第三章 复合材料的增强体
第3章复合材料增强体碳纤维
第3章复合材料增强体碳纤维
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1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol” 的酚醛纤维Phenolic fibers;
1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。
第3章复合材料增强体碳纤维
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1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年， 其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78％。 日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力 约3400吨/年，占总量的43％。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维 轴向性能高，沿横向性能差。
第3章复合材料增强体碳纤维
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3.1 发展历史
碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）的开发历史 可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的 白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产 的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
第3章复合材料增强体碳纤维
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2．根据原丝类型分类
(1)聚丙烯腈基纤维； (2)粘胶基碳纤维； (3)沥青基碳纤维； (4)木质素纤维基碳纤维； (5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再 生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。
第3章复合材料增强体碳纤维
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3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用碳纤维 (2)耐焰碳纤维 (3)活性碳纤维(吸附活性) (4)导电用碳纤维 (5)润滑用碳纤维 (6)耐磨用碳纤维
美国的碳纤维主要用于航空航天领域，欧洲在
航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，
而日本则以体育器材为主。
第3章复合材料增强体碳纤维
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碳纤维是由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。
复合材料中基体和增强体的作用
复合材料中基体和增强体的作用一、引言复合材料是由两种或两种以上的不同材料组成的，其中基体和增强体是其最基本的组成部分。
基体是指复合材料中主要承受载荷的材料，而增强体则是为了增加其力学性能而添加到基体中的材料。
本文将详细探讨复合材料中基体和增强体的作用。
二、基体的作用1. 承载载荷基体是复合材料中最主要的承载载荷的材料。
它需要具备足够的强度和刚度来承受外部荷载，并且必须具有足够的韧性来防止断裂和破坏。
因此，在选择基体时，需要考虑其力学性能、化学稳定性、加工性能等因素。
2. 保护增强体在复合材料中，增强体容易受到外界环境和荷载的影响而发生破坏。
而基体可以起到保护增强体的作用，防止其在使用过程中发生损伤。
同时，基体还可以通过与增强体之间形成良好的结合来提高整个复合材料系统的力学性能。
3. 调节复合材料的性能基体的材料种类和性质可以影响复合材料的力学、热学、电学等性能。
例如，选择不同种类的基体可以使复合材料具有不同的强度、刚度和韧性等性能。
此外，基体还可以通过调节增强体的分布和排列方式来影响复合材料的力学性能。
三、增强体的作用1. 增加复合材料的强度和刚度增强体是为了增加复合材料的力学性能而添加到基体中的材料。
它通常具有高强度和高刚度，可以在很大程度上增加复合材料的整体强度和刚度。
在选择增强体时，需要考虑其与基体之间形成良好结合以及其自身特点。
2. 提高耐磨损性某些增强体具有较高的硬度和耐磨损性，在使用过程中可以有效地提高复合材料系统对摩擦磨损等外部环境因素的抵抗能力。
3. 改善阻尼特性一些特殊类型的增强体（如碳纤维）具有良好的阻尼特性，在使用过程中可以减少材料的振动和噪音，提高其使用寿命。
四、基体和增强体的协同作用基体和增强体之间需要形成良好的结合，才能发挥最佳的性能。
良好的结合可以使复合材料系统具有更高的强度、刚度和韧性等性能。
同时，基体和增强体之间还可以通过相互作用来改善复合材料系统的耐热性、耐腐蚀性等特殊性能。
复合材料增强体的作用
复合材料增强体的作用
复合材料增强体是指在基体材料中添加的强化材料，可以包括纤维、颗粒、层状结构等。
这些增强体可以提高复合材料的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等方面的性能。
首先，添加纤维增强体可以大大提高复合材料的强度和刚度。
纤维可以分为长纤维和短纤维两种，长纤维增强体在复合材料中分布均匀，可以形成连续的纤维增强结构，提高材料的拉伸、弯曲和剪切强度。
而短纤维增强体则可以填充基体材料中的空隙，增加材料的密度和强度。
其次，添加颗粒增强体可以提高复合材料的硬度和耐磨性。
颗粒增强体可以填充基体材料中的孔隙和缺陷，增加材料的密度和硬度，提高材料的耐磨性和抗冲击性。
最后，添加层状结构增强体可以提高复合材料的耐腐蚀性和耐热性。
层状结构增强体可以形成层层叠加的结构，形成隔离层，防止氧气和水蒸气的侵蚀，增加材料的耐腐蚀性。
同时，层状结构增强体可以提高复合材料的耐高温性能，防止高温下材料的熔化和失效。
综上所述，复合材料增强体的作用是多方面的，可以提高材料的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐热性等方面的性能。
- 1 -。
《复合材料》课件——第三章 复合材料的增强体材料
热空气干燥炉(200 ~300℃) 预氧化
多级加热炉
高温炉
(1000～1500℃) （2500℃以上）
碳化
石墨化
PAN原丝
N2 废
气
（
N2 Ar2 CO,
Ar2
CO2, H2, N2.）
PAN基碳纤维生产过程的简图
黏胶碳纤维
• 碳纤维的热稳定性与 Na等含量存在着线 性关系，Na含量愈高，热稳定性愈差。 Na是碳的氧化催化剂，它的存在促进了 碳的氧化。黏胶碳纤维因为碱、碱土金 属含量低，所以热稳定较好。
⑤化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外， 几乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维 对碱也稳定。
此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸 收有毒气体和使中子减速等特性。
3.2.2 硼纤维
制备工艺：化学气相沉积（CVD） 2BCl3 + 3H2 2B+6HCl
中心是碳纤维或钨纤维
分两段控温
开始阶段：1100-1200℃，防止生成钨 硼化合物（H2氛围除去表面氧化物） 稳定阶段：1200-1300℃，得到较大的 沉积速度，形成硼纤维。
以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维统 称为氧化铝纤维。 影响因素主要是其微结构（气孔、瑕疵、 晶粒大小等）--提高工艺 化学稳定性好，耐高温，绝缘等。
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。
3.2.3碳化硅纤维
碳化硅纤维（Silicon Carbide Fibre， SF或SiCf）是以碳和硅为主要组分的一 种陶瓷纤维。
界面及界 面反应层
制备SiC纤维：
【复合材料概论】复习重点应试宝典
第一章总论1、名词：复合材料基体增强体结构复合材料功能复合材料复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
包围增强相并且相对较软和韧的贯连材料，称为基体相。
细丝(连续的或短切的)、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体。
它们在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作分散相。
结构复合材料：用于制造受力构件的复合材料。
功能复合材料：具有各种特殊性能（如阻尼，导电，导磁，换能，摩擦，屏蔽等）的复合材料。
2、在材料发展过程中，作为一名材料工作者的主要任务是什么？（1）发现新的物质，测试其结构和性能；（2）由已知的物质，通过新的制备工艺，改变其显微结构，改善材料的性能；（3）由已知的物质进行复合，制备出具有优良性能的复合材料。
3、简述现代复合材料发展的四个阶段。
第一代：1940-1960 玻璃纤维增强塑料第二代：1960-1980 先进复合材料的发展时期第三代：1980-2000 纤维增强金属基复合材料第四代：2000年至今多功能复合材料（功能梯度复合材料、智能复合材料）4、简述复合材料的命名和分类方法。
增强材料+（/）基体+复合材料按增强材料形态分：连续纤维复合材料，短纤维复合材料，粒状填料复合材料，编织复合材料；按增强纤维种类分类：玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料，有机纤维复合材料，金属纤维复合材料，陶瓷纤维复合材料，混杂复合材料（复合材料的“复合材料”）；按基体材料分类：聚合物基复合材料，金属基复合材料，无机非金属基复合材料；按材料作用分类：结构复合材料，功能复合材料。
5、简述复合材料的共同性能特点。
(1)、综合发挥各组成材料的优点，一种材料具有多种性能；(2)、复合材料性能的可设计性；(3)、制成任意形状产品，避免多次加工工序。
6、简述聚合物基复合材料的主要性能特点。
复合材料增强体定义和分类
1.1 增强体的概念增强体的概念：复合材料中能明显提高基体材料某一性能的组元物质增强体的特征：（1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能；（2）增强体应具有稳定的化学性质；（3）与基体有良好的润湿性1.2 增强体的分类（1）颗粒类增强体（零维）性能特点：高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒复合材料性能特点：具有各向同性（2）纤维类增强体（一维）连续长纤维：长度：连续长度一般超过数百米；性能特点：沿轴向有很高的强度和弹性模量分类：分为单丝和束丝两种。
应用：成本高、性能高，只用于高性能复合材料复合材料性能特点：具有各向异性连续长纤维实例单丝：硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为95-140微米）束丝：碳纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝，单丝直径5.6-14微米）短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序)（3）晶须类增强体（一维）外形尺寸：直径0.2-1微米，长约为几十微米性能特点：有很高的强度和模量（结构细小、缺陷少）应用：陶瓷增韧（成本比颗粒高得多）实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅等复合材料性能特点：各向同性。
（4）金属丝增强体（一维）不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢丝/Al）（5）片状物增强体（二维）陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2、Si3N4/BN等。
（6）纤维编织类增强体（三维）纤维编织成的三维结构1.3 纤维类增强体具有高强度的原因（1）固体材料的理论强度：σth = (Eγ/a0)1/2纤维类增强体：Be、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化合物（常温下原子半径小、化学性质稳定）纤维类增强体理论强度高纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目都有别与同质地的块状材料内部径向最大裂纹尺寸：非常小（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）内部轴向最大裂纹尺寸：一般（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）纤维中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维主要承受轴向拉伸载荷）。
复合材料的增强体
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。
复合材料的增强体
增强体能够提高复合材料的抗氧化性 能，使其在高温环境下不易发生氧化 反应，保持较好的力学性能。
04
增强体在复合材料中的应用
航空航天领域
航空航天领域对材料性能要求极高，复合材料的增强体在减轻结构重量、提高结构 强度和刚度方面具有显著优势。
碳纤维、玻璃纤维等增强体广泛应用于飞机、卫星和火箭等航空航天器的结构件和 功能件中，如机翼、机身、尾翼、卫星天线等。
VS
工艺控制
制备高性能复合材料需要精确控制工艺参 数，如温度、压力、时间等，以确保增强 体在基体中的均匀分布和最佳性能表现。
06
结论
复合材料增强体的未来发展方向
高性能化
随着科技的不断进步，复合材料增强体将向着更 高性能的方向发展，以满足更广泛的应用需求。
环保化
随着环保意识的提高，复合材料增强体将更加注 重环保，减少对环境的负面影响。
复合材料增强体的研发和应用将提升相关产业的附加值，促进经 济发展。
感谢您的观看
THANKS
舒适度。
05
增强体的发展趋势与挑战
新材料与新技术的发展
高性能纤维
随着新材料技术的不断发展，高性能纤维如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等在复合材料增强体中得到广泛应用， 提高了复合材料的力学性能和功能性。
纳米增强体
纳米材料在复合材料增强体中具有巨大的潜力，如纳米碳管、纳米颗粒、纳米纤维等，能够显著提高复合材料的 强度、韧性、耐热性等性能。
增强体能够提高航空航天器的耐高温性能、抗疲劳性能和抗腐蚀性能，延长使用寿 命。
汽车工业领域
汽车工业领域对材料轻量化和节能减排 有很高的要求，复合材料的增强体成为 一种理想的替代传统金属材料的解决方
案。
复合材料的增强相
第九章复合材料第2节复合材料的增强相和增强机制第1讲复合材料的增强相复合材料增强相的形态纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料→纤维→颗粒→二维片材玻璃纤维碳纤维有机纤维金属纤维陶瓷纤维纤维的种类增强相的形态1 纤维芳纶(Kevlar)纤维、聚乙烯(PE)纤维碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维玻璃纤维制备方法：由熔融玻璃经拉丝制成纤维•高抗拉强度比块状玻璃高几十倍，超过高强度合金钢成分：SiO2和少量Al2O3密度：2.4～2.7g/cm3与铝相近连续纤维短切纤维•弹性模量较高比人造纤维高5~8倍，低于一般金属应用举例：玻璃纤维增强聚合物制备玻璃纤维复合材料(玻璃钢)碳纤维是一种含碳量>95%以上的高强度、高模量纤维制备碳纤维的原丝(原材料)粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维关键工艺将原丝高温碳化碳纤维发展历程•爱迪生、斯旺首次制备出碳纤维•用作白炽灯泡灯丝•这种碳纤维没有抗拉强度碳纤维发展历程•20世纪50年代，美国联合碳化公司，以人造纤维丝，制备了强度高的碳纤维•日本工业研究所发明了以聚丙烯腈为前驱体，制备碳纤维的方法单体聚丙烯腈分子结构聚丙烯腈纺成丝预氧化250℃, 2h高温碳化~1000℃碳纤维丝碳纤维发展历程主要生产过程碳纤维(前)和头发(后)直径的对比碳纤维特征化学稳定性高耐酸碱，耐高低温、耐油、抗辐射纤维直径细小Φ~6μm碳纤维特征密度低1.3~2.0g/cm3弹性模量高260~400GPa> (碳钢210GPa)高温强度优异1500℃惰性气氛中，强度保持不变缺点：抗氧化能力差空气中410~450℃开始氧化应用举例：碳纤维增强聚合物，制备碳纤维复合材料有机纤维•芳香族聚酰胺纤维•聚乙烯纤维（超高相对分子量PE）芳纶纤维(Kevlar纤维)Kevlar K-29 一般工业应用Kevlar K-49 高模量高性能线缆和绳索产品Kevlar纤维Kevlar K-49•强度：比玻璃纤维高45%•密度：是钢的1/6•弹性模量：是钢丝的5倍•工作温度范围：-195~260℃•耐疲劳，易加工耐腐蚀，电绝缘性好Kevlar 纤维Kevlar纤维特征防割手套Kevlar纤维(复合材料)的应用防弹头盔防弹背心碳化硅纤维性能优势•强度高•弹性模量高•耐化学腐蚀•(与金属)反应活性低•热膨胀系数较小•抗氧化性能优异以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得碳纤维碳化硅纤维涂层碳化硅纤维制备方法1用聚碳硅烷（前驱体）纺纱，经烧结制备SiC纤维碳化硅纤维的制备方法2先驱体转化法SiC纤维在通用公司航空发动机使用SiC纤维(复合材料)碳化硅纤维的应用增强相的形态2 颗粒(粒子)增强体应用举例：增强金属制备金属基复合材料主要为陶瓷颗粒Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C石墨陶瓷颗粒优势•比纤维容易制备•易于批量生产常用颗粒增强物的性质聚合物基复合材料增强颗粒•石墨、炭黑、白炭黑•MgO、SiO2、MoS2、Fe2O3•云母、高岭土、膨润土、碳酸钙、滑石粉•空心玻璃微珠作用:改善制品的力学性能，耐磨性能，耐热性能，导电性能，导磁性能和耐老化性能。
第三章--复合材料的增强体
500℃下经24h，强度下降70%；
600℃下经24h，强度下降80%；
26
（6）电性能：
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比有碱纤维优越，碱金属离子增加，
电绝缘性能变差；温度升高，电阻率下降；湿度增加电阻率下
降。
在玻璃纤维中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化
强度不如E玻纤，价格便宜。
有碱玻璃（A玻璃）纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀敏感，很少
用作增强材料。碱性氧化物含量大于12%。
特种玻璃纤维
20
玻璃纤维的化学组成：
化学组成主要为：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、
三氧化二铝等。
玻璃纤维中加入氢化纳、氢化钾等碱性物质为助熔剂：
通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而降低玻璃的熔化温
5
13.0
1500
20
12.5
1210
90
12.7
860
1560
13.0
720
25
（4）耐磨性和耐折性差：
纤维表面吸附水分后能加速裂纹扩展，降低其耐磨性
和耐折性。
（5）热性能：导热系数小0.035W/(m.K)，
耐热性较高（软化点550~580℃）
热处理对强度的影响：300℃下经24h，强度下降20%；
层处理（增加硼纤维的辅助保护层，使其在高温下不与基材
反应）
11
三、碳化硅纤维（SiC）
碳化硅纤维具有优异的力学性能（如直径为
10~15μm的纤维，拉伸强度为2500~3000MPa，弹性模
量为180~200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性
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。
第三章增强体
延伸率% 3.6
3.37 4.6 5.2
密度g/cm3 2.46 2.46 2.14 2.5 2.5 2.55 2.89
以单丝直径分类
粗纤维 ：30μm 初级纤维：20μm 中级纤维：10～20μm 高级纤维：3～10μm，直径小于4μm的玻璃
纤维称为超细纤维
以纤维外观分类
连续纤维有无捻粗纱和有捻细纱 短切纤维 空心玻璃纤维等 磨细纤维等
玻璃纤维的力学性能：拉伸强度高、弹性好、耐磨性和耐 折性
玻璃纤维的热性能：导热系数0.034W/(m∙K)，隔热效果好； 耐热性由化学成分决定，一般钠钙玻璃470℃，石英和高 硅氧玻璃纤维可达2000 ℃
电性能 取决于化学成分、温度和湿度。碱金属离子越多， 玻璃纤维的电绝缘性能越差，湿度增加，电阻下降
备复合材料。 颗粒增强复合材料具有各向同性
增强颗粒尺寸较大（大于1μm） 时，载荷由基体和增强颗粒共 同承担，颗粒还起到约束基体 变形。颗粒阻止基体位错运动 的作用越大，颗粒增强的效果 越好。
弥散颗粒增强复合材料中载荷 主要由基体承担，弥散微粒阻 碍基体的位错运动。
颗粒尺寸愈小，体积分数越高， 颗粒对复合材料的增强效果越 好。
第三章 增强材料
2015.11.23
目标与要求
掌握增强体的概念、特征以及分类； 掌握各种增强体的增强效果及理论 掌握玻璃纤维分类、物理化学性质、
制备方法，了解玻璃纤维制品
3.1 增强体概述
一、增强体定义
也称为增强剂，是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，可以提高 基体的强度、韧性、模量、耐热和耐磨等性能。 主要有纤维、晶须、颗粒等材料
五、玻璃纤维制备工艺
• 坩锅法拉丝工艺 • 池窑漏板法拉丝工艺 • 吹制法（短纤维）
复合材料概论课件 王国荣 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
第3章 金属基复合材料的设计
复合材料的设计主要有功能设计、结构设计和工艺设计 三大部分。另外还要求对设计的合理性和可靠性加以评 价。
复合材料一体化制造系统是根据材料设计、结构设计、 工艺及可靠性评价平行发展的概念，这是一个系统工程。
工程结构设计原则由静态设计向动态设计过渡，因此 应对复合材料结构进行动态分析。
一般来说，从复合材料宏、细、微观结构的特征尺度 来看，目前的分析手段主要有两种 : 细观力学分析方 法和宏观力学分析方法。
炼青铜
发现海棉状铁 凝固在炉渣中
发现烧红的钢淬入冷 水，可使钢变得更硬， 现在叫淬火工艺。 浴以五牲之溺， 淬以五牲之脂。
铁器时代
反复锻打钢
中国古代冶炼技术
《天工开物》记载的古代冶炼金属的场面
近代发展史
第一次技术革命 第二次技术革命
第三次技术革命
18世纪后期，以蒸汽机的 发明为主要标志，促进了钢 铁材料发展。 19 世纪末，以电的发明为 标志，促进了无机材料发展 和高分子材料出现。 20 世纪中期，以原子能应 用为重要标志，实现了合成 材料、半导体材料的工业化。 20世纪70年代，以计算机、 特别是微电子技术、生物工 程技术和空间技术为主要标 志，促进了各类新型材料发 展。
利用信息材料和新的制备工艺制造大规模集成电路芯片， 将人类 社会带入了信息时代。
十多年前的手机
十多年前的照相机
中国神六航天飞船的发射
飞船系统从神舟二 号开始的新老交替正 式完成，40岁以下的 技术人员已占整个队 伍的80％以上。分系 统副主任设计师以上 关键技术岗位人员平 均年龄３２岁。
神六飞船的”外衣”材料
3.3 金属基复合材料的增强体选择
根据其形态增强体分为连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒等。 增强体应具有高比强度、高模量、高温强度、高硬度、低热 膨胀等性能。 （1）连续纤维
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第三章复合材料的增强体
1.被用于复合材料的增强体主要有高性能纤维，晶须，金属丝片装物和颗粒等。
其中发展最快已经大批量生产和应用的增强纤维是碳纤维
2.作为复合材料的增强体应具有以下基本特性
①增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能
②增强体应具有良好的化学稳定性
③与基体有良好的润湿性
3.增强体的分类
①纤维类增强体：纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。
增强体纤维主要包括无机纤维和有机纤维。
无机纤维主要有碳纤维，氧化铝纤维，碳化硅纤维，硼纤维，氮化硼纤维，氮化硅纤维硅酸铝纤维及玻璃纤维等。
有机纤维分为刚性分子链和柔性分子链两种
②颗粒类增强体：由于颗粒增强物成本低，制成的复合材料有各向同性，因此在复合材料中的应用发展非常迅速，尤其是在汽车工业中。
③晶须类增强体：晶须增强复合材料的性能基本上是各向同性的。
将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。
4.碳纤维：一般将小于1500℃碳化处理成的称为碳纤维，将碳化处理后再经高温石墨化处理（2500℃）的碳纤维称为石墨纤维。
碳纤维强度高，而石墨纤维模量高，以制取碳纤维的原丝分类，碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维，黏胶基碳纤维，沥青基碳纤维和木质素纤维基碳纤维。
以其性能分类，可分为高强度碳纤维，高模量碳纤维和中模量碳纤维。
后者有耐火纤维，碳质纤维和石墨纤维等。
5.碳纤维的制造。
只能以有机物为原料，采用间接法制造。
制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。
①气相法：在惰性气氛中小分子有机物在高温沉积成纤维。
用该法只能制取短纤维或晶须，不能制取连续长丝
②有机纤维碳化法：将有机纤维经过稳定话处理变成耐焰纤维然后再在惰性气氛中进行高温煅烧碳化使有机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。
可制造连续长纤维。
天然纤维，再生纤维，合成纤维均可制备碳纤维
6.目前为止，制作碳纤维的原料主要有三种：人造丝；聚苯烯腈纤维；沥青。
无论用何种原丝纤维制造碳纤维，都要经过五个阶段：拉丝，牵引，稳定，碳化，石墨化。
无论采用什么原材料制备碳纤维，均需经过上述五个阶段，即原丝预氧化，碳化以及石墨化，所产生的最终纤维其基本成分为碳。
黏胶纤维是一种纤维素纤维，最早用来生产脱黏纤维的原丝
1.用沥青为原料制造碳纤维，比用聚苯烯腈和黏胶纤维制备碳纤维有更丰富的原料来源，且属于综合利用，可降低成本。
制备碳纤维的沥青主要有石油沥青，煤焦沥青和聚氯乙烯沥青。
2.碳纤维的力学性能影响碳纤维的弹性模量的主要因素是晶粒的取向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。
碳纤维的拉伸强度，弹性模量与材料的固有弹性模量，纤维的轴向取向度，结晶厚度，碳化处理的反应速度常数的关系如下。
碳纤维的力学性能除了取决于纤维的结构之外，与纤维的直径，纤维性能测试试样的标距长短都有关系
3.先驱体法制备碳化硅纤维的主要工艺流程为聚碳硅烷合成，聚碳硅烷纺丝，不熔化处理，烧结等阶段。
4.以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维称为氧化铝纤维。
一般将含氧化铝大于70%的纤维称为氧化铝纤维，而将氧化铝含量小于70%，其余为二氧化硅和少量杂质的纤维称为硅酸铝纤维。
5.氧化铝连续纤维的制备方法有烧结法，先驱体法和熔融纺丝法
6.氧化铝纤维作为增强材料，具有优异的机械强度和耐热性能，直到1370%其强度仍下降不大。
氧化铝纤维的强度和其他性能主要取决于其微观结构。
如气孔，瑕疵及晶粒的大小等对纤维的性能有显著的影响，而纤维的微观结构主要取决于纤维的制备方法和工艺过程。
7.玻璃纤维是目前使用量最大的一种增强纤维。
国外玻璃纤维的特点是普遍采用池窑拉丝技术，大力发展多排多孔拉丝工艺，用于玻璃钢的纤维直径逐渐变粗，其直径为14-24微米，重视纤维-熟知界面研究，发展多种偶联剂，加强玻璃纤维的
8.微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸块或者二氧化硅的微晶子组成，在微晶子之间由硅酸块过冷溶液填充。
9.网络结构假说认为，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，填充的阳离子称为网络改性物
10.影响玻璃纤维强度的因素玻璃纤维的拉伸强度随着直径的变细而增加拉伸强度随着长度的增加显著下降纤维强度与玻璃化学成分关系密切
11.硼酸铝晶须的制备方法熔融法气相法内熔剂法外熔剂法。