西安交大复合材料课件

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西安交大工程材料

教学基本要求(1) 了解机械零构件的常见失效方式及其对性能指标的要求。

(2) 掌握碳钢、铸铁、合金钢、有色金属的成分、组织、热处理、性能特点及用途的基本知识。

(3) 初步掌握陶瓷材料、高分子材料、复合材料的成分、组织、性能特点及常用材料的种类和用途。

(4) 基本掌握根据零构件的服役条件、失效方式和性能要求选择材料及制造工艺的思路。

(5) 初步了解新材料、新工艺的基本概况及发展趋势。

教学内容及要求绪论工程材料在机械设计及制造工程中的作用，工程材料的分类本课程的目的及任务，课程的基本内容，学习要求等。

第一章--机械零件和器件的失效分析掌握：常温静载下的过量变形；静载和冲击载荷下的断裂；交变载荷下的疲劳断裂；磨损失效；腐蚀失效；高温下的蠕变变形和断裂失效。

第二章--碳钢1. 掌握：纯铁的组织和性能；铁碳合金中的相和组织组成物；Fe-Fe3C 相图；钢中常存杂质元素对钢性能的影响；压力加工对钢组织和性能的影响；碳钢的分类、牌号及用途。

2. 了解：钢锭的组织及缺陷。

第三章--钢的热处理1. 掌握：钢在加热时的转变；奥氏体等温转变图；钢的普通热处理；钢的表面热处理。

2. 了解：奥氏体连续转变图。

3. 自学：钢的特种热处理。

第四章--合金钢1. 掌握：合金元素在钢中的作用；合金钢的分类及编号；低合金高强度钢；合金渗碳钢；合金调质钢；合金刃具钢；合金模具钢.2. 了解：合金弹簧钢；滚动轴承钢；量具钢；不锈钢；耐热钢；低温钢；高耐磨钢。

3. 自学：超高强度合金钢；新型合金工具钢。

第五章--铸铁 1. 掌握：合金元素在钢中的作用；合金钢的分类及编号；低合金高强度钢；合金渗碳钢；合金调质钢；合金刃具钢；合金模具钢.2. 了解：合金弹簧钢；滚动轴承钢；量具钢；不锈钢；耐热钢；低温钢；高耐磨钢。

3. 自学：超高强度合金钢；新型合金工具钢。

第六章--有色金属及其合金1. 掌握：铝及铝合金；滑动轴承合金。

2. 了解：铜及铜合金；钛及钛合金。

西安交通大学范群成材料课件1

离子键、共价键最强，金属键次之，氢键再次之，范德瓦尔斯键最弱。 THE END
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2. 原子间的互作用力及结合能
THE END
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2. 一次键与二次键混合例如, 石墨: 片层中为共价键,片层间为范德瓦尔斯键高分子:分子链中为共价键,链与链之间为二次键
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四、结合键的本质及原子间距 1. 结合键的本质 — 结合键的强弱反映了原子或分子间结合时互作用能降低的程度．
1) 原子间的互作用力吸引力，正离子与周围电子，长程力｛排斥力，正离子间及电子间，短程力原子的平衡距离 r0 — 两原子间的引力与斥力平衡时的间距。 2) 原子的结合能
E = − ∫ Fdr
0
∞
dE F =− dr
原子的结合能 E0 — 原子间距为 r0 时的互作用能，是互作用能的极小值。 THE END
1 − ( X A − X B )2 4
= 离子键结合（％） [1 − e
] × 100%
X X 式中， A 、 B 分别为化合物组成元素A、B 的电负性数值
THE END
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复合材料学

性能的可设计性是复合材料的最大特点。影响因素很多，主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合状况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。
复合材料性能概述
主要性能特点简介
比强度和比模量高抗疲劳和破断安全性好高温性能优良减振性能好化学稳定性优良减摩、耐磨、自润滑性好高韧性和高抗热冲击性、导电和导热性持殊性能
复合材料性能概述
多相材料复合、共同的特点
(1)综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能， (1)综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，
具有天然材料所没有的性能。 (2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。 (2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。 (3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序
其他性能特点
复合材料的应用
现状：除陶瓷基复合材料尚处在研究开发阶段，并有在航空宇航领域的应用在汽车工业及交通运输的应用在机械工业的应用在化学工业的应用在建筑领城的应用
少量应用外，聚合物基、金属基、碳基和混凝土基复合材料已广泛应用于各个领域。
学习本课程的意义
补齐四大类工程材料知识开拓材料研究开发的新途径为学习《先进复合材料》打基础为学习《先进复合材料》
(3)无机非金属基复合材料：以陶瓷（也包括玻璃和水泥） (3)无机非金属基复合材料：
为基体制成的复合材料。
复合材料的分类
按材料作用分类
(1)结构复合材料：用于制造受力构件的复合材料； (1)结构复合材料：
能、摩擦、屏蔽等) 能、摩擦、屏蔽等)的复合材料。
(2)功能复合材料：具有各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、换 (2)功能复合材料：具有各种特殊性能(

复合材料力学性能ppt课件

低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
.
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
应变硬化
E D A
D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力. -应变曲线（玻璃态）
20
2.2 高分子材料的力学性能
.
21
2.2 高分子材料的力学性能
序号类型
1
2
硬而脆硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩体积形变压缩应变
F
扭转
F
.
17
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
.
电子万能材料试验机
18
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
.
19

复合材料概述PPT课件

因此，基体开裂并不导致突然失效，材料的最终失效应变大于基体的失效应变。
.
2、高温力学性能室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模
量提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然后强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化显然与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
其中一个组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体。增强相或增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作分散相；复合材料中的另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为基体相。
1、室温力学性能
对陶瓷基复合材料来说，陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起的开裂。材料的拉伸失效有两种：
第一：突然失效。如纤维强度较低，界面结合强度高，基体较裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。
第二：如果纤维较强，界面结合较弱，基体裂纹沿着纤维扩展。纤维失效前纤维/基体界面在基体的裂纹尖端和尾部脱粘。
.
复合材料是由多相材料复合而成，共同特点主要有三个：
(１)综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。 (3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。

《复合材料》PPT课件(2024)

优异的抗疲劳性能
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命，适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低温工作条件。
2024/1/26
25
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建筑结构部件，如梁、板、柱和墙体等，具有轻质、高强度和耐腐蚀等优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑材料使用，如复合地板、复合门窗和复合墙板等，具有美观、环保和耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑装饰装修领域，如吊顶、隔断和家具等，具有多样化的外观和优良的性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐雾等能力。
加速老化试验

材料导论第十四章复合材料ppt课件

混凝土＝水泥+砂+石
复合材料的种类
金属基
陶瓷基
按基体相分
聚合物基
水泥基
复合材
按增强相的形态分
颗粒增强纤维增强晶须增强
碳纤维玻璃纤维有机纤维
复合纤维
料
编织物增强
按用途分
结构复合材料承受载荷，作为承力结构使用
功能复合材料
电、磁、光、热、声、摩擦、阻尼、化学分离性能
复合材料的特点
多相: 至少两相复合效应：不仅保留了原组成材料的特色，而且
3、石墨/镁复合材料
这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤维的润湿性。
金属基复合材料
长纤维增强金属基复合材料
4、碳化硅/钛复合材料
碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反应小，润湿性好。
主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。
5、氧化铝/铝复合材料
氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。
金属基复合材料
1、氧化铝/铝复合材料
短纤维/晶须增强金属基复合材料 2、碳化硅/铝复合材料 3、氧化铝/镍复合材料
突出特点
性树脂基体—热塑性玻璃钢。
密度低：1.6～2.0g/cm3；
比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；
耐烧蚀
耐腐蚀
应用
航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。火箭：发动机壳体、喷管。汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等

西安交通大学范群成材料课件4

一些溶质元素在一价Cu中的最大溶解度溶质元素原子价（ VB ）最大溶解度 (摩尔分数 x ) Zn 2 38% Ga 3 20% 1.40 Ge 4 12% 1.36 As 5 7% 1.28
电子浓度（ e / a） 1.38
THE END
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MgCu2结构
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拉弗相中小原子分布和四面体堆垛方式 a) MgCu2 b) MgZn2 c) MgNi2
THE END
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1) 代换前后离子的总电价必须相等 (1) 等价代换如: K[AlSi3O8]→(K,Na)[AlSi3O8]→ Na[AlSi3O8] 钾长石钠长石偶合代换 (2) 异价代换附加阴离子代换混合代换偶合代换如: Na[AlSi3O8] → Ca[Al2Si2O8] 钠长石钙长石 Na++Si4+ ← Ca2++Al3+ THE END
2) 有序固溶体（超结构）能量条件 E AB 形成条件成分条件 A、B成一定比例温度条件低于一定温度例如，Cu-51wt%Au 合金，390℃以上为无序固溶体，缓冷到390℃以下时形成无序固溶体 α ′(Cu 3 Au ) 性能突变，如：电阻率↓，顺磁性→铁磁性，强度↑，硬度↑，塑、韧性↓ THE END

复合材料PPT教学课件

原有材料的特点，又使各组分间协同作用，形成了优于原材料的特性。
4 复合材料的分类：
（1）按基体分类
树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料
（2）按增强体的形状分类
颗粒增强复合材料夹层增强复合材料纤维增强复合材料
二形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能，而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材料有哪些优越性？它为什么会具有这些优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机械和化工机械的制造，以及医学上人体组织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结复合材料
认识复合材料
基体增强体
形形色色的复合材料

复合材料课件ppt

直升飞机——它的桨叶采用玻璃纤维或碳纤维布等不同结构形成，具有抗疲劳性，使直升飞机在高空中保持稳定，平行，充分发挥复合材料的结构特性。
小飞守角制作
复合材料在医疗上的应用
例如：假肢、关节、CT设备、身心保健设备、超声诊断仪装置、磁共振诊断装置、残疾人辅助工具等
残疾人轮椅—— 它采用玻璃纤维增强尼龙树脂，特殊加气加压成型，轻质高强、造型轻便、外观灵巧，便于残疾人士生活自理。
E51
F51
双氰胺
DCMU 丙烯酰胺
配方1
70
20
50
7
2.8
0
配方2
70
20
50
7
2.8
2
配方3
70
20
50
配方4
70
20
50
7
2.8
5
7
2.8
8
Time/min
200
160
120
80
40
0
90 100 110 120 130
Temperature/℃
图1 四种配方的凝胶时间-温度曲线
小飞守角制作
1.
按基体材料分类
3.
按复合材料的性能分类
小飞守角制作
1.复合材料按基体材料分类复合材料
聚合物基陶瓷基金属基
井盖
氟金云母
TPD钻头
小飞守角制作
2.复合材料按增强相形状分类
材料和层状
钛标准件
塑
料
复合材料粒子增强
增
韧
剂
纤维增强
玻璃纤维垃圾桶
小飞守角制作
3.复合材料按性能分类
功能

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系数的特点。
西安交大复合材料课件
（3）纤维―铜（或合金）复合材料由石墨纤维与铜（或铜镍合金）组成的材料。为了增强石墨纤
维和基体的结合强度，常在石墨纤维表面镀铜或镀镍后再镀铜。石墨纤维增强铜或铜镍合金复合材料具有高强度、高导电性、低的摩擦因数和高的耐磨性，以及在一定温度范围内的尺寸稳定性。
4．纤维―陶瓷复合材料用碳（或石墨）纤维与陶瓷组成的复合材料能大幅度提高陶瓷的冲击韧性和抗热振性，降低脆性，而陶瓷又能保护碳（或石墨）纤维在高温下不被氧化。因而这类材料具有很高的强度和弹性模量。除上述三大类纤维增强复合材料外，近年来研制了多种纤维增强复合材料，例C/C复合材料、混杂纤维复合材料等。
它是用碳纤维作底丝，通过气相沉积法而制得。具有高熔点、高强度、高弹性模量。其突出特点是具有优良的高温强度，在 1100℃时其强度仍高达210西0安M交Pa大。复合材料课件
（5）Kevlar有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）特点：比强度、比模量高；其强度可达2800～3700MPa；密度
小，只有1.45 g/㎝3；耐热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。
西安交大复合材料课件
（2）碳纤维―树脂复合材料
最常用的是碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料，具有高强度、高弹性模量、高比强度和比模量，还具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐蚀性及耐热性。缺点是纤维与基体结合力低。
（3）硼纤维―树脂复合材料
主要由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成。具有高的比强度、比模量，良好的耐热性。其缺点是各向异性明显。
2．纤维―树脂复合材料（1）玻璃纤维―树脂复合材料
亦称玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢。 1）热塑性玻璃钢它是由20%～40%的玻璃纤维和60%～80%的热塑性树脂（如尼龙、 ABS等）组成，具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低热膨胀系数。
西安交大复合材料课件
2) 热固性玻璃钢它是由60%～70%玻璃纤维（或玻璃布）和30%～40%热固性树脂（环氧、聚酯树脂等）组成。主要优点：密度小、强度高，耐蚀性、绝缘性、绝热性好；吸水性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。缺点：弹性模量低，热稳定性不高，只能在300℃以下工作。
应用：主要用于制造飞机和航天器的蒙皮、航空发动机叶片等。
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2）石墨纤维―铝（或合金）基复合材料。
由Ⅰ型碳纤维与纯铝或形变铝合金、铸造铝合金组成。
特点：具有高比强度和高温强度，在500℃时其比强度为钛合金的1.5倍
应用：主要用于制造航天飞机的外壳、飞机蒙皮。
3）碳化硅纤维―铝（或合金）复合材料
特点：强度高，抗拉强度可达1000～3000MPa；弹性模量比金属低得多，为（3～5）×104MPa；密度小，为2.5～2.7g/cm3；化学稳定性好；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘等。
缺点：脆性较大、耐热性低，250℃以上开始软化。
优点：价格便宜、制作方便
（2）碳纤维
碳纤维是人造纤维（粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等），是在200～ 300℃空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下于1000～1500℃的高温中进行碳化处理而制得。其碳含量 Wc85%～95%。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称Ⅱ型
6.3 常用的复合材料
一、纤维增强复合材料
1．常用增强纤维
主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar有机物纤维等。
玻璃纤维布
玻璃纤维绳玻璃纤维纸
纳米碳管纤维
西安交大复合材料课件
玻璃纤维绳
碳纤维绳

（1）玻璃纤维
按玻璃纤维中Na2O和K2O的含量不同，可将其分为无碱纤维（碱的质量分数<2%）、中碱纤维（碱的质量分数为2%～12%）、高碱纤维（碱的质量分数>12%）。随着碱量的增加，玻璃纤维的强度、绝缘性、耐蚀性降低。
碳纤维。
西安交大复合材料课件
在2500～3000℃高温的氩气中进行石墨化处理，就可获得含碳量为Wc98%以上的碳纤维，又称石墨纤维或高模量碳纤维，也称Ⅰ 型碳纤维。
特点：与玻璃纤维相比，碳纤维具有密度小（1.33～2.0g/㎝3），弹性模量高（2.8～4×105MPa）；高温及低温性能好，导电性好、化学稳定性高、摩擦因数小、自润湿性好。
它是由碳化硅纤维与纯铝（或铸造铝合金、铝铜合金等）组成的复合材料。
特点：具有高的比强度、比模量，硬度高。
应用：用于制造飞机机身结构件及汽车发动机的活塞、连杆等。
（2）纤维―钛合金复合材料
由硼纤维或改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金（Ti—6Al—4V）组成。它具有低密度、高强度、高弹性模量、高耐热性、低热膨胀
3．纤维―金属（或合金）复合材料纤维增强金属复合材料是由高强度、高模量的脆性纤维（碳、硼、碳化硅纤维）与具有较高韧性及低屈服强度的金属（铝及其合金、钛及其合金、铜及其合金、镍合金、镁合金、银铅等）组成，具有高的横向力学性能、高的层间剪切强度；冲击韧性好、高温强度高、耐热性、耐磨性、导电性、导热性好；不吸湿、尺寸稳定性好、不老化等优点。（1）纤维―铝（或合金）复合材料 1）硼纤维―铝（或合金）基复合材料。硼和铝在高温易形成AlB2，与氧易形成B2O3，故在硼纤维表面要涂一层SiC以提高硼纤维的化学稳定性。特点：具有高弹性模量，高抗压强度、抗剪强度和疲劳强度。
（4）碳化硅纤维树脂复合材料
由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料，具有高的比强度、比模量。
（5）Kevlar纤维树脂复合材料
由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。主要性能特点是抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维―环氧树脂复合材料相似；延性好，与金属相当；其耐冲击性超过碳纤维增强塑料；其疲劳抗力高于玻璃钢和铝西安合交金大复；合减材振料课能件力为钢的8倍。
缺点：脆性大、易氧化（3）硼纤维
它是用化学沉积法将非晶态的硼涂覆到钨丝上而制得的。具有高熔点（ 2300℃ ）、高强度（ 2450 ～ 2750MPa ）、高弹性模量（3.8～4.9×105MPa）。具有良好的抗氧化性、耐蚀性。
缺点：密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、价格昂贵。（4）碳化硅纤维