。这些都促使人们研究开发并按预定性能设计新型材料。,26,二十一世纪经常强调“复合”，例如复合型人才。在这里我们讲复合材料就是将两种或两种以上性质不同的材料组合起来，各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”，可以得到单一材料无法比拟的优秀的综合性能，从而极大地满足了人类发展对新材料的需求。,27,复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。因此，复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。,28,十九世纪法国科幻小说作家儒勒凡尔纳在他的小说海底两万里中对一些不存在的事物进行了大胆的假设和幻想，时至今日当时的假设与幻想现在有一些已经变成了现实。可见科学的过程就是“大胆假设提出问题解决问题验证结果”。,29,实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。例如许多天然的植物，竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料；人类肌肉/骨骼结构也是复合材料结构原理。我们的祖先也早就创造和使用了复合材料。6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑材料砌建房屋墙壁，迄今在某些贫穷农村仍然沿用着这种原始的非连续纤维增强复合材料。,1.1.2复合材料的发展历史和意义,30,植物的根茎具有长纤维结构养份输送、减重,北极熊毛具有长纤维结构卓越的保温隔热材料、红外隐身材料,鸟类羽毛减重、隔热、抗冲击,31,32,在现代，复合材料的应用更比目皆是，与日常生活和国民经济密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合材料。,33,玻璃钢梯子,钢筋混凝土,34,现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如就航天、航空飞行器减轻结构重量这点而言，喷气发动机结构重量减1Kg，飞机结构可减重4Kg，升限可提高10米。,涡轮喷气发动机,35,一枚小性洲际导弹第三级结构重量减轻1Kg，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50Kg，地面设备的结构重量就可减轻100Kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程1520Km。,36,而航天飞机的重量每减轻1Kg，其发射成本费用就可以减少15000美元。因此，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较”。,37,先进复合材料具有高比强度、高比模量的优点，可以显著减轻结构重量，是理想的现代飞行器结构材料。先进复合材料的使用，不仅极大地提高了现代飞行器的性能，使得人类飞天、登月的梦想变成现实，同时也创造了巨大的经济效益。先进复合材料结构在新型卫星结构中已占了85%以上，在现代高科技领域具有广泛的应用前景。,38,综上所述，复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破；复合材料的发展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。,39,可以预料，随着高性能树脂先进复合材料的不断成熟和发展、金属基、特别是金属间化合物基复合材料和陶瓷基复合材料的实用化、以及微观尺度的纳米复合材料和分子复合材料的发展，复合材料在人类生活中的重要性将越来越显著。同时，随着科学技术的发展，现代复合材料也将赋予新的内容和使命。21世纪将是复合材料的新时代。,40,1.1.3复合材料的定义和特点1复合材料的定义：国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为是：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。F.L.Matthews和R.D.Rawlings认为复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件：1）组元含量大于5%；2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；3）通过各种方法混合而成。,41,在“材料科学技术百科全书”和“材料大辞典”中将复合材料定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。,42,复合材料将由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位生长复合材料、纳米复合材料和分子复合材料等。综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能特征。,43,2复合材料的特点：1)由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。2)各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。3)复合材料具有可设计性。,44,1.2复合材料的命名和分类1.2.1命名方法复合材料总的来说是两个基本材料复合而成的，即基本材料和增强材料。所以复合材料的命名方法是基本材料名称+增强材料名称。复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。,45,增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。例如：玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料，称为：玻璃纤维环氧树脂复合材料，也可以简写为玻璃/环氧复合材料，或GF/EP（Fiberglas/Epoxyresin）,46,1.2.2复合材料分类方法,47,普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维普通聚合物增强复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。先进复合材料（AdvancedComposite，HighPerformanceComposite）：高性能增强剂（碳、硼、Kevlar、氧化铝、SiC纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等复合材料。(Kevlar:质地牢固重量轻的合成纤维)一般来讲，先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到400MPa/(g/cm3)和40GPa/(g/cm3)以上。,48,结构复合材料：用作承力和次承力结构。要求具有质量轻、高强度、高刚度、耐高温以及其它性能。功能复合材料：电、热、声、摩擦、阻尼等。包括机敏和智能复合材料。混杂复合材料：两种或两种以上增强体构成的复合材料。通过产生混杂效应改善性能和降低成本。结构/功能一体化复合材料：在保持材料基本力学性能的前提下，具有特定功能特性，如光、电、磁、摩擦、阻尼等。,49,1.3复合材料的基本性能1.3.1聚合物基复合材料的基本性能1.比强度高高于金属材料四倍多，比金属基复合材料高。比模量比纯聚合物材料和纯金属材料高，但是比金属基复合材料低。2.耐蚀性好高分子材料不会被氧化而且抗酸、抗碱。,50,3.耐疲劳性能好金属材料的疲劳断裂突然发生疲劳极限抗拉强度的20-50%聚合物基复合材料疲劳断裂有预兆疲劳极限抗拉强度的70-80%4.减震性好1)自振频率高。材料自振频率高减震性高。自振频率和材料的比模量平方根成正比。聚合物基复合材料的比模量比纯金属材料高。2）吸振性能好。复合材料界面具有吸振能力。,51,5.过载安全性好复合材料有大量纤维。个别纤维断裂时，应力重新分配到其它纤维上。6.加工性好各种方法均可成型。7.具有功能性电绝缘性、减摩性、光、电和磁性。缺点：耐热性低，易老化。,52,举例：低密度浮力材料是以聚合物为粘结剂，大量填充轻质无机填充体复合成浮力材料，国内的浮力材料一般采用聚氨酯泡沫、环氧树脂泡沫或其他发泡塑料。浮力材料在现代海洋资源的开发、国防等方面有着广泛的用途。可长期应用于水中，满足耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击等要求。,53,1.3.2金属基复合材料的性能1.比强度和比模量较金属材料高加入高比强度、比模量的纤维所致。比强度比聚合物基复合材料低。2.导热、导电性能基体是金属，占60%以上，因此保持金属的导电和导热性能。采用高导热性纤维时，比单一金属材料还高。,54,3.热膨胀系数小、尺寸稳定纤维的热膨胀系数比金属小，金属的热膨胀系数比聚合物小。例如：碳纤维具有负的热膨胀系数，碳纤维（48%）+镁的热膨胀系数为零。4.良好的高温性能高温时强度大。例如：碳纤维+铝基合金，500C时b=600MPa，纯铝，300C时b=300Mpa。金属基复合材料的耐热性比聚合物基复合材料和金属材料好。,55,5.耐磨性好例如：金属基体+陶瓷颗粒（例如水磨石面）。6.不老化主要缺点：比强度和耐腐蚀性比聚合物基低。,军工、汽车等领域有着广泛的应用前景。例如：机器人部件、计算机部件、运动器材等,56,1.3.3陶瓷基复合材料的主要性能硬度、抗压强度高，耐高温，耐腐蚀。例如：碳纤维+碳化硅在1700C仍可以保持20C的抗拉强度。,应用于航空、航天和武器等领域,57,总结：,58,第二章复合材料的基体材料,59,常用基体材料有聚合物材料，金属材料，陶瓷材料2.1聚合物材料2.1.1概述（种类、组分和作用）1.聚合物基体的种类作复合物材料基体材料的聚合物材料大致分为两类：热固性树脂和热塑性树脂热固性树脂有：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂和有机硅树脂等。热塑性树脂有：聚酰胺、聚碳酸酯和聚砜等。,60,2.聚合物基体的组分聚合物基体本身并不是单一组分，往往加入其它的辅助材料。如：聚合物+辅助材料（固化剂，增韧剂，催化剂）3.聚合物基体的作用：把纤维黏在一起，分配纤维间的载荷，保护纤维不受环境影响。,61,2.1.2聚合物的结构与性能1.结构特点主要有三个特点（1）聚合物的分子链有数目很大的结构单元组成，每个结构单元相当于一个小分子。例如：CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2,62,（2）存在官能团例如：硝基苯,（3）分子链长链之间结合力大（接触面积大，分子间力大），主链可旋转，有柔性。,63,2.聚合物的性能（1）力学性能聚合物的力学性能取决与分子内及分子间的作用力，分子内的作用力是化学键，即共价键力，键之间是分子之间力。分子间力比化学键力小。因此聚合物的力学性能主要由分子间力决定，聚合物越大（分子量大），分子链越长，分子间力越大。,64,（2）耐热性和热稳定性a.耐热性：能够保持使用性能的最高温度。聚合物的耐热性比金属低，热固性比热塑性高，体型结构比线性结构好。b.热稳定性：在正常使用温度下能够长时间工作而性能不下降的能力。长时间工作时发生两类反应：降解和交联反应。,65,降解反应：聚合物分子链被分裂成较小部分的反应过程。研究聚合物降解反应有着很重要的意义。如在聚合物成型过程中防止热降解的发生，可提高产品质量和使用寿命。制备出可以自然降解的聚合物，对于解决高分子材料公害，保持生态平衡也起着重要作用。,66,物理应力化学水解、氧化及酸碱作用生化酶和微生物由于植入体内的材料主要接触组织和体液，因此水解和酶解是主要的降解机制。,降解,化学键,分子间力,侧链切断转化为水溶性高分子交联点切断恢复为未交联高分子主链切断无规降解、拉链式,范得华力库仑力,67,降解的特点,本体水解,表面蚀解,外形保持不变，结构逐渐变松分子量和力学性能下降在先，质量损失滞后,分子量和质量同时下降,水解,酶解,68,酯基发生断裂,低聚物/小分子,降解速率,分子量结晶度样品的几何形状降解的环境,水合作用,化学键断裂,聚合物碎片,碎片进一步变小,降解产物通过新陈代谢,69,降解反应使主链断裂，分子链变短，力学性能下降。过度交联反应使聚合物变硬，脆性增加。聚合物的热稳定性比金属差。聚合物中氟塑料和有机硅树脂耐热性和热稳定性最好。C-H键中H原子被F，Si原子取代，可大大提高热稳定性。,70,交联作用是指聚合物官能团之间形成的聚合物链以外的某种连接,它可以是分子间力的交联作用,也可以是交联剂的化学键力的交联作用。交联分为化学交联、光交联及辐照交联。天然橡胶的硫化是化学交联最早的应用实例。近年来使用的化学改性木材的方法如下：交联处理采用一些有机化合物注入木材将具有线型结构的纤维素分子链以新的化学键联结使之形成三维网状结构的反应称为交联作用。,71,（3）耐腐蚀性聚合物在弱酸和弱碱环境中几乎不被腐蚀。,由此可见，复合材料中的树脂含量，尤其是表面层树脂的含量与其耐化学腐蚀性能有着密切的关系。,72,（4）介电性能聚合物的介电常数都很小，具有优良的电绝缘性，这是因为分子链里的共价键结合，不具有自由电子，不易导电。,73,2.1.3热固性树脂1.不饱和聚酯树脂（upsaturatedpolyester）,结构特点具有线性结构，主链上含酯键,又有不饱和双键,这种键非常活泼，易发生交联反应。这种线性结构与乙烯单体共聚，形成交联或体型结构。,74,不饱和聚酯树脂具有优良的机械性能、电性能和耐化学腐蚀性能，并且加工工艺简便，因此，广泛地应用在工业、农业、交通、运输等诸多领域中。不饱和聚酯树脂主要用于生产玻璃纤维增强制品，其制品有冷却塔、卫生设备、建筑材料、化工防腐设备、车船的壳体及公共设施等。除此之外，还少量用于制造非增强制品，如钮扣、涂料、人造玛瑙等。,75,（2）制造原理醇+酸酯例如：丙二醇（液体）加热80100C加入顺丁烯二酸酐（固体粉末）搅拌加热160200C冷却至60C加入苯乙烯（液体）出厂,76,丙二醇,顺丁烯二酸酐,苯乙烯,苯乙烯是交联剂，同时又是稀释剂。,77,交联剂：一些可以在线型结构分子间,通过与分子中官能团的键合起架桥作用,而生成网状体型结构高聚物的多官能团或不饱和性化合物,称为交联剂。例如,有机二元酸、三乙醇胺及硫等分别为聚乙烯醇、环氧树脂及合成橡胶等的交联剂。稀释剂：溶解萃取剂和萃合物。常用工业稀释剂有煤油、重溶剂油、苯、二乙苯、四氯化碳、氯仿等。,78,（3）固化不饱和聚酯在引发剂和促进剂的作用下，可室温固化。引发剂促进不饱和聚酯和交联剂产生共聚、交联反应形成固体。引发剂大多数为过氧化物（如，过氧化环己酮）促进剂作用是降低固化温度，提高固化速度。如，二甲基苯胺和二乙基苯胺等固化反应过程,79,反应有三个阶段胶凝阶段硬化阶段完全固化阶段（4）不饱和聚酯的优缺点优点：粘度低，工艺性好，室温固化综合性能好，强度、韧性、抗冲性均好价格低廉缺点：收缩率大，固化时有气味，耐热性较低,80,2.环氧树脂（EpoxideResin）（1）结构特点,分子结构中有两个以上的环氧基,还有羟基,和氧基O,羟基和氧基具有极高的极性，使得分子与相邻表面产生电磁引力，而且环氧基能够与金属表面形成化学键，粘结力大。环氧基：两个碳原子和一个氧原子组成的三元环称为环氧基。,81,环氧树脂,良好的工艺性能,粘合力高,收缩率小,稳定性好,机械强度高,耐热、吸水性好,82,（2）环氧树脂种类a.双酚A型环氧树脂双酚A：白色粉末或片状结晶，熔点153155C。密度：1.195g/cm3。,因环氧树脂的制成品具有良好的物理机械性能、耐化学药品性、电气绝缘性能,故双酚A型环氧树脂广泛应用于涂料、胶粘剂、玻璃钢、层压板、电子浇铸、灌封、包封等。,83,双酚A的结构,双酚A型环氧树脂的特点：粘结力大，机械强度高，收缩率低，成本低，产量大90%。,84,双酚F环氧树脂的结构,双酚F环氧树脂的特点结构简单，粘度小，（双酚A的1/3），耐热性略低，使用方便。,应用重点集中在半导体器件、密封胶。,b.双酚F环氧树脂双酚F与环氧氯丙烷反应制得的环氧树脂,85,c.酚醛环氧树脂由环氧氯丙烷与酚醛树脂在氢氧化钠作用下缩合而成的树脂特点：粘度大，机械强度高，（比双酚A）耐热性好。应用于化工防腐、电气绝缘以及汽车制造等工业。d.有机硅环氧树脂特点：具有优异的耐热性，比双酚A高，但是粘结力比双酚A低。举例：有机硅改性环氧树脂可用于制备高温涂料，还可以用作苛刻使用条件下移印和丝印的特种油墨。,86,（3）环氧树脂的固化环氧树脂固化必须加入固化剂，不加入固化剂环氧树脂不能固化。固化剂种类很多，通常有：胺类固化剂常温固化，操作方便，例如：乙二胺，低分子聚酰胺。,87,酸酐类固化剂高温固化，耐热（100150C左右）例如：顺丁烯二酸酐咪唑类固化剂中温固化，固化速度快，6080C左右。例如：咪唑潜伏性固化剂混合后在室温长期保存，加热时固化，例如：双氰胺,88,（4）环氧树脂制造方法以双酚A型为例：双酚A（二酚基丙烷）+环氧氯丙烷，70C加热，加入NaOH之后5060C加热，加入苯，65C加热，充分反应。,89,（5）环氧树脂的优缺点：优点：粘结力强（在聚合物中最大），收缩率小，硬而不脆。缺点：耐紫外线能力差，室外常年使用发生老化，因此不宜在室外使用。,90,3.酚醛树脂（PhenolFormaldehydeResin）（1）结构特点酚醛树脂是指酚类化合物与醛类化合物反应而得的树脂，主要原料是苯酚和甲醛。反应后的产物分为热固性结构与热塑性结构。热固性是指加热固化后不可软化。可塑性是指固化后加热可以软化，冷却后又凝固。,91,酚和醛在酸或碱催化剂作用下生成的聚合物,酚醛树脂,92,热固性结构苯酚/甲醛=1g/11.5g，在碱性催化剂下加成反应获得。加热后固化，强度高且耐热。,93,热塑性结构苯酚/甲醛=1g/0.61g，在酸性催化剂下加成反应获得。,94,（2）酚醛树脂的种类在复合材料中，一般不采用热塑性酚醛树脂，大部分都采用热固性。热固性：（a）氨酚醛树脂苯酚/甲醛=1/1.2催化剂使用氨水,95,（b）镁酚醛树脂苯酚/甲醛=1/1.3催化剂使用氧化镁（c）钠酚醛树脂苯酚/甲醛=1/1.4催化剂使用碳酸钠（d）聚乙烯醇缩丁醛改性酚醛树脂,96,仅有酚醛和甲醛缩合而成的酚醛树脂，脆性大，粘结力小，所以实际应用中都予以改性。用聚乙烯醇缩丁醛的酒精溶液加到镁酚醛树脂中，减少脆性，增加粘结力。酚醛树脂改性的目的是提高粘结力，减少脆性。苯胺改性酚醛树脂苯胺/苯酚/甲醛=0.63/1/2.1催化剂使用六次甲基四胺，缩合反应而得。具有优良的电性能。,97,（3）酚醛树脂的制造方法苯酚+甲醛再+NaOH在70C加热，搅拌，加入乙醇稀释。,98,（4）固化固化有两种方法（a）加热固化：加热时酚醛树脂的各个活性基因发生化学反应，进而固化。（b）使用固化剂进行固化：苯磺酸，甲基苯磺酸酚醛树脂加热固化时不需要加入固化剂，如果在室温固化，必须加入固化剂。,99,（5）优缺点优点：成本低，价廉，不用使用固化剂，可以通过加热固化。缺点：粘结力不高，收缩率大,100,2.1.4热塑性树脂共性：（1）具有线性结构，可以反复受热软化，冷却后变硬（2）可进行注射成型（3）使用温度和老化性能不如热固性树脂，耐热性差（4）成本低,101,聚乙烯树脂PE,聚丙烯树脂PP,聚氯乙烯树脂PVC,聚苯硫醚树脂PPS,聚酰亚胺树脂PI,聚醚醚酮树脂PEEK,聚碳酸酯树脂PC,聚酰胺树脂PA,通用塑料,工程塑料,102,1.聚酰胺（尼龙）（1）结构特点具有,酰胺基的线性结构。分子间的作用力增大，易结晶，具有较高的强度和熔点。在结构中又含有次甲基,），增加其韧性。,（,103,它的结构式,尼龙66就是较常用的聚酰胺,104,聚酰胺为韧性角质状半透明或乳白色结晶性树脂，常制成圆柱状粒料,作塑料用的聚酰胺分子量一般为1.5万2万。各种聚酰胺的共同特点是耐燃,抗张强度高(达104kPa），耐磨，电绝缘性好，耐热（在455kPa下热变形温度均在150以上），熔点150250,熔融态树脂的流动性高,相对密度1.051.15(加入填料可增至1.6)，大都无毒。但树脂中的单体含量过高时，不宜长期与皮肤或食物接触，各国对此常有食品卫生方面的规定。缺点是吸湿性强，贮运中要避免受潮，加工前常需将树脂烘干，否则制品易产生气泡或表面缺陷。,105,（2）性能a.抗拉强度高，韧性好，摩擦系数低，抗拉强度高b=70MPa，伸长率200%举例：输送带、救生绳,106,b.耐油性非常好c.使用温度40100C，玻璃纤维增强后可达200Cd.吸水率高，尺寸稳定性差。例如包装绳：是聚丙烯，使用温度40120C，b=35MPa,107,（3）制造方法,己内酰胺己二醇220260C聚合反应注带切粒水,108,（4）用途尼龙产品大多用于制造尼龙纤维，在工业上制造轴承、齿轮等。,109,2.聚碳酸酯（1）结构特点,分子主链上有苯环，限制了大分子的内旋转，增加了韧度。,110,还有酯键,极性大，增加了分子间作用力，提高了强度和刚性，含有氧基（O），链断可以绕氧基内旋转，使聚合物有一定的柔韧性，又增加了极性。,111,（2）物化性能强度高，韧性好，刚度大。冲击强度高于聚酰胺3倍。使用温度100130C，热变形温度135C，（有机玻璃热变形温度为95C）。热胀系数小。,112,透光率高（90%）。有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）透光率92%。无毒，耐酸，但是不耐碱，沸水中长期侵入会发生水解。由于分子链刚性大，熔解粘度大。,113,双酚A碳酸二苯酯吹入氮气160250C酯化反应催化剂（四苯硼钠）250300C缩聚反应,（3）制造方法,114,（4）用途齿轮，涡轮、涡杆，紧固件，耐热电器件，医疗器械（可高温消毒），光盘,聚碳酸酯,115,3.聚砜（1）结构特点,116,主链结构中含有砜基键（,显著提高抗氧化特性,），,117,（2）物化性能强度高(拉伸强度70MPa)，尺寸稳定，具有突出的抗蠕变性优良的电性能，在190C高温下保持高的介电强度耐酸，耐碱，抗氧化（应为砜基上硫原子处于最高氧化状态）长期使用温度在100150C耐紫外线差，成型温度高（300C）（3）用途耐高温电器部件，机械构件,118,2.2金属基体材料金属基复合材料是一门新的材料学科，仅有数十年的发展历史。随着航天、航空、电子、汽车及先进武器的迅速发展，对材料提出了更高的性能要求。聚合物基复合材料强度高、重量轻、耐腐蚀，但它们的致命缺点是易老化，使用温度（300C），导热性差，刚度低，满足不了使用要求。,119,如航天器件要求高的比强度和比刚度，并要求高温下长期工作。大规模集成电路器件，要求散热性能好等。要求强度高，刚度大，重量轻，导热导电，耐高温的材料时，金属基复合材料是最佳选择。,120,2.2.1金属基体材料种类及特性1.金属基材料的种类作为基体用的金属种类很多，目前常用的有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜及铜合金、锌合金等。,121,基体材料按用途分类有：（1）结构用基体：铝及铝合金铝及钛合金镁及镁合金镍及镍合金,（2）功能用基体：用于电导热，热胀系数小的电器件，铝、铜、银、锌,122,2.性能特点（1）比强度高，比模量高，（2）热膨胀系数小，尺寸稳定（3）耐热性能好，不宜易氧化，不老化（4）导热导电,123,3.技术要求（1）与长纤维复合时，要求金属基体的强度不宜过高。基体强度过高，复合材料的塑性下降。原因：纤维是连续的长纤维时，外部载荷大部分由纤维来承担。一般纤维本身的强度远高于基体金属，基体的主要作用是充分发挥纤维的性能为主，基体本身应具有良好的相容性和塑性。如果基体材料强度过高，复合材料的塑性下降。例如：碳纤维/铝合金复合材料中，铝合金的强度越高，复合材料的性能越下降。,124,（2）短纤维或颗粒时，基体材料的强度要高，基体主要是承载物。（3）应具有较好的界面相容性。能和增强物相互浸润，又不形成脆性相。金属基复合材料的成型温度高，基体和增强物之间容易发生化学反应，界面上形成脆性化合物，使得复合材料容易产生裂纹。例如：硼纤维/钛合金：在界面上易形成TiB2，使材料变脆。以上是金属基体材料的概述。,125,2.2.2结构用金属基体常用材料：铝及铝合金，铝及钛合金，镁及镁合金，镍及镍合金,大部分为轻金属或耐热合金。（1）450C以下使用的基体材料基体：铝，镁Al：熔点660C，比重2.7g/cm3。Mg：熔点650C，比重1.74g/cm3。,126,常用增强物：硼纤维，陶瓷颗粒及晶须。使用连续纤维时，选用纯铝和单相铝合金使用颗粒或晶须时，选用高强度铝合金用途：航空航天器结构件，汽车发动机零件,127,（2）450700C使用的基体材料基体：钛合金Ti：熔点1677C，比重4.5g/cm3钛合金的强度和刚度比铝合金高，耐热、抗氧化、耐腐蚀。常用增强物：硼纤维、碳化硅纤维、碳化钛颗粒。用途：速度和承载力更大的航空航天器件,128,（3）1000C使用的基体材料基体：镍基和铁基合金。Ni：熔点：1453C，比重8.9g/cm3Fe：熔点1537C，比重7.87g/cm3。常用增强物：钨丝、陶瓷纤维用途：航空发动机叶片