1、第三章3.5 复合材料复合材料材料种类特性强度大，易腐蚀无机非金属材料硬度大，脆性大高分子材料质量轻，易老化 复合材料Composite material第三章精品资料第三章 你怎么称呼老师？ 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？ 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ 教师的教鞭 “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘 ” “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早”第三章我们住在复合材料里第三章燕子窝：泥土-草复合材料第三章复合材料是由两种或两种以上的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的新材料，其既保留原组分材料的特性，又具有原
2、单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。 复合材料的特征：非均相材料，组分材料性能差异较大，新性能，体积分数大于10%，固体材料。3.5.1 概述概述 第三章复合材料构成：第三章第三章骨头（由原胶纤维与无机材料复合） 第三章植物茎干（树木、竹）、叶（微纤维与木质素复合） 第三章吴王矛吴王矛越王剑越王剑第三章复合材料作为一种先进材料出现，是从上世纪复合材料作为一种先进材料出现，是从上世纪40年代的年代的玻璃纤维增强塑料开始，为了与天然的、古代出现的复合玻璃纤维增强塑料开始，为了与天然的、古代出现的复合材料区分，称之为材料区分，称之为现代复合材料现代复合材料。航空航天技术要求制成飞行器材料高比强度
3、、比模量，航空航天技术要求制成飞行器材料高比强度、比模量，以减轻其重量，提高飞行速度、增加运载火箭有效负载、以减轻其重量，提高飞行速度、增加运载火箭有效负载、保证气动特性等。因此，在航空航天领域、现代国防工保证气动特性等。因此，在航空航天领域、现代国防工业中现代复合材料首先得到了广泛的应用业中现代复合材料首先得到了广泛的应用. 第三章 B787客机客机(2007年年7月首架飞机下线月首架飞机下线,复合材料占总质量复合材料占总质量50%,节省燃油节省燃油20%) 技术参数：技术参数： 翼翼展：展：50.3-51.8米；机长米；机长: 55.5米；高度：米；高度：16.5米；最大起飞总重米；最大起
4、飞总重:163000千克；巡航速度：千克；巡航速度： 0.85马赫（马赫马赫（马赫=1126公里公里/小时）小时） ；载客量：；载客量：289；最大航程：；最大航程：15700公里公里 第三章B787复合材料机身第三章B787复合材料机身第三章 A380客机客机(2007年年10月月,首次商业航行首次商业航行,复合材料占总质量复合材料占总质量25%) 是目前世界上唯一是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱采用全机身长度双层客舱,最先进、最宽敞和最高效的飞机。最先进、最宽敞和最高效的飞机。 技术参数：翼展：技术参数：翼展：79.8米；机长：米；机长：73米；宽度：米；宽度：7.14米；最大起飞重
5、量：米；最大起飞重量：560吨；吨；巡航速度：巡航速度：0.89马赫；载马赫；载 客客 量：量：555人；最大航程：人；最大航程：15000公里。公里。第三章 我国研制的我国研制的ARJ21 （Advanced Regional Jet）支线客机）支线客机“翔凤翔凤”(复合复合材料占总质量材料占总质量2%)2007年年12月月21日下线，日下线，2008年上半年首飞；载客年上半年首飞；载客量量70100人人;最大燃油航程：最大燃油航程： 4164 km. 第三章美国F-22猛禽战机机身材料重量比：机身材料重量比：42%钛钛合金，合金，23%复合材料，复合材料，15%铝合金，铝合金，20%其它其
6、它 第三章第三章在民用工业如机械工业、交通运输、建筑工业以及生物医在民用工业如机械工业、交通运输、建筑工业以及生物医学、体育等领域，由于复合材料的优异性能都已得到和正学、体育等领域，由于复合材料的优异性能都已得到和正在得到广泛的应用。在得到广泛的应用。 图3-73 玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢(左) 复合材料(玻璃钢)制作的渔船 （右） 第三章复合材料与基体材料相比具有以下优异的性能：复合材料与基体材料相比具有以下优异的性能： （1）比强度（强度）比强度（强度/密度）和比模量（弹性模量密度）和比模量（弹性模量/密度）高；密度）高； （2）抗疲劳性能好；）抗疲劳性能好； （3）高
7、韧性和抗热冲击性，在）高韧性和抗热冲击性，在PMC和和CMC中尤为重要；中尤为重要； （4）耐热性高；）耐热性高； （5）减振性能好；）减振性能好； （6）耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热；）耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热； （7）特殊的光、电、磁性能等。）特殊的光、电、磁性能等。除其优异性能外，复合材料还具有可设计性，可以根据除其优异性能外，复合材料还具有可设计性，可以根据对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量上对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量上进行选择，并进行适当的制备与加工。进行选择，并进行适当的制备与加工。第三章3.5.2 复合材料复合原理复合材料复合原理 由于复合材料
8、是由两种或两种以上不同的材料组分复合而由于复合材料是由两种或两种以上不同的材料组分复合而成的，除工艺因素外，基体和增强材料的性能必然影响复成的，除工艺因素外，基体和增强材料的性能必然影响复合材料的性能。此外增强材料的形状、含量、分布以及与合材料的性能。此外增强材料的形状、含量、分布以及与基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性能。基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性能。 复合材料的复合原理，就是反映上述因素对复合材料性复合材料的复合原理，就是反映上述因素对复合材料性能的影响规律。据此人们可以对所需要研究和开发的复能的影响规律。据此人们可以对所需要研究和开发的复合材料的性能，包括力学、物理、
9、化学性能等进行设计、合材料的性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、预测和评估。在本节中，主要介绍预测和评估。在本节中，主要介绍组分的作用组分的作用、增韧机增韧机制制和和界面的影响界面的影响。第三章3.5.2.1 混合法则混合法则 在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能（如强度、弹性模量）和物理性能（密下，复合材料的力学性能（如强度、弹性模量）和物理性能（密度、电导率、热导率、热膨胀系数等）主要取决于组成复合材料度、电导率、热导率、热膨胀系数等）主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（的材料
10、组分的体积百分比（vol.%） Pc 表示复合材料的某性能，如强度、弹性模量、密度、电导率、热表示复合材料的某性能，如强度、弹性模量、密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；导率、热膨胀系数等；Pi 表示各组分材料的对应复合材料的某性能；表示各组分材料的对应复合材料的某性能；V表示组成复合材料各组分的体积百分比（表示组成复合材料各组分的体积百分比（vol.%）；下标）；下标i表示组表示组成复合材料的组分数（包括基体、若干增强材料）。成复合材料的组分数（包括基体、若干增强材料）。（Rule of Mixtures）第三章例：例： 连续纤维单向增强复合材料，当只采用一种纤维增强时，复合材料连续纤维单向
11、增强复合材料，当只采用一种纤维增强时，复合材料沿纤维方向的拉伸强度可以表示为：沿纤维方向的拉伸强度可以表示为：c fVf + mVm 式中下标式中下标c、f 和和m分别表示复合材料、纤维和基体，其中分别表示复合材料、纤维和基体，其中Vm （1Vf） 图3-74 SiC/硼硅玻璃复合材料的强度随纤维体积含量线性增加 第三章由于纤维方向性，复合材料垂直纤维方向的弹性模量则表示为：由于纤维方向性，复合材料垂直纤维方向的弹性模量则表示为：1 / Ec Vf / Ef + Vm /Em此式的形式仍然是混合法则的形式。此式的形式仍然是混合法则的形式。 第三章颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系
12、第三章混合法则简明表达了复合材料的性能与基体、增强材料性能之间的混合法则简明表达了复合材料的性能与基体、增强材料性能之间的关系，但在应用混合法则对复合材料性能进行估算时，由于增强材关系，但在应用混合法则对复合材料性能进行估算时，由于增强材料的形状、长径比、分布以及基体与增强材料的结合等因素，还需料的形状、长径比、分布以及基体与增强材料的结合等因素，还需要对此进行一定的修正。要对此进行一定的修正。第三章3.5.2.2 增韧机制增韧机制 复合材料在应用的过程中，难免要受冲击载荷或发生高速变形，尤其复合材料在应用的过程中，难免要受冲击载荷或发生高速变形，尤其是那些表观上不会使复合材料遭受破坏的低能冲
13、击，往往会造成复合是那些表观上不会使复合材料遭受破坏的低能冲击，往往会造成复合材料的内部损伤，从而使其性能大大下降。材料的内部损伤，从而使其性能大大下降。 特别是在热固性树脂为基体或脆性的陶瓷为基体的复合材料中，增特别是在热固性树脂为基体或脆性的陶瓷为基体的复合材料中，增加复合材料的韧性是改善材料性能的重要任务之一。加复合材料的韧性是改善材料性能的重要任务之一。 复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。 经过分析及研究，提出了许多增
14、韧机制。以纤维增强复合材料为例，经过分析及研究，提出了许多增韧机制。以纤维增强复合材料为例，主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。第三章纤维脱粘韧化机理纤维脱粘韧化机理 在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面产生界面分离，在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面产生界面分离，形成新的表面，这需要消耗外界能量。尽管单位面积的表面能很小，但形成新的表面，这需要消耗外界能量。尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。所有脱粘纤维总的表面能则很大。第三章纤维拔出韧化机理纤维拔出韧化机理 纤维
15、拔出是指在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的纤维拔出是指在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面滑出的现象。很显然纤维首先应发生脱粘和断裂才能被拔出。界面滑出的现象。很显然纤维首先应发生脱粘和断裂才能被拔出。纤维拔出需要外力做功，因此起到增韧作用。纤维拔出需要外力做功，因此起到增韧作用。第三章纤维搭桥韧化机理纤维搭桥韧化机理 在裂纹扩展时，如果紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，裂纹在基体中扩在裂纹扩展时，如果紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，裂纹在基体中扩展，因此在裂纹的两边纤维搭起了小桥，使两岸联在一起，称之为纤维展，因此在裂纹的两边纤维搭起了小桥，使两岸联在一起，称之为纤维搭桥
16、，如图搭桥，如图3-78所示。这会在裂纹表面形成压应力，以抵销外加拉应所示。这会在裂纹表面形成压应力，以抵销外加拉应力的作用，使裂纹难以进一步扩展，从而起到增韧作用。力的作用，使裂纹难以进一步扩展，从而起到增韧作用。第三章除了上述增韧机制外，在颗粒、短纤维和晶须增强复合材料中，由除了上述增韧机制外，在颗粒、短纤维和晶须增强复合材料中，由于增强材料的存在，阻碍了裂纹在基体中的扩展，在增韧方面，还于增强材料的存在，阻碍了裂纹在基体中的扩展，在增韧方面，还存在有裂纹偏转、微裂纹增韧等机制。此外，在陶瓷基复合材料中，存在有裂纹偏转、微裂纹增韧等机制。此外，在陶瓷基复合材料中，利用氧化锆的相变产生的体积
17、效应，引起基体产生微裂纹，从而增利用氧化锆的相变产生的体积效应，引起基体产生微裂纹，从而增加陶瓷基复合材料的韧性，这种方法称之为相变增韧机制。加陶瓷基复合材料的韧性，这种方法称之为相变增韧机制。 第三章3.5.2.3 界面作用界面作用 复合材料是由性质和形状各不相同的两种或两种以上材料组元复合复合材料是由性质和形状各不相同的两种或两种以上材料组元复合而成的，在两种材料之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面而成的，在两种材料之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面界面界面。 复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层，有的还会形复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层，有的还会形
18、成与增强材料和基体有明显差别的新相，称之为成与增强材料和基体有明显差别的新相，称之为界面相界面相。 在复合材料设计和性能预测、评估时，研究界面作用和影响是一项重在复合材料设计和性能预测、评估时，研究界面作用和影响是一项重要内容。要内容。 第三章在复合材料中界面的作用是非常重要的。在纤维增强复合材料中，界在复合材料中界面的作用是非常重要的。在纤维增强复合材料中，界面往往起到把载荷由基体传递到纤维的面往往起到把载荷由基体传递到纤维的传递作用传递作用。此外，复合材料的。此外，复合材料的界面还起到界面还起到诱导作用诱导作用、阻断作用阻断作用、散射及吸收作用散射及吸收作用等。等。为了保证界面的作用，纤维
19、与基体之间要有一定的粘结，并且两者之为了保证界面的作用，纤维与基体之间要有一定的粘结，并且两者之间的结合与增强材料及基体的性质有关。除此之外，复合材料界面的间的结合与增强材料及基体的性质有关。除此之外，复合材料界面的结合方式、界面结构和性质会直接影响和控制复合材料的性能。结合方式、界面结构和性质会直接影响和控制复合材料的性能。界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与基体间界面结合状态的界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与基体间界面结合状态的一个指标。对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或过弱都不利一个指标。对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或过弱都不利于材料的力学性能。于材料的力学性
20、能。 第三章复合材料界面的粘结方式有：复合材料界面的粘结方式有：机械结合、静电作用、界面扩散和界面反应等。机械结合、静电作用、界面扩散和界面反应等。 机械结合机械结合是指增强材料与基体结合时，两种材料的表面相互接触，由是指增强材料与基体结合时，两种材料的表面相互接触，由于表面的粗糙而产生机械锚固，靠机械摩擦力保持表面的结合。于表面的粗糙而产生机械锚固，靠机械摩擦力保持表面的结合。静电作用静电作用则是指复合材料的增强材料与基体的表面带有异性电荷时，则是指复合材料的增强材料与基体的表面带有异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电引力，形成两者的结合。因静电作在基体与增强材料之间将发生静电引力，形
21、成两者的结合。因静电作用距离有限，表面的污染会大大减弱这种作用。用距离有限，表面的污染会大大减弱这种作用。 第三章基体与增强材料在复合时，由于复合的条件（温度、压力等）可以基体与增强材料在复合时，由于复合的条件（温度、压力等）可以在两种材料表面发生原子或分子的相互扩散，甚至溶解，形成在两种材料表面发生原子或分子的相互扩散，甚至溶解，形成扩散扩散或溶解结合或溶解结合。 增强材料与基体之间的表面原子，在一定的热力学和动力学条件下会增强材料与基体之间的表面原子，在一定的热力学和动力学条件下会发生界面反应，形成不同于原组元成分及结构的界面反应层，这种结发生界面反应，形成不同于原组元成分及结构的界面反应
22、层，这种结合为合为界面反应结合界面反应结合。 第三章复合材料的界面粘结方式大都是以上述界面的粘结方式中的一种为主，复合材料的界面粘结方式大都是以上述界面的粘结方式中的一种为主，并伴随以其它粘结方式的共同作用的结果，多数的界面结合是以扩散并伴随以其它粘结方式的共同作用的结果，多数的界面结合是以扩散和反应结合为主。和反应结合为主。为了保证复合材料的界面粘结强度和控制界面反应，往往需要对增强为了保证复合材料的界面粘结强度和控制界面反应，往往需要对增强材料的表面进行处理。材料的表面进行处理。在金属基复合材料中，界面反应层的结构和性质对其性能的影响尤为重要。在金属基复合材料中，界面反应层的结构和性质对其
23、性能的影响尤为重要。 例如硼纤维增强钛复合材料中，由于硼纤维与钛基体在界面产生脆性例如硼纤维增强钛复合材料中，由于硼纤维与钛基体在界面产生脆性的的TiB2反应产物，如果反应生成反应产物，如果反应生成TiB2的量大或界面层厚，就会严重的量大或界面层厚，就会严重影响其力学性能。影响其力学性能。 第三章SiCf /Ti的界面及界面反应层的界面及界面反应层 在复合材料设计和制备（复合）时，为在复合材料设计和制备（复合）时，为保证复合材料的最佳性能，如何进行界保证复合材料的最佳性能，如何进行界面的控制和优化，这在复合材料研究中面的控制和优化，这在复合材料研究中称之为称之为界面工程界面工程。 第三章3.5
24、.3 增强材料增强材料 复合材料中的增强材料就其形态而言，主要有复合材料中的增强材料就其形态而言，主要有纤维及其织物纤维及其织物、晶须晶须和和颗粒颗粒。就其组成的性质而言又可分为有机增强材料、金属增强材料和。就其组成的性质而言又可分为有机增强材料、金属增强材料和无机非金属增强材料。无机非金属增强材料。 第三章在复合材料设计中，选择增强材料的原则主要是：在复合材料设计中，选择增强材料的原则主要是： 1)增强材料的强度、模量和密度；增强材料的强度、模量和密度；2)增强材料与基体材料的物理相容性（湿润性、热膨胀系数匹配、增强材料与基体材料的物理相容性（湿润性、热膨胀系数匹配、互溶性等）；互溶性等）；
25、3)化学相容性（极性、化学位等）化学相容性（极性、化学位等）4)性能性能/价格比。价格比。 对结构复合材料而言，第一考虑的是增强材料的强度、模量和密对结构复合材料而言，第一考虑的是增强材料的强度、模量和密度。其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。度。其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。第三章 为了使得复合材料既轻又强、既轻又不易变形（即比强度和为了使得复合材料既轻又强、既轻又不易变形（即比强度和比模量高），增强材料的比强度和比模量就非常重要。比模量高），增强材料的比强度和比模量就非常重要。 因此首先考虑的是高强度的晶须和纤维。但晶须和纤维，特因此首先考虑的是高强度的晶须和
26、纤维。但晶须和纤维，特别是晶须的价格昂贵，在一些民用领域，尤其是要求专门性别是晶须的价格昂贵，在一些民用领域，尤其是要求专门性能如耐磨损性能的部件中，一般选用价廉物美的颗粒作为增能如耐磨损性能的部件中，一般选用价廉物美的颗粒作为增强材料。强材料。 从增强材料的性质上考虑，由于有机高分子材料和无机非金属从增强材料的性质上考虑，由于有机高分子材料和无机非金属材料的密度低，一般所用的增强材料多数为这两类材料。材料的密度低，一般所用的增强材料多数为这两类材料。 第三章3.5.3.1 纤维增强材料纤维增强材料 在现代复合材料的发展历史中，纤维增强材料是最大的功臣，也可在现代复合材料的发展历史中，纤维增强
27、材料是最大的功臣，也可以说是现代复合材料的支柱。最早使用的复合材料就是玻璃纤维增以说是现代复合材料的支柱。最早使用的复合材料就是玻璃纤维增强塑料，至今在高技术新材料领域纤维增强复合材料仍然在发挥重强塑料，至今在高技术新材料领域纤维增强复合材料仍然在发挥重要的作用。要的作用。主要有玻璃纤维、芳纶纤维（主要有玻璃纤维、芳纶纤维（kevlar纤维）、尼龙纤维、聚乙烯纤维、纤维）、尼龙纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及金属纤维（如钨、钼、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及金属纤维（如钨、钼、不锈钢丝等）。其中在各类复合材料中得到大量使用的是玻璃纤维、不锈钢丝等）。其中
28、在各类复合材料中得到大量使用的是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。第三章1. 玻璃纤维玻璃纤维 在复合材料中应用最早和最为广泛的无机纤维是玻璃纤维。在复合材料中应用最早和最为广泛的无机纤维是玻璃纤维。 玻璃纤维是玻璃纤维是19世纪末美国康宁公司研发成功的，但直至世纪末美国康宁公司研发成功的，但直至20世纪世纪40年年代开发出玻璃纤维增强塑料（代开发出玻璃纤维增强塑料（GFRP）后才得到大量使用。）后才得到大量使用。 玻璃纤维的直径一般为玻璃纤维的直径一般为59微米，生产或使用时大多为纤维束。微米，生产或使用时大多为纤维束。 第三章无捻玻璃
29、纤维无捻玻璃纤维 第三章（1）玻璃纤维的组成）玻璃纤维的组成 玻璃纤维是由玻璃纤维是由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属无定形离子结构物质。混合物，属无定形离子结构物质。SiO2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点主要组分，形成基本骨架，有高的熔点金属氧化物金属氧化物：（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3）改善制备玻璃纤维的工艺条件改善制备玻璃纤维的工艺条件(Na2O,K2O为助熔剂，降低熔点为助熔剂，降低熔点) 和性能和性能(BeO，模量，模量 ；B2O3，耐酸耐酸 ) 第三章（2）玻璃纤维的制备）玻璃纤维的制备
30、 坩埚拉丝法坩埚拉丝法 玻璃球d=1518mmM10g 拉丝玻璃原料（砂、石灰石、硼酸）熔炼炉（1260）造球机玻纤第三章（3）玻璃纤维的性能）玻璃纤维的性能 力学性能（拉伸强度较高，但模量较低）力学性能（拉伸强度较高，但模量较低）d10mm, s玻纤=1000MPa； d5mm， s玻纤=2400MPa s玻璃40100MPa弹性模量在弹性模量在70110GPa（与铝和钛合金模量相当）（与铝和钛合金模量相当）第三章微裂纹理论：微裂纹理论： 玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，玻璃被破坏。
31、微裂纹尺寸越大，当应力达到一定值时，裂纹扩展，玻璃被破坏。微裂纹尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低。越多，应力集中越严重，导致强度越低。 块状玻璃比玻璃纤维尺寸大，其内部和表面存在微裂纹的概率块状玻璃比玻璃纤维尺寸大，其内部和表面存在微裂纹的概率更大，所以块状玻璃比玻璃纤维的强度低得多。更大，所以块状玻璃比玻璃纤维的强度低得多。s玻纤 s玻璃玻纤直径越小，长度越短，强度越大；存放时间越长，负荷时玻纤直径越小，长度越短，强度越大；存放时间越长，负荷时间越长，玻纤强度下降。间越长，玻纤强度下降。第三章分子取向理论：分子取向理论： 玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，玻纤在制备过程中，受
32、到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。分子排列更规整，所以玻纤强度更大。s玻纤 s玻璃第三章 热性能热性能Tg600，Tf 1200；T250 ，温度，温度 ，强度，强度 ，具有短时耐高温特性；，具有短时耐高温特性；300 ，24h， s s 20%； 400 ，24h， s s 50%；导热系数导热系数k k低（低（20100 ，0.86Kcal/m.h. ）,良好的绝热性能；良好的绝热性能；热膨胀系数热膨胀系数a a低（低（20100 ，4.810-6/ ）。）。第三章 耐腐蚀性能耐腐蚀性能 玻璃除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对酸、碱、盐以及有玻璃除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对
33、酸、碱、盐以及有机溶剂具有较好的耐腐蚀能力。机溶剂具有较好的耐腐蚀能力。第三章 电性能电性能电绝缘性好：含碱量越高，绝缘性越低；电绝缘性好：含碱量越高，绝缘性越低； （碱金属离子迁移，成为载流子）（碱金属离子迁移，成为载流子） 湿度、温度提高，绝缘性降低湿度、温度提高，绝缘性降低良好的高频介电性能（介电常数较小，介质损耗低）良好的高频介电性能（介电常数较小，介质损耗低）第三章玻璃纤维与其它纤维相比，其价格便宜，品种多，适合编玻璃纤维与其它纤维相比，其价格便宜，品种多，适合编织制成各种玻璃织物如织制成各种玻璃织物如玻璃纤维布玻璃纤维布，因而广泛应用于航空，因而广泛应用于航空航天领域；在民用领域，
34、如建筑材料、交通工具、体育用航天领域；在民用领域，如建筑材料、交通工具、体育用品等方面玻璃纤维增强复合材料也用的很多。品等方面玻璃纤维增强复合材料也用的很多。第三章2. 芳纶纤维芳纶纤维 芳纶纤维是目前主要用于聚合物基复合材料的一种有机纤维，是美国芳纶纤维是目前主要用于聚合物基复合材料的一种有机纤维，是美国杜邦公司（杜邦公司（Dupont）在）在1968年研制成功的，并在年研制成功的，并在1973年正式以年正式以Kevlar作为其商品名。作为其商品名。 芳纶纤维的密度仅为芳纶纤维的密度仅为1.44 g/cm3，其抗拉强度高达，其抗拉强度高达3.4GPa，模量，模量为为59190GPa，因此其比
35、强度和模量均优于玻璃纤维，特别是比强，因此其比强度和模量均优于玻璃纤维，特别是比强度甚至高于一般碳纤维和硼纤维。度甚至高于一般碳纤维和硼纤维。和其它的有机纤维（如聚乙烯、尼龙和聚酯纤维）相比，耐热性较高，和其它的有机纤维（如聚乙烯、尼龙和聚酯纤维）相比，耐热性较高，象象Kevlar49纤维的抗拉强度长期在纤维的抗拉强度长期在150下几乎不变，在下几乎不变，在427下下不分解，在不分解，在190低温下不变脆，并且在高温下不易变形，尺寸稳低温下不变脆，并且在高温下不易变形，尺寸稳定，特别是其柔韧性好，抗冲击，耐酸、碱。定，特别是其柔韧性好，抗冲击，耐酸、碱。但芳纶纤维制成的聚合物基复合材料层间抗剪
36、强度较低。但芳纶纤维制成的聚合物基复合材料层间抗剪强度较低。 第三章芳纶纤维作为纤维可直接用于登山绳索、传送带、降落伞、防弹服、背心芳纶纤维作为纤维可直接用于登山绳索、传送带、降落伞、防弹服、背心等。等。第三章作为聚合物基复合材料的增强材料，可单独或与碳纤维混合使用，作为聚合物基复合材料的增强材料，可单独或与碳纤维混合使用，主要用于航天飞机、大中型客机、汽车和船舶，替代钢、铝等金主要用于航天飞机、大中型客机、汽车和船舶，替代钢、铝等金属的结构件，减重效果显著。属的结构件，减重效果显著。 如用于波音如用于波音757可减重可减重454kg，用于轿车车身，可减重，用于轿车车身，可减重40，在，在船舶
37、中采用时比用玻璃纤维还可减重船舶中采用时比用玻璃纤维还可减重2030。 军工上可用于火箭壳体、防弹头盔等。军工上可用于火箭壳体、防弹头盔等。此外芳纶纤维还可替代石棉纤维用作无石棉摩擦材料的增强纤维。此外芳纶纤维还可替代石棉纤维用作无石棉摩擦材料的增强纤维。 第三章芳纶纤维的制备芳纶纤维的制备第三章3. 碳纤维碳纤维 早在早在1880年大发明家爱迪生发明电灯时开始就用棉、麻纤维来制年大发明家爱迪生发明电灯时开始就用棉、麻纤维来制取碳纤维作为灯丝。取碳纤维作为灯丝。 在在20世纪世纪50 年代末至年代末至60年代中，经过科学家们的努力分别研究和年代中，经过科学家们的努力分别研究和开发出了各种不同高
38、强度和高模量的碳纤维。开发出了各种不同高强度和高模量的碳纤维。碳纤维的出现也标志复合材料的研究与开发进入了一个新阶段。碳纤维的出现也标志复合材料的研究与开发进入了一个新阶段。第三章生产碳纤维的原材料有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈（生产碳纤维的原材料有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈（PAN）碳纤）碳纤维和沥青基碳纤维。经过碳化和石墨化后，可以分别得到高强度碳纤维和沥青基碳纤维。经过碳化和石墨化后，可以分别得到高强度碳纤维、超高强度碳纤维、高模量碳纤维、超高模量碳纤维、高强度高模维、超高强度碳纤维、高模量碳纤维、超高模量碳纤维、高强度高模量碳纤维等。量碳纤维等。 根据原材料、含碳量及石墨化条件，碳纤
39、维的密度在根据原材料、含碳量及石墨化条件，碳纤维的密度在1.62.18g/cm3，抗拉强度在抗拉强度在17GPa之间，模量为之间，模量为100800GPa。 性能的变化主要与碳纤维的结构有关。性能的变化主要与碳纤维的结构有关。 第三章第三章碳纤维的单丝直径为碳纤维的单丝直径为57微米，一般成束使用，一束达微米，一般成束使用，一束达1000根单根单丝（丝（1K），有的已达），有的已达24K。碳纤维和玻璃纤维一样，可以织，有纱、。碳纤维和玻璃纤维一样，可以织，有纱、布、毡等制品种类。布、毡等制品种类。 第三章与玻璃纤维相比，碳纤维比强度和比模量有明显提高。与玻璃纤维相比，碳纤维比强度和比模量有明显
40、提高。此外，碳纤维导热、导电，耐化学腐蚀性好，但仍然较脆，且抗氧此外，碳纤维导热、导电，耐化学腐蚀性好，但仍然较脆，且抗氧化性差。化性差。碳纤维不仅作为玻璃纤维的代用品，用于聚合物基复合材料，而且碳纤维不仅作为玻璃纤维的代用品，用于聚合物基复合材料，而且适用于金属基复合材料。适用于金属基复合材料。因此，碳纤维成为航空航天领域所用先进复合材料中不可缺少的增因此，碳纤维成为航空航天领域所用先进复合材料中不可缺少的增强材料。强材料。 第三章4. 硼纤维硼纤维 最早是最早是1959年美国年美国AVCO公司开发的硼纤维，其采用直径为公司开发的硼纤维，其采用直径为12微微米左右的钨丝加热，通入三氯化硼和氢
41、气作为反应气体，在米左右的钨丝加热，通入三氯化硼和氢气作为反应气体，在10001300温度下在钨丝上沉积温度下在钨丝上沉积5060微米厚的硼层，因此微米厚的硼层，因此硼纤维直径为硼纤维直径为100140微米，中心含有钨丝芯。微米，中心含有钨丝芯。由于有钨芯，硼纤维的密度为由于有钨芯，硼纤维的密度为2.42.6 g/cm3，与玻璃纤维相，与玻璃纤维相当。其拉伸强度为当。其拉伸强度为3.45.2GPa,而模量则达而模量则达400GPa,为玻璃纤为玻璃纤维的维的46倍，是目前比模量和比强度最高的增强纤维。倍，是目前比模量和比强度最高的增强纤维。 硼纤维耐高温氧化性差，在与某些金属（如钛及钛合金）复合
42、硼纤维耐高温氧化性差，在与某些金属（如钛及钛合金）复合时会产生界面反应，影响复合材料的性能。时会产生界面反应，影响复合材料的性能。 第三章为了提高硼纤维的性能，一般在纤维的表面要沉积一层为了提高硼纤维的性能，一般在纤维的表面要沉积一层37微米微米的陶瓷层，如碳化硅或碳化硼。的陶瓷层，如碳化硅或碳化硼。在表面沉积碳化硅的硼纤维的商品名为在表面沉积碳化硅的硼纤维的商品名为“Borsic”（硼矽克）纤（硼矽克）纤维。因为硼纤维采用的是维。因为硼纤维采用的是CVD法制备，所以价格昂贵，应用范围法制备，所以价格昂贵，应用范围有限，一般只用于航空航天领域的聚合物基和金属基复合材料。有限，一般只用于航空航天
43、领域的聚合物基和金属基复合材料。第三章5. 碳化硅纤维碳化硅纤维 1973年美国年美国AVCO公司采用碳芯制备出了公司采用碳芯制备出了CVD碳化硅纤维。该碳化硅纤维。该方法生产的碳化硅纤维的密度为方法生产的碳化硅纤维的密度为3.5 g/cm3，抗拉强度为，抗拉强度为2.23.9GPa，模量为，模量为415GPa，直径也较粗，为，直径也较粗，为100140微米，微米，柔软性也差，并且这种纤维的价格也很贵。为此，材料科学家寻求柔软性也差，并且这种纤维的价格也很贵。为此，材料科学家寻求直径细、柔软性更好和价格合适的碳化硅纤维。直径细、柔软性更好和价格合适的碳化硅纤维。在在1978年日本研究与开发了利
44、用有机聚碳硅烷纺丝，然后烧结制年日本研究与开发了利用有机聚碳硅烷纺丝，然后烧结制备碳化硅纤维的方法。这种碳化硅纤维的商品名为备碳化硅纤维的方法。这种碳化硅纤维的商品名为Nicolon（尼（尼可纶），也称为纺丝碳化硅纤维，其价格较之可纶），也称为纺丝碳化硅纤维，其价格较之CVD碳化硅纤维要碳化硅纤维要便宜。因不含芯材，其密度仅为便宜。因不含芯材，其密度仅为2.55 g/cm3，抗拉强度为，抗拉强度为2.53.0GPa，模量为，模量为250GPa，其单丝直径为，其单丝直径为1015微米，微米，柔软性好，可以象玻璃纤维和碳纤维一样进行编织。柔软性好，可以象玻璃纤维和碳纤维一样进行编织。第三章碳化硅纤
45、维是陶瓷纤维，具有陶瓷特征，抗氧化、耐腐蚀，与金碳化硅纤维是陶瓷纤维，具有陶瓷特征，抗氧化、耐腐蚀，与金属基体一般不发生反应，湿润性好，且价格便宜，这些都是硼纤属基体一般不发生反应，湿润性好，且价格便宜，这些都是硼纤维所不能比的。维所不能比的。碳化硅纤维可用作聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的增强材碳化硅纤维可用作聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的增强材料。碳化硅纤维增强复合材料主要可用于航空航天、汽车结构部料。碳化硅纤维增强复合材料主要可用于航空航天、汽车结构部件和运动器械（滑雪板、网球拍）。件和运动器械（滑雪板、网球拍）。第三章3.5.3.2 晶须晶须 晶须是一种直径为零点几至几个微米的针
46、状单晶体纤维材料。在单晶晶须是一种直径为零点几至几个微米的针状单晶体纤维材料。在单晶体中的原子排列非常整齐，几乎没有多晶材料中存在的各种缺陷，如体中的原子排列非常整齐，几乎没有多晶材料中存在的各种缺陷，如杂质、空穴和位错等，因此从强度而言，晶须的强度接近理论极限。杂质、空穴和位错等，因此从强度而言，晶须的强度接近理论极限。 如果晶须能够象上述的纤维那样可以非常长，则是最理想的增强如果晶须能够象上述的纤维那样可以非常长，则是最理想的增强纤维。遗憾的是，至今也无法使晶须生长成为长纤维，其长度一纤维。遗憾的是，至今也无法使晶须生长成为长纤维，其长度一般为几十微米至几毫米。因此尽管强度非常高，但晶须也
47、无法单般为几十微米至几毫米。因此尽管强度非常高，但晶须也无法单独作为结构材料使用，一般作为复合材料的增强材料。独作为结构材料使用，一般作为复合材料的增强材料。（Whisker） 第三章材料学家们研究开发出了上百种晶须，如晶须铁、镍、铬、铜、钛、材料学家们研究开发出了上百种晶须，如晶须铁、镍、铬、铜、钛、银等金属晶须；银等金属晶须；氧化铝、氧化钛、氧化铬、氧化铍、氧化钇和莫莱石等氧化物晶须；氧化铝、氧化钛、氧化铬、氧化铍、氧化钇和莫莱石等氧化物晶须；碳化硅、碳化钛、碳化硼和碳化锆等碳化物晶须；碳化硅、碳化钛、碳化硼和碳化锆等碳化物晶须；氮化硼、氮化硅、氮化钛和氮化铝等氮化物晶须；氮化硼、氮化硅、
48、氮化钛和氮化铝等氮化物晶须；硼化钛、硼化锆、硼化铬等硼化物晶须以及钛酸铝、钛酸钾、硼酸硼化钛、硼化锆、硼化铬等硼化物晶须以及钛酸铝、钛酸钾、硼酸铝和硫酸钙等晶须。铝和硫酸钙等晶须。第三章与纤维增强材料相似，无机非金属晶须的密度低，其性能比金属与纤维增强材料相似，无机非金属晶须的密度低，其性能比金属晶须更优越，比强度和比模量是金属晶须的几倍甚至十几倍。晶须更优越，比强度和比模量是金属晶须的几倍甚至十几倍。因此真正进入工业化生产并在复合材料中得到应用的主要是陶瓷因此真正进入工业化生产并在复合材料中得到应用的主要是陶瓷晶须，碳化硅晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须等，特别是碳化硅晶须，碳化硅晶须、氧化铝晶
49、须、氮化硅晶须等，特别是碳化硅晶须。晶须。第三章碳化硅晶须根据晶体结构分为碳化硅晶须根据晶体结构分为-碳化硅和碳化硅和-碳化硅晶须。碳化硅的密碳化硅晶须。碳化硅的密度为度为3.15 g/cm3，-碳化硅和碳化硅和-碳化硅晶须的抗拉强度为碳化硅晶须的抗拉强度为735GPa，-碳化硅晶须模量约为碳化硅晶须模量约为480GPa、-碳化硅晶须模量约为碳化硅晶须模量约为5.58.3GPa。 -碳化硅碳化硅 第三章3.5.3.3 颗粒增强材料颗粒增强材料 在材料的设计和应用中，有些要求复合材料具有较高强度，但模量要在材料的设计和应用中，有些要求复合材料具有较高强度，但模量要求更高，以保持形状的稳定性；或者
50、要求复合材料具有较高强度和模求更高，以保持形状的稳定性；或者要求复合材料具有较高强度和模量外还需要有好的抗磨损性能以及其它性能；或者要求在改善和满足量外还需要有好的抗磨损性能以及其它性能；或者要求在改善和满足复合材料强度和模量的情况下还希望降低复合材料的成本等等，这时复合材料强度和模量的情况下还希望降低复合材料的成本等等，这时往往考虑选择颗粒增强材料。往往考虑选择颗粒增强材料。 颗粒增强材料是改善基体材料性能的颗粒状材料。颗粒增强材料是改善基体材料性能的颗粒状材料。 与复合材料应用的纤维和晶须一样，颗粒增强材料大多数为具有低密与复合材料应用的纤维和晶须一样，颗粒增强材料大多数为具有低密度、高强
