第2章复合材料的增强体
聚合物基复合材料 知识点总结
第二章增强材料1.增强材料的品种：1）无机纤维：（1）玻璃纤维（2）碳纤维：①聚丙烯腈碳纤维②沥青基碳纤维（3）硼纤维，（4）碳化硅纤维，（5）氧化铝纤维2）有机纤维：（1）刚性分子链——液晶（干喷湿纺）：①对位芳酰胺②聚苯并噁唑③聚芳酯（2）柔性分子链：①聚乙烯②聚乙烯醇2.玻璃纤维的分类：1）按化学组成份：有碱玻璃纤维，碱金属含量>12%；中碱玻璃纤维，碱金属含量6%~12%；低碱玻璃纤维，碱金属含量2%~6%；微碱玻璃纤维，碱金属含量<2%2）按纤维使用特性分：普通玻纤（A-GF）；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；高模玻纤（M-GF）；耐化学药品玻纤（C玻纤）……3）按产品特点分：长度（定长玻纤<6-50mm>，连续玻纤）；直径（粗纤维30μm，初级纤维20μm，中级纤维10-20μm，高级纤维3-9μm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，磨细纤维和玻璃粉）3.玻璃纤维的制备：目前生产玻璃纤维最多的方法有坩埚拉丝法（玻璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法）4.玻璃纤维的力学特性：1）玻璃纤维的拉伸应力--应变关系：玻璃纤维直到拉断前其应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段，呈脆性材料特征2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低；解释：（1）Griffith微裂纹理论：玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。
当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。
所以，缺陷尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低（2）分子取向理论：玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。
3）玻璃纤维强度特点：单丝直径越小，拉伸强度σb越高；试样测试段长度L越大，拉伸强度σb越低。
这两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应和体积效应，即体积或尺寸越大，测试的强度越低4）缺点：①强度分散性大，生产工艺影响②强度受湿度影响，吸水后，湿态强度下降③拉伸模量较低（70GPa），断裂伸长率约为2.6%5.玻璃纤维纱的常用术语、参数：（填空）1）原纱：指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱2）表示纤维粗细的指标：①支数β：指1g原纱的长度(m)，支数越大表示原纱越细②特(tex)：指1000m长原纱的质量(g)，tex数越大，纱越粗③旦、袋(den)：指9000m长原纱的质量(g)，den 数越大纱越粗3）捻度：表示纱的加捻程度，指每米长原纱的加捻数，即捻/m。
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
6
（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。
12
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。
13
(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。
1
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物 ② 晶须 ③ 颗粒
2
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----复合材料的复合原理及界面
复合材料
第二章复合材料的复合原理及界面
1、弥散增强和颗粒增强的原理
1）弥散增强：复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成，荷载主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大，微粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。
2）颗粒增强：复合材料是由尺寸较大（直径大于1 m）颗粒与基体复合而成，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好；颗粒尺寸越小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。
2、什么是混合法则，其反映什么规律
混合法则（复合材料力学性能同组分之间的关系）：σc=σf V f+σm V m，E c=E f V f+E m V m式中σ为应力，E为弹性模量，V 为体积百分比，c、m和f 分别代表复合材料、基体和纤维；反映的规律：纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。
3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些
金属基复合材料界面结合方式：
①化学结合
②物理结合
③扩散结合
④机械结合。
界面改性方法：
①纤维表面改性及涂层处理；
②金属基体合金化；
③优化制备工艺方法和参数。
4、界面反应对金属基复合材料有什么影响
界面反应和反应程度（弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应）决定了界面的结构和性能，其主要行为有：
①增强了金属基体与增强体界面的结合强度；
②产生脆性的界面反应产物；
③造成增强体损伤和改变基体成分。
第二章复合材料增强体
用⑤漏玻板纤拉的制成的型玻工璃艺纤和维条强件度。高于用玻璃棒法拉制 的纤维。 如用漏板法拉制10μm玻璃纤维的强度为 1700MPa，而用棒法拉制相同直径的玻璃纤维强 度仅为1100MPa。 原因: •玻璃棒只加热到软化，粘度仍然很大，拉丝时 纤维受到很大的应力； •此外玻璃棒法是在较低温度下拉丝成型，其冷
碳纤维的皮芯结构： 碳纤维由表皮层和芯子两部分组成，中间
是连续的过渡区。皮层的微晶较大，排列较整 齐有序，占直径的14％，芯子占39％，由皮层 到芯子，微晶减小，排列逐渐紊乱，结构不均 匀性愈来愈显著。
皮层：微晶较大，排列有序。 芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。
（三）碳纤维的分类： 可按先驱体原料、碳纤维的性能和用途进行分类
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
碳纤维：乱层石墨结构 最基本的结构单元：石墨片层 二级结构单元：石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成) 三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维。直径在50nm左右， 弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构。
石墨层片 最基本的结构单元
石墨微晶 碳纤维的二级结构单元
碳纤维的三级结 构单元：
石墨微晶组成 原纤维，直径 50nm左右，长度 数百纳米。原纤 维呈现弯曲、彼 此交叉的许多条 最后由原纤维组成碳纤维的单带 条丝状 带结状构的组结成构，之 间存在针形空隙，
一、玻璃纤维 （Glass Fibers）
复合材料中基体和增强体的作用
复合材料中基体和增强体的作用复合材料是由至少两种不同材料组成的材料，主要包括基体和增强体。
基体是复合材料的主体组成部分，起到支撑和固定增强体的作用。
增强体则是基体中的强化组分，负责提高复合材料的力学性能。
基体是复合材料的主要组成部分，起到支撑和固定增强体的作用。
基体通常是一种具有良好的柔韧性和强度的材料，如树脂、金属、陶瓷等。
基体的选择需要考虑复合材料的使用环境、应力要求以及成本等因素。
基体的性能决定了复合材料的整体性能，如强度、刚度、耐磨性等。
增强体是复合材料中起到强化作用的组分，通常是纤维、颗粒或片层状的材料。
增强体可以提高复合材料的强度、刚度和耐用性。
常见的增强体包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
增强体的选择取决于对复合材料所需的特定性能，如高强度、高刚度或高温耐受性。
基体和增强体的相互作用是复合材料性能的关键因素。
增强体的存在增加了复合材料的强度和刚度，同时还可以提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。
基体则提供支撑和固定增强体的功能，防止其从基体中脱离。
1.机械锁定作用：基体和增强体之间的力学锁定作用是通过增强体与基体之间的相互作用力和摩擦力来实现的。
增强体的形状和分布对锁定效果起到重要作用。
2.能量转化作用：增强体能吸收和分散外部载荷作用时的能量，通过增强体和基体之间的相互作用将能量转移到基体中，从而提高了复合材料的韧性和抗冲击性能。
3.功率传递作用：增强体通过相互作用将应力传递到基体中，增加了复合材料的整体强度和刚度。
增强体的刚度和强度越高，功率传递效果越好。
4.界面作用：基体和增强体的界面对于复合材料的性能起着重要作用。
界面的结构和性质影响着基体和增强体之间的相互作用，如界面的粘着强度和亲和性。
5.互补效应：基体和增强体的不同性质和结构相互补充，共同提高了复合材料的综合性能。
增强体可以弥补基体的缺陷，提高复合材料的强度和刚度，而基体可以提供增强体所不具备的柔韧性。
综上所述，基体和增强体在复合材料中具有不可替代的作用。
第2章 复合材料的结构形式与复合效应
图2-1复合材料的结构图2-1复合材料的结构
图2-2几种典型复合材料结构
7混合效应也称平均效应，是组份材料性能取长
单向连续纤维增强复合材料模型
14
(3)泊松比
12,I I νν
30
时对应的基
39当纤维体积含量太小时，复合材料的
破坏由基体控制，其纵向拉伸强度
mt f
为了修正误差，可采用基体模量前乘以小于1的修正系数β，即
βυ
E E
2-9单根纤维埋入基体模型受力前后变形示意图
2-10 平行于外载荷的伸直不连续纤维微元体的平衡
(a)受力前b)受力后
2-12 理想塑性基体的剪应力一应变曲线
max
()2f f t s
L d στ=能够达到连续纤维应力时的最短纤维长度定义为载荷传递长度Lt ，可以得到：
物理关系为
11C
εβ=1
f C σεβ=
+。
复合材料第2章 增强材料
❖ 单向增强结构
这种结构是指增强材料一维平 行排列分布在基体中，PMC、 MMC、CMC中较为常见结构。
TaCf
界面及 界面反 应层
SiC
f
Ti基体
SiCf /Ti单向增强复合材料
TaCf/Superalloy(原位定向 凝固)
钨纤维（丝）单向增强高温合金显微组 织
❖ 层状增强结构
增强材料以织物（布、毡）方式增强，或双向正交、或铺层（多向）方 式分布在复合材料基体中，是PMC、C/C常用的结构，如层压板、迭层板等。 在CMC中，也可以纤维按层状，在基体中原位形成分散状的增强相。
SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基复合材料
喷涂法制备的Al2O3与高温合金复合 的层状复合材料
蒙脱土/聚丙烯酰胺纳米层状复合材料 （龙斌，清华大学硕士学位论文，2007年）
❖ 网络状增强结构
网络状增强结构分为三维、多维网络状结构，三维结构也有称为三向，或三 向正交增强结构。一般通过编织方式将纤维或将预浸料编织成三维或多维预制 体。比较典型的是三维正交C/C复合材料，按纤维的方向分为L、T、N三个方 向经编织成三维立体结构，但各个方向的纤维含量可以相同或不同。在C/C复 合材料中，也可以在层状结构的基础上采用Z向针刺的方法形成三维结构。
❖ 低密度——仅为1.44 g/cm3，几乎只有石棉密度的一半，低于碳纤维。 ❖ 热稳定性——在热试验中(TGA)非常稳定,直至600℃才有明显的重量丧失；在
427℃下不分解，在－190℃低温下不变脆；强度长期在150℃下几乎不变，在 高温下不易变形，尺寸稳定，特别是其柔韧性好，抗冲击。在空气中难以燃烧， 离焰自熄。
❖ 经过热处理和改善原料的结构后，可得到提高了综合性能的不同牌号的芳 纶纤维。
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普通型
高强度型
碳纤维的结构模型
高弹性模量型
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材 料。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 制造火箭航天器外壳、机动船、工业机器人、汽车板 簧和驱动轴等。
碳纤维在我国民用工业的应用 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 建筑补强： 各种片材 增强水泥 拉挤板材 增强混凝土建筑材料 各种增强织物 能源： 抽油杆 电动机壳 汽车用天然气瓶 电加热器 风力发电叶片 电加热毯 工业日用品： 手电筒 电脑壳 刀具手柄 手杖 各种三角架 伞把 手机壳 扬声器 活动账逢 手提箱 乐器（弓） 户外摇床 眼镜架 计量尺 大型电钻轴 各种笔杆（钢笔、园珠笔、自动铅笔等） 其它： 印刷罗拉 新闻记者用伸缩杆 电缆绕线弓、 弹簧
Chapter 2 Composite Reinforcements
复合材料增强体
主要内容
J J
2.1 基本概念
2.2 无机非金属纤维
2.3 有机纤维（芳纶纤维） 2.4 晶须及颗粒增强物
J J
2.1 基本概念
J J J J
增强材料
增强（韧）机制
界面作用
增强材料的分类
2.1 基本概念
增强材料就象树木中的纤维，混凝土中的钢 筋一样，是复合材料的重要组成部分，并起到 非常重要的作用。
界面反应
增强材料的分类
在复合材料设计中，选择增强材料的原则 增强材料的强度、模量和密度 增强材料与基体材料的物理相容性 化学相容性 性能/价格比
对结构复合材料而言，第一考虑的是增强材料的强度、 模量和密度，其与基体物理及化学相容性主要反映界面 作用和影响。
2.2 无机非金属纤维 J J J J
在纤维增强复合材料中，纤维是承受载荷的 组元，纤维的力学性能决定了复合材料性能。
针叶树的木材的组织
蒙脱土增强PMMA和 PS材料
增强材料定义：
增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的 组元物质，它可以显著提高基体的强度、韧性、模量、 耐热、耐磨等性能。
SiC/硼硅 玻璃复合 材料的强 度随SiC 体积含量 线性增加
PAN原丝和碳纤维制备流程
CH2=CH
CN
单体蒸馏提纯 热水牵伸
(CH2－CH)n
CN
按配比混合 热水洗涤 溶液聚合 脱单,过滤,脱泡 热水洗涤 上油 溶液过滤 热辊干燥 纤维成型
热水再牵伸
加压蒸 汽牵伸 表面处理
热辊定型
卷绕
排序加捻
200-300℃ 预氧化 收丝
400-1000℃ 低温碳化
1000-1800℃ 高温碳化
碳纤维由聚丙烯腈纤维（PAN）、沥青（MP）、 粘胶纤维（人造丝）等经氧化、炭化等过程制得的 含碳量为90%以上的纤维。按状态分为长丝、短纤 维和短切。 碳纤维的制备主要经过5个阶段：拉丝、牵引、 稳定、碳化和石墨化 典型碳纤维制造商：Amoco、BASF Grafil Inc.、 Toho Rayon、 Toray ；吉林炭素厂、上海炭素厂、 兰州炭素厂
我国首台采用碳纤维全 复合材料车厢的自卸车在内 蒙古包头下线，该车载重50 吨，自重4.8吨，比金属厢 体减重29%
美国使用碳纤维复合材 料一次成型制造的短剑 高速隐身试验快艇，在 整体制造成形过程中不 用焊接，更无需铆接。
碳纤维复合材料-美军的
F-22隐身战机
碳纤维复合材料 用于制造歼-20等 国产第四代战机
干燥
上胶
展平解捻
缠绕
2500-3000℃石墨化
高分子化学－物理－加工成型－无机化学－材料科学 聚合工程－自动化工程－纺丝工程－高温氧化工程
碳纤维制备中PAN结构转化
单体 聚合物 原丝
聚合
纺丝 预 氧 化
碳化
碳纤维
预氧丝
Байду номын сангаас
按力学性能分为通用型和高性能型 。 通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模 量为100GPa左右。 高性能型碳纤维又分为高强型（HT） （强度 2000MPa、模量250GPa）和高模型（HM） （模 量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超 高强型（UHT） ；模量大于450GPa的称为超高 模型（UHM） 。随着航天和航空工业的发展，还 出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％。用 量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。
复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚 度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有 明显差别的新相，称之为界面相。
界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料 与基体间界面结合状态的一个指标。
对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高 或过弱都不利于材料的力学性能。
复合材料界面的粘结方式
机械结合 静电作用 界面扩散
增韧机制
复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），
其韧性大小取决于
材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。 以纤维增强复合材料为例， 主要有纤维的拔出、
纤维与基体的脱粘、
纤维搭桥等增韧机制。
纤维脱粘 纤维拔出
纤维搭桥
碳纳米管/聚苯 乙烯复合材料 的断裂机理
纤维搭桥
纤维拔出
界面作用
复合材料是由性质和形状各不相同的两种或 两种以上材料组元复合而成的，在两种材料之间 必然存在把不同材料结合在一起的接触面－界面
美国先进飞 机上采用复 合材料的示 意图
碳纤维在我国民用工业的应用
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 体育休闲用品： 高尔夫球杆 棒球棒 赛艇 弓 高尔夫球头 垒球棒 桨叶 箭杆 网球拍 冰球棒 舵 拳击手套 羽毛球拍 滑雪板 冲浪板 风 筝 钓渔竿 滑雪杖 滑雪护腿 登山杖 自行车 滑水杖 球鞋底 旱冰鞋 纺织机零件： 传剑带 踪杆 踪框 剑 头 导杆 传剑轮 罗拉 汽车零件： 发动机罩 手柄 板簧 导流板 车门 连轴器 排气管护套 固定托架 刹车片 车门 车牌 内装饰（面板、把手等） 医疗器械： X光照机床 CT床板 假脚 照相暗盒 核磁共振床 韧带 心藏半膜 人工关节 放射线照相用头托 γ刀床 假肢 诊断用担架
2.2.1 碳纤维 2.2.2 硼纤维 2.2.3 碳化硅纤维
2.2.4 玻璃纤维
2.2 无机非金属纤维
2.2.1 碳纤维
碳纤维是一种高性能增强 纤维，最高强度可达 7000MPa，最高弹性模量 达900GPa，密度1.8~2.1 g/cm3，具有低热膨胀、 高导热、导电性好、耐磨、 耐高温等特点。可分为碳 纤维和石墨纤维两种。