第2章复合材料的增强体

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
普通型
高强度型
碳纤维的结构模型
高弹性模量型
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 簧和驱动轴等。
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 J J J
Chapter 2 Composite Reinforcements
复合材料增强体
主要内容
J J
2.1 基本概念
2.2 无机非金属纤维
2.3 有机纤维（芳纶纤维） 2.4 晶须及颗粒增强物
J J
2.1 基本概念
J J J J
增强材料
增强（韧）机制
界面作用
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。
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 界面扩散
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。 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
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
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 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
干燥
上胶
展平解捻
缠绕
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
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。
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
PAN原丝和碳纤维制备流程
CH2=CH
CN
单体蒸馏提纯 热水牵伸
(CH2－CH)n
CN
按配比混合 热水洗涤 溶液聚合 脱单,过滤,脱泡 热水洗涤 上油 溶液过滤 热辊干燥 纤维成型
热水再牵伸
加压蒸 汽牵伸 表面处理
热辊定型
卷绕
排序加捻
200-300℃ 预氧化 收丝
400-1000℃ 低温碳化
Baidu Nhomakorabea
1000-1800℃ 高温碳化
2.2.1 碳纤维 2.2.2 硼纤维 2.2.3 碳化硅纤维
2.2.4 玻璃纤维
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。
碳纤维在我国民用工业的应用 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 建筑补强： 各种片材 增强水泥 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： 印刷罗拉 新闻记者用伸缩杆 电缆绕线弓、 弹簧