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1、复合材料增强体的开发进展纤维增强复合材料复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型 工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结 构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复 合材料。而对结构复合材料而言，其组分材料包括基体和增强体，基 体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体 之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，是复合材料的重要 组成部分，起着提高基体强度、韧性、模量、耐热、耐磨等性能的作 用。而增强体按组成分类可分为纤维、颗粒、晶须或片状物等。相比于其余类型复合材料，纤维增强材料一直是人们关注的焦点 自玻璃纤维与有机树
2、脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以 及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使纤维 增强复合材料领域呈现出一派勃勃生机。纤维增强复合材料的纤维直径很小，一般在10“m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。其中的纤维可按长短分为连续纤维、长纤维和短切纤维， 按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维。目前用碳纤 维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料用得最多，也 是最重要的一种结构复合材料。此外，用天然纤维、玻璃纤维和玄武 岩纤维作增强体的树脂基复合材料也在快速发展。而纤维增强聚合物基复合材料的特性如下所示：1
3、. 比强度、比模量大 碳纤维、硼纤维等有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度比 钛合金高 3-5 倍，比模量比金属高4 倍。这种性能因增强的纤维排列 不同会在一定的范围内浮动。2. 耐疲劳性能好 金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏，而聚合 物基复合材料纤维与基体的界面能阻止材料的受力所致裂纹的扩展。 因此，其疲劳破坏总能从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上， 破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度 的 30-50%，而碳纤维/ 聚酯复合材料的疲劳强度极限可为其拉伸强度 的 70-80% 。3. 减振性好 受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与结构
4、材料比 模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量高，因此用这类材料制 成的结构件具有较高的自振频率。同时，复合材料中的界面具有吸震 能力，使材料的振动阻尼很高。对相同形状和尺寸的梁进行振动实验 得知，轻合金梁需9 秒才能停止振动，而碳纤维复合材料只需2.5 秒 就能停止同样大小的振动。4. 过载时安全性好 复合材料中有大量独立的纤维，当材料过载而有少量纤维断裂时 载荷会迅速重新分配到破坏的纤维上，使整个构件短期内不致于是去 承载能力。5. 具有多种功能性a、耐烧蚀性好聚合物基复合材料可以制成具有较高的比热，烧 融热和气化热，可吸收高温烧蚀的大量热能。b、有良好的摩擦性能包括良好的摩阻特性(高摩
5、擦系数材料) 及减摩特性(低摩擦系数材料)。c、高度的电绝缘性能。d、耐腐蚀性。e、具有特殊的光，电、磁特性的聚合物与其它材料组成的多种 功能复合材料。前文已言明碳纤维是目前应用最多也是最重要的一种复合材料， 下面便简单介绍一下碳纤维复合材料。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类 不同而异，一般在 90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐 高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是， 其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向 表现出很高的强度。而且碳纤维是在力学性能上表现优异，它的比重不到钢的1/4， 碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般
6、都在3500Mpa以上，是钢的79 倍，抗拉弹性模量为2300043000Mpa，亦高于钢。因此碳纤维增强 复合材料的比强度即材料的强度与其密度之比可达到 2000Mpa/(g/cm3)以上，而钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比 模量也比钢高。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构 材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标， 在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严 格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料 都颇具优势。在 50 年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要，碳纤 维应运而生。现在还广泛
7、应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领 域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，80 年代初期， 高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同 时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性 好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量 每减少 1 公斤，就可使运载火箭减轻 500 公斤。所以，在航空航天工 业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤 维复合材料已占全机重量的 1/4，占机翼重量的 1/3。据报道，美国航 天飞机上 3 只火箭推进器的关键部件以及先进的 MX 导弹发射管等， 都是用先进的碳纤维复合材料制成的。而且碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使 用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材 料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤 维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧 带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽 车板簧和驱动轴等。
