第2章 复合材料的增强体

普通型
高强度型
碳纤维的结构模型
高弹性模量型
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材 料。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用， 多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等 材料中，构成复合材料。 碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电 磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于 制造火箭航天器外壳、机动船、工业机器人、汽车板 簧和驱动轴等。
干燥
上胶
展平解捻
缠绕
2500-3000℃石墨化
高分子化学－物理－加工成型－无机化学－材料科学 聚合工程－自动化工程－纺丝工程－高温氧化工程
碳纤维制备中PAN结构转化
单体 聚合物 原丝
聚合
纺丝 预 氧 化
碳化
碳纤维
预氧丝
按力学性能分为通用型和高性能型 。 通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模 量为100GPa左右。 高性能型碳纤维又分为高强型（HT） （强度 2000MPa、模量250GPa）和高模型（HM） （模 量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超 高强型（UHT） ；模量大于450GPa的称为超高 模型（UHM） 。随着航天和航空工业的发展，还 出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％。用 量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。
增韧机制
复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），
其韧性大小取决于
材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。 以纤维增强复合材料为例， 主要有纤维的拔出、
纤维与基体的脱粘、
纤维搭桥等增韧机制。
纤维脱粘 纤维拔出
纤维搭桥
碳纳米管/聚苯 乙烯复合材料 的断裂机理
纤维搭桥
纤维拔出
界面作用
复合材料是由性质和形状各不相同的两种或 两种以上材料组元复合而成的，在两种材料之间 必然存在把不同材料结合在一起的接触面－界面
化学纤维
用低分子化合物为 原料，通过化学合 合成纤维 成和机械加工而制 得的均匀线条或丝 状高聚物。
锦纶、涤 纶、腈纶、 维纶、丙 纶和氯纶 等
2.3.1 天然纤维
天然纤维的种类很多长期大量用于纺织的 有棉麻毛丝四种。棉和麻是植物纤维，毛和 丝是动物纤维，石棉存在于地壳的岩层中，称矿 物纤维。
我国首台采用碳纤维全 复合材料车厢的自卸车在内 蒙古包头下线，该车载重50 吨，自重4.8吨，比金属厢 体减重29%
美国使用碳纤维复合材 料一次成型制造的短剑 高速隐身试验快艇，在 整体制造成形过程中不 用焊接，更无需铆接。
碳纤维复合材料-美军的
F-22隐身战机
碳纤维复合材料 用于制造歼-20等 国产第四代战机
界面反应
增强材料的分类
在复合材料设计中，选择增强材料的原则 增强材料的强度、模量和密度 增强材料与基体材料的物理相容性 化学相容性 性能/价格比
对结构复合材料而言，第一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。
2.2 无机非金属纤维 J J J J
无碱 有碱
5.01 4.70
2000 1600
无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要 通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。 氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应 的降低。
高强玻璃纤维 其特点是高强度、高模量，它的单 纤维抗拉强度为2800MPa，比无碱玻纤抗拉强度高25% 左右，弹性模量86000MPa，比E-玻璃纤维的强度高。 用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔 甲及运动器械。
2.2.2 硼纤维（ boron fiber ）
硼纤维是一种新型的无机纤维，是一种 在金属丝上沉积硼而形成的无机纤维。 硼纤维的强度高,超过了钢的强度。室 温下的断裂强度为2744～3430MPa，弹性模 量高达392～412GPa，但相对密度只有钢材 的四分之一。 硼纤维在惰性气体中，高温性能良好。 在空气中超过500℃时,强度显著降低。
玻璃纤维纱窗（隐形纱窗）
玻璃钢游乐场
2.3 有机纤维 J 2.3.1 天然纤维 J 2.3.2 合成纤维 1、芳纶纤维 J 2、其他合成纤维 J
天然纤维
棉花、羊毛、蚕丝、麻等 以天然高分子化合 再生人造 物为原料，经化学 纤维 处理和机械加工制 得的纤维。 再生纤维 素纤维和 纤维素酯 纤维等
纤维
Chapter 2 Composite Reinforcements
复合材料增强体
主要内容
J J
2.1 基本概念
2.2 无机非金属纤维
2.3 有机纤维（芳纶纤维） 2.4 晶须及颗粒增强物
J J
2.1 基本概念
J J J J
增强材料
增强（韧）机制
界面作用
增强材料的分类
2.1 基本概念
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。
1250~17 1050~12 00 50 平均拉伸强度(MPa) 1500 1210 360 720
可以用微裂纹理论解释以上现象。因为纤维越细，微裂纹越少；纤 维越长，产生微裂纹的概率越大。
②化学组成对拉伸强度的影响 含碱量越高，强度越低。 无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。 玻璃纤维 纤维直径(μm) 拉伸强度(MPa)
在纤维增强复合材料中，纤维是承受载荷的 组元，纤维的力学性能决定了复合材料性能。
针叶树的木材的组织
蒙脱土增强PMMA和 PS材料
增强材料定义：
增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的 组元物质，它可以显著提高基体的强度、韧性、模量、 耐热、耐磨等性能。
SiC/硼硅 玻璃复合 材料的强 度随SiC 体积含量 线性增加
以纤维外观分类 有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱 ( 用于纺织 ) ； 短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及磨细纤维等。 无捻粗纱
短切纤维 玻璃粉
玻璃纤维的力学性能 抗拉强度很高(1200-1500MPa)，比块状玻璃高几十倍。
① 玻璃内部及表面均存在着较多的微裂纹，在外力的 作用下，微裂纹处特别是表面微裂纹处，产生应力集 中，首先破坏。玻纤高温成型时，减少了玻璃内部成 分的不均一性，使微裂纹产生的机会减少，因此纤维 的强度提高。 ② 玻纤在成型过程中由于拉丝机的牵引力作用，使 玻纤内部分子产生一定的定向排列，抗拉强度提高。
复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚 度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有 明显差别的新相，称之为界面相。
界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料 与基体间界面结合状态的一个指标。
对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高 或过弱都不利于材料的力学性能。
复合材料界面的粘结方式
机械结合 静电作用 界面扩散
176.4～294GPa，化学稳定性也好。
碳化硅纤维主要用作耐高温材料和增强材料， 耐高温材料包括热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高 温气体或熔融金属的滤布等。做增强材料时，常与碳 纤维或玻璃纤维合用，以增强金属（如铝）和陶瓷为 主，制成喷气式飞机的刹车片、发动机叶片、着陆齿 轮箱和机身结构材料等，军用步枪枪筒、坦克履带、 导弹、火箭、鱼雷等外壳。
碳化硅纤维是以有机硅化合物为原料经纺 丝、碳化或气相沉积而制得具有β-碳化硅结 构的无机纤维,属陶瓷纤维类。从形态上分有 晶须和连续纤维两种。 连续纤维是碳化硅包覆在钨丝或碳纤维等 芯丝上而形成的连续丝或纺丝和热解而得到纯
碳化硅长丝。
碳化硅纤维的最高使用温度达1200℃，其耐热性 和耐氧化性均优于碳纤维，强度达 1960～4410MPa， 在最高使用温度下强度保持率在 80％以上，模量为
影响玻璃纤维强度的因素： ① 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 直径越细，拉伸强度越高；长度增加，拉伸强度显著下降
直径(μm) 性能 拉伸强度(MPa) 4 5 2400~ 2900 纤维直径(μm) 13 12.5 12.7 13 7 1750~ 2150 9 11
3000~ 3800 玻璃纤维长度(mm) 5 20 90 1560
碳纤维在我国民用工业的应用 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 建筑补强： 各种片材 增强水泥 拉挤板材 增强混凝土建筑材料 各种增强织物 能源： 抽油杆 电动机壳 汽车用天然气瓶 电加热器 风力发电叶片 电加热毯 工业日用品： 手电筒 电脑壳 刀具手柄 手杖 各种三角架 伞把 手机壳 扬声器 活动账逢 手提箱 乐器（弓） 户外摇床 眼镜架 计量尺 大型电钻轴 各种笔杆（钢笔、园珠笔、自动铅笔等） 其它： 印刷罗拉 新闻记者用伸缩杆 电缆绕线弓、 弹簧
2.2.1 碳纤维 2.2.2 硼纤维 2.2.3 碳化硅纤维
2.2.4 玻璃纤维
2.2 无机非金属纤维
2.2.1 碳纤维
碳纤维是一种高性能增强 纤维，最高强度可达 7000MPa，最高弹性模量 达900GPa，密度1.8~2.1 g/cm3，具有低热膨胀、 高导热、导电性好、耐磨、 耐高温等特点。可分为碳 纤维和石墨纤维两种。
硼纤维是很好的增强材料，可与金属、塑 料或陶瓷制成复合材料使用。主要用于航天、 军工等部门作为高温结构材料。由于这种纤维 的活性大，在制作复合材料时易与基体相互作 用、影响使用，这时可在纤维上涂敷BC、SiC 涂层，以提高惰性。
硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱
2.2.3 碳化硅纤维（silicon carbide fibre）
PAN原丝和碳纤维制备流程
CH2=CH
CN
单体蒸馏提纯 热水牵伸
(CH2－CH)n
CN
按配比混合 热水洗涤 溶液聚合 脱单,过滤,脱泡 热水洗涤 上油 溶液过滤 热辊干燥 纤维成型
热水再牵伸
加压蒸 汽牵伸 表面处理
热辊定型
卷绕
排序加捻
200-300℃ 预氧化 收丝
400-1000℃ 低温碳化
1000-1800℃ 高温碳化
碳纤维由聚丙烯腈纤维（PAN）、沥青（MP）、 粘胶纤维（人造丝）等经氧化、炭化等过程制得的 含碳量为90%以上的纤维。按状态分为长丝、短纤 维和短切。 碳纤维的制备主要经过5个阶段：拉丝、牵引、 稳定、碳化和石墨化 典型碳纤维制造商：Amoco、BASF Grafil Inc.、 Toho Rayon、 Toray ；吉林炭素厂、上海炭素厂、 兰州炭素厂
棉的结构
显微镜下未经处理的棉织品 和 用PEG溶液处理的织品
2.2.4 玻璃纤维
无捻玻璃纤维
玻璃纤维网格布
玻璃（纤维）的分类
1、E-玻璃 亦称无碱玻璃，系一种硼硅酸盐玻璃。具有良 好的电气绝缘性及机械性能，广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维， 也大量用于生产玻璃钢。 2、C-玻璃 亦称中碱玻璃，耐化学性特别是耐酸性优于无 碱玻璃，但电气性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维10%～20%。 3、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。 4、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。 5、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是专为地下管道、贮罐等开发的新品种。 6、D玻璃 亦称低介电玻璃，用于生产介电强度好的低介 电玻璃纤维。
参考文献： 鲁博等编， 《天然纤维 复合材料》， 北京：化学 工业出版社，Baidu Nhomakorabea2005年
植物纤维主要组成物质是纤维素，又称为天 然纤维素纤维。根据在植物上成长的部位的不同， 分为种子纤维、叶纤维和茎纤维。 1.种子纤维：棉、木棉等； 2.叶纤维：剑麻、蕉麻等； 3.茎纤维：苎麻、亚麻、大麻、黄麻、竹等。
美国先进飞 机上采用复 合材料的示 意图
碳纤维在我国民用工业的应用
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 体育休闲用品： 高尔夫球杆 棒球棒 赛艇 弓 高尔夫球头 垒球棒 桨叶 箭杆 网球拍 冰球棒 舵 拳击手套 羽毛球拍 滑雪板 冲浪板 风 筝 钓渔竿 滑雪杖 滑雪护腿 登山杖 自行车 滑水杖 球鞋底 旱冰鞋 纺织机零件： 传剑带 踪杆 踪框 剑 头 导杆 传剑轮 罗拉 汽车零件： 发动机罩 手柄 板簧 导流板 车门 连轴器 排气管护套 固定托架 刹车片 车门 车牌 内装饰（面板、把手等） 医疗器械： X光照机床 CT床板 假脚 照相暗盒 核磁共振床 韧带 心藏半膜 人工关节 放射线照相用头托 γ刀床 假肢 诊断用担架