纤维增强复合材料

纤维增强复合材料由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小，一般在l0μm以下，缺陷较少又小，断裂应变不大于百分之三，是脆性材料，容易损伤、断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度和模量要低得多，但可经受较大的应变，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料。

纤维增强复合材料，由纤维的长短可分为短纤维增强复合材料、长纤维复合材料和杂乱短纤维增强复合材料。纤维增强复合材料由于纤维和基体的不同，品种很多，如碳纤维增强环氧、硼纤维增强环氧、Kevlar纤维增强环氧、Kevlar 纤维增强橡胶、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强铝、石墨纤维增强铝、碳纤维增强陶瓷、碳纤维增强碳和玻璃纤维增强水泥等。（1新型纺织材料及应用宗亚宁主编中国纺织出版社）

纤维增强复合材料的性能体现在以下方面：

比强度高比刚度大，成型工艺好，材料性能可以设计，抗疲劳性能好。破损安全性能好。多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小、叠层复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度很低、影响复合材料性能的因素很多，会引起复合材料性能的较大变化、用硼纤维、碳纤维和碳化硅纤维等高性能纤维制成的树脂基复合材料，虽然某些性能很好，但价格昂贵、纤维增强复合材料与传统的金属材料相比，具有较高的强度和模量，较低的密度、纤维增强复合材料还具有独特的高阻尼性能，因而能较好地吸收振动能量，同时减少对相邻结构件的影响。

从本世纪40年代起，复合材料的发展已经历了整整半个世纪。随着技术的提高，应用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制品以及家庭与办公用品等等各部门。复合材料在建筑上可作为结构材料、装饰材料、功能材料以及用来制造各种卫生洁具和水箱等。

纤维增强复合材料由增强材料和基体材料构成，每部分都有各自的作用，影响复合材料的性能。

作为增强材料的纤维是组成复合材料的主要成分。在纤维增强复合材料中占有相当的体积分数，同时是结构复合材料承受载荷的主要部分。增强纤维的类型、数量和取向对纤维增强复合材料的性能十分重要，它主要影响以下的方面：（1）密度；

（2）拉伸强度和模量；

（3）压缩强度和模量；

（4）疲劳强度和疲劳机理；

（5）电和热性能；

（6）价格。

比较常见的增强纤维主要有凯夫拉（Kevlar）纤维、碳纤维、玻璃纤维、高强聚乙烯纤维、硼纤维、氧化铝纤维等。

基体复合材料体系中，基体发挥多种功能。基体把纤维材料结合在一起，并使其保持于特定的位置和特定的方向，赋予复合材料结构整体性，它保护纤维免受环境损害和加工处理的影响。基体系统把作用于复合材料界面上的力传递给纤维，基体还有利于增强复合材料的结构。（新型纺织复合材料）

纤维复合材料在成型过程中，基体与增强纤维通过一定的物理和化学变化，

复合成为具有特定形状的整体。复合材料的许多性能，如横向拉伸性能、压缩性能、剪切性能、耐湿性能和介电性能等均与基体有着密切的关系。在纤维增强复合材料中，要求基体对纤维有良好的粘结性，以使两者之间形成完整的界面。能将纤维和基体有机地结合在一起的，就是它们的界面。同时，基体的弹性模量和断裂伸长率等指标应与所用增强纤维相匹配，使复合材料显示出良好的机械性能。此外，基体还应有良好的加工工艺性能，如良好的流动性、浸润性、成型性等。只有这样，基体与纤维才能结合成为一个整体，相互协同作用，使复合材料具有良好的强度、刚度和韧性，能够用于各种需要场合。

纤维复合材料的基体主要有聚合物、金属、陶瓷以及碳。在本章中，将主要介绍聚合物基体。聚合物基体主要包括树脂和橡胶两类，而树脂又分为热固性树脂和热塑性树脂，不同的聚合物基体有着不同的理化性质，其对应的纤维增强复

合材料也具有各种不同的用途。

界面是复合材料的要素之一。能将纤维和基体有机地结合在一起的，就是它们的界面。其存在和作用对复合材料的性质极为重要。通常认为界面不是一个单一的结合面，而是有一定厚度和不同作用区域的界面层。许多研究表明，纤维增强复合材料的界而是个界面层，其是由纤维表面层、纤维与基体相结合；作用和渗透部分、以及表面层构成的多层过渡层等组成。复合材料界面的简单定义是

物质间或两相间的共有面。其间的相互作用，大致可归为扩散缠结、学键的作用、静电吸引、机械锁结四类。

自1932年树脂基复合材料在美国诞生之后，已有60多年的发展历史。早期的纤维增强复合材料结构部件的加工方法采用手铺技术，尽管手糊法是可靠的工艺方法，但该法加工速度慢且是劳动密集性操作，近些年来，纤维增强复合材料的加工方法的研究重点放在大批量生产技术上，3种具有代表性的加工方法是模压、拉挤和长丝缠绕。

热固性复合材料的成型工艺主要有长丝缠绕工艺、袋压工艺

和拉挤工艺和模压成型工艺。纤维增强热塑性复合材料的成型方法已发展了很多种，根据纤维增强材料的长短分为两大类：短纤维增强热塑性复合材料成型方法；连续纤维增强热塑性复合材料成型方法。短纤维增强热塑性复合材料成型方法有挤出成型和注塑成型。目前，有关连续纤维增强热塑性复合材料部件的成型方法有辊轧成型、纤维缠绕、挤拉和热成型。（纤维增强复合材料王善元张汝光等编著中国纺织大学出版社）

下面介绍一下碳纤维增强环氧树脂复合材料。它的增强材料是碳纤维，基体是环氧树脂。

碳纤维有着优良的性能。例如，在纤维轴方向显示高抗拉强度和高弹性模量，比重轻、耐腐蚀、既能耐低温又能耐高温、常热下导热性能好、优良的吸附性能等。（产业用纤维制品学晏雄主编中国纺织出版社）

环氧树脂具有优良的物理力学性能、电绝缘性能、耐药品性和粘结性能，渗透到高新技术的国民经济的各个方面。如航天器材中的复合材料。（先进复合材料手册鲁云等主编机械工业出版社）

界面对碳纤维复合材料性能的发挥起着非常重要的作用,复合材料通过界面传递载荷,可以使碳纤维与基体形成一个有效发挥综合性能的整体。环氧碳纤维复合材料最高使用温度为175℃左右。它可以用于制造原子反应堆的试样容器; 飞机结构零件，如机翼、刹车装置、舵门等; 人造卫星用支承架;浓缩铀用离心分离机转筒。碳纤维增强环氧树脂复合材料还可用于飞机中的耐高温结构部件。