复合材料制备工艺和要求
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❖ 选材原则： 强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。 两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。
玻璃纤维
4.3 增强材料
低档 20～40元/Kg
芳纶纤维 中档 200～400元/ Kg
碳纤维
高档 600～1000元/ Kg
SiC纤维
陶瓷颗粒
金属和陶瓷基
Al2O3纤维 金属丝
一. 玻璃纤维GF
1. 品种 有碱玻璃纤维
复合材料的制备工艺和要求
4.1 概述
一、复合材料出现的必然性
现代高科技的发展对材料提出了更高、更苛刻 的要求。航空、航天和海洋开发领域的发展、现 代武器系统，要求材料质轻、高强、高韧、耐热、 抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀、吸波、隐身等特点。
很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要 求，不能满足现代科学技术发展的需要。
（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤 维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强 复合材料等。
（3）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合 材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
复合材料分类：
按增强材料形态分类
颗粒、纤维、层片
按增强纤维种类分类
长纤维、短纤维、晶须
按基体材料分类
铝木复合门窗
汽车保险杠和底板、发动机 罩等，甚至全复合材料汽车
杆跳 高 撑
4、节约能源、开发能源方面应用
5、环境方面应用
复合地板
玻璃钢管道
十、复合材料的发展趋势
发展功能、多功能、机敏、智能复合 材料
发展纳米复合材料 发展仿生复合材料
4.2 基体材料
❖ 基体的作用: 固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。
金属基、树脂基、陶瓷基
按材料作用分类
结构复合材料、功能复合材料
六、 复合材料的性能
共同的特点：
取长补短，协同作用 性能的可设计性 可制成所需的任意形状的产品，
可避免多次加工工序
七、 复合材料的性能比较
性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是 它们的结合界面、成型工艺等。
1、取决于增强相的性能 ⑴.比强度比刚度高 ⑵.冲击韧性和断裂韧性高 ⑶.耐疲劳性好 ⑷.减震性 ⑸.热膨胀系数小
⑵、耐热性 树脂基: 金属基: 陶瓷基:
60 ～ 250℃ 400 ～ 800℃ 1000 ～ 1500℃
⑶、耐自然老化 陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
⑷、导热导电性 金属基 > 陶瓷基 > 树脂基
⑸、耐蚀性 陶瓷基和树脂基 > 金属基
⑹、工艺性及生产成本 陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
八、复合材料设计
战车
陶 瓷
导弹
刀
具
1、航空航天、武器方面的应用
波音787“梦幻客 机”半成机身材料 为轻型复合材料， 而波音777型客 机机身轻型复合 材料比例仅为12 ％。由此，“梦幻 客机”更轻更省油。
2、信息电子、生物方面的应用
光导纤维，电子设备的电路板，磁带磁盘， 机壳和屏蔽
修复和更换脏器、人造骨
3、人类生活方面的应用
和“化合材料”的两大特征。 ❖ 举例：砂子与石子混合，合金或高分子聚合物 ❖ 狭义定义： ❖ （通常研究的内容：）用纤维、颗粒增强树脂、金属、无
机非金属材料所得的多相固体材料。 ❖ 由此可以得出：
复合材料 = 增强材料 ＋ 基体材料
例如：
❖ 天然木材 ---- 纤维素纤维 + 木质素 ❖ 钢筋混凝土---- 砂、石、钢筋 + 水泥 ❖ 玻璃钢 ---- 玻璃纤维 + 热固性树脂
弹性模 量
105MP a 2.1
0.75
1.14
0.4
1.4
0.8
比强度 107cm
0.13 0.17 0.21 0.53 1.03 1.0
2.1 0.66 2.0 0.38
比模 量 109c m 0.27 0.26 0.25 0.20 0.97 0.57
1.0 0.57
2、取决于基体相的性能
⑴、硬度 陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
裂纹扩展示意图
各种材料的比强度和比模量
材料
钢 铝合金 钛合金 玻璃钢 碳纤维/环氧 有机纤维/环
氧 硼纤维/环氧 硼纤维/铝
密度 g/cm3
7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.4
2.1 2.65
抗拉强 度
103MP a
1.03 0.47 0.96 1.06 1.50 1.4
1.38 1.0
Na-Ca-Si系普通玻璃（Na2O>15%）
中碱玻璃纤维 Na2O (10.5～12.5%) 用量少
无碱玻璃纤维 Ca-Al-B-Si系
用量大
高强玻璃纤维 Mg-Al-Si系 或B2O3系 高弹玻璃纤维 Mg-Al-Si系 或B2O3系中加入BeO
2. GF的制备
→制玻璃球 →铂金坩埚熔融 →小漏孔拉丝 →涂浸润剂 →并股成纱 →纺织成布、毡或带。
因密度低～2.5，比模量高。 • 断裂延伸率：低～3%
(2).热学性能 • 导热系数：比块玻璃低1～2个数量级 • 耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤 < 500℃; 耐热玻纤(石英，高硅氧) <1200℃
粗纱 初级纱 中级纱 高级纱
30μm 20μm 10～20μm 3～10μm
浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有： 石蜡乳液 复合前须清除 聚醋酸乙烯酯 不必清除 改性有机硅类 不必清除
3.GF的性能 (1).力学性能
• 抗拉强度：比块玻璃高一个数量级； • 弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。
二、复合材料的定义
（各教科书说法不同，意见基本一致，没有完全统一 的说法）
广义的定义：
复 合 材 料 是指由两种或两种以上的不同材料，通 过一定的工艺复合而成的，性能优于原单一材料的多 相固体材料。
注意：所研究的复合材料与化合物材料、混合材料的区别。 ❖ 主要体现在： ❖ 多相体系和复合效果是复合材料区别于传统的“混合材料”
1、设计的三个层次： 单层设计 --- 微观力学方法 层合体设计 --- 宏观力学方法 产品结构设计 --- 结构力学方法
层合体设计
2、特点：
•源自文库性能可设计性强 （可调因素多）
• 材料设计与结构设计相关联
• 性能预测性差
如: 加和法
fAAfBB
没有考虑界面结合的影响，预测性很差。
九、复合材料的应用
四、复合材料发展史
几乎所有的生物材料都是复合材料－ 竹子、骨骼、贝壳等等
古代人们用草梗和泥造墙，用稻草和 泥做屋顶
五、复合材料的命名与分类 命名方法：
（1） 基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常 用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料 的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，最后加上 “复合材料”
玻璃纤维
4.3 增强材料
低档 20～40元/Kg
芳纶纤维 中档 200～400元/ Kg
碳纤维
高档 600～1000元/ Kg
SiC纤维
陶瓷颗粒
金属和陶瓷基
Al2O3纤维 金属丝
一. 玻璃纤维GF
1. 品种 有碱玻璃纤维
复合材料的制备工艺和要求
4.1 概述
一、复合材料出现的必然性
现代高科技的发展对材料提出了更高、更苛刻 的要求。航空、航天和海洋开发领域的发展、现 代武器系统，要求材料质轻、高强、高韧、耐热、 抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀、吸波、隐身等特点。
很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要 求，不能满足现代科学技术发展的需要。
（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤 维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强 复合材料等。
（3）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合 材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
复合材料分类：
按增强材料形态分类
颗粒、纤维、层片
按增强纤维种类分类
长纤维、短纤维、晶须
按基体材料分类
铝木复合门窗
汽车保险杠和底板、发动机 罩等，甚至全复合材料汽车
杆跳 高 撑
4、节约能源、开发能源方面应用
5、环境方面应用
复合地板
玻璃钢管道
十、复合材料的发展趋势
发展功能、多功能、机敏、智能复合 材料
发展纳米复合材料 发展仿生复合材料
4.2 基体材料
❖ 基体的作用: 固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。
金属基、树脂基、陶瓷基
按材料作用分类
结构复合材料、功能复合材料
六、 复合材料的性能
共同的特点：
取长补短，协同作用 性能的可设计性 可制成所需的任意形状的产品，
可避免多次加工工序
七、 复合材料的性能比较
性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是 它们的结合界面、成型工艺等。
1、取决于增强相的性能 ⑴.比强度比刚度高 ⑵.冲击韧性和断裂韧性高 ⑶.耐疲劳性好 ⑷.减震性 ⑸.热膨胀系数小
⑵、耐热性 树脂基: 金属基: 陶瓷基:
60 ～ 250℃ 400 ～ 800℃ 1000 ～ 1500℃
⑶、耐自然老化 陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
⑷、导热导电性 金属基 > 陶瓷基 > 树脂基
⑸、耐蚀性 陶瓷基和树脂基 > 金属基
⑹、工艺性及生产成本 陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
八、复合材料设计
战车
陶 瓷
导弹
刀
具
1、航空航天、武器方面的应用
波音787“梦幻客 机”半成机身材料 为轻型复合材料， 而波音777型客 机机身轻型复合 材料比例仅为12 ％。由此，“梦幻 客机”更轻更省油。
2、信息电子、生物方面的应用
光导纤维，电子设备的电路板，磁带磁盘， 机壳和屏蔽
修复和更换脏器、人造骨
3、人类生活方面的应用
和“化合材料”的两大特征。 ❖ 举例：砂子与石子混合，合金或高分子聚合物 ❖ 狭义定义： ❖ （通常研究的内容：）用纤维、颗粒增强树脂、金属、无
机非金属材料所得的多相固体材料。 ❖ 由此可以得出：
复合材料 = 增强材料 ＋ 基体材料
例如：
❖ 天然木材 ---- 纤维素纤维 + 木质素 ❖ 钢筋混凝土---- 砂、石、钢筋 + 水泥 ❖ 玻璃钢 ---- 玻璃纤维 + 热固性树脂
弹性模 量
105MP a 2.1
0.75
1.14
0.4
1.4
0.8
比强度 107cm
0.13 0.17 0.21 0.53 1.03 1.0
2.1 0.66 2.0 0.38
比模 量 109c m 0.27 0.26 0.25 0.20 0.97 0.57
1.0 0.57
2、取决于基体相的性能
⑴、硬度 陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
裂纹扩展示意图
各种材料的比强度和比模量
材料
钢 铝合金 钛合金 玻璃钢 碳纤维/环氧 有机纤维/环
氧 硼纤维/环氧 硼纤维/铝
密度 g/cm3
7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.4
2.1 2.65
抗拉强 度
103MP a
1.03 0.47 0.96 1.06 1.50 1.4
1.38 1.0
Na-Ca-Si系普通玻璃（Na2O>15%）
中碱玻璃纤维 Na2O (10.5～12.5%) 用量少
无碱玻璃纤维 Ca-Al-B-Si系
用量大
高强玻璃纤维 Mg-Al-Si系 或B2O3系 高弹玻璃纤维 Mg-Al-Si系 或B2O3系中加入BeO
2. GF的制备
→制玻璃球 →铂金坩埚熔融 →小漏孔拉丝 →涂浸润剂 →并股成纱 →纺织成布、毡或带。
因密度低～2.5，比模量高。 • 断裂延伸率：低～3%
(2).热学性能 • 导热系数：比块玻璃低1～2个数量级 • 耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤 < 500℃; 耐热玻纤(石英，高硅氧) <1200℃
粗纱 初级纱 中级纱 高级纱
30μm 20μm 10～20μm 3～10μm
浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有： 石蜡乳液 复合前须清除 聚醋酸乙烯酯 不必清除 改性有机硅类 不必清除
3.GF的性能 (1).力学性能
• 抗拉强度：比块玻璃高一个数量级； • 弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。
二、复合材料的定义
（各教科书说法不同，意见基本一致，没有完全统一 的说法）
广义的定义：
复 合 材 料 是指由两种或两种以上的不同材料，通 过一定的工艺复合而成的，性能优于原单一材料的多 相固体材料。
注意：所研究的复合材料与化合物材料、混合材料的区别。 ❖ 主要体现在： ❖ 多相体系和复合效果是复合材料区别于传统的“混合材料”
1、设计的三个层次： 单层设计 --- 微观力学方法 层合体设计 --- 宏观力学方法 产品结构设计 --- 结构力学方法
层合体设计
2、特点：
•源自文库性能可设计性强 （可调因素多）
• 材料设计与结构设计相关联
• 性能预测性差
如: 加和法
fAAfBB
没有考虑界面结合的影响，预测性很差。
九、复合材料的应用
四、复合材料发展史
几乎所有的生物材料都是复合材料－ 竹子、骨骼、贝壳等等
古代人们用草梗和泥造墙，用稻草和 泥做屋顶
五、复合材料的命名与分类 命名方法：
（1） 基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常 用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料 的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，最后加上 “复合材料”