紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料第一講

第一章緒論1.1復(fù)合材料概述定義和分類：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織：“由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料?！?/p>

《材料科學(xué)技術(shù)百科全書》：“復(fù)合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計使各組分的性能互相補充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)越的性能，與一般材料的簡便混合有本質(zhì)區(qū)別。”《材料大辭典》：“復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用的需要進行設(shè)計，把兩種以上的有機聚合物材料，或無機非金屬材料，或金屬材料組合在一起，使之互補性能優(yōu)勢，從而制成的一類新型材料。一般由基體組元與增強材料或功能體組元所組成，因此亦屬于多相材料范疇?！碑?dāng)前1頁，總共70頁。1.1復(fù)合材料概述（關(guān)于復(fù)合材料，有著不同的定義方式。）“由兩種以上不同的原材料組成，并使原材料的性能得到充分發(fā)揮，通過復(fù)合化而得到單一材料所不具備的性能?！保◢u村昭治.未來を拓く先端材料，工業(yè)調(diào)查會，1982）“把一些個體典型或基本的特性組合，而得到的物質(zhì)?！保ㄓ嘤缹幍茸g.金屬基復(fù)合材料導(dǎo)論，北京，冶金工業(yè)出版社，1996）“由兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合而成的新型材料?！保▍侨藵?，復(fù)合材料，天津大學(xué)出版社，2000）“經(jīng)過一定的操作，將復(fù)數(shù)個原材料合體，或者是由復(fù)數(shù)個相生成，且具有比原材料優(yōu)異的性能?！保ㄏ愦ㄘS，八田博志.セラミックス基復(fù)合材料，アグネ承風(fēng)社，1990）當(dāng)前2頁，總共70頁。1.1復(fù)合材料概述盡管定義的細(xì)節(jié)有所不同，但其要點是共同的。

1含兩種以上不同的化學(xué)相。2具有每個組分所不具備的優(yōu)良性能。

至于天然材料的骨骼、竹子、木材等是否應(yīng)屬于復(fù)合材料的范疇，尚有不同的看法。但一般認(rèn)為它們應(yīng)屬于具有復(fù)合材料形態(tài)的天然材料。這樣，復(fù)合材料的含義就還應(yīng)該包括：人工制造、成分由人們有意識的選擇；具有重復(fù)的幾何形狀等。當(dāng)前3頁，總共70頁。通過以上對復(fù)合材料的多種定義可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料是兩個或兩個以上的不同化學(xué)性質(zhì)的組元或不同組織相組成的結(jié)合體，是不同的材料在宏觀尺度上組合而成的一種有用的材料。并應(yīng)滿足以下三個條件：(1)各組元含量都大于5％；(2)復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能，(3)通過各種方法混合而成。對于復(fù)合材料，應(yīng)該強調(diào)正面效果，即復(fù)合后的整體性能應(yīng)超過組分材料，同時保留了所期望的性能(例如高強度、剛度、輕的重量)，抑制了所不期望的特性(例如低延性)，復(fù)合材料應(yīng)該是多功能的材料系統(tǒng)，可提供任何單一材料所無法獲得的特性。也就是說，并非隨意將不同種類的原材料混合在一起都能夠得到復(fù)合材料。當(dāng)前4頁，總共70頁。復(fù)合材料應(yīng)具有以下特點1復(fù)合材料的組分和相對含量是由人工選擇和設(shè)計的，即復(fù)合材料具有可設(shè)計性；2組成復(fù)合材料的某些組分在復(fù)合后仍然保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）；3復(fù)合材料不僅能保持原組分的部分優(yōu)點，而且產(chǎn)生原組分所不具備的新性能，就是說復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能；當(dāng)前5頁，總共70頁。復(fù)合材料應(yīng)具有以下特點4復(fù)合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同。復(fù)合材料具有新的、獨特的和可用的性能，這種性能是單個組分材料性能所不及或不同的；5復(fù)合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料，即組元之間存在著明顯的界面。復(fù)合材料是非天然形成的，以區(qū)別于具有某些復(fù)合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)。優(yōu)異的物理化學(xué)性能：輕質(zhì)高強、耐化學(xué)腐蝕、抗疲勞性能好、減振性能好、耐熱性好等。當(dāng)前6頁，總共70頁。復(fù)合材料的命名復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的某些性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為增強體(也稱為增強材料、增強相等)；在大多數(shù)情況下，分散相較基體硬，強度和剛度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料，在基體與增強體之間存在著界面；復(fù)合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，比較共同的趨勢是根據(jù)增強體和基體的名稱來命名，通常有以下三種情況：當(dāng)前7頁，總共70頁。復(fù)合材料的命名（1）強調(diào)基體時以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。（2）強調(diào)增強體時以增強體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強復(fù)合材料、碳纖維增強復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強復(fù)合材料等。（3）基體材料名稱與增強體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。當(dāng)前8頁，總共70頁。復(fù)合材料的分類（1）按使用性能分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料等。（2）按基體材料分類，樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和無機非金屬基復(fù)合材料等。（3）按增強材料形態(tài)分類，顆粒增強復(fù)合材料、薄片增強復(fù)合材料、纖維增強復(fù)合材料（連續(xù)纖維增強復(fù)合材料、短纖維增強復(fù)合材料或晶須增強復(fù)合材料等。（4）按增強纖維類型分類，碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、有機纖維復(fù)合材料、陶瓷復(fù)合材料等。（1）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要用于制造受力構(gòu)件；結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要是作為承力結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料，它基本上是由能承受載荷的增強體組元與能聯(lián)接增強體成為整體承載同時又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構(gòu)成。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點：可根據(jù)材料在使用中受力的要求進行組元選材和增強體排布設(shè)計，從而充分發(fā)揮各組元的效能。2）功能復(fù)合材料指具備各種特殊物理與化學(xué)性能的材料。例如：聲、光、電、磁、熱、耐腐蝕、零膨脹、阻尼、摩擦、屏蔽或換能等。功能復(fù)合材料中的增強體又可稱為功能體組元，它分布于基體組元中。功能復(fù)合材料中的基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能夠產(chǎn)生協(xié)同或加強功能的作用。當(dāng)前9頁，總共70頁。復(fù)合材料的歷史從廣義上講，復(fù)合材料已有很久的歷史。遠(yuǎn)古時代人們用稻草摻入黏土做土坯。古代人們用鋼鐵層壓法制成刀劍等。近代的復(fù)合材料是以1942年制出的玻璃纖維強化塑料為起點。隨后為了提高纖維的彈性率，開發(fā)了硼纖維、碳纖維、耐熱氧化鋁纖維等。另一方面，為了改善樹脂的耐熱性，對金屬基復(fù)合材料也開展了研究。FRM的耐熱溫度已達(dá)450℃，強度在1500MPa以上。同時，對陶瓷等無機材料作為復(fù)合材料的基體也有了重新的認(rèn)識，在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上有了廣泛的應(yīng)用。如果將玻璃強化樹脂看作是第一代復(fù)合材料，則CFRP、BFRP可以稱為第二代復(fù)合材料。進一步，以金屬或陶瓷為基體的先端復(fù)合材料則可以稱為第三代復(fù)合材料。當(dāng)前10頁，總共70頁。第一代第二代第三代氧化鋁纖維玻璃纖維硼纖維碳纖維芳族聚酰胺晶

須+高韌性高彈性

輕量

耐熱性工程塑料環(huán)境擴大碳化硅纖維金

屬陶

瓷石

墨泡沫材料混凝土石

膏功能復(fù)合材料延伸與韌性氮化鋁纖維石墨纖維功能化定向凝固共晶自增強塑料擴散接合表面處理CVD(化學(xué)氣相沉積)CVI(化學(xué)氣相滲透)

CIP,HIP-SiC-Al2O3Si3N4石墨聚

脂金屬纖維聚酰亞硝胺當(dāng)前11頁，總共70頁。復(fù)合材料的作用1、對信息技術(shù)提供服務(wù)；2、對提高人類生活質(zhì)量做出貢獻(xiàn)；3、解決資源短缺與能源危機；4、治理環(huán)境等；5、國防安全等。當(dāng)前12頁，總共70頁。1)對信息技術(shù)提供服務(wù)復(fù)合材料信息獲得敏感器件換能材料信息存儲磁記錄光記錄信息處理芯片封裝電路板信息傳播光導(dǎo)纖維導(dǎo)波管信息執(zhí)行機械動作高強高剛?cè)祟愐呀?jīng)進入了高度信息化的社會

信息技術(shù)的每一步發(fā)展都與材料息息相關(guān)

當(dāng)前13頁，總共70頁。2)對提高人類生活質(zhì)量做出貢獻(xiàn)復(fù)合材料衣紡織機械食蔬菜大棚住建筑材料行交通工具改善舒適性輕質(zhì)高強、隔音隔熱墻體門窗、整體潔具飛機車輛、大小船艦高速列車的車體結(jié)構(gòu)提高安全性抗沖韌性、吸收能量汽車保險杠轎車底板自診斷機敏復(fù)合材料高層建筑抗地政災(zāi)害提高健康水平修復(fù)植入人造器官成分設(shè)計、調(diào)整應(yīng)力生物相容性人工關(guān)節(jié)、夾骨板當(dāng)前14頁，總共70頁。3)在解決資源短缺與能源危機方面的貢獻(xiàn)復(fù)合材料開發(fā)新能源與節(jié)約能源挖掘尚未被利用的能源開發(fā)海洋與空間使基礎(chǔ)設(shè)施延長壽命提高太陽能的轉(zhuǎn)換率（光電池、框架）風(fēng)力發(fā)電裝置（大型化的葉片、支柱）核燃料（鈾分離轉(zhuǎn)子）；潮汐發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要性高性能纖維增強混凝土，取代鋼筋鎂（輕量、阻尼性能好，力學(xué)性能差）顆粒增強或晶須增強，擴大應(yīng)用范圍野生植物、無機礦物、電廠煙囪煤灰耐高壓、耐海水腐蝕的深?？碧窖b置（碳纖維增強樹脂裝置已潛入海下1000m）海上石油平臺、空間站、航天器等當(dāng)前15頁，總共70頁。能源領(lǐng)域輕量化是汽車節(jié)能的重要手段,采用輕質(zhì)高強材料,是實現(xiàn)汽車輕量化重要途徑。高性能復(fù)合材料的應(yīng)用使汽車“輕量化”上升到一個新水平。在火車車廂制造領(lǐng)域早已應(yīng)用復(fù)合材料,如雙層玻璃鋼車廂。隨著火車的提速,特別是實現(xiàn)高速列車后,復(fù)合材料正成為越來越重要的一類材料。風(fēng)力發(fā)電是新能源中開發(fā)較早、應(yīng)用廣、技術(shù)最成熟的可再生清潔能源。目前大型風(fēng)力發(fā)動機的葉片基本上由各種復(fù)合材料制成,同時復(fù)合材料還用在機艙罩、輪毅、塔架等部位。復(fù)合材料用于海洋能源的產(chǎn)品有冷水吸水管、發(fā)電機葉片、浮筒、閥體、擋波板、噴嘴等。這些產(chǎn)品均利用復(fù)合材料的比強度高、耐海水腐蝕、耐鹽霧侵蝕、抗海水微生物增長、耐沖擊、耐磨損等優(yōu)點。當(dāng)前16頁，總共70頁。能源領(lǐng)域地?zé)崮茉蠢靡皇遣膳?二是發(fā)電。復(fù)合材料在地?zé)崮艿膽?yīng)用主要是管道,冷卻塔,變電設(shè)備中絕緣,消聲器,隔熱、保溫設(shè)備上,這主要利用復(fù)合材料的耐熱防腐、比強度高、隔熱性好,而且容易制造、安裝、修補等優(yōu)點。儲能是合理利用能量的一種方法,它可將剩余能量儲存起來供需要時使用。復(fù)合材料飛輪是一種很好的儲能設(shè)備,這就是利用復(fù)合材料纏繞制品有很大的環(huán)向強度,同時材料密度又很小。復(fù)合材料在太陽能利用方面的應(yīng)用也是多方面,從航天器、衛(wèi)星上的太陽能帆板、太陽能電池、到太陽能采暖設(shè)備、發(fā)電設(shè)備、空調(diào)制冷設(shè)備中處處可見復(fù)合材料制品,特別是太空太陽能發(fā)電站,大部分構(gòu)件是用碳纖維復(fù)合材料制成。由于復(fù)合材料的非磁性、隔熱和特別適用于低溫等優(yōu)點,可以制成超導(dǎo)線圈支架、超低溫容器等。用復(fù)合材料制造的離心機轉(zhuǎn)筒,轉(zhuǎn)速高、效率大,是最理想的材料。當(dāng)前17頁，總共70頁。4）在治理環(huán)境中可起的作用復(fù)合材料降低污染整體近凈成形降低原材料用量節(jié)約加工能耗延長設(shè)施壽命功能膜支撐網(wǎng)格碳纖維纏繞氣瓶廢水治理廠管道利用廢棄物材料互補礦渣木屑廢塑料麥桿稻草野生植物“綠色”材料自然降解提高性能利用天然纖維透明農(nóng)膜一此性餐具降解后變?yōu)榉柿匣蝻暳袭?dāng)前18頁，總共70頁?！熬G色復(fù)合材料”完全源于生物質(zhì),并能完全生物降解的復(fù)合物被定義為“綠色復(fù)合材料”。它們可由各種天然/生物纖維和生物高聚物基體，在納米尺寸上進行調(diào)控,復(fù)合制成。這類材料的主要優(yōu)點是環(huán)境友好，完全降解，源于可持續(xù)性資源，在廢棄后不傷害環(huán)境，同時能夠容易地處置或堆肥。當(dāng)前19頁，總共70頁。航空航天電子信息建筑汽車農(nóng)業(yè)生物材料體育運動應(yīng)用舉例當(dāng)前20頁，總共70頁。1.2增強纖維和基體基本知識復(fù)合材料中用到的纖維一般為高性能纖維，它是指具有特殊的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)、性能和用途，或具有特殊功能的化學(xué)纖維，一般指強度大于17.6cN/dtex，彈性模量在440cN/dtex以上或使用溫度可在200℃以上的纖維。紡織纖維強度和彈性模量多用cN/dtex作單位，1cN/dtex=98×(密度克每立方厘米)MPa(密度克每立方厘米)×102MPa。高性能纖維常作為復(fù)合材料的增強材料，是復(fù)合材料承受載荷主要部分。常見高性能纖維種類如圖：當(dāng)前21頁，總共70頁。常見的高性能纖維高性能纖維有機纖維無機纖維金屬纖維芳香族聚酰胺纖維芳香族聚脂纖維(如Xydar?)芳香雜環(huán)類纖維(如PBO)剛性鏈對位型PPTA纖維(如Kevlar?)間位型PMIA纖維(如Nomex?)柔性鏈超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維高強聚乙烯醇(PVA)纖維高強聚丙烯腈(PAN)纖維其他碳纖維氧化鋁纖維碳化硅纖維高強度玻璃纖維其他(如玄武巖纖維)共聚型(如Technora?)當(dāng)前22頁，總共70頁。玻璃纖維（GlassFibre,GF或Gt）由含有各種金屬氧化物的硅酸鹽類，經(jīng)熔融后以極快的速度抽絲而成。由于質(zhì)地柔軟，因此可以紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。價格便宜，品種多，適于編織各種玻璃布，作為增強材料廣泛用于航空航天、建筑領(lǐng)域及日常用品。缺點是不耐磨，易折斷，易受機械損傷，長期放置強度下降。當(dāng)前23頁，總共70頁。種類：按用途 高強度纖維、低介電纖維、耐化學(xué)藥品纖維、耐電腐蝕纖維、耐堿纖維；按化學(xué)成分 堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、低堿玻璃纖維、無堿玻璃纖維；按單絲直徑可分為：粗纖維、初級纖維、中級纖維、高級纖維。當(dāng)前24頁，總共70頁。7.4.1聚合物基玻璃鋼天線反射面玻璃鋼建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢當(dāng)前25頁，總共70頁。(1)GFRP玻璃鋼應(yīng)用于體育用品當(dāng)前26頁，總共70頁。 AromaticPolymideFibre,Kevlar,KF特點：高強度、高模量和韌性好等密度較低，而比強度極高，超過玻璃纖維、碳纖維和硼纖維比模量與碳纖維相近，超過玻璃、鋼、鋁等。由于韌性好，它不象碳纖維、硼纖維那樣脆，因而便于紡織。常和碳纖維混雜，提高纖維復(fù)合材料的耐沖擊性。Kevlar纖維屬于自熄性材料。芳綸纖維當(dāng)前27頁，總共70頁。KEVLAR纖維當(dāng)前28頁，總共70頁。碳纖維（CarbonFibre,CF或Cf） 纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。生產(chǎn)碳纖維的原料主要為人造絲（粘膠纖維）、聚丙烯烴和瀝青三種，其中以聚丙烯烴最為主要。按力學(xué)性能可將碳纖維分成高強度碳纖維、高模量碳纖維和普通碳纖維。當(dāng)前29頁，總共70頁。碳纖維的結(jié)構(gòu)模型PolymerMatrixComposites，PMC普通型高強度型高彈性模量型當(dāng)前30頁，總共70頁。碳纖維片材（復(fù)合材料）用于建筑物補強加固當(dāng)前31頁，總共70頁。Pyrolysis（熱解）ofpolyacrylonitrile(聚丙烯腈，PAN)toformcarbonfibers當(dāng)前32頁，總共70頁。(2)CFRP碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料（CFRP）

CFRP在民用飛機中的應(yīng)用CFRP在空間站大型結(jié)構(gòu)以及太陽能電池支架中的應(yīng)用當(dāng)前33頁，總共70頁。碳纖維的特點：強度和模量高、密度?。痪哂泻芎玫哪退嵝?；熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值具有很好的耐高溫蠕變性能，一般在1900℃以上才呈現(xiàn)出永久塑性變形。摩擦系數(shù)小、潤滑性好、導(dǎo)電性高。碳纖維的缺點：價格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時會生成二氧化碳。當(dāng)前34頁，總共70頁。硼纖維（BoronFibre，BF或Bf）通用的制備方法是在加熱的鎢絲表面通過化學(xué)反應(yīng)沉積硼層。硼纖維的直徑有100μm、140μm、200μm幾種。硼纖維的特點硼纖維具有很高的彈性模量和強度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.4~2.65g/cm3，拉伸強度為3.2~5.2GPa，彈性模量為350~400GPa。硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。當(dāng)前35頁，總共70頁。硼纖維的缺點工藝復(fù)雜，不易大量生產(chǎn)，其價格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度，結(jié)果表明，碳心硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)，因此需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復(fù)合材料。當(dāng)前36頁，總共70頁。硼纖維增強鋁基復(fù)合材料用于航天飛機主艙體支柱當(dāng)前37頁，總共70頁。氧化鋁纖維 AluminiaFibre，AF多晶連續(xù)纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。優(yōu)點：具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性，直到370℃強度仍下降不大。缺點：在所有纖維中密度最大。用途：主要用于金屬基復(fù)合材料。當(dāng)前38頁，總共70頁。碳化硅纖維 SiliconCarbideFibre，SF目前SiC纖維的生產(chǎn)有有機合成法和CVD法兩種。

特點：高強度高模量有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性。具有半導(dǎo)體性能。與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。當(dāng)前39頁，總共70頁。α-碳化硅當(dāng)前40頁，總共70頁。高強聚乙烯醇纖維聚乙烯醇(PVA)纖維，嚴(yán)格說是聚乙烯醇縮甲醛纖維，我國商品名為維綸。由于聚乙烯醇結(jié)晶大分子鏈具有平面齒形結(jié)構(gòu)，理論強度和模量都比較高，適宜開發(fā)高性能纖維。高強度聚乙烯醇纖維成型方法主要有濕法加硼紡絲、干濕法紡絲、凝膠紡絲、相分離紡絲、交聯(lián)紡絲及PVAc醇解直接紡絲法。常用的聚乙烯醇溶劑如二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、乙二醇、丙三醇、水或混合溶劑等，凝固劑有甲醇、乙醇、丙醇、十氫化萘等[3]。高強PVA纖維結(jié)晶度高、取向度高、截面規(guī)整致密。高強聚乙烯醇纖維由于大分子極性羥基的存在具有良好親水性，作為復(fù)合材料的增強纖維與基體界面性能較好，作為增強材料在水泥、石棉板材、陶瓷建材及聚合物基復(fù)合材料等方面已有很多應(yīng)用。當(dāng)前41頁，總共70頁。玄武巖纖維玄武巖纖維是玄武巖石料在1350℃～1700℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成連續(xù)纖維。當(dāng)快速冷卻時，玄武巖纖維凝固成非晶相，而慢速冷卻時，纖維凝固成部分晶相。玄武巖纖維可分為為普通玄武巖棉、超細(xì)玄武巖纖維和連續(xù)玄武巖纖維。生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維設(shè)備主要有坩堝和池窯，與生產(chǎn)玻璃纖維設(shè)備基本相同。當(dāng)前42頁，總共70頁。玄武巖纖維玄武巖纖維拉伸強度與E玻璃纖維相當(dāng)，模量高于E玻纖，比E玻纖有更強理化性能。玄武巖纖維還具有自己獨特優(yōu)點：(1)耐高溫性能，連續(xù)玄武巖纖維使用溫度范圍在-260℃~700℃，最高使用溫度可以達(dá)到900℃。(2)電絕緣性能好，連續(xù)玄武巖纖維體積電阻率比E玻纖高出一個數(shù)量級。(3)巖石融化過程中無有害氣體產(chǎn)生，纖維在土壤中能自動降解，綠色環(huán)保。(4)連續(xù)玄武巖纖維與樹脂粘合強度高，比玻璃纖維、碳纖維有更強親和力。連續(xù)玄武巖纖維優(yōu)良特性使其作為復(fù)合材料增強體應(yīng)用更加廣泛。當(dāng)前43頁，總共70頁。高強聚乙烯纖維超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維是一種由柔性高分子制成的高強高模纖維。它由二三百萬超高相對分子質(zhì)量的聚乙烯溶液凝膠狀紡絲，經(jīng)高倍拉伸而成。UHMWPE纖維玻璃化轉(zhuǎn)化溫度較低，韌性好，塑性變形過程能吸收能量，纖維受沖擊時應(yīng)變波傳遞速度高。它制成復(fù)合材料的抗沖擊性能比碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維復(fù)合材料都高。UHMWPE纖維密度僅為0.97g?cm-3，因此纖維具有較高的比強度和比模量。另外相對與其他纖維，UHMWPE纖維耐光性最好。當(dāng)前44頁，總共70頁。各種主要纖維材料基本性能纖維密度/g?cm-3直徑(微米)強度/GPa(cN?dtex-1)初始模量/GPa(cN?dtex-1)斷裂伸長率/%E玻璃纖維2.555~253.4(13.3)72.4(283.9)4.7S玻璃纖維2.505~254.5(18)86.9(347.6)5.2高強PVA纖維1.3010~201.3-2.3(10~18)50.7-57.2(390~440)4.5~6.0玄武巖纖維2.65~3.057~133~3.5(11.3~11.5)79.3~93.1(29.9~30.5)3.2Kevlar?291.43122.9(20.3)70.0(489.5)3.6Kevlar?491.45122.9(20.0)135.0(931.0)2.8Kevlar?1291.45123.4(23.4)99.0(682.8)3.3Kevlar?1491.47122.3(15.6)143.0(972.8)1.5Nomex?1.4610~200.7(4.8)11.0(75.0)35高強碳纖維1.7873.4(19.1)240.0(1340.0)1.4高模碳纖維1.8352.3(12.3)470.0(2560.0)0.8PBO纖維1.5410~155.8(37.7)280.0(1818.2)3.5UHMWPE纖維0.9720~303.5(36.1)156.0(1608.2)2.5硼纖維2.671013.4(12.7)400.0(1498.1)0.9當(dāng)前45頁，總共70頁。0123401234聚丙烯纖維聚酰胺纖維聚酯纖維鋼絲陶瓷纖維硼纖維碳纖維芳族聚酰胺纖維HPPE纖維基于體積的強度/GPa基于質(zhì)量的強度/(N/tex)當(dāng)前46頁，總共70頁。錦綸碳纖維HPPE芳族聚酰胺纖維玻璃纖維鋼絲PES伸長/%比應(yīng)力/(N/tex)當(dāng)前47頁，總共70頁。復(fù)合材料的基體材料

復(fù)合材料的原材料：基體材料金屬材料陶瓷材料聚合物材料當(dāng)前48頁，總共70頁。金屬基體材料目前用作金屬基復(fù)合材料的金屬有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物等?；w材料成分的選擇對能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強物性能特點，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能，滿足使用要求十分重要。

當(dāng)前49頁，總共70頁。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體分為輕金屬基體和耐熱合金基體①用于450℃以下的輕金屬基體目前最廣泛、最成熟的是鋁基和鎂基復(fù)合材料，用于航天飛機、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動機零件、剎車盤等②用于450~700℃的復(fù)合材料的金屬基體鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強度高等特點，可在450～700℃使用，用于航空發(fā)動機等零件。

③用于1000℃以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體基體主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物。較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基復(fù)合材料尚處于研究階段。

當(dāng)前50頁，總共70頁。功能用金屬基復(fù)合材料的基體要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能，如同時具有高力學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要靠優(yōu)化設(shè)計和先進制造技術(shù)將金屬與增強物做成復(fù)合材料來滿足需求。主要的金屬基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。當(dāng)前51頁，總共70頁。陶瓷基體在陶瓷基體中添加其他成分（如陶瓷粒子、纖維或晶須）可提高陶瓷的韌性。粒子增強雖能使陶瓷的韌性有所提高，但效果并不顯著。高強度的碳化硅晶須容易摻混在陶瓷基體中，增強陶瓷的作用明顯。用作基體材料的陶瓷一般應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性質(zhì)、與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。當(dāng)前52頁，總共70頁。陶瓷基復(fù)合材料（CMC）當(dāng)前53頁，總共70頁。CMC的應(yīng)用當(dāng)前54頁，總共70頁。C/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用C/C作為剎車盤碳/碳復(fù)合材料（C/C）

當(dāng)前55頁，總共70頁。聚合物基體

聚合物基體的種類不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物等。

不飽和聚酯樹脂是制造玻璃纖維復(fù)合材料的一種重要樹脂。在國外，聚酯樹脂占玻璃纖維復(fù)合材料用樹脂總量的80%以上。當(dāng)前56頁，總共70頁。聚酯樹脂特點：工藝性良好，室溫下固化，常壓下成型，工藝裝置簡單。樹脂固化后綜合性能良好，力學(xué)性能不如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂。價格比環(huán)氧樹脂低得多，只比酚醛樹脂略貴一些。不飽和聚酯樹脂的缺點是固化時體積收縮率大、耐熱性差等。主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中當(dāng)前57頁，總共70頁。

鄰苯型不飽和聚酯：間苯型不飽和聚酯：雙酚Ａ型不飽和聚酯：當(dāng)前58頁，總共70頁。環(huán)氧樹脂特點：在加熱條件下即能固化，無須添加固化劑。酸、堿對固化反應(yīng)起促進作用；已固化的樹脂有良好的壓縮性能，良好的耐水、耐化學(xué)介質(zhì)和耐燒蝕性能；樹脂固化過程中有小分子析出，故需在高壓下進行；固化時體積收縮率大，樹脂對纖維的粘附性不夠好，但斷裂延伸率低，脆性大。當(dāng)前59頁，總共70頁。

雙酚Ａ型環(huán)氧樹脂：酚醛環(huán)氧樹脂：當(dāng)前60頁，總共70頁。酚醛樹脂優(yōu)點：比環(huán)氧樹脂價格便宜缺點：吸附性不好、收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高等。大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強塑料，少量用于玻璃纖維復(fù)合材料、耐燒蝕材料等，很少使用在碳纖維和有機纖維復(fù)合材料中。當(dāng)前61頁，總共70頁。聚合物基體的作用把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保