常见的复合材料有玻璃钢和碳纤维增强复合材料26页PPT

复合材料的增强材料
3.1 玻璃纤维 3.2 碳纤维 3.3 芳纶纤维 3.4 超高分子量聚乙烯纤维
3.5 碳化硅纤维
3.6 硼纤维 3.7 氧化铝纤维 3.8 纳米增强材料 晶须和碳纳米管 蒙脱土 无机纳米粒子
3.1.1 玻璃纤维的类型、成分及性能(1)
E 玻璃纤维 无碱玻璃，一种硼硅酸盐玻璃（碱金属氧化物含量低）； 良好的电气绝缘性及机械性能，但易被无机酸侵蚀； 广泛用于生产电绝缘材料、玻璃钢等。 C 玻璃纤维 中碱玻璃，耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能、机械强度差低； 我国中碱玻纤占据玻纤产量的 60%，广泛用于玻璃钢的增强以及过滤
同时喷少量树脂使纤维网固定成形，然后将成形的纤维网片移入金 属模具中，注入树脂热压成形，即得制品。对于这种工艺的无捻粗
纱的性能要求与对喷射无捻粗纱的要求基本相同。
短切原丝与磨碎纤维
短切原丝
用于玻璃钢的短切原丝又分为热固性树脂（ BMC）用短切原丝
和热塑性树脂用短切原丝两大类。
增强热塑性塑料要求用无碱玻璃纤维，它强度高、电绝缘性好、 原丝集束性好、流动性好、白度较高。 增强热固性塑料要求原丝集束性好、浸透树脂快、机械强度及 电气性能好。
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13.0
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玻璃纤维的拉伸强度随长度增加而下降！
影响玻纤强度的因素—化学组成、表面缺陷
品种 A 玻纤 80-150 500-700 强度/ MPa 2000 7000 E 玻纤 80-150 600-800 2100 3000 铝硅酸盐 玻纤 80-150 800-1000 2500 3300 石英 玻纤 80-150 2000 4000 表面缺陷 状况 表面有微裂纹
玻璃纤维纱
玻璃纤维纱是玻璃纤维的加捻合股纱.它的电绝缘性能好,强度高,吸湿 少,耐高温,适用于作电机电器绕组线的绝缘材料和其它工业用纱。

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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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

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。

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

粗纤维： 30μm；初级纤维：20μm 中级纤维：10μm～20μm； 高级纤维：3μm～10μm(亦称纺织纤维)； 超细纤维：单丝直径小于4μm。
单丝直径的不同，不仅纤维的性能有差异，
而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般
5μm－10μm纤维作为纺织制品用；10μm－14μm
的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等
以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃； 以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可 以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容 易排除，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而 达到助溶的目的。 氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度、电 绝缘性和化学稳定性会相应的降低
•
导电纤维 等
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无捻粗纱
玻璃粉
短切纤维
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1.2 玻璃纤维的结构与组成
1.2.1 玻璃纤维的物态
•玻璃纤维是纤维状的玻璃。 •玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体。 •定义：
由熔融态过冷时因粘度增加而具有固体物理机 械性能的无定形物体，各向同性的均质材料。
•特点：没有固定的熔点
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1.2.2 玻璃纤维的结构 网络结构假说
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玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均 一性，使微裂纹产生的机会减少；玻璃纤维的 断面较小，使微裂纹存在的几率也减少，从而 使玻璃纤维强度增高。
分子取向假说：
在玻璃纤维成型过程中，由于拉丝机的牵引 作用，使玻璃纤维分子产生定向排列，从而提高 了玻璃纤维强度。
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影响玻璃纤维强度的因素：
① 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 直径越细，拉伸强度越高 随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降
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PPT课件
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汇报交流
3 复合材料分类
按基体分
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
按增强体分
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
PPT课件
5
汇报交流
常见复合材料
PPT课件
6
汇报交流
碳纤维复合材料分类
碳纤维增强热固性树脂复合材料（CFRTS） 碳纤维增强热塑性树脂复合材料（CFRTP） 碳纤维增强碳基复合材料（C/C） 碳纤维增强金属基复合材料（CFRM） 碳纤维增强陶瓷基复合材料（CFRC） 碳纤维增强橡胶基复合材料（CFRR） 碳纤维增强木材复合材料（CFRW）
PPT课件
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汇报交流
四、笔记本外壳现状
1 聚碳酸酯-工程塑料 （PC-ABS）
PC：优良耐热耐候性、尺寸稳定性和耐冲击性能 ABS: 优良的加工流动性、耐磨性、染色性、成型加工性。万元以下 笔记本电脑中，70%采用的都是以ABS为主的工程塑料 优点：成本较低 、易于加工 、尺寸稳定性好，性价比高 缺点：质量较重 、散热性不佳
PPT课件
9
汇报交流
3、工业领域的应用
① 风力发电 据预测，到2020年中国市场将需求超过2.5万台大 容量风机，合计需要CFCM 30000吨。
②碳纤维汽车 汽车传动轴、发动机罩、上下悬架臂等 ③石油开采 抽油杆、张力腿平台、管材等
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汇报交流
4、体育休闲 羽毛球拍、网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆 5、建筑补强
增强体（ reinforcement）——分散相
组成
基体（ matrix）——连续相
PPT课件
3
汇报交流
2 复合材料特点

增强的磨损比玻纤增强的约小10倍。碳纤维增强塑料
具有良好的自润性能，因此可用于制造无油润滑活塞
环、轴承和齿轮。如用石棉之类的材料与塑料复合，
则与上述情况相反，可得到摩擦系数大、制动效果好
的
摩
阻
材
料
。
[1] p为滑动轴承投影面的压强（MPa），v为滑动
线速度（m/s），各种塑料及其复合材料均有一个允
许最高承载能力的p值；与允许最高滑动线速度的v值。
金属基复合材料非金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料纤维增强塑料玻璃钢纤维增强橡胶轮胎纤维增强陶瓷纤维增强金属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料复合材料二复合材料的性能特点二复合材料的性能特点纤维增加材料的比强度及比模量远高于金属材料特别是碳纤维环氧树脂复合材纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展改变裂纹扩展的方向
复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。
按
金属基复合材料
基
铝基复合材料
体
钛基复合材料
相
铜基复合材料
的
性
非金属基复合材料
质
塑料基复合材料
分
橡胶基复合材料
陶瓷基复合材料
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纤维增强复合材料
按
纤维增强塑料（玻璃钢）
增
纤维增强橡胶（轮胎）
强
纤维增强陶瓷
相
纤维增强金属
的
颗粒增强复合材料
形
态 分
纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止 疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。

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• 工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料 作为散热元件和基板。
选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导 热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、 碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高 比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成 为解决高集成电子器件的关键材料。
无 机 非
陶 瓷
晶须
颗粒
晶须/金属基复合材料 弥散强化合金材料
晶须/陶瓷基复合材料
粒子填充塑料
金 玻 纤维
属 材
璃 颗粒
纤维/树脂基复合材料
料
纤维 碳纤维/金属基复合材料 碳纤维/陶瓷基复合材料 碳纤维/树脂基复合材料
碳
炭黑
颗粒/橡胶；颗粒/树脂基
有机 有机纤维
高分 子材
塑料
料 橡胶
金属/塑料
纤维/树脂基基体金属与增强物的相容性
金属基复合材料需要在高温下成型，制备 过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与 金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应 层。界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一 定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长 小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤 维断裂，导致复合材料整体破坏。
– 基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟 的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处 于研究阶段。
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9.3.1.3 功能用金属基复合材料的基体
• 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具 有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗 电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
• 仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、 铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的 层状复合材料比其原材料坚固40％。

纤维缠绕成型的主要特点是， 纤维能保持连续完整，制件线形可 按制品受力情况设计即可按性能要 求配置增强材料，结构效率高，制 品强度高；可连续化、机械化生产， 生产周期短，劳动强度小；产品不 需机械加工，但设备复杂。
拉挤成型
拉挤成型是一种连续生产固定截面 型材的成型方法。主要过程是将浸有树 脂的纤维连续通过一定型面的加热口模， 挤出多余树脂，在牵引条件下进行固化。
性能对比
碳纤维力学性能
加工成型方法
• 喷射成型 • 注射成型 • 纤维缠绕成型 • 拉挤成型
喷射成型
喷射成型是通过喷枪将短切纤维和雾化树 、 、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料。
RIM的基本原理是将两种反应物(高活性的液状单体或齐聚物)精确计量，经高压碰撞混合后充入模内，混合物在模具型腔内迅速发生聚
出色的耐热性(可以耐受电2000力℃以是上的高国温) 家能源的重中之重，作为典型的 清洁能源，核电具有很多优势，实现核电清 高强度（是钢铁的5倍）
当前，汽车工业正面临资源和环境的严峻挑战，推进汽车轻量化以降低油耗，是汽车工业发展的主题。 另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使击球时间延长,球被击得更远
拉挤成型的最大特点是连续成型， 制品长度不受限制，力学性能尤其是纵 向力学性能突出，结构效率高，制造成 本低，自动化程度高，制品性能稳定， 生产效率高， 原材料利用率高，不需要 辅助材料
碳纤维复合材料的应用
• 在体育方面的应用 • 在航天领域的应用 • 在石油开发中的应用 • 在核电站中的应用 • 在电动汽车上的应用
料不同的是，其外
形有显著的各向

异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现
出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强

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日本碳公司是利用烧结法生产碳化硅纤维的 主要厂家，系列商品名为Nicalon纤维和 Tyranno纤维。
80年代末，日本又发展了含Ti碳化硅纤维。 碳化硅纤维虽有其性能特点，但价格昂贵，应用 尚未广泛。
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6. 3 碳化硅纤维的结构
研究表明碳化硅纤维中含有β—SiC微晶 及少量石墨微晶和α—石英微晶，这些微晶大 小约为5纳米左右，因此可以认为 碳化硅纤维 是由β—SiC微晶、少量石墨微晶和α—石英微 晶组成的均匀分散体。
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(1)力学性能
优异力学性能（均匀分散的微晶凝聚力 大）以在日本碳公司进行中试生产，产品名 称尼卡纶为代表，其主要性能如下表所示：
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尼卡纶的一般性质
从表中可看出，尼卡纶的强度与韧性接近于
硼纤维。
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纤维
Nicalon CVD-W芯 CVD-C芯
Tyranno 晶须
表 各种SiC纤维的力学性能比较
数值 420 165~179 4.68~5.0
表3.7 改进的特大直径钨芯硼纤维的性能
纤维直径，微米
处理状态
142
未处理
406
Байду номын сангаас
未处理
382
表面化学抛光
382
热处理+化学抛光
平均拉伸强度，GPa 3.8 2.1 4.6
15
5.7
4.5 硼纤维的应用
硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料。
由于 卓越的性能 和 昂贵的价格，硼纤维增强复合材料主
CH3 SiCl3 + H2 SiC + HCl + ••• 烧结法：1975年由日本的关岛教授首先研制成 功。纤维呈束状，每束500根左右，每根纤维 10 um 左右。先驱体转化法制备碳化硅纤维工 艺流程：聚碳硅烷合成、聚碳硅烷纺丝、不熔化 处理、烧结等阶段。