复合材料的基体材料

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四、介电性能
树脂分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料. 极性大的分子一般介电常数也大
影响因素：
树脂大分子的极性：极性增加，电绝缘性下降； 固化树脂杂质含量及种类
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热固性树脂基复合材料
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。热固性树脂其分子结构为体型，
它包括大部分的缩合树脂，热固性树脂有酚醛、环氧、
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3. 树脂断裂延伸率
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
不饱和聚酯树脂主要应用于玻璃纤维复合材料。
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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
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环氧树脂（Epoxy Resin）：指分子结构中含 有2个或2个以上环氧基并在适当的化学试剂存 在下能形成三维网状固化物的化合物的总称， 是一类重要的热固性树脂。 环氧树脂既包括环氧基的低聚物，也包括 含环氧基的低分子化合物。环氧树脂作为胶粘 剂、涂料和复合材料等的树脂基体，广泛应用 于水利、交通、机械、电子、家电、汽车及航 空航天等领域。
性大。

主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。
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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。 主要有氮化硅陶瓷(Si3N4)、氮化硼和氮化钛
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。
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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，高温性能好， 可焊接
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环氧树脂也存在一些缺点，比如耐候性差，环氧树脂中 一般含有芳香醚键，固化物经日光照射后易降解断链，所以 通常的双酚A型环氧树脂固化物在户外日晒，易失去光泽， 逐渐粉化，因此不宜用作户外的面漆。另外，环氧树脂低温 固化性能差，一般需在10℃以上固化，在10℃以下则固化缓 慢，对于大型物体如船舶、桥梁、港湾、油槽等寒季施工十 分不便。
陶瓷、碳化硅陶瓷等
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三、聚合物基体材料
一、基体材料的组分及作用
1.聚合物基体：
基体材料主要成分，决定复合材料的性能、 成型工艺及价格。 要求：具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老 化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。
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2 、 辅助剂：
（1）交联剂（引发剂、促进剂） 交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分
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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
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二、陶瓷基体材料
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。包括玻璃、水泥、搪瓷
等
现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、
硼化物、氮化物等。如氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、
氮化硅陶瓷等。
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由于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。因此在陶瓷基体中添加其
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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固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下， 发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固 态树脂的全过程。
液态树脂
可溶线型小分子
固化
固态树脂
不溶不熔体型结构大分子
失去流动性 凝胶： 粘流态树脂 半固态凝胶 凝胶时间＜手糊时间 固 化 硬度、形状 阶 定型： 凝胶 段 熟化： 表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学
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三、聚合物基体的性能
一、力学性能
1. 强度与模量
主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏 是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。 纤维弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂； 纤维弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强 度高。
2. 树脂内聚强度
固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并 达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性
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(5) 工艺性好。环氧树脂固化时基本上不产生低分子挥发 物，所以可低压成型或接触压成型。能与各种固化剂配合制 造无溶剂、高固体、粉末涂料及水性涂料等环保型涂料。 (6) 稳定性好，抗化学药品性优良。不含碱、盐等杂质的 环氧树脂不易变质。只要贮存得当(密封、不受潮、不遇高温)， 其贮存期为1年。超期后若检验合格仍可使用。环氧固化物具 有优良的化学稳定性。其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性 能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。因此环氧 树脂大量用作防腐蚀底漆，又因环氧树脂固化物呈三维网状 结构，又能耐油类等的浸渍，大量应用于油槽、油轮、飞机 的整体油箱内壁衬里等。 (7) 环氧固化物的耐热性一般为80～100℃。环氧树脂的耐 热品种可达200℃或更高。
复合材料的基体
复合材料的基体是复合材料的连续相，起到将增强体黏
结成整体，并赋予复合材料一定形状、传递外界作用力、
保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。 复合材料的基体主要有以下几种：

金属材料 陶瓷材料 聚合物材料
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一、金属材料
基体材料是金属基复合材料中增强体的载
体，占有很大的体积比列，基体材料的力学物
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。
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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
如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺 等。
（4）触变剂
提高树脂在静止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成 流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入 量为1~3%。 如：活性SiO2(白炭黑)、膨润土、聚氯乙烯粉。
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（5） 填料
降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐磨 性能、导电、导热等）。 如：CaCO3、滑石粉、石英粉、金属粉。
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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。
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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
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功能用金属基复合材料的基体
与晶体共存的均匀多晶材料，又称为玻璃陶瓷。

微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数较大等特点， 同时还具有一定的机械强度。

典型代表：Li2O-Al2O3-SiO2
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2 、 氧化物陶瓷

应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，
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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
目前已有应用的功能金属基复合材料（不 含双金属复合材料）主要有用于微电子技 术的电子封装和热沉材料、高导热、耐电 弧烧蚀的集电材料、耐高温摩擦的耐磨材 料、耐腐蚀的电池极板材料等等。主要选 用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜 合金、银、铅、锌等金属。 功能用金属基复合材料所用的金属基体均 具有良好的导热、导电性和良好的力学性 能。
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4. 树脂体积收缩率：物理收缩、化学收缩
固化收缩率：环氧树脂1~2%；聚酯树脂4~6%；酚醛树脂8~10%
影响因素：固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度；
基体固化后的网络结构的紧密程度； 固化过程中有无小分子释放。 降低收缩率方法：调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子 间填充密实，固化后有紧密的空间网络。
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：微晶玻璃、氧化物陶瓷、非氧化
物陶瓷等
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1 、微晶玻璃

微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过
程在玻璃中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃
（6） 颜料
用量约0.5~5% 要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树脂中分散良好， 不影响树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂 固化。
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3 、基体的作用
均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）； 保护纤维，防止纤维磨损； 赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射）； 决定复合材料生产工艺、成型方法。
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选择金属基体的原则及主要金属基金属
选择基体材料是要考虑复合材料的类型。比如连 续增强纤维增强金属基体要求与纤维有良好的相 容性与塑性，而不要求基体有很强的强度，而非 连续增强金属基复合材料要求金属基体强度很高。
金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料 的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合 金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属 间化合物等。
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。
氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。
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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。
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（2）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。
非活性稀释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加 入量为10~60%。如：丙酮、乙醇、甲苯、苯
活性稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为 10%。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚
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（3） 增韧（增塑）剂
降低树脂刚性、提高塑性，将导致强度和耐热性下降。
子相互键合交联成网络结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间
共价键或离子键形成的物质。也称为固化剂。 引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用 于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不 饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。 促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率 的一种用量较少的物质。