材料表界面第八章-复合材料界面PPT课件
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❖ 它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分材料 没有的独特性能。
2
复合材料的结构：
❖ 基体相 ❖ 增强剂相 ❖ 相与相之间存在界面。
复合材料按基体分类
❖ 聚合物基复合材料 热塑性聚合物基：PP、PE、尼龙、PVC 热固性聚合物基：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等
❖ 金属基复合材料 ❖ 无机非金属基复合材料：
❖ 分子链中引入环氧基一般有两种方法，一种是由含 活泼氢的化合物如酚类、有机酸类、胺类与环氧氯 丙烷发生开环反应，然后在碱的作用下闭环，引入 环氧基：
16
缩水甘油醚型环氧树脂
R - O H + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - O - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
缩水甘油胺型环氧树脂
R - O - C H 2 - C H - C H 2 O
R - N H 2 + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 O
6
复合材料的特性
（3） 耐腐蚀性能和热稳定性能好
耐海水、耐酸、碱、盐和有机溶剂，适宜用作化工机械零部件、管 道、贮槽、渔船等 ；导热系数低，是优良的绝热材料。聚合物基复 合材料的耐烧蚀性能优良，能保护飞行器重返大气层免受2000℃以 上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为 零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。
4
一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量
材料
密度 （g/cm3）
钢
７.８
铝合金
２.８
钛合金
４.５
玻璃纤维复合 材料
２.０
碳纤维I／环氧 复合材料
１.６
碳纤维II／环 １.４５ 氧复合材料
有机纤维／环 氧复合材料
１.４
硼纤维／环氧 复合材料
２.１
拉伸强度 （GPa） １.０３ ０.４７ ０.９６ １.０６
7
复合材料的特性
（4）性能的可设计性及材料与结构的一致性
复合材料的性能除由纤维、树脂的种类及含量决定外，还与纤 维的排列方向、铺层次序和层数有关，因此可以优化设计，做到安 全可靠，经济合理。
在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一 特点使得复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多， 降低了应力集中。同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造 工序和加工量，缩短加工周期，降低生产成本。
也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着复合 材料科学的发展。
9
8.2. 聚合物基复合材料
❖ 聚合物可分为热固性树脂和热塑性树脂，相应地，聚合物 基复合材料也可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂 基复合材料。
❖ 用作复合材料基体的热塑性树脂有聚乙烯、聚丙烯、尼龙、 聚酰亚胺等热塑性高分子材料。
陶瓷基、水泥基、玻璃基
3
复合材料的特性
(1). 轻质高强
复合材料的密度低，在1.4～2.0之 间，约为钢的1/5，铝的1/2，因而 其比强度（抗张强度与密度的比）、 比模量（弹性模量与密度的比）比 钢、铝合金高，如高模量碳纤维/环 氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝 合金的4倍。其比模量是钢、铝、钛 的4倍。轻质高强是复合材料适宜用 作航空、航天材料的宝贵性能。
11
❖ 饱和二元酸或酸酐：
O
COOH
C CO
O
COOH
❖ 不饱和二元酸或酸酐
O HC C HC C O
O
HC COOH HOOC CH
12
❖ 多元醇
CH 3CH-CH2 OH OH
❖ 交联剂
CH=CH 2
HOCH 2CH O2 H
13
首先，多元酸（酸酐）与多元醇缩聚，形成分子量不很大的、 主链含有双键的不饱和聚酯：
１.０７
１.５０
１.４０
１.３８
弹性模量 比强度 比模量 （102GPa） （106cm） （108cm）
２.１
１.３
２.７
０.７５
１.７
２.６
１.１４
２.１
２.５
０.４
５.３
百度文库２.０
２.４
６.７
１５
１.４
１０.３
９.７
０.８
１0.０
５.７
２.１
６.６
１０
5
复合材料的特性
(2). 电性能好
聚合物基复合材料的电绝缘性、高频介电性能、微波透 过性好，适宜用作电机仪表零件、雷达罩等。
❖ 用作复合材料基体的热固性树脂最主要的是不饱和聚酯树 脂、环氧树脂和酚醛树脂，其它还有脲醛树脂、呋喃树脂、 有机硅树脂等。其中最主要，应用最广泛的是不饱和聚酯、 环氧和酚醛三大热固性树脂。
10
8.2.1 不饱和聚酯
不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸(或酸酐)，不饱和 二元酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的聚酯在 乙烯基单体（如苯乙烯）中的溶液。
第8章 复合材料的界面
1
8.1 复合材料概述
复合材料是由两种或两种以上的不同材料通过一定工艺 制成的多相材料，并具有与原组成材料不同的新的性能。
包括三层意义：
❖ 它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方 法分离的材料。
❖ 它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在一起， 形成复合材料。
14
❖ 过氧化物引发剂： BPO 过氧化甲乙酮 过氧化环己酮
❖ 氧化－还原引发体系：促进剂，可使之在室温下固化
BPO－N，N-二甲基苯胺 过氧化甲乙酮-环烷酸钴 过氧化环己酮-环烷酸钴 不饱和聚酯树脂是复合材料中用量最大的基体树脂
人造大理石、玛瑙
舰船
座椅
15
8.2.2 环氧树脂
❖ 环氧树脂是指分子结构中含有2个或2个以上环氧基 的化合物。环氧基可在分子链末端，也可在分子链 的中间。
O
O
C O HC= C O CH HC=C
调节饱和二元酸和不饱和二元酸的比例，可以控制不饱和聚酯中双键的含量
然后，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯 发生自由基共聚反应，交联成三元网状结构
O CO
O HC-CHCO
HC-CH
CH-Ph
CH-Ph
CH
O
n
O
CH n
CO
HC-CHCO
HC-CH
8
复合材料的特性
（5）界面结合性差，层间剪切强度低
聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差， 材料性能分散性大，耐高温和环境老化性不好等。
此外，由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因 而界面的相容性和结合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横 向强度都不够理想。因此，常常要对复合材料进行界面改性来提 高复合材料的性能。
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复合材料的结构：
❖ 基体相 ❖ 增强剂相 ❖ 相与相之间存在界面。
复合材料按基体分类
❖ 聚合物基复合材料 热塑性聚合物基：PP、PE、尼龙、PVC 热固性聚合物基：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等
❖ 金属基复合材料 ❖ 无机非金属基复合材料：
❖ 分子链中引入环氧基一般有两种方法，一种是由含 活泼氢的化合物如酚类、有机酸类、胺类与环氧氯 丙烷发生开环反应，然后在碱的作用下闭环，引入 环氧基：
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缩水甘油醚型环氧树脂
R - O H + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - O - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
缩水甘油胺型环氧树脂
R - O - C H 2 - C H - C H 2 O
R - N H 2 + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 O
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复合材料的特性
（3） 耐腐蚀性能和热稳定性能好
耐海水、耐酸、碱、盐和有机溶剂，适宜用作化工机械零部件、管 道、贮槽、渔船等 ；导热系数低，是优良的绝热材料。聚合物基复 合材料的耐烧蚀性能优良，能保护飞行器重返大气层免受2000℃以 上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为 零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。
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一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量
材料
密度 （g/cm3）
钢
７.８
铝合金
２.８
钛合金
４.５
玻璃纤维复合 材料
２.０
碳纤维I／环氧 复合材料
１.６
碳纤维II／环 １.４５ 氧复合材料
有机纤维／环 氧复合材料
１.４
硼纤维／环氧 复合材料
２.１
拉伸强度 （GPa） １.０３ ０.４７ ０.９６ １.０６
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复合材料的特性
（4）性能的可设计性及材料与结构的一致性
复合材料的性能除由纤维、树脂的种类及含量决定外，还与纤 维的排列方向、铺层次序和层数有关，因此可以优化设计，做到安 全可靠，经济合理。
在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一 特点使得复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多， 降低了应力集中。同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造 工序和加工量，缩短加工周期，降低生产成本。
也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着复合 材料科学的发展。
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8.2. 聚合物基复合材料
❖ 聚合物可分为热固性树脂和热塑性树脂，相应地，聚合物 基复合材料也可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂 基复合材料。
❖ 用作复合材料基体的热塑性树脂有聚乙烯、聚丙烯、尼龙、 聚酰亚胺等热塑性高分子材料。
陶瓷基、水泥基、玻璃基
3
复合材料的特性
(1). 轻质高强
复合材料的密度低，在1.4～2.0之 间，约为钢的1/5，铝的1/2，因而 其比强度（抗张强度与密度的比）、 比模量（弹性模量与密度的比）比 钢、铝合金高，如高模量碳纤维/环 氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝 合金的4倍。其比模量是钢、铝、钛 的4倍。轻质高强是复合材料适宜用 作航空、航天材料的宝贵性能。
11
❖ 饱和二元酸或酸酐：
O
COOH
C CO
O
COOH
❖ 不饱和二元酸或酸酐
O HC C HC C O
O
HC COOH HOOC CH
12
❖ 多元醇
CH 3CH-CH2 OH OH
❖ 交联剂
CH=CH 2
HOCH 2CH O2 H
13
首先，多元酸（酸酐）与多元醇缩聚，形成分子量不很大的、 主链含有双键的不饱和聚酯：
１.０７
１.５０
１.４０
１.３８
弹性模量 比强度 比模量 （102GPa） （106cm） （108cm）
２.１
１.３
２.７
０.７５
１.７
２.６
１.１４
２.１
２.５
０.４
５.３
百度文库２.０
２.４
６.７
１５
１.４
１０.３
９.７
０.８
１0.０
５.７
２.１
６.６
１０
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复合材料的特性
(2). 电性能好
聚合物基复合材料的电绝缘性、高频介电性能、微波透 过性好，适宜用作电机仪表零件、雷达罩等。
❖ 用作复合材料基体的热固性树脂最主要的是不饱和聚酯树 脂、环氧树脂和酚醛树脂，其它还有脲醛树脂、呋喃树脂、 有机硅树脂等。其中最主要，应用最广泛的是不饱和聚酯、 环氧和酚醛三大热固性树脂。
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8.2.1 不饱和聚酯
不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸(或酸酐)，不饱和 二元酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的聚酯在 乙烯基单体（如苯乙烯）中的溶液。
第8章 复合材料的界面
1
8.1 复合材料概述
复合材料是由两种或两种以上的不同材料通过一定工艺 制成的多相材料，并具有与原组成材料不同的新的性能。
包括三层意义：
❖ 它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方 法分离的材料。
❖ 它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在一起， 形成复合材料。
14
❖ 过氧化物引发剂： BPO 过氧化甲乙酮 过氧化环己酮
❖ 氧化－还原引发体系：促进剂，可使之在室温下固化
BPO－N，N-二甲基苯胺 过氧化甲乙酮-环烷酸钴 过氧化环己酮-环烷酸钴 不饱和聚酯树脂是复合材料中用量最大的基体树脂
人造大理石、玛瑙
舰船
座椅
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8.2.2 环氧树脂
❖ 环氧树脂是指分子结构中含有2个或2个以上环氧基 的化合物。环氧基可在分子链末端，也可在分子链 的中间。
O
O
C O HC= C O CH HC=C
调节饱和二元酸和不饱和二元酸的比例，可以控制不饱和聚酯中双键的含量
然后，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯 发生自由基共聚反应，交联成三元网状结构
O CO
O HC-CHCO
HC-CH
CH-Ph
CH-Ph
CH
O
n
O
CH n
CO
HC-CHCO
HC-CH
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复合材料的特性
（5）界面结合性差，层间剪切强度低
聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差， 材料性能分散性大，耐高温和环境老化性不好等。
此外，由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因 而界面的相容性和结合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横 向强度都不够理想。因此，常常要对复合材料进行界面改性来提 高复合材料的性能。