【材料复合设计】复合材料的增强体
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。
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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。
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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。
复合材料增强体
（五)玻璃纤维的物理性能
1.外观和密度 玻璃纤维呈表面光滑的圆柱体，表面光滑，纤维
之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结。而玻璃纤 维彼此相靠近时，空隙填充得较为密实，有利于提高 玻璃钢制品的玻璃含丝
密度 1.28~ 1.30~ 1.50~ 1.50~ g/cm3 1.33 1.45 1.60 1.60
一般：5-10um的纤维作为纺织制品用； 10-14um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切 纤维毡等较为适宜。
3）按纤维外观分类
连续纤维； 无捻粗纱及有捻粗纱，短切纤维，空心玻
璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。
玻璃纤维纱 玻璃纤维布 玻璃纤维带 玻璃纤维管 玻璃纤维毡
4）按纤维性能分类
这是一类为适应特殊使用要求，新发展起来的 ，纤维本身具有某些特殊优异性能的新型玻璃纤维 ，大致可分为：
能大；
氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相 应的降低。
（二）玻璃纤维的制造方法
玻璃球法 直接熔融法(池窑拉丝法)。
（1）包括制球和拉丝两步：
→制玻璃球 →铂金坩埚熔融 →小漏孔拉丝 →涂浸润剂 →并股成纱 →纺织成布、毡或带。
(2) 池窑漏板法拉丝工艺
池窑拉丝是连续玻璃纤维生产的一种新的工艺方 法,将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数 的连续玻璃纤维。
可用作蓄电瓶的隔离片、管道包扎布和 毡片等防水、防潮材料。
特种玻璃纤维
由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维；
镁铝硅系高强高弹玻璃纤维；
硅铝钙镁系耐化学腐蚀玻璃纤维
含铅纤维；
高硅氧纤维二氧化硅含量高于96%
石英纤维高纯二氧化硅和天然石英晶体
复合材料增强体
到目前为止，制作碳纤维的主要原材料有3中： 人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青。用这些原料生 产的碳纤维各有其特点。制造高强度模量碳纤 维多选用去丙烯腈尾原料。
无论用何种原丝纤维来指导碳纤维，都要经过 5个阶段：拉丝，牵引，稳定，碳化和石墨化。
无论采用什么原材料制备碳纤维，都需要经过 5个阶段，原丝预氧化，碳化以及石墨化等， 所产生的最终纤维，期基本成分为碳。
• 3.1.2.3晶须增强体
• 晶须是在人体条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其 直径为0.2~1μm，长度约为几十微米，由于其具有细小的 组织结构，缺陷少，具有很高的强度的模量。
• 晶须制造分选过程较复杂，成本颗粒高很多，可通过热压 烧结，常规烧结，粉末冶金，挤压铸造等方法来制造复合 材料。
3.2无机非金属纤维
3.2.1碳纤维
碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维 并具有低热膨胀，高导热，耐磨，奶高温等优异性能，是 一种横有发展前景的高性能纤维。
碳纤维是一种以碳尾主要成分的纤维材料。他不同 于有机纤维或陶瓷纤维，不能用熔融法活溶液法直接放肆， 只能以有机物尾原料，采用间接法制造。制造方法可分为 气相法和有机纤维碳化法。气相法是在惰性气氛中小分子 有机物在高温沉积而形成纤维有机纤维碳化法是先将有机 纤维经过稳定化处理比恩成耐焰纤维，然后再在惰性气氛 中，在高温下进行煅烧碳化，是有机纤维失去部分碳和其 他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。
碳纤维性能
碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。单纤维直径为 5~10微米，一般以数百根至一万根碳纤维组成束丝供 使用。由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很 多。高强度型碳纤维的密度约为1.8g/cm3，而高模量 和超高模量碳纤维的密度约为1.85~2.1g/cm3。碳纤维 具有优异的力学性能和物理化学性能。碳纤维具有优 异的耐热性和耐腐蚀性能。在惰性气氛下碳纤维热稳 定性较好，在2000°C的高温下仍能保持良好的力学 性能；但在氧化气氛下超过450°C时碳纤维将被氧化， 时期力学性能明显下降。
第2章 复合材料的增强材料PPT
纤维可分为无机纤维和有机纤维
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（一） 有机纤维
聚芳酰胺纤维 聚乙烯纤维
1.聚芳酰胺纤维制备
芳纶是分子链上至少含有85%的直接与
两个芳环相连接的酰胺基团的聚酰胺经纺丝
所得到的合成纤维。目前，供复合材料作增
强材料最多的是聚对苯二甲酰对苯二胺
（ Poly (P-Phenylene terephthalamide)，
(3) kevlar纤维的结构
kevlar纤维具有优异力学、化学、热 学、电学等性能，而这是与其化学和物理 结构密切关联的。
H
O
C
CN
NC
C
O
H
O
H CN
O NC
芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复 合材料制件。
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自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量 逐年增加。
其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之 广泛应用到军工和国民经济各个部门。
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(1)PPTA树脂的合成和kevlar纤维的制备
PPTA聚合物是由严格等摩尔比的高纯度对
苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二胺单体
第2章 复合材料的增强材料
在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械 性能的高强度材料称为增强材料。
增强材料有时也称作增强体、增强剂等。
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增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物 ② 晶须 ③ 颗粒
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一、纤维
如，植物纤维－－－棉花、麻类；
动物纤维－－－丝、毛；
矿物纤维－－－石棉。
天然纤维
强度较低，
现代复合材料的增强材料 用合成纤维。
处理得Kevlar纤维
Hale Waihona Puke 17(2) 芳纶纤维的性能特点
第二部分 高性能复合材料的增强体
本章小结
纤维的主要作用； 增强纤维应具备的基本特性； 增强纤维的主要类型及其各自主要特性；
2.2 玻璃纤维
基本特点：使用量最大、成本低、性能好； 分类：以原料成分分类 无碱GF（ 玻纤）：碱金属含量不大于0.5%。强度较 无碱GF（E玻纤）：碱金属含量不大于0.5%。强度较 高、耐热性和电性能优良，化学稳定性好（不耐酸）。 中碱GF（ 玻纤）：碱金属含量11.5%～12.5%，耐酸 中碱GF（C玻纤）：碱金属含量11.5%～12.5%，耐酸 性好、价格低，但强度不如无碱GF； 性好、价格低，但强度不如无碱GF； 有碱GF（ 玻纤）：碱金属含量>14%，强度低、耐湿 有碱GF（A玻纤）：碱金属含量>14%，强度低、耐湿 热性差； 特种GF：高强GF（ 玻纤）— 特种GF：高强GF（S玻纤）—由纯镁铝硅三元组成， 抗拉强度2800MPa；高模量GF（ 玻纤）— 抗拉强度2800MPa；高模量GF（M玻纤）—在低铝的 钙镁硅酸盐系统中加入铬、钽、铌等氧化物，其 E=120GPa。 E=120GPa。
2）碳纤维的物理性能
密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密 密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密 度越大； 热膨胀系数：纤维向( 1.5～ 热膨胀系数：纤维向(-1.5～-0.5) ×10-6/K 10垂直纤维向（5.5～8.4） 10垂直纤维向（5.5～8.4）× 10-6/K 导热率：纤维向16.74W /(m·K) 导热率：纤维向16.74W /(m·K) 垂直纤维向0.827 /(m·K) 垂直纤维向0.827 W /(m·K) 导电性好：高模量CF比电阻755µ 导电性好：高模量CF比电阻755µ ·cm 高强度CF比电阻1500µ 高强度CF比电阻1500µ ·cm
复合材料增强体的作用
复合材料增强体的作用
复合材料增强体是指在基体材料中添加的强化材料，可以包括纤维、颗粒、层状结构等。
这些增强体可以提高复合材料的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等方面的性能。
首先，添加纤维增强体可以大大提高复合材料的强度和刚度。
纤维可以分为长纤维和短纤维两种，长纤维增强体在复合材料中分布均匀，可以形成连续的纤维增强结构，提高材料的拉伸、弯曲和剪切强度。
而短纤维增强体则可以填充基体材料中的空隙，增加材料的密度和强度。
其次，添加颗粒增强体可以提高复合材料的硬度和耐磨性。
颗粒增强体可以填充基体材料中的孔隙和缺陷，增加材料的密度和硬度，提高材料的耐磨性和抗冲击性。
最后，添加层状结构增强体可以提高复合材料的耐腐蚀性和耐热性。
层状结构增强体可以形成层层叠加的结构，形成隔离层，防止氧气和水蒸气的侵蚀，增加材料的耐腐蚀性。
同时，层状结构增强体可以提高复合材料的耐高温性能，防止高温下材料的熔化和失效。
综上所述，复合材料增强体的作用是多方面的，可以提高材料的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐热性等方面的性能。
- 1 -。
复合材料增强体的种类与性能
保护纤维免受各种损伤。
此外，对复合材料如横向性能、纵向拉伸、压缩性能、疲劳性能、断裂韧性等也有一定的 影响。
界面的基本概念和粘结理论
界面是复合材料的三要素之一。 对于纤维增强复合材料来说，没有一个良好结合的界面，纤维增强作用和基体应力转移过 程就无从谈起。 界面结构和性质上的复杂性以及界面本身表征的难度，有必要对界面的基本概念和界面内 的作用作些概述。
玻璃钢应用于体育用品
有机纤维 超高分子量聚乙烯纤维
芳纶纤维纤维)是芳香族聚酰胺类纤维的总称。最常用的为Kevlar-49。 ➢ 主要性能： • 高强度：3773MPa • 高模量：127～158GPa • 抗冲击性好：约为石墨纤维的6倍、硼纤维的3倍； • 低密度：1.44～1.45，只有铝的一半； • 热膨胀系数：纤维向-2×10-6/K，横向59×10-6/K。
(c)
许多高聚物表面，或经改性后的表面，或带有涂层剂的表面，都会存在许多游离或伸出的官能 团。这些官能团的正、负极性端会吸附在相应的阴离子或阳离子表面上，构成相互作用区，如 图(d)所示。
(d)
静电吸引作用较化学键要弱得多，但在良好接触的极性表面间，或能够形成较多的次价键作 用时，对界面强度的提高，就是不可忽视的一种作用形式。
Matrix materials
Polymer (Resin) matrix Metal matrix Ceramic matrix
纤维增强树脂基材料中基体的主要作用有：
将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维之间传递载荷，并使载荷均衡；
决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、剪切性能、耐介质性能 (如耐水性、耐化学性)等；
复合材料增强体定义和分类
1.1 增强体的概念增强体的概念：复合材料中能明显提高基体材料某一性能的组元物质增强体的特征：（1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能；（2）增强体应具有稳定的化学性质；（3）与基体有良好的润湿性1.2 增强体的分类（1）颗粒类增强体（零维）性能特点：高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒复合材料性能特点：具有各向同性（2）纤维类增强体（一维）连续长纤维：长度：连续长度一般超过数百米；性能特点：沿轴向有很高的强度和弹性模量分类：分为单丝和束丝两种。
应用：成本高、性能高，只用于高性能复合材料复合材料性能特点：具有各向异性连续长纤维实例单丝：硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为95-140微米）束丝：碳纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝，单丝直径5.6-14微米）短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序)（3）晶须类增强体（一维）外形尺寸：直径0.2-1微米，长约为几十微米性能特点：有很高的强度和模量（结构细小、缺陷少）应用：陶瓷增韧（成本比颗粒高得多）实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅等复合材料性能特点：各向同性。
（4）金属丝增强体（一维）不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢丝/Al）（5）片状物增强体（二维）陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2、Si3N4/BN等。
（6）纤维编织类增强体（三维）纤维编织成的三维结构1.3 纤维类增强体具有高强度的原因（1）固体材料的理论强度：σth = (Eγ/a0)1/2纤维类增强体：Be、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化合物（常温下原子半径小、化学性质稳定）纤维类增强体理论强度高纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目都有别与同质地的块状材料内部径向最大裂纹尺寸：非常小（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）内部轴向最大裂纹尺寸：一般（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）纤维中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维主要承受轴向拉伸载荷）。