纤维增强复合材料

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1、纤维增强复合材料由增强纤维和基体组成。纤维（或晶须）的直径很小，一般在l0um以下，缺陷较少又小，断裂应变不大于百分之三，是脆性材料，容易损 伤、断裂和受到腐蚀。 基体相对于纤维来说，强度和模量要低得多，但可经受 较大的应变，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料。纤维增强复合材料，由纤维的长短可分为短纤维增强复合材料、长纤维复合 材料和杂乱短纤维增强复合材料。纤维增强复合材料由于纤维和基体的不同，品 种很多，如碳纤维增强环氧、硼纤维增强环氧、 Kevlar 纤维增强环氧、 Kevlar 纤维增强橡胶、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强铝、石墨纤维增强铝、碳纤维增 强陶瓷、碳纤维增强碳和玻璃纤维增强水泥

2、等。（1 新型纺织材料及应用 宗亚宁 主编 中国纺织出版社）纤维增强复合材料的性能体现在以下方面： 比强度高比刚度大，成型工艺好，材料性能可以设计，抗疲劳性能好。破损安全 性能好。多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小、叠层复合材料的层间剪切强度和 层间拉伸强度很低、影响复合材料性能的因素很多，会引起复合材料性能的较大 变化、用硼纤维、碳纤维和碳化硅纤维等高性能纤维制成的树脂基复合材料，虽 然某些性能很好，但价格昂贵、纤维增强复合材料与传统的金属材料相比，具有 较高的强度和模量，较低的密度、纤维增强复合材料还具有独特的高阻尼性能， 因而能较好地吸收振动能量，同时减少对相邻结构件的影响。从本世纪40年

3、代起，复合材料的发展已经历了整整半个世纪。随着技术的 提高，应用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、 船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制 品以及家庭与办公用品等等各部门。复合材料在建筑上可作为结构材料、装饰材 料、功能材料以及用来制造各种卫生洁具和水箱等。纤维增强复合材料由增强材料和基体材料构成，每部分都有各自的作用， 影响复合材料的性能。作为增强材料的纤维是组成复合材料的主要成分。在纤维增强复合材料中占 有相当的体积分数，同时是结构复合材料承受载荷的主要部分。增强纤维的类型、 数量和取向对纤维增强复合材料的性能十分重要，它主要影响

4、以下的方面：（1）密度；（2）拉伸强度和模量；（3）压缩强度和模量；（4）疲劳强度和疲劳机理；（5）电和热性能；（6）价格。比较常见的增强纤维主要有凯夫拉（Kevlar）纤维、碳纤维、玻璃纤维、高强聚乙烯纤维、硼纤维、氧化铝纤维等。基体复合材料体系中，基体发挥多种功能。基体把纤维材料结合在一起，并 使其保持于特定的位置和特定的方向，赋予复合材料结构整体性，它保护纤维免 受环境损害和加工处理的影响。基体系统把作用于复合材料界面上的力传递给纤 维，基体还有利于增强复合材料的结构。（新型纺织复合材料）纤维复合材料在成型过程中，基体与增强纤维通过一定的物理和化学变化， 复合成为具有特定形状的整体。复合

5、材料的许多性能，如横向拉伸性能、压缩性 能、剪切性能、耐湿性能和介电性能等均与基体有着密切的关系。在纤维增强复 合材料中，要求基体对纤维有良好的粘结性，以使两者之间形成完整的界面。能 将纤维和基体有机地结合在一起的，就是它们的界面。同时，基体的弹性模量和 断裂伸长率等指标应与所用增强纤维相匹配，使复合材料显示出良好的机械性 能。此外，基体还应有良好的加工工艺性能，如良好的流动性、浸润性、成型性 等。只有这样，基体与纤维才能结合成为一个整体，相互协同作用，使复合材料 具有良好的强度、刚度和韧性，能够用于各种需要场合。纤维复合材料的基体主要有聚合物、金属、陶瓷以及碳。在本章中，将主要 介绍聚合物基

6、体。聚合物基体主要包括树脂和橡胶两类，而树脂又分为热固性树 脂和热塑性树脂，不同的聚合物基体有着不同的理化性质，其对应的纤维增强复 合材料也具有各种不同的用途。界面是复合材料的要素之一。能将纤维和基体有机地结合在一起的，就是它 们的界面。其存在和作用对复合材料的性质极为重要。通常认为界面不是一个单 一的结合面，而是有一定厚度和不同作用区域的界面层。许多研究表明，纤维增 强复合材料的界而是个界面层，其是由纤维表面层、纤维与基体相结合；作用和 渗透部分、以及表面层构成的多层过渡层等组成。 复合材料界面的简单定义是 物质间或两相间的共有面。其间的相互作用，大致可归为扩散缠结、学键的作用、 静电吸引、

7、机械锁结四类。自 1932 年树脂基复合材料在美国诞生之后，已有 60 多年的发展历史。早期 的纤维增强复合材料结构部件的加工方法采用手铺技术，尽管手糊法是可靠的工 艺方法，但该法加工速度慢且是劳动密集性操作，近些年来，纤维增强复合材料 的加工方法的研究重点放在大批量生产技术上，3 种具有代表性的加工方法是模 压、拉挤和长丝缠绕。热固性复合材料的成型工艺主要有长丝缠绕工艺、袋压工艺 和拉挤工艺和模压成型工艺。纤维增强热塑性复合材料的成型方法已发展了很多 种，根据纤维增强材料的长短分为两大类：短纤维增强热塑性复合材料成型方法； 连续纤维增强热塑性复合材料成型方法。短纤维增强热塑性复合材料成型方法

8、有 挤出成型和注塑成型。目前，有关连续纤维增强热塑性复合材料部件的成型方法 有辊轧成型、纤维缠绕、挤拉和热成型。（纤维增强复合材料 王善元 张汝光等 编著 中国纺织大学出版社） 下面介绍一下碳纤维增强环氧树脂复合材料。它的增强材料是碳纤维，基体是环 氧树脂。碳纤维有着优良的性能。例如，在纤维轴方向显示高抗拉强度和高弹性模量，比 重轻、耐腐蚀、既能耐低温又能耐高温、常热下导热性能好、优良的吸附性能等。 （产业用纤维制品学 晏雄主编 中国纺织出版社） 环氧树脂具有优良的物理力学性能、电绝缘性能、耐药品性和粘结性能，渗透到 高新技术的国民经济的各个方面。如航天器材中的复合材料。（先进复合材料手 册 鲁云等主编 机械工业出版社） 界面对碳纤维复合材料性能的发挥起着非常重要的作用,复合材料通过界面传递载荷,可以使 碳纤维与基体形成一个有效发挥综合性能的整体。环氧碳纤维复合材料最高使用温度为 175C左右。它可以用于制造原子反应堆的试样容器；飞机结构零件，如机翼、刹车装置、 舵门等; 人造卫星用支承架;浓缩铀用离心分离机转筒。碳纤维增强环氧树脂复合材料还可 用于飞机中的耐高温结构部件。