复合材料原理：第8章 结构复合材料

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1、结构复合材料结构复合材料工程应用的角度工程应用的角度结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料以其力学性能如强以其力学性能如强度、刚度、形变等度、刚度、形变等特性为工程所应用特性为工程所应用以其声、光、电、热、磁等物理以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，诸如压电材特性为工程所应用，诸如压电材料、阻尼材料、自控发热材料、料、阻尼材料、自控发热材料、吸波屏蔽材料、磁性材料、生物吸波屏蔽材料、磁性材料、生物相容性材料、磁性分离材料。相容性材料、磁性分离材料。 作用：作用：主要用作承力和次承力结构。主要用作承力和次承力结构。 要求：要求：质量轻、强度和刚度高，且能耐一定的温度。质量轻、

2、强度和刚度高，且能耐一定的温度。 组组成成：由由增增强强体体和和基基体体复复合合而而成成，前前者者是是复复合合材材料料中中承承受受载载荷荷的的主主要要组组元元，后后者者则则使使增增强强体体彼彼此此粘粘接接形形成成整整体体，并并起传递应力和增韧的作用。起传递应力和增韧的作用。无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料基体材料基体材料树脂基复合材料树脂基复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料、石膏基陶瓷基复合材料、石膏基复合材料、水泥基复合材复合材料、水泥基复合材料、氯氧镁基复合材料、料、氯氧镁基复合材料、碳基复合材料碳基复合材料 分类：分类：增强纤维的类型增强纤维的类型碳纤维复合材料碳

3、纤维复合材料玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料有机纤维复合材料有机纤维复合材料增强物的外形增强物的外形连续纤维增强复合材料连续纤维增强复合材料纤维织物或片状纤维纤维织物或片状纤维短纤维增强短纤维增强硼纤维复合材料硼纤维复合材料混杂纤维复合材料混杂纤维复合材料粒状填料粒状填料 9.1 玻璃纤维增强聚合物复合材料玻璃纤维增强聚合物复合材料 近近代代复复合合材材料料中中的的第第一一代代产产品品，集集中中了了玻玻璃璃纤纤维维和和聚聚合合物物的的优优点点，比比强强度度高高、绝绝热热、耐耐烧蚀、电绝缘、抗磁和成型制造方便等优点。烧蚀、电绝缘、抗磁和成型制造方便等优点。增强体增强体玻璃纤维玻璃纤维基体基体聚合

4、物聚合物不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂酚醛树脂酚醛树脂环氧树脂环氧树脂影响复合材料性能的因素：原材料、结构设计方法影响复合材料性能的因素：原材料、结构设计方法及成型工艺。及成型工艺。(1) 增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学稳定性等是决定度及化学稳定性等是决定GFRP性能的主要因素性能的主要因素;(2) 增强材料的含量及其排布方式与方向次之增强材料的含量及其排布方式与方向次之;(3) 增强纤维与基体树脂的界面粘结状况增强纤维与基体树脂的界面粘结状况构成构成性能性能玻璃纤维毡玻璃纤维毡 四层四层玻璃布玻璃布八层八层无捻粗纱布无捻粗纱布三层三层玻

5、玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层板厚板厚(mm)632.57.54.0角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90拉伸强度拉伸强度(MPa) 86 84 91171 109 175207 77 244109 85 104208 93 204拉伸模量拉伸模量(GPa)8.5 9.1 9.316.1 10.9 16.919.8 11.0 19.910.2 8.7 10.016.9 10.7 16.7弯曲强度弯曲强度(MPa)137 13

6、9 142262 206 253403 225 407199 104 201295 211 274玻璃纤维的构成与玻璃纤维的构成与FRP的机械性能的机械性能构成构成性能性能玻璃纤维毡玻璃纤维毡 四层四层玻璃布玻璃布八层八层无捻粗纱布无捻粗纱布三层三层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层板厚板厚(mm)632.57.54.0角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90弯曲模量弯曲模量(GPa) 7.7 7.7 7.713.7 8.5 1

7、3.414.7 9.6 15.711.8 8.6 11.313.7 8.7 13.1压缩强度压缩强度(MPa)192 193 204156 145 182166 117 188185 203 193212 129 230压缩模量压缩模量(GPa)5.7 5.7 6.711.2 7.2 12.315.7 7.6 15.17.4 8.3 7.312.7 7.1 12.3构成构成性能性能玻璃纤维毡玻璃纤维毡 四层四层玻璃布玻璃布八层八层无捻粗纱布无捻粗纱布三层三层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四 二二层层 层层 层层玻玻 玻玻 玻玻璃璃 璃璃 璃璃布布 毡毡 布布二二 四四

8、 二二层层 层层 层层板厚板厚(mm)632.57.54.0角度角度0 45 90 0 45 90 0 45 900 45 900 45 90剪切强度剪切强度(MPa) 97 96 95107 113 108124 136 12899 98 99119 129 118拉伸泊松拉伸泊松比比0.319 0.327 0.313 0.162 0.396 0.1740.189 0.496 0.1770.266 0.408 0.2680.180 0.432 0.193增强材料及成型方法和强度的关系增强材料及成型方法和强度的关系 成型方法成型方法性能性能手糊成型手糊成型真空袋成型真空袋成型加压袋成型加压袋成

9、型热压釜成型热压釜成型模压成型模压成型增强材料增强材料玻璃毡玻璃毡(600g/m2)无捻粗纱布无捻粗纱布(900g/m2)玻璃布玻璃布(340g/m2)玻璃毡玻璃毡(600g/m2)玻璃布玻璃布(340g/m2)玻璃毡玻璃毡(600g/m2)玻璃毡玻璃毡(600g/m2)玻璃毡玻璃毡(600g/m2)成型压力成型压力(MPa)00.070.8410.528.017.570.035.0120.0纤维含量纤维含量(%)23 51 4638 50414850密度密度(g/cm3)1.52 1.64 1.63 1.50 1.671.531.611.63拉伸强度拉伸强度(MPa)81 231 16813

10、0 169136150156拉伸模量拉伸模量(GPa)6.4 14.4 13.6 6.7 27.78.58.69.0弯曲强度弯曲强度(MPa)143 190 217 190 247204218227弯曲模量弯曲模量(GPa)5.7 12.7 13.8 8.7 13.89.09.710.0 压缩强度压缩强度(MPa)118 119 132 157 148159 162163压缩模量压缩模量(GPa)6.5 17.1 17.2 8.1 10.88.58.79.01、机械性能的特点、机械性能的特点（1）比强度高）比强度高 FRP密度为密度为1.42.2g/cm3，约为钢，约为钢1/41/5，而强度与

11、一，而强度与一般的碳素钢相近。因此般的碳素钢相近。因此FRP的比强度很高。的比强度很高。（2）各向异性）各向异性 明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。（3）弹性模量和层间剪切强度低）弹性模量和层间剪切强度低弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与木材接近。木材接近。（4）性能分散性大）性能分散性大 FRP的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。2. 静态特性

12、静态特性基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。(1) 拉伸特性拉伸特性 对于单向增强对于单向增强FRP，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均随纤维体积含量随纤维体积含量Vf的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡和玻璃布增强的和玻璃布增强的FRP层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不与与Vf成正比增加，但仍随成正比增加，但仍随Vf增加而增加增加而增加 。 双向双向FRP其纤维方向的主弹性模量大约是单向其纤维方向的主弹性模量大约是单向FRP

13、的的0.500.55倍；随机纤维增强倍；随机纤维增强FRP近似于各向同性，其弹性模量近似于各向同性，其弹性模量大约是单向大约是单向FRP的的0.350.40倍。倍。性能性能方向方向0153045607590拉伸强度拉伸强度(MPa)比例极限比例极限1788450455080160破坏强度破坏强度269210173158163194263离散系数离散系数12.67.917.311.312.88.311.9弹性模量弹性模量(MPa)E110-41.671.331.111.01.001.251.52E210-41.430.630.160.130.160.501.22延伸率延伸率(%)1.62.54.

14、84.84.82.61.9E-42环氧环氧FRP不同方向的拉伸性能不同方向的拉伸性能注：原材料：无碱注：原材料：无碱100平纹布平纹布9层，层，E-42环氧树脂。环氧树脂。试验温度：试验温度：1522 ；144根试件。根试件。(2) 压缩特性压缩特性 在应力很小、纤维未压弯的时候，压缩弹性模量与拉伸弹在应力很小、纤维未压弯的时候，压缩弹性模量与拉伸弹性模量接近。玻璃布增强性模量接近。玻璃布增强FRP的压缩弹性模量大体是单向的压缩弹性模量大体是单向FRP的的0.500.55倍；纤维毡增强倍；纤维毡增强FRP的大致是单向的大致是单向FRP的的0.4倍。倍。 单向单向FRP的压缩强度随纤维含量增加而

15、提高，但并非成比的压缩强度随纤维含量增加而提高，但并非成比例增长。例增长。E-42环氧环氧FRP不同方向的压缩性能不同方向的压缩性能注：原材料：无碱注：原材料：无碱100平纹布平纹布184层，层，E-42环氧树脂。环氧树脂。树脂含量：树脂含量：42.3%。性能性能方向方向022.54567.590压缩强度压缩强度(MPa)256159134.1167218.7压缩模量压缩模量(GPa)19.513.610.812.917.5试件数试件数(根根)44654(3) 弯曲特性弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤维制品类型不同

16、，方向不同，则弯曲性能亦不同。维制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。(4)剪切特性剪切特性 纤维含量增大，纤维含量增大，FRP的剪切弹性模量上升，的剪切弹性模量上升，FRP的剪切特性的剪切特性也呈现方向性。也呈现方向性。性能性能方向方向0153045607590剪切强度剪切强度(MPa)8583.295.099.298.190.789.5E-42环氧环氧FRP垂直板面剪切性能垂直板面剪切性能3. 疲劳特性疲劳特性 影响影响FRP疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强度高的度高的FRP，其疲劳强度也高。与静态强度不同，每种，其疲劳强度也高。与静

17、态强度不同，每种FRP存存在一个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于在一个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于或高于最佳值，其疲劳强度都会下降。或高于最佳值，其疲劳强度都会下降。方向性：加振方向与纤维方向的夹角由方向性：加振方向与纤维方向的夹角由0上升到上升到45，疲劳强度，疲劳强度急剧下降。急剧下降。存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降1. 电性能电性能 包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和表面电阻系数，包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和表面电阻系数，击穿强度等击穿强度等 FRP的电性能一般介于纤维的电性能与树脂的电性能之间的电性能一

18、般介于纤维的电性能与树脂的电性能之间 改善纤维或树脂的电性能，有利于改善改善纤维或树脂的电性能，有利于改善FRP的电性能的电性能 树脂的极性越大，电绝缘性越差。分子中极性基团的存在树脂的极性越大，电绝缘性越差。分子中极性基团的存在及分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂及分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂的电性能。的电性能。2. FRP的温度特性的温度特性（1）热性能）热性能包括导热系数、比热容、线膨胀系数和热变形温度包括导热系数、比热容、线膨胀系数和热变形温度 在室温下，在室温下，FRP的导热系数一般在的导热系数一般在0.17W/(mK)0.33 W/(mK)

19、范围内，金属材料的导热系数多在范围内，金属材料的导热系数多在35W/(mK) 232 W/(mK)范围之间，范围之间， FRP具有良好的隔热性能，可作隔热材料具有良好的隔热性能，可作隔热材料使用。使用。 热膨胀系数热膨胀系数(436)10-6 C-1与金属相近，在一定与金属相近，在一定温度范围内具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。但热变温度范围内具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。但热变形温度和耐热温度极限较低，耐热性不好。形温度和耐热温度极限较低，耐热性不好。 温度升高时，增强纤维与基体树脂的热膨胀系数差温度升高时，增强纤维与基体树脂的热膨胀系数差距较大，在温度升高时，易于在纤维树脂界面产生热距较大

20、，在温度升高时，易于在纤维树脂界面产生热应力，影响应力，影响FRP的机械性能。的机械性能。(2) 耐热性耐热性 温度对于聚合物基体的影响温度对于聚合物基体的影响 纤维增强材料一般具有很好的热稳定性，但纤维增强材料一般具有很好的热稳定性，但树脂基体易受温度的影响。树脂基体易受温度的影响。 热固性树脂基体已交联成体型网状大分子，只热固性树脂基体已交联成体型网状大分子，只有玻璃态和橡胶态。聚合物物理状态的改变将导致有玻璃态和橡胶态。聚合物物理状态的改变将导致FRP的机械性能发生巨大变化。的机械性能发生巨大变化。影响热固性树脂耐热性的主要因素：影响热固性树脂耐热性的主要因素： 大分子链刚性提高，交联密

21、度增大，则树脂大分子链刚性提高，交联密度增大，则树脂玻璃化温度升高，热变形温度升高，但同时柔韧玻璃化温度升高，热变形温度升高，但同时柔韧性减小，延伸率降低，脆性增加。性减小，延伸率降低，脆性增加。大分子链刚性大分子链刚性固化剂性质固化剂性质体型树脂的固化交联密度体型树脂的固化交联密度 温度对温度对FRP拉伸性能的影响拉伸性能的影响温度对温度对 FRP拉伸强度和弹性模量的影响具有的特征：拉伸强度和弹性模量的影响具有的特征：i) 低温范围内，拉伸性能好，随温度上升，强度降低；低温范围内，拉伸性能好，随温度上升，强度降低；ii) 在低温范围内，无捻粗纱布在低温范围内，无捻粗纱布FRP于于湿态下拉伸强

22、度大，湿态下拉伸强度大，而平纹布而平纹布FRP无此倾向；无此倾向；iii) 在中温范围内，平纹布在中温范围内，平纹布FRP在在50C左右拉伸强度最左右拉伸强度最高，而缎纹布和无捻粗纱布都随温度上升拉伸性能下降；高，而缎纹布和无捻粗纱布都随温度上升拉伸性能下降；iv) 随着纤维含量的增加，随着纤维含量的增加，FRP的耐热性提高。的耐热性提高。 温度对温度对FRP弯曲性能的影响弯曲性能的影响 FRP的弯曲强度和弯曲弹性模量均随温度升高的弯曲强度和弯曲弹性模量均随温度升高而降低。特别是温度超过而降低。特别是温度超过70C100C后，急剧降低。后，急剧降低。性能性能温度温度室温室温60C100C150

23、C200C拉伸强度拉伸强度(MPa)306.0272.0243.0220.0221.0压缩强度压缩强度(MPa)179.087.057.226.0弯曲强度弯曲强度(MPa)264.0140.068.023.9剪切强度剪切强度(MPa)24.614.39.97.5197 聚酯聚酯FRP在在不同温度下的机械性能不同温度下的机械性能E-51环氧环氧(固化剂：三乙醇胺固化剂：三乙醇胺)FRP在在不同温度下的机械性能不同温度下的机械性能性能性能温度温度C-60-45010254560拉伸强度拉伸强度(MPa)300300300300220170150拉伸模量拉伸模量(GPa)19.017.017.016

24、.011.0弯曲强度弯曲强度(MPa)470330120弯曲模量弯曲模量(GPa)16.014.03.0冲击强度冲击强度(kJ/m2)390280270（3）FRP阻燃性及耐火性阻燃性及耐火性 阻燃性主要决定于树脂基体。阻燃性主要决定于树脂基体。 聚酯中引入卤素；添加锑、磷等的化合物以及难燃的无聚酯中引入卤素；添加锑、磷等的化合物以及难燃的无机填料；机填料； 三氧化二锑与卤素并用；磷化合物与卤素并用；氢氧化三氧化二锑与卤素并用；磷化合物与卤素并用；氢氧化铝和水合氧化铝与卤素共用；铝和水合氧化铝与卤素共用； 玻璃纤维含量升高，长度增大，可抑制发烟量玻璃纤维含量升高，长度增大，可抑制发烟量 FRP

25、在长期的使用和贮存在长期的使用和贮存过程中，由于各种物理和化学过程中，由于各种物理和化学因素的作用，发生的物化性能因素的作用，发生的物化性能的下降或变差的现象。的下降或变差的现象。耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性耐侯性能耐侯性能耐水性能耐水性能FRP具有优良的耐化学腐蚀性具有优良的耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性抵抗酸、碱、盐及有机溶抵抗酸、碱、盐及有机溶剂等化学介质腐蚀破坏的剂等化学介质腐蚀破坏的长期工作性能。长期工作性能。化学介质对化学介质对FRP的腐蚀作用的腐蚀作用 与玻纤作用与玻纤作用：酸、碱和水都是通过破坏：酸、碱和水都是通过破坏SiO2网络而腐蚀网络而腐蚀玻璃的。一般而言，玻璃纤维的耐

26、碱性均较差，有碱玻璃玻璃的。一般而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻璃纤维更甚；而耐酸性则以有碱玻璃纤维为好。纤维更甚；而耐酸性则以有碱玻璃纤维为好。 与基体作用与基体作用：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定性越差，多数化学反应不可逆。性越差，多数化学反应不可逆。 也破坏玻纤与基体界面的作用也破坏玻纤与基体界面的作用(1) 温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维-树脂界中，树脂界中，破坏界面粘结，降低破坏界面粘结，降低FRP的弯曲强度。的弯曲强度。(2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，树脂发生光氧化、光光氧作用：受紫外光和

27、氧作用，树脂发生光氧化、光降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。(3) 风沙作用：风沙对风沙作用：风沙对FRP产生机械磨损，导致表面光泽产生机械磨损，导致表面光泽度下降、表面层脱落、纤维外露等度下降、表面层脱落、纤维外露等.耐侯性能耐侯性能FRP在户外使用时，抵抗各种气在户外使用时，抵抗各种气体气候因素的侵蚀破坏的能力。体气候因素的侵蚀破坏的能力。 老化实验：人工老化，自然老化老化实验：人工老化，自然老化耐侯性能的改善：耐侯性能的改善：保持保持FRP透光率的防老化措施透光率的防老化措施思路思路措施措施防止变黄防止变黄 防止白化防止白化 防止微裂纹防

28、止微裂纹 防止侵蚀及裸露防止侵蚀及裸露针对针对树脂树脂添加紫外线吸收剂添加紫外线吸收剂采用采用MMA单体单体提高耐水性及韧性提高耐水性及韧性针对针对玻纤玻纤改进偶联剂、浸润剂改进偶联剂、浸润剂减少纱中单丝根数减少纱中单丝根数针对针对FRP表面表面表面覆盖氟薄膜表面覆盖氟薄膜表面覆盖聚酯薄膜表面覆盖聚酯薄膜胶衣层胶衣层表面毡与富树脂层表面毡与富树脂层提高固化剂提高固化剂其其他他采用适当固化剂采用适当固化剂降低玻璃纤维含量降低玻璃纤维含量注：注：效果显著；：效果显著； ：效果较好：效果较好 水能溶解和破坏玻纤的水能溶解和破坏玻纤的SiO2网络，同时加速玻纤表网络，同时加速玻纤表面微裂纹的扩展，从而

29、降低玻纤的拉伸性能。面微裂纹的扩展，从而降低玻纤的拉伸性能。 水可使树脂大分子溶胀，导致树脂内聚强度降低；水可使树脂大分子溶胀，导致树脂内聚强度降低；水对树脂产生增塑作用，降低其弹性模量；能使酯键、水对树脂产生增塑作用，降低其弹性模量；能使酯键、醚键发生水解，造成断链、降解等，醚键发生水解，造成断链、降解等， 水能破坏纤维水能破坏纤维-树脂界面，沿界面渐渐侵入，从而树脂界面，沿界面渐渐侵入，从而降低了降低了FRP的层间剪切性能和弯曲性能的层间剪切性能和弯曲性能耐水性能耐水性能(1) 纤维进行偶联剂表面处理纤维进行偶联剂表面处理提高提高FRP耐水性的方法：耐水性的方法：(2) 选用耐水性好的树脂

30、选用耐水性好的树脂(3) 表面采用表面毡形成富树脂层表面采用表面毡形成富树脂层(4) 表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等9. 2 碳纤维及其复合材料碳纤维及其复合材料 碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料(CFRP)作为第二代高性能复作为第二代高性能复合材料，在性能、价格平衡关系中被公认为航空、航合材料，在性能、价格平衡关系中被公认为航空、航天工业杰出的高性能结构材料。天工业杰出的高性能结构材料。 碳纤维增强复合材料的比强度和比模量都分别高碳纤维增强复合材料的比强度和比模量都分别高于国外公认的作为高性能复合材料的最低值于国外公认的作为高性能复合材料的最低值

31、4106cm和和4108cm。GFRP和和CFRP的部分性能对比的部分性能对比材料材料密度密度(gcm3)拉伸强度拉伸强度(MPa)比强度比强度(106cm)模量模量（GPa）比模量比模量(108cm)GFRP2.01206.04.22.1CFRP1.618011.212.88.0 未未来来的的大大型型航航天天空空间间站站的的结结构构材材料料将将建建立立在在这这些些热热膨膨胀胀系系数数低低的的轻轻质质、高高强强材材料料基基础础上上；传传统统用用的的精精细细量量具具亦亦需需用用热热膨膨胀胀系系数数低低的的材材料料。CF增增强强环环氧氧塑塑料料具具有有随随温温度度降降低低而而力力学学性性能能提提高

32、高的的特特性性，可可用用于于低低温温环环境境，并并具具有有抗抗热热冲冲击击性性。CFRP可可以以制制作作优质的话筒、扩音器材以及其他音响器材。优质的话筒、扩音器材以及其他音响器材。性能性能 密度小，高强度，高刚度，热密度小，高强度，高刚度，热膨胀系数低，耐疲劳和耐腐蚀等。膨胀系数低，耐疲劳和耐腐蚀等。应用：应用：航空、航天工业，机械工业和体育用品航空、航天工业，机械工业和体育用品耐耐疲疲劳劳性性优优良良，在在运运输输、机机械械工工业业中中用用作作工工程程材材料料、载载重重桥桥梁梁等等，是是金金属材料所不能匹敌的。属材料所不能匹敌的。解解决决了了一一般般金金属属所所不不能能解解决决的的耐耐海海水

33、水腐腐蚀蚀问问题题。海海洋洋油油田田钻钻井井用用的的外外套套管管材材料料，各各种种耐耐化化学学品品容容器器和和反应器材、零部件等。反应器材、零部件等。缺点缺点脆性，断裂延伸率低。脆性，断裂延伸率低。导致冲击强度导致冲击强度和层间剪切强和层间剪切强度等性能变坏度等性能变坏解决措施解决措施 用碳纤维和玻璃纤维或芳纶纤维混合用碳纤维和玻璃纤维或芳纶纤维混合增强的形式，由这些混合纤维增强的复合增强的形式，由这些混合纤维增强的复合材料兼顾了高性能复合材料对模量、强度材料兼顾了高性能复合材料对模量、强度和韧性的要求，能够同时满足多种性能的和韧性的要求，能够同时满足多种性能的需要，增加了材料设计的自由度，扩

34、大了需要，增加了材料设计的自由度，扩大了碳纤维复合材料的应用领域。碳纤维复合材料的应用领域。 以碳为基体的碳纤维增强材料。以碳为基体的碳纤维增强材料。60年代发展起来，目前最理想的耐高温材料。年代发展起来，目前最理想的耐高温材料。 碳碳复合材料碳碳复合材料优越性优越性 兼备碳的惰性和碳纤维的高强度，在高达兼备碳的惰性和碳纤维的高强度，在高达3000缺氧的条件下，依然能保持一定的强度。具有低密度、缺氧的条件下，依然能保持一定的强度。具有低密度、高强度、高刚度和高温稳定等优良性能，是航天飞机高强度、高刚度和高温稳定等优良性能，是航天飞机和其他军事装备的理想耐高温结构材料。和其他军事装备的理想耐高温

35、结构材料。 碳碳/碳复合材料的整体都是碳。碳原子间碳复合材料的整体都是碳。碳原子间极强的结合力赋予材料极强的惰性，这种惰性极强的结合力赋予材料极强的惰性，这种惰性又赋予碳又赋予碳/碳复合材料在其他材料都无法承受碳复合材料在其他材料都无法承受的苛刻环境中仍保持自己的形态和性能。的苛刻环境中仍保持自己的形态和性能。惰性惰性 碳的性能碳的性能耐高温性耐高温性耐化学药品性耐化学药品性碳的加工温度可高达碳的加工温度可高达2755K，处于如此高的温处于如此高的温度下碳的微观结构和化学度下碳的微观结构和化学组成仍不发生改变，高温组成仍不发生改变，高温尺寸稳定性极佳。尺寸稳定性极佳。 对化学品也显示出奇的惰对

36、化学品也显示出奇的惰性，仅在高温下才与氢和周期性，仅在高温下才与氢和周期表第表第6和第和第7列中的元素起反应，列中的元素起反应，诸如氧、硫、氟和氯等。诸如氧、硫、氟和氯等。碳纤维碳纤维 赋予赋予CFRC高强度和抗冲击性。在常温高强度和抗冲击性。在常温或中温下或中温下CFRC的强度一般比耐热合金低，的强度一般比耐热合金低，但在高温条件下，金属合金的强度迅速下降，但在高温条件下，金属合金的强度迅速下降，而碳而碳/碳复合材料的强度却略有升高。单向碳碳复合材料的强度却略有升高。单向碳纤维增强的纤维增强的CFRC其沿纤维轴向的强度甚至其沿纤维轴向的强度甚至在常温下都比超耐热合金高。在常温下都比超耐热合金

37、高。缺点缺点碳的易氧化性碳的易氧化性 在周期性高应力条件下，基体碳素容在周期性高应力条件下，基体碳素容易尘埃化失落而造成材料破损。易尘埃化失落而造成材料破损。 碳的氧化温度不高，在碳的氧化温度不高，在866.5K即氧化即氧化燃烧，产生燃烧，产生CO或或CO2。碳纤维碳纤维/热固性树脂复合材料热分解而制成热固性树脂复合材料热分解而制成第一步第一步 热固性树脂基体经缓慢加热，热固性树脂基体经缓慢加热，树脂裂解转化成碳，其他的所有元树脂裂解转化成碳，其他的所有元素呈气态逸散。素呈气态逸散。第二步第二步加密加密化学气相沉积法化学气相沉积法液相浸渍法液相浸渍法化学气相沉积法化学气相沉积法 将碳氢化合物，

38、如甲烷、丙烷、天然气将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、天然气等通入预制件，并使其分解，析出的碳沉积。等通入预制件，并使其分解，析出的碳沉积。达到要求的碳密度后再进行石墨化处理。达到要求的碳密度后再进行石墨化处理。强度和模量都比较高，缺点是工艺周期比较长强度和模量都比较高，缺点是工艺周期比较长 把碳纤维增强材料浸入沥青、酚醛或其他把碳纤维增强材料浸入沥青、酚醛或其他热固性树脂中，浸渗后再经过其他热解碳化处热固性树脂中，浸渗后再经过其他热解碳化处理，反复数次以达到所要求的碳密度。理，反复数次以达到所要求的碳密度。液相浸渍法液相浸渍法 轻质、高强度、高硬度和耐高温特殊性能在轻质、高强度、高硬度和耐高温特殊

39、性能在航空和航天领域中应用的优势地位。传统的应用航空和航天领域中应用的优势地位。传统的应用是作航天飞机的机头和翼前缘，火箭喷口和头锥是作航天飞机的机头和翼前缘，火箭喷口和头锥等饶蚀材料。等饶蚀材料。 与良好生物相容性，可用于与血液、软组织、与良好生物相容性，可用于与血液、软组织、骨骼相接触的人体外科医学部门。骨骼相接触的人体外科医学部门。9. 3 有机纤维及其复合材料有机纤维及其复合材料芳纶纤维芳纶纤维 芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品牌号为凯芙拉（牌号为凯芙拉（Kevlar）纤维（美国杜邦公）纤维（美国杜邦公司司1968年开始研究，年开始研究，1973年研

40、制成功），我年研制成功），我国命名为芳纶纤维。国命名为芳纶纤维。特点：特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度对位芳香族聚酰胺纤维对位芳香族聚酰胺纤维间位芳香族聚酰胺纤维间位芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺共聚纤维芳香族聚酰胺共聚纤维 芳环和杂环的二芳环和杂环的二胺和二酰氯与对苯二胺和二酰氯与对苯二酰氯和对苯二胺共聚。酰氯和对苯二胺共聚。1. 对位芳香族聚酰胺纤维对位芳香族聚酰胺纤维(1) 聚对苯甲酰胺（聚对胺基苯甲酰）纤维聚对苯甲酰胺（聚对胺基苯甲酰）纤维Poly（P-benzamide）简称简称PBA纤维。纤维。(2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维聚对苯二甲

41、酰对苯二胺纤维Poly（P-Phenlene terephthalamide）简称）简称PPTA纤维纤维目前世界上生产的主要品种目前世界上生产的主要品种2. 间位芳香族聚酰胺纤维间位芳香族聚酰胺纤维(1)聚间苯二甲酰间苯二胺纤维聚间苯二甲酰间苯二胺纤维特点：特点：高温性能好，高温下的强度保持率好，以及尺寸稳高温性能好，高温下的强度保持率好，以及尺寸稳定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃烧，具有自熄性，耐定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃烧，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化学试剂，绝热性能也较好。磨和耐多次曲折性好，耐化学试剂，绝热性能也较好。缺点：缺点：强度和模量低，耐光性较差。强度和模量低，

42、耐光性较差。用途：用途：主要用于易燃易爆环境的工作服，耐高主要用于易燃易爆环境的工作服，耐高 温绝缘材料，耐高温的蜂窝结构。温绝缘材料，耐高温的蜂窝结构。(2)聚聚N, N-间苯双间苯双-(间苯甲酰胺间苯甲酰胺)对苯二甲酰胺纤维对苯二甲酰胺纤维主要用作抗燃纤维及耐高温绝缘材料主要用作抗燃纤维及耐高温绝缘材料芳香族聚酰胺共聚纤维芳香族聚酰胺共聚纤维 为了制得更高强度和模量的纤维，为了制得更高强度和模量的纤维，且改进纤维的耐疲劳性能，采用芳环和且改进纤维的耐疲劳性能，采用芳环和杂环的二胺和二酰氯，与对苯二酰氯和杂环的二胺和二酰氯，与对苯二酰氯和对苯二胺共聚，得到一些性能更好的纤对苯二胺共聚，得到一

43、些性能更好的纤维。尚处于研制和试生产阶段。维。尚处于研制和试生产阶段。有机纤维增强复合材料有机纤维增强复合材料 由芳纶纤维增强的复合材料，其比强度和由芳纶纤维增强的复合材料，其比强度和比模量都分别高于作为高性能复合材料所要求比模量都分别高于作为高性能复合材料所要求的最低值的最低值4106cm和和4l08cm。 汽车工业、航天与航空、海洋技术、电汽车工业、航天与航空、海洋技术、电子工业、运动技术、军事技术、采矿和钢铁子工业、运动技术、军事技术、采矿和钢铁工业、化学工业等领域得到广泛的应用。工业、化学工业等领域得到广泛的应用。应用应用 与金属或合金基体比，与金属或合金基体比，MMC的主要优越之处在

44、于密的主要优越之处在于密度低，强度、刚度高，耐磨损。度低，强度、刚度高，耐磨损。 与陶瓷基复合材料与陶瓷基复合材料(CMC)相比较，脆性小。相比较，脆性小。 与与高高聚聚合合物物复复合合材材料料(PMC)相相比比，耐耐高高温温，不不可可燃燃，抗抗辐辐射射。纤纤维维增增强强MMC比比纤纤维维增增强强PMC具具有有较较大大的的横横向向刚度和强度。刚度和强度。9.4 金属基复合材料金属基复合材料 以金属或合金为基体，以以金属或合金为基体，以纤维、晶须或颗粒填料为增强纤维、晶须或颗粒填料为增强相的非均质相的非均质(多相多相)材料。材料。连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒、金属丝连续长纤维、短纤维、晶须、颗

45、粒、金属丝 提高刚度提高刚度同时增大强同时增大强度和度和刚度刚度增大强度增大强度提高抗蠕提高抗蠕变性能变性能颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料 将颗粒高度弥散地分布在金将颗粒高度弥散地分布在金属基体中，使其阻碍导致塑性变属基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动。具有各向同性。形的位错运动。具有各向同性。卫星用颗粒增强铝卫星用颗粒增强铝基复合材料零件基复合材料零件 由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成。氮化物、氧化物、硼化物等组成。 碳化物金属复合材料作为工碳化物金属复合材料作为工具材料已被广泛应用，称作硬质具材料已被广泛应用，称

46、作硬质合金。硬质合金通常以合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，作为粘结剂，WC、TiC等作为等作为强化相。强化相。 硬质合金组织硬质合金组织( (Co+WC)硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀 硬质合金硬度极高，硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上般做成刀片，镶在刀体上使用。使用。硬质合金模具硬质合金模具硬质合金轴承刀具硬质合金轴承刀具 陶瓷材料具有高温强度高、耐高温，抗氧化、陶瓷材料具有高温强度高、耐高温，抗氧化、抗高温蠕变性好、高硬度、高耐磨损性、热膨胀系抗高温蠕变性好、高硬度、高耐磨损性、热膨胀系数小、耐化学腐蚀等优点，但是也存在致命的弱点数小、耐化学腐蚀等优点，但是也存在致命的弱点脆性。它不能承受激烈的机械冲击和热冲击。脆性。它不能承受激烈的机械冲击和热冲击。9.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料纤维增强纤维增强 承担大部分载荷；阻止裂承担大部分载荷；阻止裂纹的扩展；断裂时纤维可从断纹的扩展；断裂时纤维可从断裂面拔出而吸收一部分能量，裂面拔出而吸收一部分能量，使材料不致发生灾难性破坏。使材料不致发生灾难性破坏。