-复合材料的基体材料-聚合物基复合材料
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第7章 聚合物基体材料
基本内容提要
• 概述：基体材料组分及作用、基体的作用、
基体材料的选用原则
• 基体材料的基本性能 • 基体材料的工艺性 • 常用聚合物基体材料应用举例：环氧
树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂和高性能树 脂基体
第7章 聚合物基体材料
7.1 概述
一、基体材料组分及作用
1. 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。
2. 特性
①品种多； ②固化方便（10~180℃固化）； ③粘附力强（极性羟基，醚键）； ④收缩率低（小于2%）； ⑤力学强度大，电绝缘性优良；
⑥化学稳定性； ⑦耐霉菌
3. 分类
①缩水甘油醚类 （用量最大，双酚A型）； ②缩源自文库甘油酯类；
③缩水甘油胺类； ④线型脂肪族类；
⑤脂环族类；
4. 质量指标
2. 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。
7.1 概述 二、基体的作用
①均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）； ②保护纤维，防止纤维磨损； ③赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射） ④决定复合材料生产工艺、成型方法。
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
四、电性能
树脂分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料
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
7.3 基体材料的工艺性
一、浸润性能（树脂能否均匀分布于纤维表面）
液-固浸润
完全浸润：浸润角q=0°
1）环氧值（每100g树脂中所含环氧基的克当量数）； 如：分子量为340，2个环氧基，环氧值= 2 100 0.59
340
环氧当量（1g当量环氧基的环氧树脂克数）= 1环氧值 100 测定方法：盐酸-丙酮法 环氧基与盐酸反应，生成氯醇，多余盐酸与碱中和
2）无机氯含量 （无机氯与胺类固化剂起络合作用，影响树脂固化） 测定方法：树脂溶于丙酮，无机氯与硝酸银反应，多余
O
Cl CH2 CH CH2 O R O CH2 CH CH2 Cl
二、粘接性能
影响因素：
树脂对纤维的浸润性和粘附功； 树脂本身固化体积收缩率，有无小分子逸出； 树脂与纤维断裂伸长率是否匹配
三、毒性及过敏性
四、固化性能
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
凝胶：粘流态树脂 失去流动性 半固态凝胶
固
凝胶时间＜手糊时间
化 阶
定型： 凝胶
硬度、形状
段
熟化：表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学性能
7.4 环氧树脂
1. 定义
环氧树脂是指分子结构中含有二个或二个以上环氧基
团
CH2 CH CH2的Cl有机高分子化合物 。环氧基团可位于分
子链末端、O 中间或成环状结构。
聚合物受热变化 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
提高树脂耐热性
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。
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
三、基体材料的选用原则
①产品性能 ②工艺性能 ③成本及来源
综合决定
基体材料
7.2 基体材料的基本性能
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）反应过程 A. 环氧氯丙烷在碱催化下与二酚基丙烷进行加成反应，
并闭环生成环氧化合物 B. 生成的环氧化合物与二酚基丙烷反应 C. 含羟基的中间产物与环氧氯丙烷反应 D. 含环氧基中间产物与含酚基中间产物之间反应
6. 树脂合成（二酚基丙烷/双酚A）
1） 2 CH2 CH CH2 Cl + HO R OH
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
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
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
硝酸银涌硫氰酸钾标定 3）有机氯含量（有机氯影响树脂固化） 测定方法：树脂经KOH水解，成为无机氯
有机氯=总氯量-无机氯
5. 型号、命名方法
主组分 命名： ET-51 环氧值×100
改性物
6. 树脂合成（二酚基丙烷/双酚A） 1）原料
二酚基丙烷 HO
CH3
C
OH
CH3
环氧氯丙烷
CH2 CH CH2 Cl O
间填充密实，固化后有紧密的空间网络。
例如：PMMA/PS+UP 溶解/加热 UP固化收缩率降低
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
浸润： 0°＜q≤90° 完全不浸润： q=180° 不浸润：90°＜q＜180 °
基体-增强材料浸润因素
纤维表面张力（张力 ，浸润 ） 树脂表面张力 （分子结构即分子间引力 ，内聚能 ，浸润 ） 树脂与纤维间界面张力 （树脂/纤维表面分子间作用力 ，浸润 ） 树脂粘度 ，流动性 ，浸润 ；纤维疏松，浸润
基本内容提要
• 概述：基体材料组分及作用、基体的作用、
基体材料的选用原则
• 基体材料的基本性能 • 基体材料的工艺性 • 常用聚合物基体材料应用举例：环氧
树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂和高性能树 脂基体
第7章 聚合物基体材料
7.1 概述
一、基体材料组分及作用
1. 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。
2. 特性
①品种多； ②固化方便（10~180℃固化）； ③粘附力强（极性羟基，醚键）； ④收缩率低（小于2%）； ⑤力学强度大，电绝缘性优良；
⑥化学稳定性； ⑦耐霉菌
3. 分类
①缩水甘油醚类 （用量最大，双酚A型）； ②缩源自文库甘油酯类；
③缩水甘油胺类； ④线型脂肪族类；
⑤脂环族类；
4. 质量指标
2. 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。
7.1 概述 二、基体的作用
①均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）； ②保护纤维，防止纤维磨损； ③赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射） ④决定复合材料生产工艺、成型方法。
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
四、电性能
树脂分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料
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
7.3 基体材料的工艺性
一、浸润性能（树脂能否均匀分布于纤维表面）
液-固浸润
完全浸润：浸润角q=0°
1）环氧值（每100g树脂中所含环氧基的克当量数）； 如：分子量为340，2个环氧基，环氧值= 2 100 0.59
340
环氧当量（1g当量环氧基的环氧树脂克数）= 1环氧值 100 测定方法：盐酸-丙酮法 环氧基与盐酸反应，生成氯醇，多余盐酸与碱中和
2）无机氯含量 （无机氯与胺类固化剂起络合作用，影响树脂固化） 测定方法：树脂溶于丙酮，无机氯与硝酸银反应，多余
O
Cl CH2 CH CH2 O R O CH2 CH CH2 Cl
二、粘接性能
影响因素：
树脂对纤维的浸润性和粘附功； 树脂本身固化体积收缩率，有无小分子逸出； 树脂与纤维断裂伸长率是否匹配
三、毒性及过敏性
四、固化性能
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
凝胶：粘流态树脂 失去流动性 半固态凝胶
固
凝胶时间＜手糊时间
化 阶
定型： 凝胶
硬度、形状
段
熟化：表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学性能
7.4 环氧树脂
1. 定义
环氧树脂是指分子结构中含有二个或二个以上环氧基
团
CH2 CH CH2的Cl有机高分子化合物 。环氧基团可位于分
子链末端、O 中间或成环状结构。
聚合物受热变化 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
提高树脂耐热性
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。
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
三、基体材料的选用原则
①产品性能 ②工艺性能 ③成本及来源
综合决定
基体材料
7.2 基体材料的基本性能
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）反应过程 A. 环氧氯丙烷在碱催化下与二酚基丙烷进行加成反应，
并闭环生成环氧化合物 B. 生成的环氧化合物与二酚基丙烷反应 C. 含羟基的中间产物与环氧氯丙烷反应 D. 含环氧基中间产物与含酚基中间产物之间反应
6. 树脂合成（二酚基丙烷/双酚A）
1） 2 CH2 CH CH2 Cl + HO R OH
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
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
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
硝酸银涌硫氰酸钾标定 3）有机氯含量（有机氯影响树脂固化） 测定方法：树脂经KOH水解，成为无机氯
有机氯=总氯量-无机氯
5. 型号、命名方法
主组分 命名： ET-51 环氧值×100
改性物
6. 树脂合成（二酚基丙烷/双酚A） 1）原料
二酚基丙烷 HO
CH3
C
OH
CH3
环氧氯丙烷
CH2 CH CH2 Cl O
间填充密实，固化后有紧密的空间网络。
例如：PMMA/PS+UP 溶解/加热 UP固化收缩率降低
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
浸润： 0°＜q≤90° 完全不浸润： q=180° 不浸润：90°＜q＜180 °
基体-增强材料浸润因素
纤维表面张力（张力 ，浸润 ） 树脂表面张力 （分子结构即分子间引力 ，内聚能 ，浸润 ） 树脂与纤维间界面张力 （树脂/纤维表面分子间作用力 ，浸润 ） 树脂粘度 ，流动性 ，浸润 ；纤维疏松，浸润