1、高性能樹脂及高性能樹脂及復合材料復合材料增強材料的種類與性能復合材料：由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同復合材料：由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同的材料組合而成的材料。的材料組合而成的材料。復合材料復合材料多相材料多相材料增強相：增強相：起承受應力（結構復合材料）起承受應力（結構復合材料）和顯示功能（功能復合材料）的作用和顯示功能（功能復合材料）的作用基體相：基體相：是連續相材料，作用是把改善性是連續相材料，作用是把改善性能的增強相材料固結成一體，并傳遞應力能的增強相材料固結成一體，并傳遞應力The most important parts include:Reinforced ma

2、terialsMatrix materialsInterface between themMatrix materialsPolymer (Resin) matrixMetal matrixCeramic matrix纖維增強樹脂基材料中基體的主要作用有：纖維增強樹脂基材料中基體的主要作用有：將纖維粘合成整體并使纖維位置固定，在纖維之間將纖維粘合成整體并使纖維位置固定，在纖維之間傳遞載荷，并使載荷均衡；傳遞載荷，并使載荷均衡；決定復合材料的一些性能。如復合材料的高溫使用決定復合材料的一些性能。如復合材料的高溫使用性能性能( (耐熱性耐熱性) )、剪切性能、耐介質性能、剪切性能、耐介質性能( (

3、如耐水性、耐如耐水性、耐化學性化學性) )等；等；決定復合材料的成型工藝方法及工藝參數的選擇；決定復合材料的成型工藝方法及工藝參數的選擇；保護纖維免受各種損傷。保護纖維免受各種損傷。此外，對復合材料如橫向性能、縱向拉伸、壓縮性能、此外，對復合材料如橫向性能、縱向拉伸、壓縮性能、疲勞性能、斷裂韌性等也有一定的影響。疲勞性能、斷裂韌性等也有一定的影響。界面的基本概念和粘結理論界面的基本概念和粘結理論界面是復合材料的三要素之一。界面是復合材料的三要素之一。對于纖維增強復合材料來說，沒有一個良好結合的界對于纖維增強復合材料來說，沒有一個良好結合的界面，面，纖維增強作用纖維增強作用和和基體應力轉移基體應

4、力轉移過程就無從談起。過程就無從談起。界面結構和性質上的復雜性以及界面本身表征的難度，界面結構和性質上的復雜性以及界面本身表征的難度，有必要對有必要對界面的基本概念和界面內的作用界面的基本概念和界面內的作用作些概述。作些概述。通常認為界面不是一個單一的結合面，而是通常認為界面不是一個單一的結合面，而是有一定厚度和不同作用區域的界面層。許多有一定厚度和不同作用區域的界面層。許多研究表明，纖維增強復合材料的界面是一個研究表明，纖維增強復合材料的界面是一個界面層。界面層。由由纖維表面層纖維表面層、纖維與基體相互作用和纖維與基體相互作用和滲透部分滲透部分、以及、以及基體表面層基體表面層構成的多層構成的

5、多層過渡層。過渡層。如上圖如上圖(a)(a)所示的三個層區。所示的三個層區。如果存在粘結劑涂層時，在理論上可以將其分成兩個如果存在粘結劑涂層時，在理論上可以將其分成兩個界面區，即界面區，即基體與粘結劑基體與粘結劑界面區界面區和和粘結劑與纖維粘結劑與纖維界面界面區區。但更為實用和方便的解釋模型如圖。但更為實用和方便的解釋模型如圖(b)(b)所示，是將所示，是將原相互作用區擴展為一個多層的粘結區，或稱為相互原相互作用區擴展為一個多層的粘結區，或稱為相互作用區。作用區。在宏觀上，表面、界面或接觸面的概念都十分在宏觀上，表面、界面或接觸面的概念都十分明確，邊界也很容易確定；但在討論接觸面之明確，邊界也

6、很容易確定；但在討論接觸面之間的相互作用時，卻是一個微觀層次的概念。間的相互作用時，卻是一個微觀層次的概念。其其相互作用區可能是一種物理或化學的作用，相互作用區可能是一種物理或化學的作用，也可能是一種分子相互糾纏的區域。也可能是一種分子相互糾纏的區域。這些在微這些在微觀上是很難區分其邊界。觀上是很難區分其邊界。界面的粘結強度界面的粘結強度與分子的極性、相互作用力大與分子的極性、相互作用力大小以及實際產生糾纏的分子數量有關。小以及實際產生糾纏的分子數量有關。對低分子物來說，可以因為分子或原子在界面對低分子物來說，可以因為分子或原子在界面的位移或換位，使物質轉移和相互滲透。這也的位移或換位，使物質

7、轉移和相互滲透。這也會產生一擴散的過渡層，形成兩物質間的粘結，會產生一擴散的過渡層，形成兩物質間的粘結，其其粘結強度取決于分子之間的作用力粘結強度取決于分子之間的作用力。界面間作用界面間作用擴散纏結擴散纏結 纖維增強復合材料大都是高聚物間的復合粘纖維增強復合材料大都是高聚物間的復合粘結。兩種高聚物表面的大分子頭端或支鏈的伸出端，會結。兩種高聚物表面的大分子頭端或支鏈的伸出端，會在其間作用面上產生相互的擴散、糾纏，形成分子網絡，在其間作用面上產生相互的擴散、糾纏，形成分子網絡，如圖如圖(a)(a)所示。所示。(a)化學鍵的作用化學鍵的作用化學鍵的作用形式如圖化學鍵的作用形式如圖(b)(b)所示，

8、是帶有所示，是帶有A A基團的物質基團的物質與具有與具有B B基團的物質相互接觸時，因基團的物質相互接觸時，因A A、B B基團的化學基團的化學反應，反應，使兩物質以化學鍵接形式結合在一起使兩物質以化學鍵接形式結合在一起，構成界，構成界面。該界面的面。該界面的強度直接取決于化學鍵的數量與類型強度直接取決于化學鍵的數量與類型。由于化學鍵的結合能量較高，因此這類界面的相對穩由于化學鍵的結合能量較高，因此這類界面的相對穩定性較好，不易破壞。定性較好，不易破壞。(b)靜電吸引靜電吸引靜電吸引是兩個相互靠近的表面間因各自所帶電荷的靜電吸引是兩個相互靠近的表面間因各自所帶電荷的極性不同而產生的相互吸引作用

9、。這種作用從廣義上極性不同而產生的相互吸引作用。這種作用從廣義上說，既可以是說，既可以是持久靜態作用持久靜態作用，也可以是，也可以是瞬間變化作用瞬間變化作用，屬范德華力的作用。由靜電吸引產生的界面粘結效果，屬范德華力的作用。由靜電吸引產生的界面粘結效果，在很大程度上在很大程度上取決于表面電荷的密度和兩表面相互接取決于表面電荷的密度和兩表面相互接觸的程度觸的程度，其作用形式如圖，其作用形式如圖(c)(c)所示。所示。(c)許多高聚物表面，或經改性后的表面，或帶有涂層劑的許多高聚物表面，或經改性后的表面，或帶有涂層劑的表面，都會存在許多游離或伸出的官能團。這些官能團表面，都會存在許多游離或伸出的官

10、能團。這些官能團的正、負極性端會吸附在相應的陰離子或陽離子表面上，的正、負極性端會吸附在相應的陰離子或陽離子表面上，構成相互作用區，如圖構成相互作用區，如圖(d)(d)所示。所示。靜電吸引作用較化學鍵要弱得多，但在良好接觸的極靜電吸引作用較化學鍵要弱得多，但在良好接觸的極性表面間，或能夠形成較多的次價鍵作用時，對界面性表面間，或能夠形成較多的次價鍵作用時，對界面強度的提高，就是不可忽視的一種作用形式。強度的提高，就是不可忽視的一種作用形式。(d)機械鎖結機械鎖結見圖見圖(e)(e)。如只考慮兩相結合面上的機械物理作用，界。如只考慮兩相結合面上的機械物理作用，界面的強度主要取決于表面鎖結點的多少

11、，即面的強度主要取決于表面鎖結點的多少，即表面粗糙表面粗糙度和材料的剪切屈服強度度和材料的剪切屈服強度。(e)如圖如圖(e)(e)所示的情形，兩物質相切移動時，或其間所示的情形，兩物質相切移動時，或其間為為剪切作用剪切作用時，界面的抗剪粘結強度較高，時，界面的抗剪粘結強度較高，兩物質相離運動時，即兩物質相離運動時，即界面拉伸分開界面拉伸分開時，其粘結時，其粘結強度較低。強度較低。事實上，機械鎖結是一種宏觀現象，在微觀的接事實上，機械鎖結是一種宏觀現象，在微觀的接觸面上，必定存在前述三種作用形式，故大多數觸面上，必定存在前述三種作用形式，故大多數高聚物間的界面作用形式是這里所述幾種形式的高聚物間

12、的界面作用形式是這里所述幾種形式的復合。復合。增強材料，是聚合物基增強材料，是聚合物基復合材料的復合材料的骨架骨架。是復是復合材料中能提高基體材合材料中能提高基體材料力學性能的組元物質，料力學性能的組元物質，它是決定復合材料強度它是決定復合材料強度和剛度的主要因素。和剛度的主要因素。增強體材料的增強體材料的種類和性能種類和性能碳纖維碳纖維玻璃纖維玻璃纖維硼纖維硼纖維晶須晶須金屬纖維金屬纖維無機纖維無機纖維碳纖維碳纖維：是有機纖維在惰性氣氛中經高溫碳化而成的纖維狀碳化合物，是有機纖維在惰性氣氛中經高溫碳化而成的纖維狀碳化合物， 或是纖維化學組成中碳元素占總質量或是纖維化學組成中碳元素占總質量90

13、以上的纖維。以上的纖維。NOTE：只有在碳化過程中不熔融，不劇烈分解的有機纖維才能：只有在碳化過程中不熔融，不劇烈分解的有機纖維才能作為作為CF的原料；有些纖維要經過予氧化處理后才能符合要求。的原料；有些纖維要經過予氧化處理后才能符合要求。根據原絲類型根據原絲類型根據碳纖維性能根據碳纖維性能根據碳纖維的功能根據碳纖維的功能根據制造條件和方法根據制造條件和方法CF分類方法分類方法Carbon fiber聚丙烯腈基聚丙烯腈基粘膠基粘膠基瀝青基瀝青基木質素纖維基木質素纖維基其他有機纖維基其他有機纖維基根據原絲類型根據原絲類型高強度高強度CF (HS)、 高模量高模量CF (HM)、超高強超高強CF

14、(UHS)、超高模、超高模CF (UHM)、高強高模高強高模CF、中強中模、中強中模CF 等等通用級通用級CF：高性能高性能CF根據碳纖維性能根據碳纖維性能拉伸強度拉伸強度1.4GPa，拉伸模量拉伸模量140GPaCarbon fiber受力結構用受力結構用CF耐焰用耐焰用CF導電用導電用CF潤滑用潤滑用CF耐磨用耐磨用CF活性活性CF根據碳纖維的功能根據碳纖維的功能Carbon fiber碳纖維：碳化溫度碳纖維：碳化溫度12001500oC，碳含量，碳含量95以上。以上。石墨纖維：石墨化溫度石墨纖維：石墨化溫度2000oC以上，碳含量以上，碳含量99以上。以上。活性碳纖維：氣體活化法，活性碳

15、纖維：氣體活化法，CF在在6001200oC，用水蒸汽、，用水蒸汽、CO2、空氣等活化。、空氣等活化。氣相生長碳纖維：惰性氣氛中將小分子有機物在高溫下沉積成氣相生長碳纖維：惰性氣氛中將小分子有機物在高溫下沉積成纖維晶須或短纖維。纖維晶須或短纖維。根據制造條件和方法根據制造條件和方法Carbon fiber表面沉積物表面機械損傷表面裂紋表面毛纖碳纖維存在多種缺陷，這些缺陷大致可分為碳纖維存在多種缺陷，這些缺陷大致可分為兩大類型。兩大類型。脆性材料脆性材料易在裂紋尖端產生應力集中以裂紋迅速傳播和擴展來形易在裂紋尖端產生應力集中以裂紋迅速傳播和擴展來形成新的表面，使集中的應力得以消除，導致在較低應力

16、成新的表面，使集中的應力得以消除，導致在較低應力下就發生斷裂。下就發生斷裂。是制約強度的主要因素之一。是制約強度的主要因素之一。 石墨晶體結構與亂層結構圖石墨晶體結構與亂層結構圖a石墨晶體的重疊狀態；b亂層結構的重疊狀態Carbon fiber碳纖維的結構碳纖維的結構碳纖維的結構碳纖維的結構石墨層片石墨層片石墨微晶石墨微晶（亂層結構）（亂層結構）石墨原纖石墨原纖（條帶結構）（條帶結構）碳纖維碳纖維一級結構單元一級結構單元La12%;中堿玻璃纖維中堿玻璃纖維 6% 12%；低堿玻璃纖維低堿玻璃纖維 2% 6% ；微堿玻璃纖維微堿玻璃纖維 2%（無堿玻璃纖維）（無堿玻璃纖維）按纖維使用特性分為按纖

17、維使用特性分為普通玻璃纖維（普通玻璃纖維（A-GF） 電工用玻璃纖維（電工用玻璃纖維（E玻璃纖維）玻璃纖維）高強型玻璃纖維（高強型玻璃纖維（S 玻璃纖維）玻璃纖維） 高模量型玻璃纖維（高模量型玻璃纖維（M-GF）耐化學藥品玻璃纖維（耐化學藥品玻璃纖維（C玻璃纖維）玻璃纖維） 耐堿玻璃纖維（耐堿玻璃纖維（ AR玻璃纖維：玻璃纖維：alkali-resistant ）低介玻璃纖維（低介玻璃纖維（ D玻璃纖維：玻璃纖維：dielectric ）高硅氧玻璃纖維高硅氧玻璃纖維 石英玻璃纖維石英玻璃纖維 玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類纖維種類密度比拉伸強度MPa比彈性模量GPaE-玻纖2.54350072S

18、-玻纖2.44470087M-玻纖2.893700118棉纖維1.53004001012鋁合金2.74046072典型GF的力學性能 密度：密度：2.42.9； 耐磨性和耐折性：都很差；耐磨性和耐折性：都很差； 熱性能：導熱率小熱性能：導熱率小0.035W/（mK），隔熱性好），隔熱性好優良的絕熱材料；耐熱性好，軟化點為優良的絕熱材料；耐熱性好，軟化點為550580；熱膨脹系數；熱膨脹系數4.810-6/K 電性能：優良的電絕緣材料；電性能：優良的電絕緣材料； 光學性能：優良的透光材料；光學性能：優良的透光材料；玻璃纖維的物理性能 C-玻纖：對酸的穩定性好，但對水的穩定性差；玻纖：對酸的穩定性

19、好，但對水的穩定性差； E-玻纖：耐酸性較差，但耐水性較好；玻纖：耐酸性較差，但耐水性較好； C-玻纖和玻纖和E-玻纖耐堿性接近，耐堿性好；玻纖耐堿性接近，耐堿性好； S-玻纖和玻纖和M-玻纖的耐酸性和耐水性好，耐堿性也玻纖的耐酸性和耐水性好，耐堿性也好于好于C-玻纖和玻纖和E-玻纖。玻纖。玻璃纖維的化學性能玻璃鋼應用于體育用品玻璃鋼應用于體育用品有機纖維有機纖維芳綸纖維芳綸纖維超高分子量聚乙烯纖維超高分子量聚乙烯纖維聚酯纖維聚酯纖維芳綸纖維（芳綸纖維（Kevlar纖維纖維)是芳香族聚酰胺類纖維的是芳香族聚酰胺類纖維的總稱。最常用的為總稱。最常用的為Kevlar-49。主要性能：主要性能： 高

20、強度：高強度：3773MPa 高模量：高模量：127158GPa 抗沖擊性好：約為石墨纖維的抗沖擊性好：約為石墨纖維的6倍、硼纖維的倍、硼纖維的3倍；倍； 低密度：低密度：1.441.45，只有鋁的一半；，只有鋁的一半； 熱膨脹系數：纖維向熱膨脹系數：纖維向-210-6/K，橫向，橫向5910-6/K。芳綸纖維芳綸纖維也稱也稱Kevlar或芳綸，即芳香族聚酰胺纖維或芳綸，即芳香族聚酰胺纖維1）1960年，美國杜邦研制出年，美國杜邦研制出Nomex聚間苯二甲酰間聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，即芳綸苯二胺纖維，即芳綸1313，耐熱纖維，耐熱纖維2）1965年，杜邦研制出年，杜邦研制出Kevlar聚對苯

21、二甲酰對苯二聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，即芳綸胺纖維，即芳綸1414，高強高模量纖維，高強高模量纖維3）1974年，美國聯邦通商委員會把全芳香族聚酰胺命名年，美國聯邦通商委員會把全芳香族聚酰胺命名為為Aramid。芳綸纖維發展歷史芳綸纖維發展歷史芳綸纖維布芳綸纖維布 芳綸手套芳綸手套芳綸繩索、環形帶（套管）芳綸繩索、環形帶（套管） Kevlar纖維的制造纖維的制造 芳香族聚酰胺是由酰胺鍵與兩個芳環連接而成的線性芳香族聚酰胺是由酰胺鍵與兩個芳環連接而成的線性聚合物。芳香族聚酰胺中最具代表性的首稱聚對苯二聚合物。芳香族聚酰胺中最具代表性的首稱聚對苯二甲酰對苯二胺甲酰對苯二胺(Poly-p-pheny

22、lene terephthalamide)，簡，簡稱稱PPTA。高聚物溶液的特性：高聚物溶液的特性： 1）高聚物溶液不溶于一般的溶劑，僅溶于強酸，如硫酸、）高聚物溶液不溶于一般的溶劑，僅溶于強酸，如硫酸、氯酸、硝酸等。一般用硫酸；氯酸、硝酸等。一般用硫酸； 2）高聚物溶液呈液晶高聚物的特點。體積分數）高聚物溶液呈液晶高聚物的特點。體積分數20%,高取向的液晶高取向的液晶,各向異性；各向異性； 3）聚合物體積分數）聚合物體積分數18-22%，溫度，溫度90處于可紡性良好的低處于可紡性良好的低粘度區。粘度區。Kevlar纖維的制造纖維的制造超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯超高分子量

23、聚乙烯UHMWPE (Ultra-high molecular weight polyethylene) 1 ）20世紀世紀30年代提出超強聚乙烯基礎理論年代提出超強聚乙烯基礎理論 2）1979年荷蘭年荷蘭DSM公司發明了凝膠紡絲法并申公司發明了凝膠紡絲法并申請專利；請專利； 3） 1990年開始商業化生產；年開始商業化生產； 4）1998年寧波大成化纖集團公司、中國石化總年寧波大成化纖集團公司、中國石化總公司與中國紡織大學材料學院聯合研制成超高強公司與中國紡織大學材料學院聯合研制成超高強高模聚乙烯纖維。高模聚乙烯纖維。世界上最堅韌的纖維世界上最堅韌的纖維摩擦系數小，只摩擦系數小，只有有0.0

24、7-0.11，且具有良好的自潤滑性，且具有良好的自潤滑性，超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯 難加工，生產效率低，成本高。難加工，生產效率低，成本高。 耐熱性差，耐熱性差，熔點較低，熔點較低，約為約為150使用溫度一般應使用溫度一般應控制在控制在70。 粘結性能差：粘結性能差：e.g. 綜合綜合機械強度差，易蠕變機械強度差，易蠕變: 不阻燃，使用時嚴禁接觸明火。不阻燃，使用時嚴禁接觸明火。類型：用作強度材料的主要為陶瓷晶須。類型：用作強度材料的主要為陶瓷晶須。主要性能：主要性能： 高強：在纖維中強度最高，原因是它的直徑非常小，高強：在纖維中強度最高，原因是它的直徑非常小，容納不下使晶體削弱的空隙、位錯和不完整等缺陷。容納不下使晶體削弱的空隙、位錯和不完整等缺陷。 耐高溫：耐高溫：Al2O3晶須在晶須在2070 下仍能保持下仍能保持7000 MPa的的拉伸強度。拉伸強度。應用：由于價格高，目前主要應用在空間和尖端技術應用：由于價格高，目前主要應用在空間和尖端技術領域。領域。晶須晶須晶須類別密