第3章 增强材料
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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。
第3章___复合材料的增强材料讲解
玻璃纤维的导热性 玻璃导热系数为0.6~1.1千卡/米.度.时，而玻璃纤 维的导热系数是 0.03 卡 / 米 . 度 . 时，远低于玻璃 的导热系数。玻璃纤维是一种良好的绝热材料。 一般材料的导热系数随温度而变化，但玻璃纤维 的导热系数与温度的关系不大。 玻璃纤维的热膨胀系数 玻璃纤维的热膨胀系数为4.8×10-6℃。
玻璃纤维的耐热性 耐热性较高，软化点为550~580℃。 是无机纤维，不会燃烧。 将在某一极限温度之前，纤维的强度基本不变。 但超过这极限温度，冷却下来，强度则明显下 降。加热温度越高，强度下降就越多。 300℃下24小时加热，强度下降20%； 400℃下24小时加热，强度下降50%； 500℃下24小时加热，强度下降70%； 600℃下24小时加热，强度下降80%。
纤维在复合材料中起的增强作用 承载，提高材料的抗拉强度和刚度。 减少收缩。 提高热变形温度和低温冲击性能等。 聚苯乙烯塑料+玻璃纤维: (1)抗拉强度可以从600MPa提高到1000MPa; (2)弹性模量从3000MPa提高到8000MPa; (3)热变形温度从85℃提高到105℃; (4)-40℃的冲击韧性提高10倍。
玻璃纤维的化学性能 玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，纤维的耐腐蚀 性能远不如玻璃。因为玻璃纤维的比表面积大。 玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其他 所有的化学物品和有机溶剂具有良好的化学稳定 性。
影响玻璃纤维化学性能的因素： 组分的影响 中碱玻璃纤维耐酸性较好，对水的稳定性较差； 无碱玻璃纤维耐酸性较差，但对水的稳定性却 较好。中碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维的耐碱性 程度相接近。 表面状态和温度的影响 纤维比表面积大，耐腐蚀性能明显差。纤维越 细，化学稳定性越差。温度越高，纤维的耐蚀 性越差。
第3章 复合理论
改变环境气氛。 固体或液体表面吸附的不同气体能
改变Sv和LV。在氧化性气氛中制造Ni-A12O3复合材料 时也能降低接触角而提高材料的性能。
提高液态金属压力。 提高掖相压力可以改善其对
固体的润湿性。液态金属不能自发渗入纤维束中，只 有在一定外压作用下克服阻力金属才能渗入。各种类 型的加压浸渍工艺便是在此基础上发展起来的。
阻断效应：
散射和吸收效应：
界面效应
诱导效应：
增强材料的表面晶体结构会对基体的晶体结 构产生诱导作用，使其发生改变，由此产生 一系列的性能变化，如高弹性、低膨胀、耐 冲击和耐热等。
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、电感应性、磁性、 耐热性、尺寸稳定性等。
如果γsv<γsl，θ>90。，液体不能润湿固体； 如果γsv>γsl，θ<90。，液体能润湿固体； 如果γlv=γsv-γsl，θ=0。，液体能完全润湿固体； 如果γsv=γsl-γlv ，θ=180。，液体完全不润湿固体。
提高固体表面张力，降低固液界面张力都能改 善液态金属基体对固态增强材料的润湿性。
界面分类
根据增强材料与基体的相互作用情况，界面可以归 纳为三种类型。 类型Ⅰ:增强材料与基体互不溶解、互不反应； 类型Ⅱ:增强材料与基体不反应，但能相互溶解； 类型Ⅲ:增强材料与基体相互反应，生成界面反 应产物。
金属基复合材料的界面类型
界面类 型
界面特 征
类型Ⅰ
增强材料与基 体互不溶解、 互不反应 W丝/Cu Al2O3f/Cu Bf/Al Al2O3/Al SiCf/Al Bf/Mg
《无机复合材料及工艺》第二章——增强材料
3、碳纤维（Carbon fiber） (1)、引言
碳纤维属于高新技术产品，它不仅具有炭素材料的特性，如质量轻， 强度高，耐热，耐腐蚀，还具有金属材料的某些特性，具有良好的 导电和导热性，在各类复合材料（PMC、MMC、CMC和C/C）中得到广 泛应用。 碳纤维增强复合材料广泛应用于航空航天、军事、交通运输、机械 制造、电子工业、体育用品、建筑材料（修补）、生物材料、医疗 器具等各行各业。 碳纤维的大量和广泛应用与其价格的不断降低有关。随着碳纤维的 生产规模的扩大、其价格由原来的数千元/kg，降至数百元/kg。 碳纤维与玻璃纤维一样，可以进行编织成各种碳纤维布，或制成碳 纤维毡使用。
（4）玻璃纤维的特性和应用
特性：
典型性能： 密度：2.4～2.8 g/cm3 抗拉强度：3～4.6 GPa（为高强度钢的2～3倍） 弹性模量：70～110 GPa（与铝和钛合金模量相当） 比强度为：12.5～18.4×106 cm（为高强度钢的6～10倍） 比模量为：2.8～4.0×107 cm（略高于高强度钢） 不燃、不腐、耐热、高拉伸强度、小断裂延伸率、化学稳定性好、 电绝缘性能好；但不耐磨、脆而易折。 可加工成纱、布、带、毡等形状； 可作为有机高聚物基或无机非金属材料（如水泥）复合材料的增 强材料。
对结构复合材料而言，首先考虑的是增强材料的强度、模量和密度。 其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。
二、纤 维（fiber）
直径细到几微米或几十微米，而长度比直径大许多倍的 材料。 其长径比（aspect ratio)一般大于1000。 作为增强材料使用时，纤维一般都具有高模量、高强度。 大多数是有机高分子纤维，也有无机纤维和金属纤维。 重点介绍：
(2)、碳纤维分类
第三章__复合材料的增强体
32
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。
33
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。
34
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。
9
制造碳纤维的5个阶段：
拉丝 牵引
稳定
碳化
石墨化
10
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。
第三章 纤维增强改性
2、碳纤维的性能 与玻璃纤维比较，碳纤维具有： 高弹性模量、在湿态条件下的力学性能保 持率好； 较低的蠕变性和热膨胀系数； 更低的密度； 优异的导热与导电性； 自润滑性与耐磨性； 良好的耐化学腐蚀性、
三、有机聚合物纤维
1、芳纶（芳香族聚酰胺）
耐高温的合成纤维，长期连续使用温度为－200－200℃， 最高使用温度达240℃,Ｔｇ>300℃,分解温度为500℃； 高阻尼特性和低磨耗性； 各向异性小； 在与聚合物的混炼过程中也不像玻璃纤维和碳纤维那样易于 脆性断裂。
按纤维的排列 单向、双向与三向纤维
按纤维的长度
连续、长、短与磨碎纤维 按纤维的材料组成 玻璃、碳、芳纶、金属 （如GFRP 、GFRTP、CFRP、CFRTP）
（3）按复合方式划分
预混复合、浸渍复合、层叠复合、骨架复合
二、纤维增强聚合物复合材料中的 基本单元
纤维增强聚合物复合材料的三种基本单元： 增强相（纤维） 基体相 1、纤维 2、聚合物 界面相
在纤维增强聚合物复合材料中，冲击能量的分 散通常是通过纤维与界面的脱粘、纤维拔出、 纤维与基体的摩擦及基体的变形来实现。为了 同时获得较高的拉伸强度与冲击强度，需要使 纤维增强聚合物复合材料中有适度的界面结合 强度。 复合材料的韧性或冲击强度还与基体材料、纤 维长度及增韧剂有关。
6、蠕变与疲劳 加入增强纤维可以大大降低聚合物的蠕变和 应力松驰的程度； 纤维增强热固性聚合物的抗蠕变性比纤维增 强热塑性聚合物要好得多 ； 长纤维增强聚合物复合材料的耐蠕变性比短 纤维增强复合材料要好得多（尤其在高温 下） ； 增强纤维的加入还可提高基体聚合物的耐疲 劳性；
第 章 材料的界面理论
35
1 机械作用理论 机械作用机理如图所示;当两个表面相 互接触后;由于表面粗糙不平将发生机械互 锁interlocking 很显然表面越粗糙;互锁作 用越强;因此机械粘结作用越有效
36
界面粘结机理示意图 机械作用理论 mechanical bonding
37
在受到平行于界面的作用力时;机 械粘结作用可达到最佳效果;获得较高 的剪切强度 但若界面受拉力作用时;除 非界面有如图中A处所示的‘锚固’形 态;否则拉伸强度会很低
50
第三节 增强材料的表面处理
为了获得好的界面粘结;通常要对增强材料的表 面进行有针对性的处理;以改善其表面性能;获得与 基体的良好界面粘结 3 1 增强材料的表面处理技术 3 1 1 玻璃纤维的表面处理 3 1 1 1 玻璃纤维表面处理的目的和意义
所谓表面处理;就是在增强体表面涂覆上一种称 为表面处理剂的物质;这种表面处理剂包括浸润剂 及一系列偶联剂和助剂等物质;它有利于增强体与 基体间形成一个良好的粘结界面;从而达到提高复 合材料各种性能的目的
SLLGSG
因此;铺展系数SCSpreading Coefficient被 定义为：
SC SG (SL L)G
25
a不完全浸润
b不浸润
不完全浸润a和不浸润b情况示意图
26
只有当铺展系数SC＞0时;才能发生浸润 不完全浸润的情况如图所示;根据力平衡;可 得
SGSLLG CO S
式中称为接触角
38
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
皮革 木材 塑料表面镀金属 纺织品 的粘结等属于此类
39
2 静电作用理论 当复合材料的基体及增强材料的表面带 有异性电荷时;在基体与增强材料之间将发生 静电吸引力;如图所示 静电相互作用的距离 很短;仅在原子尺度量级内静电作用力才有效 因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用
1 机械作用理论 机械作用机理如图所示;当两个表面相 互接触后;由于表面粗糙不平将发生机械互 锁interlocking 很显然表面越粗糙;互锁作 用越强;因此机械粘结作用越有效
36
界面粘结机理示意图 机械作用理论 mechanical bonding
37
在受到平行于界面的作用力时;机 械粘结作用可达到最佳效果;获得较高 的剪切强度 但若界面受拉力作用时;除 非界面有如图中A处所示的‘锚固’形 态;否则拉伸强度会很低
50
第三节 增强材料的表面处理
为了获得好的界面粘结;通常要对增强材料的表 面进行有针对性的处理;以改善其表面性能;获得与 基体的良好界面粘结 3 1 增强材料的表面处理技术 3 1 1 玻璃纤维的表面处理 3 1 1 1 玻璃纤维表面处理的目的和意义
所谓表面处理;就是在增强体表面涂覆上一种称 为表面处理剂的物质;这种表面处理剂包括浸润剂 及一系列偶联剂和助剂等物质;它有利于增强体与 基体间形成一个良好的粘结界面;从而达到提高复 合材料各种性能的目的
SLLGSG
因此;铺展系数SCSpreading Coefficient被 定义为：
SC SG (SL L)G
25
a不完全浸润
b不浸润
不完全浸润a和不浸润b情况示意图
26
只有当铺展系数SC＞0时;才能发生浸润 不完全浸润的情况如图所示;根据力平衡;可 得
SGSLLG CO S
式中称为接触角
38
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
皮革 木材 塑料表面镀金属 纺织品 的粘结等属于此类
39
2 静电作用理论 当复合材料的基体及增强材料的表面带 有异性电荷时;在基体与增强材料之间将发生 静电吸引力;如图所示 静电相互作用的距离 很短;仅在原子尺度量级内静电作用力才有效 因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用
第三章--复合材料的增强体
400℃下经24h，强度下降50%；
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
500℃下经24h，强度下降70%；
600℃下经24h，强度下降80%；
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（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
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12.7
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1560
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（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
32CM3增强材料
C、无捻粗纱布 大部分为无捻方格布，玻 纤与玻纤之间平行分布。
是手糊成型中最常用的产品。
D、玻纤细布 平纹、斜纹、缎纹
E、单向织物
4/1或7/1布，即玻璃纤维经纬分布比例不 同。
玻璃纤维纱
玻璃纤维布
玻璃纤维绳
玻璃纤维毡
玻璃纤维管
玻璃纤维胶带
3.2. 碳纤维
3.2.1 概述
CF是指纤维化学组成中碳元素占总质 量90％以上的纤维。它是有机纤维在惰性 气体中经高温碳化而成的纤维状的碳化物。
国内主要研究与生产单位
上海交通大学 北京化工大学
历史与现状
20世纪60年代起步 70年代中试 强度2.5GPa，与日本相差5年
湖南大学
山西煤炭化学研究所 北京航空材料研究院 沈阳飞行设计研究所 全国特种合成纤维研究中心
75、85、95为攻克T300 （日 本已经淘汰）
年产数十吨 （美国A厂1800 吨，37440万美圆）
③ 影响玻纤强度的因素
•（2）化学成分对玻纤强度的影响
• 硅
铝 钡 硼 镁 钾 钠 铅
• SiO2、Al2O3、BaO、B2O3、MgO、K2O、Na2O、PbO
• 一般情况下K2O、 PbO含量高， 强度低。
③ 影响玻纤强度的因素
•（3） 存放时间对强度的影响
• 由于空气中的水分对玻璃纤维有一 定的侵蚀作用，因此存放一段时间后，玻 璃纤维的强度下降。
（2）影响玻纤化学稳定性的因素 B.纤维表面状况
玻璃是很好的耐腐蚀材料，但制成玻纤 后其表面积大大增加，一般增加500~1000倍， 因此被侵蚀介质作用的面积增加了500 ~ 1000 倍，因此玻纤的耐腐蚀性不算太好。而且纤维越 细，比表面积越大，耐腐蚀性越差。
第三篇玻璃纤维增强塑料渔业船舶
第三篇玻璃钢渔业船舶第1章一般规定第1节通则1.1.1 本篇适用于船长小于35 m并具有连续甲板结构的渔业船舶。
1.1.2 本篇适用于用玻璃纤维增强材料和不饱和聚酯树脂以手工成型（含喷射成型）的渔业船舶，但油船除外。
1.1.3 如若能有充足的理论或实践依据说明其等效性，船舶的结构形式及构件尺寸即使不符合本篇规定，验船部门也应给予考虑。
1.1.4 船长小于12 m的无甲板的渔业船舶，本篇规定可适当放宽，但应经验船部门同意。
1.1.5 本篇未涉及的其它方面的安全技术条件，应符合《渔业船舶法定检验规则（2000）》及《钢质海洋渔船建造规范（1998）》的规定。
第2节定义1.2.1 除另有明文规定外，本篇中所引用的下述名词术语，均应按本节规定的定义。
1.2.2 树脂：一种具有不同的、高的相对分子量的固态、半固态或假固态、有时也可以是液态的有机物质。
通常有一个软化或熔融范围，当受力作用时有流动倾向，断裂时呈贝壳状。
广义地说，此术语惯指作为玻璃钢基本材料的任何聚合物。
1.2.3 玻璃纤维增强材料：系指由玻璃纤维或其制品制造的增强材料，包括玻璃毡、玻璃布和粗纱。
1.2.4 胶衣：用以改善复合材料表面性能的表面树脂层（有时含有着色剂）。
1.2.5 积层：系指由浸透不饱和聚酯树脂的尚未固化的玻璃纤维增强材料之间相继叠合的铺敷作业。
1.2.6 胶接：系指在已固化的玻璃钢表面用浸透树脂的玻璃纤维增强材料（或其他胶粘剂）将其他部件胶结其上的工艺。
1.2.7 无碱玻璃纤维（E玻璃纤维）：碱金属氧化物含量很少，具有良好电绝缘性的玻璃纤维（其碱金属氧化物含量一般小于1%）。
1.2.8 中碱玻璃纤维：系指碱金属氧化物含量为11.6%～12.4％的玻璃纤维。
1.2.9 浸润剂：在纤维制造过程中，主要为改善工艺性而施加于纤维上的物质。
1.2.10 引发剂：促使树脂单体分子活化成游离基从而固化的物质。
1.2.11 促进剂：在复合材料固化过程中，用量很少即能加快反应速度的物质。
复合材料概论课件 王国荣 第三章 复合材料的增强材料
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
• 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
玻璃纤维(课堂PPT)
于制造双曲面制品或复杂形状的玻璃钢制 品。
55
玻璃纤维制品
3)缎纹布 一个方向上的每根纱上面通过另一方
向的几根纱。玻璃纤维的卷曲最少。
56
玻璃纤维制品
3)缎纹布 缎纹布比斜纹布更柔软，有良好铺覆性，
适用于铺复型面复杂的玻璃钢制品。
• 电绝缘材料：无碱玻纤 • 半导体：加入氧化铁、氧化铝、氧化铜 • 导电纤维：涂金属或石墨
28
（5）玻璃纤维的光学性能
• 优良的透光材料 • 做各种采光材料
29
30
（6）玻纤的化学性能
• 耐化学药品 • 有碱纤维耐酸性好 • 中碱、无碱耐碱性好 • 中碱比无碱耐酸性好
31
4、玻璃纤维的制造
盐玻璃，因耐水性很差，很少用于生产玻 璃纤维。
17
2、玻璃纤维的组成和结构
（1）玻璃纤维的化学组成 • 玻璃纤维的化学组成主要是SiO2，以及碱
金属氧化物。 • 玻璃纤维的化学组成对玻璃纤维的性质和
工艺特性起决定性作用 。 • 以SiO2为主的硅酸盐玻璃，以B2O3为主的
称为硼酸盐玻璃。
18
2、玻璃纤维的组成和结构
• 纤维状增强材料，它的抗拉强度和拉伸弹 性模量，有时要比同一块材料要大几个数 量级。
3
概述
generalization
• 增强材料 纤维 fiber 晶须 whisker 粉体 particle
• 纤维增强材料应用最广泛，如 玻璃纤维（glass fiber） 碳纤维（carbon fiber) 芳纶纤维(aramid fiber)
(1) 按玻璃原料分类
碱性氧化物含量
有碱玻璃纤维
大于12％
中碱玻璃纤维
6％－12％
55
玻璃纤维制品
3)缎纹布 一个方向上的每根纱上面通过另一方
向的几根纱。玻璃纤维的卷曲最少。
56
玻璃纤维制品
3)缎纹布 缎纹布比斜纹布更柔软，有良好铺覆性，
适用于铺复型面复杂的玻璃钢制品。
• 电绝缘材料：无碱玻纤 • 半导体：加入氧化铁、氧化铝、氧化铜 • 导电纤维：涂金属或石墨
28
（5）玻璃纤维的光学性能
• 优良的透光材料 • 做各种采光材料
29
30
（6）玻纤的化学性能
• 耐化学药品 • 有碱纤维耐酸性好 • 中碱、无碱耐碱性好 • 中碱比无碱耐酸性好
31
4、玻璃纤维的制造
盐玻璃，因耐水性很差，很少用于生产玻 璃纤维。
17
2、玻璃纤维的组成和结构
（1）玻璃纤维的化学组成 • 玻璃纤维的化学组成主要是SiO2，以及碱
金属氧化物。 • 玻璃纤维的化学组成对玻璃纤维的性质和
工艺特性起决定性作用 。 • 以SiO2为主的硅酸盐玻璃，以B2O3为主的
称为硼酸盐玻璃。
18
2、玻璃纤维的组成和结构
• 纤维状增强材料，它的抗拉强度和拉伸弹 性模量，有时要比同一块材料要大几个数 量级。
3
概述
generalization
• 增强材料 纤维 fiber 晶须 whisker 粉体 particle
• 纤维增强材料应用最广泛，如 玻璃纤维（glass fiber） 碳纤维（carbon fiber) 芳纶纤维(aramid fiber)
(1) 按玻璃原料分类
碱性氧化物含量
有碱玻璃纤维
大于12％
中碱玻璃纤维
6％－12％
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3.2 碳纤维（Carbon Fiber——CF）
碳化过程： 有机化合物在惰性气氛中加热到1000-2000 C时，非碳原子 （氮、氢、氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发 生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱 碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。
石墨化过程： 当温度升到2000 3000C时，非碳原子进一步排除，芳环平面逐 步增加，排列也较规则，取向度显著提高，由二维乱层石墨结构 向三维有序结构转化，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。
第3章知 识 回 顾 复合材料的增强材料
聚合物复合材料
聚合物基体材料
热 固 性 树 脂 热 塑 性 树 脂
增强材料
片 状
纤 维 状
颗 粒 状
第3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。
第3章 复合材料的增强材料
砂、石英石、硼酸和其它成分 （粘土，氟石等）干混后，经 高温炉熔融，熔化后的玻璃液 直接通过漏板形成了玻璃纤维。
第3章 复合材料的增强材料
随着玻璃钢工业的发展，玻璃纤维工 业也得到迅速发展。 国外玻璃纤维的主要特点如下：
第3章 复合材料的增强材料
Ａ、普遍采用池窑拉丝新技术；
Ｂ、大力发展多排多孔拉丝工艺；
子及SiO2与金属离子结合的硅酸盐部分；
当侵蚀介质与玻璃纤维制品作用时，多数是溶 解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分； 对于浓碱溶液、氢氟酸、磷酸等，将使玻璃纤维结 构全部溶解。
第3章 复合材料的增强材料
3.2 碳纤维（Carbon Fiber——CF）
定义：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。
第3章 复合材料的增强材料
1963年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量聚丙烯脂基碳 纤维； 1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质 素为原料的通用型碳纤维； 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维 Pitch-based carbon fiber的工业规模生产；
丙烯腈基碳纤维85％。其它的是沥青基碳纤维。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％。 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 复合材料的增强材料
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。 碳纤维不属于有机纤维范畴，但从制备方法 上看，它又不同于普通无机纤维。
玻璃 成分 SiO2 E玻璃 C玻璃 S玻璃 成分功能 （无碱） （耐腐蚀）（高强度） 52.4 64.4 64.4
Al2O3，Fe2O3
CaO MgO Na2O，K2O Ba2O3 BaO
14.4
17.2 4.6 0.8 10.6 —
4.1
13.4 3.3 9.6 4.7 0.9
25.0
— 10.3 0.3 — —
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600 MPa提高到1000 MPa，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。
第3章 复合材料的增强材料
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
第3章 复合材料的增强材料
无论用哪一种原丝纤维来制造碳纤维， 都要经过五个阶段：
拉丝 牵伸 稳定 碳化 石墨化
第3章 复合材料的增强材料
3.2 碳纤维（Carbon Fiber——CF）
第3章 复合材料的增强材料
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 复合材料的增强材料
目前世界碳纤维总生产能力为10054吨/年，其中聚
第3章 复合材料的增强材料
碳纤维性能
①碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐
热性高； ②化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外，几
乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维对碱也稳定。
第3章 复合材料的增强材料
碳纤维制品具有非常优良的X射线透过性，阻
止中子透过性，还可赋予塑料以导电性和导热性。
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
PAN基碳纤维制备工艺流程： PAN原丝200300C 1150惰气 碳纤维 2100C石墨化 石墨纤维 空气中预氧化， 中碳化1 h， 低模 施张力使纤维 施张力约 高强 惰气中1分钟， 施张力约 高模高强
伸长约10% 。
0.5N/束。
12N/ 束。
第3章 复合材料的增强材料
纤维 性能 拉伸强度，GPa 弹性模量，GPa 延伸率，% 3.1 73 3.6
有 碱 A 3.1 74
化 学 C 55
低介 电 D 2.5 71
无 碱 E 3.4 85
高强 度 S 4.58 3.37 4.4 86 4.6
粗纤 维 R 3.5 110 5.2
高模 量 M
密度，g/cm3
比强度 体积电阻/μΩ•m
含碳量95%左右的称为碳纤维；
含碳量99%左右的称为石墨纤维。 优点：碳纤维比重小，比强度、比模量大，耐热性 和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大，是一类极为重要 的高性能增强剂。
第3章 复合材料的增强材料
3.2 碳纤维
概 述
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。
Al2O3多，强度高
CaO耐腐蚀 MgO含量高，模量高 含碱越高，强度越低
A玻璃：高碱玻璃，化学稳定；C玻璃：硼硅酸钠玻璃，抗化学作用； D玻璃：低介电性玻璃，用雷达工业；E玻璃：无碱玻璃，电绝缘好； S玻璃：高强度玻璃纤维；R玻璃：粗纤维；M玻璃：高模量玻璃。
第3章 复合材料的增强材料
3-5 不同玻纤的性能
第3章 复合材料的增强材料
颗粒增强体
用以改善复合材料力学性能、提高断
裂性、耐磨性和硬度、增进耐腐蚀性能的
颗粒状材料，称为颗粒增强体(Particle
Reinforcement)。
第3章 复合材料的增强材料
按照颗粒增强复合材料的基体不同，颗粒 增强体可以分为颗粒强化陶瓷、颗粒增强金属 和颗粒增强聚合物。 颗粒在聚合物中还可以用作填料，目的是
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。
第3章 复合材料的增强材料
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 复合材料的增强材料
晶须增强体
晶须（Whiskers）是在人工控制条件下，
以单晶形式生长成的一种纤维。 晶须的直径一般为几微米，长几十微米，
是一种无缺陷的理想完整晶体。
第3章 复合材料的增强材料
晶须可用作高性能复合材料的增强材
料，以增强金属、陶瓷和聚合物。
晶须是目前已知纤维中强度最高的一 种，其机械强度几乎等于相邻原子间的作 用力。
玻璃纤维——片状、布状、长丝状 碳纤维
纤维
有机高分子纤维
陶瓷纤维
晶须
颗粒
粉体增强材料
第3章 复合材料的增强材料
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。
第3章 复合材料的增强材料
制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈 （PAN）纤维和沥青（Pitch）等。经过五个阶段：
1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。
2）牵伸：在100 300 C范围内进行，控制着最终纤维的模量。 3）稳定：在200-400 C加热氧化，脱氢、环化、氧化，使碳化 时原丝不熔融。 4）碳化：在10002000 C 范围内氮气氛围进行，脱去非碳原子
第3章 复合材料的增强材料
1959年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation，UCC)以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝 制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维 (Rayon-based carbon firber)。 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤 维(Polyacry lontrile--based carbon firber，PANCF)的 工业化生产;
第3章 复合材料的增强材料
我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能 生产绝缘材料用的初级纤维。 1958年以后，玻璃纤维工业得到迅速发展。
现在全国有大、小玻璃纤维厂家200多个，玻璃
纤维年产量为5万吨，其中无碱纤维占20％，中
碱纤维占80％，纤维直径多数为6--8um，正向粗
纤维方向发展。
第章 复合材料的增强材料
第3章 复合材料的增强材料
3.2 碳纤维（Carbon Fiber——CF）
热处理温度对石墨纤维性能的影响
温度 （℃） 原碳纤维 2000 2200 2400 2600 2800 3000
碳化过程： 有机化合物在惰性气氛中加热到1000-2000 C时，非碳原子 （氮、氢、氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发 生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱 碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。
石墨化过程： 当温度升到2000 3000C时，非碳原子进一步排除，芳环平面逐 步增加，排列也较规则，取向度显著提高，由二维乱层石墨结构 向三维有序结构转化，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。
第3章知 识 回 顾 复合材料的增强材料
聚合物复合材料
聚合物基体材料
热 固 性 树 脂 热 塑 性 树 脂
增强材料
片 状
纤 维 状
颗 粒 状
第3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。
第3章 复合材料的增强材料
砂、石英石、硼酸和其它成分 （粘土，氟石等）干混后，经 高温炉熔融，熔化后的玻璃液 直接通过漏板形成了玻璃纤维。
第3章 复合材料的增强材料
随着玻璃钢工业的发展，玻璃纤维工 业也得到迅速发展。 国外玻璃纤维的主要特点如下：
第3章 复合材料的增强材料
Ａ、普遍采用池窑拉丝新技术；
Ｂ、大力发展多排多孔拉丝工艺；
子及SiO2与金属离子结合的硅酸盐部分；
当侵蚀介质与玻璃纤维制品作用时，多数是溶 解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分； 对于浓碱溶液、氢氟酸、磷酸等，将使玻璃纤维结 构全部溶解。
第3章 复合材料的增强材料
3.2 碳纤维（Carbon Fiber——CF）
定义：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。
第3章 复合材料的增强材料
1963年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量聚丙烯脂基碳 纤维； 1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质 素为原料的通用型碳纤维； 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维 Pitch-based carbon fiber的工业规模生产；
丙烯腈基碳纤维85％。其它的是沥青基碳纤维。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％。 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 复合材料的增强材料
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。 碳纤维不属于有机纤维范畴，但从制备方法 上看，它又不同于普通无机纤维。
玻璃 成分 SiO2 E玻璃 C玻璃 S玻璃 成分功能 （无碱） （耐腐蚀）（高强度） 52.4 64.4 64.4
Al2O3，Fe2O3
CaO MgO Na2O，K2O Ba2O3 BaO
14.4
17.2 4.6 0.8 10.6 —
4.1
13.4 3.3 9.6 4.7 0.9
25.0
— 10.3 0.3 — —
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600 MPa提高到1000 MPa，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。
第3章 复合材料的增强材料
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
第3章 复合材料的增强材料
无论用哪一种原丝纤维来制造碳纤维， 都要经过五个阶段：
拉丝 牵伸 稳定 碳化 石墨化
第3章 复合材料的增强材料
3.2 碳纤维（Carbon Fiber——CF）
第3章 复合材料的增强材料
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 复合材料的增强材料
目前世界碳纤维总生产能力为10054吨/年，其中聚
第3章 复合材料的增强材料
碳纤维性能
①碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐
热性高； ②化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外，几
乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维对碱也稳定。
第3章 复合材料的增强材料
碳纤维制品具有非常优良的X射线透过性，阻
止中子透过性，还可赋予塑料以导电性和导热性。
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
PAN基碳纤维制备工艺流程： PAN原丝200300C 1150惰气 碳纤维 2100C石墨化 石墨纤维 空气中预氧化， 中碳化1 h， 低模 施张力使纤维 施张力约 高强 惰气中1分钟， 施张力约 高模高强
伸长约10% 。
0.5N/束。
12N/ 束。
第3章 复合材料的增强材料
纤维 性能 拉伸强度，GPa 弹性模量，GPa 延伸率，% 3.1 73 3.6
有 碱 A 3.1 74
化 学 C 55
低介 电 D 2.5 71
无 碱 E 3.4 85
高强 度 S 4.58 3.37 4.4 86 4.6
粗纤 维 R 3.5 110 5.2
高模 量 M
密度，g/cm3
比强度 体积电阻/μΩ•m
含碳量95%左右的称为碳纤维；
含碳量99%左右的称为石墨纤维。 优点：碳纤维比重小，比强度、比模量大，耐热性 和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大，是一类极为重要 的高性能增强剂。
第3章 复合材料的增强材料
3.2 碳纤维
概 述
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。
Al2O3多，强度高
CaO耐腐蚀 MgO含量高，模量高 含碱越高，强度越低
A玻璃：高碱玻璃，化学稳定；C玻璃：硼硅酸钠玻璃，抗化学作用； D玻璃：低介电性玻璃，用雷达工业；E玻璃：无碱玻璃，电绝缘好； S玻璃：高强度玻璃纤维；R玻璃：粗纤维；M玻璃：高模量玻璃。
第3章 复合材料的增强材料
3-5 不同玻纤的性能
第3章 复合材料的增强材料
颗粒增强体
用以改善复合材料力学性能、提高断
裂性、耐磨性和硬度、增进耐腐蚀性能的
颗粒状材料，称为颗粒增强体(Particle
Reinforcement)。
第3章 复合材料的增强材料
按照颗粒增强复合材料的基体不同，颗粒 增强体可以分为颗粒强化陶瓷、颗粒增强金属 和颗粒增强聚合物。 颗粒在聚合物中还可以用作填料，目的是
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。
第3章 复合材料的增强材料
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 复合材料的增强材料
晶须增强体
晶须（Whiskers）是在人工控制条件下，
以单晶形式生长成的一种纤维。 晶须的直径一般为几微米，长几十微米，
是一种无缺陷的理想完整晶体。
第3章 复合材料的增强材料
晶须可用作高性能复合材料的增强材
料，以增强金属、陶瓷和聚合物。
晶须是目前已知纤维中强度最高的一 种，其机械强度几乎等于相邻原子间的作 用力。
玻璃纤维——片状、布状、长丝状 碳纤维
纤维
有机高分子纤维
陶瓷纤维
晶须
颗粒
粉体增强材料
第3章 复合材料的增强材料
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。
第3章 复合材料的增强材料
制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈 （PAN）纤维和沥青（Pitch）等。经过五个阶段：
1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。
2）牵伸：在100 300 C范围内进行，控制着最终纤维的模量。 3）稳定：在200-400 C加热氧化，脱氢、环化、氧化，使碳化 时原丝不熔融。 4）碳化：在10002000 C 范围内氮气氛围进行，脱去非碳原子
第3章 复合材料的增强材料
1959年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation，UCC)以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝 制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维 (Rayon-based carbon firber)。 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤 维(Polyacry lontrile--based carbon firber，PANCF)的 工业化生产;
第3章 复合材料的增强材料
我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能 生产绝缘材料用的初级纤维。 1958年以后，玻璃纤维工业得到迅速发展。
现在全国有大、小玻璃纤维厂家200多个，玻璃
纤维年产量为5万吨，其中无碱纤维占20％，中
碱纤维占80％，纤维直径多数为6--8um，正向粗
纤维方向发展。
第章 复合材料的增强材料
第3章 复合材料的增强材料
3.2 碳纤维（Carbon Fiber——CF）
热处理温度对石墨纤维性能的影响
温度 （℃） 原碳纤维 2000 2200 2400 2600 2800 3000