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1、吉林化工学院材料科学与工程学院电子课件,课程名称：复合材料教师姓名：陈连发 授课对象：材料化学 授课学时：32 选用教材：复合材料概论-哈工大,2,2.1 金属材料,百度百科：金属是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。金属的特质跟金属晶体内含有自由电子有关。自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。金属之间的连结是金属键，因此随意更换位置都可再重新建立连结，这也是金属延展性良好的原因。,3,铝合金：性质决定用途地壳中含量最高；密度小（2.7）；导电好（仅次于银、铜）；导热好；延展性佳；性质活泼；耐腐蚀性强；银白色光泽；光
2、反射率高；良好的吸音性能；耐低温在19世纪非常珍贵；自然界中主要以铝硅酸盐矿石存在；-Al2O3，硬度仅次于金刚石，熔点高、耐酸碱；红宝石（Cr+3）；蓝宝石（Fe+2，或Ti+4）；-Al2O3，多孔，表面积大，活性高；,4,镁合金：性质决定用途镁：地壳中含量高；密度小（1.74）；用量第3的结构材料；主要用途是：制造铝合金，压模铸造（与锌形成合金），钢铁生产中脱硫处理镁合金：密度最小的金属结构材料应用于航空航天工业、军工领域、交通领域、3C领域等；,5,钛合金：性质决定用途 地壳中含量第10；密度4.5；无磁；耐中高温度（600度）；比强度居于金属之首；主要用途是：航空航天、航海、生物医学
3、、高档体育生活用品、白色颜料（TiO2）；,6,镍合金：性质决定用途 密度8.9；铁磁性；抗腐蚀；可高度磨光；主要用途是：合金（不锈钢）、催化剂、货币、防腐镀层、记忆合金、磁头；,7,铜合金：性质决定用途 密度8.9；无磁性；导电、导热仅次于银；主要用途是：电气工业（电力输送、电机、通讯电缆）、电子工业（印刷电路、集成电路）能源石化；交通运输；机械冶金；轻工业；（印刷、造纸、钟表）紫铜（纯铜）；黄铜（铜锌）；白铜（铜镍）；青铜（除锌镍以外，主要有锡青铜、铝青铜）,8,铁合金：性质决定用途 密度7.9；铁磁性；抗腐蚀；主要用途是：最大用途是用于炼钢；也大量用来制造铸铁和煅铁。铁和其化合物还用作磁
4、铁、染料（墨水、蓝晒图纸、胭脂颜料）和磨料（红铁粉）。还原铁粉大量用于冶金。,11,2.1.1 选择基体的原则1金属基复合材料的使用要求,使用性能要求是选择的最重要依据！航空、航天高强度、高模量、高稳定性镁、铝合金基；高性能发动机同时耐高温、抗氧化钛、镍基和金属间化合物基；汽车发动机耐热、耐磨、成本低铝基；集成电路散热好、低膨胀银、铜、铝基,12,2、组成特点,增强物性质和增强机理不同，基体材料选择原则不同！连续增强型：纤维是主要承载体，基体应充分发挥增强纤维性能，基体具有很好的相容性，具有很好塑性；非连续增强型：基体为主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性影响；,13,3基体金属与增强物
5、相容性,高温反应会产生界面反应层，受力时易产生脆性断裂，破坏材料；同时，不同反应的反应产物亦不同；例：铁、镍基不宜选碳纤维为增强体（会石墨化）；因此，通常应抑制界面反应！,14,1 450以下轻金属铝合金、镁合金2 450700金属基体钛合金：密度小，耐腐蚀，耐氧化，强度高高性能发动机31000以上的金属基体镍基、铁基和金属间化合物；,2.1.2 结构复合材料的基体,15,2.1.3 功能用金属基复合材料,电子封装：铝基和铜基耐磨元件：铝、镁、锌、铜、铅等；电触头：铝、铜、银及合金；,16,2.3 陶瓷材料,陶器,瓷器（釉）,17,陶瓷的历史,陶瓷，china；陶器；瓷器；名扬海外；,18,2
6、.3 陶瓷材料,传统陶瓷指：陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等硅酸盐材料；此外，还包括：碳化物，硼化物和氮化物；特点：为共价键或离子键，高熔点、高硬度，化学性质稳定，耐热，抗老化；但是，脆性大！和金属的区别？,1、日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，坛、盆、罐、盘、碟、碗、刀等。2、艺术（工艺）陶瓷：如花瓶、雕塑品、园林陶瓷、器皿、陈设品等。3、工业陶瓷：指应用于各种工业的陶瓷制品。建筑一卫生陶瓷 化工（化学）陶瓷 电瓷：电力工业输电线路上的绝缘子。特种陶瓷：功能陶瓷：具有电磁、光、声、超导、化学和生物特性等,应用,20,几种陶瓷材料,1 玻璃特点；非晶态；玻璃化转变温度；软化温度；2 玻璃陶
7、瓷非晶晶化；热膨胀系数小；力学性能好，导热系数大；,21,3氧化物陶瓷基体作为基体材料使用的氧化物陶瓷主要有A12O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石等，它们的熔点在2000 以上。氧化物陶瓷主要为单相多晶结构，除晶相外，可能还含有少量气相(气孔)。微晶氧化物的强度较高，粗晶结构时，晶界面上的残余应力较大，对强度不利。,22,氧化铝仅有一种热动力学稳定的相态，即-Al2O3，属六方晶系。,(1)氧化铝陶瓷基体,(2)氧化镁陶瓷基体 物理性质:白色粉末，无臭、无味，不溶于水和乙醇，熔点2852，沸点3600，氧化镁有高度耐火绝缘性能。应用：用作白色颜料的标准。轻质氧化镁主要用作制备陶瓷、搪瓷
8、、耐火坩锅和耐火砖的原料。,23,(3)氧化锆陶瓷基体以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度5.65.9 g/cm3，熔点2175。,由于氧化锆具有可逆相变，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量CaO、MgO等与ZrO2结构近似的氧化物作为稳定剂，形成稳定的立方相结构。稳定的氧化锆陶瓷的比热容和导热系数小，韧性好，化学稳定性良好，高温时具有抗酸性和抗碱性。,氧化锆在室温为单斜相，在1100形成四方晶体，在1900形成立方晶体。,24,-Al2O3被氧化锆粉体增韧，其原理是：氧化锆粒子从单斜相向四方相形态转变，从而导致体积改变，吸收能量，减缓微观裂纹尖端的应力集中，从而起到
9、增韧氧化铝的作用。,25,4 非氧化物陶瓷非氧化构陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它们的特点是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。,26,碳化物和硼化物的抗热氧化温度约9001000。氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达13001700。氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温(1360)和高压作用下可转变成立方结构的氮化硼，耐热温度高达2000，硬度极高，可作为金刚石的代用品。,5、陶瓷材料的制备工艺,粉料制备,成型,烧成,干燥与排塑,加工,粉体的制备,粉体的制备方法：粉碎法：机械粉碎，气流粉碎;杂质多 合成法：固相法，液相法和气相法；纯度好，粒度可控
10、，均匀性好，颗粒微细,固相法：通过固相到固相的变化来制造粉体。如：固相反应法、热分解法、火花放电法、溶出法等。液相法：共同点是以均相溶液为出发点，通过各种方法使溶质与溶剂分离，溶质形成一定大小和形状的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到粉体。如：水热法、沉淀法、水解法、喷雾法、沉淀法、乳液法、蒸发溶剂热解法等。气相法：直接用气体或通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米颗粒。如；溅射法、化学气相反应法、气体中蒸发法、化学气相凝聚法等。,配料,已知化学计量的配料计算配料 根据化学成分的配料计算 干混混料 注意加料程序和混料磨介的使用 湿混,
11、成型,陶瓷粉体、坯料进一步加工成坯体的这一过程称为成型 成型分为：干压成型、等静压成型、热压铸成型、塑性成型等 干压成型最常用：其工艺过程控制相对简单、容易掌控(需要进行塑化、造粒处理),干燥与排塑,热空气干燥干燥 电热干燥 辐射干燥（高频、微波、红外）排除黏合剂，为烧成创造条件排塑 使坯体获得一定的机械强度 避免粘合剂在烧成时的还原作用,烧结原理及工艺,烧结是指多孔状陶瓷胚体在高温条件件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。,升温阶段,保温阶段,冷却阶段,影响烧结的因素,烧结方法：,反应烧结（加入气相或液相以获得一定强度和精度）热压烧结（加压）常压烧结（常压）热等静压（高温恒
12、压）气氛烧结（防氧化，加气）放电等离子体烧结微波烧结爆炸烧结,36,高分子材料：以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能。按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂。,聚合物材料,37,橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力下可产生较大形变，除去外
13、力能迅速恢复原状。高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料，经过纺丝制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；高分子胶粘剂是以合成天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质。根据成膜物质不同，分为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。,38,2.4 聚合物基体材料,1种类 用于复合材料的聚合物基体
14、有多种分类方法，如按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。,2.4.1 聚合物基体种类、组分和作用,39,热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。,热塑性聚合物的形态特征,热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，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化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。,热固性聚合物的形态特征,40,2组分 主要成分是聚合物此外，还包括辅助材料：固化剂、增韧剂、稀释剂和催化剂等；,41,3.基体的
15、作用主要包括以下四个部分将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡；基体决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐介质性能(等；基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选择等。基体保护纤维免受各种损伤。此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。,42,2.4.2 聚合物的结构与性能,1聚合物的结构单个聚合物分子的化学结构和立体化学结构，包括重复单元的本性、端基本性、可能的支化和胶联与结构顺序中缺陷的本性，以及高分子的大小和形态；分子链包含大数目的结构单元，每个结构单元相当于一个
16、小分子；含有官能团或端基，与其它反应基团的反应对其物理性能和力学性能影响很大；分子间作用力与聚集态结构和材料的物理性能密切相关；,2聚合物的性能,力学性能“温度-时间-环境-载荷”决定因素：分子内和分子间的作用力；,结构决定性能：结构上：热塑性树脂为线性结构；热固性树脂为网状结构；性能上（热塑性树脂）：明显的力学松弛；大形变；良好的抗冲击性能；,耐热性：,刚性分子链、结晶性、交联结构可以改善耐热性：1）选用能产生交联结构的聚合物；2）增加分子链的刚性：少单键；多双键、三键或环状结构；3）选用结晶能力大的聚合物；,热稳定性失效形式：降解和交联提高途径：1）提高键能；2）尽可能引入芳环和杂环；,2
17、.4.3热固性树脂,优点：具有良好的工艺性。由于固化前，热固性树脂粘度很低，因而宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较低的温度和压力下固化成型；缺点：预浸料需低温冷藏且贮存期有限，成型周期长和材料韧性差。热固性在连续纤维增强树脂基复合材料中占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，约占总量的80，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀性或先进复合材料基体。,耐腐蚀性能,常用热固性树脂的耐化学腐蚀性能,常用热固性树脂的其它物理性能,其他物理性能,1不饱和聚酯树脂(1)不饱和聚酯树脂及其特点不饱和聚酯树脂是指有线型结构的，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。不饱和聚
18、酯树脂在热固性树指中是工业化较早，产量较多的一类，它主要应用于玻璃纤维复合材料。由于树脂的收缩率高且力学性能较低，因此很少用它与碳纤维制造复合材料。,主要优点：、工艺性能良好，如室温下粘度低，可以在室温下固化，在常压下成型，颜色浅，可以制作彩色制品，有多种措施来调节其工艺性能等；、固化后树脂的综合性能良好，并有多种专用树脂适应不同用途的需要；、价格低廉，其价格远低于环氧树脂，略高于酚醛树脂。主要缺点：固化时体积收缩率较大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形，因此很少用于受力较强的制品中。,(2)交联剂、引发剂和促进剂(a)交联剂 不饱和聚酯分子链中含有不饱和双键，因而在热的
19、作用下通过这些双键，大分子链之间可以交联起来，变成体型结构。但这种交联产物很脆，没有什么优点，无实用价值。实际中常把线型不饱和聚酯溶于烯类单体中，使聚酯中的双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。烯类单体在这里既是溶剂，又是交联剂。交联剂的选择和用量直接影响着树脂的性能和工艺,(b)引发剂 引发剂一般为有机过氧化物，它的特性通常用临界温度和半衰期来表示。临界温度是指有机过氧化物具有引发活性的最低温度。在此温度下，过氧化物开始以可察觉的速度分解形成游离基，从而引发不饱和聚酯树脂以可以观察的速度进行固化。半衰期是指在给定的温度条件下，有机过氧化物分解一半所需要的时间。,(c)促
20、进剂 促进剂的作用是把引发剂的分解温度降到室温以下。对氢过氧化物有效的促进剂大都是具有变价的金属钴，如环烷酸钻、萘酸钴等。为了操作方便，配制准确，常用苯乙烯将促进剂配成较稀的溶液。,(3)不饱和聚酯树脂的固化特点 不饱和聚酯树脂的固化是一个放热反应，其过程可分为三个阶段：(a)胶凝阶段：从加入促进剂后到树脂变成凝胶状态的一段时间，受成分、温度、湿度等影响。(b)硬化阶段：从树脂开始胶凝到一定硬度，能把制品从模具上取下为止的一段时间。(c)完全固化阶段：可能几天至几星期，可升温来加速。,(4)不饱和聚酯树脂的增粘特性 在碱土金属氧化物或氢氧化物不饱和聚树脂很快稠化，形成凝胶状物，这种物质称为增粘
21、剂。增粘剂可使粘度 0.1 1.0 Pa s短时间内剧增至103 Pa s，直至成为能流动的、不粘手的类似凝胶状物，过程为增粘过程。树脂处于凝胶状时并未交联，在合适的溶剂中仍可溶解，加热时有良好的流动性。利用的增粘特性来制备聚酯预混料，片状模压料(SMC)和团状模压料，其中，片状模压料可以进行自动化、机械化、连续大量生产，并且用它可以压制大型制品。,2环氧树脂含有二个以上环氧基的高聚物统称为环氧树脂。按原料组分而言，有双酚型环氧树脂，非双酚型环氧树脂以及脂肪族环氧化合物等新型环氧树脂。环氧树脂是线型结构的，必须加入固化剂使它变为不溶不熔的网状结构的树脂才有用处。凡能与环氧树脂中环氧基发生反应，
22、使树脂固化的物质，统称为固化剂或硬化剂；固化剂的种类很多，通常有胺类固化剂、酸酐类固化剂、咪唑类固化刑、潜伏性固化剂，以及其他类型的固化剂。,3酚醛树脂酚醛树脂系酚醛缩合物，它主要应用于胶粘剂、涂料及布、纸、玻璃布的层压复合材料等。酚醛树脂的优点是比环氧树脂价格便宜，但有吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等缺点。因此较少用酚醛树脂来制造碳纤维复合材料。固化方法有两种：(一)加热固化，不加任何固化剂，仅仅通过加热的办法，依靠酚醛本身的羟甲基等活性基团，进行化学反应而固化：(二)通过加入固化剂使树脂发生固化。,酚醛树脂,酚醛树脂层压板,2.4.4 热塑性树脂 热塑性聚合物是指具有线型
23、或支链型结构的有机高分子化合物。这类聚合物可以反复受热软化(或熔化)，而冷却后变硬。热塑性聚合物在软化或熔化状态下，可以进行模塑加工，当冷却至软化点以下能保持模塑成型的形状。,热塑性基体的最重要优点是其高断裂韧性(高断裂应变和高冲击强度)，这使得FRP具有更高的损伤容限。,此外，热塑性树脂基体复合村料，还具有预浸料不需冷藏且贮存期无限、成型周期短、可再成型、易于修补、废品及边角料可再生利用等优点。,属于热塑性聚合物的有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、聚苯硫等。在这些聚合物中，有一些已用于玻璃纤维增强塑料，但是用作碳纤维复合材料基体的目前还不多。热塑性聚合物
24、基复合材料与热固性树脂基复合材料相比，在力学性能、使用温度、老化性能方面处于劣势，但具有工艺简单、工艺周期短、成本低、比重小等方面占优势。,1、金属：金属键；特性：金属光泽、导电性、导热性、延展性等。2、陶瓷：离子键、共价键；特性：绝缘性、耐高温、硬度高、化学性质稳定、脆性强等。3、高分子：共价键和范德华力，构成原子多为非金属，特性：绝缘性，耐腐蚀，量轻。根据结构性质差异巨大。,金属、陶瓷、聚合物,陶瓷中原子形成共价键或离子键的网络，弹性形变遵守胡克定律，来源于化学键的键长和键角的改变，这种改变需要很大的力。无法产生大的形变，往往在小应变时，材料内部开始出现裂纹，并造成脆性的断裂。金属的结构特点是金属键，没有方向性和饱和性，所以金属原子之间可以滑移，形成比较大的不可回复的形变，称为塑性形变。金属可冲压，锻打，都来源于金属键的特性。高分子中的情况就复杂得多，与高分子的种类和结构有关系。,谢谢！,
