复合材料导论

1复合材料导论授课时间：2014年9月12日2二、复合材料的基体和增强体32.1常用的基体材料2.2常用的增强体材料2.3选用原则主要内容：42.1常用的基体材料复合材料的基体基体相具有支撑和保护增强相的作用，在复合材料承受外加载荷时，基体相主要以剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用。聚合物基体热塑性基体－－线型或支链高分子，可溶可熔如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等热固性基体－－由分子量较小的液态或固态预聚体加热或固化形成的三维网状高分子，不溶不熔如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等聚合物基体按树脂特性及用途分为：

一般用途树脂、耐热性树脂、耐候性树脂、阻燃树脂等。按成型工艺分为：

手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕用树脂、拉挤用树脂等。金属基体金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属合金。

金属与合金的品种繁多，目前用作金属基体材料的主要有铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金、铜及铜合金、镍及镍合金、不锈钢及金属间化合物等。

铝、镁复合材料一般只能用在450℃左右、钛合金基体复合材料可用到650℃、而金属间化合物和镍、铁基耐热合金复合材料可在1200℃使用。

金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。用于金属基复合材料的金属间化合物通常是一些高温合金，如铝化镍，铝化铁、铝化钛等，使用温度可达1600℃。

陶瓷基体

陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量电子。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差得多。虽然陶瓷的许多性能优于金属，但它也存在致命的弱点，即韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。

陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物存在，它们一般应具有优异的耐高温性能，与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体主要包括：玻璃（非晶）

玻璃陶瓷（微晶玻璃）

氧化物陶瓷（A1203，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石(即富铝红柱石，化学式为3A12O3·２SiO2)等）

非氧化物陶瓷(氮化物、碳化物、硼化物和硅化物)13院士谈先进复合材料/v/b/1897411-1275526951.html142.2常用的增强体材料复合材料的增强体在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。

增强材料有时也称作增强体、增强剂等。增强材料共分为三类：①纤维类增强体；②晶须；③颗粒增强体(相)纤维颗粒金属基体增强纤维有机物基体增强纤维陶瓷基体增强纤维碳化物氮化物硼化物氧化物碳纤维，硼纤维，碳化硅纤维，氧化铝纤维，金属丝玻璃纤维，碳纤维,Kevlar纤维碳纤维，碳化硅纤维，氧化铝及其它陶瓷纤维SiC,HfC,WC,MoC,TiC,ThC2,ErC,CrCBN,Si3N4,AlN,ErN,TiN,TaNTiB2,MoB,WB,CrB2,TaB,HfBZrO2,ThO2,Al2O3.,HfO2,CrO2复合材料的增强体纤维类增强体（合成纤维）

纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。

纤维不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。18纤维类增强体的特点：与同质地的块状材料相比，它的强度要高得多，可提高10－60倍。纤维直径越小，强度越高；纤维状材料具有较高的柔曲性。纤维直径越小，柔曲性越好；具有较大的长径比，使其在复合材料中比其他几何形状的增强体更容易发挥固有强度；

复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa，弹性模量可从3000MPa提高到8000MPa，其热变形温度可从85℃提高到105℃，-40℃以下的冲击强度可提高10倍。（一）有机纤维芳纶纤维聚乙烯纤维尼龙纤维（二）无机纤维1、玻璃纤维2、特种玻璃纤维3、碳纤维4、硼纤维5、氧化铝纤维6、碳化硅纤维7、氮化硼纤维8、其他纤维纤维增强复合材料纤维增强复合材料分为以下五种：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。①玻璃纤维

用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料，即玻璃钢

热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料。

热固性玻璃钢热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热固性树脂为粘结剂制成的复合材料。玻璃纤维（GlassFiber,GF）23

玻璃纤维是一大类系列产品的通称。它有各种不同化学成分的商品，一般是以氧化硅为主体(约含50%-60%)，同时含有许多其他的氧化物(例如钙、硼、钠、铝和铁的氧化物)；(a)氧化硅玻璃网络结构；(b)注入氧化钠，钠离子与氧离子以离子键结合，但钠离子与网络不直接相连24

E-玻璃纤维是碱金属氧化物含量在1%以下的钙铝硼硅酸盐玻璃纤维的总称，产量占目前世界连续玻璃纤维总产量的90%以上。具有良好的电绝缘性能，还具有较高的强度和较好的耐环境老化性能。缺点是易被稀无机酸侵蚀；

中碱C玻璃纤维中碱金属氧化物含量在2%-6%，耐酸性好，但电绝缘性差，强度和模量低。原料丰富，成本低，可用于耐酸且对电性能要求不高的复合材料；25

C-玻璃纤维是一种钠硼硅酸盐玻璃纤维，具有较好的耐酸性、耐水性和耐水解性；

S-玻璃纤维属镁铝硅酸盐玻璃纤维，又称高强玻璃纤维。其拉伸强度比无碱E玻璃纤维高约35%，杨氏模量高10%-20%，高温下仍能保持良好的强度和疲劳性能；

M-玻璃纤维是一种氧化铍含量高的高弹性模量玻璃纤维，由它制成的玻璃钢制品有较高的强度和较高的模量，适用于宇航、航空等领域。26

高硅氧玻璃纤维中氧化硅含量在96%以上，耐热性好(约1100℃)，但强度较低(250-300MPa)，热膨胀系数低，化学稳定性好。它是将高钙硼硅酸盐玻璃纤维在酸中溶去金属氧化物，得到氧化硅骨架，再经清洗和热处理制成。

超细玻璃纤维：直径在3.8-4.6微米，柔曲性、耐折性和耐磨性好，用于制作防火衣、宇宙服、帐篷、地毯和飞船内的纺织用品；

中粗纤维：直径在5.3-7.4微米，主要用作绝缘材料、过滤布、层压复合材料用布；

粗纤维：直径在9.2-21.6微米，用于制作无捻粗纱、短切薄毡及片状模压料等预成型料，以及制造玻璃钢管道和容器。27玻璃纤维的模量偏低，使用温度不高，不属于高级复合材料增强体；玻璃纤维占复合材料工业中所使用的增强体的90%以上；玻璃纤维的生产工艺具有典型性，并为若干高级纤维的生产所借鉴或袭用；玻璃纤维可与其他高级纤维混合作用；玻璃纤维的某些品种也可用于高级复合材料，如高硅氧纤维增强酚醛树脂制作导弹大面积防热材料。28

玻璃钢价格十分便宜，而且有多种形式和不同性能的产品。至80年代后期，世界玻璃钢年总产量已达250万吨左右，产品种类超过4万种。应用范围遍及陆上运输、建筑和土木工程、化工防腐、电气/电子、船艇及水上交通、家用和商务设备、文体休闲用品、航天、航空及军用装备等领域。碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高、化学稳定性好的优点。②碳纤维

碳纤维（CarbonFiber）以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。30②碳纤维

碳纤维（CarbonFiber）

在石墨结构中，层面内的碳原子以共价键连接，层与层之间以范德华力连接；使石墨的六角形层平面沿着碳纤维的纤维轴方向择优取向，就会获得高模量的碳纤维。碳纤维复合材料：作基体的树脂，目前应用最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。碳纤维碳复合材料：用有机基体浸渍纤维坯块，固化后再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。碳纤维金属复合材料：主要用熔点较低的金属或合金，如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材料。碳纤维陶瓷复合材料：如我国研制的一种碳纤维石英玻璃复合材料。③硼纤维硼纤维（BoronFiber）硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维。硼纤维具有良好的力学性能、强度高、模量高。硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。硼纤维的缺点：工艺复杂，不易大量生产，价格昂贵；由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。③硼纤维Ａ、硼纤维树脂复合材料：基体主要为环氧树脂、聚苯并咪唑和聚酰亚胺树脂等。Ｂ、硼纤维金属复合材料：常用的基体为铝、镁及其合金，还有钛及其合金等。④金属纤维作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属，如钨、钼、钢、不锈钢、钛、铍等，它们能被基体金属润湿，也能增强陶瓷。Ａ、金属纤维金属复合材料：研究较多的增强剂为钨钼丝，基体为镍合金和钛合金。Ｂ、金属纤维陶瓷复合材料：利用金属纤维的韧性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。⑤氧化铝纤维以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维统称为氧化铝纤维(AluminaFiber,AF或(Al2O3)f)。氧化铝纤维的特点：耐热性好；不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合；表面活性好，不需要进行表面处理，即能与树脂和金属复合；具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性；用氧化铝增强的复合材料具有优良的抗压性能；电气绝缘性、电波透过性好。氧化铝纤维适合于制造既需要轻质高强又需要耐热的结构件。用它制作雷达天线罩，其刚性比玻璃钢高，透电波性能好，耐高温。⑥碳化硅纤维碳化硅纤维（SiliconCarbideFiber）是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维。SiC纤维是高强度、高模量纤维，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。用碳化硅纤维编织成双向和三向织物，巳用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤器等。

碳化硅复合材料已应用于喷气发动机涡轮叶片、飞机螺旋桨等受力部件。在军事上，碳化硅纤维用于大口径军用步枪金属基复合枪筒套管，M--1作战坦克履带、火箭推进剂传送系统，先进战术战斗机的垂直安定面，导弹尾部，火箭发动机外壳，鱼雷壳体等。⑦氮化硼纤维

氮化硼纤维具有优良的机械性能、耐热性能、抗氧化性能、耐腐蚀性能以及独特的电性能等，可用作金属基、陶瓷基、聚合物基复合材料的增强材料.

氮化硼纤维具有优异的电性能，直到2000℃纤维还具有极好的电绝缘性能；氮化硼纤维还具有很低的介电损耗和介电常数，是耐烧蚀天线窗的理想材料。芳纶纤维是指聚芳酰胺纤维。国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国暂命名为芳纶纤维，有时也称有机纤维。⑧芳纶纤维

三种牌号：

芳纶主要用于橡胶增强，制造轮胎、三角皮带、同步带等；

芳纶--29主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和带状物，以及防弹背心等。

芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复合材料制件。芳纶纤维是对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体，经溶解转为液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：沿分子链方向(纤维的轴向)原子通过强共价键结合，分子间以氢键相连。结构规整，结晶度高。纤维呈现各向异性。42

芳纶的密度为1.44g/cm3，比强度高于碳纤维和硼纤维，韧性好、抗冲击性好、加工性好。压缩强度不高，剪切强度不高。

芳纶的优异特性：热稳定、耐火、真空中长期使用温度为160℃，温度低至-60℃也不变脆，玻璃化转变温度为250-400℃，热膨胀系数低，良好的耐化学介质性(但不耐强酸、强碱)，耐疲劳、耐磨、电绝缘、透电磁波。芳纶的不足：耐光性差，暴露于可见光和紫外线时发生光致降解，力学性能下降，颜色发生变化；溶解性差；抗压强度低；吸湿性强，吸湿后纤维性能变化大。由于芳纶纤维具有规整的晶体结构，因此，它具有化学稳定性、高温尺寸稳定性、不发生高温分解以及在很高温度下不致热塑化等特点。以树脂作为基体，芳纶纤维作为增强相所形成的增强塑料，简称KFRP，它在航空航天方面的应用，仅次于碳纤维，成为必不可少的材料。44KEVLAR®具有卓越的抗弹性能，而且被广泛用在那些需要高强度而低重量的地方。如直径更小、强度更高的美国海军舰船停泊时使用的绳索和缆绳，KEVLAR®绳索甚至作为太空探险者着陆系统中安全气囊的控制绳索而登上了火星。高度耐切割的防护手套使锋利的金属和玻璃碎片没有丝毫危险。还有在那些挑战自然并赢得胜利的运动中所使用的高强度低重量的运动器材，如滑雪板、划艇和皮艇等。45

KEVLAR®将潜在的致命打击转化为扩散的能量吸收。

由高强度低重量的KEVLAR®制成的柔软的人体装甲，具有多层织物结构。其具体原理为受力的KEVLAR®纤维将子弹冲击的能量吸收并分散转移到编织物的其它纤维中。这种转移发生在子弹与织物的“交叉点”。织物的其余部分吸收多余的能量，从而减少能量的转移，避免引起“钝伤”。与传统的硬质“盾牌”相比，这些软式装甲其穿着变得更为舒适，活动也更方便。46

波音767飞机每架使用了3吨Kevlar49纤维与石墨纤维混杂的复合材料，使机身减重1吨。与波音727相比，燃料节省30%。787在其主要結构上使用大量的复合材料。（圖片版權所有：波音公司）

47位于西雅圖波音DevelopmentalCenter的第一個

B787复合材料机身。（圖片版權所有：KenDeJarlais）

48利用Nomex、Kevlar结合英特莱高性能耐火纤维复合加工作为各种安全防护产品的基本材料。49振膜采用防弹纤维Kevlar与天然纤维复合制成，具有刚度好、阻尼佳的特点，不仅有效抑制了音盆的分割振动失真，还保有和谐和自然的音色。50

1976年蒙特利尔奥林匹克主体育馆的支撑结构材料和顶棚材料采用了Kevlar49涂层织物和Kevlar49绳。

Kevlar49还用作阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳带、直升飞机吊绳、抛锚绳、潜水装置、海底电视电缆。51

Kevlar49纤维具有低密度、高强度、高模量和低蠕变性的特点，在静负荷及高温条件下仍有优良的尺寸稳定性，特别适合于用作复合材料的增强纤维。由Kevlar纤维增强的复合材料广泛用于航空航天工业，如雷达天线罩、火箭发动机外壳、导弹发射系统及飞机机翼等。俄罗斯米格－29飞机

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Kevlar29纤维的伸长率高，耐冲击优于Kevlar49，可做各种绳索，用于轮胎帘子线，降落伞绳带等，以及用于装甲防护、防弹背心和军用头盔等。在质量轻一半条件下，其防弹能力是钢的5倍。芳纶复合盔

未被击穿的PASGT，弹杭周围的凯夫拉纤维53⑨超高分子量聚乙烯纤维(UHMW-PE)超高分子量聚乙烯纤维是指平均分子量在106以上的聚乙烯纺出的纤维。UHMW-PE纤维具有独特的综合性能，相对密度低、比强度、比模量高；断裂伸长率虽较低，但因强度高而使其断裂功高；还具有耐海水、耐化学试剂、耐磨损、耐紫外线辐射、耐腐蚀、吸湿性低、抗弯曲、耐冲击、自润滑、耐低温、电绝缘等。54

与芳纶相比，UHMW-PE纤维具有良好的柔曲性，即使弯曲打结也不会断裂，弯曲后的拉伸强度和模量几乎不变。不足之处：熔点较低（约150℃），高温(80℃,500MPa)容易蠕变，只能在100℃以下使用。可用于制作武器装甲、防弹背心、航天航空部件等。颗粒类增强体颗粒增强体主要是一些具有高强度、高模量、耐热、耐磨的陶瓷等无机非金属颗粒，主要的有碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。还有一些金属和聚合物颗粒增强体。如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、氟树脂等。

颗粒增强体以很细的粉状（＜50微米）加到基体中，起提高强度、模量、增韧、耐磨、耐热等作用。颗粒增强复合材料的性能是各向同性的。颗粒增强体的成本低，在汽车工业中的应用发展迅速。晶须类增强体

晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，直径0.2－1微米，长度约为几十微米。因其组织结构细小、缺陷少，具有很高的强度和模量。常用的有碳化硅、氧化铝、氮化硅等陶瓷晶须。晶须制造过程较复杂，成本比颗粒高很多。

晶须具有比纤维增强体更优异的高温性能和抗蠕变性能，多数用于增强金属和陶瓷。晶须增强复合材料的性能基本上是各向同性的。金属丝主要有铍丝、不锈钢丝和钨丝等，一般用于金属基复合材料的增强。片状物增强体主要是陶瓷薄片。具有层状结构的SiC/C、ZrO2、Si3N4、Si3N4/BN陶瓷复合材料比常规的陶瓷材料的韧性提高数倍到数十倍。582.3选用原则复合材料的复合原则要想制备一种好的复合材料，首先应根据所要求的性能进行设计，这样才能成功地制备出性能理想的复合材料。复合材料的设计应遵循的原则：1优势（优良特性）互补原则2求异相容原则3性能（用途）先定原则4制备可能性、成本可行性原则在选择材料组元时，首先应明确各组元在使用中所应承担的功能，即必须明确对材料性能的要求。一、材料组元的选择例如，若所设计的复合材料是用作结构件，则复合的目的就是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性等.

增强材料主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量

；

基体材料应起传递载荷及协同的作用，而且要把增强材料粘结在一起。其次，还应考虑组成复合材料的各组元之间的相容性，包括物理、化学、力学等性能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。在任何使用环境中，复合材料的各组元之间的伸长、弯曲、应变等都应协调一致。第三，要考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强材料与基体之间达到比较理想的具有一定结合强度的界面。适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料，以充分发挥其增强作用。若结合强度太低，界面很难传递载荷，影响复合材料的整体强度；但结合强度太高也不利，它