复合材料

复合材料及原材料简介

一. 复合材料概论

复合材料是指两种或两种以上的不同材料，用适当的方法复合成的一种新材料，其性能比单一材料性能优越。一般来说，复合材料由基体和增强材料组成。增强材料是复合材料的主要承力组分，特别是拉伸强度，弯曲强度和冲击强度等力学性能主要由增强材料承担；基体的作用是将增强材料黏合成一个整体，起到均衡应力和传递应力的作用，是增强材料的性能得到充分发挥，从而产生一种复合效应，使复合材料的性能大大优于单一材料的性能。

复合材料的性能主要取决于:

1. 基体的性能；

2. 增强材料的性能；

3. 基体与增强材料之间的界面性能。

复合材料的分类方法较多，常用的有以下三种，按基体类型有树脂基复合材料、金属基复合

材料、无机非金属基复合材料等；按增强材料类型有玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料等；按用途不同有结构复合材料、功能复合材料等。

复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料，主要有如下的特性；轻质高强、可设计性好、电性能好、耐腐蚀性能好、热性能良好、工艺性能优良、长期耐热性。

与传统材料（如金属、木材、水泥等）相比，复合材料是一种新型材料，其具有许多优良性能，且其成本在不断的下降，成型工艺的机械化、自动化程度在不断的提高，因此，复合材料的应用领域日益广泛，主要应用在航空、航天方面，交通运输方面，化学工业方面，电气工业，建筑工业方面，机械工业方面，体育用品方面等。

在我们的工作中主要涉及到以高聚物为基体的复合材料，因此在以下的内容中将从基体和增强材料两个方面对聚合物基复合材料进行简单的介绍。

二. 复合材料基体

作为复合材料基体的树脂主要可以分为热固性和热塑性两大类，在这里我们将重点介绍几种常用的热固性树脂基体，其中包括环氧树脂，不饱和聚酯树脂以及酚醛树脂。

2.1 环氧树脂

环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类有机高分子化合物，一般它们的相对分子量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，它们可以和多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三维网状结构的高聚物。

环氧树脂的合成始于20世纪30年代，40年代后期开始工业化，50年代后期及60年代、70年代又相继开发了许多环氧树脂品种。由于环氧树脂及固化后的体系具有优异的综合性能，它们可用作黏合剂、涂料、浇铸料和纤维增强复合材料的基体树脂等等，广泛应用于机械、电机、化工、航空航天、船舶、汽车、建筑等工业部门。

环氧树脂的主要优点有：

1) 形式多样各种树脂、固化剂、改性剂体系可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的黏度到高熔点固体。

2) 固化方便选用不同的固化剂，环氧树脂体系可以在5~180℃的温度范围内固化。

3) 黏附力强环氧树脂中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很强的黏附力。而环氧树脂固化时收缩率低有助于形成一种强韧的、内应力较小的黏合键。由于固化反应没有挥发性副产物放出，所以在成型时不需要高压或除去挥发性副产物所耗费的时间，这就进一步提高了环氧树脂体系的黏结强度。

4) 收缩率低环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成来进行的，没有水或其他挥发性副产物放出。它们和酚醛、不饱和聚酯树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩率(小于2%)。

5) 力学性能固化后的环氧树脂体系具有很优良的力学性能。

6) 电性能固化后的环氧树脂体系在宽广的频率和温度范围内具有良好的电性能。它们是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。

太阳能安全帽7) 耐酸碱等性能固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂，像固化环氧树脂体系的大部分性能一样，耐酸碱等性能取决于所选用的树脂和固化剂。

8) 尺寸稳定性固化环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。

9) 耐霉菌性固化环氧树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻的热带条件下使用。

环氧树脂的品种很多，但根据它们的分子结构，大体上可以分为五大类，主要有缩水甘油醚类；缩水甘油酯类；缩水甘油胺类；线性脂肪族类；脂环族类。工业上用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醚型环氧树脂，而其中又以由二酚基丙烷（简称双酚A）与环氧氯丙烷缩聚而成的环氧树脂（简称双酚A型环氧树脂）为主。本公司制备预浸料时所用的环氧树脂也大部分属于双酚A型。

2.2 不饱和聚酯树脂

压力容器制造不饱和聚酯树脂是指不饱和聚酯在乙烯基类交联单体中的溶液。通常，不饱和聚酯是由不饱和二元羧酸或酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与二元醇缩聚而成，在缩聚反应结束后加入乙烯基类单体（通常为苯乙烯）配成的黏稠状液体树脂。

早在20世纪30年代，就合成的到了不饱和聚酯树脂。由于在不饱和聚酯的分子链中不存在着不饱和双键，在一定的条件下它可以转变成不溶、不熔的体型结构。进一步的研究发现，在不饱和聚酯树脂中加入乙烯基类单体，其固化速率可以提高30多倍，不饱和聚酯树脂与乙烯基类单体快速交联反应的这一重要发现，使得不饱和聚酯树脂与1941年起获得大规模的应用。

不饱和聚酯树脂在过氧化物引发剂、有机酸钴促进剂的存在下，可以在室温固化。因此，不饱和聚酯树脂可在室温下成型制备纤维增强塑料，其成型工艺简单，特别适合制造大型复合材料制品。不饱和聚酯树脂适合多种成型工艺，如手糊成型、喷射成型、RTM成型、缠绕成型、拉挤成型等。故对复合材料工业，不饱和聚酯树脂是一类非常重要的合成树脂。

不饱和聚酯树脂的种类很多，其中乙烯基酯树脂、烯丙基酯树脂、阻燃型不饱和聚酯树脂等。

2.3 酚醛树脂

由苯酚和甲醛经过缩聚反应而得到的酚醛树脂是最早被合成的热固性树脂。一般来说，酚和醛的缩聚产物通常称为酚醛树脂。19世纪后期，已有化学家对此类树脂进行了研究，并成功合成了一系列的酚醛树脂，然而其缩聚反应难于控制。1909年伯克兰首先合成了由应用价值的酚醛树脂，从此开始了酚醛树脂的工业化生产。

酚醛树脂由于其原料易得，合成方便，且固化树脂的性能能够满足多种使用要求，因此酚醛树脂在工业上得到广泛应用。早期酚醛树脂的模压产品大量使用在要求低价格和大批量的工业产品方面。例如，要求耐热耐水性能的纸质层压板、模压制品、摩阻材料、绝缘材料、砂轮黏结剂、耐候性好的纤维板等等。酚醛树脂具有良好的力学性能和耐热性能，尤其具有突出的瞬时耐高温烧蚀性能，以及树脂本身又有广泛的改性余地，所以酚醛树脂还广泛用于制造玻璃纤维增强材料，酚醛树脂复合材料在宇航工业中用于空间飞行器、火箭、导弹等方面，作瞬时耐高温和耐烧蚀结构材料有着非常重要的用途。

三、增强材料

增强材料时复合材料的主要承力组酚，它能大幅度地提高基体树脂的强度和弹性模量，而且能减少复合材料成型过程中的收缩，提高热变形温度。未经增强的基体树脂是不能作为

结构件使用的，而由增强材料与基体树脂制成的复合材料作为结构件在各个领域得到广泛的应用。

增强材料种类很多，总体上可分为有机增强材料和无机增强材料两大类：

（1）无机增强材料有：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、晶须、石棉及金属纤维等。

（2）有机增强材料有：芳纶纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维、聚酯纤维、棉、麻、纸等。

增强材料的选用是根据制品的性能要求，如力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能、电性能等，以及制品的成型工艺和成本要求来确定的。在上述增强材料中应用最广泛的是玻璃纤维。

3．1 碳纤维

碳纤维是有机纤维在惰性气氛中加热至1500℃所形成的纤维状碳材料，其碳含量为90%（质量分数）以上，纤维结构为沿纤维轴向排列的不完全石墨结晶，各平行层原子堆积不

规则，缺乏三维有序，呈乱层结构。如果将碳纤维在2500℃以上进一步碳化，其碳含量大于99%（质量分数）。碳纤维已由乱层结构向三维有序的石墨结构转化，称为石墨纤维。碳纤维和石墨纤维层面主要是以碳原子共价键相结合，而层与层之间主要由范德华力相连接，因此碳纤维是各向异性材料。

鉴于碳纤维及其复合材料具有的优异性能，其在宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一般工业部门中都得到了日益广泛的应用，碳纤维作为宇宙飞行器部件的结构材料和热防护材料，不仅可满足可可环境的要求，而且还可以大大减轻部件的质量，提高有效载荷、航程或射程。例如，宇宙飞船的质量每减轻1kg，就可以使运送他的火箭减轻500kg。

根据所用材料不同，碳纤维可以分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、纤维素基碳纤维、酚醛基碳纤维及其它有机纤维基碳纤维。用气相催化法可以合成出晶须状纳米碳纤维，这种碳纤维具有广泛的应用前景。

碳纤维的种类较多，制造方法各异。本节以聚丙烯腈碳纤维为例说明碳纤维的制造方法。

聚丙烯腈碳纤维的制造工艺流程如下：

碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐化学腐蚀、低电阻、高热传导系数、低热膨胀系数、耐辐射等优异性能。其数据见下表。

表1 碳纤维的性能

项目	碳纤维				石墨纤维
项目	通用型	T-300	T-1000	M-40J	通用型	高模型
密度ca3660/（g/cm3)	1.70	1.76	1.82	1.77	1.80	1.81~2.18
拉伸强度/Mpa	1200	3530	7060	4410	1000	2100~2700
比强度×10-6/cm	7.1	20.1	38.8	24.9	5.6	测脑龄9.6~14.9
拉伸模量/Gpa	48	230	294	377	100	392~827
比模量×10-8/cm	2.8	13.1	16.3	21.3	5.6	21.7~37.9
断裂伸长率/%	2.5	1.5	2.4	1.2	1	0.5~0.27
体积电阻率×10-3/（Ω·cm）	—	1.87	—	1.02	—	0.89~0.22
热膨胀系数×10-6/K-1	—	-0.5	—	—	—	-1.44
热导率/[W/（m·K）]	—	8	—	38	—	84~640
含碳质量分数/%	90~96				>99

注：T-300：标准型；T-1000：高强型；M-40J：高强高模型。

碳纤维根据其模量和强度的大小可以分成很多的等级，具体的分类方法见下表。

表2 碳纤维等级的分类方法
碳纤维的等级	强度（Mpa)	模量（GPa）
高强	3500
超高强	>3500
中模		255~310
高模		310~395
包装容器超高模		>395