高分子材料、陶瓷

1、一、概念一、概念 塑料塑料 以有机合成树脂为主要组成的高分子以有机合成树脂为主要组成的高分子材料。可在加热、加压条件下塑制成型，故称塑材料。可在加热、加压条件下塑制成型，故称塑料。料。 塑料以有机合成树脂为基础，加入添加剂所塑料以有机合成树脂为基础，加入添加剂所组成。组成。 第五章第五章 高分子材料高分子材料塑料的组成塑料的组成 1、合成树脂 高分子化合物：如酚醛树脂、聚乙烯等，高分子化合物：如酚醛树脂、聚乙烯等，是塑料的主要组成，也起粘接剂作用。是塑料的主要组成，也起粘接剂作用。 2、添加剂 (1) (1) 填料或增强材料填料或增强材料 起增强作用。起增强作用。 (2) (2) 固化剂固化剂

2、 使树脂具有体型结构，成使树脂具有体型结构，成为较坚硬和稳定的塑料制品。为较坚硬和稳定的塑料制品。 (3) (3) 增塑剂增塑剂 提高树脂可塑性和柔性。提高树脂可塑性和柔性。 (4) (4) 稳定剂稳定剂 防止塑料过早老化。防止塑料过早老化。 二、塑料的分类二、塑料的分类 1、按树脂的性质分类 （1 1）热塑性塑料）热塑性塑料 加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却后成型并保持既得形状，该过程可反复进行。后成型并保持既得形状，该过程可反复进行。 如：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰如：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺胺( (尼龙尼龙) )、聚甲醛、聚碳酸脂等。、聚甲

3、醛、聚碳酸脂等。 加工成形简便，具有较高的机械性能，加工成形简便，具有较高的机械性能，但耐热性和刚度较低。但耐热性和刚度较低。 （2 2）热固性塑料）热固性塑料 初加热时软化，可塑造成形，但固化后初加热时软化，可塑造成形，但固化后再加热将不再软化再加热将不再软化, ,也不溶于溶剂。也不溶于溶剂。 如：酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯如：酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯 耐热性高，受压不易变形，有一定强度耐热性高，受压不易变形，有一定强度和刚度，较脆。和刚度，较脆。 2、按使用范围分类 （1 1）通用塑料）通用塑料 应用范围广、生产量大的塑料品种。应用范围广、生产量大的塑料品种。 聚氯乙烯、聚苯乙烯

4、、聚烯烃、酚醛塑料聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料和氨基塑料等，产量约占塑料总产量的四分之和氨基塑料等，产量约占塑料总产量的四分之三以上。三以上。 （2 2）工程塑料）工程塑料 综合工程性能综合工程性能( (机械性能、耐热耐寒性能、机械性能、耐热耐寒性能、耐蚀性和绝缘性能等耐蚀性和绝缘性能等) )良好的各种塑料。良好的各种塑料。 如聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和如聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和ABSABS等。等。 （3 3）耐热塑料）耐热塑料 能在较高温度（能在较高温度（100100200200）工作。）工作。 聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有机硅树聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有机硅树脂、环氧树脂等。脂

5、、环氧树脂等。三、常用的几种塑料三、常用的几种塑料 高压聚乙烯高压聚乙烯 相对分子质量、结晶度和密度较低，质地相对分子质量、结晶度和密度较低，质地柔软。柔软。 制作塑料薄膜、软管和塑料瓶等。制作塑料薄膜、软管和塑料瓶等。 低压聚乙烯低压聚乙烯 质地刚硬，耐磨性、耐质地刚硬，耐磨性、耐蚀性及电绝缘性较好。蚀性及电绝缘性较好。 制造塑料管、板材、承制造塑料管、板材、承载不高的零件，如齿轮、轴载不高的零件，如齿轮、轴承。承。 聚乙烯管聚乙烯管聚乙烯聚乙烯(PE)(PE) 聚丙烯聚丙烯(PP)(PP) 由丙烯单体聚合而成。由丙烯单体聚合而成。 刚性大刚性大, , 强度、硬度和弹性高于聚乙烯。强度、硬度

6、和弹性高于聚乙烯。 密度小，仅为密度小，仅为0.90 g/cm0.90 g/cm3 30.91 g/cm0.91 g/cm3 3, , 常用塑料中最轻常用塑料中最轻。 耐热性良好耐热性良好, , 长期使用温度为长期使用温度为100 100 110 110 。 优良的电绝缘性能和耐蚀性能，在常温优良的电绝缘性能和耐蚀性能，在常温下能耐酸、碱。下能耐酸、碱。 聚丙烯的冲击韧性差，耐低温及抗老化聚丙烯的冲击韧性差，耐低温及抗老化性也差。性也差。 聚丙烯的应用：聚丙烯的应用： 制作某些零部件，如法兰、齿轮、风扇制作某些零部件，如法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、把手及壳体等，还可制作化叶轮、泵叶轮、把手及

7、壳体等，还可制作化工管道、容器、医疗器械等。工管道、容器、医疗器械等。聚丙烯制成电容器外皮聚丙烯制成电容器外皮聚丙烯管子聚丙烯管子 聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)(PVC) 由乙炔和氯化氢合成氯乙烯，再聚合而成。由乙炔和氯化氢合成氯乙烯，再聚合而成。 硬质聚氯乙烯硬质聚氯乙烯具有较高的机械强度和具有较高的机械强度和较好的耐蚀性。较好的耐蚀性。 制作化工、纺织等工业的制作化工、纺织等工业的废气排污排毒塔废气排污排毒塔、气体液体输送管、贮槽、离心泵、通风机和接气体液体输送管、贮槽、离心泵、通风机和接头等。头等。 软质聚氯乙烯软质聚氯乙烯 增塑剂加入增塑剂加入30%30%4040时，时，制得软质聚氯乙烯

8、，伸长率大，制品柔软，具制得软质聚氯乙烯，伸长率大，制品柔软，具有良好的耐蚀性和电绝缘性。有良好的耐蚀性和电绝缘性。 制成制成薄膜薄膜，用于工业包装、农业育秧和日，用于工业包装、农业育秧和日用雨衣、台布等，制作用雨衣、台布等，制作耐酸耐碱软管耐酸耐碱软管、导线绝、导线绝缘层等。缘层等。 聚苯乙烯聚苯乙烯(PS)(PS) 由苯乙烯单体聚合而成。由苯乙烯单体聚合而成。 刚度大、耐蚀性好、电绝缘性好。刚度大、耐蚀性好、电绝缘性好。 缺点是抗冲击性差，易脆裂、耐热性不高。缺点是抗冲击性差，易脆裂、耐热性不高。 应用：应用：制造纺织工业中的纱管、纱绽、线轴；制造纺织工业中的纱管、纱绽、线轴； 电子工业中

9、的仪表零件、设备外壳；电子工业中的仪表零件、设备外壳； 化工中的储槽、管道、弯头；化工中的储槽、管道、弯头； 车辆上的灯罩、透明窗；车辆上的灯罩、透明窗； 电工绝缘材料等。电工绝缘材料等。 ABSABS塑料塑料 ABSABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。元共聚物。 具有具有 硬、韧、刚硬、韧、刚 的特性，综合机械的特性，综合机械性能良好，性能良好， 尺寸稳定，容易电镀和易于成形。尺寸稳定，容易电镀和易于成形。 耐热性耐热性较好，在较好，在-40-40的低温下仍有一的低温下仍有一定的机械强度。定的机械强度。 ABS ABS塑料应用：塑料应用： 制造齿轮

10、、泵叶轮、轴承、把手、管道、制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、储槽内衬、储槽内衬、电机外壳电机外壳、仪表盘、蓄电池槽、仪表盘、蓄电池槽、水水箱外壳箱外壳等。等。 在汽车零件上的应用发展很快，如作在汽车零件上的应用发展很快，如作挡泥挡泥板板、扶手、热空气调节导管、小轿车车身。、扶手、热空气调节导管、小轿车车身。 制作纺织器材、电讯器件。制作纺织器材、电讯器件。摩托车挡泥板摩托车挡泥板 聚酰胺聚酰胺(PA)(PA) 又称又称尼龙尼龙或或锦纶锦纶, , 二元胺与二元酸缩合而二元胺与二元酸缩合而成，或由氨基酸脱水成内酰胺再聚合而得，有成，或由氨基酸脱水成内酰胺再聚合而得，有尼龙尼龙610610、66

11、66、6 6等多个品种。等多个品种。 良好的韧性，强度较高；良好的韧性，强度较高； 具有优异的耐磨性和自润滑性能；具有优异的耐磨性和自润滑性能； 耐蚀性好，如耐蚀性好，如耐水耐水、油、一般溶剂、许、油、一般溶剂、许多化学药剂，抗霉、抗菌，无毒；多化学药剂，抗霉、抗菌，无毒； 成形性能好。成形性能好。 聚酰胺的应用：聚酰胺的应用： 制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、螺钉、螺母等。螺钉、螺母等。 尼龙轴套尼龙轴套 尼龙拉杆尼龙拉杆聚碳酸酯聚碳酸酯(PC)(PC) 聚碳酸酯誉称聚碳酸酯誉称 透明金属透明金属 ， 具有优良的综合性能。冲击韧性和延性具有优良的综合性能。冲击

12、韧性和延性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模量较突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模量较高，不受温度的影响；高，不受温度的影响； 抗蠕变性能好，尺寸稳定性高；抗蠕变性能好，尺寸稳定性高； 透明度高，可染成各种颜色；透明度高，可染成各种颜色； 吸水性小；吸水性小； 绝缘性能优良，在绝缘性能优良，在1010130130间间 介电介电常数和介质损耗近于不变。常数和介质损耗近于不变。 聚碳酸酯的应用：聚碳酸酯的应用： 制造精密齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条等。制造精密齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条等。 电绝缘性能高，制造垫圈、垫片、套管、电绝缘性能高，制造垫圈、垫片、套管、电容器等绝缘件，仪器仪表的外壳、护罩。电容

13、器等绝缘件，仪器仪表的外壳、护罩。光盘光盘 透明性好，制造光盘。透明性好，制造光盘。 在航空及宇航工业中，在航空及宇航工业中，是制造信号灯、挡风玻璃，是制造信号灯、挡风玻璃，座舱罩、帽盔等的重要材座舱罩、帽盔等的重要材料。料。 氟塑料比其它塑料的优越性是：氟塑料比其它塑料的优越性是： 耐高、低温耐高、低温; ; 耐腐蚀耐腐蚀, , 耐老化和电绝缘性能很好耐老化和电绝缘性能很好; ; 吸水性和摩擦系数低。吸水性和摩擦系数低。 聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（F-4F-4）俗称）俗称塑料王塑料王, , 具有非具有非常优良的耐高、低温性能。常优良的耐高、低温性能。 缺点是强度低缺点是强度低, , 冷流性强。

14、冷流性强。氟塑料氟塑料 氟塑料的应用：氟塑料的应用： 制作减摩密封零件。制作减摩密封零件。 化工耐蚀零件与热交换器。化工耐蚀零件与热交换器。 高频或潮湿条件下的绝缘材料。高频或潮湿条件下的绝缘材料。氟塑料制隔膜阀氟塑料制隔膜阀 氟塑料制管道补偿器氟塑料制管道补偿器聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(PMMA) 即即 有机玻璃有机玻璃。 有机玻璃的透明度比无机玻璃还高有机玻璃的透明度比无机玻璃还高, , 透光透光率达率达92%;92%; 密度只有无机玻璃的一半密度只有无机玻璃的一半, , 为为1.18 g/cm1.18 g/cm3 3。 机械性能比普通玻璃高得多机械性能比普通玻璃高得多

15、( (与温度有关与温度有关) )。 制造仪表护罩、外壳、光学元件、透镜等。制造仪表护罩、外壳、光学元件、透镜等。有机玻璃顶棚有机玻璃顶棚酚醛塑料酚醛塑料(PF)(PF) 由酚类和醛类缩聚合成酚醛树脂由酚类和醛类缩聚合成酚醛树脂, ,再加入添再加入添加剂而制得。加剂而制得。一般一般为热固性塑料。为热固性塑料。 具有一定的机械强度和硬度具有一定的机械强度和硬度, , 耐磨性好；耐磨性好； 绝缘性良好绝缘性良好, , 耐热性较高，耐蚀性优良。耐热性较高，耐蚀性优良。 缺点是性脆，不耐碱。缺点是性脆，不耐碱。 酚醛塑料的应用：酚醛塑料的应用： 制作制作插头、开关插头、开关、电话机、仪表盒、电话机、仪表

16、盒 汽车刹车片、内燃机曲轴汽车刹车片、内燃机曲轴皮带轮皮带轮 纺织机和仪表中的纺织机和仪表中的无声齿轮无声齿轮 化工用耐酸泵、日常用具化工用耐酸泵、日常用具酚醛塑料制品酚醛塑料制品环氧塑料环氧塑料(EP)(EP) 环氧树脂加入固化剂后形成的热固性塑料。环氧树脂加入固化剂后形成的热固性塑料。 强度较高，韧性较好；强度较高，韧性较好； 尺寸稳定性高和耐久性好；尺寸稳定性高和耐久性好； 具有优良的绝缘性能；耐热、耐寒；具有优良的绝缘性能；耐热、耐寒； 化学稳定性很高；化学稳定性很高； 成形工艺性能好；成形工艺性能好； 胶粘能力强胶粘能力强，对各种材料都有很好的胶，对各种材料都有很好的胶粘能力。粘能力

17、。 环氧塑料的应用：环氧塑料的应用： 用于制作塑料模具、印刷线路板，灌封用于制作塑料模具、印刷线路板，灌封电器元件，配制飞机漆、油船漆、罐头涂料、电器元件，配制飞机漆、油船漆、罐头涂料、胶粘剂。胶粘剂。 环氧塑料导弹涂料环氧塑料导弹涂料 环氧塑料地面环氧塑料地面第六章第六章 陶瓷材料陶瓷材料(1)刚度刚度 陶瓷刚度（陶瓷刚度（由弹性模量衡量由弹性模量衡量）各类材料中最高，因为陶瓷具有）各类材料中最高，因为陶瓷具有很强的化学键（很强的化学键（离子键离子键和共价键）。和共价键）。各种常见材料的弹性模量和硬度各种常见材料的弹性模量和硬度 材料材料 弹性模量弹性模量/MPa 硬度硬度/HV 橡胶橡胶

18、6.9 很低很低 塑料塑料 1380 17 铝合金铝合金 72300 170 钢钢 207000 300800 陶瓷陶瓷 70000500000 3000 气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。 陶瓷材料压缩状态的弹性模量一般大于拉伸状态的弹性模量。陶瓷材料压缩状态的弹性模量一般大于拉伸状态的弹性模量。(2)硬度硬度 陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。 陶瓷硬度为陶瓷硬度为1000HV5000HV, 淬火钢为淬火钢为500HV800HV, 高聚物高聚物最硬不超过最硬不超过20HV。陶瓷的硬度

19、随温度的升高而降低。陶瓷的硬度随温度的升高而降低, 但在高温下仍但在高温下仍有较高的数值。有较高的数值。 (3)强度强度 晶界使陶瓷实际强晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多度比理论值低得多（1/10001/10001/1001/100）。）。 晶界上有晶粒间的局晶界上有晶粒间的局部分离或空隙；晶界部分离或空隙；晶界上原子间键被拉长上原子间键被拉长, 键强度被削弱；键强度被削弱； 致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度。实际强度。 刚玉（刚玉（Al2O3）陶瓷块抗拉强度）陶瓷块抗拉强度280MPa，刚玉陶瓷纤维（缺陷少），刚玉陶瓷纤维（缺陷少），抗拉强度为抗拉强度

20、为2100MPa，提高，提高12个数量个数量级。级。陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度很高。很高。(4)塑性塑性 陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷在室温下几乎没有塑性。 陶瓷材料的结合键是共价键和离子键，共价键有陶瓷材料的结合键是共价键和离子键，共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥力很大，所以陶瓷材料滑移系很少，位错运动所斥力很大，所以陶瓷材料滑移系很少，位错运动所需切应力很大，一般在产生滑移之前就发生断裂。需切应力很大，一般在产生滑移之前就

21、发生断裂。 在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现出一定的塑性也表现出一定的塑性。 此时陶瓷材料的塑性变形主要以蠕变的形式发生。此时陶瓷材料的塑性变形主要以蠕变的形式发生。（蠕变：当材料承受恒定载荷或恒定应力时，经过一（蠕变：当材料承受恒定载荷或恒定应力时，经过一段时间后，可能产生一定的塑性流变，这种与时间段时间后，可能产生一定的塑性流变，这种与时间有关的应变称为蠕变。）有关的应变称为蠕变。） (5)韧性韧性 非常典型的脆性材料非常典型的脆性材料：冲击韧性：冲击韧性10kJ/m2以下以下, 断裂韧性值很低。断裂韧性值很低。 对表面状态

22、特别敏感对表面状态特别敏感：由于表面划伤、：由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很易产生化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很易产生细微裂纹。受载时，裂纹尖端产生很高细微裂纹。受载时，裂纹尖端产生很高的应力集中，由于不能由塑性变形使高的应力集中，由于不能由塑性变形使高的应力松弛，所以裂纹很快扩展，表现的应力松弛，所以裂纹很快扩展，表现出很高的脆性。出很高的脆性。 改善陶瓷韧性的方法改善陶瓷韧性的方法：预防陶瓷中特：预防陶瓷中特别是表面上产生缺陷；在陶瓷表面形成别是表面上产生缺陷；在陶瓷表面形成压应力（如加预压应力可做成压应力（如加预压应力可做成不碎不碎陶陶瓷）；消除陶瓷表面的微裂纹。瓷）；消除陶瓷表

23、面的微裂纹。 陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点： 具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度急变抗力很低，力，但脆性很高，温度急变抗力很低， 抗抗拉、抗弯性能差。拉、抗弯性能差。 第七章第七章 复合材料复合材料 随着现代航空、航天、机械、电子、化工、通讯、国防等工随着现代航空、航天、机械、电子、化工、通讯、国防等工业的发展，对材料提出了高比强度、高比模量、耐高温、耐业的发展，对材料提出了高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀等多种性能要求。对单一的金属、陶瓷、高分子材料来腐

24、蚀等多种性能要求。对单一的金属、陶瓷、高分子材料来说是无法满足的，若采用复合技术，把一些具有不同性能的说是无法满足的，若采用复合技术，把一些具有不同性能的材料复合起来，取长补短，就能实现这些性能要求。材料复合起来，取长补短，就能实现这些性能要求。 复合材料复合材料是由两种或两是由两种或两种以上物理和化学性质种以上物理和化学性质不同的物质结合起来而不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材得到的一种多相固体材料。料。 复合材料船体 复合材料是多相体系，主要包括复合材料是多相体系，主要包括基体相基体相和和增强相增强相。 基体相基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固是一种连续相，它把改善性能的

25、增强相材料固此外此外基体相基体相和和增强相之间的界面特性，对复增强相之间的界面特性，对复合材料的性能也有很大影响合材料的性能也有很大影响 结成一体，并起传递应力的作用。 增强相是一种分散相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。 第一节第一节 概述概述 一、复合材料的分类：一、复合材料的分类： 1、按基体材料分类、按基体材料分类，可分为：，可分为： 聚合物基聚合物基（树脂基，如塑料基、橡胶基）（树脂基，如塑料基、橡胶基） 陶瓷基陶瓷基 金属基金属基（如铝基、铜基、钛基）复合材料（如铝基、铜基、钛基）复合材料 2、按增强相形状分类可分为、按增强相形状分类可分为： 纤维增强复合

26、材料纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 叠层复合材料叠层复合材料 SiC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型 3、按复合材料的性能分类：、按复合材料的性能分类： 结构复合材料结构复合材料：聚合物基、陶瓷基、聚合物基、陶瓷基、 金属基金属基等复合材料都属于结构复合材料。等复合材料都属于结构复合材料。 功能复合材料功能复合材料：具有独特的物理性质，有阻尼：具有独特的物理性质，有阻尼吸声、导电导磁、屏蔽功能复合材料等吸声、导电导磁、屏蔽功能复合材料等 二、复合材料中的增强材料二、复合材料中的增强材料 1、颗粒增强材料、颗粒增强材料： 颗粒增强材料主要是各种颗粒增强材料主要是各

27、种陶瓷材料颗粒陶瓷材料颗粒，如：，如：Al2O3、 SiC、WC、TiC、石墨等。、石墨等。 2、纤维增强材料、纤维增强材料： 常用的纤维增强材料常用的纤维增强材料有：玻璃纤维、碳（石有：玻璃纤维、碳（石墨）纤维、硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、墨）纤维、硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、石棉纤维、氧化铝纤维、晶须等。石棉纤维、氧化铝纤维、晶须等。玻璃纤维由熔融的玻璃经拉丝而成，可制成连续纤维和短纤维。由熔融的玻璃经拉丝而成，可制成连续纤维和短纤维。优点优点：玻璃纤维具有：玻璃纤维具有不吸水、不燃烧、尺寸稳定不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔隔热、吸声热、吸声、绝缘、能透过电磁波等特性，具有良好的、绝缘、

28、能透过电磁波等特性，具有良好的耐腐蚀性，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂耐腐蚀性，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性。有良好的化学稳定性。缺点缺点：脆性大，耐磨性差：脆性大，耐磨性差由于其制取方便，价格便宜，是应用最多的增强纤维由于其制取方便，价格便宜，是应用最多的增强纤维（1）玻璃纤维）玻璃纤维碳纤维碳纤维是将有机纤维（如聚丙烯腈纤维、沥青纤维、棉纤维等）在是将有机纤维（如聚丙烯腈纤维、沥青纤维、棉纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成的纤维。惰性气氛中经高温碳化而制成的纤维。经石墨化处理的碳纤维又称为经石墨化处理的碳纤维又称为石墨纤维石墨纤维。优点优点：碳纤维的：碳纤

29、维的比强度、比模量高比强度、比模量高，在无氧的条件下、，在无氧的条件下、25000C弹性弹性模量也不降低。它的模量也不降低。它的耐热性、耐寒性好，热膨胀系数小、热导率高，耐热性、耐寒性好，热膨胀系数小、热导率高，导电性好导电性好。石墨纤维的耐热性、导电性比碳纤维高，而且还有自润。石墨纤维的耐热性、导电性比碳纤维高，而且还有自润滑性。碳纤维的化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙滑性。碳纤维的化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质的侵蚀。酮等介质的侵蚀。缺点缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。：脆性大，易氧化，与基体结合力差。碳纤维（2）碳纤维）碳纤维（3）硼纤维：）硼纤维

30、：硼纤维是用三氯化硼和氢气混合气在高温下将硼沉积到钨丝和碳丝上制硼纤维是用三氯化硼和氢气混合气在高温下将硼沉积到钨丝和碳丝上制得的一种复合纤维。得的一种复合纤维。优点优点：硼纤维具有：硼纤维具有高强度、高弹性模量、高耐热性高强度、高弹性模量、高耐热性，在无氧条件下，在无氧条件下10000C弹性模量也不降低，还具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性。弹性模量也不降低，还具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性。缺点缺点：直径较粗，伸长率低，生产工艺复杂，成本高。：直径较粗，伸长率低，生产工艺复杂，成本高。 （4）芳纶纤维）芳纶纤维： 特点特点：比强度、比模量高，韧：比强度、比模量高，韧性好，具有良好的抗疲劳性、性好，

31、具有良好的抗疲劳性、耐腐蚀性、绝缘性和加工性，耐腐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。且价格便宜。 （5）碳化硅纤维）碳化硅纤维： 它是以钨丝或碳纤维作纤芯，它是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，烧结制得。聚碳硅烷纺纱，烧结制得。 特点特点：突出的优点是具有优良：突出的优点是具有优良的高温强度，主要用于增强金的高温强度，主要用于增强金属和陶瓷。属和陶瓷。SiC纤维 （6）石棉纤维）石棉纤维： 石棉纤维是天然多晶质无机矿物纤维，石棉纤维是天然多晶质无机矿物纤维，主要有温石棉、青石棉和铁石棉。以温主要有温石棉、青石棉和铁石棉。以温石棉用量最大。石

32、棉用量最大。 优点优点：石棉具有耐酸、耐热、保温、不：石棉具有耐酸、耐热、保温、不导电等特性。导电等特性。 缺点缺点：石棉应用的主要问题是粉尘大、：石棉应用的主要问题是粉尘大、对人体有害。对人体有害。 （7）氧化铝纤维）氧化铝纤维： 氧化铝纤维是用有机物烧成法制成。氧化铝纤维是用有机物烧成法制成。 它与金属基复合的材料可用常规金属加它与金属基复合的材料可用常规金属加工方法制备。工方法制备。 （8）晶须）晶须： 晶须晶须是直径小于是直径小于30 m，长度只有几毫，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形米的针状单晶体，断面呈多角形, 是一是一种高强度材料。种高强度材料。 晶须包括晶须包括金属晶须

33、金属晶须和和陶瓷晶须陶瓷晶须 金属晶须金属晶须中可批量生产的是铁晶须，中可批量生产的是铁晶须，其最大特点是可在磁场中取向，可以其最大特点是可在磁场中取向，可以很容易地制取定向纤维增强复合材料很容易地制取定向纤维增强复合材料。 陶瓷晶须中陶瓷晶须中常用的有碳化硅晶须、氧常用的有碳化硅晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须等，化铝晶须、氮化硅晶须等，工业生产工业生产的陶瓷晶须主要是的陶瓷晶须主要是SiC晶须晶须。具有很高具有很高的强度（高于的强度（高于金属晶须金属晶须）相对密度低，）相对密度低，弹性模量高，耐热性好。弹性模量高，耐热性好。 晶须但由于价格昂贵，使用受到限制。晶须但由于价格昂贵，使用受到限制。

34、SiC晶须ZnO晶须第二节第二节 复合材料的性能复合材料的性能 复合材料的性能主要取决于复合材料的性能主要取决于基体相基体相和和增强相的增强相的性能、两相的比例、两相间界面的性质和增强性能、两相的比例、两相间界面的性质和增强相的几何特征。相的几何特征。 复合材料既保持了组成材料各自的最佳特性，复合材料既保持了组成材料各自的最佳特性，又有单一材料无法比拟的综合性能。又有单一材料无法比拟的综合性能。 一、复合材料的性能一、复合材料的性能 1、比强度和比模量、比强度和比模量 强度和弹性模量与密度的比值分别强度和弹性模量与密度的比值分别称为比强度和比模量。称为比强度和比模量。 在同样强度条件下，比强度

35、越高的在同样强度条件下，比强度越高的材料，零部件的质量越轻；材料，零部件的质量越轻； 在同样模量条件下，比模量越高的在同样模量条件下，比模量越高的材料，零部件的刚度越大。材料，零部件的刚度越大。 其中纤维增强复合材料的最高。其中纤维增强复合材料的最高。 比强度比较碳纤维树脂硼纤维树脂玻璃纤维树脂钛钢铝类类别别材料材料性能性能密度密度g.cm-3抗拉强度抗拉强度MPaMPa弹性模量弹性模量GPa比强度比强度105N.m.kg-1比模量比模量106N.m.kg-1金金属属材材料料钢钢7.810202101.3427铝合金铝合金2.8470751.7426.8钛合金钛合金4.510001102.22

36、24.4复复合合材材料料碳纤维碳纤维/环氧树环氧树脂脂1.45150014010.3497碳化硅纤维碳化硅纤维/环环氧树脂氧树脂2.210901024.9646.4硼纤维硼纤维/环氧树环氧树脂脂2.113442066.498硼纤维硼纤维/铝铝2.6510002003.7875玻璃钢玻璃钢2.01040405.2202、抗疲劳性、抗疲劳性： 对于纤维增强复合材料，由于纤维自身疲劳抗力很高、对于纤维增强复合材料，由于纤维自身疲劳抗力很高、基体材料的塑性较好，因此，具有较小的缺口敏感性，难以基体材料的塑性较好，因此，具有较小的缺口敏感性，难以萌发微裂纹，其纤维和基体间的界面能钝化裂纹尖端、有效萌发微

37、裂纹，其纤维和基体间的界面能钝化裂纹尖端、有效的阻止疲劳裂纹的扩展，因此的阻止疲劳裂纹的扩展，因此有较高的疲劳极限有较高的疲劳极限。 纤维增强复合材料有大量独立纤维，受载后如有少数纤纤维增强复合材料有大量独立纤维，受载后如有少数纤维断裂，载荷会迅速分配到其它纤维上，不会产生突然破坏，维断裂，载荷会迅速分配到其它纤维上，不会产生突然破坏，断裂安全性好断裂安全性好。 碳纤维增强材料碳纤维增强材料 -1可达可达 b的的7080%。 （一般钢材的疲劳极限不超过（一般钢材的疲劳极限不超过40%） 3、减振性能、减振性能 许多机器设备的振动问题十分突出，结构的许多机器设备的振动问题十分突出，结构的自振频率

38、自振频率除与结除与结构本身的质量、形状有关外，还与材料构本身的质量、形状有关外，还与材料比弹性模量比弹性模量的平方的平方 根根成正比，复合材料的比弹性模量高，因此其自振频率也高，成正比，复合材料的比弹性模量高，因此其自振频率也高，在一般服役条件下不易发生共振。在一般服役条件下不易发生共振。 又由于又由于复合材料的界面（复合材料的界面（纤维与基体的界面）是纤维与基体的界面）是非均质多相非均质多相体系体系，对振动有较好的吸收作用，所以材料的阻尼特性好。，对振动有较好的吸收作用，所以材料的阻尼特性好。 因此，复合材料具有良好的减振性能。因此，复合材料具有良好的减振性能。 例如例如:用尺寸、形状相同而

39、材料不同的梁进行振动试验时，金用尺寸、形状相同而材料不同的梁进行振动试验时，金属材料制作的梁停止振动的时间为属材料制作的梁停止振动的时间为9秒，而碳纤维增强复合秒，而碳纤维增强复合材料制作的梁只需材料制作的梁只需2.5秒秒 4、高温性能、高温性能 ： 与基体材料相比，纤维增强复合材料的与基体材料相比，纤维增强复合材料的高温性能高温性能 好。好。 大多数纤维增强体具有很高的熔点和较高的高温大多数纤维增强体具有很高的熔点和较高的高温强度、高温弹性模量和抗蠕变性能，能显著改变复合强度、高温弹性模量和抗蠕变性能，能显著改变复合材料的高温性能材料的高温性能 。 如如：玻璃纤维增强耐热酚醛树脂玻璃纤维增强

40、耐热酚醛树脂可工作到可工作到2003000C。 硼纤维硼纤维或或碳化硅纤维增强铝基复合材料碳化硅纤维增强铝基复合材料在在4000C时仍具有与室温时相差不大的强度和弹性模量，而此时仍具有与室温时相差不大的强度和弹性模量，而此时时铝合金铝合金的弹性模量几乎为零，强度也从室温的的弹性模量几乎为零，强度也从室温的500N/mm2降到约降到约50N/mm2一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料 1.玻璃纤维增强塑料 2.碳纤维增强塑料 3.硼纤维增强塑料 4.芳纶纤维增强塑料 5.石棉纤维增强塑料 6.碳化硅增强塑料 7.橡胶基复合材料第三节第三节 常用复合材料常用复合材料 1.玻璃纤维增强塑料 俗称玻璃

41、钢，根据树脂的性质可分为热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢。热固性玻璃钢中玻璃纤维的体积分数为60%70%，常用基体树脂有环氧、酚醛、聚酯和有机硅等。其优点是密度小、强度高、耐腐蚀性好、绝缘性好、易于加工成型等。其缺点是弹性模量低（只有结构钢的1/51/10），刚性差。热塑性玻璃钢中玻璃纤维的体积分数为 20%40%，常用基体树脂有尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。其强度低于热固性玻璃钢，但具有较高韧性、良好的低温性能及低热膨胀系数。 玻璃钢主要用于制造要求自重轻的受力构件和要求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。 航天工业:雷达罩、飞机螺旋桨、直升飞机机身、发动机叶轮、火箭导弹发动机壳体和燃料箱等；车辆工

42、业:汽车、机车、拖拉机的车身、发动机机罩、仪表盘等； 电机电器工业:重型发电机护环、大型变压器线圈筒以及各种绝缘零件、各种电器外壳等； 石油化工工业:代替不锈钢制作耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。 玻璃纤维增强尼龙可代替有色金属制造轴承、齿轮等精密零件。飞机雷达罩玻璃钢水箱玻璃钢压力容器 2.碳纤维增强塑料 基体材料主要有环氧、聚酯、聚酰亚胺树脂等，也新开发了许多热塑性树脂。碳纤维增强塑料具有低密度、高比强度和比模量，还具有优良的抗疲劳性能、减摩耐磨性、耐蚀性和耐热性；。 缺点：但碳纤维与基体结合力低，垂直于纤维方向的强度和刚度低 应用：性能优于玻璃钢，主要用于航空航天工业中飞机机身、机翼、螺

43、旋桨、卫星壳体等碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件航空发动机高温构件 3.硼纤维增强塑料 基体材料主要有环氧、聚酰亚胺树脂等。具有高的抗拉强度、比强度和比模量，良好的耐热性； 缺点：各向异性明显，纵向与横向力学性能相差很大，难于加工，成本昂贵。 应用：航空航天工业中要求高刚度的结构件，如飞机机身、机翼等。4.芳纶纤维增强塑料基体材料主要有环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯树脂等。常用的是芳纶纤维/环氧树脂复合材料，它具有较高的抗拉强度，较大的伸长率，高的比模量，具有优良的疲劳抗力和减振性，其耐冲击性超过碳纤维增强塑料，疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金。但抗压强度和层

44、间抗剪强度较低。主要用于飞机机身、机翼、发动机整流罩、火箭发动机外壳、防腐蚀容器、轻型船艇、运动器械等。芳纶刹车片芳纶刹车片 5.石棉纤维增强塑料 基体材料主要有酚醛、尼龙、聚丙烯树脂等。具有良好的化学稳定性和电绝缘性能。 主要用于汽车制动件、阀门、导管、密封件、化工耐腐蚀件、隔热件、电绝缘件、导弹火箭耐热件等。 6.碳化硅增强塑料 碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料，具有高的比强度和比模量。 主要用于宇航器上的结构件，还可用于制作飞机机翼、门、降落传动装置箱等。 7.橡胶基复合材料 包括纤维增强橡胶和粒子增强橡胶。 （1）纤维增强橡胶 常用增强纤维有天然纤维、人造纤维、合成纤维、玻璃纤维、金

45、属丝等。纤维增强橡胶制品主要有轮胎、皮带、橡胶管、橡胶布等。这些制品除了要具有轻质高强的性能外，还必须具有柔软性和较高的弹性。纤维增强橡胶的制备过程与一般橡胶制品的制备过程相近。 （2）粒子增强橡胶 橡胶中所使用的补强剂，如二氧化硅、氧化锌、活性碳酸钙等粒子，使橡胶的强度、韧性、撕裂强度和耐磨性都显著提高。二、金属基复合材料二、金属基复合材料1.纤维增强铝（或铝合金）基复合材料2.纤维增强钛合金基复合材料3.纤维增强镁（或镁合金）基复合材料4.碳（石墨）纤维增强铜（或铜合金）基复合材料5.纤维增强高温合金基复合材料6.纯颗粒增强金属基复合材料 与树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有强度与弹性

46、模量高，耐磨性好，冲击韧度高，耐热性、导热性、导电性好，不易燃、不吸潮，尺寸稳定，不老化等优点。但存在密度较大，成本较高，部分材料工艺复杂的缺点。1.纤维增强铝（或铝合金）基复合材料 （1）硼纤维增强铝基复合材料 这类材料是研究最成功、应用最广泛的复合材料。其基体材料有纯铝、变形铝合金、铸造铝合金等，视制造方法而定。它具有很高的比强度、比模量，优异的疲劳性能，良好的耐腐蚀性能，其比强度高于钛合金。主要用于航天飞机蒙皮、大型壁板、长梁、加强肋、航空发动机叶片、导弹构件等。 （2）碳纤维增强铝基复合材料 由碳（石墨）纤维与纯铝、变形铝合金、铸造铝合金组成。这种复合材料具有高比强度、高比模量、高温强

47、度好，减摩性和导电性好等优点。缺点是复合工艺较困难，易产生电化学腐蚀。主要用于制造航空航天器天线、支架、油箱，飞机蒙皮、螺旋桨、涡轮发动机的压气机叶片、蓄电池极板等，也可用于制造汽车发动机零件（如活塞、气缸头）和滑动轴承等。 （3）碳化硅纤维、晶须增强铝基复合材料 SiC/Al复合材料具有高的比强度、比模量和高硬度，用于制造飞机机身结构件、导弹构件及汽车发动机的活塞、连杆等零件。 SiCw/Al复合材料具有良好的综合性能，易于二次加工，用于航天航空用结构件。 （4）氧化铝纤维、晶须增强铝基复合材料 主要用于制造汽车发动机活塞等。2.纤维增强钛合金基复合材料 增强纤维主要有碳化硅纤维与硼纤维，基

48、体材料主要为Ti6Al4V钛合金，具有低密度、高强度、高模量、高耐热性、低热膨胀系数等优点，适用于制造高强度、高刚度的航天航空用结构件。3.纤维增强镁（或镁合金）基复合材料 具有高的比强度、比模量，低的热膨胀系数，尺寸稳定性好。适用于制造航空航天器中尺寸要求严格的零件。4.碳（石墨）纤维增强铜（铜合金）基复合材料 除具有一定的强度、刚度外，还具有导电与导热性好、热膨胀系数小、摩擦系数与磨损率低等许多优异的性能。主要作为功能材料使用，如制造电动机的电刷、大功率半导体中的硅片电极托板、集成电路的散热板。还可用于制造滑动轴承、机车滑块等。自润滑关节轴承自润滑关节轴承5.纤维增强高温合金基复合材料 具

49、有较高的强度、抗蠕变性、抗冲击性及耐热疲劳性。研究较多的有钨丝增强镍基复合材料、碳化硅增强金属间化合物（如Ti3Al、Ni3Al）基复合材料。6、颗粒增强金属基复合材料 （1）碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al） 这是一种性能优异的复合材料，其比强度与钛合金相近，比模量略高于钛合金，还具有良好的耐磨性。可用来制造汽车零部件，如发动机缸套、衬套、活塞、活塞环、连杆、刹车片驱动轴等；可用于制造航空航天用结构件，如卫星支架、结构连接件等；还可用来制造火箭、导弹构件等。 （2）弥散强化铜基复合材料 具有良好的高温强度和导电性。主要用于高温导电、导热体，如高功率电子管的电极，焊接机的电极，白炽灯引线，微波管等。 纤维、须晶补强增韧陶瓷基复合材料 颗粒补强增韧陶瓷基复合材料 须晶与颗粒复合补强增韧陶瓷材料三、陶瓷基复合材料 陶瓷具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、高抗压强度、高弹性模量等优点，但脆性大、抗弯强度低。用纤维、须晶、颗粒与陶瓷制成复合材料，可提高其强韧性。1、纤维、须晶补强增韧陶瓷基复合材料 纤维主要有碳纤维、氧化铝纤维、碳