复合材料(第二章).ppt

1、1,第二章 复合材料的基体材料,金属基体材料 陶瓷基体材料 聚合物基体材料,2,三种基体材料性能比较,使用温度：树脂基为60250；金属基为400600；陶瓷基为10001500。 材料硬度：陶瓷基金属基树脂基。 力学性能：从强度方面来讲，三类复合材料都可获得较高的强度。 耐自然老化性能：陶瓷基金属基树脂基。 导热性能：金属基的导热系数为5065W/（mK）；陶瓷基为0.73.55065W/（mK）；树脂基为0.350.45 W/（mK）。,3,耐化学腐蚀性：陶瓷基复合材料和树脂基复合材料的耐化学腐蚀性能比金属基复合材料优越。 生产工艺的难易程度和成本高低方面：树脂基复合材料生产工艺成熟，产品

2、成本最低；金属基复合材料次之；陶瓷基复合材料工艺最复杂，产品成本也最高。,4,2.1 金属材料,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发展，使得单一材料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。,5,金属基复合材料的特点,6,航空、航天领域,轻质、高强结构材料：如B/Al复合材料,电子领域,低热膨胀系数、高导热系数,7,高体份（60-70%）碳化硅颗粒/铝基复合材料电子封装件,8,国产太行战机用涡轮风扇航空发动机高温高性能高铌钛铝合金材料,9,2.1.1 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的金属有：铝及铝合金，镁

3、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。 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，获得预期的优异综合性能十分重要。,10,11,1.金属基复合材料的使用要求,金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。 航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小。 如：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。,12,高性能发动机：高比强度、比模量、耐高温性、抗氧化 如：钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体，如碳化硅/钛、钨丝/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

4、体材料。,13,汽车发动机：耐热、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉 如：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/铝，碳纤维/铝，氧化铝/铝等复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。,14,工业集成电路：高导热、低膨胀 如：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、碳化硅颗粒复合，用作散热元件和基板。,15,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。,2.金属基复合材料组成特点,16,对于连续纤维增强的金属基复合材料： 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，而不要求基体本身有高强度

5、，可选用铝、镁作基体。,17,对于非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）的金属基复合材料： 基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，可选用高强度的铝合金（如，A365，6061，7075），而不用铝作为基体。,18,3.基体金属与增强物的相容性,原因之一：,19,基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些合金元素与增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，需在选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面合金元素。,原因之二：,20,碳纤维增强铝基复合材料中，在纯铝中加入少量的Ti，Zr等合金元素可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大提高

6、复合材料的性能。 用铁、镍作为基体，碳纤维作为增强物是不可取的。因为Ni，Fe元素在高温时能有效地促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有的强度，使复合材料性能恶化。,例如：,21,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），并考虑到尽可能在金属基复合材料成型过程中，抑制界面反应。,22,如何增强基体与增强物的相容性？,D 缩短材料在高温下的停留时间,23,2.1.2 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。,用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料是轻金属结构材料。一般应具有高的比强度和比刚度，因此大多选用铝及

7、铝合金、镁及镁合金作为基体金属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料，用它们制成各种高比强度、高比模量的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、汽车等领域。,24,在发动机，特别是燃气轮机中所需要的结构材料是热结构材料，要求复合材料零件在高温下连续安全工作，工作温度在6501200左右，同时要求复合材料有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性质。铝、镁复合材料一般只能用在450左右、而钛合金基体复合材料可用到650、而镍、钴基复合材料可在1200使用。另外，还有最近正在研究的金属间化合物为热结构复合材料的基体。,25,1.用于450以下的轻金属基体,在这个温度范围内使用

8、的金属基体主要是铝、镁和它们的合金，而且主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并已形成工业规模生产。,26,(1) 铝和铝合金 铝是一种低密度、较高强度和具有耐腐蚀性能的金属。在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素形成合金，由于加入的这些元素在铝中的溶解度极为有限，因此，这类合金通常称为沉淀硬化合金，如A1-Cu-Mg和A1-Zn-Mg-Cu等沉淀硬化合金。,27,近年来，为航空和航天工业开发出的A1-Li系列合金，进一步提高了铝的弹性模量，降低了材料的密度。,28,(2)镁和镁合金 镁是一种比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差，

9、因此，通常是在镁中加入铝、锌、锰、锆及稀土元素而形成镁合金。 目前常用的镁合金主要包括Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的基体。,29,对于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁合金基体。 例如，连续纤维增强金属基复合材料一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金； 而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的铝合金。,30,各种牌号铝、镁合金的成分和性能,31,2 用于450700以下的复合材料基体,通过各种研究表明，在这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是钛及其合金。,32,钛有两种晶形，-钛具有六方密堆积排列结构，低于88

10、5时稳定； -钛是体心立方结构，高于885时稳定。,金属铝能提高钛由向相转变的温度，所以铝是相钛的稳定剂。而大多数其他合金元素(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由向相转变的温度，所以是相钛的稳定剂。,33,钛在较高的温度中能保持高强度，优良的抗氧化和抗腐蚀性能。它具有较高的强度质量比和模量质量比，是一种理想的航空、宇航应用材料。,钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，是一种可在450700 温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。,34,用高性能碳化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒增强钛合金，可以获得更高的高温性能。 美国己成功地试制成碳化硅纤维增强钛复合材料，用

11、它制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。,35,钛合金的成分和性能,36,3 用于1000以上的高温复合材料的金属基体,用于1000 以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。 其中，研究较为成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。,37,() 镍和镍合金 在金属基复合材料中使用的镍与铁相同，按照加工工艺不同，可形成镍基变形高温合金和镍基铸造高温合金。,38,镍基变形高温合金以镍为基体(含量一般大于50)，加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素，使用温度在6501000，具有较高的强度、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮

12、发动机的燃烧室等。,39,镍基铸造高温合金是以镍为基体，用铸造工艺成型的高温合金，能在6001100的氧化和燃气腐蚀气氛中承受复杂压力，并能长期可靠地工作，主要用于制造涡轮转子叶片和导向叶片及其他在高温条件下工作的零件。,40,另外，用钨丝、钍钨丝增强镍基合金还可以大幅度提高其高温性能。如高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1.3倍，主要用于高性能航空发动机叶片等重要零件。,41,()金属间化合物 金属间化合物种类繁多，而用于金属基复合材料的金属间化合物通常是一些高温合金，如铝化镍，铝化铁、铝化钛等，使用温度可达1600。,42,在这些高温合金的晶体结构中，原子主要以长程有序方式排列。由于这

13、种有序在金属间化合物中发生位错要比在无序合金中受到更大的约束，因此能使化合物在高温下保持强度。,43,金属间化合物的缺点是它们的韧性非常低，主要原因有两个： （）结构组织中低的对称性导致滑移系不足 （）晶体界面结合较弱。,44,改进金属间化合物韧性方面的例子： 在冶金过程中，采用快速凝固法以及向Ni3Al一类金属间化合物中添加硼，由于硼可以迁移到晶面，使其增强，故金属间化合物的韧性有所改善。,研究表明，只要添加极少量的硼0.06(质量分数)便可使其韧性从20增加到50左右。,45,另外，金属铜也可以作为基体材料。 铜是优良的导体，其导电率为银的94。铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀系数大

14、，容易铸造和加工。 铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体的基体材料。,46,高温金属基复合材料的基体合金的成分和性能,47,2.1.3 功能用金属基复合材料的基体,高技术领域的发展要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如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、高摩擦系数和耐磨性等。,单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合材料来满足需求。,48,例如，电子领域的集成电路，由于电子器件的集成度越来越高，单位体积中的元件数不断增多，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零件，以便将热最迅速传走

15、，避免产生热应力，来提高器件的可靠性。,49,又如，汽车发动机零件要求耐磨、导热性好、热膨胀系数适当等，这些均可通过材料的组合设计来达到。,50,目前功能金属基复合材料主要用于微电子技术的电子封装、用于高导热、耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀的电池极板材料等。,功能金属基复合材料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。,51,例如，高碳化硅颗粒含量的铝基(SiCpAl)、铜基(SiCpCu)复合材料； 高模、超高模石墨纤维增强铝基(Cr/Al)、铜基(Cr/Cu)复合材料； 金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝、铜复合材料； 硼铝复合材料等。,

16、用于电子封装的金属基复合材料的基体主要是纯铝和纯铜。,52,例如：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料。,用于耐磨零部件的金属基复合材料的基体主要是常用的铝、镁、锌、铜、铅等金属及合金。,53,例如碳(石墨)纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等。,用于集电和电触头的金属基复合材料的基体常用的是铝、铜、银及合金等。,54,功能用金属基复合材料所用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、耐电弧烧蚀性差等缺点。 通过在这些基体中加入合适的增强物就可以得到优异的综合物理性能，满足各种特殊需要。,55,例如，在纯铝中加入导热性好

17、、弹性模量大、热膨胀系数小的石墨纤维、碳化硅颗粒就可使这类复合材料具有很高的导热系数(与纯铝、铜相比)和很小的热膨胀系数，满足了集成电路封装散热的需要。 随着材料科学的发展，还会出现更多品种的功能金属基复合材料。,56,2.2 陶瓷材料,传统陶瓷：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。 现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、 硼化物、氮化物等。,57,优点：具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差得多。 缺点：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。在陶瓷

18、基体中添加其它成分，如陶瓷粒子、纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。,陶瓷的优缺点,58,40年代，美国电话系统常常发生短路故障，检查发现在蓄电池极板表面出现一种针状结晶物质。进一步的研究结果表明，这种结晶与基体极板金属结晶相似，但强度和模量都很高，并呈胡须状，故命名晶须。最常用的晶须是碳化物晶须。其强度大，容易掺混在陶瓷基体中，已成功地用于增强多种陶瓷。,晶 须,59,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：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。,陶瓷基体的种类,60,一些陶瓷材料的物理和机械性能,61,2

19、.2.1 玻璃 玻璃是通过无机材料高温烧结而成的一种陶瓷材料。 与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，即具有非晶态结构是玻璃的特征之一。,62,许多无机玻璃可以通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。 由于反玻璃化使玻璃成为多晶体，透光性变差，而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。所以，通常应当避免发生反玻璃化过程。,63,2.2.2 玻璃陶瓷,玻璃陶瓷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。 玻璃陶瓷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

20、成以及它们的数量决定的，集中了玻璃与陶瓷的特点。,64,玻璃陶瓷具有热膨胀系数小、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-SiO2,65,作为基体材料使用的氧化物陶瓷主要有A1203，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石(即富铝红柱石，化学式为3A12O3SiO2)等，它们的溶点在2000 以上。,2.2.3 氧化物陶瓷基体,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)。,66,(1)氧化铝陶瓷基体 以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态，即-Al2O3 ，属六方晶系。,67,氧化铝陶瓷

21、包括高纯氧化铝瓷，99氧化铝瓷，95氧化铝瓷和85氧化铝瓷等品种，其氧化铝含量(质量分数)依此为99.9、99、95和85，烧结温度依次为1800、1700、1650和1500。,68,(2)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5.65.9 g / cm3，熔点2175 。 氧化锆在1100时，从单斜相迅速转变为四方相，此可逆转变伴随有79的体积变化。,69,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

22、，高温时具有抗酸性和抗碱性。,70,非氧化物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。,2.2.4 非氧化物陶瓷,71,碳化物和硼化物的抗热氧化温度约9001000。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13001700 。 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。,72,(1) 氮化硅陶瓷基体 以氮化硅(Si3N4)为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有两种形态，即和 两种六方晶型，由于氮化硅中Si-N键

23、结合强度高，属难烧结物质。,73,氮化硅陶瓷主要制备技术有烧结氮化硅，热压氮化硅(HPSN)，反应化合氮化硅(RBSN)，化学气相沉积(CVD)氮化硅等。 各种制备技术所需的工艺条件各不相同，所得氮化硅的性能也有所差异。 如反应化合氮化硅比热压氮化硅有较低的抗氧化性。,74,不同制备方法的氮化硅的一些物理性能,75,氮化硅还具有热膨胀系数低，优异的抗冷热聚变能力，能耐除氢氟酸外的各种无机酸和碱溶液，此外，还可耐熔融的铅、锡、镍、黄钢、铝等有色金属及合金的侵蚀且不黏留这些金属液。,76,(2)氮化硼陶瓷基体 以氮化硼(BN)为主要成分的陶瓷称为氮化硼陶瓷。氮化硼是共价键化合物，有立方和六方两种晶

24、型结构。,77,氮化硼可以分为下面的三种： -BN，这是一种六方晶型，层状结构类似于石墨，理论密度为227gcm3。 -BN，它一种立方晶型，结构和硬度都类似于钻石，理论密度为348gcm3。 -BN，它也是一种六方晶型，理论密度为3.48g/cm3。,78,由于六方晶型BN具有类似于石墨的结构，具有润滑性好和硬度低等特点，故称“白石墨”，在热压陶瓷过程中主要被当作脱模剂使用。 BN与石墨不同，是绝缘体，六方晶型BN的莫氏硬度为2，无明显熔点，升华分解温度为3000，理论密度2.27g/cm3。,79,BN的抗氧化性能优异，可在900以下的氧化气氛中和2800以下的氮气和惰性气氛中使用。 如果

25、把BN粉末加入到氮化硅和氧化铝中，则混合物热导率(20)为15.0728.89W(mK)，且随温度变化不大；热膨胀系数约为(57)*106K，热稳定性好。,80,高纯BN电阻率为1011.m（1000高温下为102104 .m)，介电常数为3.05.3，介电损耗因子为(28)*l04，击穿电压为950kVcm，高温下也能保持绝缘性，耐碱、酸、金属、砷化镓和玻璃熔渣侵蚀，对大多数金属和玻璃熔体不润湿，也不反应。,81,(3)碳化硅陶瓷基体 以碳化硅(SiC)为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。 SiC一般有两种晶型，即-SiC(六方晶型)和-SiC(立方晶型) ，Si-C键属于典型的共价键。,82,

26、SiC并不在自然界中存在，主要通过热压、烧结、反应烧结和化学气相沉积等制备技术获得。,SiC是一种非常硬和抗磨蚀的材料，以热压法制造的SiC可以用来作为切割钻石的刀具。SiC还具有优异的抗腐蚀性能，抗氧化性能。,83,不同方法制备的碳化硅的一些性能,84,()碳化硼陶瓷基体 以碳化硼(B4C)为主要成分的陶瓷称为碳化硼陶瓷。 B4C是一种低密度、高熔点、高硬度陶瓷。碳化硼粉体是由B2O3和C在电弧炉中发生下列反应所得：,85,游离碳含量可以用近似计量w游离碳（128w总碳-27.7) /100,B4C粉末可以通过无压烧结、热压等制备技术形成致密的材料，其主要性能如下表所示：,86,2.3.1

27、基体材料的组分及作用,基体材料的组分 （1）聚合物 基体材料的主要成分，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。,2.3 聚合物材料,87,（2）辅助剂,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

28、高反应速率的一种用量较少的物质。,88,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,89, 增韧（增塑）剂,触变剂,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。,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。,90,填料,颜料,降低成本，改善性能（降低收缩率，

29、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。,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。,91,2.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。,92,2.3.2 基体材料的结构和性能,1.结构特点： （1）分子链很大（103105个结构单元）； （2）分子中含有可反应的官能团或端基； （3）聚合物分子间的作用力大。,93,(1)力学性能,决定聚合物强

30、度的主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏即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；基体弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强度高。,2.性能,94,(2)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,95,提高树脂耐热性方法：,增加高分子链刚性：引

31、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。,96,(3)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,97,(4)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,98,2.3.3 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

32、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。,99,1. 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。,100,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

33、毒性较大； 耐热性、强度和模量较低，易变形,101,常用不饱和聚酯树脂,102,2.环氧树脂,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。 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。,103,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

34、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。,104,双酚型环氧树脂,以双酚化合物为原料，制成的环氧树脂，统称双酚型环氧树脂，有双酚A型、双酚-F型、双酚-PA型和间苯二酚环氧树脂等.,105,(1)双酚A型环氧树脂 它是一种量大面广的环氧树脂，常称为变通环氧树脂，系由环氧丙烷与二酚基丙烷等在碱性介质中缩聚而成的，属缩水甘油醚类。 其中粘度较低，分子量较小的呈粘液态的双酚A环氧树脂可用于玻璃钢。,106,双酚A型环氧树脂的结构通式如下,107,(2

35、) 双酚-F环氧树脂,这种树脂的分子量小，结构简单； 其特点是粘度小，只有双酚A环氧树脂的13左右。它所用的固化剂以及固化物的性能与双酚A环氧树脂相似。,108,(3)双酚-S环氧树脂 双酚-S环氧树脂是以4，4-二羟基二苯砜(双酚-)与过量环氧氯丙烷在氢氧化钠催化剂存在下合成树脂。 这种树脂的特点是热稳定性和耐腐蚀性比双酚-A型树脂好得多，对玻璃纤维有较好的润湿性，制品尺寸稳定性好。,109,(4)间苯二甲环氧树脂 它是由间苯二酚与甲醛(或丁醛等)在草酸催化下结合成低分子量的酚醛树脂后，再在氢氧化钠催化下与环氧氯丙烷反应制成的环氧树脂。,110,间苯二甲环氧树脂的特点： 具有较高的活性，其制

36、品有良好的电绝缘性和耐热及耐化学腐蚀性。 主要用于纤维增强塑料、胶粘剂、涂料和耐高温的浇铸料。,111,它是由环氧氯丙烷与多元醇、多元酸、多元酯或多元胺等缩合而成的树脂。 在国内，已试制或生产的品种有酚醛环氧、三聚氰酸环氧、氨基环氧树脂等。,非双酚型环氧树脂,112,(1)酚醛环氧树脂 它是由环氧氯丙烷与线型酚醛树脂在氢氧化钠存在下缩合而成的高粘性树脂。其典型结构式如下,113,(2)三聚氰酸环氧树脂 它是由三聚氰酸与环氧氯丙烷在氢氧化钠存在下结合而成的，为三聚氰酸三环氧丙酯与异三聚氰酸三环氧丙酯的混合物。现生产的牌号有695环氧树脂，结构式如下：,114,从结构式中可以看出、含有三个环氧基，

37、固化后交联密度大。因此，有优良的耐热性。 同时，它的主体中为三氮杂环，化学稳定性高，耐紫外线和大气老化性能好，而且更突出的是成分中氮含量较高(14)有自熄性，耐电弧性等特点。,115,在有机硅环氧树脂中，有一种是以环氧丙烷丙烯醚与聚硅氧烷中的活泼氢起加成反应制得的线型树脂。 这种树脂具有耐高温性能，其纤维增强物的层压板比有机硅树脂纤维增强物层压板的抗劈、弯曲和层间剪切强度等都有很大的提高。,有机硅环氧树脂,116,它是由胺的化合物和环氧氯丙烷缩合而成的，属于缩水甘油胺。它又分为以下两种：,胺基环氧树脂,117,(1)四官能团胺基环氧树脂 这种环氧树脂的特点是韧性好、耐热、耐有机溶剂和碱，但耐无

38、机酸差。 目前这种树脂只少量生产，主要用于导电胶，也可用于纤维增强塑料，特别是碳纤维复合材料更好。,118,(2)对氨基苯酚环氧树脂 它是由对氨基苯酚和环氧氯丙烷在苛性碱介质中反应生成的，是一种性能良好的新型环氧树脂。这种树脂粘附力较好。 这类树脂适用于手工湿法成型复合材料制品，特别是作为纤维缠绕成型的复合材料制品，如电机护环、火箭辅助发动机壳体。,119,这种环氧树脂具有粘度较低，反应活性高，固化物力学性能好，粘接强度大，耐气候性能，电性能优良的特点。,缩水甘油酯类环氧树脂,120,它是指环族环氧化合物，主要以脂环烯烃(有二个以上双键的化合物)通过过氧化物(如过氧化乙酸等)，环氧化而制得的。

39、,脂环族环氧树脂,121,脂环族环氧树脂的主要优点： （）由于它的环氧基都直接连接在脂环上，固化后得到含脂环的刚性结构物，具有高的热变形温度和热稳定性。 （）由于无苯基结构存在，故耐紫外线，耐气候性良好，此外还有粘度低、工艺性好等优点。,122,脂环族环氧树脂的主要缺点： 需要加热固化成型，同时要以刺激眼睛的酸酐类作为固化剂，操作麻烦。,123,这种环氧树脂是以脂肪烯烃(有二个以上双键的化合物)通过过氧化物环氧化而制得的。 目前，这类环氧树脂典型的代表是环氧化聚丁二烯树脂。,脂肪族环氧树脂,124,环氧化聚丁二烯树脂是以丁二烯-l、3为原料，用金属钠为催化剂在溶剂(苯或庚烷)中聚合，得到低分子量的液体聚丁二烯，再用过氧化酸