碳基复合材料分类62页PPT

（1）三向正交织物
Carbon-Carbon
• 美国从六十年代中期到七十年代初期制成的代表性三向 增强碳/碳复合材料是以编好的石墨纤维布迭层后，再从 Z向穿入石墨纱，制成一种三向预制件。 • 特点： （A）三个方向的纱不交织．只有重合点。这就可以避免 或减少由于纱交织造成纤维折断和损伤。平直排列有利 于充分发挥增强碳结构中每根纤维的力学性能。 （B）各个方向上纱线的品种、股数和每股纱中纤维的根 数都可以根据需要进行合理的选择和设计，为碳/碳复合 材料的结构性能和烧蚀性能的设计提供了极大的灵活性。 • 试验中发现碳/碳复合材料的烧蚀性能与编织的细密程度 有关，即：增强碳的结构越细密，碳/碳材料的烧蚀率越 小．烧蚀外形也越匀称。美国从七十年代初期又开始研 制成三向正交细编碳/碳鼻锥材料。
（三）碳/碳复合材料的制法
Carbon-Carbon
• 碳/碳复合材料的制造方法与树脂基复合材料截然不同。 这里起粘接剂作用的基体碳既不溶于任何溶剂也不能加热 使它熔融，在常压下碳只是在3500℃直接升华。 • 主要是利用有机物或有机高聚物在高温下能够热解成碳这 一固有特性，通过间接方法制备基体碳。 • 碳/碳材料的复合是与基体碳的形成是同时进行的。 • 基本的方法有两种： 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）、 浸渍－碳化法。
Carbon-Carbon
增强材料
（一）对碳纤维的要求
含碳量尽量高，含杂质尽量少。特别是有害杂质：碱 金属尽量少（据说抗热氧化性能好的碳纤维，碱金属的含量 都比较低）。 由于杂质成分和微观结构上的差别，不仅影响到碳纤维的强 度和弹性模量，某些杂质含量过高还会削弱材料的耐烧蚀性 能。 一般说，如果碳/碳复合材料是用于一般的防热或隔热，则 不必选用价格昂贵的高强度高模量碳纤维。 若用于制造导弹弹头等再入飞行器鼻锥和固体火箭发动机喷 管，由于工作环境恶劣，要求碳/碳复合材料不仅仅是耐高 温耐烧蚀，耐热冲击，还要能经受机械冲刷和剥蚀，因此应 选择强度和模量适中的碳纤维，而且有害杂质碱金属的含量 越低越好。

含碳量95%左右的称为碳纤维； 含碳量99%左右的称为石墨纤维。 优点：碳纤维比重小、比强度、比模量大，耐热性 和耐腐蚀性好，成本低，批量生产量大，是一 类极为重要的高性能增强剂。
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用碳纤维制成的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高5倍，比强度高3倍以 上； 同时耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀性能均优越
石墨层片的缺陷 及边缘碳原子
基本结构单元
石墨微晶
原纤维构成碳纤维单丝
二级结构单元
碳纤维的三级结构单元
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石墨微晶在整个纤维中的分布是不均匀的，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。
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。
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6.2 碳纤维的制备
很多纤维能用溶液纺丝或熔融纺丝来制作!!! 面条？？ 粉丝？？ 一些高分子丝？？
碳纤维能不能用这两种方式呢？？
在空气中在350℃以上的高温中就会氧化；在隔绝空气 的惰性气氛中，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以 上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺！！
碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。
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6.2 碳纤维的制备
在惰性气氛中将小分子有机物(如 烃或芳烃等）在高温下沉积成纤维。 此法用于制造晶须或短纤维，不能用 于制造长纤维。
将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维， 然后再在惰性气氛中于高温下进行焙烧碳化，使 有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳 为主要成分的纤维状物。此法用于制造连续长纤 维。

据文献报导，车削该复合材的料所得到 的切削用量各要素对切削力的影响规律与 切削一般脆性材料的基本一致。虽然基体 硬度较低，切削力数值不大，但材料中硬 质点对刀具的磨损比较严重，故选用CBN为 宜。因材料为脆性，故切屑常呈粉末状， 必须用吸屑法来排屑。
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五、碳/碳复合材料的应用
碳/碳 复合材料作为优异的热结构 功能一体化工程材料，自1958年诞生以 来，在军工方面得到了长足的发展，其 中最重要的用途是用于制造导弹的弹头 部件 由于其耐高温，摩擦性好，目前已 广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞 机结构部件飞机及赛车的刹车装置、热 元件和机械紧固件、热交换器、航空发 动的热端部件等。
• （4）寻求其它制备工艺降低成本 碳/碳复合
材料制备成本已经很高, 如果涂层制备工艺复杂、
周期长, 就会额外增加整个部件的制备成本, 这
样就会更大限制碳/碳 复合材料的广泛应用; 因
此寻求更合适的制备工艺, 也是一项很重要的任
务。
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碳/碳复合材料工艺技术装备及应 用项目的第一完成人孙晋良院士
研究出来的碳/碳喉衬材料为我国 国防、航天事业的发展作出了重要
碳/碳复合材料
1
碳/碳复合材料
• 一、概述 • 二、碳/碳复合材料的组成及微观结构 • 三、碳/碳复合材料的性能 • 四、碳/碳复合材料制备及其加工 • 五、碳/碳复合材料的应用 • 六、碳/碳复合材料的氧化及防氧化 • 七、碳/碳复合材料的研究方向和不足
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一、概述
C/ C 复合材料是目前新材料领域 重点研究和开发的一种新型超高温热结 构材料,密度小、比强度大、线膨胀系数 低( 仅为金属的1/ 5~ 1/ 10) 、热导率 高、耐烧蚀、耐磨性能良好。特别是C/ C 复合材料在1 000℃~ 2 300℃ 时强度 随温度升高而升高, 是理想的航空航天 及其它工业领域的高温材料

➢ 碳纤维制造工艺
1、聚丙烯腈PAN配液->纺丝（湿法/干喷湿纺） ->表面处理->收丝（PAN原丝）
2.
➢ 树脂基复合材料（CFRP/CFRTP)
1、基体树脂CFRP：环氧树脂EP、双马酰亚胺树脂BMI、 热固聚酯亚胺PI、氰酸脂.
2.CFRTP热塑性树脂:聚醚醚酮、聚苯硫醚和聚醚砜主要 生产预浸带料。
总结
➢ 碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、高刚度、抗疲 劳和耐腐蚀等优异性能。为了解决全球气候变暖、温室气 体排放的环境问题,碳纤维复合材料在大型飞机、风力发电 叶片、汽车部件、石油开采抽油杆、电力输送电缆等领域 的应用将推动节能减排的实现。碳纤维复合材料的使用实 现了材料的轻量化,从而达到了节能减排的目的,碳纤维复合 材料在这些领域的实际应用代表了其技术的成熟度和水平。 随着国产化碳纤维制造关键技术的成熟,通过突破碳纤维复 合材料的低成本制造技术,实现国产碳纤维复合材料在节能 减排方面的应用是现实的。
CARBON FIBER AND ITS COMPOSITE MATERIALS
碳 纤维及其复合材料
张慧 冯浩辉 车腾伟
19 60
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精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
(2) C/C 复合材料
它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成， 主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。
这种材料除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐 磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。在高温 环境中，强度高、不熔不燃，广泛应用于导弹弹头，固体 火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等领域。

度工艺等三种基本工艺方法（图11 – 6）：
图 11 – 6 碳碳复合材料的CVD（CVI）工艺示意图
2） – 1 等温工艺
将预成型体置于均温CVD（CVI）炉中，导入碳 氢化合物气体，控制炉温和气体的流量和分压以控 制反应气体和生成气体在孔隙中的扩散，以便得到 均匀的 沉积。为了防止孔隙的过早封闭，应使反应 沉积速率低于扩散速率。这样沉积速率将非常缓慢。 为了提高制品的致密度，需要在沉积一定时间后， 对制品机加工，除去已封闭的外表面，然后再进行 沉积。如此循环，整个工艺需要长达数百上千小时 的时间。 等温工艺的优点是可以生产大型构件，并同时 可在一炉中装入若干件预成型体进行沉积。
1 – 2 基体碳
典型的基体碳有热解碳（CVD碳）和浸渍碳化碳。 前者是由烃类气体的气相沉积而成；后者是合成树 脂或沥青经碳化和石墨化而得。 1） CVD碳： 主要以来原料有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天然 气等碳氢化合物。 CH4（g） C （s）+ 2H2（g） 沉积根据不同的沉积温度可获得不同形态的碳， 在950 ~ 1100C为热解碳；1750 ~ 2700C 为热解 石墨。
2） – 4 其它工艺
（4）直热式CVI工艺 直热式CVI工艺具有均匀、快速的特点。其原理 是在冷壁炉内，预制体直接通电被加热，在预制体 的每根纤维周围都产生了微弱电磁场，样品被整体 加热。再加上辐射与对流，在样品中产生了反向热 梯度，导致从内到外热沉积反应。特别是在脱氢/聚 合反应中形成的自由基有顺磁性，容易被带电纤维 所吸引，能快速地进行表面动力学反应，使沉积速 率明显加快。使用这种技术只需几个小时就能制备 出通常4-5个月才能制备的材料，而价格仅是目前均 热法的1/3 – 1/4 。
碳纤维预制成型体经过浸渍树脂或沥青等浸渍剂后， 经预固化，再经碳化后获得的基体碳。浸渍剂选择 原则如下； （1）碳化率（焦化率）：碳化率高的浸渍剂可提 高效率，减少浸渍次数。 （2）粘度：要求粘度适当，易于浸渍剂浸渍到预 制成型体中。 （3）热解碳化时能形成张开型的裂缝和空隙，以 利于多次浸渍，形成致密的碳/碳复合材料。 （4）碳化后收缩不会破坏预制成型体的结构和形 状。 （5）形成的显微结构有利于碳/碳复合材料的性能。

内燃发动机
密度低、优异的摩擦性能、热膨胀率低 有利于控制活塞与汽缸之间的空隙
发热元件
强度高,韧性好,耐高温,可减少发热体 体积,扩大工作区
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4.5 生物学上的应用 生物相容性好,强度高,耐疲劳,韧性好 在生物体内稳定,不被腐蚀 与骨的弹性模量接近,具有良好的生心脏瓣膜
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5、C/C复合材料研究展望
航天领域
普通航空和其他一般工业领域
发展方向：双元复合向多元复合
研究重点：控制孔隙的最佳数量,提高高温下的抗氧化性能, 降低成本
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谢 谢！
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•
1、有时候，我们活得累，并非生活过于刻薄，而是我们太容易被外界的氛围所感染，被他人的情绪所左右。
•
2、身材不好就去锻炼，没钱就努力去赚。别把窘境迁怒于别人，唯一可以抱怨的，只是不够努力的自己。
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7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。
•
8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。
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9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。
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3、大概是没有了当初那种毫无顾虑的勇气，才变成现在所谓成熟稳重的样子。
•
4、世界上只有想不通的人，没有走不通的路。将帅的坚强意志，就像城市主要街道汇集点上的方尖碑一样，在军事艺术中占有十分突出的地位。
•
5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。
•
6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。
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产品介绍-碳碳(C/C)复合材料
C/C复合材料是什么？
• C/C复合材料是在碳纤维基础上进行了石墨 化增强处理的产品。具有质量轻，强度和 弹性高的特点，产品能够耐受2000℃的高 温，具有优良的性能。
C/C复合材料的优点
和“金属”比较
C/C复合材料
良好的耐热性 极小的热膨胀率 很轻的重量（只有铁的1/5） 良好的耐腐蚀性
和“石墨”比较 和“陶瓷”比较
更高的强度 更好的韧性，不易破碎
更好的韧性，不易破碎 不易粘结（不会胶合） 耐热冲击性好 容易加工
和“树脂”比较
良好的耐热性 良好的耐腐蚀性 高的耐摩擦性
C/C复合材料应用领域介绍
耐热材料领域
C/C复合材料 C/C金属复合材料
优良的耐热性能及低重量，可作为金属热处理过程中的工具，如烧制垫 板，料盒，以及高温炉内耐温材料。可以提高成品率及生产效率
耐热材料领域-炉内材料-风扇
•热处理炉生产部门需要选择很多的标准品。 •C/C复合材料的风扇，与原来的不锈钢风扇相比，由于没有热 变形带来的困扰，所以不需要维修。 •又因为C/C复合材料质量轻，强度高的特点，可以大大减轻发 动机的负担。
耐热材料领域-炉内材料-加热体
•与原来的石墨材料相比，C/C复合材料的加热体具有“高强度，高弹性”的特点。 •又因为C/C复合材料经过了炭素化处理，有着良好的加工性能。 •因此，用C/C复合材料可以相对应的制作出尺寸大，厚度薄的各种尺寸的加热体。
•根据独有的弹簧技术，生产出含螺纹垫片产品。 •它可以在高温下仍然保持弹簧的特性，因此适用于加热体的端部以及减轻螺栓 的受力的部位。
耐热材料领域-炉外材料
• 料架 • 料盒 • 夹具 • 弹簧 • 玻璃生产线用部件

纤维分类
• 碳纤维 • 玻璃纤维 • 有机纤维
(Kevlar,Technora,Twaron,PBO,Vectran) • 金属纤维 • 合成塑料纤维
纤维分类
• PAN系碳纤维 • 沥青(Pitch)系碳纤维 • 螺萦(Rayon)系碳纤维
纤维分类
• 低模数碳纤维 • 一般模数碳纤维 • 一般强度,高强度 • 中模数碳纤维 • 高模数碳纤维 • 超高模数碳纤维
Reaction Injection Molding
Vacuum Molding (Autoclave)
SMC
Filament Winding
Resin Transfer Molding
BMC
Pultrusion
• TP—Thermoplastic:热塑性,具直链状化学 结构,可重复利用加热或冷却使材料软化或 固化
名词解释
• Tensile Strength(kg/mm2)—拉伸强度 • Tensile Modulus(ton/mm2)—拉伸模数 • Elongation(%)—伸长率 • Yield(g/m)—基重
复合材料简介
何谓复合材料
• 广义:包含一种以上之材料型态
• 狭义:即纤维补强塑料 (FRP Fiber Reinforcement Plastic)
复合材料组成
• 纤维(Fiber) • 基材(Matrix)—树脂 • 界面(Interface)
名词解释
• TS—Thermoset:热固性,受热硬化后成三度 空间网状交连的化学结构,不可溶或不能熔 融
复合材料制程
• Filament Winding • Resin Transfer Molding • Bulk Mold Compounding • Pultrusion • Others

（1）三向正交织物
Carbon-Carbon
• 美国从六十年代中期到七十年代初期制成的代表性三向 增强碳/碳复合材料是以编好的石墨纤维布迭层后，再从 Z向穿入石墨纱，制成一种三向预制件。 • 特点： （A）三个方向的纱不交织．只有重合点。这就可以避免 或减少由于纱交织造成纤维折断和损伤。平直排列有利 于充分发挥增强碳结构中每根纤维的力学性能。 （B）各个方向上纱线的品种、股数和每股纱中纤维的根 数都可以根据需要进行合理的选择和设计，为碳/碳复合 材料的结构性能和烧蚀性能的设计提供了极大的灵活性。 • 试验中发现碳/碳复合材料的烧蚀性能与编织的细密程度 有关，即：增强碳的结构越细密，碳/碳材料的烧蚀率越 小．烧蚀外形也越匀称。美国从七十年代初期又开始研 制成三向正交细编碳/碳鼻锥材料。
Carbon-Carbon
增强材料
（一）对碳纤维的要求
含碳量尽量高，含杂质尽量少。特别是有害杂质：碱 金属尽量少（据说抗热氧化性能好的碳纤维，碱金属的含量 都比较低）。 由于杂质成分和微观结构上的差别，不仅影响到碳纤维的强 度和弹性模量，某些杂质含量过高还会削弱材料的耐烧蚀性 能。 一般说，如果碳/碳复合材料是用于一般的防热或隔热，则 不必选用价格昂贵的高强度高模量碳纤维。 若用于制造导弹弹头等再入飞行器鼻锥和固体火箭发动机喷 管，由于工作环境恶劣，要求碳/碳复合材料不仅仅是耐高 温耐烧蚀，耐热冲击，还要能经受机械冲刷和剥蚀，因此应 选择强度和模量适中的碳纤维，而且有害杂质碱金属的含量 越低越好。
Carbon-Carbon
（二）碳纤维的使用形式
1、碳毡 • 先用几十个毫米长的短切粘胶人造丝或聚丙烯睛的毛絮层 迭在一起．经针刺加工使10-20%的纤维处于垂直方向。 • 毡是多孔材料，因此，它不仅是CVD工艺渗碳的理想骨架， 而且还可以直接用它作耐高温隔热材料。 2、碳纤维多向织物 • 碳毡内纤维是任意取向的，单向和两向的增强材料也都因 为低强度或极端的各向异性、或者是兼有低强度和极端的 各向异性而不能满足使用要求。

保温毡
加热体
1.今后将以结构C/C复合材料为主，向功能和 多功能C/C复合材料发展；
2.在编制技术方面：由单向朝多向发展；
3.机械针织技术方面：由简单机械向高度机械 化、微机化和计算机程控全自动化发展；
4.应用方面：由先进飞行器向普通航空和汽车、 非航天高温结构领域发展，向民用化和低成本化发 展。
1.C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几 乎99%以上都是元素C，因此它具有和C一样的化学 稳定性。
2.耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和
盐的化学稳定性；
3.氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始
氧化温度为400℃，高于600℃会严重氧化。提高 其耐氧化性方法—成型时加入抗氧化物质或表面加 碳化硅涂层。
青；④有些浸渍液炭化时粘附性过好，易于阻塞 气孔口，难以达到致密要求，如树脂
由于上述原因，后来发展了高压浸渍炭化工艺 （浸渍和碳化都在高压下进行，利用等静压技术 使浸渍和碳化都在热等静压炉内进行。可提高产 碳率降低空隙率），所使用的压力皆超过2MPa， 此工艺对设备要求高，操作要求严格，且导致成 本上升
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高， 密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温， 耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热 膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过 性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。
力学性能 热物理性能 烧蚀性能 化学稳定性
• 一般C/C：拉伸强度>270GPa、弹性模量>69GPa
• 先进C/C：强度>349MPa，其中单向高强度C/C可
室温，强度和 模量
达700MPa。（通用钢材强度500～600MPa）

整体性能和稳定性。
03
碳基复合材料的制备方法
化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种常用的制备碳基复合材料的方法， 通过将气态碳源和热解碳前驱体引入反应室，在高温条件 下发生化学反应，生成碳基复合材料。 该方法的优点是制备的碳基复合材料纯度高、结晶性好、 结构可控，适用于制备大面积、连续的碳基复合材料。
石墨烯增强复合材料
石墨烯增强复合材料是以石墨烯为增强相，树脂 、金属或陶瓷等为基体的复合材料。
石墨烯增强复合材料的制备方法主要包括化学气 相沉积、液相剥离法、溶胶-凝胶法等。
石墨烯增强复合材料具有高导热、高导电、高强 度、高模量等特点，在电子器件、传感器、电池 等领域有广泛应用。
石墨烯增强复合材料的制备方法多样，可以根据 实际需求选择合适的制备方法。在制备过程中， 需要控制石墨烯的尺寸和分散性，以及与基体的 界面结合力，以提高复合材料的整体性能。
。
汽车
用于制造汽车车身、刹车片、 传动轴等部件，提高汽车性能
和安全性。
体育器材
用于制造高尔夫球杆、网球拍 、自行车架等运动器材，提高
运动性能和舒适度。
其他领域
在电子、能源、医疗等领域也 有广泛应用，如用于制造电池
电极、医疗器械等。
02
碳基复合材料的分类
碳纤维增强复合材料
碳纤维增强复合材料是以碳纤维为增强相，树脂、金 属或陶瓷等为基体的复合材料。
于其纤
透光性是指材料对光的透过能力。碳基复合材料的透光性取决于其纤维和基体的透光性以 及它们的体积分数。
反射性
反射性是指材料对光的反射能力。碳基复合材料的反射性取决于其纤维和基体的反射性以 及它们的体积分数。
颜色与光泽
颜色与光泽是指材料对光的吸收、反射或散射所呈现出的颜色和外观效果。碳基复合材料 的颜色与光泽可以通过添加颜料或金属氧化物来调整。

•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
碳基复合材料分类
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
பைடு நூலகம்
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克