《高分子復(fù)合材料》講義.doc

高分子復(fù)合材料講義16學(xué)時(shí)簡(jiǎn)介1. 課程性質(zhì)：專業(yè)選修課。2. 課程目的及任務(wù)：本課程要求學(xué)生在學(xué)過(guò)高分子化學(xué)、高分子物理等課程的基礎(chǔ)上，使學(xué)生通過(guò)對(duì)高分子復(fù)合材料的學(xué)習(xí)，了解高分子復(fù)合材料的基本概念及原理，高分子復(fù)合材料的主要組成、性能特點(diǎn)、應(yīng)用、制造方法，以及發(fā)展中存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步了解高分子復(fù)合材料的研究方向，從而拓寬學(xué)生對(duì)高分子復(fù)合材料的認(rèn)識(shí)。3. 教學(xué)重點(diǎn)：高分子復(fù)合材料的概念、組成和分類；復(fù)合材料的性能特點(diǎn)；復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)材料；復(fù)合材料的主要成型工藝、復(fù)合材料界面及界面處理； 復(fù)合效應(yīng)。第一章 緒論 （2學(xué)時(shí)）材料是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類進(jìn)步的里程碑。人類的文明史也就是材料的進(jìn)步史。當(dāng)前以信息、生命和材料三大學(xué)科為基礎(chǔ)的世界規(guī)模的新技術(shù)革命正蜂擁興起。材料科學(xué)的發(fā)展史與現(xiàn)狀表明，人類在科學(xué)技術(shù)上的進(jìn)步往往是與新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用分不開(kāi)的。特別是近30年來(lái)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，尖端科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，對(duì)材料性能提出越來(lái)越高、越來(lái)越嚴(yán)、越來(lái)越多的要求，如減輕重量、提高強(qiáng)度、降低成本等。在新材料的研究開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和特種性能的充分發(fā)揮以及傳統(tǒng)材料的改性等諸多方面，材料科學(xué)都肩負(fù)著重要的歷史使命。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，不僅要求材料具有高強(qiáng)度、高模量，還要低密度、耐高低溫、耐燒蝕、耐磨、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等等特殊性能，在許多方面，傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足實(shí)際需要，而要合成出一種新材料來(lái)滿足高要求的綜合性能指標(biāo)也是非常困難的，因此，人們把兩種或兩種以上的材料制成復(fù)合材料，以克服單一材料在使用上的性能弱點(diǎn)，改進(jìn)原來(lái)單一材料的性能，并通過(guò)各組分的組成、結(jié)構(gòu)、含量及不同方式的復(fù)合，可以出現(xiàn)原來(lái)單一材料所沒(méi)有的新性能，達(dá)到材料的綜合利用，提高使用與經(jīng)濟(jì)效益。復(fù)合材料（Composite materials或Composites）的出現(xiàn)與發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，也是材料設(shè)計(jì)方面的一個(gè)突破。人們對(duì)材料的研究正逐步擺脫單靠經(jīng)驗(yàn)摸索的方法，而向著按預(yù)定性能設(shè)計(jì)材料的方向發(fā)展。復(fù)合材料綜合了各種材料如纖維、樹(shù)脂、橡膠、金屬、陶瓷等的優(yōu)點(diǎn)，按需要設(shè)計(jì)、復(fù)合而成為綜合性能優(yōu)異的新型材料?？梢灶A(yù)言，21世紀(jì)是復(fù)合材料的時(shí)代。1.1 復(fù)合材料的概念 廣義復(fù)合材料的范圍十分廣泛，如木材是纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合物；合金可以看成不同金屬的復(fù)合；鋼筋混凝土是鋼筋和水泥、砂石的人工復(fù)合材料；塑料、橡膠一般都含有各種填充劑，也是一種復(fù)合材料。廣義來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒?，組合而成的具有復(fù)合效應(yīng)的多相固體材料。復(fù)合效應(yīng)是指復(fù)合產(chǎn)物的性能優(yōu)于原組分的性能或具有新的性能特點(diǎn)。多相體系和復(fù)合效應(yīng)是復(fù)合材料區(qū)別于其他材料的兩個(gè)特點(diǎn)。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）為復(fù)合材料所下的定義，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)中，通常有一相為連續(xù)相，稱為基體；另一相為分散相，稱為增強(qiáng)材料。分散相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的，兩相之間存在著界面，分散相可以是增強(qiáng)纖維，也可以是顆粒狀或彌散狀的填料。復(fù)合材料的組成分為兩大部分：基體與增強(qiáng)材料。基體：構(gòu)成復(fù)合材料連續(xù)相的單一材料，如玻璃鋼中的樹(shù)脂就是基體，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用。增強(qiáng)材料：復(fù)合材料中不構(gòu)成連續(xù)相的材料，一般為分散相。如玻璃鋼中的玻璃纖維就是增強(qiáng)材料，主要起承受應(yīng)力和顯示功能的作用。這兩相最終以固相材料出現(xiàn)，復(fù)合產(chǎn)物為固體材料才稱得上復(fù)合材料，若復(fù)合產(chǎn)物為液體或氣體時(shí)就不叫復(fù)合材料。復(fù)合材料可以是由一個(gè)連續(xù)物理相與一個(gè)分散相的復(fù)合，也可以是兩個(gè)或多個(gè)連續(xù)相與一個(gè)或多個(gè)分散相的復(fù)合。復(fù)合材料的組分材料雖保持其相對(duì)獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性能卻不是組分材料性能的簡(jiǎn)單加和，而有著重要改進(jìn)。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特性，又可通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能相互補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。復(fù)合材料的最大特點(diǎn)是復(fù)合后的材料特性優(yōu)于組成該復(fù)合材料的單一材料之特性。復(fù)合材料具有如下特征：1、細(xì)觀上是非均相材料，組分材料間有明顯的界面；2、組分材料性能差異很大；3、組成復(fù)合材料后性能有較大改進(jìn)；4、組分材料有一定的體積分?jǐn)?shù)（應(yīng)大于10%）。決定復(fù)合材料性能的基本因素是：基體和增強(qiáng)材料的性能、組成、含量、基體材料與增強(qiáng)材料間的界面結(jié)合情況及其復(fù)合方式與工藝等?，F(xiàn)代材料學(xué)界中，復(fù)合材料應(yīng)不包括自然形成具有某些復(fù)合材料形態(tài)的物質(zhì)、化合物、單相合金和多相合金。1.2 復(fù)合材料的命名 事物的發(fā)展先于其科學(xué)的命名，常先用一些通俗、形象的名稱。如國(guó)內(nèi)20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的玻璃纖維復(fù)合材料，就被稱為“玻璃鋼”、玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Glass fiber reinforced plastic GFRP）、玻璃塑料、玻璃布層壓板等。對(duì)于一種材料，若其名稱很多，互不統(tǒng)一，甚至有的名稱含義不確切，就容易造成混亂和錯(cuò)覺(jué)，不利與材料的應(yīng)用和發(fā)展。 總結(jié)物質(zhì)命名的原則，應(yīng)該根據(jù)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和特征的相互關(guān)系來(lái)確定名稱，名稱應(yīng)在一定程度上反映事物的特征。a) 復(fù)合材料可根據(jù)增強(qiáng)材料與基體材料的名稱來(lái)命名。將增強(qiáng)材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，再加上“復(fù)合材料”。例如，玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的復(fù)合材料稱為“玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料”。b) 為書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)便，也可僅寫(xiě)增強(qiáng)材料和基體材料的縮寫(xiě)名稱，中間加一斜線隔開(kāi)，后面再加“復(fù)合材料”。如上述玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的復(fù)合材料，也可寫(xiě)做“玻璃環(huán)氧復(fù)合材料”。c) 有時(shí)為突出增強(qiáng)材料和基體材料，視強(qiáng)調(diào)的組分不同，也可簡(jiǎn)稱為“玻璃纖維復(fù)合材料”或“環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料”。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫“金屬基復(fù)合材料”。也可寫(xiě)為“碳金屬?gòu)?fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳/碳復(fù)合材料”。1.3 復(fù)合材料的分類 隨著材料品種不斷增加，人們?yōu)榱烁玫匮芯亢褪褂貌牧?，需要?duì)材料進(jìn)行分類。材料的分類有很多種方法，如按材料的化學(xué)性質(zhì)分類，可有金屬材料、非金屬材料之分；按材料的物理性質(zhì)分類，可有絕緣材料、磁性材料、透光材料、半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料、耐高溫材料等；按用途分類，可有航空材料、耐燒蝕材料、電工材料、建筑材料、包裝材料等；更簡(jiǎn)單的分類方法，即概括為結(jié)構(gòu)材料與功能材料。復(fù)合材料的分類方法也有不少，如根據(jù)增強(qiáng)原理和增強(qiáng)相形態(tài)分類，有彌散增強(qiáng)型復(fù)合材料、粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料；根據(jù)復(fù)合過(guò)程的性質(zhì)分類，有化學(xué)復(fù)合的復(fù)合材料、物理復(fù)合的復(fù)合的復(fù)合材料和自然復(fù)合的復(fù)合的復(fù)合材料；根據(jù)復(fù)合材料的功能分類，有電功能復(fù)合材料、熱功能復(fù)合材料、光功能復(fù)合材料等。復(fù)合材料常用的分類方法有以下幾種：1.3.1 按增強(qiáng)材料的形態(tài)分類 纖維狀復(fù)合材料（Fiber reinforced composite materials）即纖維復(fù)合材料（fiber composites）。增強(qiáng)材料以纖維狀態(tài)分散于基體中，可以有長(zhǎng)纖維（連續(xù)）復(fù)合及短（切斷）纖維或晶須狀復(fù)合的。 連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的纖維，每根纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處； 短纖維復(fù)合材料：短纖維無(wú)規(guī)則地分散在基體材料中制成的復(fù)合材料； 粒狀或碎片狀復(fù)合材料。增強(qiáng)相是粒狀、碎片狀材料及其它不規(guī)則形狀分散于基體中。 織物狀復(fù)合材料。以平面二維或立體三維纖維編織物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成的復(fù)合材料。增強(qiáng)相可以是無(wú)緯布或織物（二向）和多維織物。 無(wú)紡織物復(fù)合材料。增強(qiáng)材料為氈類、紙類、無(wú)紡布類與基體復(fù)合。至于卷制或纏繞等屬于按加工方法的不同而分類，如可分為：卷制或纏繞復(fù)合材料；予浸無(wú)緯布型復(fù)合材料；織物型復(fù)合材料； 層壓型復(fù)合材料；拉拔型復(fù)合材料；擠出型復(fù)合材料；混合型復(fù)合材料等。1.3.2 按增強(qiáng)纖維種類分類 無(wú)機(jī)纖維復(fù)合材料。如玻璃纖維、碳纖維及其它陶瓷纖維、礦物纖維等。 有機(jī)纖維復(fù)合材料。如芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、高強(qiáng)度聚烯烴纖維等。 金屬纖維復(fù)合材料。如鎢絲、不銹鋼絲等。 陶瓷纖維復(fù)合材料。如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等。 其它。如各種天然植物纖維等。此外，如果用兩種或兩種以上纖維增強(qiáng)同一基體制成的復(fù)合材料稱為混雜纖維復(fù)合材料（Hybrid composite materials）?；祀s復(fù)合材料可以看成是兩種或多種單一纖維復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。1.3.3 按基體材料分類 聚合物基復(fù)合材料。以有機(jī)聚合物（主要為熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂及橡膠）為基體制成的復(fù)合材料。 金屬基復(fù)合材料。以金屬為基體制成的復(fù)合材料，如鋼基復(fù)合材料、鋁基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料等。 陶瓷基復(fù)合材料。以陶瓷材料（包括玻璃和水泥）為基體制成的復(fù)合材料。 碳基復(fù)合材料，用易于在高溫下燒制成碳質(zhì)材料的物質(zhì)為基體，和瀝青纖維等復(fù)合的材料。 同質(zhì)物質(zhì)復(fù)合材料。用屬于同種物質(zhì)的增強(qiáng)材料和基體制成的復(fù)合材料。如碳/碳復(fù)合材料；1.3.4 按材料作用分類 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。用于制造受力構(gòu)件的復(fù)合材料。 功能復(fù)合材料。具有各種特殊性能（如阻尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、摩擦、屏蔽等）的復(fù)合材料。 智能復(fù)合材料。能檢知環(huán)境變化，并通過(guò)改變自身性能參數(shù)對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)，使之與環(huán)境變化相適應(yīng)的復(fù)合材料。此外，還有同質(zhì)復(fù)合材料和異質(zhì)復(fù)合材料。增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)的復(fù)合材料為同質(zhì)復(fù)合材料，如碳碳復(fù)合材料。異質(zhì)復(fù)合材料如前面提及的復(fù)合材料多屬此類。復(fù)合材料的構(gòu)成材料之一為纖維者稱為纖維復(fù)合材料，因纖維多有增強(qiáng)的作用，有叫做纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它在復(fù)合材料中用的最多、最廣。在纖維復(fù)合材料中，纖維起增強(qiáng)作用，承受大部分載荷，使材料顯示出較高的抗張強(qiáng)度和剛度?；w與增強(qiáng)纖維通過(guò)界面連接在一起，基體將載荷經(jīng)界面?zhèn)鬟f給纖維，不僅能夠發(fā)揮纖維抗張性能優(yōu)異的特點(diǎn)，還能起到使載荷均勻分布和保護(hù)纖維免遭外界損傷的作用。作為結(jié)構(gòu)材料，最實(shí)用的是以熱固性樹(shù)脂為基體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）；作為功能材料部件等使用熱塑性樹(shù)脂時(shí)，稱為纖維增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合材料（FRTP）；以金屬為基體的纖維增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料（FRM），由于其耐高溫特性和高的剛性和尺寸穩(wěn)定性，目前對(duì)它的研究工作很活躍。與短切纖維復(fù)合的纖維增強(qiáng)水泥材料（FRC）可補(bǔ)償水泥的脆性和拉伸強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，正在作為建筑材料被廣泛使用；纖維增強(qiáng)橡膠（FRR）則主要是大量用于汽車輪胎和輸送帶中。1.4 復(fù)合材料的基本性能特點(diǎn)（1） 可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使其具有多種性能，或具有一種天然材料所沒(méi)有的性能。（2） 可按對(duì)材料性能的需要進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造。復(fù)合材料的最大特點(diǎn)性能的可設(shè)計(jì)性，復(fù)合后的材料特性優(yōu)于組成該復(fù)合材料的單一材料之特性。（3） 可直接制成所需形狀的產(chǎn)品，避免多次加工工序。（4） 影響復(fù)合材料性能的因素主要取決于增強(qiáng)材料的性能、含量及分布情況，基體材料的性能、含量，以及它們之間的界面情況，還與產(chǎn)品的成型工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。1.5 聚合物基復(fù)合材料的特性 1.5.1 比強(qiáng)度和比模量高比強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度與密度之比，比強(qiáng)度高的材料能夠承受高的應(yīng)力；比模量是彈性模量與密度之比，比模量高說(shuō)明材料輕而且剛性大。比強(qiáng)度愈高，同一零件的自重愈?。槐饶Ａ坑?，零件的剛性愈大。環(huán)氧樹(shù)脂與高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合，比強(qiáng)度可達(dá)913kNmkg，比模量為85MNmkg；與高模量的碳纖維復(fù)合，比模量可達(dá) 116MNmkg，比強(qiáng)度為 613kNmkg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般鋼材和鋁合金（鋼的比強(qiáng)度為126kNmkg，比模量為27MNmkg）。復(fù)合材料的突出特點(diǎn)是比強(qiáng)度與比模量高。如高模量碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鋼的五倍，鋁合金的四倍，鈦合金的三倍半；其比模量是銅、鋁、鈦的四倍。這樣在制造強(qiáng)度和剛度相同的構(gòu)件時(shí)，采用復(fù)合材料比金屬材料質(zhì)輕、小巧，這對(duì)航空、航天等領(lǐng)域有著重要意義。表1-1：材料力學(xué)性能比較1.5.2 抗疲勞性能好疲勞是材料在循環(huán)應(yīng)力作用下的性能。幾種材料的疲勞曲線（圖1-1），可見(jiàn)碳纖維的抗疲勞性能是最好的。一般金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限是其抗張強(qiáng)度的30%50%，而碳纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度為其抗張強(qiáng)度的70%80%，纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度比較高。與金屬材料相比，復(fù)合材料對(duì)缺口、應(yīng)力集中的敏感性小，特別是纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料?；w良好的韌性降低了裂紋的擴(kuò)展速度，大量的增強(qiáng)纖維對(duì)裂紋又有阻隔作用，使裂紋尖端變鈍或改變方向，所以具有較高的疲勞強(qiáng)度。其原因主要是由于增強(qiáng)纖維的缺陷少，抗疲勞性好，其次是由于基體材料的塑性好，能消除或減小應(yīng)力集中區(qū)的尺寸和數(shù)量，使疲勞源（纖維和基體中的缺陷處或界面上）難以萌生出微裂紋，抑制微裂紋的出現(xiàn)。即使微裂紋出現(xiàn)，基體（如聚合物基）的塑性形變也能使裂紋尖端鈍化，減緩其擴(kuò)展。在裂紋的緩慢擴(kuò)展過(guò)程中（圖1-2），基體的縱向拉壓將引起其橫向收縮，而在裂紋尖端的前緣造成基體與纖維的分離，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán)后，裂紋由橫向改為沿纖維與基體間的界面縱向擴(kuò)展。1.5.3 減振性能強(qiáng)構(gòu)件的自振頻率除了與其本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，還同材料的彈性模量與密度之比（即比模量）的平方根成正比。由于復(fù)合材料的比模量大，所以它的自振頻率高，不易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，在通常加載速度或頻率條件下不易出現(xiàn)因共振而快速脆斷的現(xiàn)象。同時(shí)，復(fù)合材料是一種非均質(zhì)的多相體系，其中有大量的纖維與基體之間的界面，由于界面對(duì)振動(dòng)有反射和吸收作用，所以復(fù)合材料的振動(dòng)阻尼性強(qiáng)，即使激起振動(dòng)也能很快衰減。對(duì)相同形狀和尺寸的梁進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)于相同大小的振動(dòng)，輕合金梁需要9秒才能停止振動(dòng)，而碳纖維復(fù)合材料梁僅需23秒就能停止振動(dòng)。復(fù)合材料良好的減震性能，使其在精密控制、精密檢測(cè)儀器、儀表方面應(yīng)用廣泛。1.5.4 過(guò)載安全性好一般金屬材料的疲勞破壞是沒(méi)有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，由于基體中分布著大量纖維，裂紋的擴(kuò)展常常經(jīng)歷非常復(fù)雜和曲折的路徑。其疲勞破壞是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始，逐步擴(kuò)展到界面上，破壞前有明顯的前兆。而纖維復(fù)合材料不僅具有良好的抗疲勞性，而且由于纖維復(fù)合材料中存在大量相對(duì)獨(dú)立的纖維，在每平方米面積上的纖維數(shù)少至數(shù)千根，多達(dá)數(shù)萬(wàn)根，借助塑韌性基體結(jié)合成一個(gè)整體，當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件由于過(guò)載或其他原因而使部分纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)重新分配到未斷裂的增強(qiáng)纖維上去，避免結(jié)構(gòu)在很短的時(shí)間內(nèi)突然破壞，使構(gòu)件喪失承載能力的過(guò)程延長(zhǎng)，有良好的斷裂安全性。1.5.5 高溫性能好復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料的熔點(diǎn)都較高，其中增強(qiáng)纖維的熔點(diǎn)一般都在2000以上，且在高溫條件下仍保持較高的高溫強(qiáng)度，故用其增強(qiáng)的復(fù)合材料具有較高的高溫強(qiáng)度和彈性模量。高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料的使用溫度已達(dá)200-300；金屬基復(fù)合材料耐熱溫度為300-500；陶瓷基復(fù)合材料的有效承載溫度可達(dá)1000以上。復(fù)合材料中樹(shù)脂基和金屬基復(fù)合材料的使用溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一的基體材料。一般金屬鋁在400500以后就完全喪失強(qiáng)度，但用連續(xù)硼纖維或氧化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在這樣的高溫下仍有較高的強(qiáng)度。陶瓷基纖維復(fù)合材料可承受12001400的高溫，而碳/碳復(fù)合材料的耐熱溫度甚至可達(dá)到3000左右。碳化硅（SiC）纖維、氧化鋁纖維（-Al2O3SiO2。）與陶瓷復(fù)合，在空氣中能耐12001400高溫，要比所有超高溫合金的耐熱性高出100以上。用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可取消原來(lái)的散熱器、水泵等冷卻系統(tǒng)，減輕重量約100kg。用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，使用溫度可高達(dá)1370。聚合物基復(fù)合材料還具有優(yōu)良的耐燒蝕性。高分子材料的組分具有高的比熱、熔融熱和汽化熱，在高溫下樹(shù)脂基體熱解形成碳?xì)埢纸獬龅牡头肿游镔|(zhì)，通過(guò)殘基的孔隙向外溢出并帶走熱量，形成溫度較低的界面層起到隔熱作用。因此，常用作飛行器返回大氣層所必須的耐燒蝕材料。此外，由于復(fù)合材料高溫強(qiáng)度好、耐疲勞性能好以及纖維與基體的相容性好，所以它的熱穩(wěn)定性能也很優(yōu)越。1.5.6 化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良 鋼材一般不耐酸，尤其是含有氯離子的酸，即使含鉬不銹鋼在這種介質(zhì)中，也會(huì)很快被腐蝕。但纖維增強(qiáng)塑料如玻纖增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂，在含氯離子的酸性介質(zhì)中能長(zhǎng)期使用。用玻纖增強(qiáng)塑料，可制造耐強(qiáng)酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥、容器、風(fēng)機(jī)、攪拌器等設(shè)備。如用耐堿玻纖或碳纖維與塑料復(fù)合，還能在強(qiáng)堿介質(zhì)中使用。耐堿玻纖可用來(lái)取代鋼筋與水泥復(fù)合。1.5.7 減摩、耐磨、自潤(rùn)滑性好 在熱塑性塑料中摻入少量短切碳纖維可大大提高它的耐磨性，其增加倍數(shù)為聚氯乙烯本身的38倍，聚四氟乙烯本身的3倍，聚丙烯本身的25倍，聚酯本身的2倍。碳纖維增強(qiáng)塑料還可降低塑料的摩擦系數(shù)。以鋼作為對(duì)磨件時(shí)，碳纖維增強(qiáng)的磨損比玻纖增強(qiáng)的約小10倍。碳纖維增強(qiáng)塑料具有良好的自潤(rùn)滑性能，因此可用于制造無(wú)油潤(rùn)滑活塞環(huán)、軸承和齒輪。如用石棉之類的材料與塑料復(fù)合，則與上述情況相反，可得到摩擦系數(shù)大、制動(dòng)效果好的摩阻材料。1.5.8 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)復(fù)合材料的一個(gè)突出的特點(diǎn)是可以具備各相異性的性能，與之相關(guān)的就是性能的可設(shè)計(jì)性。通過(guò)改變纖維、基體的種類及體積含量、纖維的排列方向、鋪層次序等就可以滿足對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的各種設(shè)計(jì)要求。1.5.9 工藝性好復(fù)合材料制品的制造工藝簡(jiǎn)單，多為整體成型，減少了零部件、緊固件和接頭的數(shù)目，可采用手糊成型、模壓成型、纏繞成型、注射成型和擠拉成性等多種成型方法制成各種形狀的產(chǎn)品，所用工藝裝備簡(jiǎn)單，加工周期短，一般不需焊、鉚、切割等二次加工，較金屬制件大大降低成本。1.5.10 缺點(diǎn)材料工藝穩(wěn)定性差，材料的性能分散性大，長(zhǎng)期高溫與環(huán)境老化性能不好，抗沖擊性能低，橫向強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度不夠好等。1.6 復(fù)合材料的發(fā)展史作為一門(mén)學(xué)科，復(fù)合材料的出現(xiàn)及發(fā)展不過(guò)是近幾十年的事情。但是人類從很早就開(kāi)始利用復(fù)合材料了，其歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代。比如：最早的人造聚合物基復(fù)合材料大約出現(xiàn)在公元前5000年，當(dāng)時(shí)中東地區(qū)在造船業(yè)中開(kāi)始以瀝青作為蘆葦?shù)恼辰Y(jié)劑；3000年前，印度人用天然樹(shù)脂蟲(chóng)膠制作層合板；我國(guó)三國(guó)時(shí)期的武將呂布所用的方天畫(huà)戟的桿，則是以木為芯、縱向用竹絲鋪層、在用真絲纏繞交接而成，是典型的復(fù)合材料制品；以砂、礫石為廉價(jià)的骨架材料，以水和水泥固結(jié)的混凝土材料，它們大約在一百年前就已經(jīng)開(kāi)始使用了。若在混凝土中加入鋼筋、鋼纖維可以大大提高混凝土抗拉伸及抗彎曲強(qiáng)度，這就是鋼筋混凝土復(fù)合材料。表1-2：復(fù)合材料的發(fā)展情況而使用合成樹(shù)脂制作復(fù)合材料則始于二十世紀(jì)初。人們用苯酚和甲醛反應(yīng)制成酚醛樹(shù)脂，再把酚醛樹(shù)脂與紙、布、木片等復(fù)合在一起制成層壓制品，具有很好的電絕緣性能和強(qiáng)度。20世紀(jì)40年代，由玻璃纖維增強(qiáng)合成樹(shù)脂的復(fù)合材料-玻璃鋼的出現(xiàn)是現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展的重要標(biāo)志。20世紀(jì)6070年代，復(fù)合材料不光可用玻璃纖維來(lái)增強(qiáng)，還由于一類新型的纖維材料如硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維、芳綸（kevlar）纖維的出現(xiàn)，使復(fù)合材料的綜合性能得到了很大的提高，使得復(fù)合材料的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。對(duì)于典型的纖維復(fù)合材料其性能主要要求是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、力學(xué)性能好，但是作為復(fù)合材料的使用不僅限于增強(qiáng)力學(xué)性能方面，而是將按照產(chǎn)品所提出的用途要求，通過(guò)復(fù)合設(shè)計(jì)使物料在電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱性能等方面與力學(xué)性能一樣達(dá)到綜合性的提高，同時(shí)還應(yīng)考慮到生產(chǎn)工藝和成本。目前復(fù)合材料的使用多種多樣，如航空航天、建筑、機(jī)械、交通、能源、化工、電子、體育器材及醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用日益增多，隨著成型工藝性的不斷改進(jìn)與完善，其成本會(huì)逐步降低，應(yīng)用范圍也會(huì)進(jìn)一步的擴(kuò)展。1.7 復(fù)合材料的應(yīng)用 在機(jī)械工業(yè)的應(yīng)用主要用于閥、泵、齒輪、風(fēng)機(jī)、葉片、軸承及密封件等。用酚醛玻璃鋼和纖維增強(qiáng)聚丙烯制成的閥門(mén)使用壽命比不銹鋼閥門(mén)的長(zhǎng)，而且價(jià)格便宜；玻璃鋼不僅重量輕而且耐腐蝕，常用于制造泵殼、葉輪、風(fēng)機(jī)機(jī)殼及葉片，鑄鐵泵一般重幾十公斤，玻璃鋼泵僅幾公斤，并且耐腐蝕性好；碳化硅纖維/氮化硅陶瓷制造的渦輪葉片使用溫度可高于1500；碳纖維增強(qiáng)塑料耐磨性好，摩擦系數(shù)低，質(zhì)輕噪音低，可用與照相機(jī)齒輪；碳碳復(fù)合材料耐高溫，摩擦系數(shù)低，常用于機(jī)械密封件。 在汽車工業(yè)及交通運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用玻璃鋼復(fù)合材料具有加工能耗低，輕質(zhì)高強(qiáng)，設(shè)計(jì)自由度大，不銹蝕，成型工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，因此是汽車工業(yè)以塑代鋼的理想加工材料。玻璃鋼復(fù)合材料與金屬材料相比，具有以下明顯特點(diǎn)：（1）輕質(zhì)高強(qiáng)是玻璃鋼復(fù)合材料的最大優(yōu)點(diǎn)；（2）由于玻璃鋼復(fù)合材料材料系非均質(zhì)材料，其吸收沖擊能量的性能較好，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，可避免或減少對(duì)人體的傷害；（3）振動(dòng)衰減性能優(yōu)于金屬，降低噪音的效果較好；（4）玻璃鋼復(fù)合材料制品一般均為一次成型，設(shè)計(jì)靈活，尤其適于產(chǎn)品的流線型設(shè)計(jì)與變厚度設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)的更改有較強(qiáng)的適應(yīng)性；（5）線脹系數(shù)為1 52. 0X10一5/0C，與金屬非常接近，而熱導(dǎo)率比金屬低，因此在有溫差時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力比金屬小;(6)耐腐蝕性能好；（7）具有良好的電絕緣性（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料除外），并在高頻下保持良好的介電性能。玻璃鋼復(fù)合材料相對(duì)于一般塑料和工程塑料，具有不可比擬的物理機(jī)械性能；制件不易變形，機(jī)械性能與熱變形溫度較高，耐化學(xué)藥品性優(yōu)，且價(jià)格較低，制品外觀質(zhì)量上更佳。其應(yīng)用場(chǎng)合包括：車身表面覆蓋件、結(jié)構(gòu)與半結(jié)構(gòu)部件以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部件等。要使汽車提高速度、節(jié)省燃料、降低污染，必須減輕汽車的重量。用高強(qiáng)鋼代替普通鋼，重量可降低2030%，用鋁合金代替普通鋼，重量可降低50%，但價(jià)格高出80%。聚合物基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，比強(qiáng)度大（比鋼和鋁高），比剛度大，比疲勞強(qiáng)度高，耐腐蝕，并可整體成型，因此可用作車身、驅(qū)動(dòng)軸、操縱桿、方向盤(pán)、客艙隔板、底盤(pán)、結(jié)構(gòu)梁、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、散熱器罩等部件。復(fù)合材料應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域是汽車工業(yè)。在船舶業(yè)，用玻璃鋼制成的船體具有抗海生物吸附和耐海水腐蝕的特性。 在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用化學(xué)工業(yè)存在的主要問(wèn)題是腐蝕嚴(yán)重，因此往往用非金屬取代金屬制作零部件，玻璃鋼的出現(xiàn)給化學(xué)工業(yè)帶來(lái)了光明的前景。目前玻璃鋼主要用于各種槽、罐、釜、塔、管道、泵、閥、風(fēng)機(jī)等化工設(shè)備及配件。玻璃鋼的特點(diǎn)是耐腐蝕、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格遠(yuǎn)比不銹鋼低廉，但玻璃鋼僅能用于低壓或常壓情況下，并且溫度不宜超過(guò)120。 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用在航空工業(yè)中，玻璃鋼最初只用于非承力構(gòu)件，如飛機(jī)雷達(dá)罩、機(jī)門(mén)、燃料箱、行李架和地板等?，F(xiàn)在，先進(jìn)的玻璃鋼已被逐漸用于主要構(gòu)件，如飛機(jī)平尾、主翼、尾翼、起落架、螺旋槳、安定面、減速板和剎車裝置等。在宇航工業(yè)中不但要求玻璃鋼具有很高的比強(qiáng)度和比剛度，而且還要求具有耐燒蝕性。玻璃鋼主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)殼、發(fā)動(dòng)機(jī)燃料箱、火箭噴管、防護(hù)罩、頭錐、火箭級(jí)間連接件等。人造衛(wèi)星上也用了大量的新型復(fù)合材料，如波導(dǎo)天線等。 在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用在建筑業(yè)，玻璃鋼已廣泛用于冷卻塔、儲(chǔ)水箱、門(mén)窗、通風(fēng)設(shè)備、衛(wèi)浴設(shè)備，暖通工程、給排水工程等等。 在其它領(lǐng)域的應(yīng)用軍事：隱形飛機(jī)、防彈衣、頭盔、擔(dān)架、營(yíng)房、浮橋、軍械等。體育：高強(qiáng)度、高彈性和耐疲勞的特性。球拍、跳板、賽艇、撐竿、釣魚(yú)桿、賽車、滑雪板等。醫(yī)學(xué)：假肢、牙齒、骨骼等。1.8 對(duì)高性能復(fù)合材料的期望及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 1.8.1 對(duì)高性能復(fù)合材料的期望 對(duì)通過(guò)更高性能的纖維獲得高比強(qiáng)度、高比剛度復(fù)合材料的要求復(fù)合材料纖維方向的剛性，根據(jù)復(fù)合法則，與纖維剛性成正比，與纖維垂直方向的剛性和剪切剛性，即使不隨著纖維剛性的增大而成比例的增大，但也有助于特性值得提高。 對(duì)提高高溫特性、耐熱性的要求提高基體的耐熱性十分重要。 對(duì)改進(jìn)成型方法合成型技術(shù)的要求在制作過(guò)程就同時(shí)形成結(jié)構(gòu)，降低成本，但生產(chǎn)效率低，制品不均一，可靠性低。因此要改善成型方法合成型技術(shù)，使制品均質(zhì)化，提高制品精度，增加可靠性，提高生產(chǎn)效率。1.8.2 高性能復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)新的高性能增強(qiáng)纖維。 開(kāi)發(fā)高性能纖維增強(qiáng)的成型方法和技術(shù)。開(kāi)發(fā)已混雜帶來(lái)的高性能化。層內(nèi)混雜和層間混雜。教學(xué)要求：1. 本章內(nèi)容：復(fù)合材料的基本術(shù)語(yǔ)、分類、性能特征、應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展展望。2. 本章重點(diǎn)：復(fù)合材料及高分子復(fù)合材料的概念；根據(jù)分散相結(jié)構(gòu)形態(tài)、基體材料的分類。3. 復(fù)合材料的發(fā)展歷史作一般要求。作業(yè)：1. 閱讀教材聚合物復(fù)合材料黃麗主編 中國(guó)輕工業(yè)出版社 2001.6 P1-P122. 什么叫復(fù)合材料？其主要性能特點(diǎn)？3. 如何命名復(fù)合材料？4. 簡(jiǎn)述復(fù)合材料的民用前景，談?wù)剰?fù)合材料的發(fā)展。 第二章 基體材料 (3學(xué)時(shí)) P13復(fù)合材料是由增強(qiáng)材料和基體材料組成的。復(fù)合材料基體是復(fù)合材料中連續(xù)相，基體材料通過(guò)與增強(qiáng)材料界面粘結(jié)成一體，賦予復(fù)合材料一定的形狀，并以剪應(yīng)力的形式向增強(qiáng)材料傳遞載荷，保護(hù)增強(qiáng)材料免受外界環(huán)境的作用和物理?yè)p傷。對(duì)于復(fù)合材料的力學(xué)性能，就縱向拉伸性能來(lái)說(shuō)，無(wú)疑主要取決于增強(qiáng)材料，但也不可忽視基體的作用。對(duì)于復(fù)合材料的橫向拉伸性能、壓縮性能、剪切性能、耐熱性能和耐介質(zhì)性能等，則與基體性能關(guān)系更為密切。在復(fù)合材料的成型過(guò)程中，基體經(jīng)過(guò)一系列物理的、化學(xué)的和物理化學(xué)的復(fù)雜變化過(guò)程，與增強(qiáng)材料復(fù)合成為具有一定形狀的整體。因此，基體材料的性能直接影響復(fù)合材料的性能，復(fù)合材料的成型方法與工藝參數(shù)的選擇，主要由基體的工藝性決定。復(fù)合材料的工藝性主要取決于基體材料。基體的粘度、使用期直接影響增強(qiáng)材料的浸漬、復(fù)合材料的鋪層和預(yù)浸料的儲(chǔ)存。更重要的是，復(fù)合材料的成型方法和工藝參數(shù)主要是由基體決定的。2.1 對(duì)基體材料的要求： 對(duì)增強(qiáng)材料有良好的粘接性（含羰基、羧基、羥基等極性基團(tuán)）； 與增強(qiáng)材料的性能相匹配（彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率等）； 保護(hù)增強(qiáng)材料（耐磨、耐濕熱、化學(xué)穩(wěn)定性等）； 良好的工藝性能（混溶性、流動(dòng)性、成型性等）。 復(fù)合材料的基體主要有聚合物、金屬、陶瓷以及碳基體等。2.2 聚合物基體聚合物基體中，主要有樹(shù)脂和橡膠兩大類，樹(shù)脂基體復(fù)合材料是品種最多、產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的一大類。樹(shù)脂基體材料按其加工性能的不同，可分為熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂兩大類。2.2.1 熱固性樹(shù)脂基體 P14熱固性樹(shù)脂是主要的復(fù)合材料基體材料。在加熱或引發(fā)劑和促進(jìn)劑的作用下，它能發(fā)生交聯(lián)而變成不熔不溶狀態(tài)的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，制成成品后就不能再成型。熱固性樹(shù)脂有酚醛樹(shù)脂、脲醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂等。熱固性樹(shù)脂以不飽和聚酯樹(shù)脂所占的比例最大，此外還有環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂和呋喃樹(shù)脂等。2.2.1.1 不飽和聚酯樹(shù)脂基體 P14不飽和聚酯樹(shù)脂（Unsaturated poly ester resin）是由多元酸和多元醇縮合反應(yīng)制得的，也可以從同一中含有羥基和羧基的物質(zhì)制得。不飽和聚酯是熱固性樹(shù)脂，具有不飽和雙鍵，可與交聯(lián)單體進(jìn)行交聯(lián)，固化形成網(wǎng)絡(luò)體型結(jié)構(gòu)。不飽和聚酯樹(shù)脂是樹(shù)脂基復(fù)合材料中用量最多、使用范圍最廣的一種樹(shù)脂。占玻璃鋼用樹(shù)脂的80%以上。(1) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：不飽和聚酯具有線型結(jié)構(gòu)，主鏈中含有不飽和雙鍵，因此可以在加熱、光照、高能輻射以及引發(fā)劑的作用下與交聯(lián)單體進(jìn)行共聚，交聯(lián)固化成具有三向網(wǎng)絡(luò)的體型結(jié)構(gòu)。其交聯(lián)前后的性質(zhì)廣泛多變，取決于二元酸的類型和數(shù)量，以及二元醇的類型。(2) 組成： 二元酸： 不飽和二元酸有順丁烯二酸酐（順酐）、反丁烯二酸（固化速率高，熱變形、力學(xué)和耐腐蝕性好）等不飽和二元酸； 飽和二元酸有鄰苯二甲酸酐（苯酐）、間苯二甲酸（膠衣gel coat樹(shù)脂）、對(duì)苯二甲酸(拉伸強(qiáng)度高)、內(nèi)次甲基四氫鄰苯二甲酸酐（耐熱）、四氫鄰苯二甲酸（表面不發(fā)粘）、HET酸（自熄性）、己二酸（柔韌性）等； 不飽和二元酸與飽和二元酸共縮聚，調(diào)節(jié)雙鍵的密度，增加樹(shù)脂的韌性，降低不飽和聚酯的結(jié)晶傾向，改善其在乙烯基交聯(lián)單體中的溶解性。 不飽和酸和飽和酸的比例：影響樹(shù)脂的凝膠時(shí)間、折射率、粘度等；固化樹(shù)脂的耐熱性、耐溶劑性、耐腐蝕性。 二元醇類： 主要有乙二醇、丙二醇、一縮二乙二醇等。乙二醇制得的樹(shù)脂有強(qiáng)烈的結(jié)晶傾向，與苯乙烯相容性較差，常添加一定量的丙二醇；分子鏈中帶醚鍵的一縮二乙二醇或一縮二丙二醇可制備基本上無(wú)結(jié)晶的聚酯，并增加柔性，但耐水性降低； 一元醇用作分子鏈控制劑； 多元醇可得到高相對(duì)分子量、高熔點(diǎn)的支化的聚酯，提高耐熱性與硬度。(3) 固化：（樹(shù)脂從粘流態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)） 交聯(lián)單體的種類和用量對(duì)固化樹(shù)脂的性能有很大影響，并直接影響樹(shù)脂的工藝性能。 交聯(lián)劑的要求：高沸點(diǎn)、低粘度，能溶解樹(shù)脂、引發(fā)劑、促進(jìn)劑及染料，無(wú)毒，反應(yīng)活性大，能與樹(shù)脂在室溫或較低溫度下共聚。 交聯(lián)劑： 苯乙烯（用量20%-50%）用得最多的交聯(lián)劑，用量選擇：太稀黏度低，太少固化不完全，軟化溫度低；缺點(diǎn)：沸點(diǎn)低（145）、易揮發(fā)，有毒害； 乙烯基甲苯（臨位60%+對(duì)位40%混合物）收縮率低、柔軟性好，沸點(diǎn)高，揮發(fā)性較低，危害?。?二乙烯基苯（常與等量苯乙烯并用）活性大，室溫固化、交聯(lián)密度高、硬度及耐熱性好、脆性大、 甲基丙烯酸甲酯（折射率低），透光及耐候性好，黏度小，浸潤(rùn)速度高，沸點(diǎn)低，揮發(fā)大，易自聚； 鄰苯二甲酸二丙烯酯：沸點(diǎn)高，揮發(fā)小，毒性低，黏度大，耐熱及介電性好、體積收縮率小，適于大型制件； 三聚氰酸三丙烯酯耐熱和機(jī)械強(qiáng)度好、粘度大，刺激性大，放熱大、不利厚制品； 引發(fā)劑是能使單體分子或含雙鍵的線性高分子活化產(chǎn)生游離基并進(jìn)行連鎖聚合反應(yīng)的物質(zhì)。單靠加熱也可以固化，但反應(yīng)誘導(dǎo)期長(zhǎng)，放熱量大，難以控制，反應(yīng)不完全，因此常采用加引發(fā)劑并加熱固化、加引發(fā)劑和促進(jìn)劑室溫固化。 過(guò)氧化物引發(fā)劑：異丙苯過(guò)氧化氫、過(guò)氧化叔丁基、過(guò)氧化苯甲酰、過(guò)苯甲酸叔丁酯、過(guò)碳酸二異丙酯等。（臨界溫度是指有機(jī)過(guò)氧化物具有引發(fā)活性的最低溫度。半衰期是指在給定溫度下有機(jī)過(guò)氧化物分解一半所需的時(shí)間。） 促進(jìn)劑：使有機(jī)過(guò)氧化物的分解溫度降到室溫以下。如二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基對(duì)甲苯胺等。 引發(fā)劑促進(jìn)劑的種類和用量，不僅影響固化溫度和速度，而且可根據(jù)不同工藝方法及制品大小等，有效地控制樹(shù)脂的各項(xiàng)工藝性能。 注意：配膠時(shí)，引發(fā)劑和促進(jìn)劑不能直接混合，以免引起爆炸。(4) 特性： 常溫下固化前是一種低粘度液體，容易浸漬纖維和填料，能成型任意形狀的制品； 工藝性良好，選用不同固化體系可常溫固化和加熱固化； 固化特點(diǎn)：凝膠階段、硬化階段和完全固化階段。凝膠時(shí)間的影響因素：阻聚劑、環(huán)境溫濕度（溫度低、濕度大，時(shí)間長(zhǎng)）、樹(shù)脂體積的影響（體積大時(shí)間短）、交聯(lián)單體蒸發(fā)損失（薄制品）。 固化時(shí)無(wú)副產(chǎn)物，可在常壓下成型厚制品，工藝裝置簡(jiǎn)單，這也是它與環(huán)氧、酚醛樹(shù)脂相比最突出的優(yōu)點(diǎn)； 價(jià)格較其他樹(shù)脂低，價(jià)格比環(huán)氧樹(shù)脂低得多，只比酚醛樹(shù)脂略貴； 性能優(yōu)良可設(shè)計(jì)（力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能），固化后的樹(shù)脂綜合性能良好，但力學(xué)性能不如酚醛樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂； 調(diào)整膠液特性，可滿足不同成型方法需求； 固化樹(shù)脂顏色淺，可用顏料糊著色。缺點(diǎn)： 樹(shù)脂固化時(shí)體積收縮率較大，約6%10%； 樹(shù)脂耐熱性差；很少用作碳纖維復(fù)合材料的基體材料，主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中。 成型時(shí)氣味和毒性大。(5) 種類： 通用型：多用于手糊成型，制造一般結(jié)構(gòu)用制品； 柔韌型：可單獨(dú)使用，也可與通用性混合使用，提高沖擊強(qiáng)度； 彈性型：有較高的彎曲強(qiáng)度和較低的彎曲模量，更堅(jiān)韌，無(wú)脆性。 耐化學(xué)腐蝕型：用間苯二甲酸替代鄰苯二甲酸，提高耐腐蝕性能； 阻燃性：添加型阻燃樹(shù)脂、反應(yīng)型阻燃樹(shù)脂（含阻燃元素）； 耐熱型：熱變形溫度大于110，較高溫度保持原有強(qiáng)度； 光穩(wěn)定型和耐氣候型：合理改性及添加紫外線吸收劑； 低收縮型：普通型固化體積收縮610%，變形、收縮、尺寸精度下降、表面平整度差，添加熱塑性樹(shù)脂，獲得低收縮甚至無(wú)收縮； 膠衣樹(shù)脂：改善制品表面光潔度，提高耐腐蝕性、耐熱性、耐水性及耐老化性能。2.2.1.2 環(huán)氧樹(shù)脂基體（EP） P26環(huán)氧樹(shù)脂的合成起始于30年代，40年代開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)。由于環(huán)氧樹(shù)脂具有一系列的可貴性能，所以發(fā)展很快，特別是自60年代以來(lái)，它廣泛用于碳纖維復(fù)合材料及其他纖維復(fù)合材料。環(huán)氧樹(shù)脂（Epoxy resin）是指分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的線型有機(jī)高分子化合物。分子結(jié)構(gòu)特征是分子鏈上含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，可與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成不溶、不熔的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的體型高聚物。環(huán)氧值：每100克樹(shù)脂中所含環(huán)氧基的克當(dāng)量數(shù)。環(huán)氧樹(shù)脂本身是熱塑性的線形結(jié)構(gòu)，不能直接使用，必須再向樹(shù)脂中加人固化劑，在一定溫度條件下進(jìn)行交聯(lián)固化反應(yīng)，生成體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物后才能使用。用于環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑可分為兩類：一類是可與環(huán)氧樹(shù)脂分子進(jìn)行加成，并通過(guò)逐步聚合反應(yīng)的歷程使它交聯(lián)成體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這類固化劑又稱反應(yīng)性固化劑，一般都會(huì)有活潑的氫原子，在反應(yīng)過(guò)程中伴有氫原子的轉(zhuǎn)移，如多元伯胺、多元竣酸、多元硫酸和多元酚等。另一類是催化性固化劑，它可引發(fā)樹(shù)脂分子中的環(huán)氧基按陽(yáng)離子或陰離子聚合的歷程進(jìn)行固化反應(yīng)，如叔胺和三氟化硼絡(luò)合物等。兩類固化劑都是通過(guò)樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)中具有的環(huán)氧基或仲羥基的反應(yīng)完成固化過(guò)程的。環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)逐步聚合反應(yīng)的固化過(guò)程：伯胺與環(huán)氧樹(shù)脂的反應(yīng)是連接在伯胺氮原子上的氫原子和環(huán)氧基因反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成仲胺，再由仲胺轉(zhuǎn)變成叔胺。反應(yīng)原理如下：環(huán)氧樹(shù)脂具有較強(qiáng)的粘結(jié)性能、力學(xué)性能優(yōu)良、耐化學(xué)品性、耐氣候性、電絕緣性及尺寸穩(wěn)定，是聚合物基復(fù)合材料的主要基體之一。(1) 特點(diǎn)： 形式多樣：各種樹(shù)脂、固化劑、改性劑體系可適應(yīng)各種應(yīng)用要求； 固化方便： 粘附力強(qiáng)：極性羥基和醚鍵存在； 收縮率低：小于2%，無(wú)水或其他揮發(fā)性副產(chǎn)物放出； 力學(xué)性能好；固化后具有優(yōu)良的力學(xué)性能； 電性能優(yōu)良：在寬廣的頻率和溫度范圍內(nèi)具有良好的電絕緣能，是高介電性能、耐表面漏電、耐電弧的優(yōu)良絕緣材料； 化學(xué)穩(wěn)定性好：優(yōu)良的耐堿性、耐酸性、耐溶劑性，取決于所選用的樹(shù)酯和固化劑； 尺寸穩(wěn)定性高和耐久性； 耐霉菌：耐大多數(shù)霉菌，可在苛刻的熱帶條件下使用。主要缺點(diǎn)： 成本高于聚酯和酚醛樹(shù)脂， 在使用某些樹(shù)酯和固化劑時(shí)毒性較大。(2) 類型：P2835 縮水甘油醚類環(huán)氧樹(shù)脂：雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂（環(huán)氧氯丙烷與雙酚A在堿性催化劑作用下反應(yīng)，多元胺、酸酐及羧酸固化。用量大、耐熱差）、酚醛多環(huán)氧樹(shù)脂（交聯(lián)密度大、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度、電絕緣性、耐水性和耐腐蝕性）、雙酚S型環(huán)氧樹(shù)脂、多羥基酚類縮水甘油醚型環(huán)氧樹(shù)脂； 縮水甘油酯類環(huán)氧樹(shù)脂：環(huán)氧氯丙烷與有機(jī)酸在堿性催化劑下反應(yīng)。較低粘度；反應(yīng)活性高；固化物力學(xué)性能、電絕緣性好；粘合力高；耐超低溫性（196253）、表面光澤度、透光性、耐侯性好。鄰苯二甲酸雙縮水甘油酯、四氫鄰苯二甲酸雙縮水甘油酯，一般用胺類固化劑。 縮水甘油胺類環(huán)氧樹(shù)脂：環(huán)氧氯丙烷與脂肪族或芳香族伯胺或仲胺反應(yīng)。多官能度、環(huán)氧當(dāng)量高、交聯(lián)密度大，耐熱性高、脆性大。 線性脂肪族類環(huán)氧樹(shù)脂：既無(wú)苯核也無(wú)脂環(huán)結(jié)構(gòu)，脂肪鏈直接與環(huán)氧基相連，韌性較好，耐熱性較差。 脂肪族類環(huán)氧樹(shù)脂：脂環(huán)族烯烴的雙鍵經(jīng)環(huán)氧化制得。較高的抗拉和抗壓強(qiáng)度，高溫性能、耐電弧、耐紫外光老化及耐侯性較好。 新型環(huán)氧樹(shù)脂：合成多官能度的環(huán)氧樹(shù)脂等，耐熱性、低吸水性、韌性和粘結(jié)強(qiáng)度。(3) 分類、型號(hào)和命名 P27 環(huán)氧值：每100克樹(shù)脂中所含環(huán)氧基的克當(dāng)量數(shù)。(4) 輔助劑： 固化劑：反應(yīng)型固化劑、催化型固化劑，與環(huán)氧基或仲羥基反應(yīng)。選擇：滿足性能和工藝要求（固化溫度、與樹(shù)脂互溶性、膠液粘度、使用期、毒性等）。 多元胺類： 酸酐類：酸酐用量(g)=K環(huán)氧值酸酐相對(duì)分子量/酸酐基數(shù)=K環(huán)氧值酸酐mol/L 陰離子及陽(yáng)離子型： 樹(shù)脂類：含有活性基團(tuán)的線性合成樹(shù)脂的低聚物。 其他固化劑：雙氰胺、含硼化合物、金屬鹽和多異氰酸酯類等。 稀釋劑：非活性稀釋劑、活性稀釋劑；降低樹(shù)脂的粘度、提高澆鑄時(shí)的滲透性和層壓時(shí)的浸潤(rùn)型、控制固化時(shí)反應(yīng)熱、延長(zhǎng)樹(shù)脂固化體系的適用期、增加填料的用量及改善工藝性能。 增韌劑：提高固化產(chǎn)物的抗沖擊性、降低脆性、改進(jìn)抗彎曲性能，提高剝離強(qiáng)度，減少固化時(shí)的反應(yīng)熱及收縮性，但對(duì)固化物的某些力學(xué)性能、電性能、化學(xué)穩(wěn)定性（耐溶劑和耐熱性）產(chǎn)生不良影響。非活性增韌劑（不參與反應(yīng)，減小交聯(lián)密度，削弱固化樹(shù)脂的剛性，影響強(qiáng)度和耐熱性）、活性增韌劑（參與固化反應(yīng)，改善韌性）。2.2.1.3 酚醛樹(shù)脂（PF） P42酚醛樹(shù)脂（Phenolic resin）是酚類和醛類（苯酚和甲醛）的縮聚產(chǎn)物。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)部門(mén)已有50年的歷史，酚醛樹(shù)脂是最古老的一類熱固性樹(shù)脂，并將繼續(xù)使用下去。它的使用范圍多系膠粘劑、涂料及布、紙、玻璃布的層壓復(fù)合材料等。它的優(yōu)點(diǎn)是比環(huán)氧樹(shù)脂價(jià)格便宜，但有吸附性不好、收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高等缺點(diǎn)。因此較少用酚醛樹(shù)脂來(lái)制造碳纖維復(fù)合材料。 酚醛樹(shù)脂的含碳量高，因此用它制造耐燒蝕材料，做宇宙飛行器載人大氣的防護(hù)制件，它還被用做制造碳碳復(fù)合材料的碳基體的原料，近年來(lái)新研制的酚改性二甲苯樹(shù)脂(205樹(shù)脂)，也已被用來(lái)制造耐高溫的玻璃纖維復(fù)合材料。(1) 特點(diǎn)：原料易得，合成方便，在工業(yè)上仍被廣泛應(yīng)用；酚醛樹(shù)脂制得的復(fù)合材料耐熱性高，可在150-200長(zhǎng)期使用；吸水性??；電絕緣性能好；耐腐蝕；耐燒蝕；尺寸精確和穩(wěn)定等。(2) 分類：酚醛樹(shù)脂的合成與固化過(guò)程完全按體型縮聚反應(yīng)的歷程進(jìn)行，工業(yè)上通過(guò)控制原料苯酚和甲醛的摩爾比及反應(yīng)體系的PH值（加入酸性或堿性催化劑）可合成出熱固性、熱塑性兩種不同性質(zhì)的酚醛樹(shù)脂。 熱固性酚醛樹(shù)脂（又稱一階樹(shù)脂）：苯酚與過(guò)量的甲醛（摩爾比1.1-1.5）在堿性催化劑NH4OH（PH=8-11）下縮聚反應(yīng)而成；含有羥甲基結(jié)構(gòu),可自固化；控制反應(yīng)程度，可獲得不同用途的樹(shù)脂產(chǎn)物：反應(yīng)程度低，得到分子量很低的水溶性酚醛樹(shù)脂，可用作木材的粘結(jié)劑；當(dāng)控制反應(yīng)使產(chǎn)物脫水成半固態(tài)樹(shù)脂狀時(shí)，可溶于醇類，適合作清漆及復(fù)合材料的基體材料預(yù)浸料、模壓或纏繞或邊浸膠邊固化；控制反應(yīng)至脫水成固體樹(shù)脂，用作酚醛模塑料或特殊用途粘合劑；熱固性酚醛樹(shù)脂的固化過(guò)程中有低分子副產(chǎn)物產(chǎn)生，固化常采用加壓熱固化，也可在酸性條件下固化，常用酸類固化劑有鹽酸和磷酸，也可用對(duì)甲苯磺酸、苯酚苯磺酸或其它磺酸化合物。 熱塑性酚醛樹(shù)脂（又稱二階樹(shù)脂）：縮聚反應(yīng)在強(qiáng)酸催化劑（PH3下，甲醛和苯酚的摩爾比小于1（0.80-0.86）；它是可溶可熔的；酚基與亞甲基連接、不帶羥甲基官能團(tuán)；酚基上存在一些未反應(yīng)的活性點(diǎn)，加入固化劑（六次甲基四胺）固化，熱固性酚醛樹(shù)脂也可用來(lái)使熱塑性樹(shù)脂固化。 其他類型酚醛樹(shù)脂： 低壓鋇酚醛樹(shù)脂：苯酚、甲醛在氫氧化鋇催化劑用下經(jīng)縮合、中和、過(guò)濾及脫水制成，粘度小、固化快、放出低分子物少，適于低壓固化成型，主要用于纏繞成型工藝。 硼酚醛樹(shù)脂：引入硼元素，明顯地改進(jìn)耐熱性及力學(xué)性能，但耐水性較差。 改性酚醛樹(shù)脂：主要是改進(jìn)脆性或其他物理性能，提高對(duì)增強(qiáng)材料的粘結(jié)性能和改善工藝條件等，如封閉酚醛分子中酚羥基或引入其他組分。固化：酚醛樹(shù)脂固化方法有兩種：(一)加熱固化，不加任何固化劑通過(guò)加熱的辦法，依靠酚醛結(jié)構(gòu)本身的羥甲基等活性基團(tuán)，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而固化：(二)通過(guò)加入固化劑使樹(shù)脂發(fā)生固化。常用的固化劑有兩類：(1)線型酚醛樹(shù)脂(二步法樹(shù)脂)，用六次甲基四胺等固化劑(1015)，再通過(guò)加熱進(jìn)行固化；(2)甲階熱固性酚醛樹(shù)脂，用有機(jī)酸作為固化劑，常用的固化劑有：苯磺酸、甲基苯磺酸、苯磺酰氧、石油磺酸、硫酸硫酸乙由等，用量為(810)，要在常溫下進(jìn)行固化就必須使用此類固化劑。 熱固性酚醛樹(shù)脂采用熱壓法固化（145175），有一些揮發(fā)份逸出，加熱加壓排除氣泡和微孔；或使用酸類固化劑，室溫固化。 熱塑性酚醛樹(shù)脂固化需加聚甲醛、六次甲基四胺等固化劑，熱固性酚醛樹(shù)脂也可使其固化。2.2.1.4 其他熱固性樹(shù)脂(1) 乙烯基酯樹(shù)脂 乙烯基酯樹(shù)脂是環(huán)氧丙烯酸脂類樹(shù)脂或稱不飽和環(huán)氧樹(shù)脂，是國(guó)外60年代初開(kāi)發(fā)的一類新型聚合物它通常是由低分子量環(huán)氧樹(shù)脂與不飽和一元酸丙烯酸通過(guò)開(kāi)環(huán)加成反應(yīng)而制得的化合物。這類化合物可單獨(dú)固化，但一般都把它溶解在苯乙烯等反應(yīng)性單體的活性稀釋劑中來(lái)使用，把這類混合物稱為乙烯基酯樹(shù)脂，其典型化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下： 從結(jié)構(gòu)式中可以看出，該類樹(shù)脂保留了環(huán)氧樹(shù)脂的基本鏈段，又有不飽和聚脂樹(shù)脂的不飽和雙鍵，可以室溫固化。匯集了這二種樹(shù)脂雙重特性，使其性能更趨完善，這就是該樹(shù)脂最大的特點(diǎn)之一。乙烯基酯樹(shù)脂（不同的環(huán)氧樹(shù)脂與不同的一元酸加成聚合）是一種優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕型樹(shù)脂。這類樹(shù)脂具有與環(huán)氧樹(shù)脂類似的固化物性能，又具有不飽和聚酯樹(shù)脂的成型加工簡(jiǎn)易性。特點(diǎn)：耐腐蝕性好；耐溶劑性好，機(jī)械性能好；與金屬、塑料、混凝土等材料粘接性好；耐疲勞性能好、耐沖擊性、電氣性能、耐熱老化性優(yōu)良。固化收縮率比不飽和聚酯樹(shù)脂低；可常溫或加熱固化，并能低溫快速固化；粘度低，固化和工藝性能優(yōu)越。(2) 呋喃樹(shù)脂呋喃樹(shù)脂是以糠醛或糠醇為原料單體或與其它單體進(jìn)行縮聚反應(yīng)而得的一類聚合物的總稱。在呋喃樹(shù)脂的大分子鏈中都含有呋喃環(huán)。由于糠酮樹(shù)脂的分子鏈中含有不飽和雙鍵及呋喃環(huán)，在酸性催化劑作用下，這些雙鍵均能打開(kāi)而交聯(lián)生成不溶不熔的體型結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂?？啡浠芍瞥煽反肌？反纪ǔ槁詭S色的液體，在酸性催化劑存在下很易縮聚成樹(shù)脂，在縮聚反應(yīng)中，糠醇分子的羥甲基可與另一糠醇分子的氫原子縮合，形成次甲基鍵：硬化后的樹(shù)脂制品不易著火，在常溫下能耐堿、稀酸、耐水、耐熱，不受般溶劑的腐蝕但不耐濃減和氧化物。糠醇樹(shù)脂的化學(xué)穩(wěn)定性比酚醛樹(shù)脂為好?？啡┍獦?shù)脂與糠醇樹(shù)脂的固化：糠醛丙酮樹(shù)脂與糠醇樹(shù)脂固化時(shí)必須加入無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸作為固化劑。其固化速度取決于溫度及酸的活性和用量。