復(fù)合材料基礎(chǔ)

緒論和基本概念復(fù)合材料:由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合成一種新的固體材料先進(jìn)復(fù)合材料:專指可用于主承力結(jié)構(gòu)或次承力結(jié)構(gòu)、其剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)于或超過(guò)鋁合金的復(fù)合材料。特點(diǎn)：1）高的比強(qiáng)度和比模量；2）各向異性和可設(shè)計(jì)性；

3）良好的抗疲勞特性；4）減振性良好；

5）賦予新功能——功能材料；6）易于大面積整體成形材料性能比較材料密度g/cm3拉伸強(qiáng)度MPa拉伸模量GPa鋼7.81100210鋁2.850075鈦4.51500120AFRP1.31800100CFRP1.52400260～360PFRP1.43200180AFRP—AramidFiberReinforcedPlastic(芳綸復(fù)合材料)CFRP—CarbonFiberReinforcedPlastic(碳纖維復(fù)合材料)PFRP—PBOFiberReinforcedPlastic(聚苯并噁唑纖維復(fù)合材料)1.2先進(jìn)復(fù)合材料的分類按照用途可以分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料

結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要用作承力和次承力結(jié)構(gòu)，要求它質(zhì)量輕、強(qiáng)度和剛度高。且能耐受一定溫度，在某種情況下還要求有膨脹系數(shù)小、絕熱性能好和耐介質(zhì)腐蝕等其他性能 功能復(fù)合材料是指除力學(xué)性能以外還提供其他物理性能的復(fù)合材料，是由功能體和基體組成。主要包括具有電、磁、光、熱、聲、機(jī)械（阻尼、摩擦）等功能按照基體不同可分為：聚合物基復(fù)合材料（熱固性樹(shù)脂基、熱塑性樹(shù)脂基）、金屬基復(fù)合材料（輕金屬基、高熔點(diǎn)金屬基、金屬間化合物基）、陶瓷基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料按照增強(qiáng)體形式不同分為：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、片材增強(qiáng)復(fù)合材料和層疊式復(fù)合材料1.2先進(jìn)復(fù)合材料的分類樹(shù)脂基復(fù)合材料＜500℃（老化）

金屬基復(fù)合材料＜1250℃

（界面）陶瓷基復(fù)合材料＜

1650℃

（脆性）碳/碳復(fù)合材料＞3000℃（氧化）

基體（樹(shù)脂）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料傳遞載荷粘結(jié)保護(hù)纖維界面增強(qiáng)體（纖維）承力——復(fù)合材料組成與作用復(fù)合材料的性能特點(diǎn)？民機(jī)發(fā)展目標(biāo)安全性抗疲勞可設(shè)計(jì)耐腐蝕高比強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性舒適性環(huán)保性先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料輕量化高可靠長(zhǎng)壽命高效能吸能強(qiáng)高阻尼性能優(yōu)越性復(fù)合材料既是一種材料，又是一種結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)非均勻性各向異性結(jié)構(gòu)多重性可設(shè)計(jì)抗疲勞耐腐蝕大面積整體成型易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化設(shè)計(jì)先導(dǎo)制造關(guān)鍵材料基礎(chǔ)自動(dòng)化制造低成本工藝新材料與新結(jié)構(gòu)整體化成型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法提高結(jié)構(gòu)效率與降低成本高效取證分析評(píng)價(jià)保障無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)設(shè)計(jì)/制造一體化數(shù)字化制造三.先進(jìn)復(fù)合材料研發(fā)動(dòng)態(tài)第二章新型增強(qiáng)材料引言——力學(xué)作用樹(shù)脂復(fù)合材料+界面纖維?纖維與樹(shù)脂的宏觀力學(xué)匹配，即纖維的強(qiáng)度、模量、延伸率與樹(shù)脂的強(qiáng)度、模量、韌性等性能關(guān)系影響復(fù)合材料力學(xué)性能，包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切等。??引言——物理/化學(xué)作用增強(qiáng)材料與基體的物理/化學(xué)相容性主要反映在界面作用及影響。1)物理相容性：浸潤(rùn)性、熱膨脹系數(shù)匹配、界面區(qū)擴(kuò)散、滲透特性等；2)化學(xué)相容性：極性、界面區(qū)鍵合反應(yīng)等；3)纖維與樹(shù)脂的細(xì)觀力學(xué)匹配：界面粘結(jié)、界面相模量及其梯度等。增強(qiáng)體形式纖維、織物（單向、2D、3D）、片狀、顆粒、晶須對(duì)位芳酰胺聚芳酯聚苯并噁唑聚乙烯聚乙烯醇剛性分子鏈柔性分子鏈新型增強(qiáng)纖維有機(jī)纖維氧化鋁纖維玻璃纖維無(wú)機(jī)纖維碳纖維碳化硅纖維引言——纖維主要品種——典型纖維品種及性能性能指標(biāo)高分子系碳纖維無(wú)機(jī)系芳綸聚乙烯聚苯并噁唑芳酯聚芳酯PAN基碳纖維碳化硅纖維玻璃纖維Kevlar-49Kevlar-129標(biāo)準(zhǔn)T300高強(qiáng)高模高強(qiáng)中模密度(g/cm3)1.451.440.961.561.411.761.911.812.742.54強(qiáng)度(GPa)2.803.403.435.803.273.533.825.492.802.43模量(GPa)10996.698.028074.523058829427072.5伸長(zhǎng)率(%)2.53.34.02.53.91.50.71.91.43.3比強(qiáng)度(10cm)19.32436.537.224.020.020.030.310.012比模量(10cm)7.76.810.418.05.413.031.016.29.62.9引言1.碳纖維(CF-Carbonfiber)分類制造結(jié)構(gòu)性能與發(fā)展應(yīng)用需求1.碳纖維——分類PAN基CF（90%以上）、瀝青基CF、粘膠基CF酚醛基、聚乙烯醇基、聚酰亞胺基（實(shí)驗(yàn)室研制）1k~24k稱為小絲束CF（宇航級(jí)）48k~480k以上為大絲束CF（民用級(jí)）高性能CF（先進(jìn)復(fù)合材料）、通用級(jí)CF（隔熱、密封、制動(dòng)等）、活性CF（吸附）、氣相生長(zhǎng)CF（導(dǎo)電、電極）、納米CF（儲(chǔ)能、功能）碳纖維：C含量>95%，不完全石墨結(jié)晶沿纖維軸向排列的多晶無(wú)機(jī)非金屬纖維材料按原絲種類按絲束大小按性能和功能1.碳纖維——制造碳化原絲預(yù)氧化石墨化表面處理和上漿以PAN為例1.碳纖維——制造碳化原絲預(yù)氧化石墨化200～300℃空氣，分段控溫，張力取向12000～1600℃惰氣氛（N2)，700℃結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化敏感溫度純度高，堿、堿土金屬、鐵總含量在80×10－6以下均一單纖、纖維間各項(xiàng)性能指標(biāo)CV值小，線性結(jié)構(gòu)提高含C量99～100%，石墨微晶網(wǎng)平面（La）增大，層間距減小，擇優(yōu)取向度提高→模量顯著增加，形成石墨結(jié)構(gòu)形成梯形結(jié)構(gòu)（氧做橋梁）:結(jié)合氧8%~10%（氧橋型、羰基型、羥基型、配位型)→碳化CO、CO2、H2O逸出；芳構(gòu)化梯形結(jié)構(gòu)熱解、熱縮聚，非碳元素（N、O、H）逸出，C量>95%，碳富集逐步轉(zhuǎn)化成亂層石墨結(jié)構(gòu)表面處理和上漿2500～3000℃惰氣氛（Ar)

層片微晶原纖單絲

(200?)(25個(gè)層片）(500?)(5-10)

層間C-C：3.5?層內(nèi)C-C：1.42?m1.碳纖維——結(jié)構(gòu)結(jié)晶條帶原纖1.碳纖維——結(jié)構(gòu)各平行層堆積不規(guī)則，層與層碳原子之間沒(méi)有固定的空間位置關(guān)系，缺乏三維有序性，呈亂層石墨結(jié)構(gòu)高模量碳纖維的石墨微晶尺寸↑、取向度↓，三維有序性↑瀝青屬于軟碳，易石墨化轉(zhuǎn)變?yōu)槿S有序結(jié)構(gòu)；PAN和粘膠屬于硬碳，較難石墨化而以二維亂層石墨結(jié)構(gòu)為主亂層石墨結(jié)構(gòu)表面活性基團(tuán)很少，呈憎液性，與基體樹(shù)脂樹(shù)脂潤(rùn)濕性很差，復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度ILSS低（50～70MPa）

，達(dá)不到設(shè)計(jì)、實(shí)用要求，處理后達(dá)90MPa以上（性能轉(zhuǎn)化效率提高）。表面處理目的：改善CF表面極性，提高兩相界面潤(rùn)濕性處理方法：液相氧化（硝酸、陽(yáng)極）；氣相氧化（臭氧、空氣、氧等離子）；涂層、沉積、接枝、氣液雙效（先涂層后氧化）等表面處理上漿劑多是環(huán)氧樹(shù)脂，分油溶性、水溶性兩種上漿量：0.4~0.8%，高于1%是CF僵硬，過(guò)少易產(chǎn)生毛絲上漿1.碳纖維——制造應(yīng)力-應(yīng)變(線性,無(wú)屈服)高強(qiáng),高模各向異性

max1.4%（0.8～2.0）；E↑，max↓物理低膨脹率(負(fù)或零)-0.07～0.009×10-6/℃低頻導(dǎo)電(50Hz),高頻屏蔽(電磁波2-18GHz)自潤(rùn)滑性,耐磨性化學(xué)空氣中>400℃易氧化，惰性氣體>2000℃不氧化耐酸堿性強(qiáng)抗輻射表面活性低（界面性能表面處理）力學(xué)

CFMetal1.碳纖維——性能比重?。?.7~2.1）模量高（200～700GPa）強(qiáng)度高（3～7GPa）熱膨脹系數(shù)小（0左右），尺寸穩(wěn)定性好具有電磁屏蔽功能熱導(dǎo)率高惰性氣氛中耐熱性優(yōu)異耐疲勞（震動(dòng)衰減性），使用壽命長(zhǎng)自潤(rùn)滑，耐磨損X—射線透過(guò)性好生物相容性好1.碳纖維——性能FiberTypeTensileStrength

(MPa)TensileModulus

(Gpa)Elongation

(%)Diameter(μm)Density(g/cm3)T30035302301.581.76T400HB44102501.871.8T700SC49002302.171.8T800HB54902941.95.11.81T1000GB63702942.25.31.8T100070602942.45.11.82M4027403920.66.51.81M5024504900.561.91M35JB45103431.3101.75M55JB40205400.881.91M60JB38205880.781.93東麗CF性能高性能CF的斷裂伸長(zhǎng)率有極大提高，脆性得到一定改善。例如T1000（2.4%）比T300（1.5%）提高60%左右；CF拉伸強(qiáng)度、彈性模量、纖度等性能分散性（批內(nèi)和批間CV值）減小。1.碳纖維——性能的發(fā)展1.碳纖維——性能的發(fā)展碳纖維直徑↓，拉伸強(qiáng)度↑。T800直徑（5.3μm）比T300（7μm

）細(xì)24%，拉伸強(qiáng)度提高了44%；脆性材料，拉伸強(qiáng)度是各類缺陷及分布的函數(shù)，拉伸強(qiáng)度隨試樣標(biāo)距(長(zhǎng)度)增加而下降（尺寸效應(yīng)），但標(biāo)距變化不影響纖維模量。拉伸強(qiáng)度試樣標(biāo)距S玻璃T300Kevlar49理論值模量/GPa1020強(qiáng)度/GPa180實(shí)測(cè)值模量瀝青基CF800GPaPAN基CF500GPa強(qiáng)度石墨晶須20GPaCF3～7GPaCF拉伸強(qiáng)度與理論值（180GPa）相差甚遠(yuǎn)，仍有很大提高潛力；1.碳纖維——性能的發(fā)展2.玻璃纖維（GF）GF與其它纖維相比，其價(jià)格便宜，品種多，適合編織制成各種玻璃織物如玻璃纖維布，因而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，尤其是民用領(lǐng)域，如建筑材料、交通工具、體育用品等玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中。2.玻璃纖維（GF)應(yīng)用最早和最為廣泛的無(wú)機(jī)纖維于19世紀(jì)末美國(guó)康寧公司研發(fā)成功，20世紀(jì)40年代出現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）得到大量使用。2.1GF的組成與結(jié)構(gòu)組成以SiO2為主,含有堿金屬氧化物(Al2O3,CaO,MgO,B2O3等)結(jié)構(gòu)無(wú)定型離子結(jié)構(gòu)，是一種過(guò)冷液體，無(wú)固定熔點(diǎn)。普通(A-GF)耐化學(xué)藥品(C-GF)耐堿(AR-GF)電工用(E-GF)高強(qiáng)型(S-GF)高模型(M-GF)耐高溫GF低介電(D-GF)堿金屬氧化物含量小于1%，應(yīng)用普遍（占用量90%）堿金屬氧化物含量小于0.3%，強(qiáng)度比E-GF高33%，模量高20%，高溫保持率高堿金屬氧化物含量接近0，模量比E-GF高60%，強(qiáng)度與E-GF相當(dāng)寬頻高透波，適用于雷達(dá)罩的增強(qiáng)材料石英GF(99.5%SiO2)和高硅氧GF(91~99%SiO2)，1000℃耐燒蝕2.2GF的分類（按使用特性）

應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性

bt

E

max3.3%

應(yīng)變率敏感

絕緣(50Hz),透波(高頻1010Hz)

正溫度效應(yīng)(線膨脹系數(shù)4.8×10-6/℃）

密度2.54g/cm3力學(xué)性能物理性能2.3GF的性能GF直徑為5～9μm，密度2.4～2.8g/cm3之間，抗拉強(qiáng)度3～4.6GPa之間（為高強(qiáng)度鋼的2～3倍），彈性模量70～110GPa（與鋁和鈦合金模量相當(dāng)）應(yīng)變％拉伸應(yīng)力3．81．00．355.9環(huán)氧樹(shù)脂E玻璃纖維高強(qiáng)CF高模CF玄武巖纖維玄武巖是由火山噴發(fā)巖漿冷卻形成，一般為黑色、黑棕色巖石玄武巖礦石呈六方柱狀節(jié)理發(fā)育，易于開(kāi)采我國(guó)的黑龍江、四川、山西、山東、遼寧、河北、云南、浙江、湖北、海南島、臺(tái)灣等省份玄武巖礦石儲(chǔ)量都很豐富火山作用礦石結(jié)構(gòu)玄武巖纖維概述玄武巖纖維概述玄武巖礦石粉碎熔融拉絲纖維收卷短纖維帶纖維類型密度/g·㎝-3

抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa伸長(zhǎng)率/%玄武巖纖維2.6～2.83000～484080～953.1E-玻纖2.543100～380070～754.7S-玻纖2.54～2.574020～465083～865.3碳纖維1.783500～6000230～6000.7～2.0芳綸1.452900～340070～1402.8～3.6玄武巖纖維與其他纖維性能對(duì)比

玄武巖纖維性能3.芳綸(AF-Aramidfiber)

有機(jī)纖維，以Kevlar(KF)為主3.芳綸(AF)(1)組成

聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(液晶紡絲)(2)結(jié)構(gòu)

沿軸向排布規(guī)則的褶疊片晶體結(jié)構(gòu)疊層結(jié)構(gòu)模型低溫溶液縮聚、界面縮聚、乳液縮聚，不能本體熔融縮聚（熔融溫度高于分解溫度）提高分子量的因素（純度、比例、副反應(yīng)、溶解度）力學(xué)性能拉伸:

t-呈線性關(guān)系壓縮:

c-非線性，有屈服各向異性（橫向強(qiáng)度低）

ntE=122GPa

max——2.4%物理性能負(fù)的溫度效應(yīng)-2×10-6/℃耐火焰,不熔

T=427℃不熔，但碳化分解耐水性較差（易吸濕）高頻介電性（106Hz

）優(yōu)

t

c3.芳綸(AF)3.芳綸(AF)芳綸纖維的密度僅為1.44g/cm3，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)3.4GPa，模量為59～190GPa。柔韌性好，抗沖擊（防彈），與其它有機(jī)纖維比（聚乙烯、尼龍、聚酯）耐熱性較高，Kevlar49纖維長(zhǎng)期在150℃下抗拉強(qiáng)度不下降，427℃下不分解，耐酸堿?？箟簭?qiáng)度低，制成的聚合物基復(fù)合材料層間抗剪強(qiáng)度較低，一般與其他纖維混雜使用，多用于纏繞成型的各種殼體4.超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)

UltraHighMolecularWeightPolyEthylene(1)UHMWPE原料結(jié)構(gòu)與性能UHMWPE是乙烯在Ziglar-Natta催化劑作用下，低壓聚合得到平均分子量300萬(wàn)左右（普通PE纖維的10～60倍）大分子間作用力——色散力為主內(nèi)聚能密度為259J/cm3，結(jié)構(gòu)規(guī)整易結(jié)晶（高密度PE），晶體理論強(qiáng)度值δc為31GPa，Ec為316GPa晶格中分子鏈——平面鋸齒型，分布較窄，支鏈短而少，ρ為0.96～0.98g/cm3配位聚合，立構(gòu)規(guī)整聚合物（2）UHMWPE的制備以>106的粉末狀UHMWPE為原料，采用稀溶液凝膠紡絲、超倍熱拉伸法（100倍以上）UHMWPE溶劑、抗氧劑與助劑UHMWPE稀溶液初生態(tài)凝膠纖維干凝膠纖維UHMWPE纖維工藝流程

高壓固態(tài)擠出法高剪切應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶取向得到纖維

溶液流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶法靠壓力梯度和邊界流使溶液流動(dòng)，在種晶末端和周?chē)a(chǎn)生結(jié)晶（2）UHMWPE的制備原料選擇

原料性能要求：大，分布窄，顆粒度＜200μm，分布均一，堆砌密度0.35～0.45g/cm3均質(zhì)凝膠溶液

UHMWPE難溶解，常規(guī)情況下，150℃長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)攪拌將導(dǎo)致下降，η增加脫泡難（？？）。

關(guān)鍵：選擇溶劑（溶解度參數(shù)）和

凝膠原絲溶液濃度5％～20％，UHMWPE從初生態(tài)聚合物原料的折疊鏈堆砌和分子鏈間、分子內(nèi)部纏結(jié)到解纏結(jié)，大分子伸展初生態(tài)凝膠原絲

凝膠原絲溶液在紡絲溫度下，經(jīng)噴頭擠壓進(jìn)入低溫氣體后直接進(jìn)入水浴冷卻成形——原絲超倍熱拉伸

初生態(tài)凝膠原絲干凝膠

絲條強(qiáng)度較低，拉伸倍數(shù)＞20倍

使PE結(jié)晶結(jié)構(gòu)折疊鏈結(jié)構(gòu)伸直鏈結(jié)構(gòu) 影響拉伸倍數(shù)的因素：（1）聚合物初始濃度：過(guò)低（＜0.1％），不能形成凝膠； 過(guò)高，則分子纏結(jié)明顯，不利于拉伸

（2）增大，則拉伸倍數(shù)增加（3）分布窄，則拉伸倍數(shù)增加

（4）拉伸溫度高，有利于增加拉伸倍數(shù) 拉伸的三個(gè)階段：（1）初期階段

90～130℃，拉伸倍數(shù)＜15倍結(jié)構(gòu)變化：發(fā)生肩頸拉伸,片晶折疊鏈結(jié)構(gòu)變?yōu)槔w維結(jié)構(gòu)（2）中期階段

143～145℃，纖維變形性能增大，拉伸倍數(shù)提高（3）后期階段

>143℃,聚集微纖維分裂，分子重排成伸直鏈(3)UHMWPE的性能特點(diǎn)U-PE芳綸聚酯CFPA6沖擊強(qiáng)度σ/ρU-PECF比強(qiáng)度-比模量E/ρ芳綸BFPAE-GF不銹鋼常溫拉伸倍數(shù)與E關(guān)系50100150500200Eλ應(yīng)力-應(yīng)變

芳綸U-PE聚酯PAσ目前比強(qiáng)度最高的有機(jī)纖維極限使用溫度：100-130℃

LOI：16.5蠕變較大高強(qiáng)纖維中耐疲勞性、耐磨性最高，耐沖擊性優(yōu)良表面能低，不易與基體粘結(jié)5.PBO纖維

聚對(duì)亞苯基苯并雙噁唑(Polybenzoxazole-Fiber)5.PBO纖維

PBO纖維是聚對(duì)亞苯基苯并雙噁唑纖維，商品名叫Zylon

由二氨基間苯二酚與對(duì)苯二甲酸和五氧化磷（脫水劑）在多聚磷酸溶劑中縮聚，制得光學(xué)各向異性的液晶溶液，先經(jīng)干噴濕紡制成高強(qiáng)初紡絲（AS),或再在600℃氮?dú)庵袩崽幚淼玫礁吣Ａ浚℉M）PBO纖維二氨基間苯二酚對(duì)苯二甲酸PBO合成路線+HOHNH2NHO2HClCOOHHOOC2PBOOOnNN縮聚PBO纖維與其它高性能纖維性能對(duì)比拉伸強(qiáng)度MPa拉伸模量GPa伸長(zhǎng)率%密度g/cm3吸濕率%LOI%耐熱性℃PBO-AS58001803.51.542.068650對(duì)位芳綸28001092.41.454.529550間位芳綸65017221.384.529400鋼纖維28002001.47.80----碳纖維35002301.51.76------玻璃纖維2800753.32.54------聚酯110015251.380.417260Dyneema33001203.50.97016.5150PBO的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變（％）00123456123456PBO-ASPBO-HMCopoly-AramidAramidAramid（HM)CarbonDyneema應(yīng)力（GPa)6.硼纖維

（BF-BoronFiber）6.硼纖維（BF-BoronFiber)最早是1959年美國(guó)AVCO公司開(kāi)發(fā)的硼纖維，其采用直徑為12微米左右的鎢絲加熱，通入三氯化硼和氫氣作為反應(yīng)氣體，在1000～1300℃溫度下在鎢絲上沉積50～60微米厚的硼層，因此硼纖維直徑為100～140微米，中心含有鎢絲芯。由于有鎢芯，硼纖維的密度為2.4～2.6g/cm3，與玻璃纖維相當(dāng)。其拉伸強(qiáng)度為3.4～5.2GPa，而模量則達(dá)400GPa，為玻璃纖維的4～6倍硼纖維耐高溫氧化性差，在與某些金屬（如鈦及鈦合金）復(fù)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生界面反應(yīng)，影響復(fù)合材料的性能。為了提高硼纖維的性能，一般在纖維的表面要沉積一層3～7微米的陶瓷層，如碳化硅或碳化硼。采用CVD法制備的硼纖維價(jià)格昂貴，應(yīng)用范圍有限，一般只用于航空航天領(lǐng)域的聚合物基和金屬基復(fù)合材料。6.硼纖維（BF)(1)組成與制造

a)組成

BF—在底絲（鎢絲或鋁絲）上均勻沉積一層硼構(gòu)成的纖維

b)制備方法（兩種）

——先用硼砂（硼的氧化物）制得三氯化硼(BCl3)氣體，再用氫氣混合加熱（1160℃），氫還原BCl3得到純硼，擴(kuò)散到鎢絲上，獲得以鎢絲為底絲的BF纖維。鹵化法

——用有機(jī)硼（三乙基硼B(yǎng)(C2H5)3或硼烷化合物

B2H6或B5H15）在高溫下分解，沉積到底絲上， 制得BF

底絲——鋁絲、鎢絲、碳絲

Al——沉積過(guò)程溫度<600℃（熔點(diǎn)）(2)BF特性

拉伸δ-ε脆性斷裂（同CF、GF、KF）

模量高400GPa（比CF、GF、KF均高）

強(qiáng)度較高3500MPa

ρ＝2.2（碳芯）ρ＝2.5（鎢芯）有機(jī)金屬法強(qiáng)度高成本高7.含硅化合物系列纖維硫化硅纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維及晶須等（1）碳化硅纖維(SiCF)CH3SiCH3ClClSiCH3CH3CH3H3CCH3CH3CH3CH3CH3CH3SiSin有機(jī)硅烷法（類似PANCF制備）有機(jī)硅烷正硅烷聚有機(jī)硅烷催化劑光輻射溶解抽絲預(yù)氧化碳化200℃1300℃真空SiC由聚硅烷紡絲制成纖維，經(jīng)后處理獲得組成

超微SiC粒子的一種多晶纖維制造方法（兩種）

——SiC沉積到底絲上得到SiCF

SiCF特性

性能通用級(jí)HVR級(jí)NL-400HVR級(jí)NL-500碳涂層NL-607長(zhǎng)絲直徑（微米）絲束數(shù)（根/束)纖度(g/1000m)拉伸強(qiáng)度(GPa)拉伸模量(MPa)伸長(zhǎng)率(%)密度(kg/cm3)電阻率(?cm)熱膨脹系數(shù)(10-6/K)比熱(J/(kg?K))介電常數(shù)14/12250/500105/21030002201.42550103~1043.11140914250/500110/22028001801.62300106~107----6.51450021030002201.425000.5~5.0----20~301450021030002201.425500.83.1114012Nicalon

SiC纖維的品種和主要性能氣相沉積法（CVD法，類似BF制備)晶須是一種直徑為零點(diǎn)幾至幾個(gè)微米的針狀單晶體纖維材料。在單晶體中的原子排列非常整齊，幾乎沒(méi)有多晶材料中存在的各種缺陷，如雜質(zhì)、空穴和位錯(cuò)等，因此從強(qiáng)度而言，晶須的強(qiáng)度接近理論極限。如果晶須能夠象上述的纖維那樣可以非常長(zhǎng)，則是最理想的增強(qiáng)纖維。遺憾的是，至今也無(wú)法使晶須生長(zhǎng)成為長(zhǎng)纖維，其長(zhǎng)度一般為幾十微米至幾毫米。因此盡管強(qiáng)度非常高，但晶須也無(wú)法單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料使用，一般作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。（2）晶須（Whisker）與纖維增強(qiáng)材料相似，無(wú)機(jī)非金屬晶須的密度低，其性能比金屬晶須更優(yōu)越，比強(qiáng)度和比模量是金屬晶須的幾倍甚至十幾倍。進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)并在復(fù)合材料中得到應(yīng)用的主要是陶瓷晶須，碳化硅晶須、氧化鋁晶須、氮化硅晶須等，特別是碳化硅晶須。（2）晶須金屬晶須：鐵、鎳、鉻、銅、鈦、銀等；氧化物晶須：氧化鋁、氧化鈦、氧化鉻、氧化鈹、氧化釔、莫萊石等；碳化物晶須：碳化硅、碳化鈦、碳化硼和碳化鋯等；氮化物晶須：氮化硼、氮化硅、氮化鈦和氮化鋁等；硼化物晶須：硼化鈦、硼化鋯、硼化鉻等；無(wú)機(jī)鹽類晶須：鈦酸鋁、鈦酸鉀、硼酸鋁和硫酸鈣等。（2）SiC晶須制備方法

SiO2(或稻殼)和碳粉坩堝中處理(1450～1600℃氮?dú)?SiC晶須

反應(yīng)式

SiO2+3CSiC+2CO

主要性能催化劑Fe,Co,Ni日本東海タヲ木中國(guó)礦業(yè)大學(xué)上海硅研所直徑(微米)長(zhǎng)度(μm)密度(kg/cm3)直晶率拉伸模量(GPa)拉伸強(qiáng)度(MPa)雜質(zhì)含量(%)生產(chǎn)能力(噸/月)0.1～1.050～2003.19－300～1400400～700<150.1～1.050～2003.17－2100490<110.5～1.2720－91－－<10.50.2～2.0720－－－－<0.40.2SiC晶須的主要特性（3）氮化硅纖維組成

Si-C－N纖維Si3N4纖維有機(jī)氮硅（六甲基二硅氮烷）N2中反應(yīng)無(wú)色透明聚硅氮烷燒成Si3N4纖維二甲基二氯硅烷與甲基二氯硅烷混合氨解聚氮硅烷熔紡不熔化聚氮硅烷燒成1200℃)Si－C－N廠家纖維名密度(g/cm3)直徑（μm）拉伸強(qiáng)度（MPa)拉伸模量（GPa)備注日本東燃Dow-corningCoRhone-Poulene國(guó)防科技大學(xué)Si3N4纖維HPZFDBE-RAMICSi-C-N纖維2.52.322.482.40_108~1510~1215152.51.75~1.852.061.81.5~1.8250140~175165~220220140~165開(kāi)發(fā)中試銷中開(kāi)發(fā)中試銷中研究中氮化硅纖維的品牌和特征性能（3）氮化硅纖維第三章基體材料張佐光李敏

概述含義:分類復(fù)合材料中用于粘結(jié)增強(qiáng)材料的粘結(jié)劑金屬基體（鋁、銅等）非金屬基體（陶瓷、碳基體）聚合物基體（熱塑性、熱固性基體）力學(xué)上物理上化學(xué)上粘結(jié)纖維、保護(hù)纖維、傳遞應(yīng)力耐熱性、電性能（極性基團(tuán)）等耐溶劑性、耐水性、老化性能基體的作用概述剪切破壞形貌樹(shù)脂基體承剪FF樹(shù)脂與纖維粘結(jié)強(qiáng)度樹(shù)脂基體內(nèi)聚強(qiáng)度基體的作用概述復(fù)合材料電性能耐熱性能耐濕性能阻燃性能耐化學(xué)性能tgδ,εTg

,TdM∞,DxOI,D4抗燒蝕性能減振性能樹(shù)脂基體作用概述基體的作用一般來(lái)說(shuō)，基體材料是多組分材料，了解多組分的作用，對(duì)于開(kāi)發(fā)新基體材料及合理使用基體材料及分析成型過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和產(chǎn)品質(zhì)量都是及其重要的?；w材料通常有以下組分（就熱固性聚合物基體或樹(shù)脂基體而言）

1.粘料：主要是合成樹(shù)脂，如環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂等。

2.固化劑（含催化劑、引發(fā)劑）：促進(jìn)或調(diào)節(jié)固化反應(yīng)物質(zhì)

作用：使樹(shù)脂由低分子物轉(zhuǎn)化為體型交聯(lián)結(jié)構(gòu)，樹(shù)脂基體固化才能獲得強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性和良好介電性

催化劑：在較低溫度下促進(jìn)固化反應(yīng)，加快固化反應(yīng)速度

作用：降低固化溫度，提高反應(yīng)活性

說(shuō)明：樹(shù)脂體系不同，固化劑、促進(jìn)劑等也不同樹(shù)脂體系中一般不同時(shí)存在兩種配合劑

(固化劑的種類及用量將在介紹具體基體時(shí)講)

基體材料的組成及其作用

3.稀釋劑：能夠降低樹(shù)脂粘度的物質(zhì)

作用：降低樹(shù)脂粘度，利于施工稀釋劑有兩大類型活性稀釋劑：能與樹(shù)脂反應(yīng)，成型過(guò)程不揮發(fā)（10－20％）非活性稀釋劑：不能與樹(shù)脂反應(yīng)，成型過(guò)程揮發(fā)，應(yīng)盡量揮發(fā)掉（大于30－80％）4.增韌劑：為了降低樹(shù)脂固化后的脆性，提高抗沖擊強(qiáng)度和延伸率而加入樹(shù)脂中的一種添加劑

作用：增加韌性，提高沖擊強(qiáng)度5.增塑劑：用以改善樹(shù)脂及其工藝性能及固化物的延伸率的一種低揮發(fā)物質(zhì)，是一種低分子液體，粘度小，起稀釋作用，不與樹(shù)脂參加固化反應(yīng)，只起降低交聯(lián)度和剛性的作用，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度、耐熱性下降

作用：改善工藝性，降低樹(shù)脂基體脆性基體材料的組成及其作用

6.觸變劑：使樹(shù)脂在膠液靜止時(shí)有較大的稠度，在外力作用下又變成低稠度液體的物質(zhì)

作用：防止流膠，增加靜態(tài)粘度觸變現(xiàn)象：靜態(tài)下增加粘度，動(dòng)態(tài)下粘度變小常用觸變劑：白碳黑SiO2（1－3％）7.填料

作用：改善性能，降低成本。如增加樹(shù)脂粘度，改善流動(dòng)性減少固化收縮率和增加表面硬度等常用填料：瓷土，石英粉，云母粉等提高耐磨性：二硫化鉬提高導(dǎo)電性：金屬粉末

8.其它：著色劑（顏料）0.5－5％防老劑基體材料的組成及其作用傳統(tǒng)的樹(shù)脂體系環(huán)氧樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂聚酯樹(shù)脂新型熱固性樹(shù)脂體系雙馬來(lái)酰亞胺

聚酰亞胺多官能團(tuán)環(huán)氧（四、五）新型熱塑性環(huán)氧體系

PEEK聚醚醚酮

PPS聚苯硫醚復(fù)合材料的聚合物基體1.環(huán)氧樹(shù)脂

①化學(xué)結(jié)構(gòu)

Ⅰ二酚基丙烷（雙酚A）型環(huán)氧樹(shù)脂

Ⅱ三官能團(tuán)樹(shù)脂：1－縮水甘油醚，4－二縮水甘油胺環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的聚合物基體Ⅲ四官能團(tuán)樹(shù)脂：四縮水甘油胺4’4－二胺基二苯甲烷Ⅳ酚醛環(huán)氧－線性酚醛樹(shù)脂與環(huán)氧氯丙烷縮合而成②交聯(lián)機(jī)理：以雙酚A為例

a）叔胺固化（陰離子型）

b)多元胺(伯胺)(仲胺)

羥基與環(huán)氧基反應(yīng)(仲胺)(叔胺)c)酸酐（需有醇羥基）鄰苯二甲酸酐醇羥基鄰苯二甲酸環(huán)氧樹(shù)脂基體酚醛樹(shù)脂不飽和聚酯樹(shù)脂粘結(jié)力大小中工藝性好（5kg/cm3)差(加壓高，50－100kg/cm3）中好（常壓）收縮性?。?－2％）大（8－10％）中（4－6％）耐熱性中上高（瞬間高，燒蝕）差韌性好差中價(jià)格高低中(低）2.幾種基體的性能比較1.雙馬來(lái)酰亞胺（BMI)①化學(xué)結(jié)構(gòu)酸酐雙馬來(lái)酸多元胺典型的新型樹(shù)脂體系雙馬來(lái)酰亞胺Ar：合成反應(yīng)（見(jiàn)上）交聯(lián)反應(yīng)：本身加熱反應(yīng)（兩端含有反應(yīng)性活性雙鍵）210℃加熱交聯(lián)雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂

雙馬來(lái)酰亞胺與芳香二胺反應(yīng)加熱②性能

a交聯(lián)BMI不溶不熔

bρ：1.35～1.4g/cm3cTg

：250～300℃dεmax：

1.0～2.0％

e使用溫度150～200℃（177℃）

f較脆改性

③種類不同系列雙馬來(lái)酰亞胺2.聚醚醚酮（PEEK）

①化學(xué)結(jié)構(gòu)用4,4-二氟苯酮、對(duì)苯二酚和碳酸鈉或硝酸鉀為原料，以苯酚為溶劑縮聚而成。②性能

a可熔可溶

bρ：1.26（非晶態(tài)）～1.32/cm3（晶態(tài)）

cTg

：143℃，Tm：300℃dE：4GPa屈服應(yīng)力>100MPaeεmax

：1.0～2.0％

f使用溫度220～310℃成型溫度360～400℃典型的新型樹(shù)脂體系

含義

主鏈上含有酰亞胺環(huán)的一類聚合物

3聚酰亞胺樹(shù)脂PI典型的新型樹(shù)脂體系特點(diǎn)PI性能高溫：聯(lián)苯二酐與對(duì)苯二胺合成的PI低溫：PI在－269℃液態(tài)氮中不脆裂燃燒：PI具有自熄性能，煙密度低Ⅱ機(jī)械性能作塑料（未填充）σbt>100MPaE：3~4GPa聚酰亞胺樹(shù)脂（PI)具有突出的綜合性能在合成上具有多種途徑具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域Ⅰ全芳香PI薄膜（均苯型）σbt>170MPa基體（聯(lián)苯型）σbt>400MPa纖維：200GPa~500GPa

Ⅲ物理性能熱膨脹系數(shù)：αL

：2×10－5～3×10－5/℃，聯(lián)苯高達(dá)10－6/℃耐輻照性：薄膜在5×10－9rad劑量輻照后，86％保持強(qiáng)度纖維在5×10－9rad劑量輻照后，90％保持強(qiáng)度電性能：介電性優(yōu)良ε：～3.4

引入氟或把空氣以納米尺寸分散在PI中ε：2.5

介電強(qiáng)度：100～300KV/mm

體積電阻：1017·cm這些性能在寬廣的強(qiáng)度范圍與頻率范圍保持較高水平Ⅳ化學(xué)性能耐溶劑性：一些PI不溶于有機(jī)溶劑對(duì)稀酸穩(wěn)定耐水解性差：有利于回收原料二酐和二胺某些結(jié)構(gòu)的PI可耐水解：120℃，500hⅤ其它性能

PI在極高真空下放氣量很少

PI元素可用于餐具，衛(wèi)生器具某些PI有生物相容性聚酰亞胺樹(shù)脂PI

含義

主鏈上含有兩個(gè)官能基的二元酚衍生物

商品單體結(jié)構(gòu)式如下：

4氰酸酯樹(shù)脂CE典型的新型樹(shù)脂體系特點(diǎn)單體在79-106℃熔化成低粘度液體（＜0.05Pa·s）有較好的韌性和較高的Tg

收縮率低介電常數(shù)和損耗因子低不因