第2章 复合材料的增强材料PPT
合集下载
《复合材料》课件——第二章_复合材料界面和优化设计
强体的浸润和结合，严重的界面反应将造成增强体 的损
伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合 金复
合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。 500℃
时，在C纤维/铝材料界面生成Al4C3脆性层。
2.4 复合材料的界面
2.4.5 界面反应或界面扩散理论
在复合材料组分之间发生原
子或分子间的扩散或反应，从
因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考 虑到最优化和最佳综合性能。
2.3复合材料组分的相容性
物理相容性： 1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀
地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。 2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增
强剂上形成高的局部应力。 3. 另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨
物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是 十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺 陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ： 从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用 表面张力来表征。
胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从 而影响材料的各类性能。
2. 3复合材料组分的相容性
物理相容性： 例如：
对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因 为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张 应力；
对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度， 处于压缩状态比较有利。
2.3复合材料组分的相容性
化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的
伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合 金复
合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。 500℃
时，在C纤维/铝材料界面生成Al4C3脆性层。
2.4 复合材料的界面
2.4.5 界面反应或界面扩散理论
在复合材料组分之间发生原
子或分子间的扩散或反应，从
因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考 虑到最优化和最佳综合性能。
2.3复合材料组分的相容性
物理相容性： 1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀
地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。 2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增
强剂上形成高的局部应力。 3. 另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨
物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是 十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺 陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ： 从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用 表面张力来表征。
胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从 而影响材料的各类性能。
2. 3复合材料组分的相容性
物理相容性： 例如：
对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因 为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张 应力；
对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度， 处于压缩状态比较有利。
2.3复合材料组分的相容性
化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的
复合材料的复合理论
另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒前受阻，发生应力钝 化或扩展路径发生偏转，同样可以消耗较多的断裂能，提高 材料的强度。
2、纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制
基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤 维等），不是主承力相。
纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。
假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用 下，由于组分模量的不同产生了不同形变（Байду номын сангаас移），在基 体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上（见 下图）。
Xc = Xm Vm + XfVf 或 Xc = XfVf + Xm1 - Vf） 式中： X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；V： 材料的体积百分比； 下脚标 c、m、f 分别代表复合材料、 基体和纤维。
2、连续纤维单向增强复合材料（单向层板）
2-1 应力 - 应变关系和弹性模量 在复合材料承受静张应力过程中，应力—应变经历以
复合材料的面内剪切强度：在垂直纤维方向承受剪切时，
剪切力发生在垂直
纤维的截面内，剪切力由基体和纤维共同承担。
复合材料的复合理论
一、复合材料 增强机制 二、复合材料的复合法则 — 混合定律
一、复合材料 增强机制
1、 颗粒增强复合材料增强机制
1）颗粒阻碍基体位错运动强化： 基体是承受外来载荷相；颗粒起着阻碍基体位错运动的作 用，从而降低了位错的流动性。
颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图
颗粒增强复合材料的强度直接与颗粒的硬度成正比，因为 颗粒必须抵抗位错堆集而产生的应力，另外，颗粒相与基 体的结合力同样影响着材料的强度。
下阶段: (1)基体、纤维共同弹性变形；2）基体塑性屈服、 纤维弹性变形；3）基体塑性变形、纤维弹性变形或基体、 纤维共同塑性变形；4）复合材料断裂。 对于复合材料的弹性模量： 阶段1：E = EfVf + Em（1-Vf） 阶段2：E = EfVf + ( dm/dm)(1-Vf)
2、纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制
基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤 维等），不是主承力相。
纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。
假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用 下，由于组分模量的不同产生了不同形变（Байду номын сангаас移），在基 体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上（见 下图）。
Xc = Xm Vm + XfVf 或 Xc = XfVf + Xm1 - Vf） 式中： X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；V： 材料的体积百分比； 下脚标 c、m、f 分别代表复合材料、 基体和纤维。
2、连续纤维单向增强复合材料（单向层板）
2-1 应力 - 应变关系和弹性模量 在复合材料承受静张应力过程中，应力—应变经历以
复合材料的面内剪切强度：在垂直纤维方向承受剪切时，
剪切力发生在垂直
纤维的截面内，剪切力由基体和纤维共同承担。
复合材料的复合理论
一、复合材料 增强机制 二、复合材料的复合法则 — 混合定律
一、复合材料 增强机制
1、 颗粒增强复合材料增强机制
1）颗粒阻碍基体位错运动强化： 基体是承受外来载荷相；颗粒起着阻碍基体位错运动的作 用，从而降低了位错的流动性。
颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图
颗粒增强复合材料的强度直接与颗粒的硬度成正比，因为 颗粒必须抵抗位错堆集而产生的应力，另外，颗粒相与基 体的结合力同样影响着材料的强度。
下阶段: (1)基体、纤维共同弹性变形；2）基体塑性屈服、 纤维弹性变形；3）基体塑性变形、纤维弹性变形或基体、 纤维共同塑性变形；4）复合材料断裂。 对于复合材料的弹性模量： 阶段1：E = EfVf + Em（1-Vf） 阶段2：E = EfVf + ( dm/dm)(1-Vf)
《复合材料》PPT课件
界面作用
界面在复合材料中起到传递载荷、阻止裂纹扩展和调节内应力的作 用。
界面优化
通过改变界面形态、引入界面相容剂或采用表面处理技术等方法，可 改善界面性能，提高复合材料的综合性能。
03
复合材料的制备工艺
原材料选择与预处理
增强材料选择
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比强度、高比模量等 优点。
医疗器械
复合材料可用于制造医疗器械如手术器械、牙科 设备和医疗床等，具有轻质便携、X光透过性好 和耐消毒等优点。
能源领域
复合材料可用于制造风力发电机叶片、太阳能板 支架和石油管道等，具有耐候性强、抗腐蚀和轻 质高强等优点。
06
复合材料的未来发展趋势
新型复合材料研究进展
碳纳米管增强复合材料
具有优异的力学、电学和热学性能，广泛应用于航空航天、汽车 、电子等领域。
航天器结构
复合材料用于制造卫星、火箭和导弹等航天器的结构件，如碳纤维/环 氧树脂复合材料在卫星结构中的应用。
03
发动机部件
复合材料可用于制造航空发动机的叶片、机匣和涡轮等部件，提高发动
机的推力和效率，如陶瓷基复合材料在发动机热端部件中的应用。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度 。
桥梁和道路
复合材料可用于制造桥梁结构、道路护栏和标志牌等，具有耐久性强、维护成本低等优点 。
其他领域应用
1如网球拍、高尔 夫球杆和自行车车架等，具有轻质高强和良好的 力学性能。
界面在复合材料中起到传递载荷、阻止裂纹扩展和调节内应力的作 用。
界面优化
通过改变界面形态、引入界面相容剂或采用表面处理技术等方法，可 改善界面性能，提高复合材料的综合性能。
03
复合材料的制备工艺
原材料选择与预处理
增强材料选择
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比强度、高比模量等 优点。
医疗器械
复合材料可用于制造医疗器械如手术器械、牙科 设备和医疗床等，具有轻质便携、X光透过性好 和耐消毒等优点。
能源领域
复合材料可用于制造风力发电机叶片、太阳能板 支架和石油管道等，具有耐候性强、抗腐蚀和轻 质高强等优点。
06
复合材料的未来发展趋势
新型复合材料研究进展
碳纳米管增强复合材料
具有优异的力学、电学和热学性能，广泛应用于航空航天、汽车 、电子等领域。
航天器结构
复合材料用于制造卫星、火箭和导弹等航天器的结构件，如碳纤维/环 氧树脂复合材料在卫星结构中的应用。
03
发动机部件
复合材料可用于制造航空发动机的叶片、机匣和涡轮等部件，提高发动
机的推力和效率，如陶瓷基复合材料在发动机热端部件中的应用。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度 。
桥梁和道路
复合材料可用于制造桥梁结构、道路护栏和标志牌等，具有耐久性强、维护成本低等优点 。
其他领域应用
1如网球拍、高尔 夫球杆和自行车车架等，具有轻质高强和良好的 力学性能。
复合材料的增强材料--碳纤维
10
制作碳纤维的主要原材料有三种： ①人造丝(粘胶纤维)； ②聚丙烯腈(PNN) 纤维； ③沥青。
2014-6-5
陕理工材料学院高分子教研室
11
用人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青为 原料生产的碳纤维各有其不同特点。
其中，制造高强度、高模量碳纤维 多选聚丙烯腈为原料。
2014-6-5
陕理工材料学院高分子教研室
27
硼纤维在空气中的拉伸强度随温度升高而
降低。
在200 ℃左右硼纤维性能基本不变；而在 315 ℃ 、1000小时硼纤维强度将损失70％；而
加热到650 ℃时硼纤维强度将完全丧失。
2014-6-5
陕理工材料学院高分子教研室
28
硼纤维的弯曲强度比拉伸强度高，
其平均拉伸强度为310 MPa，拉伸模量 为420 GPa。
2014-6-5
陕理工材料学院高分子教研室
31
硼纤维在常温下为惰性物质，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。
硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。
2014-6-5
陕理工材料学院高分子教研室
32
硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱
陕理工材料学院高分子教研室
2014-6-5
陕理工材料学院高分子教研室
26
硼纤维的优点
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 ~ 2.65 g / cm3，拉伸强 度为3.2 ~ 5.2 GPa，弹性模量为350 ~ 400 GPa。
2014-6-5
陕理工材料学院高分子教研室
2014-6-5 陕理工材料学院高分子教研室 13
复合材料第2章 增强材料
❖ 单向增强结构
这种结构是指增强材料一维平 行排列分布在基体中，PMC、 MMC、CMC中较为常见结构。
TaCf
界面及 界面反 应层
SiC
f
Ti基体
SiCf /Ti单向增强复合材料
TaCf/Superalloy(原位定向 凝固)
钨纤维（丝）单向增强高温合金显微组 织
❖ 层状增强结构
增强材料以织物（布、毡）方式增强，或双向正交、或铺层（多向）方 式分布在复合材料基体中，是PMC、C/C常用的结构，如层压板、迭层板等。 在CMC中，也可以纤维按层状，在基体中原位形成分散状的增强相。
SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基复合材料
喷涂法制备的Al2O3与高温合金复合 的层状复合材料
蒙脱土/聚丙烯酰胺纳米层状复合材料 （龙斌，清华大学硕士学位论文，2007年）
❖ 网络状增强结构
网络状增强结构分为三维、多维网络状结构，三维结构也有称为三向，或三 向正交增强结构。一般通过编织方式将纤维或将预浸料编织成三维或多维预制 体。比较典型的是三维正交C/C复合材料，按纤维的方向分为L、T、N三个方 向经编织成三维立体结构，但各个方向的纤维含量可以相同或不同。在C/C复 合材料中，也可以在层状结构的基础上采用Z向针刺的方法形成三维结构。
❖ 低密度——仅为1.44 g/cm3，几乎只有石棉密度的一半，低于碳纤维。 ❖ 热稳定性——在热试验中(TGA)非常稳定,直至600℃才有明显的重量丧失；在
427℃下不分解，在－190℃低温下不变脆；强度长期在150℃下几乎不变，在 高温下不易变形，尺寸稳定，特别是其柔韧性好，抗冲击。在空气中难以燃烧， 离焰自熄。
❖ 经过热处理和改善原料的结构后，可得到提高了综合性能的不同牌号的芳 纶纤维。
复合材料的增强体
理的纤维。
02
增强体的材料类型
玻璃纤维
玻璃纤维是一种无机非金属材料，由 熔融的玻璃拉丝制成，具有高强度、 高弹性模量、低密度、耐腐蚀、绝缘 等优点。
玻璃纤维增强复合材料广泛应用于航 空航天、汽车、建筑、体育器材等领 域。
玻璃纤维在复合材料中常用作增强体， 可提高复合材料的强度、刚度和耐久 性。
碳纤维
在汽车工业领域的应用
总结词
高强度、耐腐蚀
详细描述
汽车工业中，增强体如玻璃纤维、碳纤维等被用于制造汽车车身、底盘和零部件 ，以提高其强度、刚度和耐腐蚀性能，延长使用寿命。
在建筑领域的应用
总结词
结构加固、节能环保
详细描述
在建筑领域，增强体如碳纤维、玻璃纤维等被用于结构加固和节能环保的复合材料中，如建筑板材、墙体和屋顶 等，提高结构的强度和耐久性，同时实现节能环保的效果。
在体育器材领域的应用
总结词
轻量、高强度
详细描述
在体育器材领域，增强体如碳纤维、玻璃纤维等被广泛应用于制造球拍、自行车车架、滑雪板等体育 器材中，以提高其轻量化和高强度的性能。
在其他领域的应用
总结词
广泛的应用领域
详细描述
除了以上领域外，复合材料的增 强体还广泛应用于医疗器械、电 子产品、船舶制造等领域，以满 足各种不同的性能要求。
增强体可以增加复合材料的硬 度和抗划痕能力，提高其耐磨
性。
增强体的分类
按形态分类
按材质分类
按长度分类
按表面处理分类
增强体可以分为纤维状、 颗粒状和晶须状增强体。
增强体可以分为玻璃纤 维、碳纤维、陶瓷颗粒、
金属晶须等。
增强体可以分为短纤维、 长纤维和连续纤维。
02
增强体的材料类型
玻璃纤维
玻璃纤维是一种无机非金属材料，由 熔融的玻璃拉丝制成，具有高强度、 高弹性模量、低密度、耐腐蚀、绝缘 等优点。
玻璃纤维增强复合材料广泛应用于航 空航天、汽车、建筑、体育器材等领 域。
玻璃纤维在复合材料中常用作增强体， 可提高复合材料的强度、刚度和耐久 性。
碳纤维
在汽车工业领域的应用
总结词
高强度、耐腐蚀
详细描述
汽车工业中，增强体如玻璃纤维、碳纤维等被用于制造汽车车身、底盘和零部件 ，以提高其强度、刚度和耐腐蚀性能，延长使用寿命。
在建筑领域的应用
总结词
结构加固、节能环保
详细描述
在建筑领域，增强体如碳纤维、玻璃纤维等被用于结构加固和节能环保的复合材料中，如建筑板材、墙体和屋顶 等，提高结构的强度和耐久性，同时实现节能环保的效果。
在体育器材领域的应用
总结词
轻量、高强度
详细描述
在体育器材领域，增强体如碳纤维、玻璃纤维等被广泛应用于制造球拍、自行车车架、滑雪板等体育 器材中，以提高其轻量化和高强度的性能。
在其他领域的应用
总结词
广泛的应用领域
详细描述
除了以上领域外，复合材料的增 强体还广泛应用于医疗器械、电 子产品、船舶制造等领域，以满 足各种不同的性能要求。
增强体可以增加复合材料的硬 度和抗划痕能力，提高其耐磨
性。
增强体的分类
按形态分类
按材质分类
按长度分类
按表面处理分类
增强体可以分为纤维状、 颗粒状和晶须状增强体。
增强体可以分为玻璃纤 维、碳纤维、陶瓷颗粒、
金属晶须等。
增强体可以分为短纤维、 长纤维和连续纤维。
复合材料-第二章增强体
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. 与基体有良好的润湿性.
增强体的分类
纤维类增强体 颗粒类增强体 晶须类增强体 金属丝 片状物增强体
按形态分类
§2-2 无机非金属纤维 一、玻璃纤维 （Glass Fibers）
（一）玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一 种增强材料。 • 一种性能优异的无机非金属材料; • 具有不燃、耐高温(熔点680，沸点 1000度）、电绝缘、拉伸强度高、化学 稳定性好等优良性能; • 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。 • 密度2.4-2.7g/cm3.
主要用作电绝缘材料、玻璃钢的增强材料等
中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）
碱金属氧化物含量11.5-12.5% 含碱量高，不能用作电绝缘材料，但其 化学稳定性和强度尚好。
一般用作乳胶布、方格布基材、酸性过 滤布、窗纱基材等，也可作对电性能和强度 要求不很严格的玻璃钢增强材料。
成本较低，用途较广。
有碱玻璃纤维（A玻璃纤维）
物质 种类 羊毛 蚕丝 亚麻 原棉 容积密度 (kg/m3)
80
100 130 81
物质 容积密度 导热系数 (kg/m3) [W/(m· [W/(m· K)] K)] 种类 0.034~0.046 玻璃纤维 80 0.034 0.046~0.052 0.7~1.3 玻璃 0.046~0.053 0.0246 空气
③ 存放时间对强度的影响 玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低 —纤维的老化。 原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀 ④ 施加负荷时间对强度的影响 玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低。 环境湿度较高时，尤其明显. 原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下， 使微裂纹扩展速度加速。
增强体的分类
纤维类增强体 颗粒类增强体 晶须类增强体 金属丝 片状物增强体
按形态分类
§2-2 无机非金属纤维 一、玻璃纤维 （Glass Fibers）
（一）玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一 种增强材料。 • 一种性能优异的无机非金属材料; • 具有不燃、耐高温(熔点680，沸点 1000度）、电绝缘、拉伸强度高、化学 稳定性好等优良性能; • 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。 • 密度2.4-2.7g/cm3.
主要用作电绝缘材料、玻璃钢的增强材料等
中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）
碱金属氧化物含量11.5-12.5% 含碱量高，不能用作电绝缘材料，但其 化学稳定性和强度尚好。
一般用作乳胶布、方格布基材、酸性过 滤布、窗纱基材等，也可作对电性能和强度 要求不很严格的玻璃钢增强材料。
成本较低，用途较广。
有碱玻璃纤维（A玻璃纤维）
物质 种类 羊毛 蚕丝 亚麻 原棉 容积密度 (kg/m3)
80
100 130 81
物质 容积密度 导热系数 (kg/m3) [W/(m· [W/(m· K)] K)] 种类 0.034~0.046 玻璃纤维 80 0.034 0.046~0.052 0.7~1.3 玻璃 0.046~0.053 0.0246 空气
③ 存放时间对强度的影响 玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低 —纤维的老化。 原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀 ④ 施加负荷时间对强度的影响 玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低。 环境湿度较高时，尤其明显. 原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下， 使微裂纹扩展速度加速。
第二章 复合材料的界面及界面优化
18
19
机械结合 基体与增强材料之间不发生化学反应，靠 纤维的粗糙表面与基体产生机械互锁而实现的。
在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力， 为此，在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起。
20
表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作 用越有效。
在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很 难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理 共同起作用。但机械结合方式几乎存在于所有 复合材料中。
类型3
纤维与基体互不反应 纤维与基体互不反 纤维与基体反应形成界面
亦不溶解
应但相互溶解
反应层
钨丝 / 铜 Al2O3 纤维 / 铜 Al2O3 纤维 / 银 硼纤维（BN表面涂 层） / 铝 不锈钢丝 / 铝 SiC 纤维 / 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁
镀铬的钨丝 / 铜 碳纤维 / 镍 钨丝 / 镍 合金共晶体丝 / 同 一合金
二、界面的效应
(3)不连续效应 在界面上产生物理性能的不连续性和 界面摩擦出现的现象，如抗电性、磁性、耐热性等。
(4)散射和吸收效应 光波、声波、热弹性波、冲击 波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔音性、隔 热性、耐机械冲击及耐热冲击性等。
(5)诱导效应 一种物质(通常是增强相)的表面结构使 另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由 于诱导作用而发生改变，由此产生一些新的现象，如 低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。
钨丝 / 铜 – 钛合金 碳纤维 / 铝（ 580 C） Al2O3 纤维 / 钛 硼纤维 / 钛 硼纤维 /钛-铝 SiC 纤维 / 钛 SiO2 纤维 / 钛
37
界面结合结合太弱，受载时，纤维大量拔出，强度 低；结合太强，纤维受损，复合材料脆断，既降低 强度，又降低韧性。只有界面结合适中的复合材料 才呈现高强度和高韧性。
19
机械结合 基体与增强材料之间不发生化学反应，靠 纤维的粗糙表面与基体产生机械互锁而实现的。
在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力， 为此，在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起。
20
表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作 用越有效。
在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很 难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理 共同起作用。但机械结合方式几乎存在于所有 复合材料中。
类型3
纤维与基体互不反应 纤维与基体互不反 纤维与基体反应形成界面
亦不溶解
应但相互溶解
反应层
钨丝 / 铜 Al2O3 纤维 / 铜 Al2O3 纤维 / 银 硼纤维（BN表面涂 层） / 铝 不锈钢丝 / 铝 SiC 纤维 / 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁
镀铬的钨丝 / 铜 碳纤维 / 镍 钨丝 / 镍 合金共晶体丝 / 同 一合金
二、界面的效应
(3)不连续效应 在界面上产生物理性能的不连续性和 界面摩擦出现的现象，如抗电性、磁性、耐热性等。
(4)散射和吸收效应 光波、声波、热弹性波、冲击 波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔音性、隔 热性、耐机械冲击及耐热冲击性等。
(5)诱导效应 一种物质(通常是增强相)的表面结构使 另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由 于诱导作用而发生改变，由此产生一些新的现象，如 低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。
钨丝 / 铜 – 钛合金 碳纤维 / 铝（ 580 C） Al2O3 纤维 / 钛 硼纤维 / 钛 硼纤维 /钛-铝 SiC 纤维 / 钛 SiO2 纤维 / 钛
37
界面结合结合太弱，受载时，纤维大量拔出，强度 低；结合太强，纤维受损，复合材料脆断，既降低 强度，又降低韧性。只有界面结合适中的复合材料 才呈现高强度和高韧性。
复合材料的增强材料
AR玻璃纤维 亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水 泥而研制的。
A玻璃 亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃， 因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。
复合材料的增强材料
商品化的玻璃纤维
E-CR玻璃 是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产 耐酸耐水性好的玻璃纤维，其耐水性比无碱玻纤 改善7～8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少，是 专为地下管道、贮罐等开发的新品种。
熔融的玻璃液
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
细丝
特点：消失了玻璃的脆性，变得质地柔软，具有弹性， 可并股、加捻，纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的组成
由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属 于无定型离子结构。 SiO2：主要组分，其作用是在玻璃中形成基本骨架， 而且有高的熔点 金属氧化物：Al2O3、CaO、MgO、 Na2O(K2O)、 BeO、B2O3 改善工艺条件，如Na2O(K2O)降低熔点和黏度，但会 影响耐水性、电性能； BeO使模量提高，但毒性大； B2O3提高耐酸性，改善电性能，但模量和强度下降。
复合材料的增强材料
无捻粗纱
喷射用无捻粗纱 SMC用无捻粗纱 SMC即片状模塑料，主要用于
压制汽车部件、浴缸、水箱板、净化槽、各种座 椅等。SMC用无捻粗纱在制造SMC片材时要切成 lin(25mm)的长度，分散在树脂糊中，因此对 SMC用无捻粗纱的要求是短切性好，毛丝少，抗 静电性优良，在切割时短切丝不会粘附在刀辊上。 对着色的SMC而言，无捻粗纱要在高颜料含量的 树脂糊中被树脂浸透。通常SMC无捻粗纱一般为 2400tex，少数情况下也有用4800tex的。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的物理性能
外观和比重：单丝呈光滑的圆柱、直径从 1.5~30μm，大多数为4~14 μm。密度： 2.16~4.3g/㎝3,与铝相当 按单丝直径不同分类：粗纤维：30 μm； 初级纤维：20 μm；中级纤维10~20 μm（无 捻粗纱、无纺布、短切纤维毡）； 高级纤维3~10 μm（也称纺织纤维）
A玻璃 亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃， 因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。
复合材料的增强材料
商品化的玻璃纤维
E-CR玻璃 是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产 耐酸耐水性好的玻璃纤维，其耐水性比无碱玻纤 改善7～8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少，是 专为地下管道、贮罐等开发的新品种。
熔融的玻璃液
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
细丝
特点：消失了玻璃的脆性，变得质地柔软，具有弹性， 可并股、加捻，纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的组成
由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属 于无定型离子结构。 SiO2：主要组分，其作用是在玻璃中形成基本骨架， 而且有高的熔点 金属氧化物：Al2O3、CaO、MgO、 Na2O(K2O)、 BeO、B2O3 改善工艺条件，如Na2O(K2O)降低熔点和黏度，但会 影响耐水性、电性能； BeO使模量提高，但毒性大； B2O3提高耐酸性，改善电性能，但模量和强度下降。
复合材料的增强材料
无捻粗纱
喷射用无捻粗纱 SMC用无捻粗纱 SMC即片状模塑料，主要用于
压制汽车部件、浴缸、水箱板、净化槽、各种座 椅等。SMC用无捻粗纱在制造SMC片材时要切成 lin(25mm)的长度，分散在树脂糊中，因此对 SMC用无捻粗纱的要求是短切性好，毛丝少，抗 静电性优良，在切割时短切丝不会粘附在刀辊上。 对着色的SMC而言，无捻粗纱要在高颜料含量的 树脂糊中被树脂浸透。通常SMC无捻粗纱一般为 2400tex，少数情况下也有用4800tex的。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的物理性能
外观和比重：单丝呈光滑的圆柱、直径从 1.5~30μm，大多数为4~14 μm。密度： 2.16~4.3g/㎝3,与铝相当 按单丝直径不同分类：粗纤维：30 μm； 初级纤维：20 μm；中级纤维10~20 μm（无 捻粗纱、无纺布、短切纤维毡）； 高级纤维3~10 μm（也称纺织纤维）
聚合物基复合材料(第二版)11081001-2第2章玻璃纤维
1.6x104
2.54 7.8
σ/ρ
纤维强度的Weibull分布
表2-3各国生产的高强度玻璃纤维的主要性能
种类
美 国 日本 法国 俄 罗 斯 中 国 高 中 国 高
S-2
T
R
ВМП
强2#
强4#
新生态单丝强度， 4580 Mpa
4655 4400 4500-5000 4020
4600
拉伸弹性模量， 85.6 Gpa
Glass fiber manufacture
坩埚拉丝法制备连续玻璃纤维
2.玻纤织物的制造
3 浸润剂的作用与种类
⑴作用 ① 使单丝集束，便于纺织 ② 防止原纱缠绕成卷时，相互粘结 ③ 防止纺织时，纤维表面磨损（保护作用）
⑵种类
① 纺织型浸润剂：去除处理 石蜡型浸润剂——脱蜡处理 淀粉型浸润剂（淀粉、动植物油、表面活性剂） 石蜡型浸润剂的主要组分是石蜡、凡士林、矿物油、
碱、盐、有机溶剂， 因比表面积大，比快状玻璃耐腐蚀性差， 与水反应，SiO2主链断链
与水反应，SiO2主链断链
Si O Na + H2O Si O Si + OHSi O- + H2O
Si OH + Na+ + OHSi O- + Si OH Si OH + OH-
五、玻纤纱/玻纤织物的品种与规格
二、玻纤及玻纤织物的制备
坩埚拉丝法（玻璃球法），直接熔融法（池窑法） 1.坩埚拉丝法制备连续玻璃纤维 制玻璃球——熔融——漏丝（单丝）——浸润剂集束
（原纱）——高速牵引 单丝filament,monofiber——由漏丝板拉出的单根纤维，
直径约6-8um 原纱strand——单丝集束成原纱 2.玻纤织物的制造 玻璃纤维制品生产工艺流程图 3.浸润剂size的作用与种类
2.54 7.8
σ/ρ
纤维强度的Weibull分布
表2-3各国生产的高强度玻璃纤维的主要性能
种类
美 国 日本 法国 俄 罗 斯 中 国 高 中 国 高
S-2
T
R
ВМП
强2#
强4#
新生态单丝强度， 4580 Mpa
4655 4400 4500-5000 4020
4600
拉伸弹性模量， 85.6 Gpa
Glass fiber manufacture
坩埚拉丝法制备连续玻璃纤维
2.玻纤织物的制造
3 浸润剂的作用与种类
⑴作用 ① 使单丝集束，便于纺织 ② 防止原纱缠绕成卷时，相互粘结 ③ 防止纺织时，纤维表面磨损（保护作用）
⑵种类
① 纺织型浸润剂：去除处理 石蜡型浸润剂——脱蜡处理 淀粉型浸润剂（淀粉、动植物油、表面活性剂） 石蜡型浸润剂的主要组分是石蜡、凡士林、矿物油、
碱、盐、有机溶剂， 因比表面积大，比快状玻璃耐腐蚀性差， 与水反应，SiO2主链断链
与水反应，SiO2主链断链
Si O Na + H2O Si O Si + OHSi O- + H2O
Si OH + Na+ + OHSi O- + Si OH Si OH + OH-
五、玻纤纱/玻纤织物的品种与规格
二、玻纤及玻纤织物的制备
坩埚拉丝法（玻璃球法），直接熔融法（池窑法） 1.坩埚拉丝法制备连续玻璃纤维 制玻璃球——熔融——漏丝（单丝）——浸润剂集束
（原纱）——高速牵引 单丝filament,monofiber——由漏丝板拉出的单根纤维，
直径约6-8um 原纱strand——单丝集束成原纱 2.玻纤织物的制造 玻璃纤维制品生产工艺流程图 3.浸润剂size的作用与种类
第二部分 高性能复合材料的增强体
本章小结
纤维的主要作用； 增强纤维应具备的基本特性； 增强纤维的主要类型及其各自主要特性；
2.2 玻璃纤维
基本特点：使用量最大、成本低、性能好； 分类：以原料成分分类 无碱GF（ 玻纤）：碱金属含量不大于0.5%。强度较 无碱GF（E玻纤）：碱金属含量不大于0.5%。强度较 高、耐热性和电性能优良，化学稳定性好（不耐酸）。 中碱GF（ 玻纤）：碱金属含量11.5%～12.5%，耐酸 中碱GF（C玻纤）：碱金属含量11.5%～12.5%，耐酸 性好、价格低，但强度不如无碱GF； 性好、价格低，但强度不如无碱GF； 有碱GF（ 玻纤）：碱金属含量>14%，强度低、耐湿 有碱GF（A玻纤）：碱金属含量>14%，强度低、耐湿 热性差； 特种GF：高强GF（ 玻纤）— 特种GF：高强GF（S玻纤）—由纯镁铝硅三元组成， 抗拉强度2800MPa；高模量GF（ 玻纤）— 抗拉强度2800MPa；高模量GF（M玻纤）—在低铝的 钙镁硅酸盐系统中加入铬、钽、铌等氧化物，其 E=120GPa。 E=120GPa。
2）碳纤维的物理性能
密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密 密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密 度越大； 热膨胀系数：纤维向( 1.5～ 热膨胀系数：纤维向(-1.5～-0.5) ×10-6/K 10垂直纤维向（5.5～8.4） 10垂直纤维向（5.5～8.4）× 10-6/K 导热率：纤维向16.74W /(m·K) 导热率：纤维向16.74W /(m·K) 垂直纤维向0.827 /(m·K) 垂直纤维向0.827 W /(m·K) 导电性好：高模量CF比电阻755µ 导电性好：高模量CF比电阻755µ ·cm 高强度CF比电阻1500µ 高强度CF比电阻1500µ ·cm
复合材料的增强材料共120页
2. 1958—1959年，玻璃纤维池窑拉丝工艺获得成功，实现了玻璃纤 维技术的重要跨越，开始了玻纤的规模化、现代化生产。当时全世 界95%以上的纤维都采用池窑拉丝进行生产。
3. 20世纪70年代，世界性能源危机促进了玻纤的发展，世界产量近 1000万吨。
4. 20世纪末，玻璃纤维增强热固性材料、玻璃纤维增强热塑性材料、 玻璃纤维增强沥青防水材料和用于电绝缘级建筑等企业的玻璃纤维 制品已成为相对稳定的四大玻璃纤维支柱市场。
19
⑶高强玻璃纤维
美国欧文斯—科宁公司生产的牌号为S和S-2玻璃纤 维、法国圣戈班公司生产的R-玻璃纤维、日本日东纺生 产的T玻璃纤维及我国生产的HS玻璃纤维均属于高强玻 璃纤维。
特点:高强度、高模量。 用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹 盔甲及运动器械。 由于价格昂贵，目前在民用方面还不能得到推广， 全世界产量也就几千吨左右。
20
⑷AR玻璃纤维
亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水泥 而研制的。普通的波特兰水泥呈碱性，一般玻 璃纤维在这种水泥中很快就被腐蚀而丧失强度。 而耐碱纤维因含有16％的ZrO2，故耐碱性大为 增加。目前这种耐碱纤维已在增强水泥制品中 应用。
4. 无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加，偶 联剂的品种不断增加 5. 重视纤维－树脂界面的研究，玻璃纤维的前外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多 数，正向粗纤维方向发展，池窑拉丝工艺正在推 广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维－树脂界 面，重视纤维-树脂界面的研究。
3.1 玻璃纤维及其制品 3.1.1玻璃纤维发展历史
• 20世纪30年代，美国欧文斯·科宁玻璃公司生产的 玻璃纤维问世。
• 1946年，在我国上海采用陶土质坩埚也生产出了成 束的玻璃纤维。
3. 20世纪70年代，世界性能源危机促进了玻纤的发展，世界产量近 1000万吨。
4. 20世纪末，玻璃纤维增强热固性材料、玻璃纤维增强热塑性材料、 玻璃纤维增强沥青防水材料和用于电绝缘级建筑等企业的玻璃纤维 制品已成为相对稳定的四大玻璃纤维支柱市场。
19
⑶高强玻璃纤维
美国欧文斯—科宁公司生产的牌号为S和S-2玻璃纤 维、法国圣戈班公司生产的R-玻璃纤维、日本日东纺生 产的T玻璃纤维及我国生产的HS玻璃纤维均属于高强玻 璃纤维。
特点:高强度、高模量。 用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹 盔甲及运动器械。 由于价格昂贵，目前在民用方面还不能得到推广， 全世界产量也就几千吨左右。
20
⑷AR玻璃纤维
亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水泥 而研制的。普通的波特兰水泥呈碱性，一般玻 璃纤维在这种水泥中很快就被腐蚀而丧失强度。 而耐碱纤维因含有16％的ZrO2，故耐碱性大为 增加。目前这种耐碱纤维已在增强水泥制品中 应用。
4. 无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加，偶 联剂的品种不断增加 5. 重视纤维－树脂界面的研究，玻璃纤维的前外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多 数，正向粗纤维方向发展，池窑拉丝工艺正在推 广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维－树脂界 面，重视纤维-树脂界面的研究。
3.1 玻璃纤维及其制品 3.1.1玻璃纤维发展历史
• 20世纪30年代，美国欧文斯·科宁玻璃公司生产的 玻璃纤维问世。
• 1946年，在我国上海采用陶土质坩埚也生产出了成 束的玻璃纤维。
《材料复合新技术》幻灯片
表达出来。设计自由度大是由于复合材料可 以任意调节其复合度、选择其连接形式和 改变
其对称性等因素，以期到达功能材料所追求 的高优值。此外，复合材料所特有的复合 效应
更提供了广阔的设计途径。
1)功能复合材料
已经提到的功能复合材料目前已有不少品种得到应用，但从开展的眼光看还远远不够。功 能复合材料涉及的范围非常宽。在电功能方面有导电、超导、绝缘、吸波(电磁波)、半导 电、屏蔽或透过电磁波、压电与电致伸缩等；在磁功能方面有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致 伸缩等；在光功能方面有透光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、x线屏蔽和透X 光等；在声学功能方面有吸声、声纳、抗声纳等；在热功能方面有导热、绝热与防热、耐 烧蚀、阻燃、热辐射等；在机械功能方面那么有阻尼减振、自润滑、耐磨、密封、防弹装
硅或金属的烷氧基化合物经水解、缩聚等反响形成硅或金属氧化物的纳米粒子网络，有机 组分那么以高分子单体引入此网络并进展原位聚合形成纳米复合材料。该材料能到达分子
级 的分散水平，所以能赋予它优异的性能。关于配位型纳米复合材料，是将有功能性的无机 盐溶于带配合基因的有机单体中使之形成配位键，然后进展聚合，使无机物以纳米相分散 在聚合物中形成纳米复合材料。该种材料具有很强的纳米功能效应，是一种有竞争力的功 能复合材料。新近开展迅速的离子型有机—无机纳米复合材料是通过对无机层状物插层来 制得的，因此无机纳米相仅有一维是纳米尺寸。由于层状硅酸盐的片层之间外表带负电， 所以可先用阳离子交换树脂借助静电吸引作用进展插层，而该树脂又能与某些高分子单体 或熔体发生作用，从而构成纳米复合材料。研究说明，这种复合材料不仅能作为构造用也 可作为功能材料，并且已显示出具有工业化的可能。
2)无机-无机纳米复合材料 无机 -无机纳米复合材料虽然研究较早，但开展较缓。原因在于无机的纳米粒子容易 在成型过程中迅速团聚或晶粒长大，因而丧失纳米效应，目前正在努力改善之中。采用原 位生长纳米相的方法可以制各陶瓷基纳米复合材料和金属基纳米复合材料，它们的性能有 明显改善。这类方法存在的问题是难以准确控制由原位反响生成的增强体含量和生成物的 化学组成，尚有待改进。 1．3．1．3 仿生复合材料 天然的生物材料根本上是复合材料。仔细分析这些复合材料可以发现，它们的形成结 构、排列分布非常合理。例如，竹子以管式纤维构成，外密内疏，并呈正反螺旋形排列， 成为长期使用的优良天然材料。又如，贝壳是以无机质成分与有机质成分呈层状交替叠层 而成，既具有很高的强度又有很好的韧性。这些都是生物在长期进化演变中形成的优化结 构形式。大量的生物体以各种形式的组合来适应自然环境的考验，优胜劣汰，为人类提供
其对称性等因素，以期到达功能材料所追求 的高优值。此外，复合材料所特有的复合 效应
更提供了广阔的设计途径。
1)功能复合材料
已经提到的功能复合材料目前已有不少品种得到应用，但从开展的眼光看还远远不够。功 能复合材料涉及的范围非常宽。在电功能方面有导电、超导、绝缘、吸波(电磁波)、半导 电、屏蔽或透过电磁波、压电与电致伸缩等；在磁功能方面有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致 伸缩等；在光功能方面有透光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、x线屏蔽和透X 光等；在声学功能方面有吸声、声纳、抗声纳等；在热功能方面有导热、绝热与防热、耐 烧蚀、阻燃、热辐射等；在机械功能方面那么有阻尼减振、自润滑、耐磨、密封、防弹装
硅或金属的烷氧基化合物经水解、缩聚等反响形成硅或金属氧化物的纳米粒子网络，有机 组分那么以高分子单体引入此网络并进展原位聚合形成纳米复合材料。该材料能到达分子
级 的分散水平，所以能赋予它优异的性能。关于配位型纳米复合材料，是将有功能性的无机 盐溶于带配合基因的有机单体中使之形成配位键，然后进展聚合，使无机物以纳米相分散 在聚合物中形成纳米复合材料。该种材料具有很强的纳米功能效应，是一种有竞争力的功 能复合材料。新近开展迅速的离子型有机—无机纳米复合材料是通过对无机层状物插层来 制得的，因此无机纳米相仅有一维是纳米尺寸。由于层状硅酸盐的片层之间外表带负电， 所以可先用阳离子交换树脂借助静电吸引作用进展插层，而该树脂又能与某些高分子单体 或熔体发生作用，从而构成纳米复合材料。研究说明，这种复合材料不仅能作为构造用也 可作为功能材料，并且已显示出具有工业化的可能。
2)无机-无机纳米复合材料 无机 -无机纳米复合材料虽然研究较早，但开展较缓。原因在于无机的纳米粒子容易 在成型过程中迅速团聚或晶粒长大，因而丧失纳米效应，目前正在努力改善之中。采用原 位生长纳米相的方法可以制各陶瓷基纳米复合材料和金属基纳米复合材料，它们的性能有 明显改善。这类方法存在的问题是难以准确控制由原位反响生成的增强体含量和生成物的 化学组成，尚有待改进。 1．3．1．3 仿生复合材料 天然的生物材料根本上是复合材料。仔细分析这些复合材料可以发现，它们的形成结 构、排列分布非常合理。例如，竹子以管式纤维构成，外密内疏，并呈正反螺旋形排列， 成为长期使用的优良天然材料。又如，贝壳是以无机质成分与有机质成分呈层状交替叠层 而成，既具有很高的强度又有很好的韧性。这些都是生物在长期进化演变中形成的优化结 构形式。大量的生物体以各种形式的组合来适应自然环境的考验，优胜劣汰，为人类提供
高分子复合材料玻璃纤维.完整PPT资料
特点：没有固定的熔点 玻璃纤维是将玻璃材料通过拉丝形成的纤维状的玻璃。
（2）玻璃纤维的结构
微晶结构假说：
玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”组成，在结构上是高 度变形的晶体，在“微晶子”之间由硅酸盐过冷溶液所填充。
网络结构假说：
玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连 成不规则三维网络，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离 子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的 基础，填充的Na、Ca等阳离子称为网络改性物。
（2）玻璃纤维的结构 玻璃纤维结构示意图
（3）玻璃纤维的化学组成
玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、三氧化二硼(B2O3)、 氧化钙(CaO)、三氧化二铝(Al2O3)等
以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃； 以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。
氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以降低玻璃的 熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容易排除，它主要通过破坏玻 璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。
高分子复合材料第二章玻璃纤维
第二章 增强材料
高分子复合材料的增强材料的基本特征
①增强材料应具有能明显提高树脂基体某种所需特性的性能，以便 赋予复合材料所需的特性和综合性能；
②增强材料应具有良好的化学稳定性； ③与树脂有良好的浸润性和适当的界面反应，使增强材料与基体树
脂有良好的界面结合； ④价格低廉。
公司年产玻纤65万吨。
我国玻纤工业起步于1958年，当年产能500吨，产量106吨。 2000年以后，随着玻璃纤维池窑拉丝工艺的迅速发展，我国玻纤产
量2007年达到160万吨, 成为世界玻纤产能第一大国。
年我国玻纤产量超过260万吨。
玻璃纤维的发展现状 2005年以前，全球玻纤行业一直是国外垄断格局。由 欧文斯科宁、PPG和法国圣戈班占据60%以上的份额。 近5年来，随着中国三大厂商巨石集团、重庆国际和泰 山玻纤每年30%的持续高速产能投入，中国三强不仅垄断着 国内市场，也成为全球格局中新的寡头。
（2）玻璃纤维的结构
微晶结构假说：
玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”组成，在结构上是高 度变形的晶体，在“微晶子”之间由硅酸盐过冷溶液所填充。
网络结构假说：
玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连 成不规则三维网络，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离 子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的 基础，填充的Na、Ca等阳离子称为网络改性物。
（2）玻璃纤维的结构 玻璃纤维结构示意图
（3）玻璃纤维的化学组成
玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、三氧化二硼(B2O3)、 氧化钙(CaO)、三氧化二铝(Al2O3)等
以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃； 以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。
氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以降低玻璃的 熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容易排除，它主要通过破坏玻 璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。
高分子复合材料第二章玻璃纤维
第二章 增强材料
高分子复合材料的增强材料的基本特征
①增强材料应具有能明显提高树脂基体某种所需特性的性能，以便 赋予复合材料所需的特性和综合性能；
②增强材料应具有良好的化学稳定性； ③与树脂有良好的浸润性和适当的界面反应，使增强材料与基体树
脂有良好的界面结合； ④价格低廉。
公司年产玻纤65万吨。
我国玻纤工业起步于1958年，当年产能500吨，产量106吨。 2000年以后，随着玻璃纤维池窑拉丝工艺的迅速发展，我国玻纤产
量2007年达到160万吨, 成为世界玻纤产能第一大国。
年我国玻纤产量超过260万吨。
玻璃纤维的发展现状 2005年以前，全球玻纤行业一直是国外垄断格局。由 欧文斯科宁、PPG和法国圣戈班占据60%以上的份额。 近5年来，随着中国三大厂商巨石集团、重庆国际和泰 山玻纤每年30%的持续高速产能投入，中国三强不仅垄断着 国内市场，也成为全球格局中新的寡头。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5
纤维可分为无机纤维和有机纤维
6
（一） 有机纤维
聚芳酰胺纤维 聚乙烯纤维
1.聚芳酰胺纤维制备
芳纶是分子链上至少含有85%的直接与
两个芳环相连接的酰胺基团的聚酰胺经纺丝
所得到的合成纤维。目前，供复合材料作增
强材料最多的是聚对苯二甲酰对苯二胺
（ Poly (P-Phenylene terephthalamide)，
(3) kevlar纤维的结构
kevlar纤维具有优异力学、化学、热 学、电学等性能，而这是与其化学和物理 结构密切关联的。
H
O
C
CN
NC
C
O
H
O
H CN
O NC
芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复 合材料制件。
12
自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量 逐年增加。
其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之 广泛应用到军工和国民经济各个部门。
13
(1)PPTA树脂的合成和kevlar纤维的制备
PPTA聚合物是由严格等摩尔比的高纯度对
苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二胺单体
第2章 复合材料的增强材料
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。
1
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物 ② 晶须 ③ 颗粒
2
一、纤维
如，植物纤维－－－棉花、麻类；
动物纤维－－－丝、毛；
矿物纤维－－－石棉。
天然纤维
强度较低，
现代复合材料的增强材料 用合成纤维。
处理得Kevlar纤维
Hale Waihona Puke 17(2) 芳纶纤维的性能特点
A 、芳纶纤维的力学性能； Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性； Ｃ、芳纶纤维的化学性能。
18
A 、芳纶纤维的力学性能
芳纶纤维的特点是拉伸强度高。单丝强度 可达3773 MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度 为2744 MPa，大约为铝的5倍。
芳纶纤维的冲击性能好，大约为石墨纤维 的6倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维0.8倍。
芳纶纤维具有良好的耐介质性能，对中 性化学药品的抵抗力一般是很强的，但易受 各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；
26
芳纶纤维的耐水性也不好，这是由于在分子结 构中存在着极性酰氨基；
湿度对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯。在低 湿度(20％相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为1％，但 在高湿度(85％相对湿度)下，可达到7％。
21
芳纶纤维的基本性能
22
Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性
芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不 熔，当温度达487 ℃时尚不熔化，但开始碳 化。
23
因此，芳纶纤维在高温作用下，不发生变 形，直至分解。
如，能长期在180℃下使用；在150℃下作用 一周后强度、模量不会下降；即使在200℃下，一 周后强度降低15％，模量降低4％；
27
性能特点小结
①具有很好的拉伸性能，而较差的抗扭剪切性能及 抗压性能；
②具有较高的断裂伸长率及耐冲击性能； ③具有良好的热稳定性，耐火、不熔，在空气中长
期使用温度可达160℃，热膨胀系数很小，与碳纤 维相近； ④具有良好的耐化学介质性能，除强酸、强碱外， 对其它化学药品均较稳定； ⑤耐光性较差，在受紫外线作用后，强度下降； ⑥具有良好的电气绝缘及电磁波的穿透性等。 28
简称PPTA）纤维，其中产量最大的是Du
7
Pont公司于1972年推出的kevlar系列纤维。 8
芳纶纤维
芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应 用的聚芳酰胺纤维。
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。
9
芳纶纤维的历史很短，发展很快。 1968午美国杜邦公司开始研制。 1972年以B纤维为名发表了专利并提供产品。 1972年又研制了以PRD--49命名的纤维。 1973年正式登记的商品名称为ARAMID纤 维。
在强极性溶剂中，通过低温溶液缩聚法或 直接缩聚反应而得;
PPTA溶于浓硫酸中配成临界浓度以上的向 列型液晶纺丝液，采取干-湿法纺丝，最后
经洗涤、干燥或热处理，制得各种规格、
不同性能的kevlar纤维。
14
树脂形成机理
nClCO
COCl + nH2N
NH2
HN
NH CO
CO +2nHCl
n
15
制备高分子量聚对苯撑对苯二甲酰 胺的条件
19
芳纶纤维的弹性模量高，可达1.27 ~ 1.577 MPa，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。
芳纶纤维的断裂伸长在3％左右，接近玻璃 纤维，高于其他纤维。
20
芳纶纤维与碳纤维混杂将能大大提高纤维复 合材料的冲击性能。
芳纶纤维的密度小，比重为1.44 ~ 1.45，只有 铝的一半。因此，它有高的比强度与比模量。
3
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。
4
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60 MPa提高到100MPa，弹性模量可从3000 MPa 提高到8000 MPa，其热变形温度可从85℃提高到 105℃ ，使-40 ℃以下的冲击强度可提高10倍。
10
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，并 重改名称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29； PRD--49--III改称为芳纶--49； B纤维改称为芳纶。
11
芳纶、芳纶--29、芳纶--49这三种牌号纤维 的用途各不相同。
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。
另外，在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解。
24
和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有 各向异性的特点。
如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数在0 ~ 100℃ 时为-2 × 10 -6 /℃ ；在100 ~ 200℃时为-4 × 10 –6 /℃。横向热膨胀系数为59 × 10 -6 /℃
25
Ｃ、芳纶纤维的化学性能
防止二酰氯水解 采用高纯度单体和等摩尔比原料 加入酸吸收剂,及时排除HCl
16
纺丝工艺
方法 液晶纺丝
向列型液晶容易在流动取向中相互穿越, 伸展取向
工艺
湿法纺丝——生产效率低,纤维性能差
干喷湿纺——高浓度树脂液晶液,高温高
速喷丝,在低温凝固浴中经过纺丝管形成丝
束,绕在绕丝辊上,热辊上干燥,惰性气体中热
纤维可分为无机纤维和有机纤维
6
（一） 有机纤维
聚芳酰胺纤维 聚乙烯纤维
1.聚芳酰胺纤维制备
芳纶是分子链上至少含有85%的直接与
两个芳环相连接的酰胺基团的聚酰胺经纺丝
所得到的合成纤维。目前，供复合材料作增
强材料最多的是聚对苯二甲酰对苯二胺
（ Poly (P-Phenylene terephthalamide)，
(3) kevlar纤维的结构
kevlar纤维具有优异力学、化学、热 学、电学等性能，而这是与其化学和物理 结构密切关联的。
H
O
C
CN
NC
C
O
H
O
H CN
O NC
芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复 合材料制件。
12
自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量 逐年增加。
其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之 广泛应用到军工和国民经济各个部门。
13
(1)PPTA树脂的合成和kevlar纤维的制备
PPTA聚合物是由严格等摩尔比的高纯度对
苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二胺单体
第2章 复合材料的增强材料
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。
1
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物 ② 晶须 ③ 颗粒
2
一、纤维
如，植物纤维－－－棉花、麻类；
动物纤维－－－丝、毛；
矿物纤维－－－石棉。
天然纤维
强度较低，
现代复合材料的增强材料 用合成纤维。
处理得Kevlar纤维
Hale Waihona Puke 17(2) 芳纶纤维的性能特点
A 、芳纶纤维的力学性能； Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性； Ｃ、芳纶纤维的化学性能。
18
A 、芳纶纤维的力学性能
芳纶纤维的特点是拉伸强度高。单丝强度 可达3773 MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度 为2744 MPa，大约为铝的5倍。
芳纶纤维的冲击性能好，大约为石墨纤维 的6倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维0.8倍。
芳纶纤维具有良好的耐介质性能，对中 性化学药品的抵抗力一般是很强的，但易受 各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；
26
芳纶纤维的耐水性也不好，这是由于在分子结 构中存在着极性酰氨基；
湿度对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯。在低 湿度(20％相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为1％，但 在高湿度(85％相对湿度)下，可达到7％。
21
芳纶纤维的基本性能
22
Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性
芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不 熔，当温度达487 ℃时尚不熔化，但开始碳 化。
23
因此，芳纶纤维在高温作用下，不发生变 形，直至分解。
如，能长期在180℃下使用；在150℃下作用 一周后强度、模量不会下降；即使在200℃下，一 周后强度降低15％，模量降低4％；
27
性能特点小结
①具有很好的拉伸性能，而较差的抗扭剪切性能及 抗压性能；
②具有较高的断裂伸长率及耐冲击性能； ③具有良好的热稳定性，耐火、不熔，在空气中长
期使用温度可达160℃，热膨胀系数很小，与碳纤 维相近； ④具有良好的耐化学介质性能，除强酸、强碱外， 对其它化学药品均较稳定； ⑤耐光性较差，在受紫外线作用后，强度下降； ⑥具有良好的电气绝缘及电磁波的穿透性等。 28
简称PPTA）纤维，其中产量最大的是Du
7
Pont公司于1972年推出的kevlar系列纤维。 8
芳纶纤维
芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应 用的聚芳酰胺纤维。
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。
9
芳纶纤维的历史很短，发展很快。 1968午美国杜邦公司开始研制。 1972年以B纤维为名发表了专利并提供产品。 1972年又研制了以PRD--49命名的纤维。 1973年正式登记的商品名称为ARAMID纤 维。
在强极性溶剂中，通过低温溶液缩聚法或 直接缩聚反应而得;
PPTA溶于浓硫酸中配成临界浓度以上的向 列型液晶纺丝液，采取干-湿法纺丝，最后
经洗涤、干燥或热处理，制得各种规格、
不同性能的kevlar纤维。
14
树脂形成机理
nClCO
COCl + nH2N
NH2
HN
NH CO
CO +2nHCl
n
15
制备高分子量聚对苯撑对苯二甲酰 胺的条件
19
芳纶纤维的弹性模量高，可达1.27 ~ 1.577 MPa，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。
芳纶纤维的断裂伸长在3％左右，接近玻璃 纤维，高于其他纤维。
20
芳纶纤维与碳纤维混杂将能大大提高纤维复 合材料的冲击性能。
芳纶纤维的密度小，比重为1.44 ~ 1.45，只有 铝的一半。因此，它有高的比强度与比模量。
3
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。
4
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60 MPa提高到100MPa，弹性模量可从3000 MPa 提高到8000 MPa，其热变形温度可从85℃提高到 105℃ ，使-40 ℃以下的冲击强度可提高10倍。
10
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，并 重改名称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29； PRD--49--III改称为芳纶--49； B纤维改称为芳纶。
11
芳纶、芳纶--29、芳纶--49这三种牌号纤维 的用途各不相同。
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。
另外，在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解。
24
和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有 各向异性的特点。
如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数在0 ~ 100℃ 时为-2 × 10 -6 /℃ ；在100 ~ 200℃时为-4 × 10 –6 /℃。横向热膨胀系数为59 × 10 -6 /℃
25
Ｃ、芳纶纤维的化学性能
防止二酰氯水解 采用高纯度单体和等摩尔比原料 加入酸吸收剂,及时排除HCl
16
纺丝工艺
方法 液晶纺丝
向列型液晶容易在流动取向中相互穿越, 伸展取向
工艺
湿法纺丝——生产效率低,纤维性能差
干喷湿纺——高浓度树脂液晶液,高温高
速喷丝,在低温凝固浴中经过纺丝管形成丝
束,绕在绕丝辊上,热辊上干燥,惰性气体中热