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第第第第3 3章基体材料章基体材料章基体材料章基体材料本讲稿第一页，共六十三页本章主要内容本章主要内容概述概述1基体材料的基本性能基体材料的基本性能2基体材料的工艺性基体材料的工艺性3复合材料用树脂基体复合材料用树脂基体4高性能树脂基体高性能树脂基体5耐腐蚀复合材料用树脂基体耐腐蚀复合材料用树脂基体6本讲稿第二页，共六十三页概概 述述一、基体材料一、基体材料1.基体材料的性能直接影响复合材料的性能，基体的工艺性决基体材料的性能直接影响复合材料的性能，基体的工艺性决定复合材料的成型方法与工艺参数的选择。定复合材料的成型方法与工艺参数的选择。2.2.聚合物基体将增强材料粘成整体，在纤维间传递载荷，并使载聚合物基体将增强材料粘成整体，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡。荷均衡。3.3.复合材料的横向拉伸性能、压缩性能、剪切性能、耐热性能和复合材料的横向拉伸性能、压缩性能、剪切性能、耐热性能和耐介质性能等都与基体有着密切关系。耐介质性能等都与基体有着密切关系。本讲稿第三页，共六十三页概概 述述二、基体材料的基本组分二、基体材料的基本组分二、基体材料的基本组分二、基体材料的基本组分 组分包括聚合物和辅助剂。组分包括聚合物和辅助剂。1.1.聚合物基体树脂聚合物基体树脂 1)1)聚合物是基体的主要组分，它对复合材料的技术性能、成型工艺及产品的聚合物是基体的主要组分，它对复合材料的技术性能、成型工艺及产品的价格等都有直接影响。价格等都有直接影响。2 2）酚醛树脂）酚醛树脂 3 3）不饱和聚酯树脂）不饱和聚酯树脂 4 4）环氧树脂）环氧树脂 5 5）新型热固性树脂，如双马来酰亚胺树脂，氰酸酯树脂，聚酰亚胺树脂等。）新型热固性树脂，如双马来酰亚胺树脂，氰酸酯树脂，聚酰亚胺树脂等。6 6）高性能热塑性树脂，如聚醚砜，聚苯硫醚，聚酰亚胺，聚芳醚酮等。）高性能热塑性树脂，如聚醚砜，聚苯硫醚，聚酰亚胺，聚芳醚酮等。本讲稿第四页，共六十三页概概 述述二、基体材料的基本组分二、基体材料的基本组分 2.辅助剂辅助剂 1)1)固化剂、引发剂与促进剂。固化剂、引发剂与促进剂。2)2)稀释剂，分为非活性和活性两大类。稀释剂，分为非活性和活性两大类。3)3)增韧剂、增塑剂。增韧剂、增塑剂。4)4)触变剂。触变剂。5)5)填料，改善性能，降低成本。填料，改善性能，降低成本。6)6)颜料，制造彩色的复合材料制品。颜料，制造彩色的复合材料制品。本讲稿第五页，共六十三页概概 述述三、基体材料在复合材料中的作用三、基体材料在复合材料中的作用 1 1.基体通过界面与纤维成为一个整体，以应力的形式向纤维传递载荷。基体通过界面与纤维成为一个整体，以应力的形式向纤维传递载荷。2.2.基体保护纤维免受外界环境的化学作用和物理损伤。基体保护纤维免受外界环境的化学作用和物理损伤。3.3.基体像隔膜一样，将纤维彼此隔开。这样，即使个别纤维断基体像隔膜一样，将纤维彼此隔开。这样，即使个别纤维断裂，裂纹也不会迅速从一根纤维扩展到其它纤维。裂，裂纹也不会迅速从一根纤维扩展到其它纤维。4.4.复合材料的耐热性、耐腐蚀性、阻燃性、抗辐射、耐溶剂及吸湿性，复合材料的耐热性、耐腐蚀性、阻燃性、抗辐射、耐溶剂及吸湿性，复合材料的工艺性以及制件的成型方法都取决于基体。复合材料的工艺性以及制件的成型方法都取决于基体。本讲稿第六页，共六十三页概概 述述四、基体材料系统的选配原则四、基体材料系统的选配原则1.1.使用性。使用性。首先要考虑的条件。首先要考虑的条件。2.2.工艺性能。工艺性能。考虑树脂基体的操作工艺性。考虑树脂基体的操作工艺性。3.3.经济性。经济性。从成型工艺看，手糊成型多采用聚酯和环氧树脂，层压、模压、从成型工艺看，手糊成型多采用聚酯和环氧树脂，层压、模压、缠绕工艺多采用环氧和酚醛树脂，注射、挤出工艺多采用热塑缠绕工艺多采用环氧和酚醛树脂，注射、挤出工艺多采用热塑性树脂。性树脂。从成本考虑，酚醛树脂从成本考虑，酚醛树脂 聚酯树脂聚酯树脂 300,300,长期使用温度长期使用温度-200-300-200-300，耐高温耐高温达达400400；具有优越的热老化性能，热和热氧化稳定性随着具有优越的热老化性能，热和热氧化稳定性随着亚氨基亚氨基（-NH）含量）含量增加而提高增加而提高；树脂在空气中热失重，是由树脂在空气中热失重，是由亚甲基亚甲基(-CH(-CH2 2)的破坏造成的。树脂相对分子质量影的破坏造成的。树脂相对分子质量影响其高温性能响其高温性能(相对分子质量相对分子质量 ，复合材料的耐热性，复合材料的耐热性 )。乙炔封端乙炔封端的聚酰亚胺具有优异的热氧化稳定性，介电性能，良好的耐湿热性能。的聚酰亚胺具有优异的热氧化稳定性，介电性能，良好的耐湿热性能。本讲稿第四十九页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体聚酰亚胺应用聚酰亚胺应用 1.1.薄膜薄膜：是聚酰亚胺最早的商品之一：是聚酰亚胺最早的商品之一 用于电机的槽绝缘及电缆绕包材料。用于电机的槽绝缘及电缆绕包材料。主要产品有杜邦主要产品有杜邦Kapton,Kapton,宇部兴产的宇部兴产的 Upilex Upilex系列等。透明的系列等。透明的聚酰亚胺薄膜聚酰亚胺薄膜 可作为柔软的太阳能电池底板。可作为柔软的太阳能电池底板。2.2.涂料涂料：作为绝缘漆用于：作为绝缘漆用于电磁线电磁线，或，或 作为耐高温涂料使用。作为耐高温涂料使用。3.3.先进复合材料先进复合材料：用于：用于航天、航空器航天、航空器及火箭部件，是最耐高温的结构材料之一。例如及火箭部件，是最耐高温的结构材料之一。例如美国美国的超音速客的超音速客机计划所设计的速度为机计划所设计的速度为2.4M2.4M，飞行时，飞行时表面温度表面温度为为177177，要求使用寿命为，要求使用寿命为60000h60000h。4.4.纤维纤维：弹性模量仅次于碳纤维，作为高温介质及放射性物质的过滤材料和防弹、防火织物。：弹性模量仅次于碳纤维，作为高温介质及放射性物质的过滤材料和防弹、防火织物。本讲稿第五十页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体聚酰亚胺应用聚酰亚胺应用 5.5.泡沫塑料泡沫塑料：用作耐高温隔热材料。：用作耐高温隔热材料。6.6.工程塑料工程塑料：有热固性也有热塑型，热塑型可以：有热固性也有热塑型，热塑型可以模压成型模压成型也可以用注射成型或传递模塑。主要用于也可以用注射成型或传递模塑。主要用于自自润滑润滑、密封、绝缘及结构材料。广成聚酰亚胺材料已开始应用在压缩机旋片、活塞环及特种、密封、绝缘及结构材料。广成聚酰亚胺材料已开始应用在压缩机旋片、活塞环及特种泵密封等机械部件上。泵密封等机械部件上。7.7.胶黏剂胶黏剂：用作高温结构胶。广成聚酰亚胺胶粘剂作为电子元件高绝缘灌封料已生产。：用作高温结构胶。广成聚酰亚胺胶粘剂作为电子元件高绝缘灌封料已生产。8.8.分离膜分离膜：用于各种气体对，如氢：用于各种气体对，如氢/氮、氮氮、氮/氧、二氧化碳氧、二氧化碳/氮或甲烷等的分离，从空气烃类原氮或甲烷等的分离，从空气烃类原料气及醇类中脱除水分。料气及醇类中脱除水分。9.9.在在微电子微电子器件中的应用：用作介电层进行层间绝缘，作为缓冲层可以减少应力、提高成品率。作为保护器件中的应用：用作介电层进行层间绝缘，作为缓冲层可以减少应力、提高成品率。作为保护层可以减少环境对器件的影响，还可以对层可以减少环境对器件的影响，还可以对a-a-粒子起粒子起屏蔽屏蔽作用，减少或消除器件的软误差（作用，减少或消除器件的软误差（soft errorsoft error）。）。10.10.湿敏材料湿敏材料：利用其吸湿线性膨胀的原理可以用来制作湿度传感器。：利用其吸湿线性膨胀的原理可以用来制作湿度传感器。本讲稿第五十一页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体v高性能热塑性树脂高性能热塑性树脂热塑性树脂一般为热塑性树脂一般为线型高分子化合物线型高分子化合物、它们可溶于适当溶剂中，或、它们可溶于适当溶剂中，或者者受热熔化受热熔化(结晶型结晶型)、软化软化(非晶型非晶型)，而冷却时又固化为原来的状态。，而冷却时又固化为原来的状态。热塑性树脂具有热塑性树脂具有断裂韧性好断裂韧性好、抗冲击性强抗冲击性强、成型工艺简单成型工艺简单、成本低等优点，近年来发展迅速。成本低等优点，近年来发展迅速。聚酮类树脂、聚芳硫醚树脂、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺聚酮类树脂、聚芳硫醚树脂、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚砜、热致液晶高分子、聚苯并咪唑。酰亚胺、聚砜、热致液晶高分子、聚苯并咪唑。本讲稿第五十二页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体v聚酮类树脂聚酮类树脂主要产品聚醚醚酮主要产品聚醚醚酮(PEEK)(PEEK)，结构式为，结构式为性能：优良的力学性能、韧性、耐辐射性能及阻燃性能等。性能：优良的力学性能、韧性、耐辐射性能及阻燃性能等。应用：电子器材、军用设备、电线、电缆、航空工业等领域应用。应用：电子器材、军用设备、电线、电缆、航空工业等领域应用。本讲稿第五十三页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体v热塑性聚酰亚胺热塑性聚酰亚胺主要有两个品种：杜邦公司的主要有两个品种：杜邦公司的N-polymerN-polymer和和EymydEymyd。特点：特点：T Tg g=240=240，使用温度使用温度-40100，有较高的有较高的结晶度结晶度和和熔点熔点，热稳定性热稳定性及热及热氧化稳定性能好，具有良好的机械性能，耐油性，耐溶剂性等。氧化稳定性能好，具有良好的机械性能，耐油性，耐溶剂性等。缺点：酰胺化过程中形成缺点：酰胺化过程中形成小分子小分子，需要较长时间除去；，需要较长时间除去；亲水性强亲水性强，吸水后尺寸稳，吸水后尺寸稳定性差及热变形温度较低等，但以纤维材料增强后，上述缺陷可以得到明显的提定性差及热变形温度较低等，但以纤维材料增强后，上述缺陷可以得到明显的提高。高。N-polymer本讲稿第五十四页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体v聚醚酰亚胺聚醚酰亚胺聚醚酰亚胺聚醚酰亚胺(PEI)结构式：结构式：PEI具有较高的具有较高的Tg（215），使用温度），使用温度160-180及较及较低的成型低的成型、加工温度。热变形温度、加工温度。热变形温度198-208。本讲稿第五十五页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体v聚酰胺酰亚胺聚酰胺酰亚胺聚酰胺酰亚胺聚酰胺酰亚胺(PAI)结构式：结构式：特点：特点：PAI具有优异的具有优异的韧性韧性，250以下具有良好的力学性能，以下具有良好的力学性能，耐高温性耐高温性能好能好，热变形温度高（，热变形温度高（269），耐化学介质性能。），耐化学介质性能。缺点：缺点：吸湿率高吸湿率高，不宜在高温湿态条件下应用（熔体黏度大，加工困难）。，不宜在高温湿态条件下应用（熔体黏度大，加工困难）。本讲稿第五十六页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体v聚砜（聚砜（PSUPSU）根据分子结构不同，聚砜树脂根据分子结构不同，聚砜树脂主要有三种类型，即聚砜主要有三种类型，即聚砜(双双酚酚A型聚砜型聚砜)、聚芳醚砜和聚醚砜。、聚芳醚砜和聚醚砜。本讲稿第五十七页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体v聚砜（聚砜（PSUPSU）聚砜树脂一般为双酚聚砜树脂一般为双酚A类聚砜，优良的耐热性、类聚砜，优良的耐热性、电性能、柔韧性及耐老化性。电性能、柔韧性及耐老化性。聚芳醚砜中含有聚芳醚砜中含有联苯联苯结构，耐热性最好。结构，耐热性最好。对一般对一般无机酸、碱、盐无机酸、碱、盐等溶液都很等溶液都很稳定稳定，但，但不不耐耐某些极性某些极性有机溶剂有机溶剂如酮类、芳香烃、卤化烃等。如酮类、芳香烃、卤化烃等。本讲稿第五十八页，共六十三页高性能树脂基体高性能树脂基体v热致液晶高分子热致液晶高分子多为聚酯类高分子，如多为聚酯类高分子，如Amoco公司的公司的Xydar，其结构如，其结构如下：下：特点：特点：耐高温耐高温，阻燃性非常好。在熔融状态下呈现，阻燃性非常好。在熔融状态下呈现有序有序结构结构，按一定的方向，按一定的方向取向取向，易于，易于流动流动，所以粘度及收缩率较，所以粘度及收缩率较小，力学性能优良。小，力学性能优良。本讲稿第五十九页，共六十三页耐腐蚀复合材料用树脂基体耐腐蚀复合材料用树脂基体 复合材料用于防腐工程，其复合材料用于防腐工程，其耐腐蚀性耐腐蚀性主要由主要由基体树脂基体树脂决定。决定。主要有酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂和聚酯树脂主要有酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂和聚酯树脂。v酚醛树脂酚醛树脂1）固化过程）固化过程在在酸性酸性催化剂作用下，催化剂作用下，苯酚苯酚过量生成缩聚物，为热塑性酚醛树脂；过量生成缩聚物，为热塑性酚醛树脂；在在碱性碱性催化剂作用下，催化剂作用下，甲醛甲醛过量生成缩聚物，为热固性酚醛树脂（用于防腐工程）。过量生成缩聚物，为热固性酚醛树脂（用于防腐工程）。2）性能）性能 含有大量含有大量苯环苯环，由亚甲基，由亚甲基(-CH2)连接，还含有大量的极性连接，还含有大量的极性-OH，分子链，分子链刚性大刚性大，呈体型结构，较好的耐热性。呈体型结构，较好的耐热性。本讲稿第六十页，共六十三页耐腐蚀复合材料用树脂基体耐腐蚀复合材料用树脂基体v呋喃树脂呋喃树脂分子结构中含呋喃环分子结构中含呋喃环 的一类合成树脂的总称。的一类合成树脂的总称。主要有三种：主要有三种：糠醇树脂糠醇树脂糠醛糠醛-丙酮树脂丙酮树脂 由糠醛与丙酮在由糠醛与丙酮在氢氧化钠氢氧化钠催化条件下，催化条件下，40-65缩聚反应而成。固化后的树缩聚反应而成。固化后的树脂具有很好的耐酸、耐碱和耐热性，广泛应用于防腐蚀。与金属的附着力差，与环氧脂具有很好的耐酸、耐碱和耐热性，广泛应用于防腐蚀。与金属的附着力差，与环氧树脂配合使用可改善。树脂配合使用可改善。本讲稿第六十一页，共六十三页耐腐蚀复合材料用树脂基体耐腐蚀复合材料用树脂基体v呋喃树脂呋喃树脂糠醛糠醛-丙酮丙酮-甲醛树脂甲醛树脂 由糠醛由糠醛-丙酮单体在氢氧化钠催化下缩合至初缩物，再与甲醛作用，在硫酸作丙酮单体在氢氧化钠催化下缩合至初缩物，再与甲醛作用，在硫酸作用下缩合而成。用下缩合而成。以上三种呋喃树脂含有以上三种呋喃树脂含有呋喃环呋喃环、双键双键、羰基羰基及相邻碳原子上的及相邻碳原子上的活泼氢活泼氢，因此在，因此在酸和碱的作用下（打开双键、失水等），易形成不溶、不熔的网状结构。酸和碱的作用下（打开双键、失水等），易形成不溶、不熔的网状结构。性能性能：属于热固性树脂，固化交联时要：属于热固性树脂，固化交联时要放出低分子放出低分子物质，因此固化时体积物质，因此固化时体积收缩率大收缩率大，伸长率低，呈现脆性。伸长率低，呈现脆性。固化物分子链节上是固化物分子链节上是-CH2和饱和的和饱和的C-C键，因此耐无机酸、碱。还具有键，因此耐无机酸、碱。还具有良好的耐良好的耐热性热性，一般可在，一般可在120-140长期使用。但是呋喃环上含有双键，在某些条件下长期使用。但是呋喃环上含有双键，在某些条件下有开环倾向，不抗氧化。有开环倾向，不抗氧化。本讲稿第六十二页，共六十三页本讲稿第六十三页，共六十三页