西安工业大学复合材料第三章
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Pc Pf Pm
cA cfAf mA m
E ccA c E f fA f E mm A m
纤维体积分数
f
Vf Af Vc Ac
m1f
根据等应变的假设 c f m
则纤维承担的载荷与基体之比为：
P f fA f E f f A f E f f E f f P m m A m E m mA m E m m E m1 f
3.1.3 高性能复合材料对纤维增强体的要求
高比强度、比模量，与基体相容性好，成 本低，工艺性好（具有柔韧性，易绕曲），高 温抗氧化性好，不污染环境等
第二节 纤维增强体介绍
3.2.1 玻璃纤维 3.2.2 碳纤维 3.2.3 硼纤维 3.2.4 碳化硅纤维 3.2.5 凯夫拉纤维
3．2 玻璃纤维
第三章 复合材料的增强材料
• 增强体作用：增强或改善基体材料的性能 • 本章主要内容包括纤维增强体的特点和几种
增强材料（Gf、Cf、Bf、SiCf、晶须）的制备、 性能特点及应用
3.1 增强体概述与纤维增强机制
➢ 增强材料分类 • 按几何形状分
颗粒状（零维） 纤维状（一维）
短纤维 晶须
薄片状（二维）
纤维单元受力矩M作用产生
弯曲，曲率半径ρ与材质和
圆柱横截面尺寸关系为
1
M
64 Eπd4
作用于微圆柱上的力矩M
d↓柔曲性↑
③大的长径比（l/d）使纤维在复合材料中比其
他形状的增强体更容易发挥其固有的强度
玻璃纤维线团
看山是山，看水是水； 看山不是山，看水不是水； 看山还是山，看水还是水。
…….青源惟信禅师讲到自己修佛悟道的历程时说的
• 早期碳纤维强度、模量低，热牵伸（1964）后性能突破 • 碳纤维是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，
是一种非金属材料，不属于有机纤维 • 制备方法有气相法和有机纤维碳化法，前者制备短纤维，后
者用于连续长纤维
3.3.2 连续长纤维制备
• 原料包括①人造丝（粘胶纤维）、②聚丙烯腈（PAN）和③ 沥青，高强高模量多用②，高模量多用③，最高达900GPa
总结
表达
指导教师 评阅教师 答辩成绩
• 固溶：将合金加热到高温单相区一定温度 ，保温一定时间，使第二相充分溶解到固 溶体中，随之迅速冷却至室温，以获得溶 质原子在该基体相中的过饱和固溶体的热 处理工艺。《金属热处理工艺学》
• 烧结：是粉末或粉末压坯在适当的温度和 气氛条件下加热所发生的一系列复杂的现 象或过程。《粉末冶金原理》
3.2.1 概述
• 玻璃纤维的物理、化学性能几乎由其化学组成所决定。现在 所使用的主要有无碱E玻璃、耐药品的C玻璃、含碱的A玻璃、 高拉伸强度的S玻璃以及特殊用途的玻璃等。 玻璃纤维表面积普通玻璃的1000倍，对于普通玻璃来说 不会成为问题的耐风化性、耐药品性，表面电阻等，对于玻 璃纤维来说都必须充分注意。例如玻璃纤维表面可能与空气 中的水分反应，产生风化，使强度等下降。
…….《九鼎神皇824》 处处留心皆学问 7075铝合金的固溶与热挤压前的塑性回复 粉末冶金中的烧结与热压（热挤压） 社会中人的道德观、价值观或社会观 思考：固溶/时效与淬火/回火
八股文 议论文
破题、承题、起讲、入题、 起股、中股、后股、束股。
提出、分析、解决问题。
作
文
秀
毕业设计
（研究） 做
写
说
动手
3.2.2 制备
（坩埚法）
将玻璃加热至熔融状态， 使其从漏嘴流出，再进行高速 拔丝的方法。而且一般是使用（池窑法） 多个漏嘴，同时纺丝。用这种 方法既可制备连续纤维，也可 以制备短纤维（熔融后玻璃液 在高速气流中吹拉而成，即吹 制法）。
3.2.3 应用
3.3 碳纤维
3.3.1 概述
• 碳纤维最早用棉、麻、竹等天然纤维碳化而成，用于白炽灯 灯丝（1880），真正规模生产是从50年代末人造丝开始
• 一般工艺流程如下， 1.拉丝：块状聚合物成丝状； 2.牵伸：100～300℃，杂乱主链取向化分布，影响纤维最终模量 3.稳定化：200～400℃，又称预氧化，空气中脱氢环化 4.碳化：1000～2000℃，高纯惰性气体中去除非碳原子 5.石墨化：2000～3000℃，碳纤维结构石墨化，E↑，σ↓
讨论：①如果Ef =20Em，φf =0.6，则 Pf /Pm =30
② Pf /Pm 随Ef /Em ↑、 φf ↑而增加
③选择纤维
纤维与基体的杨氏模量与载荷分配
增强效果用复合材料承担的载荷与基体之比表示：
Pc Pm
1PPfm
1EEfm
1 ff
增强效果取决于Ef /Em 和 φf
所以 ，作为复合材料的增强体，纤维弹性模量必 须高于基体，而且纤维体积分数越大增强效果越好。
•连续纤维的直径为3～30μm。短纤维多为5～20μm。
➢ 超细纤维d＜4μm，用于防火衣、宇宙服、地毯、帐篷 ➢ 5＜d＜10μm，（编制纤维）过滤布、层压CM ➢ 10＜d＜20μm，与树脂浸润性好、成本低、含量高
•玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，一根连续纤维的拉 伸强度，E玻璃可达3400MPa，而S玻璃可达4800MPa。 •玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用于电 绝缘，工业机器等。
纤维编织体（三维）
• 按材质分
无机（Gf、Cf、Bf、SiCf、Al2O3f等） 有机（芳纶纤维）
3.1.1 纤维状增强材料的特点
① 与同材质的块体材料相比，强度高得多
例如：E-玻璃40～100MPa， Gf：1670MPa（d9.7μm）；2330MPa（d4.2μm） 原因：影响材料强度的主要因素是材料中存在缺陷
的形状、位置、取向和数目。
1600
拉伸强度 (MPa） 平均拉伸强度 （MPa）
1200
800 4000
3000
400 0
500
1000
1500
纤维长度 （mm）
2000
Gf强度与长度的关系（d=13μm）
1000
0
0
20
40
60
纤维直径 （μm）
Gf强度与直径的关系
② 纤维状材料具有较高的柔曲性
3.1.2 增强体在复合材料中的作用
➢ 结构复合材料（MMC, PMC）
增强体主要作用是承载，其中连续纤维所承 受载荷的比例远高于基体
➢ 结构CMC
增强体主要作用是增韧
➢ 功能复合来自百度文库料
增强体主要作用是吸波、隐身、耐磨、耐腐 蚀、抗热震等其中一种或多种，同时为材料 提供基本的结构性能
假设：①界面结合良好； ②变形协调（等应变）； ③弹性变形范围（虎克定律）； ④纤维排列规整（纤维的体积分数＝ 面积分数） 复合材料的载荷由基体和增强体分担：
cA cfAf mA m
E ccA c E f fA f E mm A m
纤维体积分数
f
Vf Af Vc Ac
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根据等应变的假设 c f m
则纤维承担的载荷与基体之比为：
P f fA f E f f A f E f f E f f P m m A m E m mA m E m m E m1 f
3.1.3 高性能复合材料对纤维增强体的要求
高比强度、比模量，与基体相容性好，成 本低，工艺性好（具有柔韧性，易绕曲），高 温抗氧化性好，不污染环境等
第二节 纤维增强体介绍
3.2.1 玻璃纤维 3.2.2 碳纤维 3.2.3 硼纤维 3.2.4 碳化硅纤维 3.2.5 凯夫拉纤维
3．2 玻璃纤维
第三章 复合材料的增强材料
• 增强体作用：增强或改善基体材料的性能 • 本章主要内容包括纤维增强体的特点和几种
增强材料（Gf、Cf、Bf、SiCf、晶须）的制备、 性能特点及应用
3.1 增强体概述与纤维增强机制
➢ 增强材料分类 • 按几何形状分
颗粒状（零维） 纤维状（一维）
短纤维 晶须
薄片状（二维）
纤维单元受力矩M作用产生
弯曲，曲率半径ρ与材质和
圆柱横截面尺寸关系为
1
M
64 Eπd4
作用于微圆柱上的力矩M
d↓柔曲性↑
③大的长径比（l/d）使纤维在复合材料中比其
他形状的增强体更容易发挥其固有的强度
玻璃纤维线团
看山是山，看水是水； 看山不是山，看水不是水； 看山还是山，看水还是水。
…….青源惟信禅师讲到自己修佛悟道的历程时说的
• 早期碳纤维强度、模量低，热牵伸（1964）后性能突破 • 碳纤维是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，
是一种非金属材料，不属于有机纤维 • 制备方法有气相法和有机纤维碳化法，前者制备短纤维，后
者用于连续长纤维
3.3.2 连续长纤维制备
• 原料包括①人造丝（粘胶纤维）、②聚丙烯腈（PAN）和③ 沥青，高强高模量多用②，高模量多用③，最高达900GPa
总结
表达
指导教师 评阅教师 答辩成绩
• 固溶：将合金加热到高温单相区一定温度 ，保温一定时间，使第二相充分溶解到固 溶体中，随之迅速冷却至室温，以获得溶 质原子在该基体相中的过饱和固溶体的热 处理工艺。《金属热处理工艺学》
• 烧结：是粉末或粉末压坯在适当的温度和 气氛条件下加热所发生的一系列复杂的现 象或过程。《粉末冶金原理》
3.2.1 概述
• 玻璃纤维的物理、化学性能几乎由其化学组成所决定。现在 所使用的主要有无碱E玻璃、耐药品的C玻璃、含碱的A玻璃、 高拉伸强度的S玻璃以及特殊用途的玻璃等。 玻璃纤维表面积普通玻璃的1000倍，对于普通玻璃来说 不会成为问题的耐风化性、耐药品性，表面电阻等，对于玻 璃纤维来说都必须充分注意。例如玻璃纤维表面可能与空气 中的水分反应，产生风化，使强度等下降。
…….《九鼎神皇824》 处处留心皆学问 7075铝合金的固溶与热挤压前的塑性回复 粉末冶金中的烧结与热压（热挤压） 社会中人的道德观、价值观或社会观 思考：固溶/时效与淬火/回火
八股文 议论文
破题、承题、起讲、入题、 起股、中股、后股、束股。
提出、分析、解决问题。
作
文
秀
毕业设计
（研究） 做
写
说
动手
3.2.2 制备
（坩埚法）
将玻璃加热至熔融状态， 使其从漏嘴流出，再进行高速 拔丝的方法。而且一般是使用（池窑法） 多个漏嘴，同时纺丝。用这种 方法既可制备连续纤维，也可 以制备短纤维（熔融后玻璃液 在高速气流中吹拉而成，即吹 制法）。
3.2.3 应用
3.3 碳纤维
3.3.1 概述
• 碳纤维最早用棉、麻、竹等天然纤维碳化而成，用于白炽灯 灯丝（1880），真正规模生产是从50年代末人造丝开始
• 一般工艺流程如下， 1.拉丝：块状聚合物成丝状； 2.牵伸：100～300℃，杂乱主链取向化分布，影响纤维最终模量 3.稳定化：200～400℃，又称预氧化，空气中脱氢环化 4.碳化：1000～2000℃，高纯惰性气体中去除非碳原子 5.石墨化：2000～3000℃，碳纤维结构石墨化，E↑，σ↓
讨论：①如果Ef =20Em，φf =0.6，则 Pf /Pm =30
② Pf /Pm 随Ef /Em ↑、 φf ↑而增加
③选择纤维
纤维与基体的杨氏模量与载荷分配
增强效果用复合材料承担的载荷与基体之比表示：
Pc Pm
1PPfm
1EEfm
1 ff
增强效果取决于Ef /Em 和 φf
所以 ，作为复合材料的增强体，纤维弹性模量必 须高于基体，而且纤维体积分数越大增强效果越好。
•连续纤维的直径为3～30μm。短纤维多为5～20μm。
➢ 超细纤维d＜4μm，用于防火衣、宇宙服、地毯、帐篷 ➢ 5＜d＜10μm，（编制纤维）过滤布、层压CM ➢ 10＜d＜20μm，与树脂浸润性好、成本低、含量高
•玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，一根连续纤维的拉 伸强度，E玻璃可达3400MPa，而S玻璃可达4800MPa。 •玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用于电 绝缘，工业机器等。
纤维编织体（三维）
• 按材质分
无机（Gf、Cf、Bf、SiCf、Al2O3f等） 有机（芳纶纤维）
3.1.1 纤维状增强材料的特点
① 与同材质的块体材料相比，强度高得多
例如：E-玻璃40～100MPa， Gf：1670MPa（d9.7μm）；2330MPa（d4.2μm） 原因：影响材料强度的主要因素是材料中存在缺陷
的形状、位置、取向和数目。
1600
拉伸强度 (MPa） 平均拉伸强度 （MPa）
1200
800 4000
3000
400 0
500
1000
1500
纤维长度 （mm）
2000
Gf强度与长度的关系（d=13μm）
1000
0
0
20
40
60
纤维直径 （μm）
Gf强度与直径的关系
② 纤维状材料具有较高的柔曲性
3.1.2 增强体在复合材料中的作用
➢ 结构复合材料（MMC, PMC）
增强体主要作用是承载，其中连续纤维所承 受载荷的比例远高于基体
➢ 结构CMC
增强体主要作用是增韧
➢ 功能复合来自百度文库料
增强体主要作用是吸波、隐身、耐磨、耐腐 蚀、抗热震等其中一种或多种，同时为材料 提供基本的结构性能
假设：①界面结合良好； ②变形协调（等应变）； ③弹性变形范围（虎克定律）； ④纤维排列规整（纤维的体积分数＝ 面积分数） 复合材料的载荷由基体和增强体分担：