摘要
本文以环氧树脂为基体，铌镁锆钛酸铅(PMN)为压电功能体，采用切割-浇注法制备了1-3-2型压电复合材料。分析讨论了压电陶瓷体积分数对1-3-2型压电复合材料性能的影响。结果表明：随着PMN体积分数的增大，复合材料的压电应变常数d33、相对介电常数εr 和声阻抗Z逐渐增大；压电电压常数g33、介电损耗tanδ和厚度机电耦合系数K t逐渐减小；机械品质因数Q m在3-7之间波动。
研究了基底和柱高对复合材料性能的影响。结果表明：随着基底厚度的增加，复合材料的压电应变常数d33、声阻抗Z逐渐增大，压电电压常数g33、机械品质因数Q m呈现出下降的趋势；相对介电常数εr、介电损耗tanδ先增大后减小。
随着1-3-2型复合材料陶瓷柱高度的增加，复合材料的压电应变常数d33和压电电压常数g33均增大；复合材料的厚度模对应的频带不断变窄，柱高为1.0mm时，复合材料的频带最宽，为162.5KHz；柱高为7.0mm时，复合材料的机械品质因数Q m最小，为2.87。关键词：1-3-2型压电复合材料；压电性能；介电性能；机电耦合性能；声阻抗；介温性能
Abstract
1-3-2 piezoelectric composites were fabricated by the cutting-filling method, using PMN ceramic as function, polymer as matrix. The effect of PMN volume fraction on the piezoelectric properties, dielectric properties, the electromechanical coupling coefficients and acoustic impedance of composites were studied. The results show that with increasing the PMN volume fraction, the piezoelectric stain factor d33 and the relative dielectric factor εr increase evidently, while the piezoelectric voltage factor g33 and the dielectric loss tanδ decrease. And the electromechanical quality factor Q m fluctuate between 3 and 7.
The influence of piezoelectric ceramic base thickness and pole highness of 1-3-2 composite on the properties of the composite were studied. The results show that with increasing the base thickness, the piezoelectric stain factor d33 and acoustic impedance Z increase; piezoelectric voltage factor g33 and electromechanical quality factor Q m decrease, the relative dielectric factor εr and the dielectric loss tanδincrease in low frequency , decrease in high frequency.
With increasing the pole highness, the piezoelectric stain factor d33 and piezoelectric voltage factor g33 increase, the frequency band constantly narrow, when the pole highness is 1.0mm, the band width is about 162.5KHz. When the pole highness is 7.0 mm, the electromechanical quality factor Q m is 2.87.
Keywords: 1-3-2 piezoelectric composites; Piezoelectric properties; Dielectric properties; Electromechanical properties; Acoustic impedance; Dielectric temperature properties
目录
摘要...............................................................................................................................................I ABSTRACT...................................................................................................................................II 1. 绪论.. (1)
1.1压电材料及其机理 (1)
1.2压电复合材料 (2)
1.2.1 1-3型压电复合材料的国内外研究现状 (3)
1.2.2 1-3-2型压电复合材料的研究概况 (4)
1.3影响1-3-2型压电复合材料性能的因素 (4)
1.4选题的目的与意义 (5)
1.5本文主要研究的内容 (5)
2. 1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的制备及性能测试 (6)
2.11-3-2型环氧树脂基压电复合材料的制备 (6)
2.1.1 试验仪器与设备 (6)
2.1.2 试验原料 (6)
2.1.3 试样制备 (6)
2.21-3-2型环氧树脂基压电复合材料的性能测试 (8)
2.2.1 压电性能的测试 (8)
2.2.2 介电性能的测试 (8)
2.2.3 机电耦合性能的测试 (9)
2.2.4 机械品质因数的测试 (9)
3. 压电陶瓷相体积分数对复合材料性能的影响 (11)
3.1试验过程 (11)
3.2结果与分析 (11)
3.2.1 PMN的体积分数对复合材料压电性能的影响 (11)
3.2.2 PMN的体积分数对复合材料介电性能的影响 (12)
3.2.3 介电-频率特性 (13)
3.2.4 阻抗-频率特性 (17)
3.2.5 PMN体积分数对复合材料机电耦合性能的影响 (18)
3.2.6 PMN体积分数对复合材料声阻抗的影响 (19)
3.2.7 温度对不同PMN体积分数复合材料性能的影响 (20)
3.3结论 (22)
4. 形状参数对复合材料性能的影响 (24)
4.1试验过程 (24)
4.2基底厚度试验的结果与分析 (24)
4.2.1 基底厚度对复合材料压电性能的影响 (24)
4.2.2 基底厚度对复合材料介电性能的影响 (25)
4.2.3 介电-频率特性 (25)
4.2.4 阻抗-频率特性 (28)
4.2.5 基底厚度对复合材料机电耦合性能的影响 (29)
4.2.6 基底厚度对复合材料声阻抗的影响 (30)
4.3基底试验小结 (30)
4.4柱高试验的结果与分析 (30)
4.4.1 柱高对复合材料压电性能的影响 (30)
4.4.2 柱高对复合材料介电性能的影响 (31)
4.4.3 介电-频率特性 (32)
4.4.4 阻抗-频率特性 (35)
4.4.5 柱高对复合材料机电耦合性能的影响 (36)
4.4.6 柱高对复合材料声阻抗的影响 (37)
4.5柱高试验小结 (37)
5. 结论 (39)
致谢.............................................................................................................错误！未定义书签。参考文献 (40)
1. 绪论
1.1压电材料及其机理
1880年Piere-Curie和Jacques-Curie兄弟发现，对α-石英单晶体在一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的平面上出现正、负束缚电荷，后来称这种现象为压电效应。
当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大小成线性关系。这种由机械能转换成电能的过程，称为正压电效应。逆压电效应就是当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产生形变（或谐振）的现象[1]。
石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的[2]。图1.1是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子Si4+ 和氧离子O2- 在垂直于z 轴的xy平面上的投影。图中“+”代表Si4+，“-”代表2O2-。
当作用力F x =0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120o 夹角的电偶极矩P1、P2、P3，因为P = Ql，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即
P1+P2+P3＝0
所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。
当晶体受到沿x方向的压力（F x< 0）作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x方向上的分量不再等于零，
(P1+P2+P3)x> 0
在y、z方向上的分量为
(P1+P2+P3)y= 0
(P1+P2+P3)z= 0
由上面三式可以看出，在x轴的正方向出现正电荷，在y轴和z轴方向则不出现电荷。当晶体受到沿x方向的拉力（F x＞0）作用时，电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z 三个方向上的分量为
(P1+P2+P3)x<0
(P1+P2+P3)y =0
(P1+P2+P3)z=0
在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力F x作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。
晶体在y轴方向受力F y作用下的情况与F x相似。当F y＞0时，晶体的形变与图1-1（b）相似；当F y＜0时，则与图1-1（c）相似。由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力F y作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。
晶体在z轴方向受力F z的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力F z作用下，晶体不产生压电效应。
图1.1石英晶体压电效应机理示意图
具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷。它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。烧结出来的陶瓷体是多晶体，其自发极化是紊乱取向的，主要成分是铁电体，因此称铁电陶瓷，没有压电性能。对这样的陶瓷体施加强的直流电场进行极化处理，原来混乱取向的自发极化就沿电场方向择优取向。去除电场后，陶瓷体仍保留着一定的总体剩余极化，遂使陶瓷体有了压电性能。
与压电单晶材料相比，压电陶瓷的特点是制造容易，可做成各种形状；可任意选择极化轴方向；易于改变瓷料的组分而得到具有各种性能的瓷料；成本低，适于大量生产。目前压电陶瓷主要用于制造超声、水声、电声换能器，陶瓷滤波器，陶瓷变压器以及点火、引爆装置。此外，还可用压电陶瓷制作表面波器件、电光器件和热释电探测器等。
由于压电陶瓷存在一些明显的缺点限制了它的实际使用。例如，脆性很大，经不起机械冲击和非对称受力，而且其极限应变小（仅有1000 με左右）、密度大，与结构粘合后对结构的力学性能会产生较大的影响。
具有压电效应的聚合物称为压电聚合物。压电聚合物虽然柔顺性好，但是它的使用温度范围很小，一般不超过40℃，而且其压电应变常数较低，因此作为驱动器使用时驱动效果较差。
为了克服单相压电材料的上述缺点，人们发展了压电复合材料。由于压电复合材料不但可以克服上述两种压电材料的缺点，而且还兼有两者的优点，甚至可以根据使用需求设计出单向压电材料所没有的性能，因此越来越引起人们的重视[3-4]。
1.2压电复合材料
压电复合材料是指由至少一种压电材料与非压电相材料按照一定的连通型[5]组合在一起而构成的一种具有压电效应的新材料。这种材料往往集中了各相材料的优点，因而自面世以来，得到了广泛的研究和应用。压电复合材料的特性如电场通路、应力分布形式以及各种性能如压电性能、机械性能等主要由各相材料的连通方式来决定，连通方式即空间连通模式。复合体各组分可以以1, 2, 3 维相连，理论上两相材料有十六种连通模式[6]，常见的有十种基本连通类型，即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3型，一般约定第一个数字代表压电相，第二个数字代表非压电相，例如，1-3型压电复合材料是指由一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的聚合物中而构成的两相压电复合材料[7-8]。而本文研究的1-3-2型压电复合材料是一种改进的1-3型压电复合材料，它由1-3型复合材料与压电基底串联构成，压电陶瓷以三维方式联通，而基体以二维方式联通，如图1.2所示[9]。
图1.2 1-3-2型压电复合材料结构示意图
1.2.11-3型压电复合材料的国内外研究现状
1972年，日本的北山-中村试制了PVDF-BaTiO3的柔性复合材料，开创了压电复合材料的历史[10]。1-3型压电复合材料的研究开始于上世纪70年代中后期，美国宾州大学材料实验室开始研究压电复合材料在水声中的应用，并研制了1-3型压电复合材料[11]。R.E. Newnham等人进行了大量的理论和实验研究工作，测试了不同体积含量的压电复合材料的特性[12-13] 。80年代以后，美国加州斯坦福大学的B. A. Auld等人建立了PZT柱周期排列的1-3型压电复合材料的理论模型，并分析了其中的横向结构模[14]。美国纽约菲利浦实验室的W.A. Smith等人也研究了1-3复合材料的影响因素，设计并制备了性能优越于传统传感器的超声换能器[15]。
20世纪90年代至21世纪初，美国麻省理工大学的R. Gentilma等人用注射成型的方法制备了空间分辨率为5.7应用于水听器的1-3型压电复合材料[16]。美国宾州大学的R.J. MeyerJr.等人制备了适合于微型高分辨率医用传感器的1-3型压电复合材料[17]。德国的T. Hauke等人采用有限元方法模拟了1-3型压电复合材料的性能并和实验数据进行了比较分析[18]。日本的Hiroshi Takeuchi等及英国的G. Hayward和R. Hamilton[19]等人也利用压电复合材料制作了相应的换能器。
压电复合材料的出现也引起了国内一些研究机构的关注。在各种压电复合材料中，研究得最深入、应用得最广泛的是1-3型压电复合材料。上世纪80至90年代，我国学者对1-3型压电复合材料理论和工艺方面的研究也开展得比较广泛，主要有香港理工大学的陈王丽华等根据相关参数建立模型，从而预测1-3复合材料的一些性能参数，研究并制作了1-3型的压电换能器[20]。南京大学的水永安等参与了1-3型压电复合材料的理论研究工作，中科院声学所的耿学仓等研制出了1-3型复合材料，并制作了用于无损检测水浸探伤和岩性测量的纵波、横波换能器等[21]。中科院声学所的刘殿锋等人通过调整1-3型压电复合材料换能器中压电相的分布，可以控制换能器辐射面上振动幅度和相位的分布，从而获得具有特殊性能的声场；研究并制备了1-3型压电复合材料非均匀振动换能器，包括边缘型换能器和Fresnel聚焦换能器[22]。
21世纪初，北京信息工程学院的李邓化和李光采用切割-填充法制备了Q m值为10，频带宽为86kHz的1-3型压电复合材料[23]。中科院武汉物理所的杨凤霞等人[24]、江苏工业学院的李坤等人[25]、中国海洋大学的于新胜等人[26]在1-3型压电复合材料的模型与方法等方面开展了很多相关的工作。另外，香港科技大学的李宗津和济南大学的程新、黄世峰等学者开发研究了水泥基压电复合材料[27]。
1.2.2 1-3-2型压电复合材料的研究概况
最近几年，在许多科研工作者广泛研究1-3型复合材料的同时，有的科研人员开始研究一种改进的1-3型即1-3-2型复合材料。李光等人制备并研究了1-3-2型压电复合材料[28]。北京信息工程学院的王丽坤等人研究了PZT/环氧树脂1-3-2型压电复合材料的压电和介电性能[29]。居伟骏、李邓化等在1-3-2型压电复合材料上表面覆盖金属面板，不仅解决了电极引出困难的问题，而且面板的应力放大作用可以提高复合材料的压电性能。利用有限元分析方法分析面板应力放大作用产生的原因，讨论面板的杨氏模量、泊松比和厚度对应力放大作用的影响[30]。
2007年北京邮电大学的李莉等人根据Chan的1-3型复合材料理论模型和Newnham复合材料串并联了理论提出了一种用于计算1-3-2型压电/聚合物复合材料的介电常数和压电常数的理论模型，为1-3-2型复合材料的设计和制备提供了参考[31]。秦雷等人研究了陶瓷相的体积分数对其谐振性能的影响，利用Newnham串并联理论、均匀场理论和混和定律，得到了1-3-2型复合材料的压电方程，从而导出了1-3-2型复合材料的各项等效参数[32]。现在1-3-2型压电复合材料正受到越来越多的科研工作者的关注。
1.3影响1-3-2型压电复合材料性能的因素
影响压电复合材料性能的因素有很多，主要有功能相的体积分数、性能及分布状态、基体相的性能、复合材料的加工工艺和极化条件等几个方面。
(1) 功能相的体积分数
由于在压电复合材料中，一般功能相为压电陶瓷相，所以它的含量直接影响到复合材料的性能。随陶瓷相体积含量的增加，复合材料的介电常数、压电常数都会增加，只是不同连接类型复合材料的增加规律不同而已。1-3型和并联2-2型的压电常数随陶瓷相体积含量呈线性增长。
(2) 功能相的空间尺寸
功能相的空间尺寸是指陶瓷相的空间分布、取向。对于0-3型压电复合材料来说，合适的陶瓷颗粒大小可以使其出现最大的压电常数峰值。并联2-2型和1-3型中，陶瓷相的纵横比对复合材料的各个参数都有影响。由于陶瓷相与聚合物相的弹性模量不同，作用于聚合物的应力会转移给陶瓷相，因而产生一个压电常数放大系数γ，γ决定于两相的弹性、陶瓷相的含量，但更重要的是陶瓷柱的纵横比，γ随纵横比的增加而变大。在相同组分配比的情况下，随纵横比的增加，复合材料的介电常数会减小，压电常数增加，从而使复合材料的优值增加[12]。
(3) 基体
在压电复合材料中，基体首先起连接的作用，但它的各项性能参数直接影响复合材料的电学、力学等性能。
(4) 成型工艺
成型工艺的优化可以减少复合材料制备过程中缺陷的产生，并且直接影响到复合材料的微观结构，从而影响复合材料的性能。聚合物基体相通过炼胶可以有效地排除其中的气孔，热压制备出密实度高的复合材料，以提高复合材料的压电性能[33]。
(5) 极化工艺
极化是制备压电复合材料的关键工序之一，未经极化的复合材料没有压电性能。人工极化就是在复合材料两端施加足够强的电场，迫使复合材料内部的压电陶瓷发生电畴转向和聚合物发生极化定向排列。合适的极化温度、极化场强和极化时间可以使复合材料的压电性能达到最优值[34]。
1.4 选题的目的与意义
常用压电陶瓷如锆钛酸铅(PZT)等其压电性优良, 但硬而脆的特性使其难于加工。有机聚合物如环氧树脂兼具柔性和低密度的优点，但压电性甚微。某些聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF) 等虽压电性较好，但难于极化和机电耦合系数低的缺点又制约了其应用。将二者结合以相互弥补的构想便导致了压电复合材料的产生。其中陶瓷相具有将电能和机械能相互转换的作用，而聚合物基体则可使应力在陶瓷与周围介质之间进行传递[6]。
压电复合材料中的1-3型压电陶瓷/聚合物复合材料以其结构简单、材料密度低、声阻抗低、高静水压压电性能、较小的横向机电耦合等优点得到广泛的研究与应用[35]。但是由1-3型压电复合材料的制备工艺比较复杂，陶瓷与聚合物复合成型后上下表面需要打磨和制备电极，特别是在受热和力学冲击下容易变形，难以满足高稳定性的要求[28]。
为简化工艺，本文采用了一种改进的1-3型压电复合材料，它由1-3型复合材料与压电基底串联构成1-3-2型复合结构。这种复合材料在平行和垂直于极化方向均有硬质压电陶瓷支撑，结构较1-3型材料稳定，在较高温度下不易变形，有较好的耐热和抗外界冲击能力，陶瓷柱均匀排列，材料基板的表面沿用压电体的表面，不需打磨和被敷电极，简化了1-3型材料磨制下表面的工艺，而且保留了1-3型压电复合材料的优越性能[29]。
1.5本文主要研究的内容
本文主要以环氧树脂为基体材料，以铌镁锆钛酸铅（PMN）为功能体，采用切割-浇注法制备了1-3-2型环氧树脂基压电复合材料。具体研究内容如下：
(1) 制备出性能优良的1-3-2型环氧树脂基压电复合材料。
(2) 研究压电陶瓷相的体积分数对1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的压电应变常数d33、介电常数εr、机电耦合系数K p及K t，机械品质因数Q m等性能的影响。
(3) 研究形状参数对1-3-2型环氧树脂基压电复合材料压电性能、介电性能、机电耦合系数、声阻抗等的影响规律。
(4) 研究温度对1-3-2型环氧树脂基压电复合材料压电性能、介电性能、机电耦合性能、声阻抗等的影响。
2. 1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的制备及性能测试2.1 1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的制备
2.1.1 2.1.2试验仪器与设备
金刚石外圆切割机：WSQ50型，沈阳麦科材料加工设备有限公司；
准静态d33 测量仪：ZJ-3A，中科院声学研究所；
高低温实验箱： MC-710P型，广州爱斯佩克环境仪器有限公司；
电子分析天平： JA2003,上海上平仪器有限公司；
标准养护箱：YH－42B恒温恒湿养护箱，泊头市科析仪器设备厂；
阻抗测试仪： HP4294A阻抗测试仪，美国安捷伦公司；
真空干燥箱： DZF-6050型，上海恒一科技有限公司；
数字电桥： TH2816宽频LCR数字电桥，常州市同惠电子有限公司。
试验原料
压电陶瓷：采用河北保定市宏声声学器材厂生产的铌镁锆钛酸铅（简称PMN）；
环氧树脂：实验室合成；
固化剂：实验室合成。
试验原料性能如表2.1所示：
表2.1试验原料的性能参数
参数平面机电
耦合系数
K p
厚度机电
耦合系数
K t
纵向压电
常数
d33/pC·N-1
介电损耗
tanδ
相对介电
常数εr
机械品质
因数Q m
居里温度
T c/℃
PMN 0.66 0.41 680 0.02 3800 55 200
2.1.3 试样制备
本试验以环氧树脂为基体，铌镁锆钛酸铅（PMN）为功能体，采用切割-浇注法制备
1-3-2型环氧树脂基压电复合材料。将经过极化处理的大压电陶瓷块平均切割成六个小的陶
瓷块备用。沿与压电陶瓷块的极化轴相平行的方向，通过金刚石外圆切割机依次准确切割
出所需尺寸的压电陶瓷柱，将切割后的陶瓷块进行反复清洗，去除其中残留的陶瓷残渣，
减少残渣对性能的影响。将加工好的陶瓷块置于阴凉干燥处晾干备用。将环氧树脂与固化
剂按照4:1的比例在烧杯中配制好，并搅拌使之混合均匀。将切割好的陶瓷块置于模具中，
浇注环氧树脂。在浇注的过程中，始终保持不断振动模具，然后置于真空干燥箱抽真空，
从而尽量减少成型后试样中气孔的数量。
将制备好的试样于室温下固化后脱模。用金刚石外圆切割机将毛坯的上表面进行切割，使之完全露出压电陶瓷。然后分别用粒度为W20和W10的Al2O3磨料细磨至需要的
厚度，同时保证两陶瓷面的平整，之后进行抛光处理。
本试验制备1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的工艺流程如图2.1所示：
图2.1 1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的制备工艺流程图
图2.2为本试验制备1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的工艺流程图：
图2.2 制备1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的制备过程示意图图2.3为本试验制备的1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的照片：
图2.3 试验制备的1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的照片
2.2 1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的性能测试
用丙酮擦洗抛光处理后的试样，在两面均匀地薄薄的涂上一层低温导电银浆，然后放入HP4294A 阻抗测试仪所处的环境当中24h ，从而使其与所测试的实验温度一致。主要的测试包括以下几个方面。 2.2.1 压电性能的测试
采用中科院声学所生产的 ZJ-3A 型准静态d 33测试仪测量压电应变常数d 33，测试频率为110Hz ，每种试样选不同的部位至少测8次，然后取其平均值。
压电性能反映压电材料弹性（机械）性能与介电性能之间的耦合关系。压电常数越大，表明材料弹性性能与介电性能之间的耦合越强。当沿压电材料的极化方向（Z 轴）施加压应力T 3时，在电极面上所产生的电位移为：
D 3=d 33T 3 (2.1)
式中 d 33——压电应变常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的垂直方向，第二个
数字为应力或应变方向。
压电电压常数g 33是指电位移恒定时，由应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比；或当应力为恒定时，由电位移变化所产生的应变变化与电位移变化之比。通常g 33可由下式[36]获得：
3333r 0g d /()εε=× (2.2)
式中 εr ——电介质的相对介电常数；
ε0——真空介电常数，ε0=8.85×10-12Fm -1。 2.2.2 介电性能的测试
用HP4294A 阻抗测试仪测量涂有低温导电银浆试样在1kHz 时的电容量C 。
介电常数ε是表征压电体的介电性质或极化性质的一个参数，是综合反应介质极化行为的一个主要的宏观物理量。
介电常数通过测量样品的电容量，经过计算求得的电容量与绝对介电常数有如下关系：
ε=A
Ct (2.3)
式中 C ——被测样品在频率为1kHz 时的电容量（F ）；
A ——样品的有效面积（m 2）； t ——样品的厚度（m ）；
ε——样品的绝对介电常数（Fm -1）。
介质材料的介电常数通常采用相对介电常数来表示，即
εr =
εε
(2.4) 将以上两式联立得：
εr =
A
Ct
0ε (2.5) 采用已经测量出的试样在1kHz 时的电容量C 的数值，即可由上式计算出相对介电常数εr 。
介电体在电场作用下，由发热而导致的能量损耗称为介质损耗（又称介电损耗或损耗因素），它是所有电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，压电体表面所积累的电荷
有两种分量，一种为有功部分（或同相）I c ，另一种为无功部分（或异相）I R 前者由电导过程引起，后者由介电弛豫过程引起。介质损耗即为上述的异相分量与同相分量的比值，通常用损耗角正切tan δ表示，即
)/(1/tg CR I I C R ωδ== (2.6) 式中 ω——交变电场的角频率；
C ——介质电容； R ——损耗电阻。
tan δ与压电体中能量损耗成正比，因此，也往往把tan δ叫做损耗因子，或称之为介电损耗。
压电体存在介电损耗的一个原因是电导过程。此过程在高温和强电场的情况下尤为显著。介电损耗的另一个原因是极化弛豫过程，即偶极子转向极化和空间电荷极化时引起的，当然也包括电畴壁运动所消耗的能量。
本实验中采用HP4294A 精密阻抗测试仪测量试样在1kHz 时的损耗为试样的介电损耗。
2.2.3 机电耦合性能的测试
机电耦合系数K 是表征压电体的机械能与电能相互转换能力的参数，是衡量材料压电性强弱的重要参数之一。它被定义为由正压电效应（逆压电效应）输出的电能（机械能）与输入的总机械能（总电能）之比。
（正压电效应）输入的机械能机械能转变的电能＝2K
（逆压电效应）输入的电能
电能转变的机械能=2K
由于压电器件的机械（弹性）能与它的形状、振动模式有关，所以相应的机电耦合系数取决于压电振子的形状和振动模式，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。压电陶瓷的基本耦合系数共有五个，即平面耦合系数K P 、横向耦合系数K 31、纵向耦合系数K 33、厚度振动机电耦合系数K t 和厚度切变振动耦合系数K 15。
本研究测定的是平面机电耦合系数K P 和厚度振动机电耦合系数K t 。K P 值可通过查K P ～Δf /f s 的对应数值表获得。K t 可由下式得到[37]：
2tan(22p
s
s t p p f f f K f f ππ?=??? (2.7) 式中，为串联谐振频率；为并联谐振频率，在一级近似条件下，它们可以近似地由阻抗幅值达到最小值和最大值时的频率f m 和f n 代替，
即f s ≈f m ，f p ≈f n ，使用已经由HP4294A 精密阻抗测试仪测量出的阻抗与频率的关系曲线，找出f m 和f n ，通过查表和上式计算即可获得机电耦合系数K p 和K t 。 s f P f 2.2.4 机械品质因数的测试
机械品质因数表征压电体谐振时，因克服内摩擦而消耗的能量，是衡量材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。对于有损耗的压电谐振子，它等于压电振子谐振时贮存的机械能W 1与一个周期内损耗的机械能W 2之比。即：
m Q 2
1
2W W Q m π= (2.8)
机械品质因数可根据等效电路来计算：
)(
21
2
2
21P
s
P
T s m f f f
C R f Q ?=
π (2.9)
在一级近似条件下，它们可以近似地由阻抗幅值达到最小值和最大值时的频率f m 和f n
代替，即f s ≈f m ，f p ≈f n ，R 1可用谐振频率处的最小阻抗幅值Z min 代替，可取1kHz 下的电容。用HP4294A 精密阻抗测试仪测量出以上参数，即可上式计算出Q m 。 T C
3. 压电陶瓷相体积分数对复合材料性能的影响
3.1 试验过程
采用切割-浇注法，在经过极化处理的压电陶瓷上沿与压电陶瓷块极化轴相平行的方向上，通过金刚石外圆切割机依次切割出柱宽0.5mm×0.5mm、0.75mm×0.75mm、1.0mm×1.0mm、1.25mm×1.25mm、1.5mm×1.5mm，保持基底为1.5mm，间距为0.34mm的陶瓷块。然后将切割的陶瓷块清洗后晾干，置入模具中浇注环氧树脂。将试样连同模具共同置于真空干燥箱抽真空，减少成型后试样中的气孔数量。试样在试验室室温固化后脱模。进而进行粗磨、细磨并抛光，然后用丙酮擦洗试样表面，晾干后在两面均匀地薄薄的涂上一层低温导电银浆。制得的试样中陶瓷相的体积分数分别为47.47%、57.82%、65.36%、70.77%、74.74%。
采用ZJ-3A型准静态d33测量仪测量压电应变常数d33；采用HP4294A精密阻抗测试仪测量谐振频率和反谐振频率及相应的阻抗|Z|，计算出机电耦合系数K t和K p。测量出试样的电容C，计算出相对介电常数εr，再计算出压电电压常数g33，测试频率为1kHz。
将试样放到高低温实验箱内，设置好升降温程序。通过数字电桥读数，测试温度对1-3-2型环氧树脂基压电复合材料性能的影响。
3.2 结果与分析
3.2.1 PMN的体积分数对复合材料压电性能的影响
图3.1为环氧树脂基压电复合材料的压电应变常数d33和压电电压常数g33随PMN压电陶瓷相体积分数的变化关系曲线。由图可以看出，随PMN陶瓷相体积分数的增加，1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的压电应变常数d33逐渐增大，当PMN陶瓷相体积分数较大时，压电应变常数d33的增长趋于平缓，这是由于作为复合材料功能相的压电陶瓷PMN本身具有很高的压电应变常数d33（680pcN-1），PMN对复合材料电性能的贡献占主导地位，故PMN 体积含量的增加会使复合材料的d33增加。
图中还给出了压电电压常数与PMN体积分数的关系，由图可以看出：复合材料的g33随着体积分数的增大呈下降趋势。这是因为压电电压常数g33= d33/(ε33ε0)，在整个体积百分比变化范围内，压电复合材料介电常数均比单相PMN小，且d33随体积的增加变化较缓，因此复合材料g33比单相PMN的g33（等于18.93 mV?m?N-1）大。由于压电复合材料g33较大，换能器的接收电压灵敏度提高。
PMN volume fraction/%P i e z o e l e c t r i c s t r a i n f a c t o r d 33/p c N
-1
1520
2530
35
404550P i e z o e l e c t r i c v o l t a g e f a c t o r g 33/(m v )m N
-1
图3.1 1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的压电常数随PMN 体积分数变化曲线
3.2.2 PMN 的体积分数对复合材料介电性能的影响
图3.2为1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的相对介电常数εr 随PMN 陶瓷相体积分数的变化关系曲线。由图可以看出，随着PMN 体积分数的增加，复合材料的相对介电常数εr 逐渐增大，当PMN 含量为47.47%时，复合材料的介电常数可降为1660，远小于纯PMN 陶瓷的介电常数εr （4000）。这是因为根据Newnham 的复合材料串联，将1-3-2型复合材料视作由1-3型压电材料与陶瓷基底串联构成，1-3-2型复合材料的相对介电常数可用下式计算[28]：
23333
333333()(1)(1)
c c c c
a a a
b b ab b εεεεε==+?+? (3.1) 其中a 为1-3型压电复合材料在1-3-2型压电复合材料中的体积分数，b 为基底在复合材料中的体积分数。由于压电陶瓷的介电常数远高于聚合物的介电常数，故复合材料的介电常数主要取决于压电陶瓷的含量，所以随着压电陶瓷体积分数的增加，复合材料的介电常数呈增大趋势。
D i e l e c t r i c f a c t o r εr
PMN volume fraction/%
图3.3为1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的介电损耗随PMN 陶瓷相体积分数的变化关系曲线。图中压电复合材料的介电损耗tan δ随PMN 体积分数的增大而减小。这是由于PMN 陶瓷的介电损耗（tan δ为0.02）远小于环氧树脂基体的介电损耗（tan δ为0.486）的缘故，所以PMN 体积分数越大，复合材料的介电损耗就越小。
D i e l e c t r i c l o s s t a n δ
PMN volume fraction/%
图3.3 1-3 -2型环氧树脂基压电复合材料的介电损耗随PMN 体积分数变化曲线
3.2.3 介电-频率特性
图3.4为环氧树脂、纯陶瓷的介电常数εr 随频率的变化关系曲线。由图可以看出在较低频段和高频段，PMN 压电陶瓷的介电常数εr 随频率的变化较平稳，表现出良好的介电频率稳定性。随着频率的增大，依次出现一系列的序列峰，100kHz 附近出现的介电峰分别对应着压电陶瓷的谐振吸收峰和反谐振吸收峰。由图中还看出环氧树脂在低频段介电常数εr 变化较大，在高频段较稳定。
20406080100-20000
-100000
10000
2000030000
40000 P o l y m e r
D i e l e c t r i c f a c t o r ε
r
F r e q u e n c y /k H z 20406080100
55
60
65
70
75
P M N
D i e l e c t r i
c f a c t o r εr
F r e q u e n c y /k H z
图3.4 环氧树脂、纯陶瓷的相对介电常数-频率特性曲线
图3.5 为不同PMN 陶瓷相体积分数的相对介电常数随频率变化的特性曲线。由图可
以看出，PMN 体积分数不同的复合材料的介电常数εr 随频率的变化均呈相同的变化趋势，即在较低频段和高频段，复合材料的介电常数εr 随频率的变化较平稳，表现出良好的介电频率稳定性。图中介电常数峰值一般出现在频率为100kHz-200kHz 之间的区域。这主要是由单相的PMN 陶瓷所贡献，对应偶极子的取向极化。随着频率的继续升高，由于存在介质弛豫，取向极化已跟不上频率的变化，所以在高频段介电常数较稳定。
-2000
2000
4000
6000
D i e l e c t r i c f a c t o r εr
Frequency/kHz
PMN 47.47%
200
400
600
800
1000
-2000
2000
4000
6000
D i e l e c t r i c f a c t o r εr
Frequency/kHz
PMN 57.82%
200
400
600
800
1000
-2000
020004000
6000
D i e l e c t r i c f a c t o r εr
Frequency/kHz
PMN 65.36%
200
400
600
800
1000
-2000
2000
4000
6000
D i e l e c t r i c f a c t o r εr
Frequency/kHz
PMN 70.77%
-2000
2000
4000
6000
D i e l e c t r i c f a c t o r εr
Frequency/kHz
PMN 74.74%
图3.5 不同PMN 陶瓷相体积分数的相对介电常数-频率特性曲线
图3.6 为纯陶瓷、环氧树脂的介电损耗随频率变化的特性曲线。由图可以看出，PMN 压电陶瓷在低频段和高频段，介电损耗tan δ 随频率的变化较平稳，表现出良好的介电频率稳定性。在频率为200kHz 附近出现了介电损耗峰，而环氧树脂的介电损耗tan δ则随着频率的增大先明显下降，之后随频率的增大而基本保持不变。
200
400
600
8001000
01234
PM N
D i e l e c t r i c l o s s t a n δ
Frequency /kH z
0200
400
600
8001000
0.08
0.100.120.140.160.180.20
Polym er
D i e l e c t r i c l o s s t a n δ
Frequency /kH z
图3.6 环氧树脂、纯陶瓷的介电损耗-频率特性曲线
图3.7为具有不同PMN 陶瓷相体积分数的复合材料的介电损耗tan δ随频率的变化曲线。由图可看出，介电损耗峰值均比较小，随着PMN 陶瓷相体积分数的增大，介电损耗峰值呈现逐渐增大的变化趋势。在较低频段，随着频率的增大，各复合材料的介电损耗几乎没有改变，这说明1-3-2型环氧树脂基压电复合材料的低频稳定性很好。150kHz 附近出现了一系列介电损耗峰值，主要是由于介质弛豫极化所引起的。在高频段，随着频率的增大，由于复合材料的界面极化跟不上频率的变化，而表现的很微弱，因而介电损耗小，几乎没有变化，表现出良好的高频稳定性。
0200
400600
80010000
510152025
30P M N 47.47%
D i e l e c t r i c l o s s t a n δ
F re q u e n cy
/k H z 0200400
6008001000
510152025
30P M N 57.82%
D i e l e c t r i c l o s s t a n δ
F re q u e n c y /k H z
200
400
6008001000051015202530P M N 65.36%
D i e l e c t r i c l o s s t a n δF requ en cy /k H z 02004006008001000
51015202530
P M N 70.77%
D i e l e c t r i c l o s s t a n δF requ en cy /k H z
0510152025
30PMN74.74%
D i e l e c t r i c l o s s t a n δ
Frequency/kHz
图3.7不同PMN 陶瓷相体积分数的介电损耗-频率特性曲线
环氧树脂复合材料 复合材料是由基体材料和增强材料复合而成的多相体系固体材料。它充分发挥了各组分材料的特点和潜在能力，通过各组分的合理匹配和协同作用，呈现出原来单一材料(均质材料、单相材料)所不具有的优异的新性能，从而达到对材料某些性能的综合要求。复合材料的出现在材料发展史上具有划时代的意义。受到国内外的极大重视。其发展之迅猛在历史上是空前的。已在工业、农业、交通、军事、科学技术和人民生活等各个领域广为应用。尤其是在航空、航天等尖端技领域中已成为不可缺少的重要的结构材料。无怪乎有人认为21世纪将进入“复合材料时代”。 热固性树脂基复合材料是目前研究得最多、应用得最广的一种复合材料。它具有质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛，加工成型简便、生产效率高等特点，并具有材料可设计性以及其他一些特殊性能，如减振、消音、透电磁波、隐身、耐烧蚀等特性，已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法取代的重要材料。在热固性树脂基复合材料中使用最多的树脂仍然是酚醛树脂、不饱和聚酪树脂和环氧树脂这三大热固性树脂。这三种树脂阶性能各有特点：酚醛树脂的耐热性较高、耐酸性好、固化速度快，但较脆、需高压成型；不饱和聚酪树脂的工艺性好、价格最低，但性能较差；环氧树脂的粘结强度和内聚强度高，耐腐蚀性及介电性能优异，综合性能最好，但价格较贵。因此，在实际工程中环氧树脂复合材料多用于对使用性能要求高的场合，如用作结构材料、耐腐蚀材料、电绝缘材料及透波材料等。 1、环氯树脂复合材料的分类 环氧树脂复合材料(简称环氧复合材料，也有人称为环氧增强塑料)的品种很多，其名称、含义和分类方法也没有完全统一，但大体上讲可按以下方法分类。 (1)按用途可分为环氧结构复合材料、环氧功能复合材料和环氧功能型结构复合材料。结构复合材料是通过组成材料力学性能的复合，使之能用作受力结构材料，并能按受力情况设计和制造材料，以达到材料性能册格比的最佳状态。功能复合材料是通过组成材料其他性能(如光、电、热、耐腐蚀等)的复合，以得到具有某种理想功能的材料。例如环氧树脂覆铜板、环氧树脂电子塑封料、雷
树脂基复合材料在建筑工业中的应用 建筑工业在国民经济中占有很重要的地位，不论是哪一个国家，建筑工业望远是国民经济的支柱产业之一。随着社会的进步，人们对居住面积、房屋质量和娱乐设施等提出越来越高的要求，这就是推动建筑工业改革发展的动力。 建筑工业现代化的发展方向是：改善施工条件，加快建设进度，降低成本，提高质量，节约能源，减少运输，保护耕地，保护环境和提高技术经济效益等。为了达到此目的，必须从改善现有的建筑材料和发展新型建筑材料方向着手。 在建筑工业中发展和使用树脂基复合材料对减轻建筑物自重，提高建筑物的使用功能，改革建筑设计，加速施工进度，降低工程造价，提高经济效益等都十分有利，是实现建筑工业现代化的必要条件。 1、树脂基复合材料的建筑性能 （1）材料性能的可设计性树脂基复合材料的性能可根据使用要求进行设计，如要求耐水、防腐、高强，可选用树脂基复合材料。由于树脂基复合材料的重量轻，制造方便，对于大型结构和形状复杂的建筑制品，能够一次成型制造，提高建筑结构的整体性。 （2）力学性能好树脂基复合材料的力学性能可在很大范围内进行设计，由于选
用的材料不同，增强材料的铺设方向和方向差异，可以获得性能判别很大的复合材料，如单向玻纤增强环氧复合材料的拉伸强度可达1000MPa以上，比钢（建筑钢）的拉伸强度还高，选用碳纤维作增强材料，制得的树脂基复合材料弹性模量可以达到建筑钢材水平，而其密度却比钢材小4～5倍。更为突出的是树脂基复合材料在制造过程中，可以根据构件受力状况局部加强，这样既可提高结构的承载能力，又能节约材料的减轻自重。 （3）装饰性好树脂基复合材料的表面光洁，可以配制成各种鲜艳的色彩，也可以制造出不同的花纹和图案，适宜制造各种装饰板、大型浮雕及工艺美术雕塑等。 （4）透光性透明玻璃钢的透光率达85%以上（与玻璃相似），其最大特点是不易破碎，能承受荷载。用于建筑工程时可以将结构、围护及采光三者综合设计，能够达到简化采光设计，降低工程造价之目的。 （5）隔热性建筑物的作用是能够防止由热传导、热对流引起的温度变化，给人们以良好的工作和休息环境。一般建筑材料的隔热性能较差，例如普通混凝土的导热系数为1.5～2.1W(m?K)，红砖的导热系数为0.81 W(m?K)，树脂基复合材料的夹层结构的导热系数为0.05～0.08 W(m?K)，比普通红砖小10倍，比混凝土小20多倍。 （6）隔音性隔音效果好坏是评价建筑物质量的标准之一。但传统材料中，隔音效果好的建筑材料往往密度较大，隔热性差，运输和安装困难。树脂基复合材料
由热塑性聚合物和无机压电材料组成的压电材料称为压电复合材料或复合聚合物压电材料。它具有无机压电材料优良的压电性能和聚合物压电材料优良的加工性能，无需拉伸即可获得压电性能。这种压电特性在薄膜中没有各向异性，因此在任何方向上都表现出相同的压电特性。 准备好的 压电复合材料的制备方法是将无机压电材料粉末均匀分解，混合成热塑性聚合物，再混合成型。常见的无机压电材料是压电陶瓷，如锆钛酸铅和pbto3；常见的聚合物基体是PVDF和其他含氟树脂。[1] 优势 （1）横向振动很弱，串扰很弱； （2）机械品质因数Q值低 （3）宽带（80%-100%）； （4）机电耦合系数大；
（5）与普通PZT探针相比，具有更高的灵敏度和更好的信噪比； （6）在较宽的温度范围内稳定； （7）可加工形状复杂的探头，只需简单的切割和填充工艺； （8）声速、声阻抗、相对绝缘常数和机电系数容易改变（因为这些参数与陶瓷材料的体积比有关）； （9）很容易匹配不同声阻抗的材料（从水到钢）； （10）通过改变陶瓷体积比可以调节超声灵敏度。[1] 压电材料分类 压电材料是一种具有压电效应的材料。它是一种功能材料，在外力作用下产生电流，反之亦然，在电流作用下产生力或变形。它广泛应用于传感器中，实现机械能和电能的转换。自1880年居里兄弟发现压电效应以来，他们开发了多种压电材料，可分为以下五类：①单晶材料，如石英、磷酸等；②陶瓷材料，如锆钛酸铅（PZT））、钛酸铅，③高分子聚合物，如聚氯乙烯；④复合材料，如PZT/聚合物；⑤微晶玻璃，如tisro3等。
从以上可以看出，压电材料已经从自然界中存在的简单的单晶材料发展到构造复杂的复合材料过程。压电复合材料是由压电陶瓷和聚合物以一定的方式、一定的体积质量比和一定的空间分布组成，可以改善材料的压电性能。[2] 0-3压电复合材料 0-3型是最简单的压电复合材料，它是由分散在三维聚合物基体中的不连续陶瓷颗粒（0-D）形成的。它的适应性很强。它可以制成薄片、条状或金属丝，甚至可以模制成各种复杂的形状。然而，极化是困难的，它的性质很容易受到各种过程的影响。 （1）由于压电填充相的极化电场强度远小于外极化电场强度，0-3压电复合材料的极化困难。为了改善聚合物的极化性能，可以在复合材料中加入少量的导电相，如碳、锗，以提高聚合物基体的导电性。此外，还可以采取措施提高压电陶瓷的相电阻率。 （2）压电相的选择要考虑的重要参数是长径比C/A，大的C/A压电相可以获得较大的自发应变。使用PZT、pbtio2、（Pb、BI）（Ti、Fe）O3等。
1.功能复合材料主要由功能体和基体组成，或由两种(或两种以上)的功能体组成。 2.材料在复合后所得的复合材料，依据其产生复合效应的特征，可分为线性效应和非线性效应。 3.燃烧过程，大致分为五个不同的阶段：（1）加热阶段；（2）降解阶段；(3)分解阶段；（4）点燃阶段；（5）燃烧阶段。 4.氧指数（OI)愈高，表示燃烧愈难。当OI<22时，为易燃性塑料；当OI在22—27之间时，为自熄性塑料；当OI > 27时，为难燃塑料 5.在美国UL-94防火标准中，塑料阻燃等级由HB，V-2，V-1向V-O逐级递增。 6.阻燃机理有多种：保护膜机理、不燃性气体机理、冷却机理、终止链锁反应机理、协同作用体系。 7.非金属材料的腐蚀类型按腐蚀机理分类①物理腐蚀②化学腐蚀③大气老化④环境应力开裂 8.为了弄清材料的腐蚀机理，进一步对其寿命进行预测，对其进行的实验以试验场所划分，可分为现场试验及实验里试验。 9.摩阻复合材料一般由增强体、摩擦功能调节体与基体等构成，各组分在摩擦材料中的作用是不同的。 10.列举三种常见的水溶性高分子聚合物：聚乙二醇、聚乙吡咯烷酮、聚乙烯。 11.防辐射服是利用服饰内金属纤维构成的环路产生感生电流，有感生电流产生反向电磁场进行屏蔽。 12.吸波材料之所以能够吸收进入材料内部的电磁波主要是由于电磁波在材料内部产生电损耗或磁损耗而使电磁波的电磁性能转化为其他形式的能量散失掉，从而达到减少反射的目的。 13.电损耗介质的吸波机理主要是松弛极化、磁性介质在交变磁场的作用下产生能量损耗的机制有：①磁滞损耗②涡流损耗③剩磁效应④磁共振。 14.密封材料的耐磨性通常以磨损率的倒数来表示。 15.影响玻璃钢透光率的主要因素：玻璃纤维和粘结剂的折射指数；玻璃纤维和粘结剂的光吸收系数；玻璃纤维的直径及其在玻璃钢中的体积含量。 16.阻尼特性可以通过对数衰减率δ与阻尼因子η两种方式来描述。 17.复合材料用于装甲防护主要有两种形式，即单纯的纤维织物和复合材料层合板。 18.防弹复合材料所用的纤维通常为玻璃纤维、尼龙纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯纤维，最近开发出具有目前最高强度的聚苯并噁唑（PBO）纤维。 19.理想的树脂基体应具有耐高温、高韧性、高强度、低模量等性能，以及低成本。常用的树脂基体有：( )、( )、低密度聚乙烯、交联聚异戊二烯、聚丙烯等。 20.抗辐射聚合物基体一般在分子主链上具有多重环，如环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚醚砜、聚醚醚酮树脂等均具有良好的耐辐射性。 21.功能复合材料：除力以外而提供其它物理性能的复合材料即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、热学性能、声学性能以及摩擦、阻尼等性能。 22.高分子纳米复合材料：是由各种纳米单元和高分子复合而成的一种新型复合材料，其中纳米单元按化学成分分为金属陶瓷高分子和无机非金属。 23.燃烧氧指数：指试样像蜡烛状持续燃烧时，在氮-氧混合气流中所必须的最低氧含量。
双酚 A 型环氧树脂的合成及复合材料制备 姓名:贾训祥 学号:0840605115 专业:高分子材料与工程一、实验目的: 1. 了解逐步聚合预聚体的合成方法和环氧树脂的实验室制法。 2. 了解环氧树脂复合材料的制备方法。 3. 掌握复合材料样条的制备与其力学性能的测试过程。 二、实验原理: 环氧树脂是指那些分子中至少含有两个反应性的环氧基团的树脂化合物。环氧树脂经固化后有许多突出的优异性能, 如对各种材料特别是对金属的粘着力很强, 有卓越的耐化学腐蚀性,力学强度很高,电绝缘性好,耐腐蚀,等等。此外,环氧树脂可以在相当宽的温度范围内固化, 而且固化时体积收缩很小。环氧树脂的上述优异特性使它有着许多非常重要的用途。广泛用于粘合剂(万能胶 ,涂料、复合材料等方面。 合成环氧树脂的方法大致可分两类。一类是用含有环氧基团的化合物(如环氧氯丙烷或经化学处理后能生成环氧基的化合物(如 1.3-二氯丙醇和二元以上的酚(醇聚合而得。另一类是使含有双键的聚合物(如聚丁二烯或小分子(如二环戊二烯环氧化而得。双酚 A 型环氧树脂是环氧树脂中产量最大,使用最广的一个品种,它是由双酚 A 和环氧氯丙烷在氢氧化钠存在下反应生成的:
原料配比不同,反应条件不同(如反应介质,温度和加料顺序 ,可制得不同软化点, 不同分子量的环氧树脂。式中 n 一般在 0到 25之间。根据相对分子质量大小,环氧树脂可以分成各种型号。一般低相对分子质量环氧树脂的 n 平均值小于 2、软化点低于 50℃, 也称为软环氧树脂; 中等相对分子质量环氧树脂的 n 值在 2~5之间、软化点在 50℃~95℃之间; 而 n 大于 5的树脂(软化点在 100℃以上称为高分子量树脂。相对分子质量对软化点的影响见图 1。 图 1 在环氧树脂的结构中有羟基(>CH-OH 、醚基(-O -和极为活泼的环氧基存在。羟基、醚基有高度的极性, 使环氧分子与相邻界面产生了较强的分子间作用力, 而环氧基团则与介质表面, 特别是金属表面上的游离键起反应, 形成化学键。因而, 环
热固性树脂基复合材料是目前研究得最多、应用得最广的一种复合材料。它具有质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛，加工成型简便、生产效率高等特点，并具有材料可设计性以及其他一些特殊性能，如减振、消音、透电磁波、隐身、耐烧蚀等特性，已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法取代的重要材料。在热固性树脂基复合材料中使用最多的树脂仍然是酚醛树脂、不饱和聚酪树脂和环氧树脂这三大热固性树脂。这三种树脂阶性能各有特点：酚醛树脂的耐热性较高、耐酸性好、固化速度快，但较脆、需高压成型；不饱和聚酪树脂的工艺性好、价格最低，但性能较差；环氧树脂的粘结强度和内聚强度高，耐腐蚀性及介电性能优异，综合性能最好，但价格较贵。因此，在实际工程中环氧树脂复合材料多用于对使用性能要求高的场合，如用作结构材料、耐腐蚀材料、电绝缘材料及透波材料等。 1、环氯树脂复合材料的分类 环氧树脂复合材料(简称环氧复合材料，也有人称为环氧增强塑料)的品种很多，其名称、含义和分类方法也没有完全统一，但大体上讲可按以下方法分类。 (1)按用途可分为环氧结构复合材料、环氧功能复合材料和环氧功能型结构复合材料。结构复合材料是通过组成材料力学性能的复合，使之能用作受力结构材料，并能按受力情况设计和制造材料，以达到材料性能册格比的最佳状态。功能复合材料是通过组成材料其他性能(如光、电、热、耐腐蚀等)的复合，以得到具有某种理想功能的材料。例如环氧树脂覆铜板、环氧树脂电子塑封料、雷达罩等。需要指出的是，无论使用的是材料的哪一种功能性，都必须具有必要的力学性能，否则再好的功能材料也没有实用性。已有些功能材料同时还要有很高的强度，如高压绝缘子芯棒，要求绝缘性和强度都很高，是一种绝缘性结构复合材料。 (2)按成型压力可分为高压成型材料(成型压力5—30MPa)，如环氧工程塑料及环氧层压塑料；低压成型材料(成型压力＜2．5MPa)，如环氧玻璃钢和高性能环氧复合材料。玻璃钢和高性能复合材料由于制件尺寸较大(可达几个㎡)、型面通常不是平面，所以不宜用高压成型。否则模具造价太高，压机吨位太大，因而成本太贵。 (3)按环氧复合材料阶性能、成型方法、产品及应用领域的特点，并照顾到习惯上的名称综合考虑可分为：环氧树脂工程塑料、环氧树脂层压塑料、环氧树脂玻璃钢(通用型环氧树脂复合材料)及环氧树脂结构复合材料。 3、环氧树脂复合材料的特性 (1)密度小，比强度和比模量高。高模量碳纤维环氧复合材料的比强度为钢的5倍、铝合金的4倍，钻合金的3．2倍。其比模量是钢、铝合金、钦合金的5．5—6倍。因此，在强度和刚度相同的情况下碳纤维环氧复合材料构件的重量可以大大减轻。这在节省能源、提高构件的使用性能方面，是现有任何金属材料所不能相比的。 (2)疲劳强度高，破损安全特性好。环氧复合材料在静载荷或疲劳载荷作用下，首先在最薄弱处出现损伤，如横向裂纹、界面脱胶、分层、纤维断裂等。然而众多的纤维和界面会阻
树脂基复合材料的力学性能 力学性能是材料最重要的性能。树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点，用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能，而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料，在制造和使用过程中，也必须考虑其力学性能，以保证产品的质量和使用寿命。 1、树脂基复合材料的刚度 树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明，对于宏观均匀的树脂基复合材料，弹性特性复合是一种混合效应，表现为各种形式的混合律，它是组分材料刚性在某种意义上的平均，界面缺陷对它作用不是明显。 由于制造工艺、随机因素的影响，在实际复合材料中不可避免地存在各种不均匀性和不连续性，残余应力、空隙、裂纹、界面结合不完善等都会影响到材料的弹性性能。此外，纤维（粒子）的外形、规整性、分布均匀性也会影响材料的弹性性能。但总体而言，树脂基复合材料的刚度是相材料稳定的宏观反映。 对于树脂基复合材料的层合结构，基于单层的不同材质和性能及铺层的方向可出现耦合变形，使得刚度分析变得复杂。另一方面，也可以通过对单层的弹性常数（包括弹性模量和泊松比）进行设计，进而选择铺层方向、层数及顺序对层合结构的刚度进行设计，以适应不同场合的应用要求。 2、树脂基复合材料的强度 材料的强度首先和破坏联系在一起。树脂基复合材料的破坏是一个动态的过程，且破坏模式复杂。各组分性能对破坏的作用机理、各种缺陷对强度的影响，均有街于具体深入研究。 树脂基复合材强度的复合是一种协同效应，从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。对于最简单的情形，即单向树脂基复合材料的强度和破坏的细观力学研究，还不够成熟。 单向树脂基复合材料的轴向拉、压强度不等，轴向压缩问题比拉伸问题复杂。其破坏机理也与拉伸不同，它伴随有纤维在基体中的局部屈曲。实验得知：单向树脂基复合材料在轴向压缩下，碳纤维是剪切破坏的；凯芙拉（Kevlar）纤维的破坏模式是扭结；玻璃纤维一般是弯曲破坏。 单向树脂基复合材料的横向拉伸强度和压缩强度也不同。实验表
[1]Brei D, Cannon B J. [J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(2):245-261. 图1 中空压电纤维 一、背景介绍 一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。 Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。 空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。 传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm或更短。混合共挤技术可以制备100mm以上的空心纤维。 目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），
本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。 二、单个纤维及层板的有效性质 中空纤维中的电场： tw E V /t = thin-wall approximation V E(r)r ln(1) -=--α 在这篇文献里没有提到这个公式是近似的，还用这个公式计算了各种厚度的中空纤维的电场，但在后面Lin 和Sodano 的文献中，似乎说为近似的。在一般情况，由该表达式电场内表面大外表面小，最大与最小差值随α增加而增大，这样在外表面达到极化时，内表面处材料有可能由于大的电场产生的应力而损坏。同样在驱动中空纤维时，在外表面难以达到最大工作电压。因此，α小的中空纤维是一个好的选择。 纤维有效31d ： F 31tw 31,eff tw d E d E ln(1)(1/0.5)-??ε== ?-αα-??，F 31,eff d 随着α的增加而降低，即薄壁中空纤维可以产生 高的应变。 单层有效31d ： F 31,eff f f L la min a tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y ??νε===ν+-ν ? ??? 讨论：(1)纤维密度(纤维数/能放入的最大纤维数) 代替纤维体积分数，f f (2)?ν=-αα??，通 过计算发现，thin-wall 纤维虽然d31最高，但由于体积分数的限制，不能使单层达到最高的d31；thick-wall 纤维虽d31不及thin-wall ，但由于可以达到高的体积分数，因而层板的d31较大。(2)层板d31随基体模量增加而降低。最大基体模量由单个纤维能承受的嵌入应力决定，嵌入应力由制备过层中基体与纤维的热应变差别引起（两种材料热膨胀系数不匹配）。纤维的环向、轴向和V on Mises 应力由作者另一篇研究工作给出。研究表明：硬的基体容易导致纤维发生强度破坏，而软的环氧树脂基体容许各种α和f ν而不发生强度破坏。 三、中空纤维制备与评估： 上面的研究表明，α和材料性质(模量和d31)决定了中空复合材料的应变行为，而嵌入应
https://www.doczj.com/doc/8a283512.html,/Journal of Reinforced Plastics and Composites https://www.doczj.com/doc/8a283512.html,/content/30/19/1621The online version of this article can be found at: DOI: 10.1177/0731684411426810 2011 30: 1621 originally published online 7 November 2011 Journal of Reinforced Plastics and Composites N. Venkateshwaran, A. ElayaPerumal and M. S. Jagatheeshwaran Effect of fiber length and fiber content on mechanical properties of banana fiber/epoxy composite Published by: https://www.doczj.com/doc/8a283512.html, can be found at: Journal of Reinforced Plastics and Composites Additional services and information for https://www.doczj.com/doc/8a283512.html,/cgi/alerts Email Alerts: https://www.doczj.com/doc/8a283512.html,/subscriptions Subscriptions: https://www.doczj.com/doc/8a283512.html,/journalsReprints.nav Reprints: https://www.doczj.com/doc/8a283512.html,/journalsPermissions.nav Permissions: https://www.doczj.com/doc/8a283512.html,/content/30/19/1621.refs.html Citations: What is This? - Nov 7, 2011 OnlineFirst Version of Record - Dec 16, 2011 Version of Record >>
先进树脂基复合材料研究进展 摘要：本文介绍了颗粒增强、无机盐晶须增强、光固化等类型的树脂基复合材料，亦指出热固性、环氧树脂基复合材料，并简述了制备方法和新技术的应用。 关键词：树脂基复合材料，颗粒增强，无机盐晶须增强，光固化，制备方法，新技术ADVANCE THE RESEARCH OF POLYMER MATRIX COMPOSITES ABSTRACT: The particulate reinforced、inorganic salt whisker, light-cured of resin matrix composites were introduced in this paper,the thermosetting and thermoplastic resin matrix composites was also show in the paper.This paper also discussed the application of new preparation method and technology. Keywords: resin matrix composites,particulate reinforced,inorganic salt whisker, light-cured,preparation method,new technology 先进树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成，并具有明显优于原组分性能的一类新型材料。目前航空航天领域广泛应用的先进树脂基复合材料主要包括高性能连续纤维增强环氧、双马和聚酞亚胺基复合材料[1]。树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、力学性能可设计性强等一系列优点，是轻质高效结构设计最理想的材料[2]。用复合材料设计的航空结构可实现20％一30％的结构减重；复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性，能提高飞机结构的使用寿命，降低飞机结构的全寿命成本；复合材料结构有利于整体设计和制造，可在提高飞机结构效率和可靠性的同时，采用低成本整体制造工艺降低制造成本。可见复合材料的应用和发展是大幅提高飞机安全性、经济性等市场竞争指标的重要保证，复合材料的用量已成为衡量飞机先进性和市场竞争力的重要标志。 纤维增强树脂基复合材料是在树脂基体中嵌人高性能纤维，比如碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维等所制得的材料[3]。树脂基体可以分为热塑性树脂和热固性树脂两种，常用的热塑性树脂有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等;常用的热固性树脂有酚醛树脂、环氧树脂和聚醋树脂等。由于纤维增强复合材料具有高强度、高模量、低密度等一系列优良特性，其在航空航天、汽车、建筑、防护、运动器材和包装等领域已有广泛的应用。然而新材料新技术的发展使人们对纤维增强复合材料的性能有了更高的期望，所以高性能纤维增强树脂基复合材料依然是近年来的研究热点。 1 先进树脂基复合材料体系 1.1 纤维增强 纤维增强树脂基复合材料由纤维和树脂基体两部分组成，纤维起承担载荷的作用，树脂均匀传递应力，界面在应力传递的过程中起到关键的作用，是纤维与树脂问应力传递的纽带．随着对复合材料界面性能研究的不断的深入，人们发现纤维的浸润性能、纤维与树脂间的键台及纤维与树脂间的机械嵌合作用等因素对复合材料的性能影响显著，并以此设计出一系列提高界面粘接强度的方法，有效地提高了纤维复合材料的界面性能[4]． 1.1.1碳纤维(CF)增强树脂基复合材料 碳纤维以热碳化方式由聚丙烯睛、沥青或粘胶加工而成，具有高强度、高模量、优异的耐酸碱性和抗蠕变性[4J。对碳纤维增强树脂基复合材料的研究主要集中在对纤维进行改性、对树脂基体进行改性和改善纤维和树脂基体的粘接性能这几个方面。 1.1.2超高强度聚乙烯纤维(uHMPE)， 超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)是1975年由荷兰DSM公司采用凝胶纺丝一超拉伸技术研制成功并实现工业化生产的高强高模纤维。UHMWPE纤维中大分子具有很高的取向度和结晶程度，纤维大分子几乎处于完全伸直的状态，赋予最终纤维高强度、高模量、低密度、耐酸碱
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究 齐齐哈尔大学 摘要：玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差，并不适于作为结构用材，但若抽成丝后，则其强度大为增加且具有柔软性，配合树脂赋予其形状以后可以成为优良之结构用材。本文将对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的的研究现状及研究方向进行分析，为新的研究方向探索道路。 关键词：玻璃纤维环氧树脂复合材料研究现状研究方向 1、前言 玻璃纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强，疲劳性能、耐久性能和电绝缘性能好等特点，在各个领域都有着广泛的应用，用玻璃纤维和环氧树脂可以制造层合制品，是一类性能优良的绝缘材料，广泛用于电力、电器、电子等领域，玻璃纤维增强树脂基复合材料由于具有高比强度、比模量，而且耐疲劳、耐腐蚀。最早用于飞机、火箭等，近年来在民用方面发展也很迅猛，在舰船、建筑和体育器械等领域得到应用，并且用量不断增加。其中，环氧树脂是先进复合材料中应用最广泛的树脂体系，它适用于多种成型工艺，可配制成不同配方，调节粘度范围大，以便适应不同的生产工艺。它的贮存寿命长，固化时不释放挥发物，同化收缩率低，固化后的制品具有极佳的尺寸稳定性、良好的耐热、耐湿性能和高的绝缘性，因此，环氧树脂“统治”着高性能复合材料的市场 目前，复合材料输电杆塔已在欧美和日本得到应用，其中以美国的研究开发和应用最为成熟。我国在20世纪50年代对复合材料电杆进行过研究，鉴于当时材料性能和制造工艺的限制，复合材料电杆未能得到推广使用。近年来，随着复合材料技术的飞速发展和传统输电杆塔的缺陷逐步显露，电力行业开始重视复合材料杆塔的应用研究。 随着电网建设的快速发展，出现了全国联网、西电东送、南北互供的建设格局，输电线路工程口益增多，对钢材的需求越来越大，消耗了大量的矿产资源和能源，在一定程度上加剧了生态环境破坏。并且，线路杆塔采用全钢制结构，存在质量大、施工运输和运行维护困难等问题。因此，采用新型环保材料取代钢材建造输电杆塔得到了输电行业的关注。玻璃纤维增强树脂基复合材料，具有高强轻质、耐腐蚀、耐久性能和电绝缘性好、易维护、温度适应性强、性能可设计、环境友好等特点，成为输电杆塔结构理想的材料。日益受到围内外电力行业的关注。目前，纤维增强复合材料输电杆塔由于其优良的综合性能已在日本和欧美地区得到应用，其中美国的研究开发和应用较为成熟，已制定了相关的产业标准，美国土木工程师学会已制定了输电杆塔中FRP产品的应用标准。 在输电杆塔中推广应用复合材料不仅能减少对矿产资源的破坏、保护环境，而且易于解决输电线路的风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平；同时减小塔头尺寸，降低线路的维护成本。 2、低温性能研究 2、1单向复合材料板的制作 首先，取一定数量加热的环氧树脂，然后，加入增韧剂和稀释剂，在65℃
压电纤维复合材料的研究与应用 XXX 湖北工程学院湖北孝感432000 摘要：本文概述了压电纤维的制备工艺，总结了压电陶瓷纤维研究已取得的成果，阐明了各种制备方法的优缺点及其改进的办法，并对压电纤维及其复合材料的研究进行了概述以及对应用前景进行了展望。 关键词：压电陶瓷纤维；制备；应用 1引言 压电材料是在外力作用下发生变形时能产生电场，同时在电场作用下也能产生机械变形的材料。这类材料所固有的机一电耦合效应，使得压电材料广泛应用于传感和驱动领域中，但是传统压电陶瓷产品的一些缺点限制了它在实际中的应用。20世80年代，人们开始研究压电陶瓷纤维的制备技术，并将纤维与聚合物基质复合制成压电复合材料。由于添加了聚合物相，所以它既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，而且纤维材料具有的方向性，更适合于各项异性的应力波检测。 目前，国外正致力于压电纤维复合材料技术研究，关于压电纤维制备的论文颇多，有些技术已得到了广泛的商业应用。例如，美国的研究人员正在积极开展其在飞机、超轻质量太空船和汽车等方面的应用，另外，以其为核心技术的传感器是目前进行工程结构健康监测的最先进方法，对于非均质材料及真实表面尤为适用。与国外的先进水平相比，国内对压电陶瓷纤维的研究还只是处于起步阶段。 2压电陶瓷纤维的制备方法 2.1 溶胶-凝胶法 制备陶瓷纤维传统的方法一般是将氧化物原料加热到熔融状态，熔融纺丝成形。然而，许多特种陶瓷材料熔点很高，熔体粘度很低，难以用传统方法制备，
而溶胶-凝胶法(sol -gel method)的出现解决了这一难题。溶胶—凝胶工艺的主要特点有：(1)可在较低温度下得到功能陶瓷纤维；(2 )可以制得均匀性好、纯度高的纤维；(3)可以获得一些熔融法难以制备的纤维。 Sol-gel法以无机盐或金属醇盐为原料，将前驱物溶于溶剂中形成均匀溶液，达到近似分子水平的混合；前驱物在溶剂中发生水解及醇解反应，同时进行缩聚反应，得到尺寸为纳米级的线性粒子组成的溶胶。当溶胶达到一定的粘度，在室温下纺丝成形得到凝胶粒子纤维，经干燥，烧结，晶化便可得到陶瓷纤维。 LiNbO3是一种较早用sol -gel法制备的压电陶瓷纤维材料，可用于声表面波(SAW )器件和电光器件。1989年，Hirano等Li(OC2 H5)、Nb(OC 2H5)5、H2O和C2 H5OH 配制前驱体溶液，通过选择合适的浓度、加水量，得到可拉丝的溶胶，制作了LiNbO3凝胶纤维，把凝胶纤维在400~600℃之间进行热处理，加热速率为1 ℃／min，可得到直径为10～1000μm的单相LiNbO3纤维。在500℃保温1h 热处理获得晶态LiNbO3纤维，其密度为理论密度的90％以上，室温介电常数约为10，与固相反应制得的多晶LiNbO3，材料一致，但比单晶的小。另外，LiNbO3纤维的介电损耗为0.01~0.02。 Yoko等采用溶胶—凝胶工艺制备了BaTiO3纤维，前驱体溶液由Ti(OC3 H7 ) 、Ba(OC2H5)、H2O、C2H5OH 和CH3 COOH组成，在系统加人大量的CH3 COOH以获得可拉丝溶胶。形成凝胶纤维后加热至600℃以上可获得单相钙钛矿BaTiO3纤维。 Kamiya等通过控制Pb—Ti复合醇盐的水解获得了PbTiO3纤维的溶胶。其研究结果显示，含水量少的溶胶有利于获得更好的非晶PbTiO3纤维，而含水量大的溶胶可以获得高结晶度的钙钛矿PbTiO3纤维。制备PbTiO3纤维时，需加入过量2％(质量分数)的PbO和1％(质量分数)的Mn2O3至纤维中，即可有效地避免干燥过程中纤维开裂，并且这样得到的纤维密度可达理论值的94％。 锆钛酸铅(Pb(Zr x Ti1-x )O3 )材料是最重要的铁电压电材料，其应用非常广泛。因此，采用溶胶一凝胶工艺制备PZT纤维深受重视。王录全等在溶胶一凝胶工艺基础上制备出长PZT纤维。图1是其制备纤维的装置。如图所示，湿凝胶纤维绕在可调节直径的滚筒上并可直接在滚筒上干燥，从而避免了纤维再次缠绕及干燥过程中的收缩引起的断裂。并且在氮气的保护下，他们已实现了干燥凝胶纤
环氧树脂基本知识 增韧剂与稀释剂是什么？ 增韧剂 增韧剂是具有降低复合材料脆性和提高复合材料抗冲击性能的一类助剂。可分为活性增韧剂与非活性增韧剂两类，活性增韧剂是指其分子链上含有能与基体树脂反应的活性基团，它能形成网络结构，增加一部分柔性链，从而提高复合材料的抗冲击性能。非活性增韧剂则是一类与基体树脂很好相溶、但不参与化学反应的增韧剂。 增韧剂可分为橡胶类增韧剂和热塑性弹性体类增韧剂： （1）橡胶类增韧剂该类增韧剂的品种主要有液体聚硫橡胶、液体聚丁二烯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶及丁苯橡胶等。 （2）热塑性弹性体热塑性弹性体是一类在常温下显示橡胶弹性、在高温下又能塑化成型的合成材料。因此，这类聚合物兼有橡胶和热塑性塑料的特点，它既可以作为复合材料的增韧剂，又可以作为复合材料的基体材料。这类材料主要包括聚氨酯类、苯乙烯类、聚烯烃类、聚酯类、间规1，2-聚丁二烯类和聚酰胺类等产品，目前作为复合材料的增韧剂用得较多的是苯乙烯类和聚烯烃类。 （3）其它增韧剂适用于复合材料的其它增韧剂还有低分子聚酰胺和低分子的非活性增韧剂，如苯二甲酸酯类。对于非活性的增韧剂也可称为增塑剂，它不参与树脂的固化反应。 稀释剂 稀释剂是一类使液体树脂粘度变稀薄时的液体物质。这不能溶解树脂，但能部分代替溶剂。稀释剂的作用是降低树脂粘度，使树脂具有流动性，改善树脂对增强材料、填料等的浸润性；控制固化时的反应热；延长树脂固化体系的适用期；填料用量增加，降低成本。按不同的树脂需要，所用的稀释剂也不同。 （1）不饱和聚酯树脂用的稀释剂主要是交联剂单体，并能使树脂粘度变稀薄。不饱和聚酯用的稀释剂主要是苯乙烯、α-甲基苯乙烯、甲基丙烯酸单体等。 （2）酚醛树脂用稀释剂主要是酒精、丙酮等溶剂。 （3）环氧树脂用稀释剂有活性稀释剂和非活性稀释剂：①非活性稀释剂这种稀释剂只共混于树脂中，不参与树脂的固化反应，仅仅是降低树脂粘度，如添加邻苯二甲酸二丁酯的双酚A环氧树脂。②活性稀释剂这类稀释剂主要指含有环氧基团的低分子化合物，能与固化剂反应，并参与环氧树脂的固化反应，成为交联树脂结构的一部分。活性稀释剂可分为单环氧基和双环氧基两类。还有不含环氧基的亚磷酸三苯酯、γ-内丁酯两种化合物。 稀释剂的总类 660A 丁基缩水甘油醚无色透明液体 2mPAS 0.65 0.01 0.005 145 10-15 660B 无色透明液体 5mPAS 0.6 0.01 0.005 120 10-15 660C 浅黄色透明液体 7mPAS 0.4 0.01 0.005 >190 10-15 690 苯缩水甘油醚浅黄色透明液体 7mPAS 0.6 0.01 0.005 >130 10-15 691 甲苯基缩水甘油醚浅黄色透明液体 6-7 mPAS 0.50-0.57 0.01 0.005 >130 20-25 692 苄基缩水甘油醚浅黄色透明液体 50s 0.4 0.01 0.005 >130 15-20 680 烯丙基缩水甘油醚浅黄色透明液体 1-2 mPAS 0.78 0.01 0.005 >130 10-15 669 乙二醇二缩水甘油醚浅黄色透明液体 25s 0.65 0.01 0.005 >130 10-30 678 新戊二醇二缩水甘油醚浅黄色透明液体 15s 0.64-0.7 0.01 0.005 >150 15-35 622 丁二醇二缩水甘油醚浅黄色透明液体 15-20mPAS 0.7 0.01 0.005 >150 15-35 662 丙三醇缩水甘油醚无色透明液体 100mPAS 0.55-0.7 0.01 0.005 >150 15-35
纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺
纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺一、前言 相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻班纤维增强塑料（玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”）逾90万吨，已居世界第二位（美国2003年为169万吨，日本不足70万吨）。复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分 组成： 增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP（碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。 基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP）中的树脂（本文谈到的环氧树脂）就是基体。y
按基体材料不同，复合材料可分为三大类： 树脂复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。 本文讨论环氧树脂基复合材料。 1、为什么采用环氧树脂做基体？ 固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%； 粘结力强； 有B阶段，有利于生产工艺； 可低压固化，挥发份甚低； 固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。值得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯权势脂为佳，然耐酸性差；固化后一般较脆，韧性较差。 2、环氧玻璃钢性能（按ASTM） 以FW（纤维缠绕）法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。 表1 GF/EPR与钢的性能比较 玻璃含量GF/EPR（玻纤含量80wt%) AISI1008 冷轧钢
树脂基复合材料成型工艺介绍 树脂基复合材料成型工艺介绍（1）：模压成型工艺 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。 模压成型工艺的主要优点： ①生产效率高，便于实现专业化和自动化生产； ②产品尺寸精度高，重复性好； ③表面光洁，无需二次修饰； ④能一次成型结构复杂的制品； ⑤因为批量生产，价格相对低廉。 模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温度和压力也相对降低，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件、浴盆、整体卫生间组件等。 模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种可分为如下几种： ①纤维料模压法 是将经预混或预浸的纤维状模压料，投入到金属模具内，在一定的温度和压力下成型复合材料制品的方法。该方法简便易行，用途广泛。根据具体操作上的不同，有预混料模压和预浸料模压法。 ②碎布料模压法 将浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，如麻布、有机纤维布、石棉布或棉布等的边角料切成碎块，然后在金属模具中加温加压成型复合材料制品。 ③织物模压法 将预先织成所需形状的两维或三维织物浸渍树脂胶液，然后放入金属模具中加热加压成型为复合材料制品。 ④层压模压法 将预浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，裁剪成所需的形状，然后在金属模具中经加温或加压成型复合材料制品。 ⑤缠绕模压法 将预浸过树脂胶液的连续纤维或布（带），通过专用缠绕机提供一定的张力和温度，缠在芯模上，再放入模具中进行加温加压成型复合材料制品。 ⑥片状塑料（SMC）模压法 将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放入金属模具中加热加压成型制品。 ⑦预成型坯料模压法 先将短切纤维制成品形状和尺寸相似的预成型坯料，将其放入金属模具中，然后向模具中注入配制好的粘结剂（树脂混合物），在一定的温度和压力下成型。 模压料的品种有很多，可以是预浸物料、预混物料，也可以是坯料。当前所用的模压料品种主要有：预浸胶布、纤维预混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC
高性能环氧树脂基复合材料的研究现状及应用进展2018年8月1日星期三 Linda 中山沃瑞森 环氧树脂是一类重要的热固性树脂，具有良好的粘结性、稳定性、耐热性、力学性能、且固化收缩率小，成本低廉。环氧树脂作为胶粘剂、涂料和复合材料等的树脂基体，被广泛应用于轻工、建筑、航天航空、电子电气及其他先进复合材料的各个领域。本文由苏州挪恩复合材料有限公司研究人员从环氧树脂的增韧、耐热、增强方面对高性能环氧树脂基复合材料的现状进行阐述。 在航空航天等领域，对环氧树脂韧性耐温性和模量有着较高要求。热塑性树脂具有高韧性、高强度和耐热性好的特性，用热塑性树脂作为增韧剂可以在增韧环氧树脂的同时保持耐热性能和模量。国外将EP/CF
复合材料应用在战斗机和直升机的机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到明显减重作用，大大提高了抗疲劳耐腐蚀等性能。 在广泛的应用领域中环氧树脂除了要具备基本的力学性能要求外，还需要有良好的耐高温性能，对于提高环氧树脂体系耐热性的方法主要有改变环氧树脂、固化剂的结构或导入新结构，采用耐热性较好的材料对环氧树脂改性。 碳纤维具有十分优异的力学性能，由碳纤维增强环氧树脂所制备的复合材料性能表现优异。而由于碳纤维表面能低、与基体浸润性差，使其与基体材料的界面粘结力较弱，因此需要提前对其进行表面处理。玻璃纤维/环氧树脂复合材料是目前研究较成熟应用最广的一种环氧复合材料，该材料具有轻质高强、耐疲劳和绝缘等性能，在军事中可被用作防弹头盔、防弹衣等。 （图示：碳纤维安全头盔） 环氧树脂是先进复合材料中应用最广泛的树脂体系，适用于多种成型工
艺，可配制成不同配方，可调节粘度范围大，适用于不同的生产工艺，国内外对高性能环氧树脂的研究近几年已取得很大进展，很多环氧树脂复合材料集多种优异性能于一体，极大推动了高端科技产业的发展。 沃瑞森拥有自已强大的黏结数据库，有匹配各种功能黏结的推荐。配合世界知名品牌胶粘剂材料。给您最适合及高性价比的技术支持！