复合材料第三章(1)复合材料的增强体

1、1第三章第三章 复合材料的增强材料复合材料的增强材料2增强体的概念增强体的概念： 复合材料中能明显复合材料中能明显的组的组元物质。起承受载荷、增强、增韧作用。元物质。起承受载荷、增强、增韧作用。增强体的特征增强体的特征：（1 1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能；）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能； （2 2）增强体应具有稳定的化学性质；）增强体应具有稳定的化学性质； （3 3）与基体有良好的润湿性）与基体有良好的润湿性3（1 1）颗粒类增强体（零维）颗粒类增强体（零维）性能特点：性能特点： 高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀实实 例：例： 碳化硅、氧

2、化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、 碳化钛、滑石、碳酸钙等碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒无机非金属颗粒复合材料性能特点：复合材料性能特点：具有各向同性具有各向同性4（2 2）纤维类增强体（一维）纤维类增强体（一维）：长度：长度： 连续长度一般超过数百米；连续长度一般超过数百米；性能特点：性能特点： 沿轴向有很高的强度和弹性模量沿轴向有很高的强度和弹性模量分类：分类： 分为单丝和束丝两种。分为单丝和束丝两种。应应 用：用： 成本高、性能高，只用于高性能复合材料成本高、性能高，只用于高性能复合材料复合材料性能特点：复合材料性能特点：具有各向异性具有各向异性5单

3、单丝：丝： 硼纤维、硼纤维、CVDCVD法制备的碳化硅纤维（直径约为法制备的碳化硅纤维（直径约为95-14095-140微米）微米）束束丝：丝： 碳纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维、碳纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维、烧结法制备的碳化硅纤维等（含烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000500-12000根单丝，根单丝，单丝直径单丝直径5.6-145.6-14微米）和芳纶、超高分子量聚乙烯等微米）和芳纶、超高分子量聚乙烯等有机纤维。有机纤维。6长长度：度： 连续长度一般几十毫米连续长度一般几十毫米性能特点：性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低沿轴向有方向性，但性能一般

4、比长纤维低应应用：用： 成本比较低，应用广成本比较低，应用广实实例：例： 硅酸铝纤维、氧化铝纤维硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性复合材料特点：无明显方向性( (制造时排列无序制造时排列无序) )7（3 3）晶须类增强体（一维）晶须类增强体（一维）外形尺寸：外形尺寸：直径直径0.2-10.2-1微米，长约为几十微米微米，长约为几十微米性能特点：性能特点：有很高的强度和模量有很高的强度和模量 （结构细小、缺陷少）（结构细小、缺陷少）应应用：用： 陶瓷增韧（陶瓷增韧（成本比颗粒高得多成本比颗粒高得多）实实例：例： 碳化硅、氧化铝、氮化硅等碳化硅

5、、氧化铝、氮化硅等复合材料性能特点：各向同性。复合材料性能特点：各向同性。8（4 4）金属丝增强体（一维）金属丝增强体（一维） 不锈钢丝、钨丝等（不锈钢丝、钨丝等（W/AlW/Al、W/NiW/Ni、不锈钢、不锈钢丝丝/Al/Al）（5 5）片状物增强体（二维）片状物增强体（二维） 织物、毡等。陶瓷薄片：织物、毡等。陶瓷薄片：SiC/CSiC/C、SiC/ZrOSiC/ZrO2 2、SiSi3 3N N4 4/BN/BN等。等。（6 6）纤维编织类增强体（三维）纤维编织类增强体（三维） 纤维编织成的三维结构纤维编织成的三维结构9（1 1）固体材料的理论强度固体材料的理论强度： thth = (

6、 = (EE/a/a0 0) )1/21/2纤维类增强体：纤维类增强体：Be (Be (铍铍) )、B B、C C、AlAl、SiSi以及它们与以及它们与N N、O O的化的化合物合物 （常温下原子半径小、化学性质稳定）（常温下原子半径小、化学性质稳定）纤维类增强体理论强度高！纤维类增强体理论强度高！10 材料的理论强度应从原子间的结合力入手，只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。 两原子间的结合力如图所示，原子间距随应力的增加而增大，在某点处，应力克服了原子之间的作用力达到一个最大值，这一最大值即为理论断裂强度sm。11 不同材料的组成、结构及键合方式不同，各种材料的理论断裂强度都不一样，

7、计算公式十分复杂。 为简单、粗略地估计各种情况都能适应的材料理论强度，可假设用波长为l的正玄波来近似原子间约束力与原子间距离x之间的关系：(1) 材料的断裂是在拉应力作用下，原子沿与拉应力垂直的面被拉开。1213141516（2 2）固体材料的实际强度：）固体材料的实际强度：固体材料实际强度远远低于理论强度！固体材料实际强度远远低于理论强度！原原 因：因： 缺陷的存在；应力集中；破坏失效。缺陷的存在；应力集中；破坏失效。断裂力学的研究结果：断裂力学的研究结果： = (E/4c) = (E/4c)1/21/2高高 强强 度：度： 高的弹性模量、高的表面能高的弹性模量、高的表面能 尽可能小的内部或

8、表面的最大裂纹长度尽可能小的内部或表面的最大裂纹长度17（3 3）纤维材料具有高强度的原因：）纤维材料具有高强度的原因：纤维类增强材料：纤维类增强材料：强度很高强度很高同质地块状材料：同质地块状材料：强度一般强度一般E-E-玻璃：玻璃：40 - 100 MPa40 - 100 MPaE-E-玻璃纤维：玻璃纤维：1000MPa1000MPa（直径为（直径为1010微米）微米）2400MPa2400MPa（直径（直径5 5微米以下）微米以下）随着纤维直径减小，强度将获得进一步提高！随着纤维直径减小，强度将获得进一步提高！18纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目纤维材料所包含的缺陷的形状、位

9、置、取向和数目都有别与同质地的块状材料都有别与同质地的块状材料内部径向最大裂纹尺寸：内部径向最大裂纹尺寸：非常小非常小（纤维类增强材料）（纤维类增强材料）一般一般（同质地块状材料）（同质地块状材料）19内部轴向最大裂纹尺寸：内部轴向最大裂纹尺寸：一般一般（纤维类增强材料）（纤维类增强材料）一般一般（同质地块状材料）（同质地块状材料）纤维中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料纤维中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料中的相比，但对轴向性能的影响则很小（中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维纤维主要承受轴向拉伸载荷主要承受轴向拉伸载荷） 20玻璃是典型的脆性材料，玻璃是典型的脆性材料，为什么玻璃纤维

10、具有优良的柔曲性为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性 ？ 柔曲性的表示方法：柔曲性的表示方法：MM图图3.1 3.1 作用于受力梁上的力矩作用于受力梁上的力矩MM及由此力矩产生的曲率半径及由此力矩产生的曲率半径 以以1/(M)1/(M)表示材料的柔曲性表示材料的柔曲性21材料力学的研究结果给出了下式：材料力学的研究结果给出了下式：4641dEM上式中，上式中，E E为材料的杨氏模量，为材料的杨氏模量，d d为圆柱的直径为圆柱的直径 。以。以1/(1/(MM) )表示材料的柔曲性，表示材料的柔曲性，与与1/d1/d4 4成正比成正比。 22图图3.2 3.2 各种纤维材料的柔曲性与纤维直径和杨氏模量的

11、关系各种纤维材料的柔曲性与纤维直径和杨氏模量的关系23 2.1 2.1 玻璃纤维的种类玻璃纤维的种类 2.2 2.2 玻璃纤维的制造玻璃纤维的制造 2.3 2.3 玻璃纤维的结构和化学组成玻璃纤维的结构和化学组成 2.4 2.4 玻璃纤维的性能玻璃纤维的性能 2.5 2.5 玻璃纤维的应用玻璃纤维的应用24（1 1）按玻璃原料成分分类（最重要的分类方法）按玻璃原料成分分类（最重要的分类方法）：又称又称无碱玻璃无碱玻璃，由钙铝硼硅酸盐组成的玻璃，碱金属氧化物，由钙铝硼硅酸盐组成的玻璃，碱金属氧化物（R R2 2O O）含量一般小于）含量一般小于0.8%0.8%（国外小于（国外小于1%1%）。）。

12、E-E-玻璃纤维玻璃纤维的的电绝缘性能特别好电绝缘性能特别好，并且有，并且有较高的强度较高的强度和和较好的耐环较好的耐环境老化性能境老化性能，但易被稀的无机酸腐蚀（，但易被稀的无机酸腐蚀（ 耐酸性差耐酸性差 ）。 2526：又称又称中碱玻璃中碱玻璃，是一种钠硼硅酸盐玻璃，国产的不含硼，是一种钠硼硅酸盐玻璃，国产的不含硼，碱金属氧化物的含量为碱金属氧化物的含量为11.5% 12.5%11.5% 12.5%，电绝缘性差电绝缘性差，强度和模量低强度和模量低，成本低，但，成本低，但耐酸性好耐酸性好。：又称又称有碱玻璃有碱玻璃，碱金属氧化物的含量在，碱金属氧化物的含量在15%15%以上，以上，耐老耐老化

13、性能差，电绝缘性和耐水性差，强度和模量低化性能差，电绝缘性和耐水性差，强度和模量低，成本低，但，成本低，但耐酸性优良耐酸性优良。国内已停止生产。国内已停止生产。用于增强沥青和牛毛毡，以及耐酸玻璃钢的增强材料。用于增强沥青和牛毛毡，以及耐酸玻璃钢的增强材料。2728高强玻璃纤维）高强玻璃纤维）：，属镁铝硅酸盐玻璃纤维，其，属镁铝硅酸盐玻璃纤维，其强度和弹性模量均优于强度和弹性模量均优于E E玻璃纤维，高温性能好玻璃纤维，高温性能好，主要用于飞机和火箭的高强度，主要用于飞机和火箭的高强度部件。部件。：氧化铍含量高的玻璃纤维，氧化铍含量高的玻璃纤维，弹性模量比一般的玻璃纤维弹性模量比一般的玻璃纤维高

14、高1/31/3，主要用于航空航天领域。，主要用于航空航天领域。29（2 2）按玻璃纤维单丝直径分类）按玻璃纤维单丝直径分类：直径为直径为3.8 - 4.6 3.8 - 4.6 微米微米柔曲性柔曲性、耐磨性好、耐磨性好防火衣、宇宙服、地毯、帐篷等防火衣、宇宙服、地毯、帐篷等：直径为直径为5.3 - 7.4 5.3 - 7.4 微米微米绝缘材料，过滤布等绝缘材料，过滤布等：直径为直径为9.2 - 21.6 9.2 - 21.6 微米微米与树脂浸透性好与树脂浸透性好，成本低、产量高，成本低、产量高经济性和工艺性好，有多种用途经济性和工艺性好，有多种用途30（1 1）原丝的制造）原丝的制造：原丝由若干

15、根单丝组成原丝由若干根单丝组成图图3.3 3.3 拉丝玻璃纤维示意图拉丝玻璃纤维示意图原丝制造工艺流程：原丝制造工艺流程：(1) 按要求配料并送入熔窑制成按要求配料并送入熔窑制成玻璃液玻璃液(2) 玻璃液经制球机制成玻璃球玻璃液经制球机制成玻璃球(3) 玻璃球加入加料斗并在铂金玻璃球加入加料斗并在铂金坩埚中熔化坩埚中熔化(4) 熔化玻璃液自小漏孔流出并熔化玻璃液自小漏孔流出并冷却形成单纤维冷却形成单纤维(5) 单纤维经过浸润、集丝后形单纤维经过浸润、集丝后形成单股原丝成单股原丝(6) 单股原丝被绕到控丝机头上单股原丝被绕到控丝机头上的卷筒的卷筒31（2 2）纤维纱的制造）纤维纱的制造：通过原丝

16、的退绕、加捻、通过原丝的退绕、加捻、并股、络纱而制成的玻璃纤维成品纱为有捻纱，并股、络纱而制成的玻璃纤维成品纱为有捻纱，直接并股、络纱制成的为无捻纱。直接并股、络纱制成的为无捻纱。（3 3）玻璃布的制造）玻璃布的制造：将有捻纱或无捻纱经过纺织工：将有捻纱或无捻纱经过纺织工艺可制成各种玻璃布。艺可制成各种玻璃布。（4 4）玻璃纤维制品的制造）玻璃纤维制品的制造：除了以上的各种制品，：除了以上的各种制品，玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、防虫网等。玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、防虫网等。32（3 3）玻璃布的制造）玻璃布的制造：将有捻纱或无捻纱经过纺将有捻纱或无捻纱经过纺织工艺可制成各种玻璃布

17、。织工艺可制成各种玻璃布。（4 4）玻璃纤维制品的制造）玻璃纤维制品的制造：除了以上的各种制品，：除了以上的各种制品，玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、防虫网等。玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、防虫网等。333435（4 4）玻璃纤维制品的制造）玻璃纤维制品的制造：除了以上的各除了以上的各种制品，玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、种制品，玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、防虫网等。防虫网等。36（1 1）玻璃纤维的结构）玻璃纤维的结构：玻璃纤维结构理论有晶子说、无规网络学说、过玻璃纤维结构理论有晶子说、无规网络学说、过冷液体说、五角十二面体说、仲晶说、聚合说等。冷液体说、五角十二面体说、仲晶

18、说、聚合说等。较为流行的是晶子说和无规网络说。较为流行的是晶子说和无规网络说。玻璃纤维具有比块体玻璃高许多倍的强度玻璃纤维具有比块体玻璃高许多倍的强度玻璃纤维具有良好的柔曲性玻璃纤维具有良好的柔曲性玻璃纤维结构与块体玻璃是相同的玻璃纤维结构与块体玻璃是相同的 ！37： 微晶假说微晶假说：列别捷夫认为，玻璃是有无数二氧化硅的列别捷夫认为，玻璃是有无数二氧化硅的“微晶子微晶子”所组成。所谓晶子，不同于一般的微所组成。所谓晶子，不同于一般的微晶，是带有点阵变形的有序区域，它们分散在无晶，是带有点阵变形的有序区域，它们分散在无定型介质中。晶子学说揭示了玻璃结构的微观不定型介质中。晶子学说揭示了玻璃结构

19、的微观不均匀性，并以均匀性，并以“晶子晶子”描述了短程有序性。描述了短程有序性。38网络假说网络假说：以石英玻璃为例，每个硅原子与周围四个氧以石英玻璃为例，每个硅原子与周围四个氧原子形成硅氧四面体原子形成硅氧四面体SiOSiO4 4 ，这些四面体相互之间，这些四面体相互之间通过共有顶角连接，从而构成三维网络。由于网络通过共有顶角连接，从而构成三维网络。由于网络中的四面体排列不规则，故与晶态石英的结构有所中的四面体排列不规则，故与晶态石英的结构有所不同。钠、钾、钙、镁等阳离子无序、均匀地分布不同。钠、钾、钙、镁等阳离子无序、均匀地分布在在不规则的三维网络不规则的三维网络的空隙中。这一理论不能解释

20、的空隙中。这一理论不能解释微观不均匀性和短程有序性。微观不均匀性和短程有序性。 二氧化硅四面体的三维网络结构是决定玻璃性二氧化硅四面体的三维网络结构是决定玻璃性能的基础，阳离子称为网络改性物。能的基础，阳离子称为网络改性物。39：具有具有短程有序、长程无序短程有序、长程无序的特点。的特点。:具有具有各向同性各向同性，杨氏模量、热膨胀系数等性能，在，杨氏模量、热膨胀系数等性能，在纤维的轴向和径向都是相同的。纤维的轴向和径向都是相同的。40（2 2）玻璃纤维的化学组成）玻璃纤维的化学组成：SiOSiO2 2： 硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃主要成份（玻璃的骨架）主要成份（玻璃的骨架）B B2 2OO3 3：

21、 硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃的主要成分；的主要成分；NaNa2 2OO、K K2 2OO： 制造玻璃的助熔剂制造玻璃的助熔剂 降低玻璃熔化温度和玻璃液粘度降低玻璃熔化温度和玻璃液粘度 但也降低强度、电绝缘性但也降低强度、电绝缘性CaOCaO： 加速玻璃熔化，提高玻璃稳定性加速玻璃熔化，提高玻璃稳定性AlAl2 2OO3 3： 提高机械强度、降低热膨胀系数等。提高机械强度、降低热膨胀系数等。41（1 1）外观和相对密度）外观和相对密度 玻璃纤维表面呈玻璃纤维表面呈光滑的圆柱光滑的圆柱，其横断面几乎，其横断面几乎是完整的圆型，这种外观是完整的圆型，这种外观不利于纤维和基体材料不利于纤维和基体材料的黏结的

22、黏结，但却，但却有利于复合材料制备过程中增强体有利于复合材料制备过程中增强体体积含量的提高体积含量的提高。玻璃纤维的直径为。玻璃纤维的直径为1.5 25 1.5 25 微微米，大多数为米，大多数为4 144 14 微米。玻璃纤维的密度为微米。玻璃纤维的密度为2.16 4.302.16 4.30 g/cm g/cm3 3，较有机纤维大很多，但比，较有机纤维大很多，但比一般的金属密度低，跟铝相当。一般的金属密度低，跟铝相当。 42表表3.1 3.1 各种纤维的密度各种纤维的密度纤维种类纤维种类密度密度（g/cm3g/cm3）纤维种类纤维种类密度密度（g/cm3g/cm3）羊毛羊毛1.281.331

23、.281.33尼龙尼龙1.141.14蚕丝蚕丝1.301.451.301.45碳纤维碳纤维1.41.4棉花棉花1.501.601.501.60玻璃纤维玻璃纤维（无碱）（无碱）2.62.72.62.7人造丝人造丝1.501.601.501.60玻璃纤维玻璃纤维（有碱）（有碱）2.42.72.42.743（2 2）力学性能）力学性能： 玻璃纤维具有玻璃纤维具有很高的拉伸强度很高的拉伸强度，较之块体，较之块体玻璃有几十倍的提高，玻璃有几十倍的提高，甚至比高强合金钢还高甚至比高强合金钢还高。 一般地，玻璃纤维含碱量越高，强度越低；一般地，玻璃纤维含碱量越高，强度越低； 在湿气环境中有碱玻璃比无碱玻璃更

24、容易在湿气环境中有碱玻璃比无碱玻璃更容易老化；湿气环境能加剧玻璃纤维的疲劳破坏等。老化；湿气环境能加剧玻璃纤维的疲劳破坏等。 44材料材料纤维直纤维直径（微径（微米）米）拉伸强拉伸强度度（MPaMPa）材料材料纤维直纤维直径（微径（微米）米）拉伸强度拉伸强度（MPaMPa）羊毛羊毛1515100300100300高强合高强合金钢金钢块状块状16001600亚麻亚麻16501650350350铝合金铝合金块状块状4046040460棉花棉花10201020300700300700玻璃玻璃块状块状2012020120尼龙尼龙块状块状300600300600玻璃纤玻璃纤维维5858100030001

25、0003000表表3.2 3.2 几种纤维材料和金属材料的强度几种纤维材料和金属材料的强度45：较低，一般为较低，一般为3%3%（远低于有机纤维远低于有机纤维）直径越小，断裂延伸率越大。直径越小，断裂延伸率越大。：较低（较低（约为钢的约为钢的1/31/3）（只与结构有关）（只与结构有关）弹性模量与纤维直径无关弹性模量与纤维直径无关表表3.3 3.3 几种纤维和金属材料的弹性模量与延伸率几种纤维和金属材料的弹性模量与延伸率材料材料弹性模量弹性模量（GPaGPa）断裂延伸率断裂延伸率（%）材料材料弹性模量弹性模量（GPaGPa）断裂延伸率断裂延伸率（%）羊毛羊毛6 625352535钢钢21021

26、0514514亚麻亚麻305030502323铝合金铝合金4747616616棉花棉花101210127.87.8钛合金钛合金9696812812天然丝天然丝131318241824无碱玻璃无碱玻璃72723.03.0卡普龙纤维卡普龙纤维3 320252025有碱玻璃有碱玻璃66662.72.746（3 3）耐磨性和耐折性）耐磨性和耐折性：纤维抵抗摩擦的能力纤维抵抗摩擦的能力：纤维抗折断的能力纤维抗折断的能力：耐磨性和耐折性比较差耐磨性和耐折性比较差当纤维表面吸附水分后变得更差当纤维表面吸附水分后变得更差表面处理可以适当改善这两个性能表面处理可以适当改善这两个性能0.2%的阳离子表面活性剂处理

27、，耐磨性提高200倍。47（4 4）热性能）热性能：玻璃热导率为玻璃热导率为 0.697 - 1.2780.697 - 1.278 W/m/K W/m/K玻璃纤维玻璃纤维 0.0340.034 W/m/K W/m/K（优良的绝热材料优良的绝热材料）（纤维间空隙较大，（纤维间空隙较大，容积密度小容积密度小，纤维之间是热导率，纤维之间是热导率更小的空气）更小的空气）表表3.4 3.4 几种物质的导热系数几种物质的导热系数物质种类物质种类容积密度容积密度（kg/m3）导热系数导热系数（W/m/K）物质种类物质种类容积密度容积密度（kg/m3）导热系数导热系数（W/m/K）羊毛羊毛800.0340.0

28、46玻璃玻璃21600.7 1.3蚕丝蚕丝1000.0460.052玻璃纤维玻璃纤维800.034亚麻亚麻1300.0460.053空气空气0.0246原棉原棉810.0580.062水水0.6048：钠钙玻璃纤维：钠钙玻璃纤维： 软化温度为软化温度为550 580550 580 C C热膨胀系数为热膨胀系数为4.8 x104.8 x10-6-6/ / C C（470470 C C之前强度变化不大）之前强度变化不大）玻璃纤维热处理：玻璃纤维热处理：有明显的强度降低有明显的强度降低300300 保持保持2424小时室温强度下降小时室温强度下降20%20%，400400 C C后保持后保持2424小时室温强度下降小时室温强度下降50%50%500500 C C后保持后保持2424小时室温强度下降小时室温强度下降70%70%49（5 5）电性能）电性能化学组成：化学组成：碱金属离子越多，电绝缘性能越差；碱金属离子越多，电绝缘性能越差；温温 度：度： 升高则电阻率下降；升高则电阻率下降；空气湿度：空气湿度：增加则电阻率下降。增加则电阻率下降。半半 导导 体：体：加入氧化铁、氧化铅、氧化铜加入氧化铁、氧化铅、氧化铜导导 体：体： 表面涂敷金属