第二章增强材料
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重点介绍：
有机纤维：Kevlar纤维 无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维
第二章增强材料
1、芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维，Aromatic Polyamide fiber, Kevlar, KF）
芳纶纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，是一种 新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量、耐高温、 耐酸碱、质量轻等优良性能。
含有原位生成的短纤维、晶须、 颗粒XD™MMC的显微组织结构
❖ 单向增强结构
这种结构是指增强材料一维 平行排列分布在基体中，PMC、 MMC、CMC中较为常见结构。
界面及界 面反应层
SiCf Ti基体
TaCf
SiCf /Ti单向增强复合材料
TaCf/Superalloy(原位定向凝固)
钨纤维（丝）单向增强高温合金显微组织
第二章增强材料
❖ 层状增强结构
增强材料以织物（布、毡）方式增强，或双向正交、或铺层（多 向）方式分布在复合材料基体中，是PMC、C/C常用的结构，如层压 板、迭层板等。在CMC中，也可以纤维按层状，在基体中原位形成分 散状的增强相。
SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基复合材料
喷涂法制备的Al2O3与高温合金复合 的层状复合材料
三维正交增强结构
第二章增强Байду номын сангаас料
4、增强材料的选择原则：
❖ 增强体的基本特性——强度、弹性模量、密度、热膨胀系数等； ❖ 增强材料与基体材料的物理相容性——浸润性、弹性匹配（弹性模
量）、热匹配（热膨胀系数）、互溶性等； ❖ 增强材料与基体材料的化学相容性——化学反应、极性、化学位等； ❖ 增强材料的形状、尺寸 ❖ 性能/价格比。
第二章增强材料
蒙脱土/聚丙烯酰胺纳米层状复合材料 （龙斌，清华大学硕士学位论文，2007年）
第二章增强材料
❖ 网络状增强结构
网络状增强结构分为三维、多维网络状结构，三维结构也有称为 三向，或三向正交增强结构。一般通过编织方式将纤维或将预浸料编 织成三维或多维预制体。比较典型的是三维正交C/C复合材料，按纤 维的方向分为L、T、N三个方向经编织成三维立体结构，但各个方向 的纤维含量可以相同或不同。在C/C复合材料中，也可以在层状结构 的基础上采用Z向针刺的方法形成三维结构。
3、增强材料的结构类型：
在复合材料中，增强材料可以以连续相、或分散相 的形式存在于基体中，既可以是零维、一维、二维、三 维，甚至是多维。所以复合增强的结构类型可以分为：
❖ 分散状增强结构（Dispersed reinforcing structure） ❖ 单向增强结构（Unidirectional reinforcing structure） ❖ 层状增强结构（Layered or laminated reinforcing structure） ❖ 网络状增强结构（Network reinforcing structure）
❖ 经过热处理和改善原料的结构后，可得到提高了综合性能的不同牌号的芳 纶纤维。
❖ 1973年正式以Kevlar作为其商品名。 ❖ 芳纶纤维从一开始就被蒙上神秘的面纱。 ❖ 我国将Kevlar纤维命名为芳纶纤维。1972年开始研制，1981年和1985年分
别研制出芳纶14和芳纶1414。
第二章增强材料
芳纶纤维是重要的国防军工材料，可用于防弹衣、头 盔使用，也可作为航空航天、机电、建筑、汽车、体育用 品等使用。
第二章增强材料
（1）芳纶纤维的发现
❖ 这种纤维的出现是科学发现中偶然性的一个事例， 1968年，美国杜邦公 司（Dupont）一位研究人员在实验时偶然发现全芳香族聚酰胺树脂溶解 于硫酸类，其分子完全不会分散，分子间又形成一定规则配列，经纺丝成 为一种全新耐热、高强度和模量的有机纤维。
1、定义：
增强材料，或增强体 reinforcements
❖ 结合在基体内、用以改进其力学等综合性能的高强度材料，称为 增强材料，也称为增强体、增强相、增强剂等。
❖ 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。
第二章增强材料
2、分类：
第二章增强材料
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。
第二章增强材料
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。
第二章 增强材料
(Reinforcements, reinforcing materials)
第二章增强材料
主要内容
❖ 增强材料概述
定义、分类、结构类型、选择增强材料的原则
❖ 几类常用的增强材料
纤维、晶须、颗粒 制备方法、特性、应用
❖ 增强材料的表面处理
方法、原理、应用
第二章增强材料
一、增强材料概述
第二章增强材料
❖ 分散状增强结构
这种结构也称为不连续增强复合材料的结构，即增强材料（相） 在基体中呈分散状，主要是短纤维、颗粒、晶须。这种结构是不连 续增强MMC、原位MMC、CMC等主要结构。值得注意的是纳米功 能复合材料的结构方式也多为分散状结构。
B4C原位增强ZrCN陶瓷基复合材料
第二章增强材料
（2）芳纶纤维的制造工艺
原料：对苯二胺与对苯二甲酰胺缩聚而成
工艺流程：
将原料溶 于浓硫酸
纺丝液
挤压喷丝
干湿纺
溶液萃取 与洗涤
干燥
Keclar29 纤维
（芳纶14）
Kevlar纤维的结构：
热处理 （550℃，N2)
Keclar49 纤维
（芳纶1414）
第二章增强材料
（3）芳纶纤维的性能
Kevlar纤维是属于一种液态结晶性棒状高分子,它具有非常好的热 稳定性、抗火性、抗化学性、绝缘性、高强度及高模量。
❖ 高强度——抗拉强度高达3.4GPa，模量为59～190GPa 强度是石棉纤维的2～11倍；是高强度石墨的1.6倍；是玻璃纤维的3倍； 是相同重量下钢纤维的5倍。
❖ 低密度——仅为1.44 g/cm3，几乎只有石棉密度的一半，低于碳纤维。 ❖ 热稳定性——在热试验中(TGA)非常稳定,直至600℃才有明显的重量丧
有机纤维：Kevlar纤维 无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维
第二章增强材料
1、芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维，Aromatic Polyamide fiber, Kevlar, KF）
芳纶纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，是一种 新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量、耐高温、 耐酸碱、质量轻等优良性能。
含有原位生成的短纤维、晶须、 颗粒XD™MMC的显微组织结构
❖ 单向增强结构
这种结构是指增强材料一维 平行排列分布在基体中，PMC、 MMC、CMC中较为常见结构。
界面及界 面反应层
SiCf Ti基体
TaCf
SiCf /Ti单向增强复合材料
TaCf/Superalloy(原位定向凝固)
钨纤维（丝）单向增强高温合金显微组织
第二章增强材料
❖ 层状增强结构
增强材料以织物（布、毡）方式增强，或双向正交、或铺层（多 向）方式分布在复合材料基体中，是PMC、C/C常用的结构，如层压 板、迭层板等。在CMC中，也可以纤维按层状，在基体中原位形成分 散状的增强相。
SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基复合材料
喷涂法制备的Al2O3与高温合金复合 的层状复合材料
三维正交增强结构
第二章增强Байду номын сангаас料
4、增强材料的选择原则：
❖ 增强体的基本特性——强度、弹性模量、密度、热膨胀系数等； ❖ 增强材料与基体材料的物理相容性——浸润性、弹性匹配（弹性模
量）、热匹配（热膨胀系数）、互溶性等； ❖ 增强材料与基体材料的化学相容性——化学反应、极性、化学位等； ❖ 增强材料的形状、尺寸 ❖ 性能/价格比。
第二章增强材料
蒙脱土/聚丙烯酰胺纳米层状复合材料 （龙斌，清华大学硕士学位论文，2007年）
第二章增强材料
❖ 网络状增强结构
网络状增强结构分为三维、多维网络状结构，三维结构也有称为 三向，或三向正交增强结构。一般通过编织方式将纤维或将预浸料编 织成三维或多维预制体。比较典型的是三维正交C/C复合材料，按纤 维的方向分为L、T、N三个方向经编织成三维立体结构，但各个方向 的纤维含量可以相同或不同。在C/C复合材料中，也可以在层状结构 的基础上采用Z向针刺的方法形成三维结构。
3、增强材料的结构类型：
在复合材料中，增强材料可以以连续相、或分散相 的形式存在于基体中，既可以是零维、一维、二维、三 维，甚至是多维。所以复合增强的结构类型可以分为：
❖ 分散状增强结构（Dispersed reinforcing structure） ❖ 单向增强结构（Unidirectional reinforcing structure） ❖ 层状增强结构（Layered or laminated reinforcing structure） ❖ 网络状增强结构（Network reinforcing structure）
❖ 经过热处理和改善原料的结构后，可得到提高了综合性能的不同牌号的芳 纶纤维。
❖ 1973年正式以Kevlar作为其商品名。 ❖ 芳纶纤维从一开始就被蒙上神秘的面纱。 ❖ 我国将Kevlar纤维命名为芳纶纤维。1972年开始研制，1981年和1985年分
别研制出芳纶14和芳纶1414。
第二章增强材料
芳纶纤维是重要的国防军工材料，可用于防弹衣、头 盔使用，也可作为航空航天、机电、建筑、汽车、体育用 品等使用。
第二章增强材料
（1）芳纶纤维的发现
❖ 这种纤维的出现是科学发现中偶然性的一个事例， 1968年，美国杜邦公 司（Dupont）一位研究人员在实验时偶然发现全芳香族聚酰胺树脂溶解 于硫酸类，其分子完全不会分散，分子间又形成一定规则配列，经纺丝成 为一种全新耐热、高强度和模量的有机纤维。
1、定义：
增强材料，或增强体 reinforcements
❖ 结合在基体内、用以改进其力学等综合性能的高强度材料，称为 增强材料，也称为增强体、增强相、增强剂等。
❖ 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。
第二章增强材料
2、分类：
第二章增强材料
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。
第二章增强材料
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。
第二章 增强材料
(Reinforcements, reinforcing materials)
第二章增强材料
主要内容
❖ 增强材料概述
定义、分类、结构类型、选择增强材料的原则
❖ 几类常用的增强材料
纤维、晶须、颗粒 制备方法、特性、应用
❖ 增强材料的表面处理
方法、原理、应用
第二章增强材料
一、增强材料概述
第二章增强材料
❖ 分散状增强结构
这种结构也称为不连续增强复合材料的结构，即增强材料（相） 在基体中呈分散状，主要是短纤维、颗粒、晶须。这种结构是不连 续增强MMC、原位MMC、CMC等主要结构。值得注意的是纳米功 能复合材料的结构方式也多为分散状结构。
B4C原位增强ZrCN陶瓷基复合材料
第二章增强材料
（2）芳纶纤维的制造工艺
原料：对苯二胺与对苯二甲酰胺缩聚而成
工艺流程：
将原料溶 于浓硫酸
纺丝液
挤压喷丝
干湿纺
溶液萃取 与洗涤
干燥
Keclar29 纤维
（芳纶14）
Kevlar纤维的结构：
热处理 （550℃，N2)
Keclar49 纤维
（芳纶1414）
第二章增强材料
（3）芳纶纤维的性能
Kevlar纤维是属于一种液态结晶性棒状高分子,它具有非常好的热 稳定性、抗火性、抗化学性、绝缘性、高强度及高模量。
❖ 高强度——抗拉强度高达3.4GPa，模量为59～190GPa 强度是石棉纤维的2～11倍；是高强度石墨的1.6倍；是玻璃纤维的3倍； 是相同重量下钢纤维的5倍。
❖ 低密度——仅为1.44 g/cm3，几乎只有石棉密度的一半，低于碳纤维。 ❖ 热稳定性——在热试验中(TGA)非常稳定,直至600℃才有明显的重量丧