复合材料基础知识

复合材料基础知识

2009.1.2

定义：

⏹复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

性能

⏹复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。

⏹其特点是比重小、比强度和比模量大。

⏹还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

⏹各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。

⏹以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。

⏹非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

分类：

⏹按组成分

①金属与金属复合材料

②非金属与金属复合材料

③非金属与非金属复合材料

⏹按结构特点：

①纤维复合材料

②夹层复合材料

③细粒复合材料

④混杂复合材料

⏹树脂基复合材料（Resin Matrix Composite）也称纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics），是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。

⏹这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国俗称玻璃钢。树脂基复合材料发展史

⏹1932年在美国出现

⏹1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩

⏹1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。

⏹1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。

⏹1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。

⏹60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。

⏹1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975年投入生产。

⏹80年代又发展了离心浇铸成型法

自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果

⏹1、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。

⏹2、第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁，用碳/碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成，被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。在这架代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。

⏹3、是在波音-767大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使收音机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。复合材料在中国

⏹起始于1958年，首先用于军工制品，而后逐渐扩展到民用。

⏹1958年以手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹

⏹1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚醛树脂烧蚀防热弹头

⏹1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。

⏹1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座直径44m的雷达罩

原材料：

⏹包括基体相和增强相的原材及添加剂。

⏹基体相材料指作为基体的各种聚合物，包括热固性树脂和热塑性树脂

⏹增强相材料则是指各种纤维，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等。

⏹添加剂是复合材料产品在生产或加工过程中需要添加的辅助化学品通称为添加剂或"助剂"

不饱和聚酯树脂

⏹不饱和聚酯是不饱和二元羧酸（或酸酐）或它们与饱和二元羧酸（或酸酐）组成的混合酸与多元醇缩聚而成的，具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。通常，聚酯化缩聚反应是在190～220℃进行，直至达到预期的酸值（或粘度）。在聚酯化缩反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。

物理性质

⏹相对密度在1.11～1.20左右，固化时体积收缩率较大

⏹耐热性。绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都在50～60℃，一些耐热性好的树脂则可达120℃

⏹力学性能。不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度

⏹耐化学腐蚀性能。不饱和聚酯树脂耐水、稀酸、稀碱的性能较好，耐有机溶剂的性能差，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何开关的不同，可以有很大的差异。

⏹⑷介电性能。不饱和聚酸树脂的介电性能良好。

化学性质

⏹不饱和聚酯是具有多功能团的线型高分子化合物，在其骨架主链上具有聚酯链键和不饱和双键，而在大分子链两端各带有羧基和羟基。