最新复合材料的基体材料幻灯片.ppt
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1、2一、金属材料 基体材料是金属基复合材料中增强体的载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,基体材料的力学物体,占有很大的体积比列,基体材料的力学物理性能将直接影响复合材料的性能。金属材料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。分为结构金属材料和功能用金属基复合材料。91 、微晶玻璃、微晶玻璃l微晶玻璃是微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法,经过热处理过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程在玻璃中形成晶核,再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶材料,又称为玻璃陶瓷。与晶体共存的均匀多晶材料,
2、又称为玻璃陶瓷。l微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数较大等特点,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。同时还具有一定的机械强度。l典型代表:典型代表:Li2O-Al2O3-SiO210l应用较多的有:应用较多的有:Al2O3,MgO,SiO2,ZrO2,莫来石(莫来石(3Al2O3-2SiO2)等。具有高强度、高)等。具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能,但脆硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能,但脆性大。性大。l主要的增强物为:陶瓷颗粒或晶须。主要的增强物为:陶瓷颗粒或晶须。2 、 氧化物陶瓷氧化物陶瓷113 、 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 指不含氧
3、的指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。等。自然界比较少,需要人工合成,是先进陶瓷特别是金属陶自然界比较少,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。的金属键成分。 共价键结合能比较高共价键结合能比较高材料有高的耐火度、高的硬度材料有高的耐火度、高的硬度(有的接近金刚石)、高的耐磨性,但脆性大,抗氧化能(有的接近金刚石)、高的耐磨性,但脆性大,抗氧化能力低。力低。 主要有主要有氮化硅陶瓷(Si3N4)、氮化硼和氮化钛陶瓷、碳化硅陶瓷等12一、基
4、体材料的组分及作用一、基体材料的组分及作用聚合物基体:聚合物基体: 基体材料主要成分,决定复合材料的性能、基体材料主要成分,决定复合材料的性能、成型工艺及价格。成型工艺及价格。要求:要求:具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老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。化性能,并且要施工简单,有良好的工艺性能。 三、聚合物基体材料三、聚合物基体材料132 、 辅助剂:辅助剂:(1 1)交联剂(引发剂、促进剂)交联剂(引发剂、促进剂) 交联剂交联剂:能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分:能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合交联成网
5、络结构的物质。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。共价键或离子键形成的物质。也称为固化剂。 引发剂引发剂:指一类容易受热分解成自由基的化合物,可用: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。饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。 促进剂促进剂:与催化剂或交联剂并用时,可以提高反应速率: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。的一种用量较少的物
6、质。 14(2)稀释剂:降低聚合物基体粘度,便于施工。)稀释剂:降低聚合物基体粘度,便于施工。非活性稀非活性稀释剂:不参与树脂固化反应,树脂成型中挥发,加释剂:不参与树脂固化反应,树脂成型中挥发,加入量为入量为1060%。如:丙酮、乙醇、甲苯、苯如:丙酮、乙醇、甲苯、苯活性活性稀释剂:不与树脂固化反应,成为材料成分,加入量为稀释剂: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。如:苯乙烯(不饱和)、环氧丙烷丁基醚 15(3) 增韧(增塑)剂增韧(增塑)剂降低树脂刚性、提高塑性,将导致强度和耐热性下降。降低树脂刚性、提高塑性,将导致强度和耐热性下降。如:邻
7、苯二甲酚酯、聚酰胺如:邻苯二甲酚酯、聚酰胺 等。等。(4)触变剂)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,加入量为量为13%。如:活性如:活性SiO2(白炭黑白炭黑)、膨润土、聚氯乙烯粉。、膨润土、聚氯乙烯粉。16(5) 填料填料降低成本,改善性能(降低收缩率,提高表面硬度和耐磨降低成本,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)。性能、导电、导热等)。如如:CaCO3、滑石粉、石英粉、金属粉。、滑石粉、石英
8、粉、金属粉。(6) 颜料颜料用量用量约约0.55%要求:颜色鲜明,有耐热性和耐光性;在树脂中分散良好,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。固化。173 、基体的作用、基体的作用 均衡载荷,传递载荷(将单根的纤维粘成整体);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;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);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。决定复合材料生产工艺、
9、成型方法。184 、基体材料的选用原则、基体材料的选用原则产品性能产品性能工艺性能工艺性能成本及来源成本及来源基体材料基体材料综合决定综合决定19二、基体材料的结构和性能二、基体材料的结构和性能结构特点:结构特点:(1)分子链很大()分子链很大(103105个结构单元):线形的,支链的,个结构单元):线形的,支链的,网状的网状的(2)链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基)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:)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,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。则呈刚性。20
10、一、力学性能一、力学性能1. 强度与模量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。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。度高。2. 树脂内聚强度树脂内聚强度固化程度提高,分子量增大,内聚强度升高;机械强度增加并固化程度提高,分子量增大,内聚强度升高
11、;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,呈现脆性达到稳定值;固化程度很高,则树脂形变能力减低,呈现脆性三、聚合物基体的性能三、聚合物基体的性能213. 树脂断裂延伸率树脂断裂延伸率聚合物形变:普弹形变、高弹形变、粘流形变聚合物形变:普弹形变、高弹形变、粘流形变普弹形变:普弹形变:由聚合物分子的键长和键角改变引起,由聚合物分子的键长和键角改变引起, 变形较小(变形较小(1%)高弹形变:高弹形变:由大分子链的链段移动引起,是聚合物主由大分子链的链段移动引起,是聚合物主 要变形形式(要变形形式(Tg以上)以上)强迫高弹形变(强迫高弹形变(Tg以下):以下):在外力作用量够大,时
12、间在外力作用量够大,时间 是够长条件下出现是够长条件下出现 决定因素:决定因素:大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度224. 树脂体积收缩率:树脂体积收缩率:物理收缩、化学收缩物理收缩、化学收缩固化收缩率:固化收缩率:环氧树脂环氧树脂12%;聚酯树脂;聚酯树脂46%;酚醛树脂;酚醛树脂810%影响因素:影响因素:固化前树脂系统(包括树脂、固化剂等)的密度;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;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。固化过程中有无小分子释放。降低收缩率方法:降低收缩率方法:调节树
13、脂大分子链段充分伸直,固化前分子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。间填充密实,固化后有紧密的空间网络。23 固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下,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。态树脂的全过程。凝胶:凝胶:定型:定型:熟化:熟化: 液态树脂液态树脂可溶线型小分子可溶线型小分子 固态树脂固态树脂不溶不熔体型结构大分子不溶不熔体型结构大分子固化固化粘流态树脂粘流态树脂半固态凝胶半固态凝胶失去流动性失去流动性凝胶时间手糊时间凝胶时
14、间手糊时间凝胶凝胶硬度、形状硬度、形状表观上变硬,一定力学性能,经后处理,稳定物理化学表观上变硬,一定力学性能,经后处理,稳定物理化学性能性能固化阶段固化阶段24二、耐热性能二、耐热性能复合材料耐热性:复合材料耐热性:温度升高,性能变化温度升高,性能变化物理性能:模量、强度、变形物理性能:模量、强度、变形化学性能:失重、分解、氧化化学性能:失重、分解、氧化树脂耐热性树脂耐热性物理耐热性:在一定温度条件下,仍然保持物理耐热性: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化学耐热性:树脂发生热老化时的温度范围聚合物受热变化聚合物受热变化
15、物理变化:变形、软化、流动、熔融物理变化:变形、软化、流动、熔融化学变化:分子链交联、氧化、产生气体等化学变化:分子链交联、氧化、产生气体等25提高树脂耐热性方法: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;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:进行结晶:-C-O-C-, -OH, -NH2等;等;进行交联:交联键增加,提高分子间作用力。进行交联:交联键增加,提高分子间作用力。26三、耐腐蚀性能三、耐腐蚀性能树脂的腐蚀树脂的腐蚀物理作用:溶胀或溶解,导致结构破坏,性能下降物理作用:溶胀或溶解,导致结构破坏,性能下降影响因素:影响因素:树脂结构树脂结构
16、树脂含量树脂含量树脂固化交联密度树脂固化交联密度化学作用:化学键破坏或新的化学键化学作用:化学键破坏或新的化学键27四、介电性能四、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极性大的分子一般介电常数也大影响因素:影响因素:树脂大分子的极性:极性增加,电绝缘性下降;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固化树脂杂质含量及种类28热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料树脂加热后产生树脂加热后产生化学变化化学变化,逐渐硬化成型,再受热也,逐渐硬化成型,再受热也不软化,也不能溶解。热固性树脂
17、其分子结构为体型,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、它包括大部分的缩合树脂,热固性树脂有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。 291. 不饱和聚酯树脂聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。饱和聚酯:饱和聚酯:没有非芳族的不饱和键没有非芳族的不饱和键不饱和聚酯: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、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
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