5-复合材料的增强材料与基体
复合材料中基体和增强体的作用
复合材料中基体和增强体的作用一、引言复合材料是由两种或两种以上的不同材料组成的，其中基体和增强体是其最基本的组成部分。
基体是指复合材料中主要承受载荷的材料，而增强体则是为了增加其力学性能而添加到基体中的材料。
本文将详细探讨复合材料中基体和增强体的作用。
二、基体的作用1. 承载载荷基体是复合材料中最主要的承载载荷的材料。
它需要具备足够的强度和刚度来承受外部荷载，并且必须具有足够的韧性来防止断裂和破坏。
因此，在选择基体时，需要考虑其力学性能、化学稳定性、加工性能等因素。
2. 保护增强体在复合材料中，增强体容易受到外界环境和荷载的影响而发生破坏。
而基体可以起到保护增强体的作用，防止其在使用过程中发生损伤。
同时，基体还可以通过与增强体之间形成良好的结合来提高整个复合材料系统的力学性能。
3. 调节复合材料的性能基体的材料种类和性质可以影响复合材料的力学、热学、电学等性能。
例如，选择不同种类的基体可以使复合材料具有不同的强度、刚度和韧性等性能。
此外，基体还可以通过调节增强体的分布和排列方式来影响复合材料的力学性能。
三、增强体的作用1. 增加复合材料的强度和刚度增强体是为了增加复合材料的力学性能而添加到基体中的材料。
它通常具有高强度和高刚度，可以在很大程度上增加复合材料的整体强度和刚度。
在选择增强体时，需要考虑其与基体之间形成良好结合以及其自身特点。
2. 提高耐磨损性某些增强体具有较高的硬度和耐磨损性，在使用过程中可以有效地提高复合材料系统对摩擦磨损等外部环境因素的抵抗能力。
3. 改善阻尼特性一些特殊类型的增强体（如碳纤维）具有良好的阻尼特性，在使用过程中可以减少材料的振动和噪音，提高其使用寿命。
四、基体和增强体的协同作用基体和增强体之间需要形成良好的结合，才能发挥最佳的性能。
良好的结合可以使复合材料系统具有更高的强度、刚度和韧性等性能。
同时，基体和增强体之间还可以通过相互作用来改善复合材料系统的耐热性、耐腐蚀性等特殊性能。
复合材料中的基体材料
复合材料中的基体材料复合材料是由两种或更多种不同材料组成的材料，其中一种材料称为基体材料。
基体材料在复合材料中起到支撑和固定增强材料（通常是纤维或颗粒）的作用。
基体材料的选择对复合材料的性能和应用起着至关重要的作用。
下面将介绍一些常见的基体材料及其特点。
1.金属基体材料：金属基体材料主要是指铝、镁、钛等金属材料。
金属基复合材料具有高强度、高刚度、优良的导热性、良好的耐腐蚀性和可加工性等优点。
金属基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、船舶制造和建筑等领域。
2.高分子基体材料：高分子基体材料主要是指树脂类材料，如环氧树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺等。
高分子基复合材料具有重量轻、绝缘性能好、抗腐蚀性能好等特点。
高分子基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、电子电器等领域。
3.陶瓷基体材料：陶瓷基体材料主要是指氧化铝、氧化硅、碳化硅等无机材料。
陶瓷基复合材料具有高硬度、高耐磨性、抗高温等特点。
陶瓷基复合材料广泛应用于制造耐火材料、摩擦材料和高温结构材料等领域。
4.碳基体材料：碳基体材料主要是指碳纤维、炭黑等碳材料。
碳基复合材料具有重量轻、高强度、高刚度、耐高温、导电性能好等特点。
碳基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、体育器材等领域。
5.纳米基体材料：纳米基体材料主要是指纳米颗粒、纳米管、纳米片等纳米材料。
纳米基复合材料具有独特的物理、化学和力学性能，如高强度、高硬度、低摩擦系数等。
纳米基复合材料在材料科学领域具有重要的应用前景。
总之，基体材料是复合材料中重要的组成部分，其种类和性能直接影响着复合材料的性能和应用范围。
随着科技的发展，不断有新型的基体材料涌现，为复合材料的开发和应用带来了新的可能性。
复合材料中基体和增强体的作用
复合材料中基体和增强体的作用复合材料是由至少两种不同材料组成的材料，主要包括基体和增强体。
基体是复合材料的主体组成部分，起到支撑和固定增强体的作用。
增强体则是基体中的强化组分，负责提高复合材料的力学性能。
基体是复合材料的主要组成部分，起到支撑和固定增强体的作用。
基体通常是一种具有良好的柔韧性和强度的材料，如树脂、金属、陶瓷等。
基体的选择需要考虑复合材料的使用环境、应力要求以及成本等因素。
基体的性能决定了复合材料的整体性能，如强度、刚度、耐磨性等。
增强体是复合材料中起到强化作用的组分，通常是纤维、颗粒或片层状的材料。
增强体可以提高复合材料的强度、刚度和耐用性。
常见的增强体包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
增强体的选择取决于对复合材料所需的特定性能，如高强度、高刚度或高温耐受性。
基体和增强体的相互作用是复合材料性能的关键因素。
增强体的存在增加了复合材料的强度和刚度，同时还可以提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。
基体则提供支撑和固定增强体的功能，防止其从基体中脱离。
1.机械锁定作用：基体和增强体之间的力学锁定作用是通过增强体与基体之间的相互作用力和摩擦力来实现的。
增强体的形状和分布对锁定效果起到重要作用。
2.能量转化作用：增强体能吸收和分散外部载荷作用时的能量，通过增强体和基体之间的相互作用将能量转移到基体中，从而提高了复合材料的韧性和抗冲击性能。
3.功率传递作用：增强体通过相互作用将应力传递到基体中，增加了复合材料的整体强度和刚度。
增强体的刚度和强度越高，功率传递效果越好。
4.界面作用：基体和增强体的界面对于复合材料的性能起着重要作用。
界面的结构和性质影响着基体和增强体之间的相互作用，如界面的粘着强度和亲和性。
5.互补效应：基体和增强体的不同性质和结构相互补充，共同提高了复合材料的综合性能。
增强体可以弥补基体的缺陷，提高复合材料的强度和刚度，而基体可以提供增强体所不具备的柔韧性。
综上所述，基体和增强体在复合材料中具有不可替代的作用。
复合材料的基体材料
33
环氧树脂也存在一些缺点，比如耐候性差，环氧树脂中 一般含有芳香醚键，固化物经日光照射后易降解断链，所以 通常的双酚A型环氧树脂固化物在户外日晒，易失去光泽， 逐渐粉化，因此不宜用作户外的面漆。另外，环氧树脂低温 固化性能差，一般需在10℃以上固化，在10℃以下则固化缓 慢，对于大型物体如船舶、桥梁、港湾、油槽等寒季施工十 分不便。
饱和聚酯等通用型热固性树脂。
(2) 附着力强。环氧树脂固化体系中含有活性极
大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团，
赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝士、木材
等极性基材以优良的附着力。
(3) 固化收缩率小。一般为1％～2％。是热固性
树脂中固化收缩率最小的品种之一(酚醛树脂为8％～
10％；不饱和聚酯树脂为4％～6％；有机硅树脂为4
(6) 稳定性好，抗化学药品性优良。不含碱、盐等杂质的 环氧树脂不易变质。只要贮存得当(密封、不受潮、不遇高温)， 其贮存期为1年。超期后若检验合格仍可使用。环氧固化物具 有优良的化学稳定性。其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性 能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。因此环氧 树脂大量用作防腐蚀底漆，又因环氧树脂固化物呈三维网状 结构，又能耐油类等的浸渍，大量应用于油槽、油轮、飞机 的整体油箱内壁衬里等。
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提高树脂耐热性方法： 增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构； 进行结晶：-C-O-C-, -OH, -NH2等； 进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。
25
三、耐腐蚀性能
树脂的腐蚀
物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降 化学作用：化学键破坏或新的化学键 影响因素：
复合材料的增强材料
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 （2）丝根冷却器 二、连续玻璃纤维制造方法
25
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 二、连续玻璃纤维制造方法
⑶
单
丝 涂 油 器
26
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 二、连续玻璃纤维制造方法 （4）喷雾器、集束器、分束器
⑶
27
第三章复合材料的增强材料
丝毡，主要是利用其耐酸性较好，可以置于玻璃钢表面层，提高制 品耐化学性。 在我国 A 玻璃也即平板玻璃，多为乡镇企业用在陶土坩埚生产 玻璃钢增强材料。这种陶土坩埚拉制的高碱玻璃纤维由于性能很差， 国家不允许将其应用在玻璃钢生产中。
12
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 ⑹E-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
3
第三章复合材料的增强材料
第一节 玻璃纤维
㈠.模压和手工制作的玻璃：要求熔融玻璃冷却时 黏度随温度变化缓慢。
㈡.管状玻璃和机械吹制的玻璃器皿：要求熔融玻 璃冷却到最低工作温度时要迅速增大黏度以使其凝固。 ㈢.对于玻璃纤维生产而言，它既要求玻璃液粘度 随温度有较快的变化速率，从而有利于在将玻璃液从 丝根处拉下时能使其在冷却下迅速硬化定形；但又要 求粘度曲线不能过快上升，以致妨碍将玻璃丝拉制到 预定的直径。
1
复合材料概论
第三章 复合材料的增强材料
二、复合材料的基体
聚合物基体(热固性包括不饱和聚酯树脂、环氧树 脂、酚醛树脂等和热塑性树脂）、金属基体和陶瓷基 体。
2
复合材料概论
第三章 复合材料的增强材料
《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
复合材料的增强体
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。
复合材料知识点总结
复合材料知识点总结一、复合材料的分类根据复合材料中各种材料所起的作用不同，复合材料可以分为增强复合材料和基体复合材料。
增强材料一般用于提高复合材料的力学性能，例如增加复合材料的强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性等；而基体材料则用于提供基本的形状和结构，比如塑料、橡胶、树脂等。
根据增强材料的种类不同，复合材料可以分为纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。
纤维增强复合材料的增强材料是纤维，可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等；颗粒增强复合材料的增强材料则是颗粒，可以是金属颗粒、陶瓷颗粒、碳纳米颗粒等。
根据不同的基体材料，复合材料可以分为有机基复合材料和无机基复合材料。
有机基复合材料的基体材料是有机物质，比如树脂、塑料、橡胶等；无机基复合材料的基体材料是无机物质，比如金属、陶瓷、玻璃等。
二、复合材料的特点1. 高强度：复合材料中的增强材料可以有效地提高材料的强度，使其具有更高的拉伸、压缩、弯曲等强度。
2. 轻质：由于增强材料通常采用纤维和颗粒等轻质材料，所以复合材料通常具有很高的强度和刚度，同时重量较轻。
3. 耐热耐腐蚀性：纤维增强复合材料由于采用高强度的纤维材料，具有很好的耐热性和耐腐蚀性，可以在较高温度和腐蚀环境下长时间使用。
4. 成形性好：复合材料可以通过挤压、注塑、压制等多种成型方法加工成各种形状，适用于各种复杂的结构。
5. 良好的设计性：通过改变复合材料中的增强材料的种类、形状、分布、比例等来调节和改变材料的力学性能，可以根据需要进行定向设计。
6. 良好的防护性：复合材料可以通过增加增强材料和基体材料的层数、厚度和结构来增强材料的防护性，有较好的抗冲击、防弹、防爆性能。
三、复合材料的制备工艺1. 纤维增强复合材料的制备工艺（1）手工层叠法：将预先浸渍结合的纤维连续层叠到工件模具内，在每一层的纤维层之间涂覆树脂黏合剂，然后将所有层放置在加压机中，施加适当的压力和温度，使树脂固化。
（2）自动层叠法：采用机械装置将预先浸渍结合的纤维连续层叠到工件模具内，然后使用自动化设备完成树脂涂布和固化过程。
第三章 复合材料的增强体
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五、玻璃纤维
玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经 高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成，单 丝直径为几微米到几十微米。
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无碱玻璃纤维（E玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成，纤维强度高，耐热性 无碱玻璃纤维（ 玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成，纤维强度高， 玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成 和电性能优良，抗大气侵蚀，化学稳定性较好（不耐酸）。 ）。碱性氧化 和电性能优良，抗大气侵蚀，化学稳定性较好（不耐酸）。碱性氧化 物含量小于1%。 物含量小于 。 中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量在 之间。 中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量在11.5%~12.5%之间。耐酸性好， 之间 耐酸性好， 强度不如E玻纤 价格便宜。 玻纤， 强度不如 玻纤，价格便宜。
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玻璃纤维的制造：
三个步骤：制球、拉丝、 三个步骤：制球、拉丝、纺织 （1）制球：将砂、石灰石、硼酸等玻璃原料干混后，送入 玻璃熔窑内（约1260℃）制成玻璃液，玻璃液从熔窑中缓 慢流出，经制球机制成直径约为1.8cm的玻璃球。
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（2）拉丝 拉丝过程中用浸润剂的作用： 拉丝过程中用浸润剂的作用： 原丝中的纤维不散乱而能 相互粘附在一起； 相互粘附在一起； 防止纤维间磨损； 防止纤维间磨损； 便于纺织加工。 便于纺织加工。
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 碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性， 维轴向性能高，沿横向性能差。 维轴向性能高，沿横向性能差。
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碳纤维的制造：
（1）气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃或芳烃等）在高 ）气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃或芳烃等） 温沉积而成纤维。该法适宜制取短纤维或晶须。 温沉积而成纤维。该法适宜制取短纤维或晶须。 （2）有机纤维碳化法：先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤 ）有机纤维碳化法： 维，然后再在惰性气氛中在高温下进行煅烧碳化，使有机纤维 然后再在惰性气氛中在高温下进行煅烧碳化， 失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。 失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。此 法可制备连续长纤维。 法可制备连续长纤维。
【金属基复合材料】第五章,复合材料基体与增强体
Introduction
The possibility of taking advantage of particular properties of the constituent materials to meet specific demands is the most important motivation for the development of composites. The terms matrix and reinforcement are often used. The matrix is a percolating “soft” phase (with in general excellent ductility, formability and thermal conductivity) in which are embedded the “hard” reinforcements (high stiffness, hardness, and low thermal expansion). The reinforcements can be continuous or discontinuous, orientated or disorientated. The composites are classified by: (1) their matrix (polymer, ceramic, metal), (2) their reinforcement, which includes the chemical nature (oxides, carbides, nitrides), shape (continuous fibers, short fibers, whiskers, particulates) and orientation, (3) their processing routes.
复合材料第四章复合材料的增强材料
超轻、高比强度、高比模量、成本较低。
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通常情况下，聚乙烯纤维的分子量大于106， 纤维的拉伸强度为3.5 GPa，弹性模量为116 GPa， 延伸率为3.4%，密度为0.97 g / cm 3。可用于制 做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等。
这种在沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键， 是造成芳纶纤维力学性能各向异性的原因，即纤维 的纵向强度高，而横向强度低。
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芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳 环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态 而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有 高的模量。
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芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能 有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，在 单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚 合物具有较高的强度。
例如，用氧化钙取代二氧化硅．可降低拉丝 温度；加入三氧化二铝可提高耐水性。
3、 碳纤维
4 、 硼纤维
5 、氧化铝纤维 7 、氮化硼纤维
6、碳化硅纤维 8、其他纤维
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１、玻璃纤维（Glass Fibre, GF或Gt）
1.1 玻璃纤维及其制品； 1.2 玻璃纤维的结构及化学组成； 1.3 玻璃纤维的物理性能； 1.4 玻璃纤维的化学性能。
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1.1 玻璃纤维及其制品
①概述
目前，芳纶纤维的总产量43％用于轮胎的 帘子线(芳纶--29)，31％用于复合材料，17.5％ 用于绳索类和防弹衣，8.5％用于其他。
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以树脂作为基体，芳纶纤维作为增强相所形 成的增强塑料，简称KFRP，它在航空航天方面 的应用，仅次于碳纤维，成为必不可少的材料。
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２、聚乙烯纤维（Polyethylene, PE）
复合材料概论第5章--聚合物基复合材料讲解
械强度，是玻璃纤维增强热塑性塑料中耐热温度最高的一种 。耐低温度性能好，超过了FR-PA6，在温度高低交替变化时 ，机械性能变化不大；电绝缘性好，可制造耐高温电器零件 ；高温下耐老化性好，胜过玻璃钢，尤其是耐光老化性能好 ，所以使用寿命长。不足之处是在高温下易水解，使机械强 度下降。不适于在高温水蒸气下使用。
• 2．玻璃纤维聚酰胺(代号FR-PA) • 聚酰胺是一种热塑性工程塑料，本身的强度就比
一般通用塑料的强度高，耐磨性好，但因吸水率 太大，影响了尺寸稳定性，耐热性也较低。用玻 璃纤维增强的聚酰氨，这些性能就会大大改善。 玻璃纤维增强聚酰胺的品种很多。有玻璃纤维增 强尼龙6(FR-PA6)、玻璃纤维增强尼龙66(FRPA66)、玻璃纤维增强尼龙1010(FR-PA1010)等。
• 3．玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料
• 聚苯乙烯类树脂目前已成为系列产品，多为橡胶改 性树脂，例如：丁二烯—苯乙烯共聚物(BS)、丙烯 腈—苯乙烯共聚物(AB)、丙烯腈一丁二烯—苯乙烯 共聚物(ABS)等。这些共聚物大大改善了纯聚苯乙 烯的性能，使原来只是一种通用塑料的聚苯乙烯改 性成为工程塑料。耐冲击性和耐热性提高了。这些 聚合物再用长玻璃纤维或短切玻璃纤维增强后，其 机械强度及耐高、低温性、尺寸稳定性均大有提高 。也要加入偶联剂，不然聚苯乙烯类塑料与玻璃纤 维粘结不牢。影响强度。
械强度，并有增重现象。
• 2．玻璃纤维增强聚酰胺
• 在聚酰胺中加入玻璃纤维后，唯一的缺点是 使本来耐磨性好的性能变差了。因为聚酰胺 的制品表面光滑，光洁度越好越耐磨。而加 入玻璃纤维以后，如果将制品经过二次加工 或者被磨损时，玻璃纤维就会暴露于表面上 ，这时材料的磨擦系数和磨耗量就会增大。
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
复合材料的分类
复合材料的分类复合材料是指由两种或两种以上的不同材料组合而成的新材料。
根据复合材料中不同材料的性质和构成方式的不同，可以将复合材料分为以下几类。
1.增强复合材料增强复合材料是指由增强体和基体组成的复合材料。
增强体可以是纤维、颗粒或片材等，常见的有碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等。
增强体的作用是增加复合材料的强度和刚度，而基体则起到固定和保护增强体的作用。
2.层合复合材料层合复合材料是由不同的层片材料按一定的规则和顺序堆叠而成的复合材料。
每一层片材料可以是金属材料、陶瓷材料或者是有机高分子材料等。
层合复合材料具有优异的各向异性和层间的结合强度，广泛用于航空航天、汽车、船舶等领域。
3.颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料是指在基体材料中添加颗粒状的增强材料的复合材料。
颗粒增强材料可以是金属、陶瓷、塑料等。
颗粒增强复合材料具有较好的抗冲击性能和耐磨损性能，常用于制造耐磨零件、摩擦材料等。
4.蜂窝复合材料蜂窝复合材料是由蜂窝结构填充材料和面板材料组成的复合材料。
蜂窝复合材料具有轻质高强度的特点，同时具有较好的吸声和隔热性能，广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
5.混杂复合材料混杂复合材料是指将两种或两种以上的复合材料相互结合而成的新材料。
混杂复合材料可以兼具不同类别复合材料的优点，例如结合纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料，可以使材料既具备高强度和刚度，又具有较好的抗冲击性能。
以上是目前常见的复合材料的几种分类，每种分类的复合材料在不同领域具有不同的应用价值和优点。
随着技术的不断进步和研究的不断深入，复合材料在各个领域的应用将会越来越广泛。
复合材料包括什么
复合材料包括什么
复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的新型材料，具有优良的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑、电子等领域。
复合材料的组成包括增强材料和基体材料两部分，它们的协同作用使得复合材料具有独特的性能优势。
首先，复合材料的增强材料通常是纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
这些纤维材料具有高强度、高模量、低密度等特点，能够有效增强复合材料的力学性能。
其次，基体材料通常是树脂、金属、陶瓷等，用于固定和保护增强材料，使其能够发挥最大的作用。
通过增强材料和基体材料的相互作用，复合材料具有优异的抗拉强度、抗压强度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
除了增强材料和基体材料，复合材料还包括界面层。
界面层是增强材料和基体
材料之间的过渡层，能够有效地传递载荷和保护增强材料不受外界环境的影响。
良好的界面层能够提高复合材料的耐久性和稳定性，延长其使用寿命。
此外，复合材料还包括填料和添加剂。
填料通常是用于改善复合材料性能的微
细颗粒材料，如碳黑、硅粉等。
添加剂则是用于改善复合材料加工性能和使用性能的化学品，如固化剂、助剂等。
填料和添加剂的选择和使用能够对复合材料的性能进行调控，使其更加符合特定的工程需求。
综上所述，复合材料包括增强材料、基体材料、界面层、填料和添加剂等多个
组成部分。
这些组成部分之间相互作用，共同发挥作用，使复合材料具有出色的综合性能。
在未来的发展中，随着新材料、新工艺的不断涌现，复合材料将会得到更广泛的应用，为各行各业带来更多的创新和突破。
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Finished Product
叠层（层合）法
5.2 增强材料
Dipping
Heat, etc…
Porous Material
Reinforcement
浸渍法
5.3
聚合物基复合材料
纤维增强热固性塑料
纤维增强热塑性塑料
5.3
聚合物基复合材料
热塑性塑料由于线胀系数较大、尺寸稳定性较差、
刚性、耐疲劳性和某些机械强度尚不能满足结构材 料的要求，大多数只能用作通用材料。
13.4.1 铝基复合材料的性能和应用
纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸 稳定性好等一系列优异性能 ，目前主要用于航天领域， 作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。
5.4
金属基复合材料
硼－铝复合材料 是实际应用最早的金属基
复合材料，美国和原苏联的航天飞机中的机身
框架及支柱和起落架拉杆等都用硼－铝复合材
5.2 增强材料
5.2.3 无机类晶须
晶须：截面积小于5.2×10-4㎝2，长径比在10～1000单晶体。
晶体结构完整、内部缺陷较少，其强度和模量均接近完整晶
体材料的理论值，是目前发现的固体的最强形式。 是长在银、铜等金属上的象霉菌一样的东西，可以从溶液、 熔液、固体中生成并生长，也可以通过气相反应来制取。
为1100～1200MPa，弹性模量220GPa，断裂伸长
0.5％，泊松比0.25。
5.4 金属基复合材料
•
•
加入少量的SiC或Al2O3颗粒在镁或镁合金中，明显提高
其耐磨性 ，可用于制造油泵的泵壳体、止推板、安全阀等 零部件 。
石墨纤维增强镁基复合材料由于具有最高的比强度和比
模量、最好的抗热变形阻力，成为理想的航天结构材料，
耐热性 高、高 韧性、 高抗冲 击性
5.1 复合材料概述
5.1.3 复合材料的分类
陶瓷
晶须
增强体
聚合物
基体 金属
颗粒 纤维
按照增强体分类
按照基体分类
5.1 复合材料概述
按基体类型分类
金属基复合材料（如铝基、铜基、镁基和钛基等） 木基复合材料 复合材料
有机材料基复合材料
热固性树脂基
聚合物基复合材料
主货舱门---碳纤维/环氧树脂 压力容器---凯芙拉纤维/环氧树 脂 主机隔框和翼梁--硼/铝复合材料
发动机的喷管---碳/碳复合材料 发动机组传力架--钛基复合材料 机身防热瓦---陶瓷基复合材料
复合材料在航天领域中的应用
国家技术发明一等奖（2004年）
“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”
飞机刹车片
20世纪50年代，出现玻纤增强尼龙。60年代大规 模生产。（玻璃钢）
5.3
聚合物基复合材料
5.3
聚合物基复合材料
•纤维增强塑料（GFRP）用作输油管道
5.3
聚合物基复合材料
•聚酯和环氧玻璃纤维增强塑料（GFRP）用作储油设备
5.3
聚合物基复合材料
碳纤维增强树脂用于汽车弹簧片
5.3
聚合物基复合材料
复合材料三个必要条件
1
2
3
必须是人造的 ，是人们根据 需要设计制造 的材料
必须由两种以 上化学、物理 性质不同的材 料组合而成
通过各组分性 能的互补可获 得单一材料不 能达到的综合 性能
5.1 复合材料概述
5.1.2
1
性能特点
学稳 定性优 良（管 道）
减摩、耐 磨、自润 滑性好 （掺入纤 维）
5.6 碳/碳复合材料
5.6
碳/碳复合材料
碳/碳复合材料用作导弹的头锥和喷管材料
5.6
碳/碳复合材料
碳/碳复合材料将来可能用于轿车的部位示意图
浸渍法
层叠 法
5.2 增强材料
Thermoset polymers
Mix
Cure Reaction
resin +
catalyst
Solidified thermoset
混合法
5.2 增强材料
Thermoplastic polymers,
Heat, Reshape, Mix, etc…
Solid Stock or Granules
纤维。
3.6GPa 400GPa 2.57
硼的熔点在2000℃以上，
硬度仅次于金刚石。
碳纤 3.53GPa 370GPa 维
3
5.2 增强材料
硼纤维在航空航天领域的应用效益
航天飞机的机身衍架用硼／铝复合材料管材制造，取得减重 20～66％的效果。 航天飞机货仓间隔支柱，可减重44％。 美国P&W公司在JT8D发动机上用硼／铝复合材料取代钛合 金，可减重10％。
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第五章 复合材料的增强材料与基体
第五章
复合材料的增强材料与基体
复合材料概述
增强材料
聚合物基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳/碳复合材料
应用举例：无处不在的复合材料
土房---草增强泥基复合材料
玻璃钢撑杆
钢筋混凝土建筑框架
复合材料在航天领域中的应用
“哥伦比亚号” 航天飞机
合材料刀具切削镍基合金时，不但刀具使用寿命增加，
而且进刀时和切削速度也大大提高。
5.5
陶瓷基复合材料
固体发动机燃烧室与喷管部件
陶瓷基复合材料用于火 箭喷管及燃烧室内壁
5.5 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料用作滑动构件
5.6 碳/碳复合材料
以碳为基体，利用碳纤维进行增强得到的碳复合材料， 叫做C/C复合材料（Carbon/Carbon Composite） 它具有良好的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、摩擦减
已被用于制造卫星的10m直径的抛物面天线及其支架 。
• 具有零膨胀系数的石墨/镁复合材料可用于航天飞机的大
面积蜂窝结构蒙皮材料 。
5.5
陶瓷基复合材料
陶瓷复合材料以其具有的高强度、高模量、
低密度、耐高温和良好的韧性等，已在高 速切削工具和内燃机部件上得到应用。
SiCw增韧的细颗粒Al2O3陶瓷复合材料已成功用于 工业生产制造切削刀具，我国研制生产的SiCw/ Al2O3复
5.4 金属基复合材料
金属基复合材料（MMC）是以金属及其合金
为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成 的复合材料。其增强材料主要为无机非金属，如：陶 瓷、碳、石墨及硼等。 金属基复合材料制备过程是在高温下进行的，
有的还在高温下工作较长时间，因此界面的结合强度
起到重要作用。
5.4 金属基复合材料
5.2 增强材料
5.2.4 碳纤维
碳纤维特点： 将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在90％以 上的纤维。其质轻而强度高，具有良好的润滑及 耐磨性能，其价格约为硼纤维的十分之一。 制备方法 原料纤维制造、纤维稳定处理和高温碳化及石墨 化烧结等工艺过程。
5.2 增强材料
复合材料的制备方法
混合 法
制备方法
复合材料在撑杆上的应用
Pole-vaulting
轻质、高强、高弹性、较低成 本、低密度及屈服强度
Longitudinal carbon fibers/epoxy
Glass fiber web/epoxy
Glass fiber rings
5.1 复合材料概述
5.1.1 复合材料的定义 由两种以上不同的原材料组成，使原 材料的性能得到充分发挥，并通过复合化 而得到单一材料所不具备的性能的材料。
料制成。
•
石墨－铝复合材料 最成功的应用是美国的
哈勃望远镜的两个兼作波导管用的长为3.6m的长 方形天线支架，此外还可用于人造卫星或天文望 远镜支架、L频带平面天线、人造卫星抛物面天
线、照相机波导管和镜筒、红外反射镜等。
5.4
的高性能结构件
金属基复合材料
• 碳化硅－铝复合材料主要用作飞机、导弹、发动机
芳纶纤维增强树脂用于刹车片
纤维增强热塑性塑料用于电路板
5.3
聚合物基复合材料
芳纶纤维增强塑料用于建筑材料
5.3
聚合物基复合材料
玻璃纤维增强树脂用于采光板
5.4 金属基复合材料
铝基复合材料 镁基复合材料
5.4 金属基复合材料
为什么会产生金属基复合材料？
★对材料的强韧性，导电、导热性，耐高温性、 耐磨性等性能都提出了越来越高的要求 ★要求材料具有更高的比强度和比模量(刚度) ★纤维增强聚合物基复合材料不能在300℃以上温度 下工作 ★聚合物基复合材料耐磨性差，不导电，不导热， 在使用期间逐渐老化，变质，尺寸不够稳定。
玻璃纤维的特点：
质地柔软，可以织成玻璃布，玻璃带。 玻璃纤维增强复合材料的机械强度、物理性 能、电性能及化学性能与玻璃的成分，直径 细度有直接关系。
5.2 增强材料
5.2.2 硼纤维
航空航天领域中，为获得 高比强度和高比弹性模量，
纤维 类型 硼纤 维
拉伸强 弹性模 比重 度 量
开发新型增强纤维------硼
• 氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是丰田
公司用来制造柴油发动机的活塞 、如活塞镶圈。
5.4 金属基复合材料
13.4.2 镁基复合材料的性能和应用
镁基复合材料是同类金属基复合材料中比强度和
比模量最高的一种，但由于价格昂贵目前只用于
航空航天部门。
含硼纤维40～45％的硼－镁复合材料的拉伸强度
法国 “空中客车” 公司生产的 A380双层四引擎大型客机，最 大可载客量650人
复合材料在化工领域中的应用
复合材料在日常生活中的应用