第2章 复合材料的增强体汇总
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第2章 复合材料的增强材料PPT
5
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
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
第2章 增强体材料
先驱体转化法工艺流程图
活性碳纤维转化法的原理是：利用气态的SiO与多 孔炭反应转化生成SiC纤维。
该方法包括活性炭纤维制备，在一定真空度下，于 1200～1300℃下与SiO气体反应并在N2下高温处理 （1600℃）。
获得的SiC纤维是由β-SiC 微晶构成，且含氧量低， 仅有5.9%。
纤维的抗拉强度达到1000MPa以上。 由于纤维仍存在有微孔和因为SiO与碳转化为SiC时， 会发生体积膨胀而造成微裂纹的产生导致强度低， 但可以作高温功能纤维使用。
沥青纤维；
聚丙烯腈纤维。 发展史 20世纪60年代； 20世纪80年代： 20世纪90年代：
1959年，日本的进藤昭男发明了用聚丙烯腈(PAN)原丝生产碳纤维的方法; 1962年，日本东丽公司开始生产并研制用于生产碳纤维的专用优质原丝， 并于1967年成功生产T300PAN—CF； 英国皇家航空研究所的Watt等人，对PAN纤维生产进行技术改进； 英国考陶尔公司(Courtaulds)利用这项技术开始生产高强度、高 模量PAN基碳纤维。 1969年，日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PAN基碳纤维，结合美 国联合碳化物公司(Union Carbide)的碳化技术，生产出高强 度、高模量碳纤维。
2.2.1.1 碳纤维的分类
超高模量（UHM）碳纤维 高模量（HM）碳纤维 超高强度（UHS）碳纤维 高强度（HS）碳纤维 聚丙烯腈PAN 碳纤维 沥青碳纤维 粘胶碳纤维
按力学性能
按原材料分
按用途分类
24K以下为宇航级小丝束碳纤维 （1K为1000根单丝） 48K以上为工业级大丝束碳纤维
2.2.1.2 主要性能
2.1.3 晶须类增强体 晶须是在人工条件下生 长出 来 的 细 小 单 晶 。 由于 细小 组 织 结 构 缺 陷少 ， 具 有很高的强度和模量。
复合材料增强体种类与性能
由纤维表面层、纤维与基体相互作用和 渗透部分、以及基体表面层构成的多层 过渡层。
复合材料增强体种类与性能
如上图(a)所示的三个层区。
如果存在粘结剂涂层时，在理论上可以将其分成两个
界面区，即基体与粘结剂界面区和粘结剂与纤维界面
区。但更为实用和方便的解释模型如图(b)所示，是将
原相互作用区扩展为一个多层的粘结区，或称为相互
脆性材料 易在裂纹尖端产生应力集中以裂纹迅速传播和扩展来形 成新的表面，使集中的应力得以消除，导致在较低应力 下就发生断裂。裂纹是制约强度的主要因素之一。 碳纤维存在多种缺陷，这些缺陷大致可分为表面和内部 缺陷两大类型。
复合材料增强体种类与性能
Carbon fiber
碳纤维的结构
石墨晶体结构与乱层结构图 a—石墨晶体的重复叠合材状料态增；强体b种—类乱与性层能结构的重叠状态
复合材料增强体种类与性能
机械锁结 见图(e)。如只考虑两相结合面上的机械物理作用，界 面的强度主要取决于表面锁结点的多少，即表面粗糙 度和材料的剪切屈服强度。
(e)
复合材料增强体种类与性能
如图(e)所示的情形，两物质相切移动时，或其间 为剪切作用时，界面的抗剪粘结强度较高，
两物质相离运动时，即界面拉伸分开时，其粘结 强度较低。
0.8
1.91
3820
588
0.7
1.93
5490复合材料增强体2种9类4 与性能
1.9
1.73
碳纤维的物理性能
• 密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密度 越大；
• 热膨胀系数：纤维向(-1.5～-0.5) ×10-6/K 垂直纤维向（5.5～8.4）× 10-6/K
• 导热率：纤维向16.74W /(m·K) 垂直纤维向0.837 W /(m·K)
复合材料增强体种类与性能
如上图(a)所示的三个层区。
如果存在粘结剂涂层时，在理论上可以将其分成两个
界面区，即基体与粘结剂界面区和粘结剂与纤维界面
区。但更为实用和方便的解释模型如图(b)所示，是将
原相互作用区扩展为一个多层的粘结区，或称为相互
脆性材料 易在裂纹尖端产生应力集中以裂纹迅速传播和扩展来形 成新的表面，使集中的应力得以消除，导致在较低应力 下就发生断裂。裂纹是制约强度的主要因素之一。 碳纤维存在多种缺陷，这些缺陷大致可分为表面和内部 缺陷两大类型。
复合材料增强体种类与性能
Carbon fiber
碳纤维的结构
石墨晶体结构与乱层结构图 a—石墨晶体的重复叠合材状料态增；强体b种—类乱与性层能结构的重叠状态
复合材料增强体种类与性能
机械锁结 见图(e)。如只考虑两相结合面上的机械物理作用，界 面的强度主要取决于表面锁结点的多少，即表面粗糙 度和材料的剪切屈服强度。
(e)
复合材料增强体种类与性能
如图(e)所示的情形，两物质相切移动时，或其间 为剪切作用时，界面的抗剪粘结强度较高，
两物质相离运动时，即界面拉伸分开时，其粘结 强度较低。
0.8
1.91
3820
588
0.7
1.93
5490复合材料增强体2种9类4 与性能
1.9
1.73
碳纤维的物理性能
• 密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密度 越大；
• 热膨胀系数：纤维向(-1.5～-0.5) ×10-6/K 垂直纤维向（5.5～8.4）× 10-6/K
• 导热率：纤维向16.74W /(m·K) 垂直纤维向0.837 W /(m·K)
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。
复合材料的增强体
抗氧化性
增强体能够提高复合材料的抗氧化性 能，使其在高温环境下不易发生氧化 反应，保持较好的力学性能。
04
增强体在复合材料中的应用
航空航天领域
航空航天领域对材料性能要求极高，复合材料的增强体在减轻结构重量、提高结构 强度和刚度方面具有显著优势。
碳纤维、玻璃纤维等增强体广泛应用于飞机、卫星和火箭等航空航天器的结构件和 功能件中，如机翼、机身、尾翼、卫星天线等。
VS
工艺控制
制备高性能复合材料需要精确控制工艺参 数，如温度、压力、时间等，以确保增强 体在基体中的均匀分布和最佳性能表现。
06
结论
复合材料增强体的未来发展方向
高性能化
随着科技的不断进步，复合材料增强体将向着更 高性能的方向发展，以满足更广泛的应用需求。
环保化
随着环保意识的提高，复合材料增强体将更加注 重环保，减少对环境的负面影响。
复合材料增强体的研发和应用将提升相关产业的附加值，促进经 济发展。
感谢您的观看
THANKS
舒适度。
05
增强体的发展趋势与挑战
新材料与新技术的发展
高性能纤维
随着新材料技术的不断发展，高性能纤维如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等在复合材料增强体中得到广泛应用， 提高了复合材料的力学性能和功能性。
纳米增强体
纳米材料在复合材料增强体中具有巨大的潜力，如纳米碳管、纳米颗粒、纳米纤维等，能够显著提高复合材料的 强度、韧性、耐热性等性能。
增强体能够提高航空航天器的耐高温性能、抗疲劳性能和抗腐蚀性能，延长使用寿 命。
汽车工业领域
汽车工业领域对材料轻量化和节能减排 有很高的要求，复合材料的增强体成为 一种理想的替代传统金属材料的解决方
案。
增强体能够提高复合材料的抗氧化性 能，使其在高温环境下不易发生氧化 反应，保持较好的力学性能。
04
增强体在复合材料中的应用
航空航天领域
航空航天领域对材料性能要求极高，复合材料的增强体在减轻结构重量、提高结构 强度和刚度方面具有显著优势。
碳纤维、玻璃纤维等增强体广泛应用于飞机、卫星和火箭等航空航天器的结构件和 功能件中，如机翼、机身、尾翼、卫星天线等。
VS
工艺控制
制备高性能复合材料需要精确控制工艺参 数，如温度、压力、时间等，以确保增强 体在基体中的均匀分布和最佳性能表现。
06
结论
复合材料增强体的未来发展方向
高性能化
随着科技的不断进步，复合材料增强体将向着更 高性能的方向发展，以满足更广泛的应用需求。
环保化
随着环保意识的提高，复合材料增强体将更加注 重环保，减少对环境的负面影响。
复合材料增强体的研发和应用将提升相关产业的附加值，促进经 济发展。
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05
增强体的发展趋势与挑战
新材料与新技术的发展
高性能纤维
随着新材料技术的不断发展，高性能纤维如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等在复合材料增强体中得到广泛应用， 提高了复合材料的力学性能和功能性。
纳米增强体
纳米材料在复合材料增强体中具有巨大的潜力，如纳米碳管、纳米颗粒、纳米纤维等，能够显著提高复合材料的 强度、韧性、耐热性等性能。
增强体能够提高航空航天器的耐高温性能、抗疲劳性能和抗腐蚀性能，延长使用寿 命。
汽车工业领域
汽车工业领域对材料轻量化和节能减排 有很高的要求，复合材料的增强体成为 一种理想的替代传统金属材料的解决方
案。
第二章 复合材料的增强体
O * HN NH C
O C *
Kevlar
Kevlar纤维的制造过程：这种纤维用干喷湿纺法职称， 具体工艺流程如下： 将原料溶于浓硫酸中，制成各向异性液晶纺丝液→挤 压喷丝→干湿纺→溶剂萃取与洗涤→干燥→Kevlar29 纤维→在氮气保护下经550℃热处理→Kevlar49纤维
Kevlar 纤维-49的性能 1) 力学性能 弹性模量高，CF＞Ef＝125 Gpa ≈2GF 拉伸强度高，3620 Mpa，与S-GF、CF-Ⅱ相当 密度小，1.45g/㎝3,低于GF、CF 良好的韧性 各向异性 抗蠕变、疲劳性能好 抗压性能、抗扭性能较低－－芳纶的致命弱点。
组成：SiO2 + Metal Oxides(Al2O3、CaO、MgO、
Na2O、BeO 、B2O3 ）。
分 类：
有碱玻璃纤维，碱性氧化物 含量>12%，也称为A玻 璃纤维 中碱玻璃纤维，碱性氧化物含量6~12% 低碱玻璃纤维，碱性氧化物含量2~6% 无碱玻璃纤维，碱性氧化物含量<2%， 也称为E玻璃纤维
三、硼纤维（Boron Fibre，BF或Bf）
1958年C.P.Talley首先用化学气相沉积 （Chemical vapour deposition，简称CVD）方 法研制成功高模量的硼纤维。现在硼纤维通用的 制备方法是在加热的钨丝、碳芯或铝丝表面通过 化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100μ m、 140μ m、200μ m几种。
二、碳纤维 Carbon Fibers
碳纤维： 由有机纤维如黏胶纤维、沥青纤维或
聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）纤维在保 护气氛（N2或Ar）下热处理碳化成含碳量90－99 ％的纤维。
分类：
复合材料增强体课件
02 复合材料增强体制备方法
原材料选择与处理
01
02
03
原材料类型
选择合适的增强体原材料， 如玻璃纤维、碳纤维、芳 纶纤维等。
原材料处理
对原材料进行预处理，如 切割、打磨、清洗等，以 适应后续制备工艺。
原材料质量控制
确保原材料的质量和稳定 性，以满足复合材料的性 能要求。
制备工艺流程及设备
工艺流程
汽车工业领域应用案例分析
节能减排需求
汽车工业领域对节能减排有很高的要求，复合材料增强体能够提供 轻量化的材料，降低汽车重量，从而减少燃油消耗和排放。
安全性需求
汽车在行驶过程中会受到各种外力的作用，复合材料增强体具有较 好的抗冲击性能和耐磨损性能，能够提高汽车的安全性。
舒适性需求
汽车内部需要提供舒适的乘坐环境，复合材料增强体具有较好的隔音、 隔热性能，能够提高汽车的舒适性。
弹性模量
通过弹性模量测试，可以了解复合材料在受力作用下的弹 性变形性能。弹性模量反映了复合材料抵抗变形的能力。
弯曲强度
弯曲强度表征了复合材料在承受弯曲载荷时的承载能力。 这种测试通常在三点或四点弯曲试验中进行，以确定材料 的最大弯曲应力。
拉伸强度与压缩强度
通过在特定方向上对复合材料施加拉力或压力，可以测定 其承受最大应力的能力。拉伸强度和压缩强度是评估复合 材料承受载荷能力的重要指标。
随着物联网、大数据等技术的发展，复合材料增强体将向智能化方向发展，实现材料的在 线监测、预测和调控。
技术挑战与对策分析
加强基础研究
对策分析
针对这些技术挑战，可以采取以 下对策
加大对复合材料增强体基础研究 的投入，深入了解其性能和机理， 为技术突破提供理论支持。
第2章 复合材料的增强体
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
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。
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
复合材料增强体
第二章复合材料增强体(Reinforcement)重点：1、增强体种类2、各种纤维的制造工艺、性能特点掌握：各种纤维的制造工艺、性能特点熟悉：增强体种类第二章复合材料增强体(Reinforcement)纤维及其织物、晶须、颗粒一、复合材料增强剂的特点（图7–1）1、具有很低的比重；2、组成这些化合物的元素都处在元素周期表中的第二、第三周期；3、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合；4、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性。
二、纤维1、无机纤维1-1、玻璃纤维（Glass Fiber）1 玻璃纤维的制造生产玻璃纤维的过程是将硅砂、石英石、硼酸和其它成分（粘土，氟石等）干混后，经高温炉熔融，熔化后的玻璃液直接通过漏板形成了玻璃纤维。
2 玻璃纤维的品种A玻璃：高碱玻璃（钠玻璃），最常用，化学性能稳定；C玻璃：硼硅酸钠玻璃，抗化学作用；D玻璃：低介电性玻璃，用于雷达工业；E玻璃：无碱玻璃，电绝缘性能好；S玻璃：高强度玻璃纤维；R玻璃：粗纤维；M玻璃：高模量玻璃。
1-1、玻璃纤维（Glass Fiber）玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。
质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。
伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。
缺点是不耐磨、易折断，易受机械损伤。
1-２、碳纤维l碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的l纤维状聚合物碳。
含碳量95%左右的称为碳纤维；l含碳量99%左右的称为石墨纤维。
碳纤维比重小，l比强度、比模量大见下表，耐热性和耐腐蚀性l好，成本低，批生产量大，是一类极为重要的高l性能增强剂。
粘胶(rayon)系粘胶是一种热固性聚合物，将粘胶原丝转变成碳纤维的生产工艺过程与PAN系碳纤维的过程类似，同样分为预氧化、碳化和石黑化三个阶段，其制备的碳纤维力学性能较差而耐烧性和隔热性能好。
目前用量较少，美国等国有少量生产。
3 性能特点1 典型性能δ=0.5~2.5%2、线膨胀系数小，且各向异性。
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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
•
Chapter 2 Composite Reinforcements
复合材料增强体
主要内容
J 2.1 基本概念 J 2.2 无机非金属纤维 J 2.3 有机纤维（芳纶纤维） J 2.4 晶须及颗粒增强物
2.1 基本概念
J增强材料 J增强（韧）机制 J界面作用 J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。
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
普通型
高强度型 高弹性模量型 碳纤维的结构模型
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
界面扩散 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 2.2.1 碳纤维 J 2.2.2 硼纤维 J 2.2.3 碳化硅纤维 J 2.2.4 玻璃纤维
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
PAN原丝和碳纤维制备流程
CH2=CH CN
(CH2－CH)n CN
单体蒸馏提纯 按配比混合 溶液聚合 脱单,过滤,脱泡 溶液过滤
纤维成型
热水牵伸 热水洗涤 热水再牵伸
热水洗涤
上油 热辊干燥
加压蒸 汽牵伸
热辊定型
卷绕
排序加捻 200-300℃ 预氧化
400-1000℃ 1000-1800℃
低温碳化
高温碳化
表面处理
干 燥 上胶 展平解捻 缠绕 收丝
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
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。
传剑轮
罗拉
• 汽车零件：
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发动机罩
手柄
板簧
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导流板
车门
连轴器
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排气管护套 固定托架 刹车片
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车门
车牌
内装饰（面板、把手等）
• 医疗器械：
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X光照机床
CT床板
假脚
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照相暗盒
核磁共振床 韧带
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心藏半膜
人工关节 放射线照相用头托
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γ刀床Leabharlann 假肢诊断用担架碳纤维在我国民用工业的应用
• 建筑补强：
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各种片材
增强水泥
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
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。
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。
和驱动轴等。
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
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拉挤板材
增强混凝土建筑材料
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各种增强织物
• 能源：
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抽油杆
电动机壳
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汽车用天然气瓶 电加热器
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风力发电叶片
电加热毯
• 工业日用品：
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手电筒
电脑壳
刀具手柄
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手杖
各种三角架 伞把
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手机壳
扬声器
活动账逢
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手提箱
乐器（弓）
户外摇床
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眼镜架
计量尺
大型电钻轴
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各种笔杆（钢笔、园珠笔、自动铅笔等）
• 其它：
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