复合材料增强体的种类与性能

决定复合材料的成型工艺方法及工艺参数的选择；
保护纤维免受各种损伤。
此外，对复合材料如横向性能、纵向拉伸、压缩性能、疲劳性能、断裂韧性等也有一定的 影响。
界面的基本概念和粘结理论
界面是复合材料的三要素之一。 对于纤维增强复合材料来说，没有一个良好结合的界面，纤维增强作用和基体应力转移过 程就无从谈起。 界面结构和性质上的复杂性以及界面本身表征的难度，有必要对界面的基本概念和界面内 的作用作些概述。
玻璃钢应用于体育用品
有机纤维 超高分子量聚乙烯纤维
芳纶纤维纤维)是芳香族聚酰胺类纤维的总称。最常用的为Kevlar-49。 ➢ 主要性能： • 高强度：3773MPa • 高模量：127～158GPa • 抗冲击性好：约为石墨纤维的6倍、硼纤维的3倍； • 低密度：1.44～1.45，只有铝的一半； • 热膨胀系数：纤维向-2×10-6/K，横向59×10-6/K。
(c)
许多高聚物表面，或经改性后的表面，或带有涂层剂的表面，都会存在许多游离或伸出的官能 团。这些官能团的正、负极性端会吸附在相应的阴离子或阳离子表面上，构成相互作用区，如 图(d)所示。
(d)
静电吸引作用较化学键要弱得多，但在良好接触的极性表面间，或能够形成较多的次价键作 用时，对界面强度的提高，就是不可忽视的一种作用形式。
Matrix materials
Polymer (Resin) matrix Metal matrix Ceramic matrix
纤维增强树脂基材料中基体的主要作用有：
将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维之间传递载荷，并使载荷均衡；
决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、剪切性能、耐介质性能 (如耐水性、耐化学性)等；
石墨晶体结构与乱层结构图 a—石墨晶体的重叠状态；b—乱层结构的重叠状态
一级结构单元 石墨层片
La<20nm
碳纤维的结构
二级结构单元
石墨微晶 （乱层结构）
三级结构
石墨原纤 （条带结构）
碳纤维
是宽度约为20 nm，长 度为几百纳米的细长条 带结构。
微晶之间被无定形结构 隔开
条带不是笔直沿纤维方 向；
表 面 裂 纹
表 面 毛 纤
表面沉积物 表面机械损伤
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。
Carbon fiber
碳纤维的结构
芳纶纤维发展历史
也称Kevlar或芳纶，即芳香族聚酰胺纤维 1）1960年，美国杜邦研制出Nomex——聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，即芳纶1313，耐热纤维 2）1965年，杜邦研制出Kevlar——聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，即芳纶1414，高强高模量纤维 3）1974年，美国联邦通商委员会把全芳香族聚酰胺命名为Aramid。
3530 4410 4900 5490 6370 4700 4400 4020 4020 3820 5490
弹性模量 （GPa)
230 250 230 294 294 343 377 436 540 588 294
延伸率（%）
1.5 1.8 2.1 1.9 2.2 1.4 1.2 0.9 0.8 0.7 1.9
耐化学药品玻璃纤维（C玻璃纤维）
分 类
耐碱玻璃纤维（ AR玻璃纤维：alkali-resistant ）
低介玻璃纤维（ D玻璃纤维：dielectric ）
高硅氧玻璃纤维
石英玻璃纤维
纤维种类
E-玻纤 S-玻纤 M-玻纤 棉纤维 铝合金
典型GF的力学性能
密度
2.54 2.44 2.89 1.5 2.7
通常认为界面不是一个单一的结合面，而是有一定厚度和不同作用区域的界面层。许多研 究表明，纤维增强复合材料的界面是一个界面层。
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。
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，或称为相互作用区。
垂直纤维向0.837 W /(m·K) • 导电性好：高模量CF比电阻755μΩ·cm
高强度CF比电阻1500μΩ·cm
Carbon fiber
碳纤维的化学性能
• 抗氧化性好：除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，温度高于400℃时出 现明显的氧化，生成CO和CO2；
• 耐热性：在不接触空气和氧化气氛时，碳纤维要在1500 ℃强度才开始下降； • 耐油、抗辐射、吸收有毒气体、减速中子等。
(a)
化学键的作用 化学键的作用形式如图(b)所示，是带有A基团的物质与具有B基团的物质相互接触时，因A、 B基团的化学反应，使两物质以化学键接形式结合在一起，构成界面。该界面的强度直接取 决于化学键的数量与类型。由于化学键的结合能量较高，因此这类界面的相对稳定性较好， 不易破坏。
(b)
静电吸引 静电吸引是两个相互靠近的表面间因各自所带电荷的极性不同而产生的相互吸引作用。这种 作用从广义上说，既可以是持久静态作用，也可以是瞬间变化作用，属范德华力的作用。由 静电吸引产生的界面粘结效果，在很大程度上取决于表面电荷的密度和两表面相互接触的程 度，其作用形式如图(c)所示。
按化学组成分为（碱金属氧化物含量）
有碱玻璃纤维 >12%;
中碱玻璃纤维 6% ~12%；
低碱玻璃纤维 2% ~ 6% ；
微碱玻璃纤维 <2%（无碱玻璃纤维） 按纤维使用特性分为
普通玻璃纤维（A-GF）
玻
电工用玻璃纤维（E玻璃纤维）
璃
高强型玻璃纤维（S 玻璃纤维）
纤 维
高模量型玻璃纤维（M-GF）
的
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)
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。
事实上，机械锁结是一种宏观现象，在微观的接触面上，必定存在前述三种作用形式，故大多数 高聚物间的界面作用形式是这里所述几种形式的复合。
芳纶纤维布
芳纶手套 芳纶绳索、环形带（套管）
Kevlar纤维的制造
• 芳香族聚酰胺是由酰胺键与两个芳环连接而成的线性聚合物。芳香族聚酰胺中最具代表性的 首称聚对苯二甲酰对苯二胺(Poly-p-phenylene terephthalamide)，简称PPTA。
Glass fiber
玻璃纤维：将熔融的玻璃液以极快的速度拉成细丝而成。 质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布，玻璃带等织物。
玻璃纤维无捻粗纱
短切纤维
玻璃纤维的组成
SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离子结构物质。 （1） SiO2：作用：形成基本骨架，高熔点。 （2） 金属氧化物 Al2O3、 CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3等， 作用： ① 改善制备玻璃纤维的工艺条件： Na2O、 K 2O； ②使玻纤具有一定特性。 BeO：提高模量； B2O3：提高耐酸性，改善电性能，降低熔点、黏度。但模量和强度下降。
条带之间有针形孔隙， 孔隙与纤维轴有一定夹 角
数张或 数十张
乱层结构；
层片之间的距离比理想晶体 的大
碳纤维的结构模型
普通型
高强度型 高模量型
碳纤维强度与微晶的大小
拉伸强度与微晶尺寸的平方根成反比， 细晶化是提高材料强度的主要措施之一。 原因：
减缓了在晶界处产生的残余应力，这也就减缓了产生裂纹的力； 裂纹在穿越晶界继续扩张时要改变方向，消耗较多能量； 晶界面积较大，塑性变形能大，裂纹在扩张过程中也需要消耗较大能量；
对低分子物来说，可以因为分子或原子在界面的位移或换位，使物质转移和相互渗透。这也会 产生一扩散的过渡层，形成两物质间的粘结，其粘结强度取决于分子之间的作用力。
界面间作用 扩散缠结 纤维增强复合材料大都是高聚物间的复合粘结。两种高聚物表面的大分子头端或支 链的伸出端，会在其间作用面上产生相互的扩散、纠缠，形成分子网络，如图(a)所示。
比拉伸强度 MPa 3500 4700 3700
300～400 40～460
比弹性模量 GPa 72 87 118
10～12 72
玻璃纤维的物理性能
• 密度：2.4～2.9； • 耐磨性和耐折性：都很差； • 热性能：导热率小0.035W/（m·K），隔热性好—优良的绝热材料；耐热性好，软化点为550～
NOTE：只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作为CF的原料；有些纤维要经过予氧化处理后 才能符合要求。
Carbon fiber CF分类方法
根据原丝类型 根据碳纤维性能 根据碳纤维的功能 根据制造条件和方法
Carbon fiber 根据原丝类型
聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基
580℃；热膨胀系数4.8×10-6/K • 电性能：优良的电绝缘材料； • 光学性能：优良的透光材料；
玻璃纤维的化学性能
• C-玻纤：对酸的稳定性好，但对水的稳定性差； • E-玻纤：耐酸性较差，但耐水性较好； • C-玻纤和E-玻纤耐碱性接近，耐碱性好； • S-玻纤和M-玻纤的耐酸性和耐水性好，耐碱性也好于C-玻纤和E-玻纤。
在宏观上，表面、界面或接触面的概念都十分明确，边界也很容易确定；但在讨论接触面之间 的相互作用时，却是一个微观层次的概念。
其相互作用区可能是一种物理或化学的作用，也可能是一种分子相互纠缠的区域。这些在微观 上是很难区分其边界。