第二章-复合材料的基体材料

复合材料学授课人：杨妹娟兰州交通大学2012.2第二章复合材料的基体材料•一、金属材料•1.选择金属基体材料的原则•（1）根据金属基复合材料的使用要求来选择•（2）根据金属基复合材料的组成特点选择•对于连续纤维增强复合材料，选塑性好相容性好的；对于非连续性增强复合材料，选高强度合金为基体。•（3）根据基体金属与增强物的相容性选择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。（1）用于450℃以下的轻金属基体——铝、镁合金（2）用于450～700℃的复合材料的金属基体——钛合金（3）用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体——镍基、铁基耐热合金和金属间化合物•功能复合材料的基体金属•同时要求高力学性能、高导热、低的热膨胀系数、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性。如：继承电路中，基板和封装材料，集电材料，电池极板等。二、无机胶凝材料水泥，石膏，菱苦土，水玻璃等。2.2陶瓷材料传统陶瓷是指陶器和瓷器，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。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。在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。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。在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。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：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。2氧化物陶瓷Al2O3（刚玉）—典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温和高温强度。ZrO2—使用温度达2000～2200℃，主要用作耐火坩锅，反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶型：立方结构（C相）、四方结构（t相）和单斜结构（m相），加入适量的稳定剂后，t相可以亚稳定状态存在于室温，称部分稳定ZrO2。在压力作用下发生t-m马氏体转变，称应力诱导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用的稳定剂有MgO、Y2O3等。3非氧化物陶瓷指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定的金属键成分。共价键结合能比较高—材料有高的耐火度、高的硬度（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能力低。氮化硅陶瓷(Si3N4)共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高纯的Si3N4的固相烧结极为困难。因此，常用反应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约1350℃）。后者是将加适当的助烧剂(MgO,Al2O3,1600~1700℃)烧结。氮化硼和氮化钛陶瓷氮化硼陶瓷BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6~9×103MPa）下可转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料。氮化钛陶瓷TiN是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点（2950℃）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰材料。TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材料；TiN具有较高的超导临界温度，还是一种优良的超导材料。四、聚合物材料1.复合材料中常用的聚合物种类（1）不饱和聚酯树脂。用于玻璃纤维复合材料（2）环氧树脂。性能优异，用于碳纤维复合材料和优质玻璃纤维复合材料。（3）酚醛树脂。性能较差，且需高压成形，用于短纤维增强。（4）各种热塑性聚合物。用于碳纤维复合材料。耐高温聚酰亚胺最具实际意义。2聚合物基体的作用三个主要作用：（1）粘结作用；（2）分配纤维间的载荷；（3）保护纤维不受环境影响。基体强度高，基体与纤维胶合强，则材料脆性。胶合强度过低，像纤维束，总强度低。总等胶合强度，横跨树脂或纤维扩展的裂纹会转向，并且沿纤维方向扩展，导致吸收能量，韧性好。基体与纤维间的相互作用能明显地影响裂纹在复合材料中的扩展。基体的强度也对裂纹扩展有影响。基体强度高基体/纤维胶合强材料表面脆性断面整齐胶合强度低像纤维束一样，总强度低中等胶合强度横跨树脂或纤维扩展裂纹会转向，并且沿纤维方向扩展，导致吸收能量这种形式破坏的复合材料是韧性的在应力水平不确定的情况下使用在纤维排列精度较低的情况下选软的基体在明确的应力水平情况下使用的和在严格控制纤维排列情况下制造的先进复合材料使用高模量和高胶合强度的基体，以更充分发挥纤维的最大性能聚合物的结构特点（1）分子链由很大数目的结构单元组成这些结构单元可以是相同的（均聚物），也可以是不同的（共聚物）（2）链长有限的聚合物分子含有官能团或端基。2.3.2基体材料的结构和性能结构特点：（1）分子链很大（103~105个结构单元）：线形的，支链的，网状的（2）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基（3）聚合物分子间的作用力：若分子链中化学键有一定的内旋转自由度，则柔性大，反之，则呈刚性。2.3.3热固性树脂基复合材料热固性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。热固性树脂分子结构为体型。热固性树脂有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。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。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，成型时气味和毒性较大；耐热性、强度和模量较低，易变形常用不饱和聚酯树脂牌号主要成分技术指标性能与用途FL191丙二醇/苯乙烯苯酐/顺酐酸值：28~38mgKOH/g粘度：0.25~0.45Pa.S室温凝胶时间：12~22min耐光通用型树脂，适用于平板和波纹板等玻纤增强产品FL189乙二醇/苯酐顺酐/苯乙烯20~28mgKOH/g0.25~0.45Pa.S6.5~11.5min耐水耐候树脂、冷却塔、卫生洁具FL195丙二醇/苯酐/顺酐苯乙烯27~35mgKOH/g0.12~0.22Pa.S30~54min高透光率树脂、透明板材、采光罩FL198丙二醇/苯酐顺酐/苯乙烯20~28mgKOH/g0.45~0.85Pa.S6~10min高活性树脂、适用于强度高、耐中温纤维增强塑料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。CH2CHO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。酚类化合物与醛类化合物缩聚而得的树脂，一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂。OH苯酚COHH甲醛原为无色或黄褐色透明物，市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色，有颗粒、粉末状。耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。特点：耐高温性、耐酸性、机械强度较高、低烟低毒用途：主要用于生产压塑粉、层压塑料；制造清漆或绝缘、耐腐蚀涂料；制造日用品、装饰品；制造隔音、隔热材料、人造板、铸造、耐火材料等。2.3.4热塑性树脂基复合材料热塑性聚合物是指具有线型或支链型结构的那一类有机高分子化合物，这类聚合物可以反复受热软化（或熔化），而冷却后变硬。热塑性聚合物在软化或熔化状态下，可以进行模塑加工，当冷却至软化点以下时能保持模塑成型的形状。与热固性树脂基复合材料比，热塑性聚合物基复合材料在力学性能、使用温度、老化性能方面处于劣势，而在工艺简单、工艺周期短、成本低、相对密度小等方面占优势。