复合材料基体
复合材料名词解释
复合材料名词解释复合材料是指由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有合成材料和传统材料的特点和优势。
复合材料的优点主要包括轻质、强度高、刚性好、耐腐蚀、耐磨损、导热性能好、成型性好、设计自由度高等。
复合材料由两种或以上的材料组成，其中一种称为基体（matrix），另一种或其他几种材料则是增强体（reinforcement）或填充物。
基体材料的主要作用是提供整体结构的支撑和连续性，而增强体则起到增加复合材料强度和刚性的作用。
常用的基体材料有塑料、树脂、金属等，而增强体则包括纤维、颗粒、薄膜等。
复合材料的制备过程主要包括预制部分、成型部分和固化部分。
在预制部分，根据所需材料和形状，将基体材料和增强材料等按一定比例混合、搅拌、形成复合材料的原料。
在成型部分，将预制的原料放入模具中，常见的成型方式包括压力成型、注塑成型、挤出成型等。
在固化部分，通过热固化或化学反应等方式使复合材料成型，得到最终的复合材料制品。
复合材料具有许多优点。
首先，由于增强体的加入，复合材料具有很高的强度和刚性，远远超过单一材料的强度。
其次，复合材料的密度相对较低，可以做到轻质化，便于携带和使用。
再次，复合材料的导热性能好，具有较高的绝缘性能，可以用于电子、电气和航空航天等领域。
此外，复合材料的耐腐蚀性能好、耐磨损性能好，可以提高材料使用寿命。
最后，由于复合材料可以灵活设计，成型性好，可以根据需要制作出各种形状和尺寸的制品。
复合材料在许多领域有着广泛应用。
在航天航空领域，复合材料被用于飞机、火箭、导弹的制造，可以减轻重量、提高载荷能力和提高耐用性。
在汽车工业中，复合材料被用于汽车车身和零部件的制造，可以减轻整车重量，提高燃油经济性和安全性能。
在建筑领域，复合材料被用于建筑结构、钢材替代、建筑保温材料等，可以提高建筑品质和节能效果。
在体育用品领域，复合材料被用于制作高尔夫球杆、网球拍、滑雪板等，可以提高运动器材的性能。
总之，复合材料是一种由两种或两种以上材料组合而成的材料，具有轻质、强度高、刚性好、耐腐蚀、耐磨损、导热性能好、成型性好、设计自由度高等优点。
复合材料的基体材
复合材料的基体材
常见的复合材料基体材料包括金属、聚合物和陶瓷等。
金属基体材料是最早被应用于复合材料的基体材料之一、金属基复合材料具有高强度、刚性和导热性能，还具有优良的机械性能和良好的成型性能。
由于金属本身的导热性和良好的电导性，金属基复合材料广泛应用于热传导和电传导方面的应用，如散热器、导电线和电子器件等。
聚合物基体材料是应用最广泛的复合材料基体材料之一、聚合物基复合材料具有重量轻、加工性能好、电绝缘性好、化学稳定性好等特点。
此外，聚合物基体材料的成本相对较低，易于大规模生产。
因此，聚合物基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、电子设备和建筑等领域。
陶瓷基体材料具有高强度、高硬度、高耐压性和高耐磨性等特点。
陶瓷基复合材料的主要优点是在高温和高压环境下具有出色的性能。
陶瓷基复合材料常用于高性能陶瓷刀具、高温热力设备和用于材料强化的陶瓷纤维等领域。
此外，还有一些其他的基体材料，如碳纤维基体材料和纤维增强中空玻璃基体材料等。
碳纤维基体材料具有重量轻、高强度、高弹性模量和耐腐蚀性强等特点，常用于航空航天、汽车和体育器材等领域。
而纤维增强中空玻璃基体材料以其低密度、优良的隔热性能和抗雷击性能而得到广泛应用。
综上所述，复合材料的基体材料类型丰富多样，每种材料都有其独特的优点和应用领域。
随着科技的不断进步和需求的不断增加，对基体材料的研发和应用也在不断深入，为复合材料的发展提供了更广阔的空间。
复合材料中基体和增强体的作用
复合材料中基体和增强体的作用复合材料是由至少两种不同材料组成的材料，主要包括基体和增强体。
基体是复合材料的主体组成部分，起到支撑和固定增强体的作用。
增强体则是基体中的强化组分，负责提高复合材料的力学性能。
基体是复合材料的主要组成部分，起到支撑和固定增强体的作用。
基体通常是一种具有良好的柔韧性和强度的材料，如树脂、金属、陶瓷等。
基体的选择需要考虑复合材料的使用环境、应力要求以及成本等因素。
基体的性能决定了复合材料的整体性能，如强度、刚度、耐磨性等。
增强体是复合材料中起到强化作用的组分，通常是纤维、颗粒或片层状的材料。
增强体可以提高复合材料的强度、刚度和耐用性。
常见的增强体包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
增强体的选择取决于对复合材料所需的特定性能，如高强度、高刚度或高温耐受性。
基体和增强体的相互作用是复合材料性能的关键因素。
增强体的存在增加了复合材料的强度和刚度，同时还可以提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。
基体则提供支撑和固定增强体的功能，防止其从基体中脱离。
1.机械锁定作用：基体和增强体之间的力学锁定作用是通过增强体与基体之间的相互作用力和摩擦力来实现的。
增强体的形状和分布对锁定效果起到重要作用。
2.能量转化作用：增强体能吸收和分散外部载荷作用时的能量，通过增强体和基体之间的相互作用将能量转移到基体中，从而提高了复合材料的韧性和抗冲击性能。
3.功率传递作用：增强体通过相互作用将应力传递到基体中，增加了复合材料的整体强度和刚度。
增强体的刚度和强度越高，功率传递效果越好。
4.界面作用：基体和增强体的界面对于复合材料的性能起着重要作用。
界面的结构和性质影响着基体和增强体之间的相互作用，如界面的粘着强度和亲和性。
5.互补效应：基体和增强体的不同性质和结构相互补充，共同提高了复合材料的综合性能。
增强体可以弥补基体的缺陷，提高复合材料的强度和刚度，而基体可以提供增强体所不具备的柔韧性。
综上所述，基体和增强体在复合材料中具有不可替代的作用。
复合材料的组成及作用基体
层状陶瓷复合材料断口形貌
三明治复
双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 层状结构材料根据材质不同，分别用于飞机制造 、运输及包装等。
有TiN涂层的高尔夫球头
层状复合
铝合金蜂窝夹层板
9.3 复合材料的成型工艺
复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础 和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合 材料工业得到迅速发镇，其老的成型工艺日臻 完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基 复合材料的成型方法已有20多种，并成功地 用于工业生产.
2 复合材料的特点
A 组成与结构特点 （1）具有可设计性 （2）组元间有明显界面或 呈梯度变化的多相材料； （3）性能取决于各组分性 能及协同效应。 B 性能特点 比强度高
抗疲劳性能好
耐磨减磨性能高 减震能力强 高温性能好 化学稳定性高
成型工艺简单灵活
复合材料性能不足之处
1、横向拉伸强度和层间剪切强度低。 2、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。 3、制造时产品性能不稳定，分散性大，质 检困难。 4、抗老化性能不好。 5、机械连接困难。 6、成本太高。
9.4 复合材料在设计中的应用
聚合物基纤维增强复合材料 通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料 。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提 高，比强度也高得多。
材料种类
环氧树脂 环氧树脂 / E级玻璃纤维
纵向抗拉强 度 MPa
69 1020
纵向弹性模 量 GPa
6.9 45
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性） 环氧树脂 / 芳纶纤维（49）
3 复合材料分类
按组成分 ①金属与金属复合材料 ②非金属与金属复合材料 ③非金属与非金属复合材料 按结构特点： ①纤维复合材料 ②夹层复合材料 ③细粒复合材料 ④混杂复合材料
复合材料基体讲解
除此之外还有引发剂，阻聚剂等。
不饱和聚酯树脂的制备
在室温常压下，具有很高的固化能力，施工方便，可采用手糊成 型，喷射成型，拉挤成型，注射成型，缠绕成型的方式制得。
・
不饱和聚酯树脂合成的原、辅材料
1.二元酸 合成不饱和聚酸，在工业上可选用多种二元酸。使用酸组分优先
考 虑两个目的：（1）提供不饱和度；（2）使不饱度间有一定间隔。 2. 二元醇和多元醇
合成不饱和聚酯主要用二元醇用作分子链长控制剂；而多元醇使 用是为了得到体形网状的固体聚酯。 3.交联剂
把线性不饱和聚酯溶于烯类单体中，使其与聚酯的双键发生共聚 合反应，得到体型产物。
氰酸酯树脂的合成
实际生产中合成氰酸酯树脂的方式：在碱存在条件下，卤化氰与酚 类化合物反应制备氰酸酯单体
常用的酚类化合物为双酚A， 卤化氰为溴化氢：常温下固体。稳定性好，毒性小，活性适当
氰酸酯树脂加热后容易异构成异氰酸酯 高
其他合成方式收益不
氰酸酯树脂的改性
氰
与橡胶弹性体共混改性
酸
酯
树
脂 的
增加韧性
有优良的耐热性，其Tg一般大于250℃，使用温度范围为177℃～ 232℃左右。 (2)溶解性
由于BMI的分子极性以及结构的对称性，BMI单体不能溶于普通有 机中，只能溶于二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等强极 性、毒性大、价格高的溶剂中。 (3)力学性能
BMI树脂的固化反应属于加成型聚合反应，成型过程中无低分子副 产物放出，且容易控制。固化物结构致密，缺陷少，因而BMI具有较 高的强度和模量。但是由于固化物的交联密度高、分子链刚性强而 使BMl呈现出极大的脆性，它表现在抗冲击强度差、断裂伸长率小。
复合材料的基体材料
聚合物受热变化
提高树脂耐热性方法：
增加高分子链刚性：引入共轭双键、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。
25
三、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 化学作用：化学键破坏或新的化学键 影响因素： 树脂结构 树脂含量 树脂固化交联密度
CH2 O
CH
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一、 环氧树脂及其固化物的优缺点 (1) 力学性能高。环氧树脂具有很强的内聚力， 分子结构致密，所以它的力学性能高于酚醛树脂和不 饱和聚酯等通用型热固性树脂。 (2) 附着力强。环氧树脂固化体系中含有活性极 大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团， 赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝士、木材 等极性基材以优良的附着力。 (3) 固化收缩率小。一般为1％～2％。是热固性 树脂中固化收缩率最小的品种之一(酚醛树脂为8％～ 10％；不饱和聚酯树脂为4％～6％；有机硅树脂为4 ％～8％)。线胀系数也很小，一般为6×10-5/℃。所 以固化后体积变化不大。 (4) 优良的电绝缘性优良。环氧树脂是热固性树 脂中介电性能最好的品种之一。
理性能将直接影响复合材料的性能。金属材料
分为结构金属材料和功能用金属基复合材料。
2
金属复合材料的优点
1 2 3 与陶瓷材料相 比，金属基复合 材料具有高韧性 和高冲击性能、 热膨胀系数小等 优点
与传统金属材 料相比，金属 基复合材料具 有较高的比强 度、比刚度和 耐磨性
与树脂基复合材 料相比，金属基 复合材料具有优 良的导电、导热 性，高温
聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变
普弹形变：由聚合物分子的键长和键角改变引起， 变形较小（1%） 高弹形变：由大分子链的链段移动引起，是聚合物主 要变形形式（Tg以上） 强迫高弹形变（Tg以下）：在外力作用量够大，时间 是够长条件下出现 决定因素：大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度
复合材料的基体材料
复合材料的基体材料热塑性基体的缺点: ?、是热塑性基体的熔体或溶液粘度很高，纤维浸渍困难，预浸料制备及制品成型需要在高温高压下进行， ?、聚碳酸酯或尼龙这样一些工程塑料，因耐热性、抗蠕变性或耐药品性等方面问题而使应用受到限制。
二、热固性基体热固性基体主要是不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂一直在连续纤维增强树脂基复合材料中占统治地位。
不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，约占总量的80,，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀性或先进复合材料基体。
(一) 热固性树脂下表为一些常用的热固性树脂其它物理性能 1(不饱和聚酯树脂 1 不饱和聚酯树脂及其特点不饱和聚酯树脂是指有线型结构的，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。
不饱和聚酯的种类很多，按化学结构分类可分为顺酐型、丙烯酸型、和丙烯酸环氧酯型聚酯树脂。
不饱和聚酯树脂在热固性树指中是工业化较早，产量较多的一类，它主要应用于玻璃纤维复合材料。
由于树脂的收缩率高且力学性能较低，因此很少用它与碳纤维制造复合材料。
但近年来由于汽车工业发展的需耍，用玻璃纤维部分取代碳纤维的混杂复合材料得以发展，价格低廉的聚酯树脂可能扩大应用。
不饱和聚酯的主要优点是: ,、工艺性能良好，如室温下粘度低，可以在室温下固化，在常压下成型，颜色浅，可以制作彩色制品，有多种措施来调节其工艺性能等; ,、固化后树脂的综合性能良好，并有多种专用树脂适应不同用途的需要; ,、价格低廉，其价格远低于环氧树脂，略高于酚醛树脂。
不饱和聚酯的主要缺点是: 固化时体积收缩率较大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形，因此很少用于受力较强的制品中。
2 交联剂、引发剂和促进剂 a 交联剂不饱和聚酯分子链中含有不饱和双键，因而在热的作用下通过这些双键，大分子链之间可以交联起来，变成体型结构。
但是(这种交联产物很脆，没有什么优点，无实用价值。
因此，在实际中经常把线型不饱和聚酯溶于烯类单体中，使聚酯中的双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。
《复合材料力学》2复合材料的基体材料(标准版)
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。
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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。
21
2 金属基复合材料组成特点
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。
强材料与基体复合而成的复合材料。
4
复合材料性能的综合比较
使用温度 ℃
强度 耐老化
导热性 W/(mK)
耐化学 腐蚀
树脂基复 合材料
60~250
可设计
最差
0.35~0.45
最好
金属基复 合材料
400~600
可设计
一般
50~65
一般
陶瓷基复 1000~150
可设计
合材料
0
5
最好
0.7~3.5
最好
工艺 成熟 一般 复杂
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。
复合材料聚合物基体
聚合物基体的分类
根据聚合物的来源和化学结构， 可分为天然聚合物和合成聚合物 两大类。常见的聚合物基体包括 聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。
聚合物基体的性能
聚合物基体具有良好的加工性、 韧性、耐化学腐蚀性和电绝缘性 等。同时，聚合物的性能可通过 改变其化学结构、分子量、添加
剂等进行调控。
热导率
基体材料应具备较低的热导率，以减少热量在复 合材料中的传递，提高隔热性能。
热膨胀系数
与增强纤维相匹配的热膨胀系数有助于减少温度 变化引起的内应力。
环境因素影响
耐候性
聚合物基体应具有良好的耐候性，能抵抗紫外线、氧 化、酸碱等环境因素的侵蚀。
耐化学腐蚀性
基体材料应具备优异的耐化学腐蚀性，以在腐蚀性环 境中保持性能稳定。
热固性聚合物基体
1 2 3
不可逆的固化过程
热固性聚合物基体在加热时会发生交联反应，形 成三维网络结构，一旦固化就无法再次加工。
优异的耐热性和耐化学腐蚀性
热固性聚合物基体固化后具有较高的耐热性和耐 化学腐蚀性，适用于高温和腐蚀性环境下的复合 材料。
广泛的应用领域
热固性聚合物基体被广泛应用于建筑、船舶、化 工等领域。
聚合物基体的作用
聚合物作为复合材料的基体，对于复合材料的性能起着至关重要的 作用，如力学性能、热稳定性、耐腐蚀性等。
研究意义
深入研究聚合物基体的性能及其与增强材料之间的相互作用，有助 于优化复合材料的性能，推动复合材料领域的发展。
聚合物基体概述
聚合物的定义
聚合物是由大量重复单元通过共 价键连接而成的高分子化合物，
增强作用
提高力学性能
聚合物基体能够有效地增强复合材料 的力学性能，如拉伸强度、弯曲强度 和冲击韧性等。
复合材料基体
复合材料基体
复合材料基体是指在复合材料中起支撑、传递载荷和保护纤维的主要成分，是
复合材料的基础结构。
复合材料基体的选择对于复合材料的性能具有至关重要的影响，因此，对于复合材料基体的研究和选用具有重要意义。
首先，复合材料基体的选择应考虑到其与纤维的粘结性能。
粘结性能直接影响
着复合材料的强度和韧性。
若基体与纤维的粘结性能不佳，容易导致复合材料的层间剥离和断裂，从而降低了复合材料的整体性能。
因此，选择具有良好粘结性能的基体材料是十分重要的。
其次，复合材料基体的力学性能也是需要考虑的重要因素。
基体材料应具有较
高的强度和刚度，以保证复合材料在受力时能够有效地传递载荷。
同时，基体材料的韧性也是需要考虑的因素之一，良好的韧性可以有效地提高复合材料的抗冲击性能，延缓疲劳破坏的发生。
另外，复合材料基体的耐腐蚀性能也是需要重视的。
在实际应用中，复合材料
往往需要在恶劣的环境条件下工作，因此基体材料应具有良好的耐腐蚀性能，以保证复合材料的使用寿命和可靠性。
此外，基体材料的加工性和成本也是需要考虑的因素。
良好的加工性能可以降
低复合材料的制造成本，提高生产效率，而低成本的基体材料可以降低复合材料的整体成本，提高其在市场上的竞争力。
总的来说，复合材料基体的选择应综合考虑粘结性能、力学性能、耐腐蚀性能、加工性和成本等因素，以确保复合材料具有良好的整体性能和经济性。
在实际应用中，需要根据具体的工程要求和环境条件，选择合适的基体材料，并通过合理的设计和制造工艺，充分发挥复合材料的优势，满足工程应用的需求。
第3章基体材料
2.高聚物分子链的结构形态较复杂，按其几何形状可分为线型 结构、支链结构和体型结构。
3.高分子链之间以次价力相互作用，结合成为晶态或非晶态的 结构，并且晶态和非晶态结构可以同时存在于一种高聚物之中。
（二）特点
热固性树脂一般是各向同性的，其最大特点是对热的响 应。它不因加热而熔化，但加热到热变形温度时，热固性树 脂会失去刚性，因此在应用中有上限温度。
热固性树脂——环氧树脂
❖ 环氧树脂——在分子中含有两个或两个以上环氧基团的
一类高聚物的总称。
❖ 环氧基具有极强的化学活泼性，可与多种类型的固化剂
发动速率与切应力之间存在着下列关系：
D=A（σ-σ1）n
树脂的流动速率除与树脂大分子的化学结构、相对分子质量、几何形状有关 外，还与温度、切应力的大小有关。增塑剂的存在也会影响树脂的流动性， 可降低树脂软化温度和黏度。
基体材料的工艺性
四、固化性能
固化指线形树脂在固化剂存在或加热条件下，发生化学反应而转变成不溶、 不熔、具有体形结构的固态树脂的全过程。
五、其他性能
1.黏附性 在基体与纤维表面不发生化学反应的条件下，黏附力的大小取决于树脂的 表面张力及基体对纤维表面的浸润能。另外，还需考虑本身固化时的体积收缩 率，有无小分子放出，断裂伸长率是否与纤维相适宜等。 2.固化收缩率 固化收缩率有体积收缩率和线收缩率。固化收缩包括物理收缩与化学收缩。 环氧树脂固化收缩率小。
2.酚醛多环氧树脂
由环氧氯丙烷与线形酚醛树脂缩聚而成。由于大分子中含有 两个以上的环氧基，主链的刚性较强，树脂固化后产物的交联密 度大，具有良好的耐热性和化学稳定性。
复合材料的组成和结构
复合材料的组成和结构随着科技的不断发展，复合材料已经成为了现代工业领域不可或缺的一部分。
它们可以广泛应用于飞机、汽车、船舶、建筑、电子设备和医学器械等领域。
那么，什么是复合材料呢？复合材料的组成和结构是什么？下面将为您详细解答。
一、何为复合材料？复合材料（Composite Materials）是指由两种或两种以上不同材料组合而成的新型材料。
它的特点在于不同材料之间有更强的结合力，这种结合力可以使复合材料具有独特的性质和优良的性能。
二、复合材料的组成1. 基体材料基体材料通常是具有良好强度和刚度的聚合材料（如环氧树脂），金属（如铝、钛等）或陶瓷（如氧化铝）等。
基体材料形成了复合材料的主要骨架结构。
2. 增强材料增强材料通常是一种纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
这些纤维具有高强度和高模量特性，经过加工可以将它们布置在基体材料的表面上，形成所谓的增强材料。
3. 界面材料由于基体材料和增强材料的化学和物理性质有很大的差异，所以界面材料的作用是防止它们之间的层间剥离，保证复合材料整体强度。
目前，界面改性技术已经成为大量研究的主要方向之一。
三、复合材料的结构复合材料结构是由增强材料和基体材料的交替叠加形成的。
正常情况下，复合材料的厚度都很小，只有几毫米到几十厘米不等。
其结构特点主要包括以下几个方面：1. 纤维结构复合材料中的纤维结构通常是由排列有序的纤维复合体构成的。
这样的排列方式可以使纤维之间相互贯通，在应力作用下相互支撑，提高复合材料的抗拉强度和抗剪强度。
2. 层间结构层间结构是由交替叠加的增强材料和基体材料构成的。
由于增强材料比基体材料更硬，所以在外力作用下，增强材料首先承受应力，从而优化整个结构的抗振性能。
3. 裂纹结构相对于单一材料的均质结构而言，复合材料内部有很多不同性质的材料组合而成，因此对外部应力有更强的韧性和耐久性。
裂纹结构是在复合材料发生破裂时形成的，通过层间叠加的结构来缓解应力并防止破碎。
复合材料 第三章 复合材料的基体材料
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，用它制成的叶片和传动轴等零件可用于高
性能航空发动机。
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现在已用于钛基复合材料的钛合金的成分和性能如下
钛合金的成分和性能
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C、用于600-900 ℃的复合材料的金属基体 铁和铁合金是在此温度范围内使用的金
属基体。
46
(２ )
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℃。
47
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
55
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。
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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，避免产生热应 力，来提高器件的可靠性。
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3 功能用金属基复合材料的基体
功能用金属基复合材料随着电子、信息、
能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受 到各方面的重视，面临广阔的发展前景。
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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。
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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。
复合材料的基体材料
17
4 、基体材料的选用原则
①产品性能 ②工艺性能
综合决定
基体材料
③成本及来源
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二、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。
性能
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二、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 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
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聚合物受热变化
提高树脂耐热性方法：
增加高分子链刚性：引入共轭双键、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。
25
三、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 化学作用：化学键破坏或新的化学键 影响因素： 树脂结构 树脂含量 树脂固化交联密度
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环氧树脂的命名方法
1. 代号与型号 主要有E、F、R（二氧化双环戊二烯环氧）等。 型号“E-51”表征的意义。 2.主要指标 环氧值或环氧当量。 环氧值：100g环氧树脂中含有环氧基团的物质的 量（或克当量数）。 环氧当量：含有1克当量环氧基的环氧树脂的克 数。环氧值×环氧当量＝100 表征意义：反应活性，相对分子量的大小
与晶体共存的均匀多晶材料，又称为玻璃陶瓷。
复合材料的基体材料
基体材料
高分子化合物的物理形态
基体材料
环氧树脂
泛指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，分子结构是以分子链中 含有活泼的环氧基团为其特征
O 环氧基团：—CH—CH—
基体材料
性能和特性
1、形式多样。各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应 各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔 点固体。 2、 固化方便。选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可 以在0～180℃温度范围内固化。 3、 粘附力强。环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存 在，使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收 缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。 4、 收缩性低。环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加 成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水 或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂 相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于2%）。
基体材料
基体的作用
把纤维粘在一起； 分配纤维间的载荷； 保护纤维不受环境影响
基体材料
基体材料的工艺性
成型的基本过程：用树脂浸渍纤维—烘干定型— 固化 浸润性能、黏接性能、流动性能、固化性能（成 型方法选择和工艺参数确定的主要依据）。 固化：线形树脂在固化剂存在或加热条件下，发 生化学反应转变成不溶、不熔、具有体型结构的 固态树脂的全过程。黏流态——固态
基体材料
复合材料基体(Matrix)材料
环氧树脂是线型结构，必须加入固化剂使它变为 不溶不熔的网状结构才有用途。常用的固化剂包括脂 肪族或芳香族胺类，有机多元酸或酸酐等。
按固化工艺可分为三大类： 1）含有活泼氢的化合物，它仍在固化时发生加成
聚合反应； 2）离子型引发剂，它可分阴离子和阳离子； 3）交联剂，它能与双酚A型环氧树脂的氢氧基进行
半晶高聚物转变成软而韧的皮革态； 热塑高聚物Tg 基本固定；热固高聚物Tg 随其 交联度的增加而增加, 当交联度很高时，达到Tg后 无明显的软化现象。 Tm（结晶）、Tf（非晶）：成为高粘度的流体。
温度及加载速度对高聚物力学性能的影响
二、金属
二、金属
1、用于450 C以下的轻金属基体（铝、镁及其合金） 1-1 铝及其合金: 面心立方结构，无同素异构转变。熔点为660C， 密度2.7g/cm3。塑性优异，导热、导电性能好；化学 活性高，强度不高。铝合金中常用的合金元素有铜、 镁、锌、锰和硅等。 可分变形铝合金和铸造铝合金 (Z L)。变形铝合金可分为: 防锈铝(LF)、硬铝（LY） 、超硬铝(LC)、锻铝（LD）。
用要求的差异，采用的固化条件也有很大的差异。 一般的固化条件有室温固化、中温固化（120C左右） 和高温固化（170C以上）。这类高分子通常为无定 型结构。具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性 能和尺寸稳定性好等优点。
2、热塑性聚合物: 它们是一类线形或有支链的固态高分子，
可溶可熔，可反复加工而无化学变化。 包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）
2、非氧化物陶瓷
主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。 特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆
性也很强。碳化物、硼化物的抗热氧 化温度约900-1000C，氮化物略低些 ，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所 以抗热氧化温度可达1300-1700C。
复合材料中的基体材料
•
2.2.2.2. 各类环氧树脂
2.2.2.2.1. 缩水甘油醚型ER
O R－O－CH2－CH－CH2
含活泼氢的酚或醇 + 环氧氯丙烷 缩聚 缩水甘油醚类ER
NER M ×100
定义：环氧值是指100g树脂中所含环氧基团的克当量数 =
例如：ER的平均分子量340，含有两个环氧基团，则
2 环氧值 ＝ ×100 ＝ 0.588 340
2.2.1.2. 不饱和树脂的合成
(1) 合成不饱和树脂的原材料
① 不饱和二元酸或酸酐 反丁烯二酸、氯代马来酸； 顺丁烯二酸及其酸酐； 丙烯酸、甲基丙烯酸 ② 饱和二元酸或酸酐 间苯二甲酸、对苯二甲酸及其酸酐； 己二酸及其酸酐、癸二酸、四氯苯酐 ③ 二元醇：乙二醇、丙二醇、一缩二乙二醇等 ④ 烯类单体交联剂：苯乙烯、MMA、邻苯二甲酸 二烯丙酯等
纤维断裂，裂纹也不会从一根纤维扩展到其他纤 维上，因此提高了复合材料的抗疲劳强度； 4. 复合材料的横向拉伸性能、压缩性能、剪切性能、 耐热性能和耐介质性能等都与基体有着密切关系。
2.1.2 在CM中对基体的几点要求
（1）基体对纤维（或增强材料）具有适度的 粘结性
这个主要涉及到基体与增强材料的界面问题， 一般材料表面具有等极性基团，而基体材料则应 与之能够反应或都有较强的作用力。
② 羟基酸之间或羟基酸与二元醇之间进行缩聚反应
2HOR'-OCORCOOH k1 k2 HOR'OCORCOOR'OCORCOOH + H2O
HOR'-OCORCOOH + HOR'OH
k1 k2
HOR'OCORCOOR'OH + H2O
⑶ 饱和酸与不饱和酸或酸酐的混合使用
复合材料的基体材料
复合材料的基体材料
复合材料的基体材料是复合材料的核心，包括基体材料和纤维材料，
是支撑和固定复合材料结构的主要材料。
市场上主要的基体材料有：金属
材料、陶瓷材料、树脂材料、橡胶材料等，其中，金属材料主要是钢材、
铝材、铜材等，陶瓷材料主要是碳化硅等陶瓷，树脂材料主要是玻璃树脂、聚氨酯树脂等，橡胶材料主要是聚氯乙烯橡胶、氯丁橡胶等。
金属材料是复合材料中最常用的基体材料，因其强度高、韧性好、耐
磨性好等特点，被广泛应用于航空航天、舰船、汽车、机械制造等领域。
除了可以直接作为复合材料的基体材料外，金属材料还可以作为复合材料
的抗剥裂固化剂和增强剂，为复合材料的抗剥裂性能和强度增加提供有效
支撑。
陶瓷材料是复合材料中热强度高、导热性好的基体材料，主要用于抗
高温高压腐蚀等领域。
陶瓷材料具有良好的耐寒性、耐热性和耐腐蚀性，
能够在极端的温度和压力条件下发挥出良好的性能。
树脂材料是复合材料中最常用的基体材料，可以提供轻量、柔韧、隔
热和耐腐蚀的性能，主要用于制造复合材料工件。
复合材料中的基体材料
复合材料中的基体材料复合材料是由两种或更多种不同材料组成的材料，其中一种材料称为基体材料。
基体材料在复合材料中起到支撑和固定增强材料（通常是纤维或颗粒）的作用。
基体材料的选择对复合材料的性能和应用起着至关重要的作用。
下面将介绍一些常见的基体材料及其特点。
1.金属基体材料：金属基体材料主要是指铝、镁、钛等金属材料。
金属基复合材料具有高强度、高刚度、优良的导热性、良好的耐腐蚀性和可加工性等优点。
金属基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、船舶制造和建筑等领域。
2.高分子基体材料：高分子基体材料主要是指树脂类材料，如环氧树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺等。
高分子基复合材料具有重量轻、绝缘性能好、抗腐蚀性能好等特点。
高分子基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、电子电器等领域。
3.陶瓷基体材料：陶瓷基体材料主要是指氧化铝、氧化硅、碳化硅等无机材料。
陶瓷基复合材料具有高硬度、高耐磨性、抗高温等特点。
陶瓷基复合材料广泛应用于制造耐火材料、摩擦材料和高温结构材料等领域。
4.碳基体材料：碳基体材料主要是指碳纤维、炭黑等碳材料。
碳基复合材料具有重量轻、高强度、高刚度、耐高温、导电性能好等特点。
碳基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、体育器材等领域。
5.纳米基体材料：纳米基体材料主要是指纳米颗粒、纳米管、纳米片等纳米材料。
纳米基复合材料具有独特的物理、化学和力学性能，如高强度、高硬度、低摩擦系数等。
纳米基复合材料在材料科学领域具有重要的应用前景。
总之，基体材料是复合材料中重要的组成部分，其种类和性能直接影响着复合材料的性能和应用范围。
随着科技的发展，不断有新型的基体材料涌现，为复合材料的开发和应用带来了新的可能性。
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双马来酰亚胺缺点
未改性的双马来酰亚胺存在熔点高， 溶解性差，成型温度高，质脆，耐冲击性 教差的缺点。为此，必须为其改性 改性方式 双马来酰亚胺 1.与烯丙基化合物共聚 2. 芳香二胺等扩链 3. 环氧改性 4. 热塑性树脂增韧 5.芳香氰酸树脂改性 6.合成新型单体
双马来酰亚胺应用
电气绝缘材料：耐高温浸渍漆， 层压板、覆铜板、模压塑料等
氰酸酯树脂的特性
①低价电常数（ε=2.8~3.2) ②极小的介电损耗角正切值（0.002~0.008） ③高玻璃化温度（Tg=240~2900C) ④低收缩率 ⑤低吸湿率（<1.5%) ⑥优良的力学性能和粘结性能
氰酸酯树脂的合成
实际生产中合成氰酸酯树脂的方式：在碱存在条件下，卤化氰与酚 类化合物反应制备氰酸酯单体
二步法的优点是：反应时间短；操作稳定，温度波动小，易于控 制；加碱时间短，可避免环氧氯丙烷大量水解；产品质量好而且稳 定，产率高。
环氧树脂的应用
1.涂料用途 它能制成各具特色、用途各异的品种。其共性： a耐化学性 b附着力强，特别是对金属。 c具有较好的耐热性和电绝缘性。d漆膜保色性较好。 2.胶粘用途 对于各种金属材料如铝、钢、铁、铜；非金属材料如玻璃、木材、 混凝土等；以及热固性塑料如酚醛、氨基、不饱和聚酯等都有优良 的粘接性能，因此有万能胶之称。
常用的酚类化合物为双酚A， 卤化氰为溴化氢：常温下固体。稳定性好，毒性小，活性适当
氰酸酯树脂加热后容易异构成异氰酸酯
其他合成方式收益不
高
氰酸酯树脂的改性
氰 酸 酯 树 脂 的 韧 性 不 够
与橡胶弹性体共混改性
增加韧性
与单官能度氰酸酯共聚，以降低网络交联 密度
与热塑性塑料共混共固化形成半互穿网络
3.双马来酰亚胺树脂
双马来酰亚胺树脂：以马来酰亚胺为活性端基的双官能团化合物。 是由聚酰亚胺树脂体系派生的。 其通式为
双马来酰亚胺的特性
(1)耐热性 BMI由于含有苯环、酰亚胺杂环及交联密度较高而使其固化物具 有优良的耐热性，其 Tg 一般大于 250 ℃ ，使用温度范围为 177 ℃ ～ 232℃左右。 (2)溶解性 由于BMI的分子极性以及结构的对称性，BMI单体不能溶于普通有 机中，只能溶于二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等强极 性、毒性大、价格高的溶剂中。 (3)力学性能 BMI树脂的固化反应属于加成型聚合反应，成型过程中无低分子副 产物放出，且容易控制。固化物结构致密，缺陷少，因而BMI具有较 高的强度和模量。但是由于固化物的交联密度高、分子链刚性强而 使BMl呈现出极大的脆性，它表现在抗冲击强度差、断裂伸长率小。 （4）BMI还具有优良的电性能、耐化学性能及耐辐射等性能。
酚醛树脂的应用
酚醛泡沫 酚醛树脂涂料
其他
酚醛纤维 酚醛压塑粉
酚醛胶黏剂
隔热保温材料
5.氰酸酯树脂
氰酸酯树脂：通常定义为含有两个或两个以上的氰酸酯官能团 的二元酚衍生物。在热和催化剂作用下，发生三元化反应，生成含 有三嗪环的高交联网络结构高分子。 通式为
其中R: 氢原子、甲基和烯丙基等，X可以是亚异丙基脂环骨架
环氧树脂特性
1、 形式多样。可以适应各种应 用对形式提出的要求。 2、 固化方便。可以在0～180℃温度范围内固化。 3、 粘附力强。分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种 物质具有很高的粘附力。 4、 收缩性低。 5、 具有优良的力学性能、电性能、化学稳定性、尺寸稳定性 6、 耐霉菌。固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻的热带 条件下使用。
雷达天线罩是导弹的一个结构功能部件, 它保 作为电子元器件的载体, 必须具有 极佳的电绝缘性能即介电常数和介 护雷达天线在恶劣环境条件下能够正常的工作,。 制造雷达罩要求基体树脂的介电常数<3.5， 质损耗因子较低。还具有耐高温、 介质损耗因子<0.01，玻璃化温度>150℃，并且 尺寸稳定性、低吸湿率和良好的耐 具有优良的耐湿热性能。 腐蚀性能。 3、CE在航空航天用高韧性结 构复合材料基体 4、CE 在隐身材料中的应用
1 热塑性酚醛树脂 当酚/醛摩尔比大于1，且在强酸条件下可合 成 一般热塑性树脂 2 热固性酚醛树脂 当酚/醛摩尔比小于1，且在碱性条件下 可合成 热固性树脂 高邻位酚醛树脂 在中等算条件下（PH=4~7)可合成高邻位 线性树脂
酚醛 树脂
3
酚醛合成必须在催化剂存在下进行，用甲醛溶液和等体积的酚 醛混合，溶液的PH值为3.0-3.1，把吃混合物加热到沸腾，在数周内 并为观察有任何反应发生，因此PH3.0~3.1时，被称为中性点。若在 混合物中加入酸或者碱，使PH小于3.0或大于3.1时，反应就立刻发 生。
1.不饱和聚酯树脂
聚酯是主链上含有酯键的高分子化合物总称。由二元醇或多元醇 与二元酸或多元酸缩聚而成。 不饱和聚酯树脂是不饱和聚酯在交联剂（例如苯乙烯）中的溶液， 简称聚酯树脂。
式中G代表二元醇的二价烷基，R代表饱和二元酸中芳基，x,y则表 示聚合度。由此可见，不饱和聚酯树脂具有线型结构，故又称线型 不饱和聚酯。
生成条件：酸催化、苯酚过量 聚合反应过程：加成反应 缩合反应 加成反应机理：苯酚与甲醛反应生成羟甲基酚醛，邻对位均可以反 应，反应速度与氢离子浓度成正比。
缩合反应机理：酸性促进剂促进各种羟甲基酚脱水生成正离子，再 与苯酚反应，两个酚核通过亚甲基桥连在一起
酚醛树脂的缺陷及改性
缺陷 ①脆性较大聚 ②吸湿率高 ③热氧稳定性较低 ④需要较高的成型压力 改性 1.乙烯醇缩醛改性酚醛树脂 2.环氧改性酚醛树脂 3.有机硅改性酚醛树脂 4.硼酸改性酚醛树脂 5.二甲苯甲醛树脂改性酚醛树脂 6.聚酰胺改性酚醛树脂 7.二甲醚甲醛树脂 8.高纯酚醛树脂 9.适用于低压成型的钡酚醛树脂的应用
3.工程塑料 环氧工程塑料主要包括用于高压成型的环氧模塑料和环氧层压塑 料，以及环氧泡沫塑料。在化工及航空、航天、军工等高技术领域 的一种重要的结构材料和功能材料。
4.电子电器 电器、电机绝缘封装件的浇注。 如电磁铁、接触器线圈、互感器、 干式变压器等高低压电器的 整体全密封绝缘封装件的制造。
5土建材料 主要用作防腐地坪、环氧砂浆和混凝 土制品、高级路面和机场跑道、快速 材料、加固地基基础的灌 浆材料、建 筑胶粘剂及涂料等
用热固性树脂（环氧树脂、双马来酰胺属猪）改性 用热固性树脂（环氧树脂、双马来酰胺树脂）
改性
氰酸酯树脂的应用
氰酸酯树脂结构决定优异的介电性能，高耐热性能，良好的综合 力学性能，较好的尺寸稳定性和极低的吸水率。其复合材料有广泛 的应用领域
1、CE在高性能印刷线路板基体 2、CE在高性能透波材料（雷达罩）基体
环氧树脂的制备
双酚A环氧树脂胶 一步法和二步法。 a) 一步法工艺是把双酚A和环氧氯丙烷在NaOH作用下进行缩聚， 即开环和闭环反应在同一反应条件下进行的。 b) 二步法工艺是双酚A和环氧氯丙烷在催化剂(如季铵盐)作用下， 第一步通过加成反应生成二酚基丙烷氯醇醚中间体，第二步在NaOH 存在下进行闭环反应，生成环氧树脂。
不饱和聚酯树脂生产流程简图 1丙二醇贮槽；2乙二醇贮槽；3计量器；4分馏柱； 5立式冷凝器；6卧式冷凝器；7接收器；8反应釜； 9真空压力表；10稀释釜；11回流冷凝器： 12热测量器。
常用不饱和聚酯树脂分类和用途
2.环氧树脂
凡分子结构中含有两个或两个以上环氧基团的高分子化合物统称 为环氧树脂
固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能，它对金属和非金 属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变定收缩率小， 制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定， 因而广泛应用于国防、国民经济各部门，作浇注、浸渍、层压料、 粘接剂、涂料等用途。
1. 先往反应釜中通入惰性气体。待 反应系统净化后投入二元醇，开始加 热并投入二元酸。二元酸熔化后开启 搅拌装置，同时控制好反应温度。 2. 待反应完成后，冷却物料，再加 入阻聚剂和交联剂，搅拌半小时，准 备稀释。 3. 在稀释釜内预先投入阻聚剂、光 稳定剂并充分搅拌至均匀状态。然后 打开反应釜底阀，使聚酯慢慢流入稀 释釜，稀释完毕关好反应釜底阀，使 物料自然降温固化。
耐磨材料：金刚石砂轮、重负荷砂轮、 刹车片、耐高温轴承粘合剂
航空航天结构材料
个
功能材料以其他方面
4.酚醛树脂
酚类和醛类的缩合产物统称为 酚醛树脂，一般常指由苯酚与甲醛经缩 聚反应而得到的合成树脂。
酚醛树脂和环氧树脂、不饱和树脂合称 三大合成热固性树脂，应用广泛，产量大。
酚醛树脂的特性
高温性能 酚醛树脂最重要的特征就是耐高温性，即使在非常高的温度下，也 能保持其结构的整体性和尺寸的稳定性。 粘结强度 酚醛树脂一个重要的应用就是作为粘结剂。酚醛树脂是一种多功能， 与各种各样的有机和无机填料都能相容的物质。设计正确的酚醛树 脂，润湿速度特别快。并且在交联后可以为磨具、耐火材料，摩擦 材料以及电木粉提供所需要的机械强度，耐热性能和电性能。 高残碳率 在温度大约为1000℃ 的惰性气体条件下，酚醛树脂会产生很高的残 碳，这有利于维持酚醛树脂的结构稳定性。酚醛树脂的这种特性， 也是它能用于耐火材料领域的一个重要原因。 低烟低毒 酚醛树脂系统具有低烟低毒的优势。 抗化学性 交联后的酚醛树脂可以抵制任何化学物质的分解 热处理 热处理会提高固化树脂的玻璃化温度，可以进一步改善树脂
环氧树脂分类
根据分子结构，环氧树脂大体上可分为五大类： 1． 缩水甘油醚类环氧树脂 2． 缩水甘油酯类环氧树脂 3． 缩水甘油胺类环氧树脂 4． 线型脂肪族类环氧树脂 5． 脂环族类环氧树脂
工业上使用量最大的环氧树脂品种是第一类缩水甘油醚类环氧树 脂，而其中又以双酚A型环氧树脂为主。其次是缩水甘油胺类环氧树 脂。
・
不饱和聚酯树脂合成的原、辅材料
1.二元酸 合成不饱和聚酸，在工业上可选用多种二元酸。使用酸组分优先 考 虑两个目的：（1）提供不饱和度；（2）使不饱度间有一定间隔。 2. 二元醇和多元醇 合成不饱和聚酯主要用二元醇用作分子链长控制剂；而多元醇使 用是为了得到体形网状的固体聚酯。 3.交联剂 把线性不饱和聚酯溶于烯类单体中，使其与聚酯的双键发生共聚 合反应，得到体型产物。