高分子复合材料-基体
复合材料基体(Matrix)材料
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。
★ 氮化硅（Si3N4）属六方晶系，有、两种 晶相。其强度和硬度高、抗热震和抗高温蠕变 性好、摩擦系数小，具有良好的耐（酸、碱和 有色金属）腐蚀（侵蚀）性。抗氧化温度可达 1000C，电绝缘性好。
★ -SiC属六方晶系，- SiC属等轴晶系。 高温强度高，具有很高的热传导能力以及较 好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。
★ 氮化硼具有两种结构： A、类似石墨的六方结构，可作为高温自润滑材料
在高温（1360C）和高压作用下可转变成立方 结构的-氮化硼。 B、 -氮化硼立方结构，耐热温度高达2000C， 硬度极高，可作为金刚石的代用品。
其熔点在1700C以上，主要为单相多晶结构， 还可能有少量气相（气孔）。微晶氧化物的强度 较高；粗晶结构时，晶界残余应力较大，对强度 不利。氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低。 这类材料应避免在高应力和高温环境下使用。这 是因为Al2O3和ZrO2的抗热震性差；SiO2在高温下 容易发生蠕变和相变等。
复合材料--基体（Matrix）材料
一、聚合物及其分类
聚合物包括：热固性聚合物和热塑性聚合物。 1、热固性聚合物:
通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加 热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固 化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子。
主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。 各种热固性树脂的固化反应机理不同，根据使
4、 玻璃陶瓷（微晶玻璃）
许多无机玻璃可通过适当的热处理使其由非 晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。对于 某些玻璃反玻璃化过程可以控制，最后能够形成 无残余应力的微晶玻璃。这种材料成为玻璃陶瓷。
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。
高分子复合材料在航天领域的应用研究
高分子复合材料在航天领域的应用研究导言航天工程是人类追求科技进步和探索未知的重要途径之一。
作为航天领域的重要组成部分，材料科学的发展对于提升航天工程的性能和可靠性起着至关重要的作用。
高分子复合材料以其优异的物理性能和化学特性，成为了航天领域的首选材料之一。
本文将探讨其在航天领域的应用研究以及未来的发展趋势。
第一章高分子复合材料的基本概述1.1 高分子复合材料的定义高分子复合材料是由高分子基体和增强材料（如纤维、颗粒等）组成的材料。
高分子基体是指具有高分子结构的聚合物，增强材料则是在基体中起到增强作用的材料。
高分子复合材料具有轻质、高强度、高耐热、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航天工程中。
1.2 高分子复合材料的特点高分子复合材料具有多样的物化性能，适应了航天领域对材料的多方面需求。
其独特的特点包括：- 轻质高强度：由于增强材料的加入，高分子复合材料具有优异的强度-重量比。
这使得航天器的负载能力更高，且重量更轻。
- 耐高温、耐低温性能：高分子复合材料具有较低的热膨胀系数和良好的热稳定性，能够在极端温度条件下保持其性能稳定。
- 耐腐蚀性：高分子复合材料对酸、碱、盐等腐蚀物质具有良好的抵抗能力，可以保护航天器不受外界环境的损害。
第二章高分子复合材料在航天领域的应用2.1 航天器结构件高分子复合材料在航天器的结构件中有着广泛的应用。
例如，航天器外壳、机翼、蒙皮等结构件可以采用高分子复合材料制造，以提高航天器的强度和耐热性能。
同时，高分子复合材料的轻质特性可以降低航天器总体重量，提高整体性能。
2.2 航天器隔热材料由于在航天过程中面临极端的温度条件，航天器的隔热材料对于保护其内部设备的正常运作至关重要。
高分子复合材料具有良好的隔热性能，因此被广泛应用于航天器的隔热材料中。
例如，碳纤维复合材料能够有效降低热量传导，保护航天器免受高温的影响。
2.3 航天器绝缘材料在航天器中，电子设备的正常运行需要有良好的电气绝缘材料。
高分子材料的复合与功能化研究：多功能材料的设计与制备
高分子材料的复合与功能化研究：多功能材料的设计与制备摘要：本文主要探讨高分子材料的复合与功能化研究，以及多功能材料的设计与制备。
在高分子材料的复合研究部分，首先介绍了复合材料的定义和高分子复合材料的分类，然后探讨了复合材料的制备方法和性能改善。
在高分子材料的功能化研究部分，主要讨论了高分子材料的功能化方法、功能化材料的应用领域以及性能优化。
接下来，详细介绍了多功能材料的概念、设计原则、制备方法和性能评价及多功能材料的应用领域。
通过本文的研究，希望能够加深对高分子材料复合与功能化研究的理解，促进多功能材料的设计与制备，为高分子材料的应用提供新的思路和方法。
关键词：高分子材料；复合；功能化；多功能材料引言：高分子材料在现代工程和科学领域中发挥着不可替代的作用。
它们因其独特的物理和化学性质，被广泛用于塑料、纤维、电子、医疗、环境等多个领域。
然而，随着科技的不断发展，对高分子材料性能的要求也在不断提高，因此，高分子材料的复合与功能化研究成为当前材料科学领域的热点之一。
一、高分子材料的复合研究1. 复合材料的定义复合材料指的是由两种或两种以上具有不同性质的材料组合而成的材料，通过界面结合形成具有新的性能和特性的材料。
2. 高分子复合材料的分类：高分子复合材料可以根据组成材料的性质、形态和结构等不同方面进行分类。
（1）根据增强材料的形态：颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状增强复合材料等。
（2）根据基体材料的性质：热塑性复合材料、热固性复合材料和弹性体复合材料等。
（3）根据组成材料的种类：纤维复合材料、颗粒复合材料、层状复合材料和泡沫复合材料等。
3. 复合材料的制备方法（1）悬浮液法：将增强材料（如纤维、颗粒）和基体材料（如聚合物）分散在悬浮剂中，通过浸渍、浇注、浸涂等方法制备复合材料。
（2）熔融法：将增强材料和基体材料一起加热到熔融状态，然后通过挤出、注射、压塑等方法制备复合材料。
（3）化学反应法：通过化学反应使增强材料和基体材料发生化学结合，形成复合材料。
导电高分子复合材料综述
导电高分子复合材料综述导电高分子复合材料是一种结合了导电填料和高分子基体的非金属导电材料。
由于其优异的导电性能和高分子材料的良好工艺性能，导电高分子复合材料在电子、电器、电磁波屏蔽、静电防护等领域得到了广泛应用。
本文将从导电填料、高分子基体、制备方法和应用领域等方面综述导电高分子复合材料的研究进展。
导电填料是导电高分子复合材料中的关键组成部分。
目前常用的导电填料包括金属填料、碳黑、导电纤维和导电聚合物等。
金属填料具有良好的导电性能，但其加工性差，易生锈。
碳黑填料性能稳定，但存在聚集现象，导致流变性能下降。
导电纤维可以提供较高的导电性能，但通常与高分子基体的相容性较差。
导电聚合物由于能够形成连续的导电网络，并且可以与高分子基体较好地相容，因此成为近年来发展的研究热点。
高分子基体对导电高分子复合材料的力学性能、导电性能和工艺性能等起着重要影响。
常用的高分子基体包括聚合物树脂、热塑性弹性体和热塑性聚合物等。
聚合物树脂由于具有良好的力学性能和化学稳定性，因此广泛应用于导电高分子复合材料。
热塑性弹性体由于可以在一定温度范围内恢复弹性，因此在导电弹性体材料中得到了广泛应用。
热塑性聚合物由于具有良好的工艺性能，在导电高分子复合材料中也得到了较好的应用效果。
制备方法是影响导电高分子复合材料性能的关键因素之一、常用的制备方法包括溶液共混法、熔融共混法、反应挤出法和电沉积法等。
溶液共混法通过将导电填料和高分子基体溶解在适当的溶剂中，然后通过挥发溶剂的方式获得导电高分子复合材料。
熔融共混法是将导电填料和高分子基体在高温下混炼，然后通过冷却固化得到复合材料。
反应挤出法是通过聚合反应实现导电高分子复合材料的制备。
电沉积法是将金属填料等导电材料沉积在高分子基体上来制备导电高分子复合材料。
导电高分子复合材料在电子、电器、电磁波屏蔽、静电防护等领域具有广阔的应用前景。
在电子和电器领域，导电高分子复合材料可以用于生产导电薄膜、导线、印刷电路板等；在电磁波屏蔽领域，导电高分子复合材料可以用于制备导电涂层和导电材料；在静电防护领域，导电高分子复合材料可以用于制备静电消除器和防静电材料。
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
高分子物理实验-聚合物复合材料中填料与基体间的相互作用
动态流变仪测聚合物复合材料中填料与基体间的相互作用2011011743 分1 黄浩同组实验者：刘念实验日期：2014-3-26一、实验目的1. 知道旋转流变仪的基本功能以及适用范围。
2．了解旋转流变仪的基本结构、工作原理。
3．掌握采用旋转流变仪测量聚合物的动态粘度的方法。
4. 掌握采用旋转流变仪测量聚合物与纳米片层测量微观相互作用的方法。
二、实验仪器Anton Paar Physica 301 旋转流变仪、空气压缩机、循环泵槽、不同比例的淀粉填充PBS 复合材料、铜铲、铜刷三、实验原理聚合物受外力作用时，会发生流动与变形，产生内应力。
流变学所研究的就是流动、变形与应力间的关系。
旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，它们依靠旋转运动来产生简单剪切流动，可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能。
旋转流变仪一般是通过一对夹具的相对运动来产生流动的。
引入流动的方法有两种：一种是驱动一个夹具，测量产生的力矩，这种方法最早是由Couette在1888年提出的，也称为应变控制型，即控制施加的应变，测量产生的应力；另一种是施加一定的力矩，测量产生的旋转速度，它是由Searle于1912年提出的，也称为应力控制型，即控制实际的应力，测量产生的应变。
实际用于粘度等流变性能测量的几何结构有同轴圆筒（Couette）、锥板和平行板等。
选择流变仪的测试模式一般可以分为稳态测试、瞬态测试和动态测试，区分它们的标准是应变或应力施加的方式。
本实验着重介绍动态测试模式，动态测试主要指对流体施加振荡的应变或应力，测量流体相应的应力或应变。
动态测试中，可以使用在被测材料共振频率下的自由振荡，或者采用在固定频率下的正弦振荡。
这两种方式都可用来测量粘度和模量，不同的是在固定频率下的正弦振荡测试在得到材料性能频率依赖性的同时，还可得到其性能的应变或应力依赖性。
在动态测试中，流变仪可以控制振动频率、振动幅度、测试温度和测试时间。
复合导电高分子材料
复合导电高分子材料复合导电高分子材料是指将导电剂与高分子基体进行复合，以提高材料的导电性能。
近年来，随着电子设备和能源存储领域的快速发展，对导电高分子材料的需求不断增加。
本文将从材料结构、制备方法和应用领域三个方面来介绍复合导电高分子材料的研究进展。
复合导电高分子材料的结构主要由导电剂和高分子基体组成。
常用的导电剂包括金属纳米颗粒、碳纳米管、导电聚合物等。
这些导电剂具有良好的导电性能和电子传输能力。
高分子基体可以选择聚合物、树脂等材料，以确保材料的柔韧性和可塑性。
通过导电剂和高分子基体之间的复合，可以形成具有导电性能的复合材料。
制备复合导电高分子材料的方法多种多样。
常见的方法包括溶液法、电刷法和热缩法等。
其中，溶液法是一种简单有效的方法。
通过将导电剂和高分子基体分散在溶剂中，形成均匀的溶液。
之后，通过溶剂的挥发和高分子的凝聚，可得到导电高分子材料。
电刷法是一种将导电剂有序排列在高分子链上的方法。
通过控制电极势差和电解液中的离子浓度，可以在电极表面制备出有序排列的导电高分子材料。
热缩法则是通过热压、热拉伸等方法使导电剂和高分子基体形成紧密结合的材料。
复合导电高分子材料广泛应用于电子设备和能源存储领域。
在电子设备方面，复合导电高分子材料可以作为柔性电子元件的材料。
相比传统的刚性材料，柔性材料能够适应各种形状和曲面，提供更便捷的使用体验。
导电高分子材料的柔韧性和导电性能使其成为柔性可穿戴设备、可弯曲屏幕等领域的理想选择。
在能源存储领域，复合导电高分子材料可用于制备超级电容器和锂离子电池等。
导电剂的加入可以提高电极的导电性能，从而增加电池储能容量和充放电效率。
尽管复合导电高分子材料在电子设备和能源存储领域具有广阔的应用前景，但还存在一些挑战需要克服。
首先，导电剂的添加会导致材料的机械强度下降，因此在材料设计中需要兼顾导电性和机械性能。
其次，导电剂与高分子基体的界面相互作用对材料的导电性能也有重要影响。
因此，研究人员需要进一步研究导电剂与高分子基体间的相互作用机制，以提高材料的导电性能。
第二章_复合材料的基体材料
2.3.1 热固性树脂
热固性树脂定义：低分子物在引发剂、促 进剂作用下生成的三维体形网状结构聚合 物。固化物加热不软化，不溶不融。 不饱和聚酯树脂 环氧树脂 酚醛树脂 其它热固性树脂
1）不饱和聚酯树脂
定义：主链上同时具有重复酯键和不饱和 双键的一类聚合物。 主要优点：工艺性好、固化物的综合性能 好、价格低廉、品种多。 主要缺点：固化收缩率大，耐热性、强度 和模量较低，因此很少用于受力很大的制 品中。 使用方法：树脂、引发剂、促进剂按配比 配制，并按固化制度固化。
第二章 复合材料的基体材料
基体作用：传递荷载、保护增强体； 基体类型：塑料（热固性、热塑性）、 金属、无机非金属（陶瓷、C、水泥等）
2．1 金属材料
用于MMC的主要品种：铝及铝合金、 镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、 铅、钛铝、镍铝金属间化合物。 合理选择品种的重要性：正确选择基 体对能否充分组合和发挥基体金属和增 强物的性能特点，获得预期的优异综合 性能十分重要。
小结
复合材料用基体主要类型； 选择MMC的基体基本原则； 陶瓷材料的基本特点； RMC的基体类型及其特点。
2பைடு நூலகம்1.3 功能用MMC的基体
电子、信息能源等高技术领域的发展，要求材料和器 件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、高磨擦系数和耐磨性等综合物 理性能。 如电子器件：集成度越来越高，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材 料，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，提高器 件可靠性。SiCp/Al 、SiCp/Cu； 又如汽车发动机零件：要求耐磨、导热性好、热膨胀 系数适当。采用SiC、Al2O3、Gr等增强材料增强Al、 Mg、Cu、Zn、Pb等MMC
高分子复合材料
碳纤维复合材料建筑可对抗龙卷风
Carbon fiber
军用与航天
Carbon fiber
碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、 电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料 以及用于制造火箭外壳
碳纤维隐形战机
Carbon fiber
工业
Carbon fiber
碳纤维增强的复合材料可用作制造机动船、工 业机器人、汽车板簧和驱动轴等
石墨微晶 乱层结构
碳纤维的二级结构单元
碳纤维的结构
碳纤维的三级结构单元： 石墨微晶组成原纤维， 直径50nm左右，长度数 百纳米。原纤维呈现弯 曲、彼此交叉的许多条 带状结构组成，条带状 的结构之间存在针形空 隙，大体沿纤维轴平行 排列。
原纤维
最后由原纤维组成碳纤维的单丝
复合材料形成
Carbon fiber
高分子复合材料----
----碳纤维（增强基）复合材料
Company
LOGO
Carbon fiber composite materials
Carbon fiber
定义
结构
碳纤维复合材料
形成 特点 用途
Carbon fiber
定义
Carbon fiber
碳纤维复合材料——碳纤维增强 基复合材料是以碳纤维织物为增 强体，以树脂、陶瓷、金属、水 泥、碳质或橡胶等为基体所形成 的复合材料，简称碳纤维复合材 料。 碳
Carbon fiber
材料特点
Carbon fiber
特点：碳纤维复合材料的特性主要表现在力学
性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。
1.密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结
构中，它是最轻的材料
高分子纳米复合材料
高分子纳米复合材料
高分子纳米复合材料是一种由高分子材料与纳米材料混合而成的新型材料，具有优异的性能和广泛的应用前景。
在高分子基体中加入纳米填料，可以显著改善高分子材料的力学性能、热学性能、电学性能、光学性能等，使其具有更广泛的应用领域。
首先，高分子纳米复合材料在力学性能上表现出色。
由于纳米填料的加入，高分子基体的强度、刚度和韧性得到了显著提高。
例如，碳纳米管、纳米粒子等纳米填料的加入可以大大增强高分子材料的拉伸强度和弯曲强度，提高其耐磨性和耐疲劳性，使其在工程结构材料中得到广泛应用。
其次，高分子纳米复合材料在热学性能上也有显著的改进。
纳米填料的加入可以有效提高高分子材料的热稳定性和热导率，使其在高温环境下仍能保持良好的性能。
例如，氧化铝纳米粒子的加入可以显著提高高分子材料的热导率，使其在电子器件散热材料中得到广泛应用。
此外，高分子纳米复合材料在电学性能和光学性能上也表现出色。
纳米填料的加入可以提高高分子材料的导电性能和光学透明性，使其在电子器件、光学器件等领域有着广泛的应用前景。
例如，碳纳米管的加入可以显著提高高分子材料的导电性能，使其在导电材料中得到广泛应用。
总的来说，高分子纳米复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景，其在力学性能、热学性能、电学性能和光学性能等方面都有显著的改进。
随着纳米技术的不断发展，高分子纳米复合材料必将在材料领域中发挥越来越重要的作用，为各个领域的发展提供更加优异的材料支撑。
高分子基复合材料
2. 复合材料的界面形成过程
PMC 、 MMC 、 CMC 、 C/C 等复合材料体系对界面要求各 不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点， 使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。 （1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。 i) 界面设计与控制的重要手段 ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分 iii) 为第二阶段作准备 （2）第二阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态） 时的接触与浸润过程 i) 接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合或 物理结合。化学结合可看作是一种特殊的浸 润过程 ii) 界面形成与发展的关键阶段
基体内、增 强体内和层 面 层 上 均 存 在力场或外界环 微裂纹和缺陷按本身的 规律发展，并消散能量 在 微 裂 纹 、 境（如介质、水） 气孔、内应 力
（2）破坏形式
i) 基体断裂 ii) 纤维断裂 5种基本破坏形 iii) 纤维脱粘 式 iv) 纤 维 拔 出 ( 摩 ——————— 擦功) → v) 裂纹扩展与偏 转 5种形式 ———— → 综合体现
引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分 为 0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构
三维编织纤维结构
三维正交非织造的纤维结构
(a)非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构 (c）一种柔性结构
管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型
各种玻 璃夹层 结构
单向及准各向同性板的铺层结构
聚合物基复合材料（ PMC）的组成
(1) 基体 热固性基体(thermosetting matrix)： i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好 ii) 交联固化后成网状结构，尺寸稳定性好耐热性好，但性脆
iii) 制备过程伴有复杂化学反应
chap5 高分子基复合材料
复 合 材 料
纤维状分散 相复合材料
单向纤维强化复合材料 非编织纤维层 2维，3维编织纤维层
连续纤维 增强复合材料
不连续纤维 增强复合材 料 功能复合材料 具有一定特殊功能：导热、导电、导磁、 光导、阻尼性能等
承力构件复合材料，对力学性能要 求高：质轻、高强度、高模量
高性能纤维增强混凝土，取代钢筋
4）在治理环境中可起的作用 复合材料
降低污染
整体成形
降低原材料用量 节约加工能耗
利用废弃物
材料互补
矿渣 木屑
“绿色”材 料
自然降解 提高性能
延长设施寿命
功能膜支撑网格 碳纤维缠绕气瓶 废水治理厂管道
废塑料
麦杆 稻草 野生植物
利用天然纤维
三、复合材料的基本结构模式
复合材料由基体和增强剂(体)两个组分构成： 复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体； 而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散 相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改 善和和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。 增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
二、复合材料的命名
1. 俗称：
玻璃钢、混凝土
2.根据增强材料和基体材料名称命名：
增强材料＋基体材料＋“复合材料” 玻璃纤维环氧树脂复合材料
3.仅写增强材料和基体材料缩写，外加“/”：
玻璃/环氧复合材料 碳/碳复合材料（碳纤维和碳复合材料）
4.突出增强材料和基体材料，根据强调组分不同，可简称：
它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分 之间性能“取长补短”，起到“协同作用”，可以得到 单一材料无法比拟的优秀的综合性能，极大地满足了人 类发展对新材料的需求。因此，复合材料是应现代科学 技术而发展出来的具有极大生命力的材料。现代科学技
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。
高分子复合材料的性能及结构研究
高分子复合材料的性能及结构研究高分子复合材料是一类新型材料，具有许多优良的物理、化学和机械性能，被广泛应用于航空航天、交通运输、电力电子、建筑装饰等领域。
本文将从高分子复合材料的性能和结构角度对这一材料进行探讨。
一、高分子复合材料的性能高分子复合材料具有以下优良的物理、化学和机械性能：1.优异的机械性能高分子复合材料具有优异的强度和刚度，拥有比金属材料更轻的重量，同时具有比钢铝等金属材料更高的强度和刚度。
这使得高分子复合材料在航空航天、汽车、高速轨道、建筑结构等领域得到广泛应用，并成为新一代材料的代表之一。
2.良好的化学稳定性高分子复合材料不会被氧化、腐蚀和崩解，可以在宽广的温度范围内运用，具有良好的抗蚀和化学稳定性。
3.优异的热稳定性高分子复合材料的热稳定性比普通高分子材料更高，长时间高温下不会分解，同时具有良好的绝缘性能，可以在电子电气领域得到广泛应用。
4.良好的导热性能高分子复合材料不仅具有良好的绝缘性，还具有良好的导热性能。
因此，它可以用于设计高性能热管理系统，如散热、电源等。
二、高分子复合材料的结构高分子复合材料由两个或多个不同类型的分子化合而成，属于一种具有多元性的复合材料。
结构上可以分为纤维增强复合材料（FRC）和层间纳米复合材料（NC）两种。
1.纤维增强复合材料纤维增强复合材料是以一定长度的纤维为增强体，将其与基体材料一同结合而成。
纤维通常采用玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰亚胺纤维等，基体材料则有树脂、金属等。
纤维增强复合材料具有较高的强度和刚度，被广泛应用于航空航天、汽车、高速轨道、建筑结构等领域。
2.层间纳米复合材料层间纳米复合材料是一种在高分子材料矩阵中添加纳米粒子，形成具有多孔结构的复合材料。
层间纳米复合材料的结构易于降低积聚度和热分解，使其具有良好的阻燃性、抗氧化性和稳定性。
同时，层间纳米复合材料具有优秀的介电性能和导电性能，可应用于电池、聚合物导电材料、超容性电容等领域。
高分子基复合概述
增韧理论
弹性体直接吸收理论，屈服理论，裂纹核心理论，多重银纹理论，银纹-剪切理论。
多重银纹理论 银纹：玻璃态高聚物在拉伸应力作用下，某些薄弱环节部位由于应力集中而 产生的空化条纹状形变区。这些条纹状形变区的平面强烈地反射可见光，则材料 表面形成一片银色的闪光。习惯上称为银纹。相应的开裂现象称为银纹化现象。 对于橡胶增韧塑料时，橡胶一般以微粒状分散于连续的塑料相之中。分散相 的橡胶微粒作为大量的应力集中物，材料受到冲击时，橡胶粒子引发“银纹”， 并吸收大量的冲击能量，降低“银纹”端应力，阻碍“银纹”进一步发展，大大 提高材料的韧性（应力发白）。
相容性判断
Tg1
Tg2 T 完全相容 部分相容
T
Tg1
Tg2 不相容
T
单一聚合物 ；
共混
以Tg表征共混物相容性的示意图
五、高分子聚合物的改性及其理论
增韧 增强
改性
阻燃 填料
增韧
其他
为了满足使用场合和环境对材料的要求，常需要对高分子材料进行增韧，比较成熟的 是橡胶（弹性体）增韧技术，近几年也发展了非弹性体增韧技术，如无机刚性粒子增韧等。
填料
填料有别于其他改性剂，它的作用主要是“增量”，随着技术的发展逐渐从单纯 追求成本的降低所用的填料，发展到功能性填料来改善塑料制品的物理、力学性 能。高分子填料改性的优点:①降低成本②改善塑料的耐热性③改善塑料的刚性 ④改善塑料的成型加工性⑤提高塑料制品及部件的尺寸稳定性⑥改善塑料表面的 硬度⑦提高强度⑧赋予塑料某些功能。 碳酸钙
共混物的形态
共混物形态影响因素
均相体系很少，因此 “海-岛结构” 的研 究更具有现实意义， 更重要的是，均相体 系共混物的性能往往 介于各组分单独存在 时的性能之间，而 “海-岛结构”两相 体系的性能可能超过 各组分单独存在时的 性能。
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三、不饱和聚酯树脂特点和应用
优点 工艺性性好，可室温固化，常压成型，工艺简单； 固化后综合性能良好，价格适中。 增粘特性 缺点 固化时体积收缩率大，耐热性差。
主要用于民用工业和生活用品
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不饱和聚酯
• 凝胶阶段：树脂从粘流态到失去流动性形 成 半固体凝胶 • 定型阶段：凝胶到具有一定硬度和固定形 状，此时树脂沿未完全固化，性能还未完 全稳定 • 熟化阶段：从定型阶段的表观变硬并具有 一定的力学性能，经过后处理后具有稳定 的化学和物理性能，并可使用的过程，至 此，固化过程全部完成
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以酸酐和二元醇的缩聚反应为例
酸酐开环加成形成羟基酸
O
HOR'OH + R
C O C O
O O HO R' O C R COH
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以酸酐和二元醇的缩聚反应为例
羟基酸进一步缩聚得到聚酯
CH3
O
O C OH
H O CH2 CH O C CH CH C O CH CH2 O C
H O CH2
CH O C CH CH C O CH CH2 O C CH3 O O CH3 O
C O
n
OH
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仅加热固化存在缺点 • 温度低固化反应起动慢，温度高反应难 以控制； • 固化反应起动的瞬间速度极快，但最终 又不容易固化完全。
固化前后堆砌密度变化，引起体积收缩 环氧树脂 聚酯树脂 酚醛树脂 1%-2% 4%-6% 8%-10%
固化前树脂的密度、基体固化后网络结构的紧密程 度、固化过程有无小分子放出等因素影响固化收缩率
产生内应力 粘附力降低 制品精确度降低
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利于脱模
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5. 耐热性
物理变化 热变形(软化或熔融) 化学变化 热氧化、降解、交联
方法 增加高分子链的刚性 提高结晶度 提高交联密度
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常用的基体树脂有：
热固性：不饱和聚酯树脂，酚醛树脂， 环氧树脂，不溶性聚酰亚胺 热塑性：聚酰胺，聚砜，聚苯硫醚，聚 丙烯，可溶性聚酰亚胺。
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§2.1
不饱和聚酯树脂
不饱和聚酯在乙烯基类交联单体 （如苯乙烯）中的溶液
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一、不饱和聚酯的合成
缩聚
不饱和聚酯
线型结构 低分子量
(1000-3000)
不饱和二元羧酸(或酸酐) 饱和二元羧酸(或酸酐) 多元醇
含环氧基的中间体与双酚A反应
H C O
CH 3
CH2
+
HO
C CH 3
OH
NaOH
CH 3 O C CH 3 OH
H C OH
H2 C
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含羟基的中间体与环氧氯丙烷反应
OH
+
H2 C O
H C
CH 2Cl
NaOH
O H2 C H C OH CH2 Cl
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二、不饱和聚酯树脂的固化
固化
指液体树脂体系发生交联反应而转 变成不溶、不熔的具有体型网状结 构的固化物的过程，也叫硬化或变 定。固化过程是一个复杂的物理和 化学变化过程----手段？
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二、不饱和聚酯树脂的固化
双酚A型环氧树脂是二酚基丙烷型环氧树脂 的简称，是由二酚基丙烷（简称双酚A）与 环氧氯丙烷，在碱催化条件下缩聚而成
CH 3 HO C CH 3 OH
H2 C O
H C
CH 2Cl
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环氧氯丙烷双酚A加成，并闭环生成环氧化合物
CH 3 HO C CH 3 OH
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间苯二甲酸
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不饱和酸：饱和酸 = 1：1 比例增加
树脂 固化树脂
凝胶时间 透光率 粘度
耐热性 耐溶剂 耐腐蚀
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3. 二元醇 最常用的二元醇是1,2-丙二醇，由于其 分子结构中有不对称的甲基，聚酯的结晶 性较小，与苯乙烯有良好的相容性。 一元醇 多元醇
羟基酸之间缩聚
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羟基酸与二元醇缩聚
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原料的作用
1. 不饱和二元酸
提供交联所需的不饱和双键
顺丁烯二酸酐（顺酐） 差别？ 反丁烯二酸
2. 饱和二元酸 调节双键密度，降低聚酯的结晶倾向，增 加树脂的韧性，改善聚酯在乙烯基类交联 单体中的溶解性 邻苯二甲酸酐（苯酐）
普弹变形 高弹变形 粘流变形
Tg以上 Tg以下链松弛
分子链越柔韧延伸率越大 交联密度越大延伸率越小
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2. 粘附性 界面无化学反应
树脂的表面张力及基体 对纤维表面的浸润能力
0
粘附力最大，等于树脂的内聚能密度
基体含极性基团越多，极性越强与纤 维表面分子间产生的作用力就越大， 粘附性越好。
§2.2
环氧树脂
环氧树脂是分子中含有两个或两 个以上环氧基团的有机化合物， 环氧基团可以位于分子链的末 端、中间或成环状结构
CH O
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CH
发展历史
1，两个重大的发现：1，1891年Lindmann用对苯二酚和环氧氯丙烷反应生成了树 脂状产物。1909年Prileschajew用过氧化苯甲醚和烯烃反应生成环氧化合 物。 2，1934年Schlack用胺类化合物使含有大于一个环氧基团的化合物聚合得到聚合 物 3，1938年，P.Castan和S.O.Greenlee揭示双酚A和环氧氯丙烷经缩聚反应合成环 氧树脂，用有机多元胺或邻苯二甲酸酐均可使树脂固化，并具有优良的胶接性 能。 4，不久，瑞士（汽巴）CIBA公司、美国的Shell公司及Dow Chemical公司都开始 了环氧树脂工业化生产及应用开发工作。 5，1947年瑞士汽巴公司牌号为Araldite的粘结剂开始引人注目，环氧树脂从此 以万能胶闻名于世。 6，另外Shell公司的EPON环氧树脂作为涂料推向市场， 7，1956年美国联合碳化合物公司开始出售脂环族环氧树脂 8，1959年Dow化学公司生产酚醛环氧树脂。 9，发展至今已在各个领域中获得广泛的应用。 纤维增强聚合物基复合材料 Copyright reserved
不饱和聚酯树脂的固化是自由基型共 聚反应，具有链引发、链增长及链终止三 个自由基型聚合反应的特点。 所不同的是它具有多个双键的聚酯大分子 （即具有多个官能团）和交联剂的双键 之间发生的共聚。
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二、不饱和聚酯树脂的固化
CH3
O CH2 CH
O
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用作分子链长度控制剂 高熔点的支化的聚酯
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4. 交联单体
提供交联点
常用的交联单体是苯乙烯，其与不饱和 聚酯相容性良好，固化时与聚酯中的不饱 和双键能很好地共聚，固化树脂具较好的 综合性能，而且价格便宜。 其它：乙烯基甲苯、二乙烯基苯
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+
CH 3 O C CH H 2Cl
ClH2 C
H C OH
H2 C
O
H2 C
H C OH
CH2 Cl
NaOH
H C O H2 C CH3 O C CH3 O H2 C H C O
H 2C
CH 2
+ 2NaCl + 2H2O
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有机过氧化物的临界温度
60℃以上
促进剂 把一些能促使有机过氧化物在室
温下分解产生游离基的物质称为促进剂
叔胺促进剂
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热固性树脂基固化过程的三个阶段
从起始粘流态的树脂（或加热时可 流动的固态树脂）转变为不能流动的 凝胶，最后转变为不熔、不熔的坚硬 的固体最终固化（硬化或者变定）
CH3
2 HO CH2
O
CH O C
H2O HO C CH OH2 CH O C H2O
O
CH3
O
O
CH3 HO CH2 CH OH
-
+
C OH
CH3
O
O
CH3
HO CH2 CH O C
C O CH2 CH O 3 C
CH
O
O
O
HO CH2 CH O C
C OH
O
CH3
+
C O CH2 CH OH
H2O
基体 增强体
Reinforcement
Matrix
界面 Interface