第3章复合材料的原材料
第3章复合材料增强体碳纤维
第3章复合材料增强体碳纤维
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1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol” 的酚醛纤维Phenolic fibers;
1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。
第3章复合材料增强体碳纤维
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1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年， 其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78％。 日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力 约3400吨/年，占总量的43％。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维 轴向性能高，沿横向性能差。
第3章复合材料增强体碳纤维
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3.1 发展历史
碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）的开发历史 可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的 白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产 的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
第3章复合材料增强体碳纤维
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2．根据原丝类型分类
(1)聚丙烯腈基纤维； (2)粘胶基碳纤维； (3)沥青基碳纤维； (4)木质素纤维基碳纤维； (5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再 生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。
第3章复合材料增强体碳纤维
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3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用碳纤维 (2)耐焰碳纤维 (3)活性碳纤维(吸附活性) (4)导电用碳纤维 (5)润滑用碳纤维 (6)耐磨用碳纤维
美国的碳纤维主要用于航空航天领域，欧洲在
航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，
而日本则以体育器材为主。
第3章复合材料增强体碳纤维
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碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成 的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。
复合材料的原材料
3.复合材料的原材料按材料在结构复合物中的作用，可分为基体材料和增强相材料，其中基体材料按材质又包括聚合物（有机材料）、金属材料、陶瓷材料等；而增强材料按形态可分成纤维、晶须、颗粒增强材料等几类。
本章主要对纤维与晶须的制备方法及其在复合材料中的作用进行介绍。
作为复合材料强化体的纤维•可以是金属，氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等陶瓷，从形态上可以是长纤维（连续纤维）、短纤维、晶须。
•纤维是指一个方向上的尺寸很大，另外两个方向上的尺寸很小的增强体的总称纤维的名称纤维（总称）：Fiber✓连续纤维（长纤维）：Continuous Filament or Filament✓短纤维（不连续纤维）：Stable or Discontinuous filament✓一根纤维：Mono Filament✓多根纤维：Multi Filament✓晶须：Whiskercattle moo-cow moggy calf ox beef beefsteak cowhide milk纤维束的名称纤维束：Bundle不整齐的纤维束：Tow长纤维的纤维束：Strand长纤维的纤维束的单位：End切为一定长度的长纤维束：Chopped strand•丝：Yarn•单丝：Single yarn•两根以上长纤维并丝：Roving•索（细丝并拧成粗丝）：Cord or Rope •梳条（排列整齐的纤维）：Sliver非织布：Mat 短纤维或长纤维无定向配置，辊压而成非织布（毡）：Felt布：Cloth 由经纬编织而成，有平纹Plain、斜纹Twill、缎纹Satin等带：Tape 宽度较窄，长度长3.1 长纤维•作为复合材料强化体的纤维，从材质上讲可以是金属，氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等陶瓷，从形态上可以是长纤维（连续纤维）、短纤维、晶须。
现在的长纤维的直径可以从7μm到140μm。
由于制备技术的开发与进步，几乎所有的无机化合物都可以制成纤维。
复合材料手册
复合材料手册复合材料是由两种或两种以上的不同材料组成的材料，通过它们的组合可以获得比单一材料更好的性能。
复合材料通常具有优异的强度、刚度和耐腐蚀性能，因此在航空航天、汽车、建筑和体育器材等领域得到了广泛的应用。
本手册将介绍复合材料的基本知识、制备方法、性能特点以及应用领域，希望能够对复合材料的研究和应用有所帮助。
1. 复合材料的基本知识。
复合材料由增强材料和基体材料组成。
增强材料通常是纤维或颗粒，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，而基体材料则是粘合剂或树脂。
通过不同的组合方式，可以获得不同性能的复合材料，如碳纤维增强树脂基复合材料、玻璃纤维增强水泥基复合材料等。
2. 复合材料的制备方法。
制备复合材料的方法主要包括手工层叠法、预浸法、注塑法和激光熔化沉积等。
手工层叠法是最早的制备方法，通过手工将增强材料和基体材料层叠组合，然后进行固化。
预浸法是将增强材料预先浸渍于树脂中，再进行成型和固化。
注塑法则是将树脂和增强材料混合后注入模具中，通过加热和压力进行成型。
激光熔化沉积是一种新型的制备方法，通过激光熔化金属粉末或塑料粉末，实现复合材料的快速成型。
3. 复合材料的性能特点。
复合材料具有优异的强度和刚度，重量轻、耐腐蚀、绝缘性能好等特点。
其中，碳纤维增强复合材料的比强度和比刚度均优于金属材料，因此在航空航天领域得到了广泛的应用。
玻璃纤维增强复合材料具有良好的耐腐蚀性能，适用于化工设备和建筑材料。
4. 复合材料的应用领域。
复合材料在航空航天、汽车、建筑和体育器材等领域得到了广泛的应用。
在航空航天领域，复合材料可以减轻飞机结构的重量，提高飞机的燃油效率和飞行性能。
在汽车领域，复合材料可以减轻汽车的自重，提高汽车的燃油经济性和安全性。
在建筑领域，复合材料可以制备出具有良好耐久性和抗风压性能的新型建筑材料。
在体育器材领域，复合材料可以制备出轻量、坚固的运动器材，提高运动员的竞技水平。
总结。
复合材料具有优异的性能，具有广阔的应用前景。
第3章___复合材料的增强材料讲解
玻璃纤维的导热性 玻璃导热系数为0.6~1.1千卡/米.度.时，而玻璃纤 维的导热系数是 0.03 卡 / 米 . 度 . 时，远低于玻璃 的导热系数。玻璃纤维是一种良好的绝热材料。 一般材料的导热系数随温度而变化，但玻璃纤维 的导热系数与温度的关系不大。 玻璃纤维的热膨胀系数 玻璃纤维的热膨胀系数为4.8×10-6℃。
玻璃纤维的耐热性 耐热性较高，软化点为550~580℃。 是无机纤维，不会燃烧。 将在某一极限温度之前，纤维的强度基本不变。 但超过这极限温度，冷却下来，强度则明显下 降。加热温度越高，强度下降就越多。 300℃下24小时加热，强度下降20%； 400℃下24小时加热，强度下降50%； 500℃下24小时加热，强度下降70%； 600℃下24小时加热，强度下降80%。
纤维在复合材料中起的增强作用 承载，提高材料的抗拉强度和刚度。 减少收缩。 提高热变形温度和低温冲击性能等。 聚苯乙烯塑料+玻璃纤维: (1)抗拉强度可以从600MPa提高到1000MPa; (2)弹性模量从3000MPa提高到8000MPa; (3)热变形温度从85℃提高到105℃; (4)-40℃的冲击韧性提高10倍。
玻璃纤维的化学性能 玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，纤维的耐腐蚀 性能远不如玻璃。因为玻璃纤维的比表面积大。 玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其他 所有的化学物品和有机溶剂具有良好的化学稳定 性。
影响玻璃纤维化学性能的因素： 组分的影响 中碱玻璃纤维耐酸性较好，对水的稳定性较差； 无碱玻璃纤维耐酸性较差，但对水的稳定性却 较好。中碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维的耐碱性 程度相接近。 表面状态和温度的影响 纤维比表面积大，耐腐蚀性能明显差。纤维越 细，化学稳定性越差。温度越高，纤维的耐蚀 性越差。
第3章 复合理论
改变环境气氛。 固体或液体表面吸附的不同气体能
改变Sv和LV。在氧化性气氛中制造Ni-A12O3复合材料 时也能降低接触角而提高材料的性能。
提高液态金属压力。 提高掖相压力可以改善其对
固体的润湿性。液态金属不能自发渗入纤维束中，只 有在一定外压作用下克服阻力金属才能渗入。各种类 型的加压浸渍工艺便是在此基础上发展起来的。
阻断效应：
散射和吸收效应：
界面效应
诱导效应：
增强材料的表面晶体结构会对基体的晶体结 构产生诱导作用，使其发生改变，由此产生 一系列的性能变化，如高弹性、低膨胀、耐 冲击和耐热等。
不连续效应：
在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩 擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、 耐热性、尺寸稳定性等。
如果γsv<γsl，θ>90。，液体不能润湿固体； 如果γsv>γsl，θ<90。，液体能润湿固体； 如果γlv=γsv-γsl，θ=0。，液体能完全润湿固体； 如果γsv=γsl-γlv ，θ=180。，液体完全不润湿固体。
提高固体表面张力，降低固液界面张力都能改 善液态金属基体对固态增强材料的润湿性。
界面分类
根据增强材料与基体的相互作用情况，界面可以归 纳为三种类型。 类型Ⅰ:增强材料与基体互不溶解、互不反应； 类型Ⅱ:增强材料与基体不反应，但能相互溶解； 类型Ⅲ:增强材料与基体相互反应，生成界面反 应产物。
金属基复合材料的界面类型
界面类 型
界面特 征
类型Ⅰ
增强材料与基 体互不溶解、 互不反应 W丝/Cu Al2O3f/Cu Bf/Al Al2O3/Al SiCf/Al Bf/Mg
复合材料原理
第二章 材料的复合原理
2.1 材料的复合效应：
二、非线性效应
（4）系统效应
多种组分复合后，复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。
举例：
（1）彩色胶片是以红黄蓝三色感光 材料膜组成的一个系统，能显示出各种颜 色，单独存在则无此效应。
（2）交替层叠镀膜的硬度大于原来各 单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值。
金属基复合材料（铝、镁、铜、钛及其合金，等） • 碳炭复合材料
第一章 绪论
(4)复合材料具体有哪些类型？
结构功能复合材料（增强材料：玻璃纤维、碳 纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、 金属、颗粒）
功能复合材料（光学、电学、磁学、热学、声 学、生物、仿生，等等）
第一章 绪论
1.2 复合材料未来发展新领域 1）多功能，机敏、智敏复合材料 2）纳米复合材料 3）仿生复合材料
第二章 材合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型
复合材料主要由基体、增强体或功能体等共同组成。 由于他们在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同，因此根 据不同的性质或形态，他们可形成多种不同结构类型的复合材料。
基体通常是三维连续的物质，也就是将不同组分相形 成整体材料的物质。
复合材料原理
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南京工业大学
Nanjing University of Technology
明德 厚学 沉毅 笃行
《材料复合原理》
陆春华
E-mail:chhlu2019hotmail Tel: 13951739343
复合效应本质上是组分A、B的性能，及两 者间形成的界面性能，相互作用、相互补充， 使得复合材料在其组分材料性能的基础上产生 线性和非线性的特性。
复合材料PPT课件
复合材料可用于制造航空发动机的高温部件，如涡轮叶片、 燃烧室等，具有优异的耐高温性能和力学性能。
汽车工业应用
01
车身结构
复合材料可用于制造汽车车身、车门、车顶等结构部件，具有轻质高强、
耐冲击、耐腐蚀等优点，有助于提高汽车的安全性和燃油经济性。
02
内饰部件
复合材料也可用于制造汽车内饰部件，如座椅、仪表盘、门板等，具有
分类
金属基体、陶瓷基体、树 脂基体等。
选择原则
具有良好的工艺性、稳定 性、与增强材料相容性以 及满足产品要求的物理、 化学和力学性能。
增强材料
定义
增强材料是复合材料中承 载的主体，起到提高复合 材料力学性能的作用。
分类
纤维增强材料（如碳纤维、 玻璃纤维等）、颗粒增强 材料（如陶瓷颗粒、金属 颗粒等）。
美观、舒适、环保等特点。
03
动力系统
复合材料可用于制造汽车发动机罩、进气歧管等动力系统部件，具有优
异的耐高温性能和力学性能。
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建筑结构中的梁、板、柱等承重部件，具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳 等优点，有助于提高建筑物的抗震性能和耐久性。
建筑装饰
复合材料也可用于制造建筑装饰材料，如墙板、吊顶、隔断等，具有美观、环保、易安装等 特点。
确保产品质量符合要求。
04
CATALOGUE
复合材料的性能特点
力学性能
高强度
复合材料通常具有优异的拉伸、 压缩和弯曲强度，能够承受极高
的载荷。
高刚度
复合材料具有高的弹性模量，抵 抗变形能力强保持形状稳定性 好。耐疲劳
在循环载荷作用下，复合材料能 够保持较好的力学性能，不易产 生疲劳破坏。
复合材料组成范文
复合材料组成范文复合材料是由两种或两种以上完全不同的材料组合而成的，通过界面相互作用获得一种新材料。
复合材料通常由增强相和基体相组成。
增强相提供了复合材料的机械性能，而基体相则用来固定增强相。
复合材料的组成方式可以根据不同应用领域的需求而有所不同。
常见的增强相材料有纤维、颗粒和片状物质，如碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、陶瓷颗粒等。
这些增强相材料具有很高的拉伸强度和模量，可以在复合材料中承担荷载。
其中，碳纤维是目前应用最广泛的增强相材料之一，因其具有重量轻、高强度、高模量等优点。
基体相材料可以是金属、陶瓷、聚合物等。
基体相的作用是保持增强相的方向性和形状，同时承受外界的荷载。
常用的基体材料有热固性树脂、热塑性树脂等。
这些材料具有良好的粘合性和成型性，可以使增强相均匀分散在基体中，并提高复合材料的耐热性和耐腐蚀性。
为了增加复合材料的机械性能，常常还会添加填充剂、界面剂和增容剂等。
填充剂可以增加复合材料的硬度和强度，常见的填充剂有硅酸盐、氧化铝等。
界面剂可以提高增强相和基体相的界面结合力，有效防止界面剥离。
增容剂则用于调节复合材料的密度和性能，如碳黑可以扩大热塑性聚合物的分子链间距。
复合材料的制备方法有很多种，常用的方法有注塑成型法、层叠法、浸渍法和螺旋缠绕法等。
注塑成型法是将增强相放在注塑机中加热熔融，通过注射成型得到复合材料制品。
层叠法是将增强相和基体相按照一定的顺序层叠，然后通过压制得到复合材料制品。
浸渍法是将增强相浸渍到基体相中，并通过热固化使其固化成型。
螺旋缠绕法是将增强相缠绕在一个圆柱基体上，然后通过热固化将其固定在基体上。
复合材料的应用非常广泛，主要应用于航空航天、船舶、汽车、体育器材、电子器件等领域。
由于复合材料具有重量轻、强度高、抗腐蚀、抗疲劳等特点，因此更受到各行各业的重视。
随着科技的不断进步，复合材料的研究和应用将会更加广泛，为人们的生活带来更多的便利和可能性。
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3.2.1 纤维增强体 纤维：几至几十微米的多晶材料或非晶材料 晶须：约1微米的近单晶或单晶材料）
3.2.2 颗粒增强体
第3章复合材料的原材料
3.2.1 纤维增强体
一、长纤维（玻璃、高熔点金属、碳、硼纤维、 SiC 纤维 、 Al2O3纤维、 Si3N4系纤维、BN系、AlN系纤 维、芳伦纤维、陶瓷纤维） 二、晶须（SiCw、Si3N4w、钛酸钾晶须（KTw）、 硼酸铝晶须（AlBw）、氧化锌晶须（ZnOw）、石 墨晶须（Grw））
美国生产，用于碳-碳复合材料。但是由于其碳化收得 率较低（约25%），且性能与其它碳纤维相比较低，现 在已逐渐被PAN原料的碳纤维所取代。
第3章复合材料的原材料
2） 以沥青作为原材料
沥青 （相对分子质量500）
加热350℃ 脱水缩合反应
平面缩合芳香环分子 （分子质量大于1000）
液晶连续相
数量超过40%
225 392
第3章复合材料的原材料
延伸率（%）
1.8
0.6
2.0 0.5～0.7
1.5 0.6
碳纤维
第3章复合材料的原材料
镀镍碳纤维
第3章复合材料的原材料
碳短纤维
第3章复合材料的原材料
碳纤维织物
第3章复合材料的原材料
碳 纤 维 不 织 布
第3章复合材料的原材料
碳纤维小结
➢ 纤维素纤维：复杂应力，石墨化，收得率低 ➢ 沥青纤维：原料便宜，收得率高；杂质影响性能 ➢ PAN纤维：基础研究全面，工艺成熟
第3章复合材料的原材料
4）各种碳纤维的力学性能
原料
抗拉强度（MPa）
人造丝（低弹性模量丝）
686
弹性模量 （GPa）
39
人造丝（高弹性模量丝） 2744
沥青（低弹性模量丝） 沥青（高弹性模量丝） PAN（高强度丝） PAN（高弹性模量丝）
784 2450 3430 2450
490
39 343～490
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维有两大类，即大丝束 碳纤维（LT）和小丝束碳纤维（CT）。20世纪90年代 中期以前世界上生产的都是CT型碳纤维。1996年美国 在LT型碳纤维技术上取得重大突破并进行了工业化生 产，生产出位伸强度可以与CT型碳纤维相媲美的LT型 碳纤维，逐渐取代了原来由CT型碳纤维独占的军事国 防、航空航天、体育休闲等应用领域，进而广泛地向 其他领域渗透和发展。
第3章复合材料的原材料
玻璃纤维绳
第3章复合材料的原材料
玻璃纤维带
第3章b、Ni与不锈钢纤维等 ➢制备方法：拔丝 ➢特点：直径可以自由地选择。通常10～600μm。 ➢优点：
✓ 断裂之前可以有百分之几的延伸率 ✓ 复合后断裂能量大幅提高 ✓ 具有导电性 ✓ 可以获得一些新的性能
碳纤维的价格 （美圆/kg）
年代 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 价格 200 80 50 21 20 17 12-15
第3章复合材料的原材料
一、 长纤维
作为复合材料强化体的纤维，从材质上讲可 以是金属，氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等 陶瓷，从形态上可以是长纤维（连续纤维）、短 纤维、晶须。现在的长纤维的直径可以从7μm到 140μm。由于制备技术的开发与进步，几乎所有 的无机化合物都可以制成纤维。陶瓷材料纤维化， 特别是制成连续纤维，有利于充分发挥其特性。 随着复合材料的发展，也不断开发出具有新的特 征的纤维。
第3章复合材料的原材料
1. 玻璃纤维
将玻璃加热至熔融状态， 使其从漏嘴流出，再进行高 速拔丝的方法。而且一般是 使用多个漏嘴，同时纺丝。 用这种方法既可制备连续纤 维，也可以制备短纤维。 第3章复合材料的原材料
玻璃纤维
• 由于玻璃纤维的直径很小，单位质量所具有的表面积是普 通玻璃的1000倍。所以对于普通玻璃来说不会成为问题的 耐风化性、耐药品性，表面电阻等，对于玻璃纤维来说都 必须充分注意。例如玻璃纤维表面可能与空气中的水分反 应，产生风化，使强度等下降。连续纤维的直径为3，4，5， 6，7，9，10，13，16，24μm等。短纤维的直径多为5～ 20μm。
第3章复合材料的原材料
•玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高 比如，一根连续纤维的拉伸强度，E玻璃(无碱
硼硅酸铝玻璃纤维)可达3400MPa，而S玻璃(聚乙烯 醇缩丁醛、改性酚醛玻璃纤维)可达4800MPa。
•玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用 于电绝缘，工业机器等。
第3章复合材料的原材料
玻璃纤维丝
纺丝
沥青液晶纤维
从均质沥青中 分离出液晶
高分子量分子数量增多 表面张力作用
碳化
碳纤维
第3章复合材料的原材料
3） 以PAN作为原材料
原丝 制造
改 性 的 丙 烯 纤 维
稳定
化
硫 酸 脱 氢 ， 桥 接 反 应 ， 嘧 啶 聚 合 物
碳化
在 氮 气 中 加 热 一 千 至 两 千 度
稳定 化
碳 、 氮 等 结 合 反 应 ， 脱 氢 反 应
第3章复合材料的原材料
精整
稳 定 纤 维 尺 寸
表面
处理
表 面 形 成 氢 氧 基 ， 或 涂 有 机 聚 合 物
PAN基碳纤维因其具有的高强度、高刚度、重量 轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，在与其 他纤维的竞争中发展壮大。目前世界主要聚丙烯腈 （PAN）基碳纤维生产厂家的总生产能力已达到31650 吨的规模，仅次于芳纶，跃居世界高性能纤维的第二 位。
碳纤维最突出的优点是： • 强度高、模量高、密度小； • 耐高温，可在2000摄氏度使用，3000摄氏度非氧化真氛中不熔
不软； • 耐酸，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质浸蚀； • 热膨胀系数小，约等于零； • 热导率高； • 导电性好； • 摩擦系数小并具润滑性第。3章复合材料的原材料
1） 以人造丝作为原材料 该方法最早是1959年开发的。该类纤维主要是在
第3章复合材料的原材料
➢缺点与主要问题
✓密度较大 ✓纤维高温下的氧化 ✓再结晶等引起纤维的脆 ✓热膨胀系数存在有差异产生热膨胀与收缩的不 匹配
第3章复合材料的原材料
3. 碳纤维
碳纤维可以用以下原材料制得：人造丝、石油（或煤的蒸溜 残碴）以及PAN（聚丙烯腈(polyacryonitrile;PAN)系碳纤维）等。 其特性也因原材料而有所差别。