第2章 复合材料的增强体汇总
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界面扩散 界面反应
增强材料的分类
在复合材料设计中，选择增强材料的原则
增强材料的强度、模量和密度 增强材料与基体材料的物理相容性
化学相容性 性能/价格比
对结构复合材料而言，第一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。
2.2 无机非金属纤维
J 2.2.1 碳纤维 J 2.2.2 硼纤维 J 2.2.3 碳化硅纤维 J 2.2.4 玻璃纤维
传剑轮
罗拉
• 汽车零件：
•
发动机罩
手柄
板簧
•
导流板
车门
连轴器
•
排气管护套 固定托架 刹车片
•
车门
车牌
内装饰（面板、把手等）
• 医疗器械：
•
X光照机床
CT床板
假脚
•
照相暗盒
核磁共振床 韧带
•
心藏半膜
人工关节 放射线照相用头托
•
γ刀床
假肢
诊断用担架
碳纤维在我国民用工业的应用
• 建筑补强：
•
各种片材
增强水泥
在纤维增强复合材料中，纤维是承受载荷的 组元，纤维的力学性能决定了复合材料性能。
针叶树的木材的组织
蒙脱土增强PMMA和 PS材料
增强材料定义：
增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的 组元物质，它可以显著提高基体的强度、韧性、模量、 耐热、耐磨等性能。
SiC/硼硅 玻璃复合 材料的强 度随SiC 体积含量 线性增加
2.2 无机非金属纤维
2.2.1 碳纤维
碳纤维是一种高性能增强 纤维，最高强度可达 7000MPa，最高弹性模量 达900GPa，密度1.8~2.1 g/cm3，具有低热膨胀、 高导热、导电性好、耐磨、 耐高温等特点。可分为碳 纤维和石墨纤维两种。
碳纤维由聚丙烯腈纤维（PAN）、沥青（MP）、 粘胶纤维（人造丝）等经氧化、炭化等过程制得的 含碳量为90%以上的纤维。按状态分为长丝、短纤 维和短切。
和驱动轴等。
我国首台采用碳纤维全复 合材料车厢的自卸车在内蒙 古包头下线，该车载重50吨， 自重4.8吨，比金属厢体减
重29%
美国使用碳纤维复合材 料一次成型制造的短剑 高速隐身试验快艇，在 整体制造成形过程中不 用焊接，更无需铆接。
碳纤维复合材料-美军的 F-22隐身战机
碳纤维复合材料 用于制造歼-20等 国产第四代战机
增韧机制
复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂）， 其韧性大小取决于 材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。
以纤维增强复合材料为例， 主要有纤维的拔出、 纤维与基体的脱粘、 纤维搭桥等增韧机制。
纤维脱粘
纤维拔出
纤维搭桥
碳纳米管/聚苯 乙烯复合材料 的断裂机理
纤维搭桥
纤维拔出
界面作用
复合材料是由性质和形状各不相同的两种或 两种以上材料组元复合而成的，在两种材料之间 必然存在把不同材料结合在一起的接触面－界面
复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚 度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有 明显差别的新相，称之为界面相。
界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与 基体间界面结合状态的一个指标。
对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或 过弱都不利于材料的力学性能。
复合材料界面的粘结方式
机械结合 静电作用
美国先进飞 机上采用复 合材料的示 意图
碳纤维在我国民用工业的应用
• 体育休闲用品：
•
高尔夫球杆 棒球棒
赛艇
弓
•
高尔夫球头 垒球棒
桨叶
箭杆
•
网球拍
冰球棒
舵
拳击手套
•
羽毛球拍
滑雪板
冲浪板 风 筝
•
钓渔竿
滑雪杖
滑雪护腿 登山杖
•
自行车
滑水杖
球鞋底 旱冰鞋
• 纺织机零件：
•
传剑带
踪杆
踪框 剑 头
导杆
•
碳纤维的制备主要经过5个阶段：拉丝、牵引、 稳定、碳化和石墨化
典型碳纤维制造商：Amoco、BASF Grafil Inc.、 Toho Rayon、 Toray ；吉林炭素厂、上海炭素厂、 兰州炭素厂
PAN原丝和碳纤维制备流程
CH2=CH CN
(CH2－CH)n CN
单体蒸馏提纯 按配比混合 溶液聚合 脱单,过滤,脱泡 溶液过滤
普通型
高强度型 高弹性模量型 碳纤维的结构模型
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。 碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多 作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材 料中，构成复合材料。
碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁 屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制 造火箭航天器外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧
碳纤维制备中PAN结构转化
单体
聚合物
原丝
聚合
纺丝
预 氧 化
碳化
碳纤维
预氧丝
按力学性能分为通用型和高性能型 。
通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量 为100GPa左右。
高性能型碳纤维又分为高强型（HT） （强度 2000MPa、模量250GPa）和高模型（HM） （模 量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超 高强型（UHT） ；模量大于450GPa的称为超高模 型（UHM） 。随着航天和航空工业的发展，还出 现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％。用量 最大的是聚丙烯腈基碳纤维。
Chapter 2 Composite Reinforcements
复合材料增强体
主要内容
J 2.1 基本概念 J 2.2 无机非金属纤维 J 2.3 有机纤维（芳纶纤维） J 2.4 晶须及颗粒增强物
2.1 基本概念
J增强材料 J增强（韧）机制 J界面作用 J增强材料的分类
2.1 基本概念
增强材料就象树木中的纤维，混凝土中的钢 筋一样，是复合材料的重要组成部分，并起到 非常重要的作用。
•
拉挤板材
增强混凝土建筑材料
•
各种增强织物
• 能源：
•
抽油杆
电动机壳
•
汽车用天然气瓶 电加热器
•
风力发电叶片
电加热毯
• 工业日用品：
•
手电筒
电脑壳
刀具手柄
•
手杖
各种三角架 伞把
•
手机壳
扬声器
活动账逢
•
手提箱
乐器（弓）
户外摇床
•
眼镜架
计量尺
大型电钻轴
•
各种笔杆（钢笔、园珠笔、自动铅笔等）
• 其它：
•
纤维成型
热水牵伸 热水洗涤 热水再牵伸
热水洗涤
上油 热辊干燥
加压蒸 汽牵伸
热辊定型
卷绕
排序加捻 200-300℃ 预氧化
400-10Biblioteka Baidu0℃ 1000-1800℃
低温碳化
高温碳化
表面处理
干 燥 上胶 展平解捻 缠绕 收丝
2500-3000℃石墨化
高分子化学－物理－加工成型－无机化学－材料科学 聚合工程－自动化工程－纺丝工程－高温氧化工程
增强材料的分类
在复合材料设计中，选择增强材料的原则
增强材料的强度、模量和密度 增强材料与基体材料的物理相容性
化学相容性 性能/价格比
对结构复合材料而言，第一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。
2.2 无机非金属纤维
J 2.2.1 碳纤维 J 2.2.2 硼纤维 J 2.2.3 碳化硅纤维 J 2.2.4 玻璃纤维
传剑轮
罗拉
• 汽车零件：
•
发动机罩
手柄
板簧
•
导流板
车门
连轴器
•
排气管护套 固定托架 刹车片
•
车门
车牌
内装饰（面板、把手等）
• 医疗器械：
•
X光照机床
CT床板
假脚
•
照相暗盒
核磁共振床 韧带
•
心藏半膜
人工关节 放射线照相用头托
•
γ刀床
假肢
诊断用担架
碳纤维在我国民用工业的应用
• 建筑补强：
•
各种片材
增强水泥
在纤维增强复合材料中，纤维是承受载荷的 组元，纤维的力学性能决定了复合材料性能。
针叶树的木材的组织
蒙脱土增强PMMA和 PS材料
增强材料定义：
增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的 组元物质，它可以显著提高基体的强度、韧性、模量、 耐热、耐磨等性能。
SiC/硼硅 玻璃复合 材料的强 度随SiC 体积含量 线性增加
2.2 无机非金属纤维
2.2.1 碳纤维
碳纤维是一种高性能增强 纤维，最高强度可达 7000MPa，最高弹性模量 达900GPa，密度1.8~2.1 g/cm3，具有低热膨胀、 高导热、导电性好、耐磨、 耐高温等特点。可分为碳 纤维和石墨纤维两种。
碳纤维由聚丙烯腈纤维（PAN）、沥青（MP）、 粘胶纤维（人造丝）等经氧化、炭化等过程制得的 含碳量为90%以上的纤维。按状态分为长丝、短纤 维和短切。
和驱动轴等。
我国首台采用碳纤维全复 合材料车厢的自卸车在内蒙 古包头下线，该车载重50吨， 自重4.8吨，比金属厢体减
重29%
美国使用碳纤维复合材 料一次成型制造的短剑 高速隐身试验快艇，在 整体制造成形过程中不 用焊接，更无需铆接。
碳纤维复合材料-美军的 F-22隐身战机
碳纤维复合材料 用于制造歼-20等 国产第四代战机
增韧机制
复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂）， 其韧性大小取决于 材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。
以纤维增强复合材料为例， 主要有纤维的拔出、 纤维与基体的脱粘、 纤维搭桥等增韧机制。
纤维脱粘
纤维拔出
纤维搭桥
碳纳米管/聚苯 乙烯复合材料 的断裂机理
纤维搭桥
纤维拔出
界面作用
复合材料是由性质和形状各不相同的两种或 两种以上材料组元复合而成的，在两种材料之间 必然存在把不同材料结合在一起的接触面－界面
复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚 度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有 明显差别的新相，称之为界面相。
界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与 基体间界面结合状态的一个指标。
对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或 过弱都不利于材料的力学性能。
复合材料界面的粘结方式
机械结合 静电作用
美国先进飞 机上采用复 合材料的示 意图
碳纤维在我国民用工业的应用
• 体育休闲用品：
•
高尔夫球杆 棒球棒
赛艇
弓
•
高尔夫球头 垒球棒
桨叶
箭杆
•
网球拍
冰球棒
舵
拳击手套
•
羽毛球拍
滑雪板
冲浪板 风 筝
•
钓渔竿
滑雪杖
滑雪护腿 登山杖
•
自行车
滑水杖
球鞋底 旱冰鞋
• 纺织机零件：
•
传剑带
踪杆
踪框 剑 头
导杆
•
碳纤维的制备主要经过5个阶段：拉丝、牵引、 稳定、碳化和石墨化
典型碳纤维制造商：Amoco、BASF Grafil Inc.、 Toho Rayon、 Toray ；吉林炭素厂、上海炭素厂、 兰州炭素厂
PAN原丝和碳纤维制备流程
CH2=CH CN
(CH2－CH)n CN
单体蒸馏提纯 按配比混合 溶液聚合 脱单,过滤,脱泡 溶液过滤
普通型
高强度型 高弹性模量型 碳纤维的结构模型
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。 碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多 作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材 料中，构成复合材料。
碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁 屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制 造火箭航天器外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧
碳纤维制备中PAN结构转化
单体
聚合物
原丝
聚合
纺丝
预 氧 化
碳化
碳纤维
预氧丝
按力学性能分为通用型和高性能型 。
通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量 为100GPa左右。
高性能型碳纤维又分为高强型（HT） （强度 2000MPa、模量250GPa）和高模型（HM） （模 量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超 高强型（UHT） ；模量大于450GPa的称为超高模 型（UHM） 。随着航天和航空工业的发展，还出 现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％。用量 最大的是聚丙烯腈基碳纤维。
Chapter 2 Composite Reinforcements
复合材料增强体
主要内容
J 2.1 基本概念 J 2.2 无机非金属纤维 J 2.3 有机纤维（芳纶纤维） J 2.4 晶须及颗粒增强物
2.1 基本概念
J增强材料 J增强（韧）机制 J界面作用 J增强材料的分类
2.1 基本概念
增强材料就象树木中的纤维，混凝土中的钢 筋一样，是复合材料的重要组成部分，并起到 非常重要的作用。
•
拉挤板材
增强混凝土建筑材料
•
各种增强织物
• 能源：
•
抽油杆
电动机壳
•
汽车用天然气瓶 电加热器
•
风力发电叶片
电加热毯
• 工业日用品：
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手电筒
电脑壳
刀具手柄
•
手杖
各种三角架 伞把
•
手机壳
扬声器
活动账逢
•
手提箱
乐器（弓）
户外摇床
•
眼镜架
计量尺
大型电钻轴
•
各种笔杆（钢笔、园珠笔、自动铅笔等）
• 其它：
•
纤维成型
热水牵伸 热水洗涤 热水再牵伸
热水洗涤
上油 热辊干燥
加压蒸 汽牵伸
热辊定型
卷绕
排序加捻 200-300℃ 预氧化
400-10Biblioteka Baidu0℃ 1000-1800℃
低温碳化
高温碳化
表面处理
干 燥 上胶 展平解捻 缠绕 收丝
2500-3000℃石墨化
高分子化学－物理－加工成型－无机化学－材料科学 聚合工程－自动化工程－纺丝工程－高温氧化工程