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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,第二章復(fù)合材料的基體材料,復(fù)合材料的,原材料,包括,基體材料,和,增強(qiáng)材料,。,基體材料,主要包括以下三部分：,金屬基體材料,、,陶瓷基體材料,和,聚合物基體材料,1,一、,金屬基體材料,、金屬基體材料的,選擇原則,2、,結(jié)構(gòu)用,金屬基復(fù)合材料的基體,3,功能用,金屬基復(fù)合材料的基體,2,金屬基復(fù)合材料學(xué)科主要涉及,材料表面,、,界面,、,相變,、,凝固,、,塑性形變,、,斷裂力學(xué),等。,金屬基復(fù)合材料中，基體主要是各種,金屬,或,金屬合金,。,3,、金屬基體材料的選擇原則,金屬與合金,的品種繁多，

2、目前用作金屬基體材料的主要有,鋁,及,鋁合金,、,鎂合金,、,鈦合金,、,鎳合金,、,鋼與銅合金,、,鋅合金,、,鉛,、,鈦鋁金屬間化合物,等。,4,基體材料成分的正確選擇，對(duì)能否,充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物的性能特點(diǎn),，獲得預(yù)期的,優(yōu)異綜合性能,滿足使用要求十分重要。所以，在,選擇基體金屬,時(shí)應(yīng)考慮以下幾方面：,5,根據(jù)金屬基復(fù)合材料的使用要求,金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的,使用性能要求,是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。,如在,航天、航空技術(shù),中，高,比強(qiáng)度,和,比模量,以及,尺寸穩(wěn)定性,是最重要的性能要求；作為,飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件,宜選用密度小的,輕金屬合金,（如鎂合金和鋁合金）作為,基體,，

3、與高強(qiáng)度、高模量的,石墨纖維,、,硼纖維,等組成,石墨,/,鎂,、,石墨,/,鋁,、,硼,/,鋁,復(fù)合材料。,6,高性能發(fā)動(dòng)機(jī),則要求復(fù)合材料不僅有,高比強(qiáng)度,和,比模量,，還要具有優(yōu)良的,耐高溫性能,，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時(shí)不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇,鈦合金,、,鎳合金,以及,金屬間化合物,作為基體材料。,如,碳化硅,/,鈦,、,鎢絲,/,鎳基超合金,復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。,7,在,汽車發(fā)動(dòng)機(jī),中要求其零件,耐熱,、,耐磨,、,導(dǎo)熱,、一定的,高溫強(qiáng)度,等，同時(shí)又要求,成本低廉,，適合于,批量生產(chǎn),，因此選用,鋁合金作基體材料,與,陶瓷顆粒,、,

4、短纖維,組成顆粒（短纖維）,/,鋁基復(fù)合材料。,如,碳化硅,/,鋁,復(fù)合材料、,碳纖維或氧化鋁纖維,/,鋁,復(fù)合材料可制作,發(fā)動(dòng)機(jī)活塞,、,缸套,等零件。,8,工業(yè)集成電路,需要,高導(dǎo)熱,、,低膨脹,的金屬基復(fù)合材料作為,散熱元件,和,基板,。,因此，可以選用具有高導(dǎo)熱率的,銀,、,銅,、,鋁,等金屬為,基體,與高導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量,石墨纖維,、,金剛石纖維,、,碳化硅顆粒,復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、高比模量等性能的金屬基復(fù)合材料。,9,根據(jù)金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn),選用不同類型的,增強(qiáng)材料,如,連續(xù)纖維,、,短纖維,或,晶須,，對(duì)基體材料的選擇,有較大影響,。,10,

5、例如在連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中，基體的主要作用應(yīng)是以,充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能,為主，基體本身應(yīng)與纖維有,良好的相容性和塑性,，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度。,因此，考慮到要充分,發(fā)揮纖維,的作用，希望選用,塑性較好的基體,。實(shí)驗(yàn)證明，此時(shí)如果采用較高強(qiáng)度的合金材料，復(fù)合材料的性能將有所降低。,11,如,碳纖維增強(qiáng)鋁基,復(fù)合材料中，,純鋁,或含有少量合金元素的,鋁合金,作為,基體,比,高強(qiáng)度鋁合金,要好得多，使用后者制成的復(fù)合材料的性能反而低。,在研究碳鋁復(fù)合材料,基體合金的優(yōu)化過程,中發(fā)現(xiàn)，,鋁合金的強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的性能越低,。這可能與基體和纖維的,界面狀態(tài),、,脆性相的存在,、,基體本

6、身的塑性,等有關(guān)。,12,相反。對(duì)于,非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)合材料,，,基體的強(qiáng)度,對(duì)復(fù)合材料具有決定性的影響，因此，要選用,較高強(qiáng)度的合金,來作為基體。,所以，要獲得高性能金屬基復(fù)合材料必須選用,高強(qiáng)度鋁合金,作為基體，這與,連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,基體的選擇完全不同。,如,顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,一般選用,高強(qiáng)度鋁合金,（如,A365,，,6061,，,7075,）為基體。,13,基體金屬與增強(qiáng)物的相容性,首先，由于,金屬基復(fù)合材料,需要在,高溫下成型,，制備過程中，處于,高溫?zé)崃W(xué)非平衡狀態(tài)下,的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成反應(yīng)層。,界面反應(yīng)層,大多是

7、脆性的，當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到一定厚度后，材料受力時(shí)將會(huì)因,界面層的斷裂伸長小,而產(chǎn)生裂紋，并向周圍纖維擴(kuò)展，容易引起,纖維斷裂,，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破壞。,14,其次，由于基體金屬中往往含有不同類型的合金元素，這些,合金元素,與,增強(qiáng)物,的,反應(yīng)程度不同,，反應(yīng)后生成的,反應(yīng)產(chǎn)物也不同,，需在選用,基體合金成分,時(shí)充分考慮，盡可能選擇,既有利于,金屬與增強(qiáng)物浸潤復(fù)合,，,又有利于,形成合適穩(wěn)定的界面合金元素,。,15,如,碳纖維增強(qiáng)鋁基,復(fù)合材料中，在,純鋁中加入,少量的,Ti,，,Zr,等,合金元素,可明顯改善復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大大,提高復(fù)合材料的性能,。,用,鐵、鎳,作為基體，,碳纖維作為增

8、強(qiáng)物,是不可取的。因?yàn)?Ni,，,Fe,元素在高溫時(shí)能有效地,促使碳纖維石墨化,，破壞了碳纖維的結(jié)構(gòu)，使其喪失了原有的強(qiáng)度，使復(fù)合材料性能惡化。,16,因此，選擇基體材料時(shí)，應(yīng)充分注意與增強(qiáng)物的,相容性,（特別是化學(xué)相容性），并盡可能,在復(fù)合材料成型過程中抑制界面反應(yīng),。例如：,對(duì)增強(qiáng),纖維,進(jìn)行表面處理；,在金屬,基體,中添加其他成分；,選擇適宜的,成型,方法；,縮短材料在高溫下的停留,時(shí)間,等。,17,2、結(jié)構(gòu)用金屬基復(fù)合材料的基體,用于各種航天、航空、汽車、先進(jìn)武器等結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料一般均要求有,高的比強(qiáng)度,和,比剛度,，因此大多選用鋁及鋁合金、鎂及鎂合金作為基體金屬。目前研究發(fā)展較成熟

9、的金屬基復(fù)合材料主要是鋁基、鎂基復(fù)合材料，用它們制成各種,高比強(qiáng)度,、,高比模量,的輕型結(jié)構(gòu)件，廣泛的用于宇航、航空、汽車等領(lǐng)域。,18,在,發(fā)動(dòng)機(jī),，特別是,燃?xì)廨啓C(jī),中所需要的結(jié)構(gòu)材料是,熱結(jié)構(gòu)材料,，要求復(fù)合材料零件,在高溫下連續(xù)安全工作,，工作溫度在650,1200,左右，同時(shí)要求復(fù)合材料有,良好的,抗氧化,、,抗蠕變,、,耐疲勞,和良好的,高溫力學(xué)性質(zhì),。,19,鋁、鎂,復(fù)合材料一般只能用在450 左右、而,鈦合金,基體復(fù)合材料可用到650,、,而,鎳、鈷基,復(fù)合材料可在1200使用。,另外，還有最近正在研究的,金屬間化合物,為,熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體,。,20,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體,大

10、致可分為,輕金屬,基體和,耐熱合金,基體兩大類。,21,下表列出了一些基體,金屬和合金,的主要特性,22,用作,高溫金屬基,復(fù)合材料的,基體合金,的成分和性能列于下表中。,23,高溫金屬基復(fù)合材料的基體合金的成分和性能,24,、用于450 以下的輕金屬基體,在這個(gè)溫度范圍內(nèi)使用的金屬基體主要是,鋁、鎂,和,它們的合金,，而且,主要是以合金的形式,被廣泛的應(yīng)用。例如，用于,航天飛機(jī),、,人造衛(wèi)星,、,空間站,、,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件,、,剎車盤,等，并已形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。,25,(1) 鋁和鋁合金,鋁,是一種,低密度,、,較高強(qiáng)度,和具有,耐腐蝕,性能的金屬。在實(shí)際使用中，純鋁中常加入,鋅,、,銅,、

11、,鎂,、,錳,等元素形成,合金,，由于加入的這些元素在鋁中的,溶解度,極為,有限,，因此，這類合金通常稱為,沉淀硬化合金,，如,A1-Cu-Mg,和,A1-Zn-Mg-Cu,等沉淀硬化合金。,26,近年來，為航空和航天工業(yè)開發(fā)出的,A1-Li,系列合金，進(jìn)一步提高了鋁的,彈性模量,，降低了材料的,密度,。,27,(2)鎂和鎂合金,鎂,是一種比鋁更輕的金屬，但鎂的,機(jī)械性能較差,，因此，通常是在鎂中加入,鋁,、,鋅,、,錳,、,鋯,及,稀土,元素而形成,鎂合金,。,目前,常用的鎂合金,主要包括,Mg-,Mn,，Mg-Al-Zn，Mg-Cr,等耐熱合金，可作為連續(xù)或不連續(xù)纖維復(fù)合材料的基體。,28

12、,對(duì)于,不同類型的復(fù)合材料,應(yīng)選用合適的,鋁、鎂合金基體,。,例如，,連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基,復(fù)合材料一般選用,純鋁,或含合金元素少的,單相鋁合金,；,而,顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基,復(fù)合材料則選擇具有高強(qiáng)度的,鋁合金,。,29,、用于450-700 的復(fù)合材料的金屬基體,通過各種研究表明，存這個(gè)溫度范圍內(nèi)可以作為金屬基復(fù)合材料基體使用的，目前主要是,鈦及其合金,。,30,鈦,有兩種晶形，,-鈦,具有,六方密堆積,排列結(jié)構(gòu)，低于885時(shí)穩(wěn)定；,-,鈦,是,體心立方,結(jié)構(gòu)，高于885時(shí)穩(wěn)定。,31,金屬,鋁,能提高鈦由,向,相轉(zhuǎn)變的溫度，所以鋁是,相鈦的穩(wěn)定劑,。而大多數(shù),其他合金元素,(,Fe、,Mn,

13、、Cr、Mo、V、,Nb,、Ta),能降低鈦由,向,相轉(zhuǎn)變的溫度，所以是,相鈦的穩(wěn)定劑,。,32,鈦,在較高的溫度中,能保持高,強(qiáng)度,，優(yōu)良的,抗氧化,和,抗腐蝕,性能。它具有較高的,強(qiáng)度質(zhì)量比,和,模量質(zhì)量比,，是一種理想的,航空、宇航應(yīng)用材料,。,33,鈦合金,具有,比重輕,、,耐腐蝕,、,耐氧化,、,強(qiáng)度高等,特點(diǎn)，是一種可在450700 溫度下使用的合金，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等零件上。,34,用高性能,碳化硅纖維,、,碳化鈦顆粒,、,硼化鈦顆粒,增強(qiáng),鈦合金,，可以獲得,更高的高溫性能,。,美國己成功地試制成,碳化硅纖維增強(qiáng)鈦復(fù)合材料,，用它制成的葉片和傳動(dòng)軸等零件可用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)

14、。,35,鈦合金的成分和性能,現(xiàn)在已用于,鈦基復(fù)合材料,的鈦合金的成分和性能如下,36,C、,用于600-900 的復(fù)合材料的金屬基體,鐵和鐵合金,是在此溫度范圍內(nèi)使用的金屬基體。,37,在,金屬基復(fù)合材料,中使用的鐵，主要是,鐵合金,，按加工工藝分為,變形高溫合金,和,鑄造高溫合金,。,38,其中，鐵基,變形高溫合金,是奧氏體,可塑性,變形高溫合金，主要組成為1560鐵，2555鎳和1123鉻。,此外，根據(jù)不同的使用溫度，分別,加入,鎢、鉬、鈮、釩、鈦等,合金元素,進(jìn)行強(qiáng)化。,39,鐵基,鑄造高溫合金,是以鐵為基體，,用鑄造工藝,成型的高溫合金，基體為面心立方體結(jié)構(gòu)的奧氏體。,40,鐵基,變

15、形高溫合金,、,鑄造高溫合金,分別用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的,燃燒室,和,渦輪輪盤,、,渦輪導(dǎo)向葉片,等。,41,D、,用于1000 以上的金屬基體,用于1000 以上的高溫金屬基復(fù)合材料的基體材料主要是,鎳基耐熱合金,和,金屬間化合物,。,其中，研究較為成熟的是,鎳基高溫合金,，,金屬間化合物基,復(fù)合材料尚處于,研究階段,。,42,() 鎳和鎳合金,在金屬基復(fù)合材料中使用的鎳與鐵相同，按照加工工藝不同，可形成鎳基,變形高溫合金,和鎳基,鑄造高溫合金,。,43,鎳基,變形高溫合金,以鎳為基體(含量一般大于50)，加入,鎢,、,鉬,、,鈷,、,鉻,、,鈮,等,合金元素,，使用溫度在6501000，

16、具有較高的,強(qiáng)度,、良好的,抗氧化,和,抗燃?xì)飧g,能力，用于制造,燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī),的,燃燒室,等。,44,鎳基,鑄造高溫合金,是以鎳為基體，用,鑄造工藝,成型的高溫合金，能在6001100的,氧化,和,燃?xì)飧g氣氛,中承受復(fù)雜壓力，并能長期可靠地工作，主要用于制造,渦輪轉(zhuǎn)子葉片,和,導(dǎo)向葉片,及其他在高溫條件下工作的零件。,45,另外，用,鎢絲,、,釷鎢絲,增強(qiáng),鎳基合金,還可以大幅度提高其,高溫性能,。如,高溫持久,性能和,高溫蠕變,性能，一般可提高1.3倍，主要用于高性能,航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片,等重要零件。,46,()金屬間化合物,金屬間化合物種類繁多，而,用于金屬基復(fù)合材料,的金屬間化合物通

17、常是一些,高溫合金,，如,鋁化鎳,，,鋁化鐵,、,鋁化鈦,等，使用溫度可達(dá)1600。,47,在這些高溫合金的,晶體結(jié)構(gòu),中，原子主要以,長程有序方式,排列。由于這種有序,在金屬間化合物中,發(fā)生位錯(cuò),要比,在無序合金中,受到更大的約束，因此能使化合物,在高溫下保持強(qiáng)度,。,48,金屬間化合物的缺點(diǎn),是它們的,韌性非常低,，主要原因有兩個(gè)：,（）結(jié)構(gòu)組織中,低的對(duì)稱性,導(dǎo)致滑移系不足,（）晶體,界面結(jié)合較弱,。,49,改進(jìn)金屬間化合物韌性方面,的例子：,在冶金過程中，采用,快速凝固法,以及向,Ni,3,Al,一類金屬間化合物中,添加硼,，由于硼可以遷移到晶面，使其增強(qiáng)，故金屬間化合物的韌性有所改善

18、。,50,研究表明，只要添加,極少量,的硼0.06(質(zhì)量分?jǐn)?shù))便可使其韌性從20增加到50左右。,51,一些金屬間化合物的性能,下表列出了一些金屬間化合物的主要性能,52,另外，金屬,銅,也可以作為,基體材料,。,銅是,優(yōu)良的導(dǎo)體,，其導(dǎo)電率為銀的94。銅的,塑性好,，,強(qiáng)度和彈性模量不高,，,熱膨脹系數(shù)大,，,容易鑄造和加工,。,銅在復(fù)合材料中的主要用途是作為,鈮基超導(dǎo)體,的基體材料。,53,3 功能用金屬基復(fù)合材料的基體,功能用金屬基復(fù)合材料,隨著電子、信息、能源、汽車等工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越受到各方面的重視，面臨廣闊的發(fā)展前景。,54,高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展要求,材料和器件,具有,優(yōu)良的綜

19、合物理性能,，如同時(shí)具有,高力學(xué)性能,、,高導(dǎo)熱,、,低熱膨脹,、,高導(dǎo)電率,、,高抗電弧燒蝕性,、,高摩擦系數(shù),和,耐磨性,等。,55,單靠,金屬與合金,難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要靠,優(yōu)化設(shè)計(jì),和,先進(jìn)制造技術(shù),將,金屬與增強(qiáng)物,做成復(fù)合材料來滿足需求。,56,例如，電子領(lǐng)域的,集成電路,，由于電子器件的集成度越來越高，單位體積中的元件數(shù)不斷增多，功率增大，發(fā)熱嚴(yán)重，需用,熱膨脹系數(shù)小,、,導(dǎo)熱性好的,材料做,基板,和,封裝零件,，以便將熱最迅速傳走，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，來提高器件的可靠性。,57,又如，汽車,發(fā)動(dòng)機(jī)零件,要求,耐磨,、,導(dǎo)熱性好,、,熱膨脹系數(shù)適當(dāng),等，這些均可通過,材料

20、的組合設(shè)計(jì),來達(dá)到。,58,目前,功能金屬基復(fù)合材料,主要用于微電子技術(shù)的,電子封裝,、用于,高導(dǎo)熱,、,耐電弧燒蝕,的,集電材料,和,觸頭材料,、耐高溫摩擦的,耐磨材料,、耐腐蝕的,電池極板,材料等。,59,功能金屬基復(fù)合材料,主要選用的,金屬基體,是,純鋁及鋁合金,、,純銅及銅合金,、,銀,、,鉛,、,鋅,等金屬。,60,用于,電子封裝,的,金屬基復(fù)合材料,的基體主要是,純鋁,和,純銅,。,例如，高,碳化硅顆粒,含量的,鋁基,(,SiCp,Al)、,銅基,(,SiCp,Cu),復(fù)合材料；,高模、超高模,石墨纖維,增強(qiáng),鋁基,(,Cr/Al)、,銅基,(,Cr/Cu),復(fù)合材料；,金剛石顆粒

21、,或,多晶金剛石纖維,增強(qiáng),鋁、銅,復(fù)合材料；,硼鋁,復(fù)合材料等。,61,用于,耐磨零部件,的金屬基復(fù)合材料的,基體,主要是常用的,鋁,、,鎂,、,鋅,、,銅,、,鉛,等,金屬及合金,。,例如：,碳化硅,、,氧化鋁,、,石墨顆粒,、,晶須,、,纖維,等增強(qiáng),鋁,、,鎂,、,銅,、,鋅,、,鉛,等金屬基復(fù)合材料。,62,用于,集電,和,電觸頭,的金屬基復(fù)合材料有：,碳(石墨)纖維,、,金屬絲,、,陶瓷顆粒,增強(qiáng),鋁,、,銅,、,銀,及,合金,等。,63,功能用金屬基復(fù)合材料所用,金屬基體,均具有良好的,導(dǎo)熱,、,導(dǎo)電,性和良好的,力學(xué),性能，但有,熱膨脹系數(shù)大,、,耐電弧燒蝕性差,等缺點(diǎn)。,通過

22、在這些基體中,加入合適的增強(qiáng)物,就可以得到優(yōu)異的綜合物理性能，滿足各種特殊需要。,64,例如，在,純鋁,中加入,導(dǎo)熱性好,、,彈性模量大,、,熱膨脹系數(shù)小,的,石墨纖維,、,碳化硅顆粒,就可使這類復(fù)合材料具有,很高的導(dǎo)熱系數(shù),(與純鋁、銅相比)和,很小的熱膨脹系數(shù),，滿足了集成電路封裝散熱的需要。,隨著材料科學(xué)的發(fā)展，還會(huì)出現(xiàn)更多品種的功能金屬基復(fù)合材料。,65,三、陶瓷基體,傳統(tǒng)的陶瓷,是指,陶器,和,瓷器,，也包括,玻璃,、,水泥,、,搪瓷,、,磚瓦,等人造,無機(jī)非金屬材料,。,由于這些材料都是含二氧化硅的,天然硅酸鹽礦物質(zhì),，如,粘土,、,石灰石,、,砂子,等為原料制成的，所以,陶瓷材料

23、,也是,硅酸鹽材料,。,66,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)異的,新型陶瓷,，它們不僅含有,氧化物,，還有,碳化物,、,硼化物,和,氮化物,等。,67,陶瓷,是,金屬和非金屬元素,的固體化合物，其鍵合為,共價(jià)鍵,或,離子鍵,，與金屬不同，它們,不含有大量電子,。,一般而言，陶瓷具有比金屬更,高的熔點(diǎn),和,硬度,，,化學(xué)性質(zhì),非常穩(wěn)定，,耐熱,性、,抗老化,性皆好。,通常的陶瓷是絕緣體，在,高溫,下也可以,導(dǎo)電,，但比金屬導(dǎo)電性差得多。,68,雖然,陶瓷,的許多性能優(yōu)于金屬，但它也存在致命的,弱點(diǎn),，即,脆性強(qiáng),，,韌性差,，很容易因存在,裂紋,、,空隙,、,雜質(zhì),等細(xì)微缺陷而破碎，引

24、起不可預(yù)測(cè)的災(zāi)難性后果，因而大大限制了陶瓷作為,承載結(jié)構(gòu)材料,的應(yīng)用。,69,近年來的研究結(jié)果表明，在,陶瓷基體中添加其它成分,，如,陶瓷粒子,、,纖維或晶須,，可提高陶瓷的,韌性,。,粒子增強(qiáng),雖能使,陶瓷的韌性,有所提高，但效果并不顯著。,70,40年代，美國電話系統(tǒng)常常發(fā)生短路故障，檢查發(fā)現(xiàn)在,蓄電池極板表面,出現(xiàn)一種,針狀結(jié)晶物質(zhì),。進(jìn)一步的研究結(jié)果表明，這種結(jié)晶與,基體極板,金屬結(jié)晶相似，但,強(qiáng)度和模量,都很,高,，并呈,胡須狀,，故命名,晶須,。,最常用的晶須,是,碳化物,晶須。其強(qiáng)度大，容易摻混在陶瓷基體中，已成功地用于增強(qiáng)多種陶瓷。,71,陶瓷基體材料,主要以,結(jié)晶和非結(jié)晶,兩

25、種形態(tài)的化合物存在，它們一般應(yīng)具有優(yōu)異的,耐高溫,性能，與纖維或晶須之間有,良好的界面相容性,以及,較好的工藝性能,等。,常用的陶瓷基體主要包括：,玻璃,、,玻璃陶瓷,、,氧化物陶瓷,、,非氧化物陶瓷,等。,下表是一些陶瓷材料的,物理和機(jī)械性能,。,72,一些陶瓷材料的物理和機(jī)械性能,73, 玻 璃,玻璃是通過,無機(jī)材料,高溫?zé)Y(jié),而成的一種,陶瓷材料,。,與其它陶瓷材料不同，玻璃在熔體后,不經(jīng)結(jié)晶,而冷卻成為堅(jiān)硬的無機(jī)材料，即,具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu),是玻璃的特征之一。,74,在,玻璃坯體,的,燒結(jié)過程,中，由于復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不平衡的,酸性和堿性氧化物,的熔融液相，其,粘度較大,，并在冷卻過

26、程中進(jìn)一步迅速增大。,一般當(dāng),粘度增大到一定程度,(約10,12,Pa s),時(shí)，,熔體硬化,并轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄腆w性質(zhì)的,無定形物體,即玻璃。此時(shí)相應(yīng)的溫度稱為,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,(,Tg,)。,75,當(dāng),溫度低于,Tg,時(shí)，玻璃表現(xiàn)出,脆性,。,加熱時(shí),玻璃熔體的,粘度降低,，在達(dá)到某一粘度(約10,8,Pa.s),所對(duì)應(yīng)的溫度時(shí)，,玻璃顯著軟化,，這一溫度稱為,軟化溫度,(,f)。,Tg,和,Tf,的高低主要取決于,玻璃的成分,。,76,2 玻璃陶瓷,許多,無機(jī)玻璃,可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊?由,非晶態(tài),轉(zhuǎn)變?yōu)?晶態(tài),，這一過程稱為,反玻璃化,。,由于,反玻璃化,使玻璃成為,多晶體,，透光性變差

27、，而且因體積變化還會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響材料強(qiáng)度。所以，通常應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生反玻璃化過程。,77,但對(duì)于某些玻璃，,反玻璃化過程,可以,控制,，最后能夠得到,無殘余應(yīng)力,的,微晶玻璃,，這種材料稱為,玻璃陶瓷,。,為了,實(shí)現(xiàn)反玻璃化,，需要加入成核劑(如,TiO,2,)。,玻璃陶瓷,具有,熱膨脹系數(shù)小,、,力學(xué)性能好,和,導(dǎo)熱系數(shù)較大,等特點(diǎn)，玻璃陶瓷基復(fù)合材料的研究公國內(nèi)外都受到重視。,78,3氧化物陶瓷基體,作為基體材料使用的,氧化物陶瓷,主要有,A1,2,0,3,，,MgO,，,SiO,2,，,ZrO,2,，,莫來石(即富鋁紅柱石，化學(xué)式為,3,A1,2,O,3,SiO,2,),等，它們的溶點(diǎn)在

28、2000 以上。,79,氧化物陶瓷,主要為,單相多晶結(jié)構(gòu),，除晶相外，可能還含有少量,氣相,(氣孔)。,微晶,氧化物的強(qiáng)度較高，,粗晶,結(jié)構(gòu)時(shí)，晶界面上的,殘余應(yīng)力,較大，對(duì)強(qiáng)度不利。,80,氧化物陶瓷,的,強(qiáng)度,隨,環(huán)境溫度,升高而降低，但在1000 以下降低較小。,因此，,氧化物陶瓷基,復(fù)合材料應(yīng)避免,在高應(yīng)力和高溫環(huán)境下,使用。這是由于,A1,2,O,3,和,ZrO,2,的,抗熱震性,較差，,SiO,2,在高溫下容易發(fā)生,蠕變和相變,。,雖然莫來石具有較好的,抗蠕變性能,和,較低的熱膨脹系數(shù),，但使用溫度也不宜超過1200 。,81,(1)氧化鋁陶瓷基體,以氧化鋁(,Al,2,O,3,)

29、,為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動(dòng)力學(xué),穩(wěn)定的相態(tài),，即,-,Al,2,O,3,，,屬六方晶系。,82,氧化鋁陶瓷,包括,高純氧化鋁瓷,，,99氧化鋁瓷,，,95氧化鋁瓷,和,85氧化鋁瓷,等品種，其氧化鋁含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))依此為999、99、95和85，燒結(jié)溫度依次為1800、1700、1650和1500。,83,以,-,Al,2,O,3,和3,Al,2,O,3,.2SiO,2,為主晶相的稱為,剛玉-莫來石瓷,，主要原料為,高嶺土,、,氧化鋁,和少量,膨潤土,，燒結(jié)溫度為1350左右，主要性能見下表所示。,84,一些陶瓷材料的物理和機(jī)械性能,85,-,Al,2,O,3,被,氧

30、化鋯,粉體,增韌,近年來發(fā)展較為普遍，其原理是：,氧化鋯,有,四方相,和,單斜相,兩種形態(tài)，當(dāng)氧化鋯和氧化鋁的粉體混合并加熱至1500左右，氧化鋯粒子,從四方相向單斜相,形態(tài)轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致體積改變，吸收能量，減緩微觀裂紋尖端的應(yīng)力集中，從而起到,增韌氧化鋁,的作用。,86,(2)氧化鋯陶瓷基體,以氧化鋯(,ZrO,2,),為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.65.9,g / cm,3,，,熔點(diǎn)2175 。 氧化鋯在1100時(shí)，從,單斜相,迅速轉(zhuǎn)變?yōu)?四方相,，此可逆轉(zhuǎn)變伴隨有79的體積變化。,87,由于氧化鋯具有,可逆相變,，故在氧化鋯陶瓷的燒結(jié)過程中加入適量,CaO,、,MgO,等

31、與,ZrO,2,結(jié)構(gòu)近似的氧化物作為,穩(wěn)定劑,，形成穩(wěn)定的,立方相,結(jié)構(gòu)。,穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的,比熱容,和,導(dǎo)熱系數(shù),小，,韌性好,，,化學(xué)穩(wěn)定性,良好，高溫時(shí)具有,抗酸性和抗堿性,。,88,4 非氧化物陶瓷,非氧化構(gòu)陶瓷是指,不合氧,的,氮化物,、,碳化物,、,硼化物,和,硅化物,。,它們的特點(diǎn)是,耐火性,和,耐磨性,好，,硬度高,，但,脆性,也很強(qiáng)。,89,碳化物,和,硼化物,的,抗熱氧化溫度,約9001000 ,。,氮化物,略低些，,硅化物,的表面能形成,氧化硅膜,，所以,抗熱氧化溫度,達(dá)13001700 ,。,氮化硼,具有類似石墨的,六方結(jié)構(gòu),，在,高溫,(1360 ,),和,高壓,作

32、用下可轉(zhuǎn)變成,立方結(jié)構(gòu),的,氮化硼，耐熱溫度高達(dá)2000 ,，,硬度極高，可作為金剛石的代用品。,90,(1) 氮化硅陶瓷基體,以氮化硅(,Si,3,N,4,),為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有,兩種形態(tài),，即,和,兩種,六方晶型,，由于氮化硅中,Si,-N,鍵結(jié)合強(qiáng)度高,，屬難燒結(jié)物質(zhì)。,91,氮化硅陶瓷,主要制備技術(shù)有,燒結(jié),氮化硅，,熱壓,氮化硅(,HPSN)，,反應(yīng)化合,氮化硅(,RBSN)，,化學(xué)氣相沉積,(,CVD),氮化硅等。,各種制備技術(shù)所需的,工藝條件,各不相同，所得氮化硅的,性能,也有所差異。,如,反應(yīng)化合,氮化硅比,熱壓,氮化硅有,較低的抗氧化性,，,92,另外

33、，在,HPSN,制備技術(shù)中，,MgO,作為通常的,燒結(jié)助劑,加入后與,-,Si,3,N,4,表面含有的,SiO,2,形成液相的,硅化鎂,，這些硅化鎂,滲透,在,Si,3,N,4,顆粒中間，成為,-,Si,3,N,4,滲析的通道。,從微觀結(jié)構(gòu)的,HPSN,顆粒中可以看到，少量,硅化鎂表層,的存在是導(dǎo)致1200以上,氮化硅強(qiáng)度降低,的主要原因。,93,在,HPSN,制備技術(shù)中，除了加入,MgO,外，還可以加人,Y,2,O,3,、,CeO,2,和,ZrO,2,等作為,燒結(jié)助劑,。,下表中列出了不同制備方法的氮化硅的一些物理性能。,94,不同制備方法的氮化硅的一些物理性能,95,氮化硅,還具有,熱膨脹

34、系數(shù)低,，優(yōu)異的,抗冷熱聚變,能力，能,耐,除氫氟酸外的各種無機(jī),酸和堿,溶液，此外，還可,耐,熔融的,鉛,、,錫,、,鎳,、,黃鋼,、,鋁,等,有色金屬及合金的侵蝕,且不黏留這些金屬液。,96,(2)氮化硼陶瓷基體,以,氮化硼,(,BN),為主要成分的陶瓷稱為氮化硼陶瓷。氮化硼是,共價(jià)鍵化合物,，有,立方,和,六方,兩種晶型結(jié)構(gòu)。,97,氮化硼可以分為下面的三種：,-,BN,，,這是一種,六方,晶型，,層狀結(jié)構(gòu),類似于石墨，理論密度為227,gcm3。,-BN,，,它一種,立方,晶型，結(jié)構(gòu)和硬度都類似于鉆石，理論密度為348,gcm3。,-BN,，,它也是一種,六方,晶型，理論密度為3.48

35、,g/cm3。,98,由于,六方晶型,BN,具有類似于石墨的結(jié)構(gòu)，具有,潤滑性好,和,硬度低,等特點(diǎn)，故稱“,白石墨,”，,在熱壓陶瓷過程中,主要被當(dāng)作,脫模劑,使用。,BN,與石墨不同，是,絕緣體,，六方晶型,BN,的莫氏硬度為2，無明顯熔點(diǎn)，升華分解溫度為3000，理論密度2.27,g/cm,3,。,99,BN,的,抗氧化性能,優(yōu)異，可在900以下的,氧化氣氛,中和2800以下的,氮?dú)夂投栊詺夥?中使用。,如果把,BN,粉末,加入到,氮化硅和氧化鋁,中，則混合物,熱導(dǎo)率,(20)為15.0728.89,W(mK)，,且隨溫度變化不大；,熱膨脹系數(shù),約為(57),*10,6,K，,熱穩(wěn)定性,

36、好。,100,高純,BN,電阻率,為10,11,.,m（1000,高溫下為10,2,10,4,.,m)，,介電常數(shù),為3.05.3，介電損耗因子為(28),*l0,4,，,擊穿電壓,為950,kVcm，,高溫下也能保持絕緣性，,耐,堿,、,酸,、,金屬,、,砷化鎵,和,玻璃熔渣,侵蝕,，對(duì)大多數(shù),金屬和玻璃熔體,不潤濕,，也,不反應(yīng),。,101,(3)碳化硅陶瓷基體,以碳化硅(,SiC,),為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。,SiC,是一種,非常硬,和,抗磨蝕,的材料，以熱壓法制造的,SiC,可以用來作為,切割鉆石,的刀具。,SiC,還具有優(yōu)異的,抗腐蝕,性能，,抗氧化,性能。,102,SiC,

37、并不在自然界中存在，主要通過,熱壓,、,燒結(jié),、,反應(yīng)燒結(jié),和,化學(xué)氣相沉積,等制備技術(shù)獲得。,SiC,一般有兩種晶型，即,-,SiC,(,六方,晶型)和,-,-,SiC,(,立方,晶型) ，,Si,-C,鍵屬于典型的共價(jià)鍵。,103,為了,提高陶瓷的致密程度,，常添加,MgO,、,Y,2,O,3,、,B,、,C,、,Al,等能夠,降低晶界能的粉末,以促進(jìn)燒結(jié)。,不同方法制備的,SiC,的一些性能如下表所示。,104,不同方法制備的,碳化硅,的一些性能,105,()碳化硼陶瓷基體,以碳化硼(,B,4,C),為主要成分的陶瓷稱為碳化硼陶瓷。,B,4,C,是一種,低密度,、,高熔點(diǎn),、,高硬度,陶

38、瓷。碳化硼粉體是由,B,2,O,3,和,C,在電弧爐中發(fā)生下列反應(yīng)所得：,106,游離碳含量可以用近似計(jì)量,w,游離碳,（128,w,總碳,-27.7) /100,B,4,C,粉末可以通過,無壓燒結(jié),、,熱壓,等制備技術(shù)形成致密的材料，其主要性能如下表所示：,107,四、無機(jī)膠凝材料,無機(jī)膠凝材料,主要包括,水泥,、,石膏,、,菱苦土,和,水玻璃,等。,在無機(jī)膠凝材料基,增強(qiáng)塑料,中，研究和應(yīng)用最多的是,纖維增強(qiáng)水泥基,增強(qiáng)塑料。它是以水泥凈漿、砂漿或混凝土為基體，以,短切纖維,或,連續(xù)纖維,為,增強(qiáng)材料,組成的。,108,用,無機(jī)膠凝材料,作,基體,來生產(chǎn),纖維增強(qiáng)塑料,尚是一種處于發(fā)展階段

39、的,新型結(jié)構(gòu)材料,，其,長期耐久性,尚待進(jìn)一步提高，其,成型工藝,尚待進(jìn)一步完善，其應(yīng)用領(lǐng)域有待進(jìn)一步地開發(fā)。,109,1、水泥基體材料,(1),水泥基體材料,具有以下,五個(gè)特征,水泥基體為,多孔體系,，其孔隙尺寸可由數(shù)“埃”到數(shù)百“埃。孔隙存在不僅會(huì)影響,基體本身,的性能，也會(huì)影響纖維與基體的,界面粘接,。,110, 纖維與水泥的,彈性模量比,小，因水泥的彈性模量比樹脂的高，對(duì)多數(shù)有機(jī)纖維而言，纖維與水泥的,彈性模量比,甚至小于1，這意昧著在纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料中,應(yīng)力的傳遞效應(yīng),遠(yuǎn)不如,纖維增強(qiáng)樹脂,。,111, 水泥基材的,斷裂延伸率,較低，在纖維尚未,從水泥基材中,拔出拉斷前，,水泥基

40、材,即行開裂,。,112,水泥基材,中含有,粉末,或,顆粒狀,的物料,與纖維成,點(diǎn)接觸,，故,纖維的摻量,受到很大限制。,而,樹脂基體,在未固化前是,粘稠液體,，可較好地浸透纖維中。故,纖維的摻量,可高些。,水泥基材,呈,堿性,，對(duì),金屬纖維,可起保護(hù)作用，但對(duì)大多數(shù),礦物纖維,是不利的。,113,幾種增強(qiáng)水泥基體用,纖維,和,水泥性能,比較見下表所示：,114,115,(2) 水泥基體的水化機(jī)理,水泥,水化過程是,相當(dāng)復(fù)雜的，其物理化學(xué)變化是多種多樣的。,116,在,硅酸鹽熟料,中，硅酸鹽礦物,硅酸三鈣,(簡(jiǎn)寫,C,3,S,)、,硅酸二鈣,(簡(jiǎn)寫,C,2,S,),約占75；,鋁酸三鈣,(簡(jiǎn)寫

41、,C,3,A,),和,鐵鋁酸四鈣,(簡(jiǎn)寫,C,4,AF,),的固溶體約占20。,硅酸三鈣和硅酸二鈣的主要,水化反應(yīng)產(chǎn)物,是,水化硅酸鈣,與,Ca(OH),2,的晶體。,117,兩種硅酸鹽的,水化反應(yīng),可大致用下式表示：,簡(jiǎn)稱,CSH1,式,簡(jiǎn)稱,CSH2,式,118,在,早期的水泥石,中，主要是,CSH(1),式型，系由,熟料粒子,向外輻射的針、刺、柱、管狀的晶體（長約0.52,um，,寬一般小于0.2,um）,在末端變細(xì)，常在尖端有分叉。,119,CSH(2),式型與,CSH(1),式型往往,同時(shí)出現(xiàn),，粒子相互,嚙合成,網(wǎng)絡(luò)狀。,CSH(),式型以,集合體,出現(xiàn)，粒徑小于0.3,um，,是

42、不規(guī)則的等徑粒子。,120,Ca(OH),2,在早期大量生成，初生成時(shí)，為六角形的薄片，寬度由幾十微米到100多微米，以后逐漸增厚并失去六角形輪廓。,Ca(OH),2,晶體與,水化硅酸鈣,交叉在一起，對(duì)水泥石的,強(qiáng)度,及其與,集料顆粒,、,纖維的膠結(jié),起著主要作用。,121,CSH,纖維狀晶體，在,水泥石,長期,水化,中，仍繼續(xù)存在，并且還可發(fā)育生長，有的可達(dá)幾十微米。,長纖維網(wǎng)絡(luò),起著改善水泥石本身,強(qiáng)度和變形,的作用。,122,水泥中的,鐵鋁酸鹽,相在,水化,時(shí)，可生成,形態(tài)與結(jié)晶,完全不同的三種水化產(chǎn)物：“,鈣礬石,”、“,單硫相,”和“,水化石榴石,”的固溶體。,由于,硅酸鹽水泥,水化

43、過程中,產(chǎn)生大量,Ca(OH),2,，,故其,水泥石孔隙,液相的,pH,值,很高，一般在12.513.0。,123,硫鋁酸鹽熟料,的主要礦物成分為,無水硫鋁酸鈣,3,CaO,.3Al,2,O,3,.CaSO,4,，,簡(jiǎn)寫,C4A3(SO3),與,-,C,2,S,。,當(dāng)8590%的,硫鋁酸鹽熟料,與1015%的,二水石膏,粉磨可得,硫鋁酸鹽型早強(qiáng)水泥,。,124,在水化時(shí)，無水硫酸鈣與二水石膏反應(yīng)生成,鈣礬石,與,鋁膠,(,AH3)，,其反應(yīng)式如下：,125,另外，,Ca(OH),2,與鋁膠、二水石膏反應(yīng)生成,鈣礬石,、其反應(yīng)式如下：,126,由于,硫鋁酸鹽早強(qiáng)水泥,中的,石膏含量不足,，故全部

44、,Ca(OH),2,被結(jié)合生產(chǎn),鈣礬石,。因此，這種水泥硬化體,孔隙中,液相的,pH,值,為11.5左右。,127,硫鋁酸鹽型,低堿水泥,是由30 40的,硫鋁酸鹽熟料,與3070的,硬石膏,制成的。,由于此種水泥的,石膏含量較高,，故,-,2CaO.SiO,2,水化生產(chǎn)的,Ca(OH),2,，,幾乎皆可,與,鋁膠,、,石膏,反應(yīng),生成,鈣礬石,，故使,硬化體,孔隙中,液相,pH,值只有10.5左右。,128,在各種水泥,水化生成物,中，只有,鈣礬石,的,孔隙液相的,pH,值,是最低的。,因此，到目前為止，硫鋁酸鹽型,低堿水泥,是,水硬性膠凝材料中,堿度最低,的一種。,129,2、氯氧鎂水泥,

45、氯氧鎂水泥基復(fù)合材料,是以,氯氧鎂水泥,為基體，以各種類型的,纖維增強(qiáng)材料,及不同,外加劑,所組成，用,一定的加工方法,復(fù)合而成的一種多相固體材料，屬于,無機(jī)膠凝材料基復(fù)合材料,。,它具有,質(zhì)量輕,、,強(qiáng)度高,、,不燃燒,、,成本低,和生產(chǎn),工藝簡(jiǎn)單,等優(yōu)點(diǎn)。,130,氯氧鎂水泥、也稱鎂水泥，至今已有,120,多年的歷史。它是,MgO,MgCl2H20,三元體系。多年來因其水化物的耐水性較差，限制了它的開發(fā)和應(yīng)用。近年來，人們通過研究，在配方中引入不同類型的抗水性外加劑，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使其抗水性大幅度提高。使得氯氧鎂水泥復(fù)合材料從單一輕型屋面材料，發(fā)展列復(fù)合地板、玻璃瓦、浴缸和風(fēng)管等多種制品。

46、,131,氯氧鎂水泥,中的,主要成分,分為,菱苦土,(,MgO,)，,它是菱鎂礦石經(jīng)800850煅燒而成的一種氣硬性膠凝材料。,132,我國,菱鎂礦資源,蘊(yùn)藏豐富，截止1986年底統(tǒng)計(jì)，我國菱鎂礦勘查儲(chǔ)量達(dá)28億噸，占世界儲(chǔ)量的30。主要分布在遼寧、山東、四川、河北、新疆等地，其中遼寧約占全國貯量的35。開發(fā)利用這一巨大的資源優(yōu)勢(shì)，對(duì)于推動(dòng),GR,復(fù)合材料的發(fā)展將起到不可估量的作用。,133,目前，,鎂水泥復(fù)合材料,廣泛采用的是,玻璃纖維,、,石棉纖維,和,木質(zhì)纖維,增強(qiáng)材料，為改善制品性能還填加各種,粉狀填料,(如滑石粉、二氧化硅粉等)及,抗水性外加劑,。,134,鎂水泥復(fù)合材料,生產(chǎn)方法，

47、根據(jù)所用纖維材料的形式不同而異，有,鋪網(wǎng)法,(即用玻璃纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)水泥砂漿)、,噴射法,(即用連續(xù)纖維切短后與水泥砂漿同時(shí)噴射到模具中)、,頂拌法,(即短切纖維與水泥砂漿通過機(jī)械攪拌混合后，澆鑄注到模具中)。,135,五、聚合物基體材料,136,1聚合物基體的作用,聚合物基體,是,FRP,的一個(gè)必需組分。在復(fù)合材料成型過程中，,基體,經(jīng)過復(fù)雜的,物理、化學(xué)變化過程,，與,增強(qiáng)纖維,復(fù)合成具有一定形狀的整體，因而,整體性能,直接影響,復(fù)合材料性能,。,137,基體的作用主要包括以下四個(gè)部分,將纖維,粘合成整體,并使纖維,位置固定,，在纖維間,傳遞載荷,，并使,載荷均衡,；,基體決定,復(fù)合材料的

48、一些性能,。如復(fù)合材料的,高溫使用性能,(耐熱性)、,橫向性能,、,剪切性能,、,耐介質(zhì)性能,(如耐水、耐化學(xué)品性能)等；,138,基體決定復(fù)合材料,成型工藝方法,以及,工藝參數(shù)選擇,等。,基體,保護(hù)纖維,免受各種損傷。,此外，基體對(duì)復(fù)合材料的,另外一些性能,也有重要影響，如,縱向拉伸,、尤其是,壓縮性能,，,疲勞性能,，,斷裂韌性,等。,139,2聚合物基體材料的分類,用于復(fù)合材料的,聚合物基體,有多種分類方法，如按,樹脂熱行為,可分為,熱固性,及,熱塑性,兩類。,140,熱塑性基體,如,聚丙烯,、,聚酰胺,、,聚碳酸酯,、,聚醚砜,、,聚醚醚酮,等，它們是一類,線形,或,有支鏈,的固態(tài)高分

49、子，可溶可熔，可反復(fù)加工成型而無任何化學(xué)變化。,熱塑性聚合物的形態(tài)特征,141,按,聚集態(tài)結(jié)構(gòu),不同，這類,固態(tài)高分子,有,非晶,(或無定形)和,結(jié)晶,兩類，而后者的結(jié)晶也是不完全的，通常的結(jié)晶度在20一85范圍。,142,熱固性基體,如,環(huán)氧樹脂,、,酚醛樹脂,、,雙馬樹脂,、,不飽和聚酯,等，它們?cè)谥瞥勺罱K產(chǎn)品前，通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài),預(yù)聚體,，經(jīng),加熱,或,加固化劑,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固化后，形成不溶不熔的,三維網(wǎng)狀高分子,，這類基體通常是,無定形,的。,熱固性聚合物的形態(tài)特征,143,聚合物基體按,樹脂特性及用途,分為：,一般用途樹脂,、,耐熱性樹脂,、,耐候性樹脂,、,阻燃樹脂,等

50、。,按,成型工藝,分為：,手糊用樹脂,、,噴射用樹脂,、,膠衣用樹脂,、,纏繞用樹脂,、,拉擠用樹脂,等。,144,由于不同的,成型工藝,對(duì)樹脂的要求不同，如,粘度,、,適用期,、,凝膠時(shí)間,、,固化溫度,、,增粘,等，因而不同工藝應(yīng)選用不同型號(hào)樹脂。,145,3固態(tài)高聚物的性能,固態(tài)高聚物的,力學(xué)性能,強(qiáng)烈依賴于,溫度,和,加載速率,(時(shí)間)，下圖為典型高聚物的,模量與溫度,關(guān)系。,典型高聚物的模量隨溫度變化,熱塑性非晶高聚物,熱塑性結(jié)晶半晶高聚物,熱固性高聚物,146,高聚物存在三個(gè),特征溫度,：,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,Tg,，,熔點(diǎn),Tm,和,粘流溫度,Tf,。,147,在,Tg,以下,，高聚

51、物為,硬而韌,或,硬而脆,的團(tuán)體(玻璃態(tài))，模量隨溫度變化很??；,熱塑性非晶高聚物,熱塑性結(jié)晶半晶高聚物,熱固性高聚物,148,溫度達(dá)到,Tg,附近,時(shí)，,非晶高聚物,轉(zhuǎn)變成,軟而有彈性,的,橡膠態(tài),而,半晶高聚物,轉(zhuǎn)變?yōu)?軟而韌的,皮革態(tài),；,熱塑性非晶高聚物,熱塑性結(jié)晶半晶高聚物,149,溫度繼續(xù)升高，高聚物達(dá)到,流動(dòng)溫度,Tf,(,非晶)或,Tm,（,結(jié)晶)而成為,高粘度的流體(粘流態(tài)),；,熱塑性非晶高聚物,熱塑性結(jié)晶半晶高聚物,150,熱固性高聚物,則由于,不能熔融,而在比較高的溫度下發(fā)生,分解,。,熱固性高聚物,151,熱塑性高聚物,的,玻璃化溫度,基本是,固定,的，而,熱固性高聚

52、物,的,玻璃化溫度,隨交聯(lián)度增加而增加,，當(dāng)交聯(lián)度很高時(shí)，熱固性高聚物,達(dá)到,Tg,后,可能無明顯的軟化現(xiàn)象。,152,4聚合物基體的選擇,對(duì)聚合物基體的選擇,應(yīng),遵循下列原則,：,（）能夠,滿足,產(chǎn)品的,使用需要,；,如,使用溫度,、,強(qiáng)度,、,剛度,、,耐藥品性,、,耐腐蝕性,等。,高,拉伸(或剪切)模量,、高,拉伸強(qiáng)度,、高,斷裂韌性,的基體有利于,提高,FRP,力學(xué)性能,。,153,(2)對(duì)纖維具有良好的,浸潤性,和,粘接力,；,(3),容易操作,，如要求,膠液,具有,足夠長的適用期,、,預(yù)浸料,具有,足夠長的貯存期,、,固化收縮小,等。,(4),低毒性,、,低刺激性,。,(5),價(jià)格

53、合理,。,154,傳統(tǒng)的聚合物基體,是,熱固性,的，其最大的,優(yōu)點(diǎn),是具有,良好的工藝性,。,由于固化前，,熱固性樹脂,粘度很低，因而宜于,在常溫常壓下,浸漬纖維，并,在較低的溫度和壓力,下固化成型；,固化后具有良好的,耐藥品性,和,抗蠕變性,；,155,熱固性樹脂,的缺點(diǎn)是,預(yù)浸料,需,低溫冷藏,且,貯存期有限,，,成型周期長,和,材料韌性差,。,156,熱塑性基體,的最重要,優(yōu)點(diǎn),是其,高斷裂韌性,(高斷裂應(yīng)變和高沖擊強(qiáng)度)，這使得,FRP,具有更高的,損傷容限,。,157,此外，熱塑性樹脂基體復(fù)合村料，還具有,預(yù)浸料不需冷藏,且,貯存期無限,、,成型周期短,、,可再成型,、,易于修補(bǔ),、

54、,廢品及邊角料,可,再生利用,等優(yōu)點(diǎn)。,158,熱塑性基體的缺點(diǎn)：,、,是熱塑性基體的,熔體或溶液粘度很高,，,纖維浸漬困難,，,預(yù)浸料制備,及,制品成型,需要在,高溫高壓下,進(jìn)行，,、,聚碳酸酯或尼龍這樣,一些工程塑料,，因,耐熱性,、,抗蠕變性,或,耐藥品性,等方面問題而使應(yīng)用受到限制。,159,二、熱固性基體,熱固性基體,(主要是,不飽合聚酯樹脂,、,環(huán)氧樹脂,、,酚醛樹脂,),一直在,連續(xù)纖維,增強(qiáng),樹脂,基復(fù)合材料中占統(tǒng)治地位。,不飽合聚酯樹脂,、,酚醛樹脂,主要用于,玻璃增強(qiáng)塑料,，其中,聚酯樹脂,用量最大，約占總量的80，而,環(huán)氧樹脂,則一般用作,耐腐蝕性,或,先進(jìn)復(fù)合材料,基體

55、。,160,（一） 熱固性樹脂,下表為一些常用的,熱固性樹脂,其它物理性能,161,1不飽和聚酯樹脂,(1)不飽和聚酯樹脂及其特點(diǎn),不飽和聚酯樹脂,是指有,線型結(jié)構(gòu),的，主鏈上同時(shí)具有,重復(fù)酯鍵,及,不飽和雙鍵,的一類聚合物。,不飽和聚酯的,種類很多,，按,化學(xué)結(jié)構(gòu)分類,可分為,順酐型,、,丙烯酸型,、和,丙烯酸環(huán)氧酯型,聚酯樹脂。,162,不飽和聚酯樹脂,在,熱固性樹指,中是工業(yè)化較早，產(chǎn)量較多的一類，它主要應(yīng)用于,玻璃纖維復(fù)合材料,。,由于樹脂的,收縮率高,且,力學(xué)性能較低,，因此很少用它與,碳纖維,制造復(fù)合材料。,但近年來由于,汽車工業(yè),發(fā)展的需耍，用,玻璃纖維,部分取代,碳纖維,的,混

56、雜復(fù)合材料,得以發(fā)展，,價(jià)格低廉,的,聚酯樹脂,可能擴(kuò)大應(yīng)用。,163,不飽和聚酯的,主要優(yōu)點(diǎn),是：,、,工藝性能良好,，如室溫下,粘度低,，可以,在室溫下固化,，在,常壓下成型,，,顏色淺,，可以制作,彩色制品,，有,多種措施來調(diào)節(jié)其工藝性能,等；,、固化后樹脂的,綜合性能,良好，并有,多種專用樹脂,適應(yīng),不同用途,的需要；,、,價(jià)格低廉,，其價(jià)格遠(yuǎn)低于,環(huán)氧樹脂,，略高于,酚醛樹脂,。,164,不飽和聚酯的,主要缺點(diǎn),是：,固化時(shí),體積收縮率,較大，成型時(shí),氣味和毒性,較大，,耐熱,性、,強(qiáng)度,和,模量,都較低，易,變形,，因此很少用于,受力較強(qiáng),的制品中。,165,(2)交聯(lián)劑、引發(fā)劑和

57、促進(jìn)劑,(,a),交聯(lián)劑,不飽和聚酯,分子鏈中含有,不飽和雙鍵,，因而,在熱的作用下,通過這些雙鍵，,大分子鏈之間,可以,交聯(lián),起來，變成,體型結(jié)構(gòu),。,但是這種,交聯(lián)產(chǎn)物,很,脆,，沒有什么優(yōu)點(diǎn)，無實(shí)用價(jià)值。,166,因此，在實(shí)際中經(jīng)常把,線型不飽和聚酯,溶于,烯類單體,中，使,聚酯中的雙鍵間,發(fā)生,共聚合反應(yīng),，得到,體型產(chǎn)物,，以改善,固化后樹脂,的性能。,烯類單體,在這里既是,溶劑,，又是,交聯(lián)劑,。,167,已,固化樹脂,的性能，不僅與,聚酯樹脂,本身的,化學(xué)結(jié)構(gòu),有關(guān)，而且與所選用的,交聯(lián)劑結(jié)構(gòu),及,用量,有關(guān)。,同時(shí)，,交聯(lián)劑,的,選擇和用量,還直接影響著,樹脂的工藝性能,。,1

58、68,應(yīng)用最廣泛的,交聯(lián)劑,是,苯乙烯,，其它還有,甲基丙烯甲酯,、,鄰苯二甲酸二丙烯酯,、,乙烯基甲苯,、,三聚氰酸三丙酯,等。,169,(,b),引發(fā)劑,引發(fā)劑一般為,有機(jī)過氧化物,，它的,特性,通常用,臨界溫度,和,半衰期,來表示。,170,臨界溫度,是指,有機(jī)過氧化物,具有引發(fā)活性的,最低溫度,。,在此溫度下，過氧化物開始以可察覺的速度,分解,形成,游離基,，從而引發(fā),不飽和聚酯樹脂,以可以觀察的速度,進(jìn)行固化,。,半衰期,是指,在給定的溫度條件,下，,有機(jī)過氧化物,分解一半,所需要的時(shí)間。,171,一些常見的過氧化物特性如下表所示。,幾種有機(jī)過氧化物的特性,172,(,c),促進(jìn)劑,

59、促進(jìn)劑的,作用,是把,引發(fā)劑,的,分解溫度,降到,室溫以下,。,促進(jìn)劑種類很多，各有其適用性。,對(duì)過氧化物,有效的促進(jìn)劑,有，,二甲基苯胺,、,二乙基苯胺,、,二甲基甲苯胺,等。,173,對(duì),氫過氧化物,有效的促進(jìn)劑,大都是具有,變價(jià)的金屬鉆,，如,環(huán)烷酸鉆,、,萘酸鈷,等。,為了操作方便，配制準(zhǔn)確，常用,苯乙烯,將,促進(jìn)劑,配成較稀的溶液。,174,(3)不飽和聚酯樹脂的固化特點(diǎn),不飽和聚酯樹脂的固化,是一個(gè),放熱反應(yīng),，其,過程,可分為三個(gè)階段：,(,a),膠凝階段,(,b),硬化階段,(,c),完全固化階段,175,(,a),膠凝階段,從,加入促進(jìn)劑,后到,樹脂變成凝膠狀態(tài),的一段時(shí)間。

60、,這段時(shí)間對(duì)于,玻璃鋼制品,的,成型工藝,起決定性作用，是固化過程最重要的階段。,176,影響,膠凝時(shí)間,的因素很多，如,阻聚劑,、,引發(fā)劑,和,促進(jìn)劑,的加入量，,環(huán)境溫度,和,濕度,，,樹脂的體積,，,交聯(lián)劑蒸發(fā),損失等。,177,(,b),硬化階段,硬化階段是從,樹脂開始膠凝到一定硬度,，,能把制品從模具上取下為止,的一段時(shí)間。,178,(,c),完全固化階段,在室溫下，這段時(shí)間可能要,幾天,至,幾星期,。,完全固化,通常是,在室溫下,進(jìn)行，并用,后處理,的方法來加速，如在80,保溫3小時(shí)。,但在后處理之前，空溫下,至少要放置24小時(shí),，這段時(shí)間越長，制品,吸水率,越小，性能也越好。,1

61、79,(4)不飽和聚酯樹脂的增粘特性,在,堿土金屬氧化物,或,氫氧化物,(例如,MgO,，,CaO,，Ca(OH),2,，Mg(OH),2,等作用下，不飽和聚樹脂很快稠化，形成,凝膠狀,物，這種能使,不飽和聚酯樹脂,粘度增加,的物質(zhì)，稱為,增粘劑,。,180,增粘劑可使,起始粘度,為 0.1 1.0,Pa s,的,粘性液體狀樹脂,，,在短時(shí)間內(nèi),粘度劇增至10,3,Pa s,以上，直至成為,能流動(dòng),的、,不粘手,的類似,凝膠狀,物，這一過程稱為,增粘過程,。,181,樹脂處于,凝膠狀,時(shí)并,未交聯(lián),，在合適的溶劑中仍,可溶解,，加熱時(shí)有良好的,流動(dòng)性,。,目前已利用,不飽和聚酯樹脂,的這一,增

62、粘特性,來制備,聚酯預(yù)混料,，片狀,模壓料,(,SMC),和團(tuán)狀,模壓料,，其中，片狀,模壓料,可以進(jìn)行,自動(dòng)化,、,機(jī)械化,、,連續(xù)大量生產(chǎn),，并且用它可以,壓制大型制品,。,182,2環(huán)氧樹脂,凡是含有,二個(gè)以上環(huán)氧基,的,高聚物,統(tǒng)稱為,環(huán)氧樹脂,。,按原料組分而言，有,雙酚型,環(huán)氧樹脂，,非雙酚型,環(huán)氧樹脂以及,脂肪族,環(huán)氧化合物等,新型環(huán)氧樹脂,。,183,(1)環(huán)氧樹脂的種類,A,雙酚,A,型,環(huán)氧樹脂,以,雙酚化合物,為原料，制成的環(huán)氧樹脂，統(tǒng)稱,雙酚型,環(huán)氧樹脂，有,雙酚,A,型、,雙酚-,F,型、,雙酚-,PA,型和,間苯二酚,環(huán)氧樹脂等,.,184,(a),雙酚,A,型環(huán)氧

63、樹脂,它是一種量大面廣的環(huán)氧樹脂，常稱為,變通環(huán)氧樹脂,，系由,環(huán)氧丙烷,與,二酚基丙烷,等,在堿性介質(zhì)中,縮聚而成的，屬,縮水甘油醚,類。,其中,粘度較低,，,分子量較小,的,呈粘液態(tài),的雙酚,A,環(huán)氧樹脂可用于,玻璃鋼,。,185,雙酚,A,型環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)通式如下,186,(,b),雙酚-,F,環(huán)氧樹脂,這種樹脂的,分子量小,，,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,；,其特點(diǎn)是,粘度小,，只有雙酚,A,環(huán)氧樹脂的13左右。它所用的,固化劑,以及,固化物的性能,與雙酚,A,環(huán)氧樹脂相似。,187,(,c),雙酚-,S,環(huán)氧樹脂,雙酚-,S,環(huán)氧樹脂是以,4，4-二羥基二苯砜,(雙酚-)與過量,環(huán)氧氯丙烷,在,氫氧化

64、鈉催化劑,存在下合成樹脂。,這種樹脂的,特點(diǎn),是,熱穩(wěn)定性,和,耐腐蝕性,比,雙酚-,A,型樹脂,好得多，對(duì),玻璃纖維,有較好的,潤濕性,，制品,尺寸穩(wěn)定性,好。,188,(,d),間苯二甲環(huán)氧樹脂,它是由,間苯二酚,與,甲醛,(或,丁醛,等),在草酸催化下,結(jié)合成,低分子量的酚醛樹脂,后，再,在氫氧化鈉催化下,與,環(huán)氧氯丙烷,反應(yīng)制成的環(huán)氧樹脂。,189,間苯二甲環(huán)氧樹脂,的特點(diǎn)：,具有,較高的活性,，其制品有,良好的電絕緣性,和,耐熱,及,耐化學(xué)腐蝕,性。,主要用于,纖維增強(qiáng)塑料,、,膠粘劑,、,涂料,和,耐高溫的澆鑄料,。,190,B,非雙酚型環(huán)氧樹脂,它是由,環(huán)氧氯丙烷,與,多元醇,、,多元酸,、,多元酯,或,多元胺,等,縮合而