复合材料-课件1

复合材料（1）王贤保教授课题组网站：/wxbketizuEmail:

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2011年春季2021/10/10星期日1课程介绍一、该课程的性质和任务：

专业指选课。介绍材料领域国际前沿的研究进展，系统地讲授复合材料的基础理论和发展概况，展示21世纪复合材料领域的新概念、新理论、新技术和正在开拓中的研究领域；本课程主要介绍新型复合材料，阐述复合材料新的设计、制备方法和复合技术。

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通过本课程的学习，使学生了解复合材料的发展趋势和技术前沿，掌握现代先进复合材料的种类、制备技术及各种加工工艺，为发展新型复合材料及其制备技术，解决复合材料加工过程中的技术问题开拓新思路，奠定基础。二、本课程的基本要求：2021/10/10星期日3四、参考教材：《复合材料》吴人洁主编，天津大学出版社，2000。《现代复合材料》陈华辉等

编著，中国物资出版社，1998《聚合物基复合材料及工艺》，王汝敏，郑水蓉，郑亚萍编著，科学出版社，2004。《先进复合材料》，鲁云等主编，机械工业出版社，2004

《复合材料科学与工程》倪礼忠等编著，科学出版社，2002。三、考核方法课堂出勤率20％，读书学习报告20％，期末考试60％2021/10/10星期日4第一章复合材料的发展概况及趋势第二章复合材料的增强体第三章聚合物基复合材料第四章金属基复合材料第五章陶瓷基复合材料第六章仿生复合材料第七章纳米复合材料第八章材料复合新技术第九章复合材料的界面及优化设计第十章复合材料的可靠性与无损评价第十一章复合材料与环境主要教学内容2021/10/10星期日5§1-1新材料发展的若干技术前沿先进复合材料：复合材料按用途主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料和发展多功能、机敏、智然复合材料等领域。“环球飞行者(GlobalFlyer)”

飞机的结构件采用了环氧碳纤维材料，其中飞机的狭长机翼采用了最硬的碳纤维，而表层是由环氧碳纤维和芳纶蜂窝组成的三明治结构。该飞机的环氧碳纤维是由英国AdvancedComposite公司专门为此设计的LTM45系列预浸布，具有低温固化，无需进入高压罐固化的特性。

第一章复合材料的发展概况及趋势2021/10/10星期日6“哥伦比亚”穿越大气层解体时的图像“哥伦比亚”航天飞机起飞时隔热片曾被撞击2021/10/10星期日7新型金属材料：交通运输用轻质高强材料，能源动力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术。金属玻璃(MetallicGlasses)终结者金属玻璃比钢强度高3倍，弹性大10倍。2021/10/10星期日8先进陶瓷材料先进陶瓷材料是指采用精制的高纯、超细的无机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的材料。制造的产品可以分别具有压电、铁电、导电、半导体、磁性等或具有高强、高韧，高硬、耐磨。耐腐蚀、耐高温、高热导、绝热或良好生物相容性等优异性能。PTC陶瓷与压电陶瓷元件高性能低温烧结陶瓷电容器

研究热点包括陶瓷材料的强韧化技术、纳米陶瓷材料的制备合成技术、先进结构陶瓷材料体系的设计以及电子陶瓷材料的高匀、超细技术。

2021/10/10星期日9研究前沿：信息功能陶瓷的新制备技术和多功能化及系统集成技术，高性能陶瓷薄膜、异质薄膜的制备、集成与微加工技术，结构陶瓷以及复合材料的补强、韧化技术，先进陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制备技术。耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料西北工业大学张立同院士此项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是国际上公认的反映一个国家先进航空航天器制造能力的新型热结构材料，这也使我国成为继法国和美国之后第三个掌握此技术的国家。2021/10/10星期日10新型功能材料研究热点包括：纳米功能材料、纳米晶稀土永磁和稀土储氢合金材料、大块非晶材料、高温超导材料、磁性形状记忆合金材料、磁性高分子材料、金刚石薄膜的制备技术等。20/28-碳的碳笼结构具有金刚石一样的硬度2021/10/10星期日11稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素，简称稀土。稀土金属2021/10/10星期日12稀土提纯样品

“中东有石油，中国有稀土”。稀土曾是让国人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开采出来的稀土资源降到“白菜价”。

2021/10/10星期日13AIM-9“响尾蛇”系列导弹的红外引导头关键部分使用锑化铟材料制造稀土是制造“灵巧炸弹”精密制导武器、雷达夜视镜等武器装备不可缺少的元素2021/10/10星期日14美国宙斯盾系统雷达使用由中国稀土所制磁铁

美国武器制造方面对稀土依赖程度非常高2021/10/10星期日15国际稀土之争白热化日欧美结盟施压中国;稀土开发伴随环境污染,中国基于环保节约等考虑实施稀土管制中国打响“稀土保卫战”设立国家级“特区”,我国首设稀土矿国家规划区矿区划定江西赣州;商务部降低2011年首批稀土配额11.4%,部分企业的出口配额甚至减少了三成;国务院关税税则委员会关于2011年关税实施方案的通知》（金属钕的出口关税税率由15%提高至25%2021/10/10星期日16纳米材料：主要是纳米材料制备与应用关键技术，固态量子器件制备及纳米加工与组装技术。

Spaceelevator2021/10/10星期日17CarbonNanotubes2021/10/10星期日18神奇玻璃能自洁超薄二氧化钛镀膜(40nm)能够分解有机污垢TiO2,光触媒，在受到大于二氧化钛能隙宽度的光线照射时（例如紫外光），内部电子会被激发，与空气的氧气和水分子发生作用，产生负氧离子和氢氧自由基。

透明度，价格2021/10/10星期日19防皮肤癌的化妆品奥克斯尼卡公司几个月前推出一款产品，因为它含有钛氧化物纳米粒子，可以在长达8小时的时间内有效地抵挡UVA和UVB2021/10/10星期日20干净新鲜的衣物美国NanoHorizons公司，SmartSilver抵抗微生物和细菌侵蚀防菌绷带自动清洁和消毒的洗衣机、电冰箱和空调2021/10/10星期日212021/10/10星期日22纳米材料的奇特用途能看电影的衣服－OLED定点杀死癌细胞的纳米药物轻巧结实的材料不会被刮花的汽车－纳米瓷透明涂料（奔驰汽车）2021/10/10星期日23新能源材料

硅太阳能电池微型燃料电池模型新能源和再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的技术领域之一，新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。新能源材料主要包括镍氢电池材料、锂离子电池材料、太阳能电池材料以及反应堆核能材料等。当前的研究热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物电池材料、中温固体氧化物燃料电池电解质材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。2021/10/10星期日24生态环境材料（Ecomaterials）特点：消耗的资源和能源少，对生态和环境污染小，再生利用率高，而且从材料制造、使用、废弃直到再生循环利用的整个寿命过程，都与生态环境相协调。主要包括：环境相容材料，如纯天然材料（木材、石材等）、仿生物材料（人工骨、人工器脏等）、绿色包装材料（绿色包装袋、包装容器）、生态建材（无毒装饰材料等）；环境降解材料（生物降解塑料等）；环境工程材料，如环境修复材料、环境净化材料（分子筛、离子筛材料）、环境替代材料（无磷洗衣粉助剂）等。发展方向：再生聚合物（塑料）的设计、材料环境协调性评价的理论体系、降低材料环境负荷的新工艺、新技术和新方法等。2021/10/10星期日25生物医用材料生物医用材料是一类用于诊断、治疗或替换人体组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。按材料组成和性质分为医用金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷材料和生物医学复合材料等。按应用生物医用材料分类为可降解与吸收材料、组织工程材料与人工器官、控制释放材料、仿生智然材料等。发展方向主要为：（1）改进和发展生物医用材料的生物相容性评价；（2）研究新的降解材料；（3）研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料；（4）研究新的药物载体材料；（5）材料表面改性的研究、2021/10/10星期日26智能材料（SmartMaterials或者IntelligentMaterialSystem）智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料。智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。构成智然材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变体、磁致伸缩材料和智然高分子材料等。研究重点：（1）智能材料概念设计的仿生学理论研究

（2）材料智然内禀特性及智商评价体系的研究

（3）耗散结构理论应用于智能材料的研究

（4）机敏材料的复合-集成原理及设计理论

（5）智能结构集成的非线性理论

（6）仿人智然控制理论2021/10/10星期日27材料智能合成与制备技术，材料表面改性技术的低成本化途径与批量生产技术，原位复合技术、仿生技术、原子尺度上的设计与排布技术，材料微观结构的模型化技术、智能化控制及动态实时监测分析技术，不同层次的材料设计、性能预测和评价表征新技术。

材料的设计、制备与评价技术：2021/10/10星期日28§1-2复合材料的发展历史2021/10/10星期日29公元753年12月20日，66岁高龄并且双目失明的鉴真和尚历尽千辛万苦，东渡扶桑，弘扬佛法、传播文化;1980年4月14日，鉴真大师塑像第一次回扬州“返里探视”。2008年5月10日，胡锦涛访问奈良，专程到唐招提寺的鉴真和尚御庙前，拜谒鉴真墓。

2010年11月24日，来自日本奈良东大寺鉴真坐像第二次回扬州老家“省亲”。鉴真大师的塑像是由麻布（增强体）和油漆（基体）的复合体，是古代复合材料的成功范例。唐代高僧鉴真和尚2021/10/10星期日30

2008年5月10日，国家主席胡锦涛与奈良地方官员一起为鉴真大师铜像揭幕。2021/10/10星期日31扬州大明寺方丈与日本东大寺管长在鉴真像前举行法会。鉴真坐像回乡“省亲”揭幕仪式大明寺2021/10/10星期日322021/10/10星期日33先进复合材料2021/10/10星期日342021/10/10星期日35§1-3复合材料的定义复合材料(compositematerials):由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能。2021/10/10星期日36复合材料一词，国外起源于20世纪50年底，国内60年代；复合材料是一类成分复杂的多元多相体系，很难准确地予以定义；不同领域的复合材料有不同的含义（工业，现代材料学，狭义）2021/10/10星期日37复合材料的特征：可设计性。即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能；由基体组元与增强体或功能组元所组成；非均相材料。组分材料间有明显的界面；有三种基本的物理相（基体相、增强相和界面相）；组分材料性能差异很大组成复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现新性能；2021/10/10星期日38§1-4复合材料的命名与分类命名：复合材料可根据增强材料和基体材料的名称来命名，通常将增强材料放在前面，基体材料放在后面，再加上“复合材料”而构成。2021/10/10星期日39玻璃纤维/环氧树脂复合材料玻璃/环氧复合材料环氧玻璃钢（俗称）玻璃纤维复合材料（强调增强材料）环氧树脂复合材料（强调基体材料）

C/C复合材料2021/10/10星期日40复合材料的分类：按基体材料分类①聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；②金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；③无机非金属基复合材料：包括陶瓷基、碳基和水泥基复合材料。2021/10/10星期日41按增强材料形态分类：①纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；②颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；③板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体

2021/10/10星期日42复合材料结构示意图

a)层叠复合b)连续纤维复合c)细粒复合d)短切纤维复合2021/10/10星期日43按用途分类①结构复合材料：用于制造受力构件；②功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、光、电、磁、摩擦、屏蔽等）③智能复合材料混杂复合材料2021/10/10星期日442021/10/10星期日45复合材料系统组合2021/10/10星期日46§1-5复合材料的应用航空航天工业先进固体发动机－－UHTCF复合材料。飞机减速板、刹车装置－－C/C复合材料，耐高温，耐腐蚀、耐摩擦。固体火箭的外壳及喷嘴－－CF/酚醛树脂复合材料。内燃机活塞、连杆、发动机气缸－－Al2O3/Al，高温强度、疲劳强度，热稳定性。2021/10/10星期日47交通运输业超塑铝合金制造的汽车模型汽车车身、底盘、结构梁、驱动轴、方向盘、操纵杆、发动机罩、散热器罩等等－－聚合物基复合材料集装箱、火车车厢、冷藏车－－金属基复合材料天然气瓶－－玻璃钢2021/10/10星期日48建筑工业轻型结构房、卫生洁具、冷却塔、储水箱－－玻璃钢外墙、结构梁－－水泥基复合材料2021/10/10星期日49造船业交通艇、摩托艇、赛艇、救生艇－－纤维增强复合材料其他行业风机叶片、各种管道、撑杆、高尔夫球棒、网球拍、钓鱼杆、微波炉餐具等等－－碳纤维增强聚合物复合材料碳纤维环氧树脂复合材料2021/10/10星期日50§1-6复合材料的进展及未来方向降低纤维价格及开发新型纤维扩大复合材料的应用范围发展新的设计、制备方法和新的复合技术发展混杂纤维复合材料发展功能、多功能、机敏、智能复合材料纳米和仿生复合材料2021/10/10星期日51第二章复合材料的增强体§2-1增强体的概念增强体是结构复合材料中能提高材料力学性能的组分，在复合材料中起着增加强度、改善性能的作用。增强体的基本特征：能明显提高材料的一种或几种性能具有良好的化学稳定性具有良好的润湿性2021/10/10星期日52§2-2增强体的分类颗粒状（零维）纤维、晶须状（一维）片状（二维）立体编织物（三维）无机非金属类(共价键)有机聚合物类(共价键、高分子链)金属类(金属键)。按形态分类：按化学特征分类：2021/10/10星期日53§2-3无机非金属纤维一、玻璃纤维（GlassFibers）一种性能优异的无机非金属材料具有不燃、耐高温、电绝然、拉伸强度高、化学稳定性好等优良性能是将熔融的玻璃液，以极快的速度拉成细丝而成无普通玻璃的脆性，质地柔软而有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。2021/10/10星期日54玻璃纤维的制造方法主要有玻璃球法(也称为坩埚拉丝法)和直接熔融法(也称为池窑拉丝法)。2021/10/10星期日55分类：组成：SiO2+MetalOxides(Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3）。2021/10/10星期日562021/10/10星期日57特性：力学性能：拉伸强度高，模量低热学性能：耐热性仅比聚合物好、良好的绝热性、热膨胀系数低电学性能：绝缘性好、良好的高频介电性能。耐介质性能：水中浸泡后，强度降低；除HF外，对酸、碱及有机溶剂有较好的耐腐蚀能力玻璃纤维纱玻璃纤维布玻璃纤维带玻璃纤维管玻璃纤维毡玻璃纤维制品种类2021/10/10星期日58水与玻璃纤维的化学反应过程：2021/10/10星期日59影响玻璃纤维强度的因素直径：拉伸强度随直径降低而增加，表3-5。长度：拉伸强度随长度降低而增加，表3-6。化学组成：含碱量越高，强度越低。存放时间：纤维的老化，与含碱量有关。施加负荷时间：纤维的疲劳。玻纤的成型工艺和条件。2021/10/10星期日60瞄准新材料之王碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维主要被制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用。

每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5滋m～8滋m。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，由一层层以六角型排列的碳原子构成。碳纤维与石墨两者的差别在于层与层之间的连接。石墨是晶体结构，它的层间连接松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连接是不规则的，这样可防止滑移，增强物质强度。一般碳纤维的密度为1750kg/m3，导热能力高但传电能力低，碳纤维的比热容量亦比铜低。当加热的时候，碳纤维会变厚、变短。虽然碳纤维的天然颜色是黑色，但科学家可以把它染成不同的颜色。我国碳纤维产品市场现状

2021/10/10星期日61二、碳纤维CarbonFibers分类：按先驱体原料：黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和气相生长碳纤维。碳纤维：由有机纤维如黏胶纤维、沥青纤维或聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）纤维在保护气氛（N2或Ar）下热处理碳化成含碳量90－99％的纤维。按功能：受力结构用碳纤维；耐焰（火）碳纤维；活性碳纤维（吸附活性）；导电用碳纤维；润滑用碳纤维；耐磨用碳纤维；耐腐蚀用碳纤维。2021/10/10星期日622021/10/10星期日63高性能碳纤维（HP）中强型（MT）高强型（HT）超高强型（UHT）中模型（IM）高模型（HM）超高模型（UHM）按力学性能：通用级碳纤维（GP）UHMHMIMUHTHT拉伸模量/Gpa拉伸强度/Gpa含碳量/%﹥400300~400180~200200~350200~250﹥1.7﹥1.72.7~3.0﹥2.762.0~2.7599.899.096.594.599.02021/10/10星期日64200-300℃，空气中预氧化1150℃惰性气体保护PAN基碳纤维的制备过程2021/10/10星期日65碳纤维的性能最突出的特点是强度和模量高、密度小（1.5～2.0g/cm3),因而比强度、比模量高。耐高低温性能好，在惰性气体保护下，2000℃任保持良好的力学性能。液氮下不脆断。良好的导电导热性能，且有方向性。耐腐蚀性，除了强氧化剂如浓硝酸、次氯酸外，一般的酸碱对它的作用小，较GF具有更好的耐腐蚀性。热膨胀系数小，甚至为负值；摩擦系数小，耐水性比GF好。断裂伸长率低。碳纤维的不足之处是价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上，因此大大限制了它的推广应用。此外碳纤维的抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。2021/10/10星期日662021/10/10星期日67碳纤维远红外电热管高效环保节能碳纤维取暖器2021/10/10星期日681958年C.P.Talley首先用化学气相沉积（Chemicalvapourdeposition，简称CVD）方法研制成功高模量的硼纤维。现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝、碳芯或铝丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。三、硼纤维（BoronFibre，BF或Bf）2BCl3＋3H26HCl＋2B硼沉积的化学反应：2021/10/10星期日69硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.4~2.65g/cm3，拉伸强度为3.2~5.2GPa，弹性模量为350~400GPa。主要用于金属基复合材料。纵向压缩强度高于任何纤维复合材料硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。2021/10/10星期日70工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。直径大、质硬、不能编织，导致成型性差。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维的缺点2021/10/10星期日71目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两种。SiC纤维是高强度高模量的陶瓷纤维，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。最高使用温度为1250℃，在1200℃其拉伸强度和弹性模量均无明显下降，因此比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。此外SiC纤维还具有半导体性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。四、碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）2021/10/10星期日72氧化铝纤维是多晶连续陶瓷纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。具有优良的耐热性和抗氧化性，直到1370℃强度仍下降不大。缺点是在所有纤维中密度最大,3-4g/cm3

。主要用于金属基复合材料。五、氧化铝纤维（AluminiaFibre，AF或（Al2O3）f）2021/10/10星期日73§2-4有机纤维：Kevlar纤维、聚乙烯纤维①芳香族酰胺纤维（AromaticPolymideFibre,Aramid,Kevlar（Dupont）,KF）化学结构特点：含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体苯环与酰胺键交替排列对称性好，结晶性好分子间有氢键Kevlar2021/10/10星期日74Kevlar纤维-49的性能力学性能弹性模量高，CF＞Ef＝125Gpa≈2GF拉伸强度高，3620Mpa，与S-GF、CF-Ⅱ相当密度小，1.45g/㎝3,低于GF、CF良好的韧性各向异性抗蠕变、疲劳性能好抗压性能、抗扭性能较低－－芳纶的致命弱点。2021/10/10星期日752）热性能良好的热稳定性和耐低温性。Tc427℃,Tm570℃，直至分解不变形Td500℃,-196℃不变脆，仍能保持其性能。3）化学性能除强酸强碱以外，不受任何有机溶剂、油类的影响。因大量苯环存在，耐紫外光差，吸收水分后，破坏氢键，纤维强度降低。2021/10/10星期日76聚乙烯纤维是目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。通常聚乙烯纤维的分子量大于106，纤维的拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为100GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。在纤维材料中，聚乙烯纤维具有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。其不足之处是熔点较低（约135℃）和高温容易蠕变。因此仅能在100℃以下使用。②超高相对分子量聚乙烯纤维（Polyethylene,UHMWPE）2021/10/10星期日77各种纤维性能比较2021/10/10星期日78各种纤维的柔韧性及断裂

从图所示的纤维的应力一应变曲线表明，各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服。从拉断后纤维的TEM观察发现，仅Ke