[材料科学]材料表界面华东理工大学-9.ppt

第8章 复合材料的界面 8.1 复合材料概述 复合材料是由两种或两种以上的不同材料通过一定工艺制成的多相材料，并具有与原组成材料不同的新的性能。 包括三层意义： 它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法分离的材料。 它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在一起，形成复合材料。 它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分材料没有的独特性能。 复合材料的结构： 基体相 增强剂相 相与相之间存在界面。 复合材料按基体分类 聚合物基复合材料 热塑性聚合物基：PP、PE、尼龙、PVC 热固性聚合物基：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等 金属基复合材料 无机非金属基复合材料： 陶瓷基、水泥基、玻璃基 复合材料的特性 (1). 轻质高强 一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量 复合材料的特性 (2). 电性能好 复合材料的特性 （3） 耐腐蚀性能和热稳定性能好 复合材料的特性 （4）性能的可设计性及材料与结构的一致性 复合材料的特性 （5）界面结合性差，层间剪切强度低 8.2. 聚合物基复合材料 聚合物可分为热固性树脂和热塑性树脂，相应地，聚合物基复合材料也可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。 用作复合材料基体的热塑性树脂有聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚酰亚胺等热塑性高分子材料。 用作复合材料基体的热固性树脂最主要的是不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂，其它还有脲醛树脂、呋喃树脂、有机硅树脂等。其中最主要，应用最广泛的是不饱和聚酯、环氧和酚醛三大热固性树脂。 8.2.1 不饱和聚酯 不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸(或酸酐)，不饱和二元酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基单体（如苯乙烯）中的溶液。 饱和二元酸或酸酐： 不饱和二元酸或酸酐 多元醇 交联剂 然后，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯发生自由基共聚反应，交联成三元网状结构 过氧化物引发剂： BPO 过氧化甲乙酮 过氧化环己酮 氧化－还原引发体系：促进剂，可使之在室温下固化 BPO－N，N-二甲基苯胺 过氧化甲乙酮-环烷酸钴 过氧化环己酮-环烷酸钴 不饱和聚酯树脂是复合材料中用量最大的基体树脂 8.2.2 环氧树脂 环氧树脂是指分子结构中含有2个或2个以上环氧基的化合物。环氧基可在分子链末端，也可在分子链的中间。 分子链中引入环氧基一般有两种方法，一种是由含活泼氢的化合物如酚类、有机酸类、胺类与环氧氯丙烷发生开环反应，然后在碱的作用下闭环，引入环氧基： 缩水甘油醚型环氧树脂 另一种引入环氧基的方法是用过醋酸或过氧化氢对带双键的化合物进行环氧化： 工业上大量使用的是缩水甘油醚型环氧树脂，其中，又以二酚基丙烷（双酚A）与环氧氯丙烷合成的双酚A型环氧树脂最为重要 环氧树脂的固化 反应性固化剂：与环氧分子进行加成反应，并通过逐步反应历程交联成体型网状结构 脂肪族多元胺、芳香胺、多元酸等 催化性固化剂：引发环氧基按阳离子或阴离子聚合的历程进行固化反应 叔胺、三氟化硼等 脂肪族多元胺固化原理 常用的脂肪胺固化剂 H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2 二乙烯三胺 H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 三乙烯四胺 H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 四乙烯五胺 H2N(CH2CH2NH)nCH2CH2NH2 多乙烯多胺 8.2.3 酚醛树脂 由酚类和醛类合成的树脂。酚类一般是苯酚，醛类主要是甲醛。 热固性酚醛树脂：以碱为催化剂，甲醛/苯酚摩尔比大于1，反应到一定阶段停止，加热固化。 热塑性酚醛树脂：以酸为催化剂，甲醛/苯酚摩尔比小于1，加入六次甲基四胺等固化剂才能固化。 反应原理：第一步甲醛与苯酚加成生成羟甲基苯酚 第二步羟甲基与苯酚邻对位氢脱水缩合 碱催化下第二步羟甲基缩合反应较慢，羟甲基可稳定存在，因此在以后加热时，羟甲基可继续反应，固化成网络结构。 酸催化下，羟甲基的缩合反应迅速，生成的羟甲基立即缩合，但因苯酚过量，甲醛消耗完反应终止。以后再加入甲醛或固化剂，反应继续，固化成网络结构。 酚醛树脂固化反应有小分子放出，所以固化在加热、加压下进行。 三种树脂基体的比较 不饱和聚酯：用量最大，玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）制品