1復合材料導論授課時間：2014年9月12日2二、復合材料的基體和增強體32.1常用的基體材料2.2常用的增強體材料2.3選用原則主要內容：42.1常用的基體材料復合材料的基體基體相具有支撐和保護增強相的作用，在復合材料承受外加載荷時，基體相主要以剪切變形的方式起向增強相分配和傳遞載荷的作用。聚合物基體熱塑性基體－－線型或支鏈高分子，可溶可熔如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等熱固性基體－－由分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預聚體加熱或固化形成的三維網(wǎng)狀高分子，不溶不熔如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬樹脂、不飽和聚酯等聚合物基體按樹脂特性及用途分為：

一般用途樹脂、耐熱性樹脂、耐候性樹脂、阻燃樹脂等。按成型工藝分為：

手糊用樹脂、噴射用樹脂、膠衣用樹脂、纏繞用樹脂、拉擠用樹脂等。金屬基體金屬基復合材料中，基體主要是各種金屬或金屬合金。

金屬與合金的品種繁多，目前用作金屬基體材料的主要有鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金、銅及銅合金、鎳及鎳合金、不銹鋼及金屬間化合物等。

鋁、鎂復合材料一般只能用在450℃左右、鈦合金基體復合材料可用到650℃、而金屬間化合物和鎳、鐵基耐熱合金復合材料可在1200℃使用。

金屬間化合物基復合材料尚處于研究階段。用于金屬基復合材料的金屬間化合物通常是一些高溫合金，如鋁化鎳，鋁化鐵、鋁化鈦等，使用溫度可達1600℃。

陶瓷基體

陶瓷是金屬和非金屬元素的固體化合物，其鍵合為共價鍵或離子鍵，與金屬不同，它們不含有大量電子。一般而言，陶瓷具有比金屬更高的熔點和硬度，化學性質非常穩(wěn)定，耐熱性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是絕緣體，在高溫下也可以導電，但比金屬導電性差得多。雖然陶瓷的許多性能優(yōu)于金屬，但它也存在致命的弱點，即韌性差，很容易因存在裂紋、空隙、雜質等細微缺陷而破碎，引起不可預測的災難性后果，因而大大限制了陶瓷作為承載結構材料的應用。

陶瓷基體材料主要以結晶和非結晶兩種形態(tài)的化合物存在，它們一般應具有優(yōu)異的耐高溫性能，與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常用的陶瓷基體主要包括：玻璃（非晶）

玻璃陶瓷（微晶玻璃）

氧化物陶瓷（A1203，MgO，SiO2，ZrO2，莫來石(即富鋁紅柱石，化學式為3A12O3·２SiO2)等）

非氧化物陶瓷(氮化物、碳化物、硼化物和硅化物)13院士談先進復合材料/v/b/1897411-1275526951.html142.2常用的增強體材料復合材料的增強體在復合材料中，粘結在基體內以改進其機械性能的高強度材料稱為增強材料。

增強材料有時也稱作增強體、增強劑等。增強材料共分為三類：①纖維類增強體；②晶須；③顆粒增強體(相)纖維顆粒金屬基體增強纖維有機物基體增強纖維陶瓷基體增強纖維碳化物氮化物硼化物氧化物碳纖維，硼纖維，碳化硅纖維，氧化鋁纖維，金屬絲玻璃纖維，碳纖維,Kevlar纖維碳纖維，碳化硅纖維，氧化鋁及其它陶瓷纖維SiC,HfC,WC,MoC,TiC,ThC2,ErC,CrCBN,Si3N4,AlN,ErN,TiN,TaNTiB2,MoB,WB,CrB2,TaB,HfBZrO2,ThO2,Al2O3.,HfO2,CrO2復合材料的增強體纖維類增強體（合成纖維）

纖維在復合材料中起增強作用，是主要承力組分。

纖維不僅能使材料顯示出較高的抗張強度和剛度，而且能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度等。18纖維類增強體的特點：與同質地的塊狀材料相比，它的強度要高得多，可提高10－60倍。纖維直徑越小，強度越高；纖維狀材料具有較高的柔曲性。纖維直徑越小，柔曲性越好；具有較大的長徑比，使其在復合材料中比其他幾何形狀的增強體更容易發(fā)揮固有強度；

復合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纖維后，拉伸強度可從600MPa提高到1000MPa，彈性模量可從3000MPa提高到8000MPa，其熱變形溫度可從85℃提高到105℃，-40℃以下的沖擊強度可提高10倍。（一）有機纖維芳綸纖維聚乙烯纖維尼龍纖維（二）無機纖維1、玻璃纖維2、特種玻璃纖維3、碳纖維4、硼纖維5、氧化鋁纖維6、碳化硅纖維7、氮化硼纖維8、其他纖維纖維增強復合材料纖維增強復合材料分為以下五種：①玻璃纖維復合材料；②碳纖維復合材料；③有機纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復合材料；④金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料；⑤陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復合材料。①玻璃纖維

用玻璃纖維增強工程塑料的復合材料，即玻璃鋼

熱塑性玻璃鋼熱塑性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強劑和以熱塑性樹脂為粘結劑制成的復合材料。

熱固性玻璃鋼熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強劑和以熱固性樹脂為粘結劑制成的復合材料。玻璃纖維（GlassFiber,GF）23

玻璃纖維是一大類系列產(chǎn)品的通稱。它有各種不同化學成分的商品，一般是以氧化硅為主體(約含50%-60%)，同時含有許多其他的氧化物(例如鈣、硼、鈉、鋁和鐵的氧化物)；(a)氧化硅玻璃網(wǎng)絡結構；(b)注入氧化鈉，鈉離子與氧離子以離子鍵結合，但鈉離子與網(wǎng)絡不直接相連24

E-玻璃纖維是堿金屬氧化物含量在1%以下的鈣鋁硼硅酸鹽玻璃纖維的總稱，產(chǎn)量占目前世界連續(xù)玻璃纖維總產(chǎn)量的90%以上。具有良好的電絕緣性能，還具有較高的強度和較好的耐環(huán)境老化性能。缺點是易被稀無機酸侵蝕；

中堿C玻璃纖維中堿金屬氧化物含量在2%-6%，耐酸性好，但電絕緣性差，強度和模量低。原料豐富，成本低，可用于耐酸且對電性能要求不高的復合材料；25

C-玻璃纖維是一種鈉硼硅酸鹽玻璃纖維，具有較好的耐酸性、耐水性和耐水解性；

S-玻璃纖維屬鎂鋁硅酸鹽玻璃纖維，又稱高強玻璃纖維。其拉伸強度比無堿E玻璃纖維高約35%，楊氏模量高10%-20%，高溫下仍能保持良好的強度和疲勞性能；

M-玻璃纖維是一種氧化鈹含量高的高彈性模量玻璃纖維，由它制成的玻璃鋼制品有較高的強度和較高的模量，適用于宇航、航空等領域。26

高硅氧玻璃纖維中氧化硅含量在96%以上，耐熱性好(約1100℃)，但強度較低(250-300MPa)，熱膨脹系數(shù)低，化學穩(wěn)定性好。它是將高鈣硼硅酸鹽玻璃纖維在酸中溶去金屬氧化物，得到氧化硅骨架，再經(jīng)清洗和熱處理制成。

超細玻璃纖維：直徑在3.8-4.6微米，柔曲性、耐折性和耐磨性好，用于制作防火衣、宇宙服、帳篷、地毯和飛船內的紡織用品；

中粗纖維：直徑在5.3-7.4微米，主要用作絕緣材料、過濾布、層壓復合材料用布；

粗纖維：直徑在9.2-21.6微米，用于制作無捻粗紗、短切薄氈及片狀模壓料等預成型料，以及制造玻璃鋼管道和容器。27玻璃纖維的模量偏低，使用溫度不高，不屬于高級復合材料增強體；玻璃纖維占復合材料工業(yè)中所使用的增強體的90%以上；玻璃纖維的生產(chǎn)工藝具有典型性，并為若干高級纖維的生產(chǎn)所借鑒或襲用；玻璃纖維可與其他高級纖維混合作用；玻璃纖維的某些品種也可用于高級復合材料，如高硅氧纖維增強酚醛樹脂制作導彈大面積防熱材料。28

玻璃鋼價格十分便宜，而且有多種形式和不同性能的產(chǎn)品。至80年代后期，世界玻璃鋼年總產(chǎn)量已達250萬噸左右，產(chǎn)品種類超過4萬種。應用范圍遍及陸上運輸、建筑和土木工程、化工防腐、電氣/電子、船艇及水上交通、家用和商務設備、文體休閑用品、航天、航空及軍用裝備等領域。碳纖維是由有機纖維經(jīng)固相反應轉變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。碳纖維具有重量輕、比強度大、模量高、耐熱性高、化學穩(wěn)定性好的優(yōu)點。②碳纖維

碳纖維（CarbonFiber）以碳纖維為增強劑的復合材料具有比鋼強、比鋁輕的特性，是一種目前最受重視的高性能材料之一。它在航空航天、軍事、工業(yè)、體育器材等許多方面有著廣泛的用途。30②碳纖維

碳纖維（CarbonFiber）

在石墨結構中，層面內的碳原子以共價鍵連接，層與層之間以范德華力連接；使石墨的六角形層平面沿著碳纖維的纖維軸方向擇優(yōu)取向，就會獲得高模量的碳纖維。碳纖維復合材料：作基體的樹脂，目前應用最多的是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯。碳纖維碳復合材料：用有機基體浸漬纖維坯塊，固化后再進行熱解，或纖維坯型經(jīng)化學氣相沉積，直接填入碳。碳纖維金屬復合材料：主要用熔點較低的金屬或合金，如在碳纖維表面鍍金屬，制成了碳纖維金屬復合材料。碳纖維陶瓷復合材料：如我國研制的一種碳纖維石英玻璃復合材料。③硼纖維硼纖維（BoronFiber）硼纖維是一種將硼元素通過高溫化學氣相法沉積在鎢絲表面制成的高性能增強纖維。硼纖維具有良好的力學性能、強度高、模量高。硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。硼纖維的缺點：工藝復雜，不易大量生產(chǎn)，價格昂貴；由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復合材料。③硼纖維Ａ、硼纖維樹脂復合材料：基體主要為環(huán)氧樹脂、聚苯并咪唑和聚酰亞胺樹脂等。Ｂ、硼纖維金屬復合材料：常用的基體為鋁、鎂及其合金，還有鈦及其合金等。④金屬纖維作增強纖維的金屬主要是強度較高的高熔點金屬，如鎢、鉬、鋼、不銹鋼、鈦、鈹?shù)龋鼈兡鼙换w金屬潤濕，也能增強陶瓷。Ａ、金屬纖維金屬復合材料：研究較多的增強劑為鎢鉬絲，基體為鎳合金和鈦合金。Ｂ、金屬纖維陶瓷復合材料：利用金屬纖維的韌性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。⑤氧化鋁纖維以氧化鋁為主要纖維組分的陶瓷纖維統(tǒng)稱為氧化鋁纖維(AluminaFiber,AF或(Al2O3)f)。氧化鋁纖維的特點：耐熱性好；不被熔融金屬侵蝕，可與金屬很好地復合；表面活性好，不需要進行表面處理，即能與樹脂和金屬復合；具有極佳的耐化學腐蝕和抗氧化性；用氧化鋁增強的復合材料具有優(yōu)良的抗壓性能；電氣絕緣性、電波透過性好。氧化鋁纖維適合于制造既需要輕質高強又需要耐熱的結構件。用它制作雷達天線罩，其剛性比玻璃鋼高，透電波性能好，耐高溫。⑥碳化硅纖維碳化硅纖維（SiliconCarbideFiber）是以碳和硅為主要組分的一種陶瓷纖維。SiC纖維是高強度、高模量纖維，有良好的耐化學腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。用碳化硅纖維編織成雙向和三向織物，巳用于高溫的傳送帶、過濾材料，如汽車的廢氣過濾器等。

碳化硅復合材料已應用于噴氣發(fā)動機渦輪葉片、飛機螺旋槳等受力部件。在軍事上，碳化硅纖維用于大口徑軍用步槍金屬基復合槍筒套管，M--1作戰(zhàn)坦克履帶、火箭推進劑傳送系統(tǒng)，先進戰(zhàn)術戰(zhàn)斗機的垂直安定面，導彈尾部，火箭發(fā)動機外殼，魚雷殼體等。⑦氮化硼纖維

氮化硼纖維具有優(yōu)良的機械性能、耐熱性能、抗氧化性能、耐腐蝕性能以及獨特的電性能等，可用作金屬基、陶瓷基、聚合物基復合材料的增強材料.

氮化硼纖維具有優(yōu)異的電性能，直到2000℃纖維還具有極好的電絕緣性能；氮化硼纖維還具有很低的介電損耗和介電常數(shù)，是耐燒蝕天線窗的理想材料。芳綸纖維是指聚芳酰胺纖維。國外商品牌號叫凱芙拉(Kevlar)纖維，我國暫命名為芳綸纖維，有時也稱有機纖維。⑧芳綸纖維

三種牌號：

芳綸主要用于橡膠增強，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等；

芳綸--29主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。

芳綸--49用于航空、宇航、造船工業(yè)的復合材料制件。芳綸纖維是對苯二甲酰與對苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解轉為液晶紡絲而成。它的化學結構式如下：沿分子鏈方向(纖維的軸向)原子通過強共價鍵結合，分子間以氫鍵相連。結構規(guī)整，結晶度高。纖維呈現(xiàn)各向異性。42

芳綸的密度為1.44g/cm3，比強度高于碳纖維和硼纖維，韌性好、抗沖擊性好、加工性好。壓縮強度不高，剪切強度不高。

芳綸的優(yōu)異特性：熱穩(wěn)定、耐火、真空中長期使用溫度為160℃，溫度低至-60℃也不變脆，玻璃化轉變溫度為250-400℃，熱膨脹系數(shù)低，良好的耐化學介質性(但不耐強酸、強堿)，耐疲勞、耐磨、電絕緣、透電磁波。芳綸的不足：耐光性差，暴露于可見光和紫外線時發(fā)生光致降解，力學性能下降，顏色發(fā)生變化；溶解性差；抗壓強度低；吸濕性強，吸濕后纖維性能變化大。由于芳綸纖維具有規(guī)整的晶體結構，因此，它具有化學穩(wěn)定性、高溫尺寸穩(wěn)定性、不發(fā)生高溫分解以及在很高溫度下不致熱塑化等特點。以樹脂作為基體，芳綸纖維作為增強相所形成的增強塑料，簡稱KFRP，它在航空航天方面的應用，僅次于碳纖維，成為必不可少的材料。44KEVLAR?具有卓越的抗彈性能，而且被廣泛用在那些需要高強度而低重量的地方。如直徑更小、強度更高的美國海軍艦船停泊時使用的繩索和纜繩，KEVLAR?繩索甚至作為太空探險者著陸系統(tǒng)中安全氣囊的控制繩索而登上了火星。高度耐切割的防護手套使鋒利的金屬和玻璃碎片沒有絲毫危險。還有在那些挑戰(zhàn)自然并贏得勝利的運動中所使用的高強度低重量的運動器材，如滑雪板、劃艇和皮艇等。45

KEVLAR?將潛在的致命打擊轉化為擴散的能量吸收。

由高強度低重量的KEVLAR?制成的柔軟的人體裝甲，具有多層織物結構。其具體原理為受力的KEVLAR?纖維將子彈沖擊的能量吸收并分散轉移到編織物的其它纖維中。這種轉移發(fā)生在子彈與織物的“交叉點”。織物的其余部分吸收多余的能量，從而減少能量的轉移，避免引起“鈍傷”。與傳統(tǒng)的硬質“盾牌”相比，這些軟式裝甲其穿著變得更為舒適，活動也更方便。46

波音767飛機每架使用了3噸Kevlar49纖維與石墨纖維混雜的復合材料，使機身減重1噸。與波音727相比，燃料節(jié)省30%。787在其主要結構上使用大量的復合材料。（圖片版權所有：波音公司）

47位于西雅圖波音DevelopmentalCenter的第一個

B787復合材料機身。（圖片版權所有：KenDeJarlais）

48利用Nomex、Kevlar結合英特萊高性能耐火纖維復合加工作為各種安全防護產(chǎn)品的基本材料。49振膜采用防彈纖維Kevlar與天然纖維復合制成，具有剛度好、阻尼佳的特點，不僅有效抑制了音盆的分割振動失真，還保有和諧和自然的音色。50

1976年蒙特利爾奧林匹克主體育館的支撐結構材料和頂棚材料采用了Kevlar49涂層織物和Kevlar49繩。

Kevlar49還用作阿波羅登月飛船軟著陸降落傘繩帶、直升飛機吊繩、拋錨繩、潛水裝置、海底電視電纜。51

Kevlar49纖維具有低密度、高強度、高模量和低蠕變性的特點，在靜負荷及高溫條件下仍有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，特別適合于用作復合材料的增強纖維。由Kevlar纖維增強的復合材料廣泛用于航空航天工業(yè)，如雷達天線罩、火箭發(fā)動機外殼、導彈發(fā)射系統(tǒng)及飛機機翼等。俄羅斯米格－29飛機

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Kevlar29纖維的伸長率高，耐沖擊優(yōu)于Kevlar49，可做各種繩索，用于輪胎簾子線，降落傘繩帶等，以及用于裝甲防護、防彈背心和軍用頭盔等。在質量輕一半條件下，其防彈能力是鋼的5倍。芳綸復合盔

未被擊穿的PASGT，彈杭周圍的凱夫拉纖維53⑨超高分子量聚乙烯纖維(UHMW-PE)超高分子量聚乙烯纖維是指平均分子量在106以上的聚乙烯紡出的纖維。UHMW-PE纖維具有獨特的綜合性能，相對密度低、比強度、比模量高；斷裂伸長率雖較低，但因強度高而使其斷裂功高；還具有耐海水、耐化學試劑、耐磨損、耐紫外線輻射、耐腐蝕、吸濕性低、抗彎曲、耐沖擊、自潤滑、耐低溫、電絕緣等。54

與芳綸相比，UHMW-PE纖維具有良好的柔曲性，即使彎曲打結也不會斷裂，彎曲后的拉伸強度和模量幾乎不變。不足之處：熔點較低（約150℃），高溫(80℃,500MPa)容易蠕變，只能在100℃以下使用。可用于制作武器裝甲、防彈背心、航天航空部件等。顆粒類增強體顆粒增強體主要是一些具有高強度、高模量、耐熱、耐磨的陶瓷等無機非金屬顆粒，主要的有碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨、細金剛石、高嶺土、滑石、碳酸鈣等。還有一些金屬和聚合物顆粒增強體。如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、氟樹脂等。

顆粒增強體以很細的粉狀（＜50微米）加到基體中，起提高強度、模量、增韌、耐磨、耐熱等作用。顆粒增強復合材料的性能是各向同性的。顆粒增強體的成本低，在汽車工業(yè)中的應用發(fā)展迅速。晶須類增強體

晶須是在人工條件下制造出的細小單晶，一般呈棒狀，直徑0.2－1微米，長度約為幾十微米。因其組織結構細小、缺陷少，具有很高的強度和模量。常用的有碳化硅、氧化鋁、氮化硅等陶瓷晶須。晶須制造過程較復雜，成本比顆粒高很多。

晶須具有比纖維增強體更優(yōu)異的高溫性能和抗蠕變性能，多數(shù)用于增強金屬和陶瓷。晶須增強復合材料的性能基本上是各向同性的。金屬絲主要有鈹絲、不銹鋼絲和鎢絲等，一般用于金屬基復合材料的增強。片狀物增強體主要是陶瓷薄片。具有層狀結構的SiC/C、ZrO2、Si3N4、Si3N4/BN陶瓷復合材料比常規(guī)的陶瓷材料的韌性提高數(shù)倍到數(shù)十倍。582.3選用原則復合材料的復合原則要想制備一種好的復合材料，首先應根據(jù)所要求的性能進行設計，這樣才能成功地制備出性能理想的復合材料。復合材料的設計應遵循的原則：1優(yōu)勢（優(yōu)良特性）互補原則2求異相容原則3性能（用途）先定原則4制備可能性、成本可行性原則在選擇材料組元時，首先應明確各組元在使用中所應承擔的功能，即必須明確對材料性能的要求。一、材料組元的選擇例如，若所設計的復合材料是用作結構件，則復合的目的就是要使復合后材料具有最佳的強度、剛度和韌性等.

增強材料主要起承受載荷的作用，它必須具有高強度和高模量

；

基體材料應起傳遞載荷及協(xié)同的作用，而且要把增強材料粘結在一起。其次，還應考慮組成復合材料的各組元之間的相容性，包括物理、化學、力學等性能的相容，使材料各組元彼此和諧地共同發(fā)揮作用。在任何使用環(huán)境中，復合材料的各組元之間的伸長、彎曲、應變等都應協(xié)調一致。第三，要考慮復合材料各組元之間的浸潤性，使增強材料與基體之間達到比較理想的具有一定結合強度的界面。適當?shù)慕缑娼Y合強度不僅有利于提高材料的整體強度，更重要的是便于將基體所承受的載荷通過界面?zhèn)鬟f給增強材料，以充分發(fā)揮其增強作用。若結合強度太低，界面很難傳遞載荷，影響復合材料的整體強度；但結合強度太高也不利，它