复合材料第九章
第九章偶联剂.
（2）不饱和烷基 乙烯基三氯硅烷是通过三氯硅烷对乙炔的单分 子加成而制备的。这一反应中要采用过量的乙炔， 尽量减少双分子加成反应的发生。高温条件下， 三氯硅烷也会与烯丙基氯或乙烯基氯反应，生成 不饱和硅烷。
不饱和硅烷主要用作偶联剂，但也可以用作 制造化工产品的中间体。 乙烯基官能团硅烷作为工业用不饱和聚酯的 偶联剂，通常被甲基丙烯酸酯官能团硅烷所取代， 但它仍广泛地应用于含填料的聚乙烯中，它能改 善电缆包覆层的电绝缘性能。 由乙烯苄基氯制得的阳离子型苯乙烯官能团 硅烷，其独特之处是它对几乎所有的热固性树脂 和热塑性树脂都是有效的偶联剂。
偶联剂是指能改善填料与高分子材料之间 界面特性的一类物质。其分子结构中存在两种 官能团：一种可与高分子基体发生化学反应或 至少有好的相容性；另一种可与无机填料形成 化学键。 偶联剂可以改善高分子材料与填料之间的 界面性能，提高界面的粘合性，改善填充或增 强后的高分子材料的性能。
工业上使用偶联剂按照化学结构分类可分为： 硅烷类，钛酸酯类，铝酸酯类，有机铬络合 物，硼化物，磷酸酯，锆酸酯，锡酸酯等。 它们广泛地应用在塑料橡胶等高分子材料领 域之中。
第九章 偶联剂
9.1 概述 9.2 偶联剂的合成 9.3 偶联剂的应用
9.1 概述
偶联剂主要用于复合材料中，即以聚合物为 基材、无机矿物为填充材，通过熔融混炼加工成 型得到的改性材料。 复合化的目的： 1、提高材料的性能或使材料功能化，例如增 强材料的强度，改善制品的机械、电绝缘及抗老 化等综合性能。 2、填充大量廉价无机填料的改性方法，可以 降低产品成本，提高产量。
氯硅烷与乙酸酐一起共热并除去挥发性的乙酰 氯，可避免生成盐的沉淀。
2．硅原子上有机官能团的引入 （1）卤代烷基 把三氯硅烷加到烯丙基溴中便可以制备3-溴丙 基硅烷。
第九章 习题 1.增强体、基体和界面在复合材料中各起什么作用
第九章 习题1．增强体、基体和界面在复合材料中各起什么作用?2．涂有碳化硅涂层的硼纤维增强铝合金是一种耐高温的轻质航空、航天复合材料，纤维和基体的主要性能参数如表9-1所示。
当纤维体积分数为0.40时，试计算复合材料的密度、纵向和横向模量及纵向强度、热膨胀系数。
表9-1 硼纤维及铝合金的某些性能参数 材料密度 g/cm3 弹性模量 GPa 抗拉强度 MPa 热膨胀系数 10-6/℃ 硼纤维2.36 379 2759 8.30 铝合金 2.70 69 345 23.43．比较弥散增强、粒子(颗粒)增强和纤维增强的作用和机理。
4．简述复合材料中的尺寸效应。
5．比较连续纤维和短纤维增强复合材料的临界体积分数，说明临界体积分数的意义。
6．说明L<L。
的短纤维复合材料，为什么无论施加多大载荷，复合材料中的纤维都不会断裂。
7．证明单向复合材料受到垂直于纤维的应力时，其横向弹性模量的计算公式为1．m m f f T E E E ϕϕ+=18．对复合有何要求，是否任意两种材料复合后都能制成复合材料?9．导出甲。
的关系表达式(包括连续纤维和随机定向排列短纤维复合材料)。
10．若单向连续纤维排列不均匀，但都是方向性很好的平行排列，是否会对弹性模量有影响，请予说明。
11．短纤维复合材料强度达到连续复合材料强度的95％时，计算L,c·。
12．单向连续复合材料受纵向应力纤维断裂时，纤维会断裂成什么样的长度，分析为什么会出现这种断裂。
13．改进界面结合应从那些方面考虑?14． Kevlar 纤维—环氧树脂复合材料中，纤维体积分数为o．3，环氧树脂密度为1.25 g/cm 3，弹性模量为31 GPa，Kevlar 纤维的密度为1.44 g/cm 3，弹性模量为124GPa，计算该复合材料的密度和平行于纤维方向和垂直于纤维方向的模量。
15． 证明短纤维复合材料的纤维平均应力为fu c f L L σσ)21(−=，式中L c 为纤维的临界长度，L 为纤维长度，L>L c ，σfu 为纤维断裂强度。
建筑材料 第九章 绝热和吸声材料
第九章 绝热和吸声材料
12. 聚苯乙烯金属夹芯板 聚苯乙烯金属夹芯板即用金属板夹聚苯乙烯泡沫塑料板。金属板可选 用普通钢板、不锈钢板和镀锌钢板，还可做成复合夹芯板，外面为装饰板， 里面用塑料复合板（涂塑钢板）。聚苯乙烯金属夹芯板的制作关键是金属 板的整理，要求平整不能变形。制作时，将聚苯乙烯泡沫塑料板材切割成 所需的厚度，用黏合剂将其黏结在金属板上，黏合剂一般采用双组分聚氨 酯胶。
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第九章 绝热和吸声材料
四、常用绝热材料及其性能
1. 石棉及其制品 石棉是一种天然矿物纤维，主要化学成分是含水硅酸镁，具有耐火、 耐热、耐酸碱、绝热、防腐、隔声及绝缘等特性。石棉常制成石棉粉、石 棉纸板、石棉毡等制品，用于建筑工程的高效能保温及防火覆盖等。 2. 矿棉及其制品 矿棉 一般包括矿渣棉和岩石棉。 3. 玻璃棉及其制品 玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃经熔融后制成的纤维状材料，包括短棉 和超细棉两种。
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第九章 绝热和吸声材料
9. 多孔混凝土 多孔混凝土包括泡沫混凝土、加气混凝土和轻骨料混凝土。 10. 聚苯乙烯绝热材料 由可发性聚苯乙烯树脂（EPS）加工制造的聚苯乙烯绝热材料具有优 良的耐冲击性能，强度、韧性和绝热性能较好，抗酸碱能力较强，而且密 度小、防水、防细菌生长、外观清洁、易着色、易切割、易成型。
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第九章 绝热和吸声材料
由公式可知：Cm 越大、Q 越大、材料自身的温度变化越小，越有利 于保温。
导热系数和比热是设计建筑物维护结构时进行热工计算的重要参数。 选用导热系数小而比热大的建筑材料，可提高围护结构的绝热性能并保持 室内温度的稳定。
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第九章 绝热和吸声材料
二、绝热材料的分类
1. 按组成成分分类 按化学成分不同，绝热材料可分为有机类绝热材料（如苯板、聚苯板、 挤塑板、聚苯乙烯泡沫板、硬质泡沫聚氨酯、聚碳酸酯及酚醛等）、无机 类绝热材料（如珍珠岩水泥板、泡沫水泥板、复合硅酸盐、岩棉、蒸压加 气混凝土砌块、传统保温砂浆等）、复合材料类绝热材料（如金属夹芯板、 玻化微珠、聚苯颗粒等）和保温防裂材料（如电焊网、热镀锌钢丝网、网 格布等）。
复合材料的组成及作用基体
层状陶瓷复合材料断口形貌
三明治复
双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 层状结构材料根据材质不同，分别用于飞机制造 、运输及包装等。
有TiN涂层的高尔夫球头
层状复合
铝合金蜂窝夹层板
9.3 复合材料的成型工艺
复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础 和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合 材料工业得到迅速发镇，其老的成型工艺日臻 完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基 复合材料的成型方法已有20多种，并成功地 用于工业生产.
2 复合材料的特点
A 组成与结构特点 （1）具有可设计性 （2）组元间有明显界面或 呈梯度变化的多相材料； （3）性能取决于各组分性 能及协同效应。 B 性能特点 比强度高
抗疲劳性能好
耐磨减磨性能高 减震能力强 高温性能好 化学稳定性高
成型工艺简单灵活
复合材料性能不足之处
1、横向拉伸强度和层间剪切强度低。 2、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。 3、制造时产品性能不稳定，分散性大，质 检困难。 4、抗老化性能不好。 5、机械连接困难。 6、成本太高。
9.4 复合材料在设计中的应用
聚合物基纤维增强复合材料 通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料 。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提 高，比强度也高得多。
材料种类
环氧树脂 环氧树脂 / E级玻璃纤维
纵向抗拉强 度 MPa
69 1020
纵向弹性模 量 GPa
6.9 45
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性） 环氧树脂 / 芳纶纤维（49）
3 复合材料分类
按组成分 ①金属与金属复合材料 ②非金属与金属复合材料 ③非金属与非金属复合材料 按结构特点： ①纤维复合材料 ②夹层复合材料 ③细粒复合材料 ④混杂复合材料
复合材料完整版
第一章总论1.复合材料：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。
2.在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。
分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。
分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。
3.复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。
将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上“复合材料”。
4.简述复合材料的分类：⑪按增强材料形态分类：①连续纤维复合材料；②短纤维复合材料；③粒状填料复合材料；④编织复合材料。
⑫按增强纤维种类分类：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维复合材料；④金属纤维复合材料；⑤陶瓷纤维复合材料。
⑬按基体材料分类：①聚合物基复合材料；②金属基复合材料；③无机非金属基复合材料。
⑭按材料作用分类：①结构复合材料；②功能复合材料。
5.论述复合材料的共同特点，并举例说明。
复合材料是由多相材料复合而成，其共同特点是：①可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
②可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。
、③可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。
例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
④性能的可设计性是复合材料的最大特点。
第二章复合材料的基体材料1.简述选择基体的原则：①金属基复合材料的使用要求；②金属基复合材料组成特点；③基体金属与增强物的相容性。
2.聚合物基体的种类：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。
3.聚合物基体的作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。
4.不饱和聚酯树脂：是指有线型结构的，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。
第九章材料的亚稳态
第九章材料的亚稳态材料的稳定状态是指其体系自由能最低时的平衡状态，通常相图中所显示的即是稳定的平衡状态。
但由于种种因素，材料会以高于平衡态时自由能的状态存在，处于一种非平衡的亚稳态。
同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。
因此，对材料亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值。
材料在平衡条件下只以一种状态存在，而非平衡的亚稳态则可出现多种形式，大致有以下几种类型：1).细晶组织。
当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。
其中突出的例子是超细的纳米晶组织，其晶界体积可占材料总体积的50%以上；2).高密度晶体缺陷的存在。
晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。
另外，对于有序合金，当其有序度下降，甚至呈无序状态（化学无序）时，也使自由能升高；3).形成过饱和固溶体。
即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解；4).发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相，例如钢及合金中的马氏体。
贝氏体，以及合金中的准晶态相等；5).由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高。
9.1纳米晶材料霍尔—佩奇(Hall-Petch)公式指出了多晶体材料的强度与其晶粒尺寸之间的关系，晶粒越细小则强度越高。
但通常的材料制备方法至多只能获得细小到微米级的晶粒，霍尔—佩奇公式的验证也只是到此范围。
如果晶粒更为微小时，材料的性能将如何变化？制得这种超细晶材料，是一个留待解决的问题。
自20世纪80年代以来，随着材料制备新技术的发展，人们开始研制出晶粒尺寸为纳米（nm）级的材料，并发现这类材料不仅强度更高（但不符合霍尔一佩奇公式），其结构和各种性能都具有特殊性，引起了极大的兴趣和关注。
第9章 复合材料
第二节 复合材料的应用及前景
3.纤维增强陶瓷(FRC) 3.纤维增强陶瓷(FRC) 纤维增强陶瓷 陶瓷具有耐高温、抗氧化、 陶瓷具有耐高温、抗氧化、高弹性模量 和高抗压强度等优点，但脆性大， 和高抗压强度等优点，但脆性大，纤维增强 陶瓷(FRC) (FRC)则是利用纤维克服陶瓷脆性的有效 陶瓷(FRC)则是利用纤维克服陶瓷脆性的有效 方法。 利用纤维承受载荷可提高断裂强度； 方法。⑴利用纤维承受载荷可提高断裂强度； 利用纤维阻止裂纹的扩展提高断裂韧性； ⑵利用纤维阻止裂纹的扩展提高断裂韧性； ⑶分散裂纹的扩展使断裂面积增大和利用纤 维的拉伸增大断裂能等。 维的拉伸增大断裂能等。
小结
一、复合材料 是由两种或两种以上的性质不同的材料 组合起来的多相材料。 组合起来的多相材料。一般是由一种强度低 塑性好的基体材料， 塑性好的基体材料，再加上一种强度高脆性 大的增强材料所组成。 大的增强材料所组成。具有其组成材料本身 所没有的优越性能。 所没有的优越性能。
小结
二、复合材料分类方法 1.按性能分有功能复合材料和结构复合材料 按性能分有功能复合材料和结构复合材料； 1.按性能分有功能复合材料和结构复合材料； 2.按基体分有非金属基和金属基复合材料 按基体分有非金属基和金属基复合材料； 2.按基体分有非金属基和金属基复合材料； 3.按增强剂的种类和形状分有颗粒 层状、 按增强剂的种类和形状分有颗粒、 3.按增强剂的种类和形状分有颗粒、层状、纤 维增强复合材料。 维增强复合材料。目前使用最多的是纤维复 合材料。 合材料。
第二节 复合材料的应用及前景
发动机复合材料隔音隔振垫
第二节 复合材料的应用及前景
复合材料隔音垫
第二节 复合材料的应用及前景
车门密封条
车顶饰条
复合材料表面防静电层修理
3）铜网电阻测量
通过测电阻检测修理质量（电阻大表明修理层导电性差，修理失败）
➢ 砂纸打磨修理区中心点C和相邻区某点D ，曝露出部分铜网
注：点D尽量靠近修理区外轮廓
➢ 清洁表面 ➢ 用毫欧表测量两点间铜网电阻
（点C至点D） 判断：电阻 40m（合格）；
电阻 > 40m（重新修理）
➢ 在两测点暴露的铜网处均匀涂抹 一层薄薄的粘结剂
宽至少2in、环正面涂Alodine、打孔直径0.5in间隔2.0in）
➢ 在铝箔上表面（同搭接环和覆盖层接触区）涂化学转化层 ➢ 铺放搭接环（分别同两部分铝箔重叠至少1.0in、环外侧距
构件边界至少1.0in） ➢ 铺放浸过树脂的玻璃纤维覆盖层（超出搭接环边缘至少
1.0in）
3）封装和固化
铺放分离膜、透气布、电热毯、真空袋等封装并固化
氧-乙炔火焰喷涂技术：将铝线材加热至熔融，用高速气流将雾 化的铝颗粒喷涂在工件表面 ➢ 允许损伤： • 表面裂纹长度< 6in且未从一条边扩展到另一条边 • 刻痕、划槽、擦伤未伤及基层纤维铺层等
措施：涂树脂法（但不能恢复原导电性能） ➢ 临时性修理：铝箔或铝箔粘接带覆盖损伤区，再涂导电树脂，
固化打磨修整并涂化学转化剂 ➢ 永久性修理
3）涂层厚度确定
➢ 从修理区外侧剥落喷涂层测量
➢ 测量同一位置喷涂前后的厚度，算出差值
➢ 对不易测量部位，可用试片固定在修理区附近，根据其喷涂
前后厚度变化确定
4）树脂固化
5）后处理
➢ 制备混合树脂
➢ 打磨并清洁
➢ 对修理区内裸露火焰喷涂铝涂层 ➢ 在喷涂铝涂层上均匀涂混合树脂
涂化学转化层
➢ 固化树脂（可用加温灯）
第九章 复合材料表面防静电层修理
复合材料的成型工艺
第一节 复合材料简述
2.复合材料的特点
(1)比强度和比刚度高 (2)抗疲劳性好 (3)高温性能好 (4)减振性能好 (5)断裂安全性高 (6)可设计性好
第一节 复合材料简述
二、复合材料用原料
1.增强材料
3）基体能够很好地保护纤维表面，不产生表面 损伤、不产生裂纹。
第一节 复合材料简述
(2)增强材料是承载的主要部分，因而纤维必须具 有很高的强度和刚度。
(3)增强材料与基体有好的结合强度。 (4)在复合材料中纤维必须具有适当的含量、直径
和分布。 (5) 纤维和基体应有相近的热膨胀系数。
第一节 复合材料简述
2. 井喷沉积法(Spray Co-Deposition)
井喷沉积法是运用特殊的喷嘴，将液态金属 基体通过惰性气体气流的作用后雾化成细小的 液态金属流，将增强相颗粒加入到雾化的金属 流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上 ，凝固形成金属基复合材料的方法。
图9-５所示是采用井喷沉积法生产陶瓷颗粒 增强金属基复合材料的示意图。
复合材料的一种成型方法，如图9－6所示。 热压成型时，先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热，利用蜡类材料热熔冷固的特点，把粉料与熔化的蜡料等粘合剂迅速搅合
成具有流动性的料浆，然后将混合料加压注入模具，冷却凝固后成型，即可得致密的、较硬实的坯体。
二、喷射成型工艺(Spray Moulding) (2)液态法 液态法是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法。
下压制成型。
树脂基复合材料(resin matrix composites-RMC)、金属基复合材料(metallic matrix composites -MMC)、陶瓷基复合材料(ceramic matrix
复合材料概论笔记(武汉理工大学复合材料概论上课笔记,考试资料)
复合材料笔记第一章总论1.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，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。
2.复合材料的分类：1.按增强材料的形态分类1)连续纤维复合材料2)短纤维复合材料3)粒状填料复合材料4)编织复合材料2.按增强纤维的种类分类1)玻璃纤维复合材料2)碳纤维复合材料3)有机纤维复合材料4)金属纤维复合材料5)陶瓷纤维复合材料此外，如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料。
3.按基体材料分类1)合物基复合材料2)金属基复合材料3)无机非金属基复合材料4.按材料作用分类①结构复合材料（用于制造受力构件的复合材料）②功能复合材料（具有各种特殊性能的复合材料）3.复合材料的特点①综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
②可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
③可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工次序。
性能的可设计性是复合材料的最大特点。
4.影响复合材料性能的因素有：增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。
5.聚合物基复合材料的主要性能1)比强度大、比模量大2)耐疲劳性好3)减震性好4)过载时安全性好5)具有多种功能性（①耐烧蚀性好—较高的比热、熔融热和气化热②有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及减摩特性③高度的电绝缘性能④优良的耐腐蚀性能⑤有特殊的光学、电学、磁学的特性）6)有很好的加工工艺性6.金属基复合材料的主要性能1)高比强度、高比模量2)导热、导电性能3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好4)良好的高温性能5)耐磨性好6)良好的疲劳性能和断裂韧性7)不吸潮、不老化、气密性好7.陶瓷基复合材料的主要性能陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良、热膨胀系数和相对密度小。
高中化学 第九章功能复合材料
利用共振效应，可以根据外来的工作 频率，改变复合材料固有频率而避免材料 在工作时引起的破坏。
对于吸波材料，同样可以根据外来波 长的频率特征，调整复合频率，达到吸收 外来波的目的。
27
系统效应
这是材料的一种复杂效应，至目前为 止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实 际现象中已经发现这种效应的存在。
16
在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表 面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基 体组成的复合材料，由于强化了界面的结合， 故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的 复合材料可高出30--40%，而且湿态强度保 留率也明显提高。
17
但是，这种强结合的界面同时却导致 了复合材料冲击性能的降低。
因此，在金属基、陶瓷基增强复合材 料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。
在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳 纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的 结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿 晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的 作用。
25
共振效应
两个相邻的材料在一定条件下，会产生 机械的或电、磁的共振。
由不同材料组成的复合材料，其固有频 率不同于原组分的固有频率，当复合材料中 某一部位的结构发生变化时，复合材料的固 有频率也会发生改变。
18
相补效应和相抵效应常常是共同存在的。 显然，相补效应是希望得到的，而相抵 效应要尽量能够避免。 所有这些，可通过相应复合材料的设计 来加以实现。
19
相乘效应
两种具有转换效应的材料复合在一起， 即可发生相乘效应。
例如，把具有电磁效应的材料与具有 磁光效应的材料复合时，将可能产生具有 电光效应的复合材料。
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因此，通常可以将一种具有两种性能相 互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z 复合起来，可用下列通式来表示，即：
《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。
09第九章 复合材料
复合材料中疲劳裂纹扩展示意图
三种材料的疲劳强度
第九章 复合材料
9.4 常用复合材料
1.树脂基复合材料的基本类型 （1）热固性树脂 特点：硬度、刚度大，受热不软化，其用量比热塑性树脂大。
常用的几种热固性树脂为：环氧、酚醛、聚酯、硅树脂 和聚酰亚胺 （2）热塑性树脂 特点：受热到玻璃转化温度时，会明显产生软化，而冷却后又 能恢复其强度。
第九章 复合材料
9.1 复合材料及其类型
2. 分类 复合材料是多相结构，可分为两类，一类相为基体，起连接作
用；另一类为增强相，起提高强度（或韧性）作用。 常见的分类有三种
① 按基体类型分：树脂类/金属类 ② 按性能分：结构复合材料/功能复合材料 ③ 按增强相的性质和形态分：
→ 纤维增强复合材料 → 颗粒增强复合材料 → 层叠增强复合材料
受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂。 （3）纤维的排列方向要和构件的受力方向一致，才能发挥增强作
用。
第九章 复合材料
9.2 复合材料的增强机制和复合原则
1、纤维增强复合材料的增强机制与复合原则 （4）纤维和基体之间不能发生使结合强度降低的化学反应。 （5）纤维和基体的热膨胀系数应匹配，不能相差过大，否
第九章 复合材料
9.4 常用复合材料
5.金属基复合材料 （1）B纤维增强的金属基复合材料
1）B纤维增强Al合金
② 基体 基体可以是纯Al，变形Al合金(采用热压扩散结合)，铸造Al
合金(采用铸造法)。
③ 显微组织 由厚度为0.076~0.13mm的多层铝箔+直径为0.1mm的多根硼
纤维在524℃、700MPa压力下，保持1.5小时制成。
用途： 可作飞机蒙皮、直升机旋翼桨叶及压气机叶片等；
09第九章复合材料
第九章 复合材料
9.4 常用复合材料
2. 增强纤维及纤维树脂基复合材料 （1）玻璃纤维及其增强的复合材料
③ 分类及性能
→ 热固性玻璃钢：(60~70%)纤维+(30~40%)热固性树脂，用手敷法，
模压结合或注射成型。
→ 热塑性玻璃钢：适量玻璃纤维+热塑性树脂复合材料，此类玻璃钢
机械强度不如热固性玻璃钢高。 ④ 用途 航空领域：可作飞机螺旋桨、副油箱、雷达罩等； 交通运输方面：可作车顶、车身、发动机罩和船舶零件； 化工方面：可作管道、阀门、贮罐等。 优点：比重小强度高，耐腐蚀，绝电抗磁，隔音能力较好。
～1小时
～1小时
石墨纤维 (高模量)
第九章 复合材料
9.4 常用复合材料
2. 增强纤维及纤维树脂基复合材料 （2）碳纤维及其增强的复合材料
→ 预氧化目的：提高热稳定性，保证碳化时得到碳纤维。 → 碳化：在氮气或真空中高温加热，使纤维中的氢、氮、氧等 元素逸出，形成碳纤维(此时含75～95%)。这种碳纤维叫高强度碳 纤维(也称Ⅱ型碳纤维)，即此时纤维强度最高； → 石墨化：是在氩保护下在更高温度下加热，进一步提高碳含 量(98%以上)，并使碳转变成石墨晶体。
用；另一类为增强相，起提高强度（或韧性）作用。 常见的分类有三种
① 按基体类型分：树脂类/金属类 ② 按性能分：结构复合材料/功能复合材料 ③ 按增强相的性质和形态分：
→ 纤维增强复合材料 → 颗粒增强复合材料 → 层叠增强复合材料
第九章
9.1 复合材料及其类型
2. 分类
复合材料
（a）层叠复合材料
第九章 复合材料
9.4 常用复合材料
5.金属基复合材料 （1）B纤维增强的金属基复合材料
第九章 复合材料
四、纤维增强机制 1. 纤维的强度能充分发挥 2. 基体能阻碍裂纹扩展 3. 界面对纤维具有粘结作用 ① 纤维脱粘增强 ② 纤维拔除增强 ③ 纤维搭桥增强
五、复合材料的应用
1. 典型复合材料及应用 ① 玻璃钢 玻璃钢：用玻璃纤维增强的塑料 既可以酚醛树脂、环氧树脂等热固型树脂为 基体，又可以聚丙烯、ABS等热塑性树脂为 基体 特点：密度低、比强度高 密度：1.3 ~ 2.0 g/cm³
二、纤维增强复合材料的性能特点
1. 比强度、比模量（E/d）高 比强度能够反映单位重量的材料所能承受的 载荷大小 比模量能够反映单位重量的材料所具有的刚 度大小 碳纤维增强的环氧树脂复合材料，比强度和 比模量比航空工业中使用的高强度Al－Zn －Mg合金能分别高出5倍和4.5倍，特别 适合用作宇航材料
④ 陶瓷基复合材料 基体材料：碳化硅、氮化硅和氧化铝等 增强材料：碳化硅纤维、碳化硅晶须、碳化 硅颗粒和氧化铝颗粒等 最大特点：高温强度高、模量高 典型应用：导弹鼻锥、火箭喷管、拉丝模和 化工泵 2. 复合材料与国防现代化 ① B－2幽灵式轰炸机
携带的基本的武器是B83和B61核炸弹，最 大载弹量为22700kg ，并挂载有近程攻击 导弹、GPS（全球定位系统）制导炸弹 作战能力：2架B—2飞机的作战效果等于 一 个由49架飞机所组成的“攻击特遣队” 的 作战效果 实战表现 ： 攻打南联盟时，摧毁了南联盟近33%的目标
当基体的塑性较好时，由于基体通过塑 性变形能削减裂纹尖端的应力集中，也能阻 止裂纹的扩展 在这些有利因素的共同作用下，使得纤维增 强复合材料能够获得较高的疲劳强度 当零件发生超载致使少数纤维断裂时，
③
由于未断的纤维仍能继续承受载荷，所以 纤维增强复合材料还具有较高的抗断裂能 力和良好的安全性能
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22
1） 基体材料极性基团的含量及极性大小对玻璃 钢高频介电性能的影响
各种基体所含极性基团的极性强弱不同、含量不同、结构不 同，其在外电场作用下产生极化现象的极化程度（ε）以及极 化引起的外电场能量损耗（tanδ）差别较大，因而玻璃钢表 现出来的高频介电性能差别较大。 极性基团含量越大、极性越大，基体的高频介电性能参数值 就变
雷达天线向其周围发射的电磁波能量分布的不同规律性， 可用截面图形表示出来，称为天线的方向性图。 对入射电磁波的反射会造成电磁波能量的分布或最大能量 发射方向发生变化，即天线方向性图畸变。 平方余割 天线方向 性图 瓣状天线方向性图
8
9.2.2 影响雷达罩反射电磁波的因素
13
雷达罩的基本要求
1. 有较大的透波率，较低的功率反射。 2. 对雷达的天线方向性的影响较小，即对雷
达的定向（方位、俯仰）影响较小。
上述两点基本要求与雷达罩的电气类别、材料选择、 结构特点及其制造工艺有关。
14
单层
采用介电系数较大的材料（如玻璃 钢）制成，强度较高，但较重，介 质损耗大，适于小型天线的保护罩。
17
垂直入射雷达罩示意图
流线型雷达罩示意图
电磁波极 化示意图
18
9.4
1)
玻璃钢的高频介电性能
在高频电场条件下，介质材料的介电性能指 标，是介电系数ε和介质损耗角正切值tgδ (介电损耗）。 介质材料的介电系数和介质损耗的大小，取 决于介质材料在高频电场作用下的极化现象。 含有偶极分子或极性基团的介质材料，在外 电作用下，容易产生较强的极化现象，而且通 常表现出较大的介电系数和介质损耗。
25
1） 温度对玻璃钢高频介电性能的影响 2） 湿度对玻璃钢高频介电性能的影响
26
1） 温度对玻璃钢高频介电性能的影响
温度改变了基体中极性基团的运动能力、基团的密度以 及基体的结构，因此温度的影响主要表现在对基体介电性 能的影响。 外电场频率较高时，在基体使用温度范围内，随温度升 高,基体的高频介电性能参数值提高。
第9章 复合材料的高频介电性能 与雷达罩
1
9.1 复合材料的高频介电性能
复合材料的一项重要用途，是用来制造雷达整流罩 及各种微波天线保护罩。这些罩子质量优劣，很大 程度上取决于复合材料的高频介电性能。
复 合 材 料
低频绝缘 高频透波
低频导电 高频绝 缘
金 属 材 料
2
介电性能
介电性能
材料在电场中表现出来的导电行为及其内部 发生的一些物理现象，如介质的极化、电流 的穿透等问题，总称为材料的介电性能。
1）雷达罩材料 罩壁材料的选择，是影响反射的首要因
素。 罩壁材料的介质损耗越小，对电磁 波吸收越少。罩壁材料中的基体材料品 种、用量、固化程度及均匀性是影响雷 达罩对电磁波吸收的主要因素。
2）壁厚
对各种结构的雷达罩都存在某一理想的 厚度，称“最佳厚度”，使罩壁前后表 面反射的电磁波叠加后，减至最小，以 降低反射对雷达性能的影响。
基体中低分子线型组分的增加，如增塑剂、增韧剂的 加入，使基体分子链的柔顺性增加，且在外电场作用下极 性基团的运动能力提高有利于极化运动，表现出高频介电 性能值提高(对高频介电性要求是不利的)。 但若线型组分在基体中含量过高，降低了单位体积基 体中极性基团的密度，也会使基体材料的高频介电性参数 值降低（有利于高频介电性能的要求）。
材料在低频电场条件下的电行为属于材料的低频介电性 能，在高频电场下的电行为属材料的高频介电性能。 对用于雷达罩及各种微波天线保护罩的复合材料（除 CFRP），因它工作在雷达天线辐射出来的高频电（磁） 场条件下，作用是用来保护雷达天线的，所以主要研究 它的高频介电性能。
3
"介电常数" 在学术文献中的解释 o 1．介电常数是指物质保持电荷的能力，损 耗因数是指由于物质的分散程度使能量损失的 大小.理想的物质的两项参数值较小 o 2.其介质常数具有复数形式，实数部分称为介电 常数，虚数部分称为损耗因子.通常用损耗正切 值(损耗因子与介电常数之比)来表示材料与微波 的耦合能力，损耗正切值越大，材料与微波的 耦合能力就越强 o 3．介电常数是指在同一电容器中用某一物 质为电介质与该物质在真空中的电容的比值.在 高频线路中信号传播速度的公式如下：V=K
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3） 制造工艺质量
对复合材料雷达罩，基体材料是影响雷达罩高频介电 性的主要因素，基体材料的固化反应程度，以及基体材料 的含量及其均匀性，是影响雷达罩反射的重要因素。所以 工艺条件的控制、含胶量以及结构均匀性，是影响雷达反 射的重要因素。 雷达罩电气类别的选择，罩壁上是否含有夹杂物，特 别是罩壁上是否有覆冰等，也会影响到雷达罩的反射性能。
19
2)
3)
玻璃钢的高频介电性能 主要取决于基体材料
高频电场下，玻璃纤维属于离子式极化，其介电系 数ε变化不大，介质损耗tgδ较小。基体树脂属于 偶极驰张式极化，其介电系数和介质损耗较大，且 随基体品种不同、基体含量的变化以及基体固化程 度不同，ε和tgδ变化的范围较大。
特 点
玻璃钢的高频介电 性能参数一般较大
6
9.2.1 雷达罩反射电磁波对雷达工作的影响
1） 减少了雷达的最大测距
电磁波能量越高，传播距离越大，对雷达而言就是其最 大测距增大。雷达罩反射了部分电磁波的能量，因而雷 达的最大测距比无罩时减小。
Dmax-雷达的最大测距，米; Pf-雷达发射出电磁波的最大功率值，瓦 Pj-雷达接受机可鉴别的目标物最小功率反射值，瓦 A-雷达接收机天线的有效面积，米2, σ-目标物的有效反射面积，米2 Λ-所发射电磁波的波长，米
4
机载雷达的功能 是通过其天线辐射出一定频率的电磁波， 利用电磁波传播过程的特性， 达到探索目标、 测距、定位以及控制武器攻击目标等目的。
5
9.2 电磁波通过雷达罩时的物理现象及其对 雷达工作的影响
雷达天线辐射出来的电磁波束射向雷达罩时， 会产生反射、折射和透过现象；用作雷达罩的材 料在电磁波作用下产生“极化”现象和损耗（吸 收）电磁波能量的现象。 电磁波的反射和能量损耗对雷达工作性能的 影响最大。
10
9.2.3 吸收电磁波对雷达性能的影响
1）减少探测距离
雷达罩对电磁波的吸收将损耗电磁波的能 量，致使雷达的有效作用距离减小。
2）影响雷达工作
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9.2.4 影响雷达罩吸收电磁波的因素
1）雷达罩材料 罩壁材料的介质损耗越小，对电磁波吸收越少。罩壁 材料中的基体材料品种、用量、固化程度及均匀性是 影响雷达罩对电磁波吸收的主要因素。
按其结构
双层
采用介电系数较小的材料（如泡沫塑 料）制成，其介质损耗低，高频介电 性能好，但强度低，耐热性差。适于 低速飞行器使用。 一般是夹层结构罩，面层采用强度 高、介电系数大的材料，中间夹以 轻质、介电系数小的夹芯制成。重 量轻、强度、刚度较高，介电性能 15 好，但制造工艺复杂。
多层罩
泡沫塑料 玻璃钢－泡沫塑料
2）壁厚
罩壁越薄，电磁波透过罩壁的行程越短，被吸收的能量越少， 因而功率透过系数将越大。 但罩壁厚度不能无限制的减薄，首先要考虑其强度、刚度是 否满足要求，还要考虑满足反射的要求，保持最佳厚度。
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9.3 雷达罩分类与结构
雷达罩的类别可根据其结构、形状、所用材料 以及电气类别来分类。
锥形
按其外形
柱形 椭圆— 半球形
这是对比非极性聚合物而言，与玻璃钢在高频 介电场条件下的极化类型有关。
玻璃钢的高频介电性 能与其制造工艺有关
玻璃钢制造过程中基体含量控制、基体含量分 布的均匀性、基体的固化程度等工艺因素，都 20 会影响玻璃钢的高频介电性能。
影响复合材料高频介电性能的因素
21
在高频电场条件下，为减少介质的功率损耗，应 选择ε、tanδ较小的介质材料。 1） 基体材料极性基团的含量及极性大小对玻璃 钢高频介电性能的影响 2）基体材料极性基团的运动能力对玻璃钢高 频介电性能的影响
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2） 基体材料极性基团的运动能力对玻璃钢 高频介电性能的影响 a. 基体胶粘剂的固化程度
一般当基体材料所含极性基团极性越强、基团越 小（位阻越小）、分子链的柔顺性越好，在外电场作 用下，极性基团沿外电场方向的定向程度越高、则极 化程度越高，其介电系数ε和介质损耗tanδ值越大。
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b. 胶粘剂分子链的柔顺性和低分子线性组分
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2） 湿度对玻璃钢高频介电性能的影响
湿度对玻璃钢高频介电性能的影响较为明显。 因为玻璃钢吸水后，水与玻璃纤维作用产生大量 羟基，使玻璃钢的高频介电性参数值增大。因而 在高频电场条件下使用的玻璃钢应有防护措施， 如表面涂漆等。
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按所用的材料
玻璃钢－蜂窝夹芯材料 陶瓷 玻璃钢－陶瓷材料
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垂直入射雷达罩
按其高频介 电性能特点
平行的电磁波束射向雷达罩，无论天线 在何处罩壁上的工作区域内每点的电磁 波入射角θ都小于30°。
流线型雷达罩
当电磁波束射向雷达罩，罩壁上工作区 域内某些部位的入射角大于30°，或随 天线位置的变化，罩壁上工作区域内入 射角在较大范围内变动。
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外电场频率较低时，介电系数（极性基团的取向度） 随温度升高而增大。介电损耗随温度升高开始由于极性基 团运动能力提高其值下降，随着温度继续升高，已固化的 基体结构中链的“段落”运动能力增加，极化基团的极化 度增加，迅速消耗外电场能量因而介电损耗增大。 若外界温度升高超过了基体的使用温度范围，无论外 电场频率高或低，基体的高频介电性参数都会急剧升高。 这是因为基体开始裂解、分子量急剧下降，分子间约束力 （对极性基团运动的位阻）随之急剧下降；同时漏电电流 急剧上升，因而极化效果迅速增加表现出高频介电性参数 急剧上升。