复合材料第三章1复合材料增强体
第3章复合材料增强体碳纤维
第3章复合材料增强体碳纤维
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1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol” 的酚醛纤维Phenolic fibers;
1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。
第3章复合材料增强体碳纤维
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1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年， 其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78％。 日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力 约3400吨/年，占总量的43％。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维 轴向性能高，沿横向性能差。
第3章复合材料增强体碳纤维
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3.1 发展历史
碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）的开发历史 可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的 白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产 的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
第3章复合材料增强体碳纤维
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2．根据原丝类型分类
(1)聚丙烯腈基纤维； (2)粘胶基碳纤维； (3)沥青基碳纤维； (4)木质素纤维基碳纤维； (5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再 生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。
第3章复合材料增强体碳纤维
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3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用碳纤维 (2)耐焰碳纤维 (3)活性碳纤维(吸附活性) (4)导电用碳纤维 (5)润滑用碳纤维 (6)耐磨用碳纤维
美国的碳纤维主要用于航空航天领域，欧洲在
航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，
而日本则以体育器材为主。
第3章复合材料增强体碳纤维
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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。
复合材料增强体
到目前为止，制作碳纤维的主要原材料有3中： 人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青。用这些原料生 产的碳纤维各有其特点。制造高强度模量碳纤 维多选用去丙烯腈尾原料。
无论用何种原丝纤维来指导碳纤维，都要经过 5个阶段：拉丝，牵引，稳定，碳化和石墨化。
无论采用什么原材料制备碳纤维，都需要经过 5个阶段，原丝预氧化，碳化以及石墨化等， 所产生的最终纤维，期基本成分为碳。
• 3.1.2.3晶须增强体
• 晶须是在人体条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其 直径为0.2~1μm，长度约为几十微米，由于其具有细小的 组织结构，缺陷少，具有很高的强度的模量。
• 晶须制造分选过程较复杂，成本颗粒高很多，可通过热压 烧结，常规烧结，粉末冶金，挤压铸造等方法来制造复合 材料。
3.2无机非金属纤维
3.2.1碳纤维
碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维 并具有低热膨胀，高导热，耐磨，奶高温等优异性能，是 一种横有发展前景的高性能纤维。
碳纤维是一种以碳尾主要成分的纤维材料。他不同 于有机纤维或陶瓷纤维，不能用熔融法活溶液法直接放肆， 只能以有机物尾原料，采用间接法制造。制造方法可分为 气相法和有机纤维碳化法。气相法是在惰性气氛中小分子 有机物在高温沉积而形成纤维有机纤维碳化法是先将有机 纤维经过稳定化处理比恩成耐焰纤维，然后再在惰性气氛 中，在高温下进行煅烧碳化，是有机纤维失去部分碳和其 他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。
碳纤维性能
碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。单纤维直径为 5~10微米，一般以数百根至一万根碳纤维组成束丝供 使用。由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很 多。高强度型碳纤维的密度约为1.8g/cm3，而高模量 和超高模量碳纤维的密度约为1.85~2.1g/cm3。碳纤维 具有优异的力学性能和物理化学性能。碳纤维具有优 异的耐热性和耐腐蚀性能。在惰性气氛下碳纤维热稳 定性较好，在2000°C的高温下仍能保持良好的力学 性能；但在氧化气氛下超过450°C时碳纤维将被氧化， 时期力学性能明显下降。
《复合材料》课程笔记
《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。
然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。
此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。
70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。
这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。
1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。
复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。
例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。
- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。
例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。
- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。
这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。
- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。
例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。
- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。
例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。
1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。
主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。
复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。
复合材料增强体定义和分类
1.1 增强体的概念增强体的概念：复合材料中能明显提高基体材料某一性能的组元物质增强体的特征：（1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能；（2）增强体应具有稳定的化学性质；（3）与基体有良好的润湿性1.2 增强体的分类（1）颗粒类增强体（零维）性能特点：高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒复合材料性能特点：具有各向同性（2）纤维类增强体（一维）连续长纤维：长度：连续长度一般超过数百米；性能特点：沿轴向有很高的强度和弹性模量分类：分为单丝和束丝两种。
应用：成本高、性能高，只用于高性能复合材料复合材料性能特点：具有各向异性连续长纤维实例单丝：硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为95-140微米）束丝：碳纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝，单丝直径5.6-14微米）短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序)（3）晶须类增强体（一维）外形尺寸：直径0.2-1微米，长约为几十微米性能特点：有很高的强度和模量（结构细小、缺陷少）应用：陶瓷增韧（成本比颗粒高得多）实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅等复合材料性能特点：各向同性。
（4）金属丝增强体（一维）不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢丝/Al）（5）片状物增强体（二维）陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2、Si3N4/BN等。
（6）纤维编织类增强体（三维）纤维编织成的三维结构1.3 纤维类增强体具有高强度的原因（1）固体材料的理论强度：σth = (Eγ/a0)1/2纤维类增强体：Be、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化合物（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材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目都有别与同质地的块状材料内部径向最大裂纹尺寸：非常小（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）内部轴向最大裂纹尺寸：一般（纤维类增强材料）一般（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中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维主要承受轴向拉伸载荷）。
第三章__复合材料的增强体
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四、氧化铝纤维
氧化铝纤维具有优异的机械强度和耐热性能，抗 拉伸强度大，弹性模量高，化学性质稳定，耐高温，
多用于高温结构材料，也可用做高温绝缘滤波器材料。
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氧化铝短纤维制备：
离心甩丝法：将熔融的氧化铝陶瓷熔体流落到 高速旋转的离心辊上，甩成细纤维。
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氧化铝长纤维制备： 烧结法：以Al2O3细粉与Al(OH)3及少量Mg(OH)2
烯 腈 （ PAN ） 纤 维 、 人 造 丝 （ 黏 胶 纤 维 ） 、 沥 青
（Pitch）等。碳纤维的制备一般都包括三个阶段。
7
（1）稳定化处理： 又称不溶化处理或预氧化处理，目的是使原丝变成不溶
不熔的，以防止在后来的高温处理中熔融或者粘连，通
常在 100 300 C 范围内进行。
（2）碳化热处理：
此阶段称为石墨化过程。形成的石墨纤维弹性模量大大
提高。该步骤不是每种碳纤维都必须的。
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制造碳纤维的5个阶段：
拉丝 牵引
稳定
碳化
石墨化
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碳纤维（以PAN为原料） polyacrylonitrile 聚丙烯腈
原丝 制造 安定 化 硫 酸 脱 氢 ， 桥 接 反 应 ， 嘧 啶 聚 合 物 碳化 在 氮 气 中 加 热 一 千 至 两 千 度 稳定 化 碳 、 氮 等 结 合 反 应 ， 脱 氢 反 应 精整 表面 处理 表 面 形 成 氢 氧 基 ， 或 涂 有 机 聚 合 物
26
硼纤维是由一些边界分开的、不规则的 小结节 构成 “玉米棒”结构，因此表面粗燥。小结节是硼在沉积过 程中成核并逐渐长大的，直径为3~7微米，高1~3微米， 节间沟深0.25~0.75微米。
第三章 复合材料的增强体
第三章复合材料的增强体1.被用于复合材料的增强体主要有高性能纤维，晶须，金属丝片装物和颗粒等。
其中发展最快已经大批量生产和应用的增强纤维是碳纤维2.作为复合材料的增强体应具有以下基本特性①增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能②增强体应具有良好的化学稳定性③与基体有良好的润湿性3.增强体的分类①纤维类增强体：纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。
增强体纤维主要包括无机纤维和有机纤维。
无机纤维主要有碳纤维，氧化铝纤维，碳化硅纤维，硼纤维，氮化硼纤维，氮化硅纤维硅酸铝纤维及玻璃纤维等。
有机纤维分为刚性分子链和柔性分子链两种②颗粒类增强体：由于颗粒增强物成本低，制成的复合材料有各向同性，因此在复合材料中的应用发展非常迅速，尤其是在汽车工业中。
③晶须类增强体：晶须增强复合材料的性能基本上是各向同性的。
将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。
4.碳纤维：一般将小于1500℃碳化处理成的称为碳纤维，将碳化处理后再经高温石墨化处理（2500℃）的碳纤维称为石墨纤维。
碳纤维强度高，而石墨纤维模量高，以制取碳纤维的原丝分类，碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维，黏胶基碳纤维，沥青基碳纤维和木质素纤维基碳纤维。
以其性能分类，可分为高强度碳纤维，高模量碳纤维和中模量碳纤维。
后者有耐火纤维，碳质纤维和石墨纤维等。
5.碳纤维的制造。
只能以有机物为原料，采用间接法制造。
制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。
①气相法：在惰性气氛中小分子有机物在高温沉积成纤维。
用该法只能制取短纤维或晶须，不能制取连续长丝②有机纤维碳化法：将有机纤维经过稳定话处理变成耐焰纤维然后再在惰性气氛中进行高温煅烧碳化使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。
可制造连续长纤维。
天然纤维，再生纤维，合成纤维均可制备碳纤维6.目前为止，制作碳纤维的原料主要有三种：人造丝；聚苯烯腈纤维；沥青。
无论用何种原丝纤维制造碳纤维，都要经过五个阶段：拉丝，牵引，稳定，碳化，石墨化。
复合材料的增强相
第九章复合材料第2节复合材料的增强相和增强机制第1讲复合材料的增强相复合材料增强相的形态纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料→纤维→颗粒→二维片材玻璃纤维碳纤维有机纤维金属纤维陶瓷纤维纤维的种类增强相的形态1 纤维芳纶(Kevlar)纤维、聚乙烯(PE)纤维碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维玻璃纤维制备方法：由熔融玻璃经拉丝制成纤维•高抗拉强度比块状玻璃高几十倍，超过高强度合金钢成分：SiO2和少量Al2O3密度：2.4～2.7g/cm3与铝相近连续纤维短切纤维•弹性模量较高比人造纤维高5~8倍，低于一般金属应用举例：玻璃纤维增强聚合物制备玻璃纤维复合材料(玻璃钢)碳纤维是一种含碳量>95%以上的高强度、高模量纤维制备碳纤维的原丝(原材料)粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维关键工艺将原丝高温碳化碳纤维发展历程•爱迪生、斯旺首次制备出碳纤维•用作白炽灯泡灯丝•这种碳纤维没有抗拉强度碳纤维发展历程•20世纪50年代，美国联合碳化公司，以人造纤维丝，制备了强度高的碳纤维•日本工业研究所发明了以聚丙烯腈为前驱体，制备碳纤维的方法单体聚丙烯腈分子结构聚丙烯腈纺成丝预氧化250℃, 2h高温碳化~1000℃碳纤维丝碳纤维发展历程主要生产过程碳纤维(前)和头发(后)直径的对比碳纤维特征化学稳定性高耐酸碱，耐高低温、耐油、抗辐射纤维直径细小Φ~6μm碳纤维特征密度低1.3~2.0g/cm3弹性模量高260~400GPa> (碳钢210GPa)高温强度优异1500℃惰性气氛中，强度保持不变缺点：抗氧化能力差空气中410~450℃开始氧化应用举例：碳纤维增强聚合物，制备碳纤维复合材料有机纤维•芳香族聚酰胺纤维•聚乙烯纤维（超高相对分子量PE）芳纶纤维(Kevlar纤维)Kevlar K-29 一般工业应用Kevlar K-49 高模量高性能线缆和绳索产品Kevlar纤维Kevlar K-49•强度：比玻璃纤维高45%•密度：是钢的1/6•弹性模量：是钢丝的5倍•工作温度范围：-195~260℃•耐疲劳，易加工耐腐蚀，电绝缘性好Kevlar 纤维Kevlar纤维特征防割手套Kevlar纤维(复合材料)的应用防弹头盔防弹背心碳化硅纤维性能优势•强度高•弹性模量高•耐化学腐蚀•(与金属)反应活性低•热膨胀系数较小•抗氧化性能优异以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得碳纤维碳化硅纤维涂层碳化硅纤维制备方法1用聚碳硅烷（前驱体）纺纱，经烧结制备SiC纤维碳化硅纤维的制备方法2先驱体转化法SiC纤维在通用公司航空发动机使用SiC纤维(复合材料)碳化硅纤维的应用增强相的形态2 颗粒(粒子)增强体应用举例：增强金属制备金属基复合材料主要为陶瓷颗粒Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C石墨陶瓷颗粒优势•比纤维容易制备•易于批量生产常用颗粒增强物的性质聚合物基复合材料增强颗粒•石墨、炭黑、白炭黑•MgO、SiO2、MoS2、Fe2O3•云母、高岭土、膨润土、碳酸钙、滑石粉•空心玻璃微珠作用:改善制品的力学性能，耐磨性能，耐热性能，导电性能，导磁性能和耐老化性能。
第三章--复合材料的增强体
500℃下经24h，强度下降70%；
600℃下经24h，强度下降80%；
26
（6）电性能：
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。
无碱纤维的电绝缘性比有碱纤维优越，碱金属离子增加，
电绝缘性能变差；温度升高，电阻率下降；湿度增加电阻率下
降。
在玻璃纤维中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化
强度不如E玻纤，价格便宜。
有碱玻璃（A玻璃）纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀敏感，很少
用作增强材料。碱性氧化物含量大于12%。
特种玻璃纤维
20
玻璃纤维的化学组成：
化学组成主要为：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、
三氧化二铝等。
玻璃纤维中加入氢化纳、氢化钾等碱性物质为助熔剂：
通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而降低玻璃的熔化温
5
13.0
1500
20
12.5
1210
90
12.7
860
1560
13.0
720
25
（4）耐磨性和耐折性差：
纤维表面吸附水分后能加速裂纹扩展，降低其耐磨性
和耐折性。
（5）热性能：导热系数小0.035W/(m.K)，
耐热性较高（软化点550~580℃）
热处理对强度的影响：300℃下经24h，强度下降20%；
层处理（增加硼纤维的辅助保护层，使其在高温下不与基材
反应）
11
三、碳化硅纤维（SiC）
碳化硅纤维具有优异的力学性能（如直径为
10~15μm的纤维，拉伸强度为2500~3000MPa，弹性模
量为180~200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性
复合材料的增强材料
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）
《复合材料概论》心得与总结
《复合材料概论》心得与总结卫琦 1306030118通过学习《复合材料概论》，我了解了复合材料的命名、分类以及复合材料的基本性能。
复合材料的基体材料有四种：金属材料、无机胶凝材料、陶瓷材料、聚合物材料。
了解了碳纤维的优点以及碳纤维在生活中被广泛的应用。
以及对聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料的了解。
以下是我对一些知识点的总结。
第一章总论一、复合材料定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料；在复合材料中通常有一个相为连续相，称为基体，另一相为分散相，称为增强材料。
二、复合材料的分类1．按增强材料形态分类（连续纤维复合、短纤维复合、颗粒复合、编织复合）2．按增强材料纤维种类分类（玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维、混合）3．按基体材料分类（聚合物基、金属基、无机非金属基）4．按材料作用分类（结构复合材料、功能复合材料）三、复合材料的基本性能1．可综合发挥各组成材料的优点2．可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造（最大特点！）3．可制成所需的任意形状的产品四、复合材料结构设计的三个结构层次①：一次结构：指由基体和增强材料复合而成的单层材料②：二次结构：指由单层材料层合而成的层合体③：三次结构：指通常所说的工程结构或者产品结构第二章复合材料的基体材料复合材料的基体材料有以下四种：①：金属材料主要包括铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等陶瓷材料主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷聚合物材料主要包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热固性/热塑性聚合物。
第三章复合材料的增强材料一、增强材料的定义：在复合材料中，凡事能基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。
二、玻璃纤维的分类：1．以玻璃原料成分分类：无碱玻璃纤维（E玻纤）；中碱玻璃纤维；有机玻璃纤维（A玻璃）；特种玻璃纤维。
复合材料学的基体材料和增强材料各论
设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求， 对结构设计的同时对材料本身进行设计。
具体体现在两个方面
力学设计—— 给制品一定的 强度和刚度
功能设计——给 制品除力学性能 外的其他性能
3、工艺性能好 复合材料的工艺性能十分a、优电越绝，缘其性成能好型，方不法受
多种多样，成型条件机动灵活。电磁作用； 具1导的/体1热玻0到0系 璃～玻数 钢1璃/小 可1纤0， 耐0维0是瞬；增金时特强属高殊树材温类脂料。型基复合bc制、、材品可微料。制波特作穿性成透：不性带好静；电的
碳纤维II/环氧 1.45
1.5
1.4
1.03
0.97
碳纤维I/环氧
1.6
1.07
2.4
0.67
1.5
有机纤维/环氧 1.4
1.4
0.8
1.0
0.57
硼纤维/环氧
2.1
1.38
2.1
0.66
1.0
硼纤维/铝
2.65
1.0
2.0
0.38
0.57
由表1-2可见：FRC的密度约为钢的1/5，铝的1/2
比模量：高模量碳纤维/环氧复合材料为钢的5倍，
2007年6月8日， “阿特兰蒂斯”号 航天飞机在位于美 国佛罗里达州卡纳 维拉尔角的肯尼迪 航天中心发射升空， 飞往国际空间站。
美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它 以结构小巧重量轻而称奇于世。
采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机。
无机非金属材料：具有性质稳定，抗腐蚀、 耐高温等优点。但质脆，经不起热冲击。
金属材料：力学性能好，耐高温。但密度 大，抗腐蚀性能差。
复合材料概论课件 王国荣 第三章 复合材料的增强材料
• 定义：复合材料中凡能提高基体材料力学性能的物质。
• 纤维：在复合材料中起增强作用，是主要承 力组分。可使复合材料的强度、刚度以及耐 热性、韧性得到较大幅度提高，且可减小收 缩。
• 例如：PS塑料中加入玻璃纤维后 拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa, 弹性模量可从3GPa提高到8GPa， 热变形温度可从85℃提高到105 ℃， 使-40 ℃下的冲击强度提高10倍。
纤维种类
E-玻纤 S-玻纤 M-玻纤 棉纤维 铝合金
密度
2.54 2.44 2.89 1.5 2.7
拉伸强度 MPa 3500
4700
3700 300～400 40～460
弹性模量 GPa 72 87
118 10～12
72
3.2.1 物理性能
• 密度: 2.4～2.9； • 耐磨性和耐折性: 都很差； • 热性能: 导热率小0.035W/（m·K），隔热
表3-2 各种金属丝的性能
金属丝 W
密度 19.4
弹性模量 拉伸强度
GPa
MPa
407
4020
熔点 /K
3673
Mo
10.2
329
2160 2895
钢
7.74
196
4120 1673
不锈钢 7.8
196
3430 1673
Be
1.83
245
1270 1553
3.4 有机纤维（芳纶纤维）
➢芳纶纤维（Kevlar纤维)是芳香族聚酰胺类纤 维的总称。最常用的为Kevlar-49。
性好、价格低，但强度不如无碱GF； ➢ 有碱GF（A玻纤）: 碱金属含量>14%，强度低、耐湿热
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复合材料第三章1复合材料增强体
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2.1 玻璃纤维的种类
（1）按玻璃原料成分分类（最重要的分类方法）
E-玻璃纤维（电气玻璃）：
又称无碱玻璃，由钙铝硼硅酸盐组成的玻璃，碱金属氧化物 （R2O）含量一般小于0.8%（国外小于1%）。E-玻璃纤维
的电绝缘性能特别好，并且有较高的强度和较好的耐环
境老化性能，但易被稀的无机酸腐蚀（ 耐酸性差 ）。
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1.2 增强体的分类
（1）颗粒类增强体（零维）
性能特点： 高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀
实 例： 碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、 碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒
复合材料性能特点：具有各向同性
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（2）纤维类增强体（一维）
连续长纤维：
长 度： 连续长度一般超过数百米；
原 因： 缺陷的存在；应力集中；破坏失效。
断裂力学的研究结果： σ = (Eγ/4c)1/2
高 强 度： 高的弹性模量、高的表面能
尽可能小的内部或表面的最大裂纹长度
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（3）纤维材料具有高强度的原因：
纤维类增强材料： 同质地块状材料：
强度很高 强度一般
E-玻璃： E-玻璃纤维：
（1）固体材料的理论强度：
σth = (Eγ/a0)1/2
纤维类增强体： Be (铍)、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化 合物 （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！
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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。
1/(Mρ)表示材料的柔曲性，与1/d4成正比。
玻璃是典型脆性材料，为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性？
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图3.2 各种纤维材料的柔曲性与纤维直径和杨氏模量的关系
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§2 玻 璃 纤 维
➢ 2.1 玻璃纤维的种类 ➢ 2.2 玻璃纤维的制造 ➢ 2.3 玻璃纤维的结构和化学组成 ➢ 2.4 玻璃纤维的性能 ➢ 2.5 玻璃纤维的应用
内部轴向最大裂纹尺寸 ？ 对性能有怎样的影响呢？
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内部轴向最大裂纹尺寸：
一般 一般
（纤维类增强材料） （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
中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维 主要承受轴向拉伸载荷）
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1.4 纤维类增强体具有较高柔曲性的原因
烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝，
单丝直径5.6-14微米）和芳纶、超高分子量聚乙烯等
有机纤维。
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不连续纤维（短纤维）：
长 度： 连续长度一般几十毫米
性能特点： 沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低
应 用： 成本比较低，应用广 实 例： 硅酸铝纤维、氧化铝纤维
玻璃是典型的脆性材料， 为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性 ？
柔曲性的表示方法：
ρ
M M
图3.1 作用于受力梁上的力矩M及由此力矩产生的曲率半径ρ
以1/(Mρ)表示材料的柔曲性
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材料力学的研究结果给出了下式：
1 64
M Ed 4
上式中，E为材料的杨氏模量，d为圆柱的直径 。以
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（4）金属丝增强体（一维）
不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢 丝/Al）
（5）片状物增强体（二维）
织物、毡等。陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2、 Si3N4/BN等。
（6）纤维编织类增强体（三维）
纤维编织成的三维结构
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1.3 纤维类增强体具有高强度的原因
碳纤维、氮化硼纤维等 复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序)
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（3）晶须类增强体（一维）
外形尺寸： 直径0.2-1微米，长约为几十微米
性能特点： 有很高的强度和模量
（结构细小、缺陷少）
应 用： 陶瓷增韧（成本比颗粒高得多）
实 例： 碳化硅、氧化铝、氮化硅等 复合材料性能特点：各向同性。
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。
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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， 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：
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C-玻璃纤维：
40 - 100 MPa 1000MPa（直径为10微米） 2400MPa（直径5微米以下）
随着纤维直径减小，强度将获得进一步提高！源自复合材料第三章1复合材料增强体
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纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目 都有别与同质地的块状材料
内部径向最大裂纹尺寸：
非常小 一般
（纤维类增强材料） （同质地块状材料）
第三章 复合材料的增强材料
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1.1 增强体的概念
增强体的概念：
复合材料中能明显提高基体材料某一性能的组 元物质。起承受载荷、增强、增韧作用。
增强体的特征：
（1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能； （2）增强体应具有稳定的化学性质； （3）与基体有良好的润湿性
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(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。
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（2）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！
性能特点： 沿轴向有很高的强度和弹性模量
分 类： 分为单丝和束丝两种。
应 用： 成本高、性能高，只用于高性能复合材料 复合材料性能特点：具有各向异性
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连续长纤维实例
单 丝：
硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为
95-140微米）
束 丝：
碳纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维、