材料化學(xué)第9章復(fù)合材料課件

1、第9章 復(fù)合材料Chapter 9 Composites2022/7/17本章內(nèi)容1. 復(fù)合材料概述2. 復(fù)合材料分類3. 復(fù)合材料的基體4. 復(fù)合材料的增強(qiáng)相5. 復(fù)合材料的復(fù)合原理6. 復(fù)合材料的成型工藝2022/7/17學(xué)習(xí)目的掌握復(fù)合材料的特點(diǎn)；了解復(fù)合材料中基體和增強(qiáng)相的種類、特點(diǎn)和要求；理解復(fù)合材料的復(fù)合原理，包括混合法則、增韌機(jī)制和界面作用；了解復(fù)合材料的成型工藝。2022/7/17參考書目王榮國(guó) 主編，復(fù)合材料概論，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999聞?shì)督骶?，?fù)合材料原理，武漢理工大學(xué)出版社，1998魯云，先進(jìn)復(fù)合材料，機(jī)械工業(yè)出版社，2004ASM International,

2、 Engineered materials handbook, Composites, Vol.1, Metals, Park, 19872022/7/179.1 復(fù)合材料概述三大材料：金屬無(wú)機(jī)非金屬有機(jī)高分子復(fù)合材料取長(zhǎng)補(bǔ)短協(xié)同作用產(chǎn)生原來(lái)單一材料沒(méi)有本身所沒(méi)有的新性能無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料復(fù)合材料2022/7/17復(fù)合材料的定義國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材料。 材料大詞典 ：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上的有機(jī)聚合物材料或無(wú)機(jī)非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從而制成的一類新型材料。2022/7/17材料

3、科學(xué)技術(shù)百科全書 ：復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)區(qū)別。 2022/7/17復(fù)合材料的特點(diǎn)： 1) 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過(guò)宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面；2) 復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；3) 復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性?？梢愿鶕?jù)使用條

4、件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。 2022/7/17基體和增強(qiáng)材料Matrix and Reinforcement基體連續(xù)相增強(qiáng)材料分散相也稱為增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑、增強(qiáng)相等顯著增強(qiáng)材料的性能多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強(qiáng)度較基體大?？梢允抢w維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。2022/7/17Schematic illustration of composite constituents2022/7/17復(fù)合材料歷史古代近代先進(jìn)復(fù)合材料天然復(fù)合材料竹、貝殼，樹木和竹子: 纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體 動(dòng)物骨骼: 無(wú)機(jī)磷酸鹽

5、和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成 古代：使用 、效仿 半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今漆器麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年敦煌壁畫泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆 2022/7/17近現(xiàn)代:第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料第二代：1960年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料1965年英國(guó)科學(xué)家研制出碳纖維1971年美國(guó)杜邦公司開發(fā)出凱夫拉-49(Kevlar, p-phenyleneterephthalamide, 相對(duì)密度1.431.45, 無(wú)熔融溫度, 500570時(shí)分解 )1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、凱夫拉纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料” 用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。第三代：1980年

6、到1990年，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。第四代：1990年以后，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料， 如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。2022/7/179.2 復(fù)合材料的分類1. 按增強(qiáng)材料形態(tài)分類(1) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料： 連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長(zhǎng)纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處； 非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無(wú)規(guī)則地分散在基體材料中；(2) 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中；(3) 板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。其它增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體 2022/7/17Classes of

7、 composites2022/7/172.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類(1) 玻璃纖維復(fù)合材料；(2) 碳纖維復(fù)合材料；(3) 有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；(4) 金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料；(5) 陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復(fù)合材料?；祀s復(fù)合材料兩種或兩種以上增強(qiáng)體與同一基體制成的復(fù)合材料可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。2022/7/173. 按基體材料分類(1) 聚合物基復(fù)合材料:以有機(jī)聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體；(2) 金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等

8、）為基體；(3) 無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體。2022/7/174. 按材料作用分類(1) 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件；(2) 功能復(fù)合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、摩擦、屏蔽等）。同質(zhì)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料）異質(zhì)復(fù)合材料（復(fù)合材料多屬此類）。2022/7/172022/7/17復(fù)合材料系統(tǒng)組合分散相連續(xù)相金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料金屬纖維纖維/金屬基復(fù)合材料鋼絲/水泥復(fù)合材料增強(qiáng)橡膠金屬晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料金屬片材金屬/塑料板無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復(fù)合材

9、料纖維/陶瓷基復(fù)合材料晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料顆粒彌散強(qiáng)化合金材料粒子填充塑料玻璃纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料顆粒碳纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料碳纖維/樹脂基復(fù)合材料炭黑顆粒/橡膠；顆粒/樹脂基有機(jī)高分子材料有機(jī)纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料塑料金屬/塑料橡膠2022/7/17各種材料的發(fā)展?fàn)顩r玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料 非常成熟 廣泛的應(yīng)用 金屬基復(fù)合材料 開發(fā)階段 某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位 陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等 尚處于研究階段 有不少科學(xué)技術(shù)問(wèn)題有待解決2022/7/17復(fù)合材料的設(shè)計(jì)從常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)發(fā)展仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn)，成功地

10、制備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復(fù)合材料。仿照鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了10微米厚的薄層，由此得到的層狀復(fù)合材料比其原材料堅(jiān)固40。仿照骨骼的組織特點(diǎn)，人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直升飛機(jī)的旋翼，外層是剛度、強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合材料，中層是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。2022/7/179.3 復(fù)合材料的基體材料 復(fù)合材料的原材料：基體材料金屬材料陶瓷材料聚合物材料增強(qiáng)材料纖維晶須顆粒2022/7/179.3.1 金屬基體材料 金屬基復(fù)合材料中的金屬基體起著固著增強(qiáng)物、傳遞和承受各種載荷(力、熱、電)的作用。 基體

11、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)合材料中基體占50%70%的體積；須晶、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體含量在70%以上；顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中根據(jù)不同的性能要求，基體含量在25%90%范圍內(nèi)變化，多數(shù)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的基體約占80%90%。 金屬基體的選擇對(duì)復(fù)合材料的性能起決定性作用，金屬基體的密度、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、比剛度、耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等性能。因此，在設(shè)計(jì)和制備復(fù)合材料時(shí)，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)物的相容性等，以便于正確合理地選擇基體材料和制備方法。2022/7/179.3.1

12、.1 選擇基體的原則目前用作金屬基復(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。基體材料成分的選擇對(duì)能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能、滿足使用要求十分重要。 2022/7/171. 金屬基復(fù)合材料的使用要求金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。在航天、航空技術(shù)中高比強(qiáng)度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。 作為航天飛行器和衛(wèi)星的構(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、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復(fù)合材料。2022/7/17高

13、性能發(fā)動(dòng)機(jī)：要求復(fù)合材料不僅有高比強(qiáng)度和比模量，還要具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時(shí)不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。在汽車發(fā)動(dòng)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(shí)又要求成本低廉，適合于批量生產(chǎn)，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/鋁基復(fù)合材料。如碳化硅/鋁復(fù)合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸套等零件。2022/7/17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

14、。選用具有高熱導(dǎo)率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率、高比強(qiáng)度、高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子器件的關(guān)鍵材料。2022/7/172. 金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn) 增強(qiáng)物的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)理對(duì)基體材料的選擇也有影響。連續(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，如高強(qiáng)度碳纖維最高強(qiáng)度已達(dá)7000MPa，超高模量石墨纖維的彈性模量可高達(dá)900GPa,而金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身

15、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)度。 2022/7/17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)度鋁合金要好得多，使用后者制成的復(fù)合材料的性能反而低。在研究碳鋁復(fù)合材料基體合金優(yōu)化過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鋁合金的強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的性能越低，這與基體和纖維的界面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性有關(guān)。2022/7/17對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)合材料，基體是主要承載物，基體的強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料具有決定性的影響。因此要獲得高性能金屬基復(fù)合材料必須選用高強(qiáng)度鋁合金作為基體，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)鋁基復(fù)合

16、材料一般選用高強(qiáng)度鋁合金（如A365，6061，7075）為基體。2022/7/173. 基體金屬與增強(qiáng)物的相容性 金屬基復(fù)合材料需要在高溫下成型，制備過(guò)程中，處于高溫?zé)崃W(xué)非平衡狀態(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。界面反應(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(shí)將會(huì)因界面層的斷裂伸長(zhǎng)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。 另外，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，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(shí)充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強(qiáng)物浸潤(rùn)復(fù)合，又有利于形成合適穩(wěn)定的

17、界面的合金元素。如 碳纖維(CF)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中在純鋁中加入少量的Ti、Zr等元素明顯改善了復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大大提高了復(fù)合材料的性能。2022/7/17 鐵、鎳等元素是促進(jìn)碳石墨化的元素，用鐵、鎳作為基體，碳(石墨)纖維作為增強(qiáng)物是不可取的。因?yàn)殍F、鎳元素在高溫時(shí)能有效地促使碳纖維石墨化，破壞了碳纖維結(jié)構(gòu)，使其喪失了原有的強(qiáng)度，制成的復(fù)合材料不可能具備高的性能。因此，選擇基體時(shí)應(yīng)充分注意基體與增強(qiáng)物的相容性(特別是化學(xué)相容性)，并盡可能在復(fù)合材料成型過(guò)程中抑制界面反應(yīng)。如:對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理在金屬基體中添加其他成分選擇適宜的成型方法或條件縮短材料在高溫下的停留時(shí)間等。 202

18、2/7/179.3.1.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體分為輕金屬基體和耐熱合金基體1. 用于450以下的輕金屬基體目前最廣泛、最成熟的是鋁基和鎂基復(fù)合材料，用于航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、剎車盤等2. 用于450700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)度高等特點(diǎn)，可在450700使用，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等零件。 3. 用于1000以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體基體主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物。較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基復(fù)合材料尚處于研究階段。 2022/7/179.3.1.3 功能用金屬基復(fù)合材料的基體要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能，如

19、同時(shí)具有高力學(xué)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。單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要靠?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)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(lái)滿足需求。主要的金屬基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。2022/7/17微電子技術(shù)的電子封裝集成電路：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，以便將熱量迅速傳走，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，來(lái)提高器件可靠性。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、銅基復(fù)合材料，高模、超高模石墨纖維增強(qiáng)鋁基、銅基復(fù)合材料，金剛石顆粒或多晶金剛石纖維增強(qiáng)鋁基、銅基復(fù)合材料，硼/鋁基復(fù)合材料等2022/

20、7/17耐高溫摩擦的耐磨材料碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金屬及其合金的金屬基復(fù)合材料。高導(dǎo)熱和耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料碳（石墨）纖維、金屬絲、陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁、銅、銀及合金等金屬基復(fù)合材料。耐腐蝕的電池極板材料等2022/7/179.3.2 無(wú)機(jī)非金屬材料-陶瓷基體 陶瓷是金屬與非金屬元素的固體化合物，其鍵合為共價(jià)鍵或離子鍵，與金屬不同，陶瓷不含有大量電子。一般而言，陶瓷比金屬具有更高的熔點(diǎn)和硬度，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱性和抗老化性皆佳。陶瓷通常是絕緣體，雖然在高溫下導(dǎo)電，但導(dǎo)電性比金屬差得多。雖然陶瓷的許多性能優(yōu)于金屬，但它也存在致命的弱點(diǎn)，即脆性大、韌性差

21、，很容易因存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等細(xì)微缺陷而破碎，引起不可預(yù)測(cè)的災(zāi)難性后果，因而大大限制了陶瓷作為承載結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。2022/7/17 近年來(lái)的研究結(jié)果表明，在陶瓷基體中添加其他成分（如陶瓷粒子、纖維或晶須）可提高陶瓷的韌性。粒子增強(qiáng)雖能使陶瓷的韌性有所提高，但效果并不顯著。高強(qiáng)度的碳化硅晶須容易摻混在陶瓷基體中，增強(qiáng)陶瓷的作用明顯。用作基體材料的陶瓷一般應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性質(zhì)、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。 作為基體材料的氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2、莫來(lái)石(3Al2O3

22、2SiO2)等。它們的熔點(diǎn)在2000C以上。氧化物陶瓷主要為單相多晶結(jié)構(gòu)，除晶相外，可能還有少量氣相(氣孔)。2022/7/17 微晶氧化物的強(qiáng)度較高，粗晶結(jié)構(gòu)的晶界面殘余應(yīng)力較大，對(duì)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，但在1000C以下降低較小。由于Al2O3和ZrO2的抗熱振性較差， SiO2在高溫下容易發(fā)生蠕變和相變，所以這類陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)避免在高應(yīng)力和高溫環(huán)境下使用。 陶瓷基復(fù)合材料中的非氧化物陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物、硅化物。它們的特點(diǎn)是耐火性和耐磨性好、硬度高，但脆性大。碳化物和硼化物的抗熱氧化溫度約9001000C,氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化

23、硅膜，所以抗熱氧化溫度達(dá)13001700C。氮化硼具有類似石墨的六方結(jié)構(gòu)，在高溫(1360C)和高壓作用下可轉(zhuǎn)變成立方結(jié)構(gòu)的-氮化硼，耐熱溫度高達(dá)2000C,硬度極高，可作為金剛石的代用品。2022/7/17陶瓷基復(fù)合材料（CMC） 2022/7/17CMC的應(yīng)用2022/7/17C/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用C/C作為剎車盤碳/碳復(fù)合材料（C/C） 2022/7/179.3.3 聚合物基體 9.3.3.1 聚合物基體的種類 聚合物基復(fù)合材料應(yīng)用很廣泛，作為復(fù)合材料基體的聚合物種類很多，大體上包括熱固性樹脂和熱塑性樹脂。 熱固性聚合物常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預(yù)聚物，經(jīng)加熱或加固化劑發(fā)生交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)

24、并經(jīng)過(guò)凝膠化和固化階段后，形成不溶、不熔的三維網(wǎng)狀分子。主要包括: 環(huán)氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹脂等。各種熱固性樹脂的固化反應(yīng)機(jī)理不同，由于使用要求的差異，采用的固化條件也有很大差異。一般的固化條件有室溫固化、中溫固化(120C左右)和高溫固化(170C以上)。這類分子通常為無(wú)定形結(jié)構(gòu)，具有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性能和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。2022/7/17 熱塑性聚合物是一類線形或有支鏈的固態(tài)高分子，可溶可熔，可反復(fù)加工而不發(fā)生化學(xué)變化，包括各種通用塑料(聚丙烯、聚氯乙烯)、工程塑料(尼龍、聚碳酸酯等)和特種耐高溫聚合物(聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等)。這類高分子分非晶(或無(wú)定形)和結(jié)晶

25、兩類，通常結(jié)晶度在20%85%之間。具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、電絕緣、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨潤(rùn)滑性好，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。與熱固性聚合物相比，具有明顯的力學(xué)松弛現(xiàn)象；在外力作用下形變大；具有相當(dāng)大的斷裂延伸率；抗沖擊性能較好。2022/7/171. 熱固性樹脂(1) 不飽和聚酯樹脂 不飽和聚酯樹脂是指有線形結(jié)構(gòu)的、主鏈上同時(shí)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)構(gòu)可分為順酐型、丙烯酸型、丙烯酸環(huán)氧酯型聚酯樹脂，其中，順酐型最為經(jīng)典，一般由順酐、丙二醇、苯酐聚合而成。下式為比較常見(jiàn)的幾種不飽和聚酯結(jié)構(gòu)。2022/7/17 鄰苯型不飽和聚酯間苯型不飽和聚酯雙酚型不飽和聚酯2022/

26、7/17 除此之外，還有許多通過(guò)植物干性油、烯丙醇、三羥甲基丙烷而烯丙基醚等單體改性或聚合而得的不飽和聚酯。 不飽和聚酯樹脂在熱固性樹脂中工業(yè)化較早，是制造玻璃纖維復(fù)合材料的一種重要樹脂，在國(guó)外，聚酯樹脂占玻璃纖維復(fù)合材料用樹脂總量的80%以上。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。但由于性價(jià)比合適，近年來(lái)隨汽車工業(yè)的快速發(fā)展，已開始大規(guī)模用玻璃纖維部分取代碳纖維與不飽和聚酯復(fù)合，如汽車多處部件制造采用的BMC(塊狀模塑復(fù)合物)材料即屬此類。2022/7/17 不飽和聚酯的主要優(yōu)點(diǎn):工藝性良好，如室溫下粘度低，可在室溫下固化，常壓下成型，顏色淺，可以制作彩色制品，

27、工藝裝置簡(jiǎn)單，可采用多種措施來(lái)調(diào)節(jié)其工藝性能等；樹脂固化后綜合性能良好，并有多種專用樹脂適用于不同的用途，但其力學(xué)性能不如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂；價(jià)格比環(huán)氧樹脂低得多，只比酚醛樹脂略貴一些。主要缺點(diǎn):固化時(shí)體積收縮率較大；成型時(shí)氣味和毒性較大；耐熱性、強(qiáng)度和模量都較低，易變形，很少用于受力較強(qiáng)的制品。 主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中。2022/7/17 不飽和聚酯分子鏈中含有不飽和雙鍵，在熱作用下，可以將這些不飽和鍵聚合或共聚起來(lái)，形成鏈間交聯(lián)。如，與苯乙烯配合，經(jīng)熱共聚交聯(lián)，得到體型產(chǎn)物，以改善固化后樹脂的性能。所用苯乙烯既是稀釋劑，又是交聯(lián)劑。相似作用的單體還有多元丙烯酸酯、多烯丙基醚(三羥

28、甲基丙烷二烯丙基醚等)、鄰苯二甲酸二烯丙基酯、甲基苯乙烯、異氰脲酸三烯丙酯等。 所形成的固化樹脂性能不僅與聚酯樹脂本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與所選用的交聯(lián)劑結(jié)構(gòu)及用量有關(guān)。同時(shí)，交聯(lián)劑的選擇和用量還直接影響著樹脂的工藝性能。不飽和聚酯復(fù)合材料在經(jīng)歷熱交聯(lián)固化時(shí)，為提高其固化效率、增強(qiáng)性能，一般都使用少量合適的自由基引發(fā)劑，常用的包括過(guò)氧化二異丙苯、過(guò)氧化苯甲酰、過(guò)氧化環(huán)己酮等。2022/7/17(2) 環(huán)氧樹脂 環(huán)氧樹脂是聚合物復(fù)合材料中最為重要的一類基體材料，盡管目前可以獲得的環(huán)氧樹脂種類很多，但作為復(fù)合材料基體的環(huán)氧樹脂以雙酚A環(huán)氧為主，屬由雙酚A與環(huán)氧氯丙烷縮合而得，分子量可以從幾百到數(shù)千

29、，常溫下為粘稠液體或脆性固體。雙酚A環(huán)氧樹脂的典型結(jié)構(gòu)如下表示: 其它可以采用的環(huán)氧基體樹脂還包括: 雙酚F環(huán)氧樹脂-分子量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，粘度較低，只有雙酚A環(huán)氧樹脂的1/3左右，所用固化劑與固化性能與雙酚A環(huán)氧相似。2022/7/17 酚醛環(huán)氧是另一類環(huán)氧樹脂，其固化復(fù)合產(chǎn)物具有較高熱變形溫度與出色耐熱性，結(jié)構(gòu)可表示為: 另外還有三聚氰胺環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯環(huán)氧樹脂、脂環(huán)類環(huán)氧、線性脂肪族環(huán)氧及環(huán)氧化干性油等。2022/7/17 環(huán)氧樹脂可用于制備玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材料，并得到廣泛應(yīng)用。作為復(fù)合材料的基體，環(huán)氧樹脂具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，已固化的樹脂有良好的壓縮性能，良好的耐水

30、、耐化學(xué)介質(zhì)和耐燒蝕性能；熱變形溫度高。不足之處是，固化后斷裂伸長(zhǎng)率低、脆性大。 用環(huán)氧樹脂制備復(fù)合材料時(shí)，必須設(shè)法使樹脂上的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生開環(huán)交聯(lián)固化，獲得具有高強(qiáng)度、高耐熱性等綜合性能的復(fù)合材料。這一過(guò)程需要專門的固化劑協(xié)同進(jìn)行，常用的環(huán)氧固化劑包括多胺類、聚酰胺類、咪唑類、酸酐類等。有時(shí)，固化反應(yīng)伴有小分子逸出，有時(shí)需要高壓進(jìn)行。 通常環(huán)氧基復(fù)合材料具有較高硬度和高耐熱性的同時(shí)，由于較大的剛性和交聯(lián)密度，其脆性也較大，抗沖擊性能不高。一般可通過(guò)拼用部分低分子量的液態(tài)端羧基丁腈橡膠(CTBN)增韌。增韌機(jī)理為，CTBN端羧基與環(huán)氧基開環(huán)酯化，在剛性的環(huán)氧交聯(lián)網(wǎng)中引入彈性的丁腈鏈段。2022/

31、7/17 (3) 酚醛樹脂 酚醛樹脂的制備可用下式表示:2022/7/17 酚醛樹脂系酚醛縮合物，是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的一種樹脂，多作為膠粘劑、涂料及布、紙、玻璃布的層壓復(fù)合材料，酚醛樹脂大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強(qiáng)塑料，少量用于玻璃纖維復(fù)合材料、燒蝕材料。 依酚醛配比和使用催化劑的差別，所合成的酚醛樹脂分為熱固性和熱塑性酚醛樹脂兩大類。國(guó)內(nèi)作為纖維增強(qiáng)塑料基體用的酚醛樹脂大多采用熱固性酚醛樹脂。 酚醛樹脂的主要優(yōu)點(diǎn)包括，比環(huán)氧樹脂價(jià)格便宜；但也存在吸附性不好、收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高等缺點(diǎn)，因此較少采用酚醛樹脂來(lái)制造碳纖維復(fù)合材料。酚醛樹脂的含碳量高，因此可用來(lái)制造耐燒蝕材料，

32、做宇宙飛行器再入大氣的防護(hù)制件，還被用作制造碳/碳復(fù)合材料的碳基體的原料，酚改性二甲苯樹脂已被用來(lái)制造耐高溫玻璃纖維復(fù)合材料。2022/7/17(4) 乙烯基酯樹脂 乙烯基酯樹脂是環(huán)氧丙烯酸酯類樹脂或稱不飽和環(huán)氧樹脂，是國(guó)外20世紀(jì)60年代初開發(fā)的一類新型聚合物，通常由低分子量環(huán)氧樹脂與不飽和一元酸(丙烯酸)通過(guò)開環(huán)加成反應(yīng)制得。這類聚合物可單獨(dú)固化，但一般都將其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脂，其典型化學(xué)結(jié)構(gòu)式可表示為: 該類樹脂保留了環(huán)氧樹脂的基本鏈段，又有不飽和聚酯樹脂的不飽和鍵，可以室溫固化。匯集了這兩種樹脂雙重特性，使其性能更趨完善，這就是該

33、樹脂最大的特點(diǎn)之一。經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，乙烯基酯樹脂已成為多品種的產(chǎn)品，以利于滿足各種不同使用的要求。2022/7/17(5) 聚酰亞胺樹脂(PI) 聚酰亞胺樹脂是一類耐高溫樹脂，它通常有熱固性(不熔性)和熱塑性兩類，使用溫度可達(dá)180316C，個(gè)別甚至高達(dá)371C。PI由芳香族四酸二酐與芳香族二胺經(jīng)縮聚反應(yīng)合成。實(shí)際上用于FRP的PI樹脂有兩類，一類是由活性單體封端的熱固性PI，如雙馬樹脂(雙馬來(lái)酰亞胺樹脂，BMI)、PMR-15；另一類是所謂的熱塑性PI，如NR-150系列、PEI等。2022/7/17 BMI樹脂是馬來(lái)酸酐與 芳香族二胺反應(yīng)生成預(yù)聚體，再高溫交聯(lián)而成的一類熱固性PI樹脂

34、。密度1.351.40g/cm3,Tg為250300C,斷裂伸長(zhǎng)為1.0%2.0%。BMI具有優(yōu)異的綜合性能，使用溫度范圍寬(-65230C,超過(guò)環(huán)氧樹脂)，配方選擇范圍大，工藝性好、價(jià)格較低等，已用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料。缺點(diǎn)是較脆，斷裂韌性低。目前，通過(guò)各種增韌技術(shù)，雙馬樹脂的斷裂韌性可大幅度提高。 PMR(in situ polymerization of monomer reactants )聚合物(以單體反應(yīng)形成的聚合物)是美國(guó)NASA研究中心發(fā)展出的一種新型加成性PI。它是由四酸二酐、二胺及封端單體二酸單酯(如降冰片烯二甲酸單乙酯)溶在低沸點(diǎn)酯類溶劑中形成的一種單體混合物，纖維在這種溶液中

35、浸漬制成預(yù)浸料，在復(fù)合材料成型過(guò)程中單體縮聚，亞胺化得樹脂?，F(xiàn)已開發(fā)的PMR樹脂有2種牌號(hào)，即PMR-15和第二代PMR-11。PMR-15的Tg達(dá)360C，可在316C的高溫下使用；PMR-11的耐熱性更好，在316C時(shí)的使用壽命至少比PMR-15高2倍。2022/7/172022/7/172. 熱塑性樹脂 熱塑性聚合物是指具有線形或支鏈型結(jié)構(gòu)的一類有機(jī)高分子化合物，這類化合物可以反復(fù)受熱軟化(或熔化)，而冷卻后變硬。熱塑性聚合物在軟化或熔化狀態(tài)下，可以進(jìn)行模塑加工，當(dāng)冷卻至軟化點(diǎn)以下能保持模塑成型的形狀。 屬于這類聚合物的有:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚

36、砜、聚苯硫等。在這些聚合物中，有一些已用于玻璃纖維增強(qiáng)塑料，但是用作碳纖維復(fù)合材料基體的目前還不多。可以預(yù)見(jiàn)，隨著能源矛盾的加聚，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以熱塑性聚合物為基體的復(fù)合材料，也將會(huì)有很大的發(fā)展。 熱塑性聚合物基復(fù)合材料與熱固性樹脂基復(fù)合材料相比，在力學(xué)性能、老化性能方面處于劣勢(shì)，但具有加工工藝簡(jiǎn)單、工藝周期短、成本低、密度小等優(yōu)勢(shì)，汽車工業(yè)的發(fā)展為熱塑性聚合物基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用開辟了廣闊的天地。2022/7/17 作為熱塑性聚合物基體復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，除了連續(xù)纖維外，還用纖維編織物和短切纖維。一般纖維含量可達(dá)20%50%。熱塑性聚合物與纖維復(fù)合可以提高機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量、改善蠕變

37、性能、提高熱變形溫度和熱導(dǎo)率、降低線膨脹系數(shù)、增加尺寸穩(wěn)定性、降低吸水性、抑制應(yīng)力開裂與改善疲勞性能。早期的熱塑性聚合物基復(fù)合材料，主要是玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。用玻璃纖維增強(qiáng)的熱塑性聚合物基復(fù)合材料，在某些性能上不僅能達(dá)到一般熱固性聚合物基玻璃纖維復(fù)合材料的水平，有時(shí)甚至更優(yōu)。2022/7/17 在短切碳纖維增強(qiáng)聚合物中，纖維長(zhǎng)度一般為0.641.30cm，已研究或應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)的聚合物有尼龍、聚丙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚砜、聚苯醚、乙烯/四氟乙烯共聚物等。在聚合物中引入碳纖維可以降低材料的摩擦系數(shù)，其重要的應(yīng)用是制造支架和閥門。在沖擊性能方面，碳纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料不如相應(yīng)的玻璃纖

38、維增強(qiáng)的復(fù)合材料，在工程上常選用玻璃纖維和碳纖維混雜增強(qiáng)材料。 為了制造纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，需要改進(jìn)材料模塑時(shí)的收縮性，還要研究如何防止撓曲等問(wèn)題。要解決這些問(wèn)題，不僅要改進(jìn)纖維性能，而且還要研制有更好性能的熱塑性聚合物。 后續(xù)介紹的是最常見(jiàn)的幾種熱塑性聚合物。2022/7/17(1) 聚酰胺 聚酰胺是具有許多重復(fù)的酰胺基(-CO-NH-)的一類線形聚合物的總稱，通常叫做尼龍。目前尼龍的品種很多，如尼龍-66、尼龍-6、尼龍-10、尼龍-1010等。此外，還有芳香族聚酰胺等。 聚酰胺分子鏈中可以形成具有相當(dāng)強(qiáng)作用力的氫鍵，形成氫鍵的多少，由大分子的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)決定。氫鍵的形成，使聚合物大分

39、子間的作用力增大，易于結(jié)晶，且有較高的機(jī)械強(qiáng)度和熔點(diǎn)。在聚酰胺分子結(jié)構(gòu)中次甲基(-CH2-)的存在，又使分子鏈比較柔順，有較高的韌性。隨聚酰胺結(jié)構(gòu)中碳鏈的增長(zhǎng)，其機(jī)械強(qiáng)度下降；但柔性、疏水性增加，低溫性能、加工性能和尺寸穩(wěn)定性亦有所改善。 聚酰胺對(duì)大多數(shù)化學(xué)試劑是穩(wěn)定的，特別是耐油性好，僅能溶于強(qiáng)極性溶劑，如苯酚、甲醛及間苯二胺等。2022/7/17(2) 聚碳酸酯 聚碳酸酯具有下述化學(xué)結(jié)構(gòu):其中，n=100500之間，工業(yè)生產(chǎn)聚碳酸酯分子量為25,00070,000。 聚碳酸酯分子主鏈上有苯環(huán)，限制了大分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，減小了分子的柔順性。碳酸酯基團(tuán)是極性基團(tuán)，增加了分子間作用力，使空間位阻加強(qiáng)

40、，也增大了分子的剛性。由于聚碳酸酯主鏈僵硬，熔點(diǎn)高達(dá)225250C，玻璃化溫度145C，碳鏈的剛性使其在受力下形變減少，抗蠕變性能好，尺寸穩(wěn)定，同時(shí)又阻礙大分子取向與結(jié)晶，且在外力強(qiáng)迫取向后不易松弛。所以，在聚碳酸酯制件中常常存在殘余應(yīng)力而難以自行消除。故聚碳酸酯碳纖維復(fù)合材料制件需進(jìn)行退火處理，以改善機(jī)械性能。2022/7/17 聚碳酸酯分子鏈中存在氧基，鏈段可以繞氧基兩端的單鍵發(fā)生內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使聚合物有一定的柔順性。碳基和氧基結(jié)合形成酯基，使聚碳酸酯易溶于有機(jī)溶劑，如三氯甲烷、二氯乙烷、甲酚等，但對(duì)非極性溶劑如油類是穩(wěn)定的。 聚碳酸酯可以與連續(xù)碳纖維或短切碳纖維制造復(fù)合材料，也可以用碳纖維編織

41、物與聚碳酸酯薄膜制造層壓材料。例如，用粉狀聚碳酸酯配成溶液浸漬纖維氈，制造復(fù)合材料零件，纖維氈浸聚碳酸酯溶液后，先在真空中于110C脫水干燥并預(yù)成型(纖維含量約20%)。纖維可以是玻璃纖維，也可以是HMG碳纖。用碳纖增強(qiáng)聚碳酸酯與用玻璃纖維增強(qiáng)聚碳酸酯比較，彈性模量有明顯增加而斷裂伸長(zhǎng)率降低。 2022/7/17(3) 聚砜 聚砜是指主鏈結(jié)構(gòu)中含有砜基鏈節(jié)的聚合物，它的突出性能是可以在100150C下長(zhǎng)期使用，其結(jié)構(gòu)式: 聚砜結(jié)構(gòu)規(guī)整，分子量5,000100,000，主鏈多苯環(huán)，玻璃化溫度很高，約200C，由于主鏈上S原子處于最高氧化態(tài)，故聚砜具有抗氧化性，即使加熱條件下也難以發(fā)生化學(xué)變化。二

42、苯基砜的共軛狀態(tài)使得化學(xué)鍵比較牢固，在高溫或離子輻射下，也不會(huì)發(fā)生主鏈和側(cè)鏈斷裂。聚砜在高溫下使用仍能保持高的硬度、尺寸穩(wěn)定性和抗蠕變能力，但是聚砜的成型溫度高達(dá)300C，這是一大缺點(diǎn)。聚砜分子結(jié)構(gòu)中異丙基和醚鍵的存在，使大分子具有一定的韌性。它耐磨性好，且耐各種油類和酸類。有些聚砜具有低的可燃性和發(fā)煙性。2022/7/17 碳纖維聚砜復(fù)合材料對(duì)宇航和汽車工業(yè)很有意義。波音公司已將碳纖維聚砜復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效果。如在無(wú)人駕駛靶機(jī)上用聚砜石墨纖維層壓板取代鋁合金蒙皮，可以降低20%的成本，減少16%的重量。 近年來(lái)，熱塑性聚合物基材料不斷有新發(fā)展，如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯

43、(PET)和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等聚酯與碳纖維復(fù)合，具有低的摩擦特性，是唯一超過(guò)聚四氟乙烯的材料。(4) 聚醚醚酮(PEEK) PEEK是一種半結(jié)晶型熱塑性塑料，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143C，熔點(diǎn)334C，結(jié)晶度一般在20%40%,最大結(jié)晶度為48%。PEEK在空氣中的熱分解溫度為650C，加工溫度在370C420C,室溫彈性模量與環(huán)氧樹脂相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)于環(huán)氧，斷裂韌性極高，具有優(yōu)秀的阻燃性。PEEK基復(fù)合材料可在250C的溫度下長(zhǎng)期使用。2022/7/17(5) 聚苯硫醚(PPS) 結(jié)晶型聚合物，耐化學(xué)腐蝕性極好，在室溫下不溶于任何溶劑，可長(zhǎng)期耐熱240C。(6) 聚醚砜(PES) 非

44、晶聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為225C，可在180C下長(zhǎng)期使用；有突出的耐蠕變性、尺寸穩(wěn)定性；熱膨脹系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)，無(wú)毒、不燃。(7) 熱塑性聚酰亞胺 聚醚酰亞胺(PEI)長(zhǎng)期使用溫度為180C；聚酰胺酰亞胺(PAI)Tg達(dá)280C,長(zhǎng)期使用溫度240C。 總之，用熱塑性聚合物做復(fù)合材料的基體，將是發(fā)展復(fù)合材料的一個(gè)重要方向，特別是從材料來(lái)源、節(jié)約能源和從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)講，發(fā)展這類復(fù)合材料有著重要意義。2022/7/179.3.3.2 聚合物基體的作用 復(fù)合材料中的基體有3種主要作用:把纖維粘在一起；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，其原始狀態(tài)應(yīng)該是低粘度的液體，并能迅速變

45、成堅(jiān)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)合材料的載荷，但是基體的力學(xué)性能會(huì)明顯地影響纖維的工作方式及其效果。例如，在沒(méi)有基體的纖維束中，大部分載荷由最直的纖維承受，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，應(yīng)力通過(guò)剪切過(guò)程傳遞，這要求纖維和基體之間有高的膠接強(qiáng)度，同時(shí)要求基體本身也具有高的剪切強(qiáng)度和模量。2022/7/17 當(dāng)載荷主要由纖維承受時(shí)，復(fù)合材料總的延伸率受到纖維的破壞延伸率的限制，這通常為1%1.5%?；w的主要性能是在這個(gè)應(yīng)變水平下不應(yīng)該裂開。與未增強(qiáng)體系相比，先進(jìn)復(fù)合材料樹脂體系趨于在低破壞應(yīng)變和高模量的脆性方式下工

46、作。 在纖維的垂直方向，基體的力學(xué)性能、纖維與基體之間的膠接強(qiáng)度控制著復(fù)合材料的物理性能。由于基體比纖維弱得多，而柔性大得多，所以在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免基體的直接橫向受載。 基體、基體/纖維的相互作用能明顯地影響裂紋在裂紋中的擴(kuò)展。若基體的剪切強(qiáng)度和模量以及纖維/基體的膠接強(qiáng)度過(guò)高，則裂紋可以穿過(guò)纖維和基體擴(kuò)展而不轉(zhuǎn)向，從而使這種材料變成脆性材料，并且其破壞的試件將呈現(xiàn)出整齊的斷面；若膠接強(qiáng)度過(guò)低，則其纖維將表現(xiàn)得像纖維束，并且這種復(fù)合材料將很弱；對(duì)于中等膠接強(qiáng)度，橫跨樹脂或纖維擴(kuò)展的裂紋會(huì)在界面轉(zhuǎn)向，并且沿著纖維方向擴(kuò)展，這就導(dǎo)致吸收相當(dāng)多的能量，以這種形式破壞的復(fù)合材料是韌性材料。

47、 2022/7/17 在高膠接強(qiáng)度體系(纖維間載荷傳遞效率高。但斷裂韌性差)與膠接強(qiáng)度較低的體系(纖維間載荷傳遞效率不高，但有較高的韌性)之間需要折中。在應(yīng)力水平和方向不確定的情況下使用的或在纖維排列精度較低的情況下制造的復(fù)合材料，往往要求基體比較軟，同時(shí)不太嚴(yán)格;在明確的應(yīng)力水平情況下使用的和嚴(yán)格地控制纖維排列情況下制造的先進(jìn)復(fù)合材料，應(yīng)通過(guò)使用高模量和高膠接強(qiáng)度的基體以更充分發(fā)揮纖維的最大性能。 2022/7/179.3.3.3 聚合物基體的性能 聚合物復(fù)合材料的綜合性能與所用基體聚合物密切相關(guān)。1. 力學(xué)性能 作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，聚合物的力學(xué)性能對(duì)最終復(fù)合產(chǎn)物影響較大。一般復(fù)合材料用的熱固

48、性樹脂固化后的力學(xué)性能并不高。決定聚合物強(qiáng)度的主要因素是分子內(nèi)及分子間的作用力，聚合物材料的破壞，無(wú)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。 2022/7/17 熱塑性樹脂與熱固性樹脂在分子結(jié)構(gòu)上的顯著差別體現(xiàn)在前者是線形結(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，使熱塑性樹脂在力學(xué)性能上有如下幾個(gè)顯著特點(diǎn):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)變速度不太大時(shí)，可具有相當(dāng)大的斷裂延伸率；抗沖擊性能較好。 復(fù)合材料基體樹脂強(qiáng)度與復(fù)合材料的力學(xué)性能之間的關(guān)系不能一概而論，基體在復(fù)合材料中的一個(gè)重要作用是在纖維之間傳遞應(yīng)力，基體的粘接力和模量是支配基體傳遞應(yīng)

49、力性能的2個(gè)最重要的因素，這2個(gè)因素的聯(lián)合作用，可影響到復(fù)合材料拉伸時(shí)的破壞模式。2022/7/17 如果基體彈性模量低，纖維受拉時(shí)將各自單獨(dú)地受力，其破壞模式是一種發(fā)展式的纖維斷裂，由于這種破壞模式不存在疊加作用，其平均強(qiáng)度是很低的；反之，如基體在受拉時(shí)仍有足夠的粘接力和彈性模量，復(fù)合材料中的纖維將表現(xiàn)為一個(gè)整體，可以預(yù)料強(qiáng)度會(huì)是高的。實(shí)際上，在一般情況下材料表現(xiàn)為中等的強(qiáng)度，因此，如各種環(huán)氧樹脂在性能上無(wú)重大不同，則對(duì)復(fù)合材料影響是很小的。2022/7/172. 聚合物的耐熱性能 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)晶性或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。為提高耐熱性，首先是選用能產(chǎn)

50、生交聯(lián)結(jié)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，工藝條件的選擇會(huì)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(gè)途徑是增加高分子鏈的剛性，因此在高分子鏈中減少單鍵、引進(jìn)共價(jià)雙鍵、叁鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)(包括脂環(huán)、芳環(huán)或雜環(huán)等)，對(duì)提高聚合物的耐熱性很有效果。2022/7/173. 基體聚合物的耐化性 化學(xué)結(jié)構(gòu)和所含基團(tuán)不同，表現(xiàn)出不同的耐化性，樹脂中過(guò)多的酯基、酚羥基，將容易首先遭到腐蝕性試劑的進(jìn)攻，由此，也決定了所形成聚合物復(fù)合材料的最終耐化性。通常情況下，由環(huán)氧樹脂所形成的復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的耐化學(xué)侵蝕性能。下表為常用熱固性樹脂的耐化學(xué)腐蝕性能。2022/7/17

51、4. 聚合物的介電性能 聚合物作為一種有機(jī)材料，具有良好的電絕緣性能。一般來(lái)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。下表為部分常用熱固性樹脂的介電性能。2022/7/179.4 復(fù)合材料的增強(qiáng)相增強(qiáng)材料(增強(qiáng)劑、增強(qiáng)相、增強(qiáng)體)-分散在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料。纖維在復(fù)合材料中起增強(qiáng)作用，是主要承力組分，不僅能使材料顯示出較高的抗張強(qiáng)度和剛度，而且能減少收縮、提高熱變形溫度和低溫沖擊強(qiáng)度。復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。增強(qiáng)材料的分類纖維及其織物晶須顆粒小片狀、板狀2022/7/1

52、7Types of reinforced composites2022/7/179.4.1 纖維增強(qiáng)體天然纖維植物纖維(棉花、麻類)、動(dòng)物纖維（絲、毛）和礦物纖維（石棉）。強(qiáng)度較低(除強(qiáng)度較好的竹纖維曾用于聚合物復(fù)合材料，較少用于制造復(fù)合材料)現(xiàn)代復(fù)合材料的增強(qiáng)材料用合成纖維有機(jī)纖維(Kevlar、Nylon、PE等纖維)無(wú)機(jī)纖維(玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維等)2022/7/17Types of fiber reinforcement orientationone-dimensionaltwo-dimensionalthree-dimensional2022/7/171. 有機(jī)纖維(

53、1) 聚芳酰胺纖維Aromatic Polyamide Fiber, Kevlar, KF 芳酰胺纖維是分子主鏈上含有密集芳環(huán)與芳酰胺結(jié)構(gòu)的聚合物經(jīng)溶液紡絲獲得的合成纖維，最有代表性的商品為Kevlar纖維，由DuPont公司1968年發(fā)明，在我國(guó)被稱為芳綸，20世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)研發(fā)成功相似的聚芳酰胺纖維-芳綸-14和芳綸-1414。DuPont公司在該合成纖維方面有20余個(gè)品牌，如Kevlar-49(相當(dāng)于國(guó)內(nèi)芳綸-1414)、Kevlar-29(相當(dāng)于國(guó)內(nèi)芳綸-14)。Kevlar-49由對(duì)苯二胺與對(duì)苯二甲酸縮聚而得，結(jié)構(gòu)式:2022/7/17 Kevlar-29來(lái)源于對(duì)氨基苯甲酸的自縮聚

54、: 這種剛硬的直線狀分子鏈在纖維軸向是高度定向的，各聚合物鏈由氫鍵作橫向連接。沿著纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵和橫向弱的氫鍵，是造成芳綸纖維力學(xué)性能各向異性的原因，即纖維的縱向強(qiáng)度高、而橫向強(qiáng)度低。芳綸纖維的化學(xué)鏈主要由芳環(huán)組成，這種芳環(huán)結(jié)構(gòu)具有高的剛性，并使聚合物鏈呈伸展?fàn)顟B(tài)而不是折疊狀態(tài)，形成棒狀結(jié)構(gòu)，因而纖維具有高的模量。芳綸纖維分子鏈?zhǔn)蔷€型結(jié)構(gòu)，這又使纖維能有效地利用空間而具有高的填充效率的能力，在單位體積內(nèi)可容納很多聚合物，這種高密度的聚合物具有較高的強(qiáng)度。2022/7/17 從其規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)可以說(shuō)明芳綸纖維的化學(xué)穩(wěn)定性、高溫尺寸穩(wěn)定性、不發(fā)生高溫分解以及在很高溫度下不致熱塑化等特點(diǎn)。通過(guò)電

55、鏡對(duì)纖維觀察表明，芳綸是一種沿軸向排列的有規(guī)則的摺疊層結(jié)構(gòu)。這種模型可以很好地解釋橫向強(qiáng)度低、壓縮和剪切性能差以及易劈裂的現(xiàn)象。 芳綸纖維主要應(yīng)用于橡膠增強(qiáng)、特制輪胎、三角皮帶等。其中Kevlar-29主要用于復(fù)合材料繩索、電纜、高強(qiáng)度織物以及防彈背心制造;Kevlar-49主要用于航天、航空、造船工業(yè)的復(fù)合材料制件。芳綸纖維單絲拉伸強(qiáng)度可達(dá)3773MPa,254mm長(zhǎng)的芳綸纖維束拉伸強(qiáng)度為2774MPa,大約為鋁線的5倍；其沖擊強(qiáng)度約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維的0.8倍。芳綸纖維與其它材料性能的比較見(jiàn)下表。Note: 1kgf/cm2 =98.0665kPa 2022/7/

56、17 芳綸纖維具有良好的耐熱性，487C高溫下不熔融，但開始碳化，即高溫下直接發(fā)生分解而不變形，可長(zhǎng)期在180C下工作，高溫下，模量損失非常小。芳綸的熱膨脹行為與碳纖維相似，都具有各向異性，橫向熱膨脹系數(shù)約為縱向熱膨脹系數(shù)的數(shù)十倍。 耐化性方面，芳綸纖維對(duì)中性化學(xué)品(如一般溶劑)耐腐蝕力強(qiáng)，但易受各種酸堿侵蝕，尤其是強(qiáng)酸環(huán)境。芳綸纖維的耐水性也不理想，因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中存在大量極性親水的酰胺基團(tuán)。其力學(xué)、介電等性能對(duì)環(huán)境濕度較為敏感，類似與一般尼龍、聚酯和普通聚酰胺材料，高濕度環(huán)境下(RH85%)，芳綸吸濕率可達(dá)7%。2022/7/17 總的說(shuō)來(lái)，芳綸纖維:特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量、韌性好等；密度較

57、低，而比強(qiáng)度極高，超過(guò)玻璃纖維、碳纖維和硼纖維；比模量與碳纖維相近，超過(guò)玻璃、鋼、鋁等。由于韌性好，它不象碳纖維、硼纖維那樣脆，因而便于紡織。常和碳纖維混雜，提高纖維復(fù)合材料的耐沖擊性。Kevlar纖維屬于自熄性材料。2022/7/17KEVLAR纖維2022/7/17(2) 聚乙烯(Polyethylene, PE)纖維目前國(guó)際上最新的超輕、高比強(qiáng)度、高比模量纖維，成本也比較低。美國(guó)聯(lián)合信號(hào)公司的Spectra高強(qiáng)度PE纖維，纖維強(qiáng)度超過(guò)杜邦公司的Kevlar纖維。通常分子量大于106，拉伸強(qiáng)度為3.5GPa，彈性模量為116GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。PE纖維具有高

58、比強(qiáng)度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。不足之處是熔點(diǎn)較低（約135）和高溫容易蠕變。因此僅能在100以下使用，可用于制做武器裝甲、防彈背心、航天航空部件等2022/7/17 制造PE纖維的方法有凝膠拉伸法和原位拉伸法，其中凝膠拉伸法是一種具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的方法。該法以十氫萘、石蠟油、煤油等碳?xì)浠衔餅槿軇?，將超高分子量聚乙烯調(diào)制成半稀溶液，經(jīng)由噴絲孔擠出驟冷成凍膠原絲，經(jīng)萃取、干燥后，進(jìn)行30倍以上的熱拉伸，制成高強(qiáng)度PE纖維。其強(qiáng)度隨分子量增大而增大，但拉絲加工難度也增加。PE纖維的性能比較如下表。 PE纖維主要用于纜繩材料和高技術(shù)軍用材料

59、，制造武器裝甲、防彈背心、航天、航空部件。2022/7/172. 無(wú)機(jī)纖維(1) 玻璃纖維(glass fiber, GF) 玻璃纖維是含有各種金屬氧化物的硅酸鹽類，在熔融態(tài)以極快的速度拉絲而成。 玻璃纖維質(zhì)地柔軟，可以紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。玻璃纖維成分中一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是其含堿量，即K、Na氧化物含量。根據(jù)含堿量玻璃纖維可以分為:有堿玻璃纖維(堿性氧化物含量12%，也稱A玻璃纖維)、中堿玻璃纖維(堿性氧化物含量6%12%)、低堿玻璃纖維(堿性氧化物含量2%6%)、無(wú)堿玻璃纖維(堿性氧化物含量2%,也稱E玻璃纖維)。通常，含堿量高的玻璃熔融性好，易抽絲，產(chǎn)品成本低。 按單絲直徑，玻璃纖維

60、可分為：粗纖維、初級(jí)纖維、中級(jí)纖維、高級(jí)纖維。 2022/7/17 按用途分類，玻璃纖維又可分為:高強(qiáng)度玻璃纖維(S玻璃纖維，強(qiáng)度高，用于結(jié)構(gòu)材料)、低介電玻璃纖維(亦稱D玻璃纖維，電絕緣性能和透波性好，適用于雷達(dá)裝置的增強(qiáng)材料)、耐化型玻璃纖維(亦稱C玻璃纖維，耐酸性優(yōu)良，適用于耐酸件和蓄電池套管等)、耐電腐蝕玻璃纖維及耐堿玻璃纖維(AR玻璃纖維)。玻璃纖維的性能列于下表。 2022/7/17 玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與普通玻璃材料沒(méi)有不同，都是非晶態(tài)玻璃體硅酸鹽結(jié)構(gòu)，也可視為過(guò)冷玻璃體。玻璃纖維的伸長(zhǎng)率和膨脹系數(shù)較小。除氫氟酸和熱濃堿外，能夠耐受許多介質(zhì)的腐蝕。玻璃纖維不燃燒，耐高溫性能較好，C玻璃