3复合材料的增强材料(精)
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复合材料的增强材料--碳纤维
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制作碳纤维的主要原材料有三种： ①人造丝(粘胶纤维)； ②聚丙烯腈(PNN) 纤维； ③沥青。
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用人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青为 原料生产的碳纤维各有其不同特点。
其中，制造高强度、高模量碳纤维 多选聚丙烯腈为原料。
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硼纤维在空气中的拉伸强度随温度升高而
降低。
在200 ℃左右硼纤维性能基本不变；而在 315 ℃ 、1000小时硼纤维强度将损失70％；而
加热到650 ℃时硼纤维强度将完全丧失。
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硼纤维的弯曲强度比拉伸强度高，
其平均拉伸强度为310 MPa，拉伸模量 为420 GPa。
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硼纤维在常温下为惰性物质，但在高温下易 与金属反应。
因此，需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。
硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。
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硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱
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硼纤维的优点
硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其 性能受沉积条件和纤维直径的影响。 硼纤维的密度为2.4 ~ 2.65 g / cm3，拉伸强 度为3.2 ~ 5.2 GPa，弹性模量为350 ~ 400 GPa。
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2014-6-5 陕理工材料学院高分子教研室 13
复合材料第2章 增强材料
❖ 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。
TaCf
界面及 界面反 应层
SiC
f
Ti基体
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
❖ 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
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）
❖ 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。
❖ 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℃才有明显的重量丧失；在
427℃下不分解，在－190℃低温下不变脆；强度长期在150℃下几乎不变，在 高温下不易变形，尺寸稳定，特别是其柔韧性好，抗冲击。在空气中难以燃烧， 离焰自熄。
❖ 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。
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
复合材料的增强体
理的纤维。
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。
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。
复合材料总思考题和参考题答案
复合材料概论总思考题—•复合材料总论1.什么是复合材料？复合材料的主要特点是什么？①复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
②1）组元之间存在着明显的界面；2）优良特殊性能；3）可设计性；4）材料和结构的统一2.复合材料的基本性能（优点）是什么？——请简答6个要点（1）比强度，比模量高（2）良好的高温性能（3）良好的尺寸稳定性（4）良好的化学稳定性（5）良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性（6）良好的功能性能3.复合材料是如何命名的？如何表述？举例说明。
4种命名途径①根据增强材料和基体材料的名称来命名，如碳纤维环氧树脂复合材料②（1）强调基体：酚醛树脂基复合材料（2）强调增强体：碳纤维复合材料（3）基体与增强体并用：碳纤维增强环氧树脂复合材料（4）俗称：玻璃钢4•常用不同种类的复合材料（PMC,MMC,CMC）各有何主要性能特点?5.复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容?3个层次答：1、一次结构：由集体和增强材料复合而成的单层材料,其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何和界面区的性能；二次结构：由单层材料层复合而成的层合体,其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何三次结构：指通常所说的工程结构或产品结构,其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。
2、①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能；②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案作出合理安排，该层次决定层合板的性能；③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸。
6.试分析复合材料的应用及发展。
答：①20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料。
至60年代,在技术上臻于成熟,在许多领域开始取代金属材料。
②随着航空航天技术发展，对结构材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好。
第三章 复合材料的增强体
18
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。
31
（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。
5
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。
复合材料第四章复合材料的增强材料
聚乙烯纤维作为目前国际上最新的一种有机 纤维，它具有以下四个特点：
超轻、高比强度、高比模量、成本较低。
32
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。
25
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。
26
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
36
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。
37
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。
30
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。
31
２、聚乙烯纤维（Polyethylene, PE）
超轻、高比强度、高比模量、成本较低。
32
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）
3复合材料的增强材料
近似的分子结构。
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玻璃纤维的耐磨性是指纤维抵抗磨损的能力，耐折性是指 纤维抵抗折断的能力。 玻璃纤维这两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受伤或断 裂，这是玻纤的严重缺点。 玻璃的导热系数为0.6 ~ 1.1千卡/米· 时，但拉制成玻璃纤 度· 维后，其导热系数只有0.03千卡／米· 时。 度· 纤维间的空隙较大，容重较小，其导热系数小，主要是因 为空气导热系数低所致；而导热系数越小，隔热性能越好。 温度的变化对玻璃纤维的导热系数影响不大。
41
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿 度。 无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多。 这主要是因为无碱纤维中碱金属离子少的缘故。碱 金属离子越少，电绝缘性能越好；
玻璃纤维的电阻率随着温度的升高而下降。
42
表5 空气湿度对玻璃布电阻率影响
43
玻璃是优良的透光材料，但制成玻璃纤维制品后， 其透光性远不如玻璃。 玻璃纤维制品的光学性能以反射系数、透光系数和 亮度系数来表示。 密度小而薄的玻璃布，透光系数可达65％； 密度大而厚的玻璃布，透光系数只有18％～20％。
28
3）玻璃纤维的物理性能与化学性能
玻璃纤维具有一系列优良的物理性能，拉伸强度高，
由于表面光滑，纤维之 防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。 间抱合力非常小，不利 于和树脂粘结；又由于 玻璃纤维的缺点是具有脆性，不耐腐蚀，对人的皮 呈圆柱状，所以玻璃纤 维彼此相靠近时，空隙 肤有刺激性等。 填充得较为密实。
33
表2 玻璃纤维拉伸强度与直径的关系
34
表3 玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系
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一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。高强玻璃
复合材料的增强材料
AR玻璃纤维 亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水 泥而研制的。
A玻璃 亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃， 因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。
复合材料的增强材料
商品化的玻璃纤维
E-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少，是 专为地下管道、贮罐等开发的新品种。
熔融的玻璃液
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
细丝
特点：消失了玻璃的脆性，变得质地柔软，具有弹性， 可并股、加捻，纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的组成
由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属 于无定型离子结构。 SiO2：主要组分，其作用是在玻璃中形成基本骨架， 而且有高的熔点 金属氧化物：Al2O3、CaO、MgO、 Na2O(K2O)、 BeO、B2O3 改善工艺条件，如Na2O(K2O)降低熔点和黏度，但会 影响耐水性、电性能； BeO使模量提高，但毒性大； B2O3提高耐酸性，改善电性能，但模量和强度下降。
复合材料的增强材料
无捻粗纱
喷射用无捻粗纱 SMC用无捻粗纱 SMC即片状模塑料，主要用于
压制汽车部件、浴缸、水箱板、净化槽、各种座 椅等。SMC用无捻粗纱在制造SMC片材时要切成 lin(25mm)的长度，分散在树脂糊中，因此对 SMC用无捻粗纱的要求是短切性好，毛丝少，抗 静电性优良，在切割时短切丝不会粘附在刀辊上。 对着色的SMC而言，无捻粗纱要在高颜料含量的 树脂糊中被树脂浸透。通常SMC无捻粗纱一般为 2400tex，少数情况下也有用4800tex的。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的物理性能
外观和比重：单丝呈光滑的圆柱、直径从 1.5~30μm，大多数为4~14 μm。密度： 2.16~4.3g/㎝3,与铝相当 按单丝直径不同分类：粗纤维：30 μm； 初级纤维：20 μm；中级纤维10~20 μm（无 捻粗纱、无纺布、短切纤维毡）； 高级纤维3~10 μm（也称纺织纤维）
A玻璃 亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃， 因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。
复合材料的增强材料
商品化的玻璃纤维
E-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少，是 专为地下管道、贮罐等开发的新品种。
熔融的玻璃液
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
细丝
特点：消失了玻璃的脆性，变得质地柔软，具有弹性， 可并股、加捻，纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的组成
由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属 于无定型离子结构。 SiO2：主要组分，其作用是在玻璃中形成基本骨架， 而且有高的熔点 金属氧化物：Al2O3、CaO、MgO、 Na2O(K2O)、 BeO、B2O3 改善工艺条件，如Na2O(K2O)降低熔点和黏度，但会 影响耐水性、电性能； BeO使模量提高，但毒性大； B2O3提高耐酸性，改善电性能，但模量和强度下降。
复合材料的增强材料
无捻粗纱
喷射用无捻粗纱 SMC用无捻粗纱 SMC即片状模塑料，主要用于
压制汽车部件、浴缸、水箱板、净化槽、各种座 椅等。SMC用无捻粗纱在制造SMC片材时要切成 lin(25mm)的长度，分散在树脂糊中，因此对 SMC用无捻粗纱的要求是短切性好，毛丝少，抗 静电性优良，在切割时短切丝不会粘附在刀辊上。 对着色的SMC而言，无捻粗纱要在高颜料含量的 树脂糊中被树脂浸透。通常SMC无捻粗纱一般为 2400tex，少数情况下也有用4800tex的。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的物理性能
外观和比重：单丝呈光滑的圆柱、直径从 1.5~30μm，大多数为4~14 μm。密度： 2.16~4.3g/㎝3,与铝相当 按单丝直径不同分类：粗纤维：30 μm； 初级纤维：20 μm；中级纤维10~20 μm（无 捻粗纱、无纺布、短切纤维毡）； 高级纤维3~10 μm（也称纺织纤维）
《复合材料概论》心得与总结
《复合材料概论》心得与总结卫琦 1306030118通过学习《复合材料概论》，我了解了复合材料的命名、分类以及复合材料的基本性能。
复合材料的基体材料有四种：金属材料、无机胶凝材料、陶瓷材料、聚合物材料。
了解了碳纤维的优点以及碳纤维在生活中被广泛的应用。
以及对聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料的了解。
以下是我对一些知识点的总结。
第一章总论一、复合材料定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料；在复合材料中通常有一个相为连续相，称为基体，另一相为分散相，称为增强材料。
二、复合材料的分类1．按增强材料形态分类（连续纤维复合、短纤维复合、颗粒复合、编织复合）2．按增强材料纤维种类分类（玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维、混合）3．按基体材料分类（聚合物基、金属基、无机非金属基）4．按材料作用分类（结构复合材料、功能复合材料）三、复合材料的基本性能1．可综合发挥各组成材料的优点2．可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造（最大特点！）3．可制成所需的任意形状的产品四、复合材料结构设计的三个结构层次①：一次结构：指由基体和增强材料复合而成的单层材料②：二次结构：指由单层材料层合而成的层合体③：三次结构：指通常所说的工程结构或者产品结构第二章复合材料的基体材料复合材料的基体材料有以下四种：①：金属材料主要包括铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等陶瓷材料主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷聚合物材料主要包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热固性/热塑性聚合物。
第三章复合材料的增强材料一、增强材料的定义：在复合材料中，凡事能基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。
二、玻璃纤维的分类：1．以玻璃原料成分分类：无碱玻璃纤维（E玻纤）；中碱玻璃纤维；有机玻璃纤维（A玻璃）；特种玻璃纤维。
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
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
• 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
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特种玻璃纤维
如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅 系高强高弹玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐 蚀玻璃纤维，含铅纤维，高硅氧纤维，石英纤维 等。
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玻璃纤维的其它分类方法
以单丝直径分类，单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分为 以下几种。
名称
粗纤维
初级纤维
中级纤维
高级纤维 （纺织纤维)
复合材料原理
江苏大学材料学院
1
第二章 复合材料的复合原理及界面
2.1 复合原则
2.2 弥散增强及颗粒增强原理
2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性 2.7 复合材料界面表征
2
2.7 复合材料界面表征
界面形态及界面层结构的表征
16
中碱玻璃纤维
它是指碱金属氧化物含量在11.5％ ~ 12.5％之间
的玻璃纤维。
国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸 性好，但强度不如E玻璃纤维高。
它主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。
17
有碱玻璃(A玻璃)纤维
有碱玻璃称A玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶 的钠钙玻璃。 此种玻璃由于含碱量高，强度低，对潮气侵 蚀极为敏感，因而很少作为增强材料。
(界面层厚度与结构——图像分析，快速获得统计结果和分 布、结构与界面结合强度之间的关系、非破坏性观察)
4
第三章 复合材料的增强材料
在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械 性能的高强度材料称为增强材料。 增强材料有时也称作增强体、增强剂等。 增强材料共分为三类：纤维及其织物、晶须、 颗粒。
5
随着玻璃钢工业的发展，玻璃纤维工业也得到迅速 发展。 国外玻璃纤维的主要特点如下： Ａ、普遍采用池窑拉丝新技术； Ｂ、大力发展多排多孔拉丝工艺； Ｃ、用于玻璃钢的纤维逐渐向粗直径方向发展，
纤维直径为14~24um，甚至达27um；
11
Ｄ、大量生产无碱纤维；
Ｅ、大力发展无纺织玻璃纤维织物，无捻粗纱和短 切纤维毡片所占比例增加；
一、纤维及其织物
玻璃纤维 碳纤维
硼纤维
氧化铝纤维 碳化硅纤维 芳纶纤维
6
纤维简介
天然纤维强度较低，来源有限。 如，植物纤维——棉花、麻类；动物纤维——丝、毛； 矿物纤维——石棉。
现代复合材料的增强材料用合成纤维。 纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。 纤维不仅能使材料显示出较高的抗拉强度和刚度，而 且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。
15
无碱玻璃纤维
无碱玻璃纤维(通称E玻纤)，以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维， 强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性 也好(但不耐酸)。 无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好，因此也把它称做电气玻 璃。
国内外大多数都使用这种Ｅ破璃纤维作为复合材料的原材料。
国内规定其碱金属氧化物含量不大于0.5％，国外一般为1％左 右。
Ｆ、重视纤维—树脂界面的研究，偶联剂的品种不 断增加，玻璃纤维的前处理受到普遍重视。
12
图1 玻璃纤维和玻璃钢制品
13
我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能生产绝 缘材料用的初级纤维。 1958年以后，玻璃纤维工业得到迅速发展，纤维品 种呈现出多样化特点。 现在全国有大、小玻璃纤维厂家200多个，玻璃纤维
7
纤维可分为无机纤维和有机纤维。
纤维增强复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、
含量及使用状态。
如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，拉伸强度可从600 MPa提 高到1000 MPa，弹性模量可从3000 MPa提高到8000 MPa，其 热变形温度可从85℃提高到105℃ ，-40 ℃以下的冲击强度 可提高10倍。
年产量为5万吨，纤维直径多数为6--8um，正向粗纤 维方向发展。
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玻璃纤维的分类
玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃原料成分、 单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。 以玻璃原料成分分类主要用于连续玻璃纤维的分类。 一般以不同的含碱量分为四类。
无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、有碱玻璃纤维、特 种玻璃纤维。
关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够
反映实际情况的是“微晶结构假说”和“网 络结构假说”。
23
微晶结构假说的要点：玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微 晶子”组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。 网络结构假说的要点：玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧 三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络；网络间的 空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。 二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础， 填充的Na、Ca等阳离子称为网络改性物。
界面结合强度的表征
界面残余应力的表征 增强体表面性能的表征
3
思考题
1、界面结合强度表征有哪些方法？你认为哪一 种或哪几种方法比较具有发展前途，为什么？
(脱粘、顶出、拔出、动态加载、声发射、扭辫分析、宏观)
2、你认为在复合材料界面结构表征与复合材料
宏观力学性能之间还有哪些工作需要完善，你有 什么好的建议？
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（一） 无机纤维
1、玻璃纤维
2、碳纤维
3、硼纤维 4、氧化铝纤维 5、碳化硅纤维 6、其他纤维
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１、玻璃纤维（Glass Fibre, GF）
玻璃纤维简介及分类 玻璃纤维的结构及化学组成
玻璃纤维的物理性能与化学性能
玻璃纤维及其制品的制造工艺
玻璃纤维制品的性能及应用
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1）玻璃纤维简介及分类
以纤维外观分类，有连续纤维，其中有无捻粗纱及
加捻粗纱(用于纺织)、短切纤维、空心玻璃纤维、
玻璃粉及磨细纤维等。
以纤维特性分类，高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、 耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维(指无 碱及中碱玻璃纤维)。
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2）玻璃纤维的结构及化学组成
玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许多倍， 但经研究证明，玻璃纤维的结构与玻璃相同。
超细纤维
直径 （um）
≥30
≥ 20 um
10 ~ 20 um
3 ~ 10um
≤4 um
20
单丝直径不同，不仅使纤维的性能有差异，而且影 响到纤维的生产工艺、产量和成本。 一般5 ~ 10 um的纤维作为纺织制品使用，10 ~ 14 um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等
较为适宜。
21