復(fù)合材料學(xué)(第二章 復(fù)合材料的基體材料)

1、復(fù)復(fù) 合合 材材 料料 學(xué)學(xué) 專專 業(yè)：無機(jī)非金屬材料業(yè)：無機(jī)非金屬材料 教教 師：孫彥彬師：孫彥彬 第二章第二章 復(fù)合材料的基體材料復(fù)合材料的基體材料 2.1 金屬材料金屬材料 金屬基復(fù)合材料學(xué)科是一門相對較新的材金屬基復(fù)合材料學(xué)科是一門相對較新的材料學(xué)科，涉及材料表面、界面、相變、凝固、料學(xué)科，涉及材料表面、界面、相變、凝固、塑性形變，斷裂力學(xué)等，僅有塑性形變，斷裂力學(xué)等，僅有30余年的發(fā)展余年的發(fā)展歷史。金屬基復(fù)合材料的發(fā)展與現(xiàn)代科學(xué)技?xì)v史。金屬基復(fù)合材料的發(fā)展與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，特別是航術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，特別是航天、航空、電子、汽車以及先進(jìn)武器系統(tǒng)的天

2、、航空、電子、汽車以及先進(jìn)武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對材料提出了更高的性能要求。迅速發(fā)展，對材料提出了更高的性能要求。除了要求材料具有一些特殊的性能外，還要除了要求材料具有一些特殊的性能外，還要具有優(yōu)良的綜合性能，有力地促具有優(yōu)良的綜合性能，有力地促 進(jìn)了先進(jìn)進(jìn)了先進(jìn)復(fù)復(fù) 合材料的迅速發(fā)展。合材料的迅速發(fā)展。 單一的金屬、陶瓷、高分子等工程材料均單一的金屬、陶瓷、高分子等工程材料均難以滿足這些迅速發(fā)展的性能的要求。為了難以滿足這些迅速發(fā)展的性能的要求。為了克服單一材料性能上的局限性，充分發(fā)揮各克服單一材料性能上的局限性，充分發(fā)揮各種材料特性，彌補(bǔ)其不足，人們已越來越多種材料特性，彌補(bǔ)其不足，人們已越

3、來越多地使用復(fù)合材料，以滿足各種特殊和綜合性地使用復(fù)合材料，以滿足各種特殊和綜合性能需求。如用高強(qiáng)度、高模量的硼纖維、碳能需求。如用高強(qiáng)度、高模量的硼纖維、碳(石墨石墨)纖維增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料，既保纖維增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料，既保留了鋁、鎂合金的輕質(zhì)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，又留了鋁、鎂合金的輕質(zhì)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，又充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的高強(qiáng)度、高模量，充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的高強(qiáng)度、高模量， 獲獲得高比強(qiáng)度、高比模量、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、熱膨得高比強(qiáng)度、高比模量、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、熱膨脹系數(shù)小的金屬基復(fù)合材料。脹系數(shù)小的金屬基復(fù)合材料。 這種材料在這種材料在航天航天 飛機(jī)和人造衛(wèi)星構(gòu)件上應(yīng)用，取得了巨大的飛機(jī)和人造衛(wèi)星構(gòu)件

4、上應(yīng)用，取得了巨大的成功。成功。 基體材料是金屬基復(fù)合材料的主要組成，基體材料是金屬基復(fù)合材料的主要組成，起著固結(jié)增強(qiáng)物、傳遞和承受各種載荷起著固結(jié)增強(qiáng)物、傳遞和承受各種載荷(力、力、熱、電熱、電)的作用。基體在復(fù)合材料中占有很大的作用。基體在復(fù)合材料中占有很大的體積百分?jǐn)?shù)。在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合的體積百分?jǐn)?shù)。在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體約占材料中基體約占50%-70%的體積，一般占的體積，一般占60%左右最佳。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中左右最佳。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中根據(jù)不同的性能要求，基體含量可在根據(jù)不同的性能要求，基體含量可在90% 25%范圍內(nèi)變化。多數(shù)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合范圍內(nèi)

5、變化。多數(shù)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的基體約占材料的基體約占80%90%。而晶須、短纖。而晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體含量在維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體含量在70%以上，以上， 一般在一般在80%90%。金屬基體的選擇對復(fù)合。金屬基體的選擇對復(fù)合材料的性能有決定性的作用，金屬基體的密材料的性能有決定性的作用，金屬基體的密度、強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、耐熱性、度、強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、耐熱性、抗腐蝕性等均將影響復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比抗腐蝕性等均將影響復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比剛度、耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等性能。因此在剛度、耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等性能。因此在設(shè)計和制備復(fù)合材料時，需充分了解和考慮設(shè)計和制備復(fù)合

6、材料時，需充分了解和考慮金屬基體的化學(xué)、物理特性以及與增強(qiáng)物的金屬基體的化學(xué)、物理特性以及與增強(qiáng)物的相容性等，相容性等， 以便于正確合理地選擇基體材以便于正確合理地選擇基體材料和制備方法。料和制備方法。 一、選擇基體的原則一、選擇基體的原則 金屬與合金的品種繁多，目前用作金屬基金屬與合金的品種繁多，目前用作金屬基復(fù)合材料的金屬有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦復(fù)合材料的金屬有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦 合金、鎳合金、銅與銅合金、鋅合金、鉛、合金、鎳合金、銅與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物等?；w材料成分鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物等?；w材料成分的正確選擇對能否充分組合和發(fā)揮基體金屬的正確選擇對能否充

7、分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性和增強(qiáng)物性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能滿足使用要求十分重要。在選擇基體金屬能滿足使用要求十分重要。在選擇基體金屬時應(yīng)考慮以下幾個方面：時應(yīng)考慮以下幾個方面： 1、金屬基復(fù)合材料的使用要求、金屬基復(fù)合材料的使用要求 金屬基復(fù)合材料構(gòu)金屬基復(fù)合材料構(gòu)(零零)件的使用性能要求件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。不同的是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。不同的應(yīng)用領(lǐng)域和不同的工業(yè)條件對復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)用領(lǐng)域和不同的工業(yè)條件對復(fù)合材料構(gòu)件的性能要求有很大的差異。的性能要求有很大的差異。 在航天、航空技術(shù)中高比強(qiáng)度、比模量、在航天、航空技術(shù)

8、中高比強(qiáng)度、比模量、 尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。作為飛行尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。作為飛行器和衛(wèi)星構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬合金器和衛(wèi)星構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬合金鎂合金和鋁合金作為基體，與高強(qiáng)度、高模鎂合金和鋁合金作為基體，與高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨鎂、石墨/鋁、硼鋁、硼/鋁復(fù)合材料，可用于航天飛行器、衛(wèi)鋁復(fù)合材料，可用于航天飛行器、衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件。星的結(jié)構(gòu)件。 高性能發(fā)動機(jī)則要求復(fù)合材料不僅有高高性能發(fā)動機(jī)則要求復(fù)合材料不僅有高比強(qiáng)度、比模量性能外，還要求復(fù)合材料具比強(qiáng)度、比模量性能外，還要求復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高

9、溫、氧化性氣有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。一般的鋁、鎂合金就不宜選氛中正常工作。一般的鋁、鎂合金就不宜選用，而需選擇鈦基合金、鎳基合金以及金屬用，而需選擇鈦基合金、鎳基合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化硅間化合物作為基體材料。如碳化硅/鈦、鎢絲鈦、鎢絲/ 鎳基超合金復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動機(jī)葉片、鎳基超合金復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。轉(zhuǎn)軸等重要零件。 在汽車發(fā)動機(jī)中要求其零件耐熱、耐磨、在汽車發(fā)動機(jī)中要求其零件耐熱、耐磨、導(dǎo)熱，一定的高溫強(qiáng)度等，同時又要求成本導(dǎo)熱，一定的高溫強(qiáng)度等，同時又要求成本低廉，適合于批量生產(chǎn)，低廉，適合于批量生產(chǎn)， 則選用鋁

10、合金作為則選用鋁合金作為基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆?；w材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒(短纖短纖維維)/鋁基復(fù)合材料。如碳化硅鋁基復(fù)合材料。如碳化硅/鋁復(fù)合材料、鋁復(fù)合材料、碳纖維、氧化鋁碳纖維、氧化鋁/鋁復(fù)合材料，可制作發(fā)動機(jī)鋁復(fù)合材料，可制作發(fā)動機(jī)活塞、缸套等零件?；钊?、缸套等零件。 工業(yè)集成電路需要高導(dǎo)熱、低膨脹的金屬工業(yè)集成電路需要高導(dǎo)熱、低膨脹的金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。選用具有基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。選用具有高導(dǎo)熱率的銀、銅、高導(dǎo)熱率的銀、銅、 鋁等金屬作為基體與高鋁等金屬作為基體與高 導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金

11、剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有低熱膨脹剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、比模量等性能系數(shù)和高導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、比模量等性能的金屬基復(fù)合材料，可能成為解決高集成電的金屬基復(fù)合材料，可能成為解決高集成電子器件的關(guān)鍵材料。子器件的關(guān)鍵材料。 2、金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)、金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn) 由于增強(qiáng)物的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)理的不同，在由于增強(qiáng)物的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)理的不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。對于連基體材料的選擇原則上有很大差別。對于連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維是主要承續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維是主要承載物體，纖維本身具有很高的強(qiáng)度和模量，載物體，纖維本身具有

12、很高的強(qiáng)度和模量，而金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維的性而金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維的性能，能， 因此，在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料因此，在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 中基體的重要作用是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的中基體的重要作用是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度，如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中純鋁或含度，如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強(qiáng)度有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強(qiáng)度鋁合金要好得多，高強(qiáng)度鋁合金做基體組成鋁合金要

13、好得多，高強(qiáng)度鋁合金做基體組成的復(fù)合材料性能反而低。鋁合金的強(qiáng)度越高，的復(fù)合材料性能反而低。鋁合金的強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的性能越低，這與基體與纖維的界復(fù)合材料的性能越低，這與基體與纖維的界面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性有面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性有關(guān)。關(guān)。 但對于非連續(xù)增強(qiáng)但對于非連續(xù)增強(qiáng)(顆粒、晶須、短纖維顆粒、晶須、短纖維)金屬基復(fù)合材料，基體是主要承載物，基體金屬基復(fù)合材料，基體是主要承載物，基體 是主要承載物，基體的強(qiáng)度對非連續(xù)增強(qiáng)金是主要承載物，基體的強(qiáng)度對非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有決定性的影響。因此要獲屬基復(fù)合材料具有決定性的影響。因此要獲得高性能的金屬基復(fù)合材料必

14、須選用高強(qiáng)度得高性能的金屬基復(fù)合材料必須選用高強(qiáng)度的鋁合金為基體，這與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基的鋁合金為基體，這與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體的選擇完全不同。如顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料基體的選擇完全不同。如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料一般選用高強(qiáng)度的鋁合金為基鋁基復(fù)合材料一般選用高強(qiáng)度的鋁合金為基體。體。 總之，針對不同的增強(qiáng)體系，要充分分析總之，針對不同的增強(qiáng)體系，要充分分析和考慮增強(qiáng)物的特點(diǎn)來正確選擇基體合金。和考慮增強(qiáng)物的特點(diǎn)來正確選擇基體合金。 3、基體金屬與增強(qiáng)物的相容性、基體金屬與增強(qiáng)物的相容性 由于金屬基復(fù)合材料需要在高溫下成型，由于金屬基復(fù)合材料需要在高溫下成型，所以在金屬基復(fù)合材料制備過程中金屬

15、基體所以在金屬基復(fù)合材料制備過程中金屬基體 與增強(qiáng)物在高溫復(fù)合過程中，處于高溫?zé)崃εc增強(qiáng)物在高溫復(fù)合過程中，處于高溫?zé)崃W(xué)不平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)學(xué)不平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成反應(yīng)層。這種界面生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成反應(yīng)層。這種界面反應(yīng)層大多是脆性的，當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到一定厚反應(yīng)層大多是脆性的，當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到一定厚度后，材料受力時將會因界面層的斷裂伸長度后，材料受力時將會因界面層的斷裂伸長小而產(chǎn)生裂紋，并向周圍纖維擴(kuò)展，容易引小而產(chǎn)生裂紋，并向周圍纖維擴(kuò)展，容易引起纖維斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破壞。再者，起纖維斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破壞。再者，由于基體金屬中往往含

16、有不同類型的合金元由于基體金屬中往往含有不同類型的合金元素，這些合金元素與增強(qiáng)物的反應(yīng)程度不同，素，這些合金元素與增強(qiáng)物的反應(yīng)程度不同，反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物也不同，需在選用基反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物也不同，需在選用基體合金成分時充分考慮，盡可能選擇既有利體合金成分時充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強(qiáng)物浸潤復(fù)合，于金屬與增強(qiáng)物浸潤復(fù)合， 又有利于形成又有利于形成合合 適穩(wěn)定的界面的合金元素。如碳纖維增強(qiáng)鋁適穩(wěn)定的界面的合金元素。如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中在純鋁中加入少量的基復(fù)合材料中在純鋁中加入少量的Ti、Zr等等元素明顯改善了復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，元素明顯改善了復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大

17、大提高了復(fù)合材料的性能。大大提高了復(fù)合材料的性能。 Fe、Ni元素是促進(jìn)碳石墨化的元素，用元素是促進(jìn)碳石墨化的元素，用Fe、Ni作為基體，碳作為基體，碳(石墨石墨)纖維作為增強(qiáng)物纖維作為增強(qiáng)物是不可取的。是不可取的。Fe、Ni元素在高溫時能有效地元素在高溫時能有效地促使碳纖維石墨化，破壞了碳纖維的結(jié)構(gòu)，促使碳纖維石墨化，破壞了碳纖維的結(jié)構(gòu)，使其喪失了原有的強(qiáng)度，做成的復(fù)合材料不使其喪失了原有的強(qiáng)度，做成的復(fù)合材料不可能具備高的性能?？赡芫邆涓叩男阅?。 因此，在選擇基體時應(yīng)充分注意與增強(qiáng)物因此，在選擇基體時應(yīng)充分注意與增強(qiáng)物的相容性的相容性 (特別是化學(xué)相容性特別是化學(xué)相容性)， 并考慮到盡并考

18、慮到盡 可能在金屬基復(fù)合材料成型過程中，抑制界可能在金屬基復(fù)合材料成型過程中，抑制界面反應(yīng)。例如，可對增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理面反應(yīng)。例如，可對增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理或在金屬基體中添加其它成分，以及選擇適或在金屬基體中添加其它成分，以及選擇適宜的成型方法或條件縮短材料在高溫下的停宜的成型方法或條件縮短材料在高溫下的停留時間等。留時間等。 二、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體二、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體 用于各種航天、航空、汽車、先進(jìn)武器等用于各種航天、航空、汽車、先進(jìn)武器等結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料一般均要求有高的比強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料一般均要求有高的比強(qiáng)度和比剛度，有高的結(jié)構(gòu)效率，因此大多選用和比剛度，有高的結(jié)構(gòu)效率，因此大多

19、選用鋁及鋁合金、鎂及鎂合金作為基體金屬。在鋁及鋁合金、鎂及鎂合金作為基體金屬。在發(fā)動機(jī)、特別是燃?xì)廨啓C(jī)中所需要的結(jié)構(gòu)材發(fā)動機(jī)、特別是燃?xì)廨啓C(jī)中所需要的結(jié)構(gòu)材料是熱結(jié)構(gòu)材料，料是熱結(jié)構(gòu)材料， 要求復(fù)合材料零件在高要求復(fù)合材料零件在高溫溫 下連續(xù)安全工作，工作溫度在下連續(xù)安全工作，工作溫度在6501200左左右，同時要求復(fù)合材料有良好的抗氧化、抗右，同時要求復(fù)合材料有良好的抗氧化、抗蠕變、耐疲勞和良好的高溫力學(xué)性質(zhì)。鋁、蠕變、耐疲勞和良好的高溫力學(xué)性質(zhì)。鋁、鎂復(fù)合材料一般只能用在鎂復(fù)合材料一般只能用在450左右，而鈦左右，而鈦合金基體復(fù)合材料可用到合金基體復(fù)合材料可用到650，而鎳、鈷，而鎳、鈷基

20、復(fù)合材料可在基復(fù)合材料可在1200使用。最近正在研究使用。最近正在研究的金屬間化合物為熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體。的金屬間化合物為熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體。 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體大致可分為輕金屬基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體大致可分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類。體和耐熱合金基體兩大類。 1、用于、用于450以下的輕金屬基體以下的輕金屬基體 目前研究發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的金屬目前研究發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的金屬基復(fù)合材料是鋁基和鎂基復(fù)合材料，基復(fù)合材料是鋁基和鎂基復(fù)合材料， 用于用于航航 天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動機(jī)零天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動機(jī)零件、剎車盤等，并已形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。對件、剎車盤

21、等，并已形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。對于不同類型的復(fù)合材料應(yīng)選用合適的鋁、鎂于不同類型的復(fù)合材料應(yīng)選用合適的鋁、鎂合金基體。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料一合金基體。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料一般選用純鋁或含合金元素少的單相鋁合金，般選用純鋁或含合金元素少的單相鋁合金，而顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料則選擇具而顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料則選擇具有高強(qiáng)度的鋁合金。有高強(qiáng)度的鋁合金。 2、用于、用于450700的復(fù)合材料的金屬基體的復(fù)合材料的金屬基體 鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是一種可在度高等特點(diǎn)，是一種可在450700溫度下溫度下使用的合金，在航空發(fā)動

22、機(jī)零件上使用。用使用的合金，在航空發(fā)動機(jī)零件上使用。用高性能碳化硅纖維，高性能碳化硅纖維， 碳化鈦顆粒、硼化鈦碳化鈦顆粒、硼化鈦顆顆 粒增強(qiáng)鈦合金，可以獲得更高的高溫性能。粒增強(qiáng)鈦合金，可以獲得更高的高溫性能。美國已成功地試制成碳化硅纖維增強(qiáng)鈦復(fù)合美國已成功地試制成碳化硅纖維增強(qiáng)鈦復(fù)合材料，用它制成的葉片和傳動軸零件可用于材料，用它制成的葉片和傳動軸零件可用于高性能航空發(fā)動機(jī)。高性能航空發(fā)動機(jī)。 3、用于、用于1000以上的高溫復(fù)合材料的金屬以上的高溫復(fù)合材料的金屬 基體基體 用于用于1000以上的高溫金屬基復(fù)合材料以上的高溫金屬基復(fù)合材料的基體材料主要是的基體材料主要是Ni基、基、Co基耐熱

23、合金和金基耐熱合金和金屬間化合物，較成熟的是屬間化合物，較成熟的是Ni基、基、Co基高溫合基高溫合金。金屬間化合物基復(fù)合材料尚處于研究階金。金屬間化合物基復(fù)合材料尚處于研究階段。鎳基高溫合金是廣泛使用于各種燃?xì)廨喍?。鎳基高溫合金是廣泛使用于各種燃?xì)廨啓C(jī)的重要材料。機(jī)的重要材料。 用鎢絲、釷鎢絲增強(qiáng)鎳基用鎢絲、釷鎢絲增強(qiáng)鎳基合合 金可以大幅度提高其高溫性能金可以大幅度提高其高溫性能高溫持久性高溫持久性能和高溫蠕變性能，一般可提高能和高溫蠕變性能，一般可提高13倍，主倍，主要用于高性能航空發(fā)動機(jī)葉片等重要零件。要用于高性能航空發(fā)動機(jī)葉片等重要零件。 三、功能用金屬基復(fù)合材料的基體三、功能用金屬基復(fù)

24、合材料的基體 功能用金屬基復(fù)合材料隨著電子、信息、功能用金屬基復(fù)合材料隨著電子、信息、能源、汽車等工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越能源、汽車等工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越受到各方面的重視，具有廣闊的發(fā)展前景。受到各方面的重視，具有廣闊的發(fā)展前景。這些高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展要求材料和器件具有這些高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能，如同時具有高的力學(xué)優(yōu)良的綜合物理性能，如同時具有高的力學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。單靠電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，金屬與合金難以具有優(yōu)

25、良的綜合物理性能， 而要靠優(yōu)化設(shè)計和先進(jìn)制造技術(shù)將金屬與增而要靠優(yōu)化設(shè)計和先進(jìn)制造技術(shù)將金屬與增強(qiáng)物做成復(fù)合材料來滿足需求。例如，電子強(qiáng)物做成復(fù)合材料來滿足需求。例如，電子領(lǐng)域的集成電路，由于電子器件的集成度越領(lǐng)域的集成電路，由于電子器件的集成度越來越高，單位體積中的元件數(shù)不斷增多，功來越高，單位體積中的元件數(shù)不斷增多，功率增大，發(fā)熱嚴(yán)重，需用熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)率增大，發(fā)熱嚴(yán)重，需用熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好的材料做基板和封裝零件，以便將熱熱性好的材料做基板和封裝零件，以便將熱量迅速傳走，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，來提高器件量迅速傳走，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，來提高器件可靠性。又如汽車發(fā)動機(jī)零件要求耐磨、導(dǎo)可靠性。又

26、如汽車發(fā)動機(jī)零件要求耐磨、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)適當(dāng)?shù)?，這些均可通過熱性好、熱膨脹系數(shù)適當(dāng)?shù)?，這些均可通過材料的組合設(shè)計來達(dá)到。材料的組合設(shè)計來達(dá)到。 由于工況條件不同，所需用的材料體系和由于工況條件不同，所需用的材料體系和基體合金也不同，基體合金也不同， 目前已有應(yīng)用的功能金目前已有應(yīng)用的功能金屬屬 基復(fù)合材料基復(fù)合材料(不含雙金屬復(fù)合材料不含雙金屬復(fù)合材料)主要用于主要用于微電子技術(shù)的電子封裝。用于高導(dǎo)熱、耐電微電子技術(shù)的電子封裝。用于高導(dǎo)熱、耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料，耐高溫摩擦弧燒蝕的集電材料和觸頭材料，耐高溫摩擦的耐磨材料，耐腐蝕的電池極板材料等。主的耐磨材料，耐腐蝕的電池極板材料

27、等。主要選用的金屬基體是純鋁及鋁合金、純銅及要選用的金屬基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。 用于電子封裝的金屬基復(fù)合材料有：高碳用于電子封裝的金屬基復(fù)合材料有：高碳化硅顆粒含量的鋁基化硅顆粒含量的鋁基(SiCp/A1)、銅基、銅基(SiCp/Cu)復(fù)合材料，高模、超高模石墨纖維復(fù)合材料，高模、超高模石墨纖維增強(qiáng)鋁基增強(qiáng)鋁基(Gr/Al)、銅基、銅基(Gr/Cu)復(fù)合材料，復(fù)合材料，金剛石顆粒或多晶金剛石纖維鋁、銅復(fù)合材金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維鋁、銅復(fù)合材料，硼鋁復(fù)合材料等，料，硼鋁復(fù)合材料等， 其基體主要是純其基體主要是純鋁鋁 和純銅。和純銅。 用

28、于耐磨零部件的金屬基復(fù)合材料有：碳用于耐磨零部件的金屬基復(fù)合材料有：碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金屬基復(fù)合材料，強(qiáng)鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金屬基復(fù)合材料，所用金屬基體主要是常用的鋁、鎂、鋅、銅、所用金屬基體主要是常用的鋁、鎂、鋅、銅、鉛等金屬及合金。鉛等金屬及合金。 用于集電和電觸頭的金屬基復(fù)合材料有：用于集電和電觸頭的金屬基復(fù)合材料有：碳碳(石墨石墨)纖維、金屬絲、陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁、纖維、金屬絲、陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁、銅、銀及合金等。銅、銀及合金等。 功能用金屬基復(fù)合材料所用的金屬基體均功能用金屬基復(fù)合材料所用的金屬基體均具有良好的

29、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性和良好的力學(xué)性能，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性和良好的力學(xué)性能，但有熱膨脹系數(shù)大、耐電弧燒蝕性差等缺點(diǎn)。但有熱膨脹系數(shù)大、耐電弧燒蝕性差等缺點(diǎn)。 通過在這些基體中加入合適的增強(qiáng)物就可以通過在這些基體中加入合適的增強(qiáng)物就可以得到優(yōu)異的綜合物理性能，滿足各種特殊需得到優(yōu)異的綜合物理性能，滿足各種特殊需要。如在純鋁中加入導(dǎo)熱性好、彈性模量大、要。如在純鋁中加入導(dǎo)熱性好、彈性模量大、熱膨脹系數(shù)小的石墨纖維、碳化硅顆粒就可熱膨脹系數(shù)小的石墨纖維、碳化硅顆粒就可使這類復(fù)合材料具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)使這類復(fù)合材料具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)(與純鋁、與純鋁、銅相比銅相比)和很小的熱膨脹系數(shù)，滿足了集成電和很小的熱膨

30、脹系數(shù)，滿足了集成電路封裝散熱的需要。路封裝散熱的需要。2.2無機(jī)膠凝材料無機(jī)膠凝材料 無機(jī)膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦無機(jī)膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。在無機(jī)膠凝材料基增強(qiáng)塑料土和水玻璃等。在無機(jī)膠凝材料基增強(qiáng)塑料中，研究和應(yīng)用最多的是纖維增強(qiáng)水泥基增中，研究和應(yīng)用最多的是纖維增強(qiáng)水泥基增強(qiáng)塑料。它是以水泥凈漿、砂漿或混凝土為強(qiáng)塑料。它是以水泥凈漿、砂漿或混凝土為基體，以短切纖維或連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料組基體，以短切纖維或連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料組成的。用無機(jī)膠凝材料作基體制成纖維增強(qiáng)成的。用無機(jī)膠凝材料作基體制成纖維增強(qiáng)塑料尚是一種處于發(fā)展階段的新型結(jié)構(gòu)材料。塑料尚是一種處于發(fā)展

31、階段的新型結(jié)構(gòu)材料。 一、水泥基體材料一、水泥基體材料 與樹脂相比水泥基體有如下特征：與樹脂相比水泥基體有如下特征： 1、水泥基體為多孔體系，其孔隙尺寸可由水泥基體為多孔體系，其孔隙尺寸可由 數(shù)數(shù)“埃?！钡綌?shù)百到數(shù)百“埃?！薄？紫兜拇嬖诓粌H會?？紫兜拇嬖诓粌H會影響基體的性能，也會影響纖維與基體的界影響基體的性能，也會影響纖維與基體的界面粘接。面粘接。 2、纖維與水泥的彈性模量比不大，因水泥纖維與水泥的彈性模量比不大，因水泥的彈性模量比樹脂的高，對多數(shù)有機(jī)纖維而的彈性模量比樹脂的高，對多數(shù)有機(jī)纖維而言，與水泥的彈性模量比甚至小于言，與水泥的彈性模量比甚至小于1，這意，這意味著在纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材

32、料中應(yīng)力的傳遞味著在纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料中應(yīng)力的傳遞效應(yīng)遠(yuǎn)不如纖維增強(qiáng)樹脂。效應(yīng)遠(yuǎn)不如纖維增強(qiáng)樹脂。 3、水泥基材的斷裂延伸率較低，僅是樹脂水泥基材的斷裂延伸率較低，僅是樹脂基材的基材的1/101/20，故在纖維尚未從水泥基，故在纖維尚未從水泥基材中撥出拉斷前，水泥基材即行開裂。材中撥出拉斷前，水泥基材即行開裂。 4、水泥基材中含有粉末或顆粒狀的物料，水泥基材中含有粉末或顆粒狀的物料， 與纖維成點(diǎn)接觸，故纖維的摻量受到很大限與纖維成點(diǎn)接觸，故纖維的摻量受到很大限制。樹脂基體在未固化前是粘稠液體，可較制。樹脂基體在未固化前是粘稠液體，可較好地浸透纖維中，故纖維的摻量可高些。好地浸透纖維中，故纖維

33、的摻量可高些。 5、水泥基材呈堿性，對金屬纖維可起保護(hù)水泥基材呈堿性，對金屬纖維可起保護(hù)作用。但對大多數(shù)礦物纖維是不利的。作用。但對大多數(shù)礦物纖維是不利的。 到目前為止，硫鋁酸鹽型低堿水泥是水硬到目前為止，硫鋁酸鹽型低堿水泥是水硬性膠凝材料中堿度最低的一種。性膠凝材料中堿度最低的一種。 二、氯氧鎂水泥二、氯氧鎂水泥 氯氧鎂水泥基復(fù)合材料是以氯氧鎂水泥為氯氧鎂水泥基復(fù)合材料是以氯氧鎂水泥為基體，以各種類型的纖維增強(qiáng)材料及不同外基體，以各種類型的纖維增強(qiáng)材料及不同外加劑所組成，用一定的加工方法復(fù)合而成的加劑所組成，用一定的加工方法復(fù)合而成的一種多相固體材料，一種多相固體材料， 屬于無機(jī)膠凝材料基屬

34、于無機(jī)膠凝材料基復(fù)復(fù) 合材料。它具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、不燃燒、合材料。它具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、不燃燒、成本低和生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。成本低和生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。 氯氧鎂水泥，也稱鎂水泥，至今已有氯氧鎂水泥，也稱鎂水泥，至今已有120多年的歷史。它是多年的歷史。它是MgO-MgCl2-H2O三元件三元件體系。多年來因其水化物的耐水性較差，限體系。多年來因其水化物的耐水性較差，限制了它的開發(fā)和應(yīng)用。近年來，人們通過研制了它的開發(fā)和應(yīng)用。近年來，人們通過研究，在配方中引入不同類型的抗水性外加劑，究，在配方中引入不同類型的抗水性外加劑，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使其抗水性大幅度提高。使改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使其抗水性大幅度提高

35、。使得氯氧鎂水泥復(fù)合材料從單一輕型屋面材料，得氯氧鎂水泥復(fù)合材料從單一輕型屋面材料，發(fā)展到復(fù)合地板、玻璃瓦、浴缸和風(fēng)管等多發(fā)展到復(fù)合地板、玻璃瓦、浴缸和風(fēng)管等多種制品。種制品。 氯氧鎂水泥中的主要成分為菱苦土氯氧鎂水泥中的主要成分為菱苦土(MgO)， 它是菱鎂礦石經(jīng)它是菱鎂礦石經(jīng)800850煅燒而成的一種煅燒而成的一種氣硬性膠凝材料。氣硬性膠凝材料。 目前，鎂水泥復(fù)合材料廣泛采用的是玻璃目前，鎂水泥復(fù)合材料廣泛采用的是玻璃纖維、石棉纖維和木質(zhì)纖維增強(qiáng)材料，為改纖維、石棉纖維和木質(zhì)纖維增強(qiáng)材料，為改善制品性能還填加各種粉狀填料善制品性能還填加各種粉狀填料(如滑石粉、如滑石粉、二氧化硅粉等二氧化硅

36、粉等)及抗水性外加劑。其生產(chǎn)方及抗水性外加劑。其生產(chǎn)方法根據(jù)所用纖維材料的形式不同而異，有鋪法根據(jù)所用纖維材料的形式不同而異，有鋪網(wǎng)法網(wǎng)法(即用玻璃纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)水泥砂漿即用玻璃纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)水泥砂漿)、噴射法噴射法(即用連續(xù)纖維切短后與水泥砂漿同即用連續(xù)纖維切短后與水泥砂漿同時噴射到模具中時噴射到模具中)，預(yù)拌法，預(yù)拌法(即短切纖維與水即短切纖維與水泥砂漿通過機(jī)械攪拌混合后，澆注到模具泥砂漿通過機(jī)械攪拌混合后，澆注到模具中中)。2.3 陶瓷材料陶瓷材料 在陶瓷基體中添加其它成分，如陶瓷粒在陶瓷基體中添加其它成分，如陶瓷粒子、纖維或晶須，可提高陶瓷的韌性。最常子、纖維或晶須，可提高陶瓷的韌性。

37、最常用的晶須是用的晶須是SiC晶須，其強(qiáng)度大，容易摻混晶須，其強(qiáng)度大，容易摻混在陶瓷基體中，已成功地用于增強(qiáng)多種陶瓷。在陶瓷基體中，已成功地用于增強(qiáng)多種陶瓷。用作基體材料使用的陶瓷一般應(yīng)具有優(yōu)異的用作基體材料使用的陶瓷一般應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性能，與纖維或晶須之間有良好的界耐高溫性能，與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常用的陶面相容性以及較好的工藝性能等。常用的陶瓷基體主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷基體主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。瓷、非氧化物陶瓷等。一、玻璃一、玻璃 玻璃是通過無機(jī)材料高溫?zé)Y(jié)而成的一玻璃是通過無機(jī)材料高溫?zé)Y(jié)而成的一種陶瓷材料。

38、與其它陶瓷材料不同，玻璃種陶瓷材料。與其它陶瓷材料不同，玻璃在熔融后不經(jīng)結(jié)晶而冷卻成為堅硬的無機(jī)在熔融后不經(jīng)結(jié)晶而冷卻成為堅硬的無機(jī)材料，即具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是玻璃的特征之材料，即具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是玻璃的特征之一。在玻璃坯體的燒結(jié)過程中，由于復(fù)雜一。在玻璃坯體的燒結(jié)過程中，由于復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不平衡的酸性和堿性的物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不平衡的酸性和堿性氧化物的熔融液相，其粘度較大，并在冷氧化物的熔融液相，其粘度較大，并在冷卻過程中進(jìn)一步迅速增大。一般當(dāng)粘度增卻過程中進(jìn)一步迅速增大。一般當(dāng)粘度增大到一定程度大到一定程度(約約1012PaS)時，熔體硬化并時，熔體硬化并轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄腆w性質(zhì)的無定形物體即玻

39、璃。轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄腆w性質(zhì)的無定形物體即玻璃。此時相應(yīng)的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度此時相應(yīng)的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。當(dāng)溫度低于當(dāng)溫度低于Tg時，玻璃表現(xiàn)出脆性。加熱時時，玻璃表現(xiàn)出脆性。加熱時玻璃熔體的粘度降低，在達(dá)到某一粘度玻璃熔體的粘度降低，在達(dá)到某一粘度(約約108PaS)所對應(yīng)的溫度時，玻璃顯著軟化，所對應(yīng)的溫度時，玻璃顯著軟化，這一溫度稱為軟化溫度這一溫度稱為軟化溫度(Tf)。Tg和和Tf的高低的高低主要取決于玻璃的成分。主要取決于玻璃的成分。二、玻璃陶瓷二、玻璃陶瓷 許多無機(jī)玻璃可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊湓S多無機(jī)玻璃可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊溆煞蔷B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，這一過程稱為反玻璃由非晶

40、態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，這一過程稱為反玻璃化。由于反玻璃化使玻璃成為多晶體，透光化。由于反玻璃化使玻璃成為多晶體，透光性變差，而且因體積變化還會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，性變差，而且因體積變化還會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響材料強(qiáng)度，所以通常應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生反玻影響材料強(qiáng)度，所以通常應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生反玻璃化過程。璃化過程。 但對于某些玻璃反玻璃化過程可但對于某些玻璃反玻璃化過程可以控制，最后可以得到無殘余應(yīng)力的微晶玻以控制，最后可以得到無殘余應(yīng)力的微晶玻璃，這種材料稱為玻璃陶瓷。為了實現(xiàn)反玻璃，這種材料稱為玻璃陶瓷。為了實現(xiàn)反玻璃化，需要加入成核劑璃化，需要加入成核劑(如如TiO2)。玻璃陶瓷。玻璃陶瓷具有熱膨脹系數(shù)小，力學(xué)性能好和導(dǎo)熱

41、系數(shù)具有熱膨脹系數(shù)小，力學(xué)性能好和導(dǎo)熱系數(shù)較大等特點(diǎn)，玻璃陶瓷基復(fù)合材料的研究在較大等特點(diǎn)，玻璃陶瓷基復(fù)合材料的研究在國內(nèi)外都受到重視。國內(nèi)外都受到重視。三、三、 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 作為基體材料使用的氧化物陶瓷主要有作為基體材料使用的氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2，莫來石，莫來石(即富鋁即富鋁紅柱石，化學(xué)式為紅柱石，化學(xué)式為3Al2O32SiO2)等，它們的等，它們的熔點(diǎn)在熔點(diǎn)在2000以上。氧化物陶瓷主要為單相以上。氧化物陶瓷主要為單相多晶結(jié)構(gòu)，多晶結(jié)構(gòu)， 除晶相外，可能還含有少量氣相除晶相外，可能還含有少量氣相(氣孔氣孔)，微晶氧化物的強(qiáng)度較高，粗晶結(jié)構(gòu)，微晶氧

42、化物的強(qiáng)度較高，粗晶結(jié)構(gòu)時，晶界面上的殘余應(yīng)力較大，對強(qiáng)度不利，時，晶界面上的殘余應(yīng)力較大，對強(qiáng)度不利，氧化物陶瓷的強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高而降低，氧化物陶瓷的強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高而降低，但在但在1000以下降低較小。這類陶瓷基復(fù)合以下降低較小。這類陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)避免在高應(yīng)力或高溫環(huán)境下使用。這材料應(yīng)避免在高應(yīng)力或高溫環(huán)境下使用。這是由于是由于Al2O3和和ZrO2的抗熱震性較差，的抗熱震性較差，SiO2在高溫下容易發(fā)生蠕變和相變。雖然莫來石在高溫下容易發(fā)生蠕變和相變。雖然莫來石具有較好的抗蠕變性能和較低的熱膨脹系數(shù)，具有較好的抗蠕變性能和較低的熱膨脹系數(shù)，但使用溫度也不宜超過但使用溫度也不宜超過1

43、200。四、非氧化物陶瓷四、非氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷是指不含氧的氮化物、碳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?；?、硼化物和硅化物。 它們的特點(diǎn)是耐火它們的特點(diǎn)是耐火性和耐磨性好、硬度高，但脆性也很強(qiáng)。碳性和耐磨性好、硬度高，但脆性也很強(qiáng)。碳化物和硼化物的抗熱氧化溫度約化物和硼化物的抗熱氧化溫度約9001000，氮化物略低些，硅化物的表面能形，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度達(dá)成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度達(dá)13001700。氮化硼具有類似石墨的六方結(jié)構(gòu)，。氮化硼具有類似石墨的六方結(jié)構(gòu)，在高溫在高溫(1360)和高壓作用下可轉(zhuǎn)變成立方和高壓作用下可

44、轉(zhuǎn)變成立方結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的-氮化硼，耐熱溫度高達(dá)氮化硼，耐熱溫度高達(dá)2000，硬，硬度極高，可作為金剛石的代用品。度極高，可作為金剛石的代用品。 2.4聚合物材料聚合物材料一、聚合物基體的種類，組分和作用一、聚合物基體的種類，組分和作用1、聚合物基體的種類、聚合物基體的種類 (1)不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂 (2)環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 (3)酚醛樹脂酚醛樹脂以上幾類為熱固性樹脂。以上幾類為熱固性樹脂。 (4)熱塑性聚合物，如，耐高溫聚酰亞胺。熱塑性聚合物，如，耐高溫聚酰亞胺。2、聚合物基體的組分、聚合物基體的組分 聚合物是聚合物基復(fù)合材料的主要組分。聚合物是聚合物基復(fù)合材料的主要組分。 聚合物基體的

45、組分、組分的作用及組分間的聚合物基體的組分、組分的作用及組分間的關(guān)系都是很復(fù)雜的。一般來說，基體很少是關(guān)系都是很復(fù)雜的。一般來說，基體很少是單一的聚合物，往往除了主要組分單一的聚合物，往往除了主要組分聚合物聚合物以外，還包含其它輔助材料。在基體材料中，以外，還包含其它輔助材料。在基體材料中，其它的組分還有固化劑、增韌劑、稀釋劑、其它的組分還有固化劑、增韌劑、稀釋劑、催化劑等，這些輔助材料是復(fù)合材料基體不催化劑等，這些輔助材料是復(fù)合材料基體不可缺少的組分?？扇鄙俚慕M分。3、聚合物基體的作用、聚合物基體的作用 復(fù)合材料中的基體有三種主要的作用：把復(fù)合材料中的基體有三種主要的作用：把纖維粘在一起；分

46、配纖維間的載荷；保護(hù)纖纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。制造基體的理想材料，其維不受環(huán)境影響。制造基體的理想材料，其原始狀態(tài)應(yīng)該是低粘度的液體，原始狀態(tài)應(yīng)該是低粘度的液體， 并能迅速變并能迅速變成堅固耐久的固體，足以把增強(qiáng)纖維粘住。成堅固耐久的固體，足以把增強(qiáng)纖維粘住。盡管纖維增強(qiáng)材料的作用是承受復(fù)合材料的盡管纖維增強(qiáng)材料的作用是承受復(fù)合材料的載荷，但是基體的力學(xué)性能會明顯地影響纖載荷，但是基體的力學(xué)性能會明顯地影響纖維的工作方式及其效率。例如，在沒有基體維的工作方式及其效率。例如，在沒有基體的纖維來中，大部分載荷由最直的纖維承受，的纖維來中，大部分載荷由最直的纖維承受，基

47、體使得應(yīng)力較均勻地分配給所有纖維，這基體使得應(yīng)力較均勻地分配給所有纖維，這是由于基體使得所有纖維經(jīng)受同樣的應(yīng)變，是由于基體使得所有纖維經(jīng)受同樣的應(yīng)變，應(yīng)力通過剪切過程傳遞，這要求纖維和基體應(yīng)力通過剪切過程傳遞，這要求纖維和基體之間有高的膠接強(qiáng)度，同時要求基體本身也之間有高的膠接強(qiáng)度，同時要求基體本身也具有高的剪切強(qiáng)度和模量。具有高的剪切強(qiáng)度和模量。二、聚合物的結(jié)構(gòu)與性能二、聚合物的結(jié)構(gòu)與性能1、聚合物的結(jié)構(gòu)、聚合物的結(jié)構(gòu) 聚合物的結(jié)構(gòu)有以下主要特點(diǎn)：聚合物的結(jié)構(gòu)有以下主要特點(diǎn)： (1)聚合物的分子鏈由很大數(shù)目聚合物的分子鏈由很大數(shù)目(103-105數(shù)數(shù)量級量級)的結(jié)構(gòu)單元組成，每個結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)

48、于的結(jié)構(gòu)單元組成，每個結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)于一個小分子。一條鏈長短主要由兩價結(jié)構(gòu)基一個小分子。一條鏈長短主要由兩價結(jié)構(gòu)基團(tuán)連接而成，也可以由三價或四價基團(tuán)連成。團(tuán)連接而成，也可以由三價或四價基團(tuán)連成。這些結(jié)構(gòu)單元可以是相同的這些結(jié)構(gòu)單元可以是相同的(均聚物均聚物)也可以也可以是不同的是不同的(共聚物共聚物)，它們通過共價鍵連成不，它們通過共價鍵連成不同的結(jié)構(gòu)，如線型的、支鏈的或網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。同的結(jié)構(gòu)，如線型的、支鏈的或網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。 (2)鏈長有限的聚合物分子含有官能團(tuán)或鏈長有限的聚合物分子含有官能團(tuán)或端基，其中端基不是重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的一部分，端基，其中端基不是重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的一部分，它們與其它可反應(yīng)基團(tuán)的反

49、應(yīng)以及反應(yīng)后的它們與其它可反應(yīng)基團(tuán)的反應(yīng)以及反應(yīng)后的性能是非常重要的，即使在聚合物間存在程性能是非常重要的，即使在聚合物間存在程度很小的交聯(lián)，也將對其物理、力學(xué)性能產(chǎn)度很小的交聯(lián)，也將對其物理、力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。生很大的影響。 (3)聚合物分子間的作用力對于聚合物聚聚合物分子間的作用力對于聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有密切集態(tài)結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有密切關(guān)系。一般聚合物的主鏈都有一定的內(nèi)旋轉(zhuǎn)關(guān)系。一般聚合物的主鏈都有一定的內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度，使大分子具有無數(shù)的構(gòu)象，具有柔自由度，使大分子具有無數(shù)的構(gòu)象，具有柔性。如果組成聚合物分子鏈的化學(xué)鍵不能內(nèi)性。如果組成聚合物分子鏈的化學(xué)

50、鍵不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)，或結(jié)構(gòu)單元間有強(qiáng)烈的相互作用，則旋轉(zhuǎn)，或結(jié)構(gòu)單元間有強(qiáng)烈的相互作用，則形成剛性鏈，使高分子鏈具有一定的構(gòu)象和形成剛性鏈，使高分子鏈具有一定的構(gòu)象和構(gòu)型。構(gòu)型。2、聚合物的性能、聚合物的性能 (1)聚合物的力學(xué)性能聚合物的力學(xué)性能 聚合物的力學(xué)性能與復(fù)合材料的力學(xué)性能聚合物的力學(xué)性能與復(fù)合材料的力學(xué)性能有密切的關(guān)系，但是，由于種種因素的影響，有密切的關(guān)系，但是，由于種種因素的影響，一般復(fù)合材料用的熱固性樹脂固化后的力學(xué)一般復(fù)合材料用的熱固性樹脂固化后的力學(xué)性能并不高。決定聚合物強(qiáng)度的主要因素是性能并不高。決定聚合物強(qiáng)度的主要因素是分子內(nèi)及分子間的作用力，聚合物材料的破分子內(nèi)及分子間

51、的作用力，聚合物材料的破壞，無非是聚合物主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或是壞，無非是聚合物主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或是聚合物分子鏈間相互作用力的破壞。因此，聚合物分子鏈間相互作用力的破壞。因此，從構(gòu)成聚合物分子鏈的化學(xué)鍵的強(qiáng)度和分子從構(gòu)成聚合物分子鏈的化學(xué)鍵的強(qiáng)度和分子間相互作用力的強(qiáng)度，可以估算聚合物材料間相互作用力的強(qiáng)度，可以估算聚合物材料的理論強(qiáng)度。的理論強(qiáng)度。 熱塑性樹脂與熱固性樹脂在分子結(jié)構(gòu)上的熱塑性樹脂與熱固性樹脂在分子結(jié)構(gòu)上的顯著差別就是前者是線型結(jié)構(gòu)而后者為體型顯著差別就是前者是線型結(jié)構(gòu)而后者為體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于分子結(jié)構(gòu)上的差別，使熱塑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于分子結(jié)構(gòu)上的差別，使熱塑性樹脂在力學(xué)性能上有如

52、下幾個顯著特點(diǎn)：性樹脂在力學(xué)性能上有如下幾個顯著特點(diǎn)：具有明顯的力學(xué)松弛現(xiàn)象；在外力作用具有明顯的力學(xué)松弛現(xiàn)象；在外力作用下，形變較大，當(dāng)應(yīng)變速率不太大時，可具下，形變較大，當(dāng)應(yīng)變速率不太大時，可具有相當(dāng)大的斷裂延伸率；抗沖擊性能較好。有相當(dāng)大的斷裂延伸率；抗沖擊性能較好。 (2)聚合物的耐熱性能聚合物的耐熱性能 (a)聚合物的結(jié)構(gòu)與耐熱性聚合物的結(jié)構(gòu)與耐熱性 從聚合物結(jié)構(gòu)上分析，為改善材料耐熱性從聚合物結(jié)構(gòu)上分析，為改善材料耐熱性能，聚合物需具有剛性分子鏈、結(jié)晶性或交能，聚合物需具有剛性分子鏈、結(jié)晶性或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。聯(lián)結(jié)構(gòu)。 為提高耐熱性，首先是選用能產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)為提高耐熱性，首先是選用能產(chǎn)生交聯(lián)

53、結(jié)構(gòu)的聚合物，如聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛構(gòu)的聚合物，如聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂等。此外，工藝條件的選樹脂、有機(jī)硅樹脂等。此外，工藝條件的選擇會影響聚合物的交聯(lián)密度，因而也影響耐擇會影響聚合物的交聯(lián)密度，因而也影響耐熱性。提高耐熱性的第二個途徑是增加高分熱性。提高耐熱性的第二個途徑是增加高分子鏈的剛性。因此，在高分子鏈中減少單鍵，子鏈的剛性。因此，在高分子鏈中減少單鍵，引進(jìn)共價雙鍵、叁鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)引進(jìn)共價雙鍵、叁鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)(包括脂環(huán)、包括脂環(huán)、芳環(huán)或雜環(huán)等芳環(huán)或雜環(huán)等)對提高聚合物的耐熱性很有效對提高聚合物的耐熱性很有效果。果。 (b)聚合物的熱穩(wěn)定性聚合物的熱穩(wěn)定性 聚合物的

54、熱穩(wěn)定性也是一種度量聚合物耐聚合物的熱穩(wěn)定性也是一種度量聚合物耐熱性能的指標(biāo)，在高溫下加熱聚合物可以引熱性能的指標(biāo)，在高溫下加熱聚合物可以引起兩類反應(yīng)，即降解和交聯(lián)。起兩類反應(yīng)，即降解和交聯(lián)。 它們都使聚合它們都使聚合物的物理力學(xué)性能變壞。物的物理力學(xué)性能變壞。提高聚合物熱穩(wěn)定性的途徑：提高聚合物提高聚合物熱穩(wěn)定性的途徑：提高聚合物分子鏈的鍵能，避免弱鍵存在。在聚合物分子鏈的鍵能，避免弱鍵存在。在聚合物鏈中盡量引入較大比例的芳環(huán)和雜環(huán)。鏈中盡量引入較大比例的芳環(huán)和雜環(huán)。 (3)聚合物的耐腐蝕性聚合物的耐腐蝕性 玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性能與樹脂的類

55、別和性能有很大的關(guān)系，同時，能與樹脂的類別和性能有很大的關(guān)系，同時，復(fù)合材料中樹脂含量，尤其是表面層樹脂含復(fù)合材料中樹脂含量，尤其是表面層樹脂含量與其耐化學(xué)腐蝕性能有著密切的關(guān)系。量與其耐化學(xué)腐蝕性能有著密切的關(guān)系。 (4)聚合物的介電性能聚合物的介電性能 聚合物作為一種有機(jī)材料，具有良好的電聚合物作為一種有機(jī)材料，具有良好的電絕緣性能。絕緣性能。 一般來講，樹脂大分子的極性越一般來講，樹脂大分子的極性越大，則介電常數(shù)也越大、電阻率也越小，擊大，則介電常數(shù)也越大、電阻率也越小，擊穿電壓也越小，介質(zhì)損耗角值則越大，材料穿電壓也越小，介質(zhì)損耗角值則越大，材料的介電性能就越差。的介電性能就越差。 (

56、5)聚合物的其它性能聚合物的其它性能 常用熱固性樹脂其它物理性能，如密度、常用熱固性樹脂其它物理性能，如密度、吸水率、熱變形溫度、線膨脹系數(shù)、洛氏硬吸水率、熱變形溫度、線膨脹系數(shù)、洛氏硬度、收縮率等。度、收縮率等。 三、熱固性樹脂三、熱固性樹脂 1、不飽和聚酯樹脂、不飽和聚酯樹脂 (1)不飽和聚酯樹脂及其特點(diǎn)不飽和聚酯樹脂及其特點(diǎn) 不飽和聚酯樹脂是指有線型結(jié)構(gòu)的，主不飽和聚酯樹脂是指有線型結(jié)構(gòu)的，主鏈上同時具有重復(fù)酯鍵及不飽和雙鍵的一類鏈上同時具有重復(fù)酯鍵及不飽和雙鍵的一類聚合物。不飽和聚酯的種類很多，按化學(xué)結(jié)聚合物。不飽和聚酯的種類很多，按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類可分為順酐型，丙烯酸型，丙烯酸環(huán)構(gòu)分類可

57、分為順酐型，丙烯酸型，丙烯酸環(huán)氧酯型和丙烯酸型聚酯樹脂。氧酯型和丙烯酸型聚酯樹脂。 不飽和聚酯樹脂主要應(yīng)用于玻璃纖維復(fù)不飽和聚酯樹脂主要應(yīng)用于玻璃纖維復(fù)合材料。由于樹脂的收縮率高且力學(xué)性能較合材料。由于樹脂的收縮率高且力學(xué)性能較低，因此很少用它與碳纖維制造復(fù)合材料。低，因此很少用它與碳纖維制造復(fù)合材料。 不飽和聚酯的主要優(yōu)點(diǎn)是：工藝性能良不飽和聚酯的主要優(yōu)點(diǎn)是：工藝性能良好，如室溫下粘度低，可以在室溫下固化，好，如室溫下粘度低，可以在室溫下固化， 在常壓下成型，顏色淺，可以制作彩色制品，在常壓下成型，顏色淺，可以制作彩色制品，有多種措施來調(diào)節(jié)其工藝性能等；固化后有多種措施來調(diào)節(jié)其工藝性能等；固

58、化后樹脂的綜合性能良好，并有多種專用樹脂適樹脂的綜合性能良好，并有多種專用樹脂適應(yīng)不同用途的需要；價格低廉，其價格遠(yuǎn)應(yīng)不同用途的需要；價格低廉，其價格遠(yuǎn)低于環(huán)氧樹脂，略高于酚醛樹脂。主要缺點(diǎn)低于環(huán)氧樹脂，略高于酚醛樹脂。主要缺點(diǎn)是：固化時體積收縮率較大，成型時氣味和是：固化時體積收縮率較大，成型時氣味和毒性較大，耐熱性、強(qiáng)度和模量都較低，易毒性較大，耐熱性、強(qiáng)度和模量都較低，易變形，因此很少用于受力較強(qiáng)的制品中。變形，因此很少用于受力較強(qiáng)的制品中。 (2)交聯(lián)劑、引發(fā)劑和促進(jìn)劑交聯(lián)劑、引發(fā)劑和促進(jìn)劑 (a)交聯(lián)劑交聯(lián)劑 不飽和聚酯分子鏈中含有不飽和雙鍵，因不飽和聚酯分子鏈中含有不飽和雙鍵，因而

59、在熱的作用下通過這些雙鍵，大分子鏈之而在熱的作用下通過這些雙鍵，大分子鏈之間可以交聯(lián)起來，變成體型結(jié)構(gòu)。但是，這間可以交聯(lián)起來，變成體型結(jié)構(gòu)。但是，這種交聯(lián)產(chǎn)物很脆，沒有什么優(yōu)點(diǎn)，無實用價種交聯(lián)產(chǎn)物很脆，沒有什么優(yōu)點(diǎn)，無實用價值。因此，在實際中經(jīng)常把線型不飽和聚酯值。因此，在實際中經(jīng)常把線型不飽和聚酯溶于烯類單體中，使聚酯中的雙鍵間發(fā)生共溶于烯類單體中，使聚酯中的雙鍵間發(fā)生共聚合反應(yīng)，得到體型產(chǎn)物，以改善固化后樹聚合反應(yīng)，得到體型產(chǎn)物，以改善固化后樹脂的性能。脂的性能。 烯類單體在這里既是溶劑，又是交聯(lián)劑。烯類單體在這里既是溶劑，又是交聯(lián)劑。已固化樹脂的性能，不僅與聚酯樹脂本身的已固化樹脂的性

60、能，不僅與聚酯樹脂本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與所用的交聯(lián)劑結(jié)構(gòu)及化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與所用的交聯(lián)劑結(jié)構(gòu)及用量有關(guān)。同時，交聯(lián)劑的選擇和用量還直用量有關(guān)。同時，交聯(lián)劑的選擇和用量還直接影響著樹脂的工藝性能。接影響著樹脂的工藝性能。 應(yīng)用最廣泛的交聯(lián)劑是苯乙烯，其它還應(yīng)用最廣泛的交聯(lián)劑是苯乙烯，其它還有甲基丙烯酸甲酯、鄰苯二甲酸二丙烯酯、有甲基丙烯酸甲酯、鄰苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯、三聚氰酸三丙烯酯等。乙烯基甲苯、三聚氰酸三丙烯酯等。 (b)引發(fā)劑引發(fā)劑 引發(fā)劑一般為有機(jī)過氧化物，它的特性引發(fā)劑一般為有機(jī)過氧化物，它的特性通常是用臨界溫度和半衰期來表示。臨界溫通常是用臨界溫度和半衰期來表示。臨界溫