材料化學第9章復合材料

第9章復合材料Chapter9Composites2023/2/6本章內容1.復合材料概述2.復合材料分類3.復合材料的基體4.復合材料的增強相5.復合材料的復合原理6.復合材料的成型工藝2023/2/6學習目的掌握復合材料的特點；了解復合材料中基體和增強相的種類、特點和要求；理解復合材料的復合原理，包括混合法則、增韌機制和界面作用；了解復合材料的成型工藝。2023/2/6參考書目王榮國主編，復合材料概論，哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999聞荻江主編，復合材料原理，武漢理工大學出版社，1998魯云，先進復合材料，機械工業(yè)出版社，2004ASMInternational,Engineeredmaterialshandbook,Composites,Vol.1,Metals,Park,19872023/2/69.1復合材料概述三大材料：金屬無機非金屬有機高分子復合材料取長補短協同作用產生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能無機非金屬材料有機高分子材料金屬材料復合材料2023/2/6復合材料的定義國際標準化組織：由兩種以上在物理和化學上不同的物質組合起來而得到的一種多相固體材料。

《材料大詞典》

：復合材料是根據應用進行設計，把兩種以上的有機聚合物材料或無機非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補，從而制成的一類新型材料。2023/2/6《材料科學技術百科全書》

：復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設計使各組分的性能互相補充并彼此關聯，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡單混合有本質區(qū)別。

2023/2/6復合材料的特點：

1)

復合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面；2)

復合材料中各組元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；3)復合材料具有可設計性。可以根據使用條件要求進行設計和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結構的效能。2023/2/6基體和增強材料

MatrixandReinforcement基體——連續(xù)相增強材料——分散相也稱為增強體、增強劑、增強相等顯著增強材料的性能多數情況下，分散相較基體硬，剛度和強度較基體大?？梢允抢w維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體和增強體之間存在著界面。2023/2/6Schematicillustrationofcompositeconstituents2023/2/6復合材料歷史古代－近代－先進復合材料天然復合材料竹、貝殼，樹木和竹子:纖維素和木質素的復合體動物骨骼:無機磷酸鹽和蛋白質膠原復合而成

古代：使用、效仿

半坡人－－草梗合泥筑墻，且延用至今漆器－－麻纖維和土漆復合而成，至今已四千多年敦煌壁畫－－泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆

2023/2/6近現代:第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強塑料第二代：1960年到1980年，先進復合材料1965年英國科學家研制出碳纖維1971年美國杜邦公司開發(fā)出凱夫拉-49(Kevlar,p-phenyleneterephthalamide,相對密度1.43~1.45,無熔融溫度,500～570℃時分解

)1975年先進復合材料“碳纖維增強、凱夫拉纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料”用于飛機、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纖維增強金屬基復合材料以鋁基復合材料的應用最為廣泛。第四代：1990年以后，主要發(fā)展多功能復合材料，如智能復合材料和梯度功能材料等。2023/2/69.2復合材料的分類1.按增強材料形態(tài)分類(1)纖維增強復合材料：

①連續(xù)纖維復合材料：作為分散相的長纖維的兩個端點都位于復合材料的邊界處；

②非連續(xù)纖維復合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；(2)顆粒增強復合材料：微小顆粒狀增強材料分散在基體中；(3)板狀增強體、編織復合材料：以平面二維或立體三維物為增強材料與基體復合而成。其它增強體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強體

2023/2/6Classesofcomposites2023/2/62.纖維增強復合材料種類(1)玻璃纖維復合材料；(2)碳纖維復合材料；(3)有機纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復合材料；(4)金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料；(5)陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復合材料?；祀s復合材料兩種或兩種以上增強體與同一基體制成的復合材料可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復合材料的相互復合，即復合材料的“復合材料”。2023/2/63.按基體材料分類(1)聚合物基復合材料:以有機聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體；(2)金屬基復合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體；(3)無機非金屬基復合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體。2023/2/64.按材料作用分類(1)結構復合材料：用于制造受力構件；(2)功能復合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、導電、導磁、摩擦、屏蔽等）。同質復合材料（增強材料和基體材料屬于同種物質，如碳/碳復合材料）異質復合材料（復合材料多屬此類）。2023/2/62023/2/6復合材料系統(tǒng)組合分散相連續(xù)相金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料金屬材料金屬纖維纖維/金屬基復合材料鋼絲/水泥復合材料增強橡膠金屬晶須晶須/金屬基復合材料晶須/陶瓷基復合材料金屬片材金屬/塑料板無機非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復合材料纖維/陶瓷基復合材料晶須晶須/金屬基復合材料晶須/陶瓷基復合材料顆粒彌散強化合金材料粒子填充塑料玻璃纖維纖維/樹脂基復合材料顆粒碳纖維碳纖維/金屬基復合材料碳纖維/陶瓷基復合材料碳纖維/樹脂基復合材料炭黑顆粒/橡膠；顆粒/樹脂基有機高分子材料有機纖維纖維/樹脂基復合材料塑料金屬/塑料橡膠2023/2/6各種材料的發(fā)展狀況玻璃鋼和樹脂基復合材料

非常成熟廣泛的應用

金屬基復合材料

開發(fā)階段某些結構件的關鍵部位

陶瓷基復合材料及功能復合材料等

尚處于研究階段有不少科學技術問題有待解決2023/2/6復合材料的設計－－從常規(guī)設計向仿生設計發(fā)展仿照竹子從表皮到內層纖維由密排到疏松的特點，成功地制備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復合材料。仿照鮑魚殼的結構，西雅圖華盛頓大學的研究人員利用由碳、鋁和硼混合成陶瓷細帶制成了10微米厚的薄層，由此得到的層狀復合材料比其原材料堅固40％。仿照骨骼的組織特點，人們制造了類似結構的風力發(fā)電機和直升飛機的旋翼，外層是剛度、強度高的碳纖維復合材料，中層是玻璃纖維增強復合材料、內層是硬泡沫塑料。2023/2/69.3復合材料的基體材料復合材料的原材料：基體材料金屬材料陶瓷材料聚合物材料增強材料纖維晶須顆粒2023/2/69.3.1金屬基體材料

金屬基復合材料中的金屬基體起著固著增強物、傳遞和承受各種載荷(力、熱、電)的作用。基體在復合材料中占有很大的體積百分數。在連續(xù)纖維增強金屬基復合材料中基體占50%~70%的體積；須晶、短纖維增強金屬基復合材料中基體含量在70%以上；顆粒增強金屬基復合材料中根據不同的性能要求，基體含量在25%~90%范圍內變化，多數顆粒增強金屬基復合材料的基體約占80%~90%。金屬基體的選擇對復合材料的性能起決定性作用，金屬基體的密度、強度、塑性、導熱、導電性、耐熱性、抗腐蝕性等均將影響復合材料的比強度、比剛度、耐高溫、導熱、導電等性能。因此，在設計和制備復合材料時，需充分了解和考慮金屬基體的化學、物理特性以及與增強物的相容性等，以便于正確合理地選擇基體材料和制備方法。2023/2/69.3.1.1選擇基體的原則目前用作金屬基復合材料的金屬有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物等?；w材料成分的選擇對能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強物性能特點，獲得預期的優(yōu)異綜合性能、滿足使用要求十分重要。

2023/2/61.金屬基復合材料的使用要求—金屬基復合材料構件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據。在航天、航空技術中高比強度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。

作為航天飛行器和衛(wèi)星的構件宜選用密度小的輕金屬合金—鎂合金和鋁合金作為基體，與高強度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復合材料。2023/2/6高性能發(fā)動機：要求復合材料不僅有高比強度和比模量，還要具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。

如碳化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金復合材料可用于噴氣發(fā)動機葉片、轉軸等重要零件。在汽車發(fā)動機中要求其零件耐熱、耐磨、導熱、一定的高溫強度等，同時又要求成本低廉，適合于批量生產，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/鋁基復合材料。

如碳化硅/鋁復合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁復合材料可制作發(fā)動機活塞、缸套等零件。2023/2/6工業(yè)集成電路需要高導熱、低膨脹的金屬基復合材料作為散熱元件和基板。

選用具有高熱導率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復合成具有低熱膨脹系數和高熱導率、高比強度、高比模量等性能的金屬基復合材料，可能成為解決高集成電子器件的關鍵材料。2023/2/62.金屬基復合材料組成特點

增強物的性質和增強機理對基體材料的選擇也有影響。連續(xù)纖維增強金屬基復合材料，纖維是主要承載物體，纖維本身具有很高的強度和模量，如高強度碳纖維最高強度已達7000MPa，超高模量石墨纖維的彈性模量可高達900GPa,而金屬基體的強度和模量遠遠低于纖維。連續(xù)纖維增強金屬基復合材料中基體的主要作用應是以充分發(fā)揮增強纖維的性能為主，基體本身應與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強度。2023/2/6如碳纖維增強鋁基復合材料中純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強度鋁合金要好得多，使用后者制成的復合材料的性能反而低。在研究碳鋁復合材料基體合金優(yōu)化過程中，發(fā)現鋁合金的強度越高，復合材料的性能越低，這與基體和纖維的界面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性有關。2023/2/6對于非連續(xù)增強（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復合材料，基體是主要承載物，基體的強度對復合材料具有決定性的影響。因此要獲得高性能金屬基復合材料必須選用高強度鋁合金作為基體，這與連續(xù)纖維增強金屬基復合材料基體的選擇完全不同。如顆粒增強鋁基復合材料一般選用高強度鋁合金（如A365，6061，7075）為基體。2023/2/63.基體金屬與增強物的相容性

金屬基復合材料需要在高溫下成型，制備過程中，處于高溫熱力學非平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學反應，在界面形成反應層。界面反應層大多是脆性的，當反應層達到一定厚度后，材料受力時將會因界面層的斷裂伸長小而產生裂紋，并向周圍纖維擴展，容易引起纖維斷裂，導致復合材料整體破壞。另外，由于基體金屬中往往含有不同類型的合金元素，這些合金元素與增強物的反應程度不同，反應后生成的反應產物也不同，需在選用基體合金成分時充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強物浸潤復合，又有利于形成合適穩(wěn)定的界面的合金元素。如碳纖維(CF)增強鋁基復合材料中在純鋁中加入少量的Ti、Zr等元素明顯改善了復合材料的界面結構和性質，大大提高了復合材料的性能。2023/2/6

鐵、鎳等元素是促進碳石墨化的元素，用鐵、鎳作為基體，碳(石墨)纖維作為增強物是不可取的。因為鐵、鎳元素在高溫時能有效地促使碳纖維石墨化，破壞了碳纖維結構，使其喪失了原有的強度，制成的復合材料不可能具備高的性能。因此，選擇基體時應充分注意基體與增強物的相容性(特別是化學相容性)，并盡可能在復合材料成型過程中抑制界面反應。如:對增強纖維進行表面處理在金屬基體中添加其他成分選擇適宜的成型方法或條件縮短材料在高溫下的停留時間等。

2023/2/69.3.1.2結構復合材料的基體分為輕金屬基體和耐熱合金基體1.用于450℃以下的輕金屬基體目前最廣泛、最成熟的是鋁基和鎂基復合材料，用于航天飛機、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動機零件、剎車盤等2.用于450~700℃的復合材料的金屬基體鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強度高等特點，可在450～700℃使用，用于航空發(fā)動機等零件。

3.用于1000℃以上的高溫復合材料的金屬基體基體主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物。較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基復合材料尚處于研究階段。

2023/2/69.3.1.3功能用金屬基復合材料的基體要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能，如同時具有高力學性能、高導熱、低熱膨脹、高導電率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數和耐磨性等。單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要靠優(yōu)化設計和先進制造技術將金屬與增強物做成復合材料來滿足需求。主要的金屬基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。2023/2/6微電子技術的電子封裝集成電路：需用熱膨脹系數小、導熱性好的材料做基板和封裝零件，以便將熱量迅速傳走，避免產生熱應力，來提高器件可靠性。用于電子封裝的金屬基復合材料有：高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅基復合材料，高模、超高模石墨纖維增強鋁基、銅基復合材料，金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維增強鋁基、銅基復合材料，硼/鋁基復合材料等2023/2/6耐高溫摩擦的耐磨材料碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金屬及其合金的金屬基復合材料。高導熱和耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料碳（石墨）纖維、金屬絲、陶瓷顆粒增強鋁、銅、銀及合金等金屬基復合材料。耐腐蝕的電池極板材料等2023/2/69.3.2無機非金屬材料-陶瓷基體陶瓷是金屬與非金屬元素的固體化合物，其鍵合為共價鍵或離子鍵，與金屬不同，陶瓷不含有大量電子。一般而言，陶瓷比金屬具有更高的熔點和硬度，化學性質穩(wěn)定，耐熱性和抗老化性皆佳。陶瓷通常是絕緣體，雖然在高溫下導電，但導電性比金屬差得多。雖然陶瓷的許多性能優(yōu)于金屬，但它也存在致命的弱點，即脆性大、韌性差，很容易因存在裂紋、空隙、雜質等細微缺陷而破碎，引起不可預測的災難性后果，因而大大限制了陶瓷作為承載結構材料的應用。2023/2/6近年來的研究結果表明，在陶瓷基體中添加其他成分（如陶瓷粒子、纖維或晶須）可提高陶瓷的韌性。粒子增強雖能使陶瓷的韌性有所提高，但效果并不顯著。高強度的碳化硅晶須容易摻混在陶瓷基體中，增強陶瓷的作用明顯。用作基體材料的陶瓷一般應具有優(yōu)異的耐高溫性質、與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常用的陶瓷基體主要包括:玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。作為基體材料的氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2、莫來石(3Al2O3·2SiO2)等。它們的熔點在2000oC以上。氧化物陶瓷主要為單相多晶結構，除晶相外，可能還有少量氣相(氣孔)。2023/2/6

微晶氧化物的強度較高，粗晶結構的晶界面殘余應力較大，對強度不利。氧化物陶瓷的強度隨環(huán)境溫度升高而降低，但在1000oC以下降低較小。由于Al2O3和ZrO2的抗熱振性較差，SiO2在高溫下容易發(fā)生蠕變和相變，所以這類陶瓷基復合材料應避免在高應力和高溫環(huán)境下使用。

陶瓷基復合材料中的非氧化物陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物、硅化物。它們的特點是耐火性和耐磨性好、硬度高，但脆性大。碳化物和硼化物的抗熱氧化溫度約900~1000oC,氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度達1300~1700oC。氮化硼具有類似石墨的六方結構，在高溫(1360oC)和高壓作用下可轉變成立方結構的β-氮化硼，耐熱溫度高達2000oC,硬度極高，可作為金剛石的代用品。2023/2/6陶瓷基復合材料（CMC）2023/2/6CMC的應用2023/2/6C/C在航天領域中的應用C/C作為剎車盤碳/碳復合材料（C/C）2023/2/69.3.3聚合物基體

9.3.3.1聚合物基體的種類聚合物基復合材料應用很廣泛，作為復合材料基體的聚合物種類很多，大體上包括熱固性樹脂和熱塑性樹脂。

熱固性聚合物常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預聚物，經加熱或加固化劑發(fā)生交聯化學反應并經過凝膠化和固化階段后，形成不溶、不熔的三維網狀分子。主要包括:環(huán)氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹脂等。各種熱固性樹脂的固化反應機理不同，由于使用要求的差異，采用的固化條件也有很大差異。一般的固化條件有室溫固化、中溫固化(120oC左右)和高溫固化(170oC以上)。這類分子通常為無定形結構，具有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性能和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點。2023/2/6

熱塑性聚合物是一類線形或有支鏈的固態(tài)高分子，可溶可熔，可反復加工而不發(fā)生化學變化，包括各種通用塑料(聚丙烯、聚氯乙烯)、工程塑料(尼龍、聚碳酸酯等)和特種耐高溫聚合物(聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等)。這類高分子分非晶(或無定形)和結晶兩類，通常結晶度在20%~85%之間。具有質輕、比強度高、電絕緣、化學穩(wěn)定性、耐磨潤滑性好，生產效率高等優(yōu)點。與熱固性聚合物相比，具有明顯的力學松弛現象；在外力作用下形變大；具有相當大的斷裂延伸率；抗沖擊性能較好。2023/2/61.熱固性樹脂(1)不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂是指有線形結構的、主鏈上同時具有重復酯鍵及不飽和雙鍵的一類聚合物。不飽和聚酯的種類很多，按化學結構可分為順酐型、丙烯酸型、丙烯酸環(huán)氧酯型聚酯樹脂，其中，順酐型最為經典，一般由順酐、丙二醇、苯酐聚合而成。下式為比較常見的幾種不飽和聚酯結構。2023/2/6

鄰苯型不飽和聚酯間苯型不飽和聚酯雙酚Ａ型不飽和聚酯2023/2/6除此之外，還有許多通過植物干性油、烯丙醇、三羥甲基丙烷而烯丙基醚等單體改性或聚合而得的不飽和聚酯。不飽和聚酯樹脂在熱固性樹脂中工業(yè)化較早，是制造玻璃纖維復合材料的一種重要樹脂，在國外，聚酯樹脂占玻璃纖維復合材料用樹脂總量的80%以上。由于樹脂的收縮率高且力學性能較低，因此很少用它與碳纖維制造復合材料。但由于性價比合適，近年來隨汽車工業(yè)的快速發(fā)展，已開始大規(guī)模用玻璃纖維部分取代碳纖維與不飽和聚酯復合，如汽車多處部件制造采用的BMC(塊狀模塑復合物)材料即屬此類。2023/2/6

不飽和聚酯的主要優(yōu)點:工藝性良好，如室溫下粘度低，可在室溫下固化，常壓下成型，顏色淺，可以制作彩色制品，工藝裝置簡單，可采用多種措施來調節(jié)其工藝性能等；樹脂固化后綜合性能良好，并有多種專用樹脂適用于不同的用途，但其力學性能不如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂；價格比環(huán)氧樹脂低得多，只比酚醛樹脂略貴一些。主要缺點:固化時體積收縮率較大；成型時氣味和毒性較大；耐熱性、強度和模量都較低，易變形，很少用于受力較強的制品。主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中。2023/2/6不飽和聚酯分子鏈中含有不飽和雙鍵，在熱作用下，可以將這些不飽和鍵聚合或共聚起來，形成鏈間交聯。如，與苯乙烯配合，經熱共聚交聯，得到體型產物，以改善固化后樹脂的性能。所用苯乙烯既是稀釋劑，又是交聯劑。相似作用的單體還有多元丙烯酸酯、多烯丙基醚(三羥甲基丙烷二烯丙基醚等)、鄰苯二甲酸二烯丙基酯、甲基苯乙烯、異氰脲酸三烯丙酯等。所形成的固化樹脂性能不僅與聚酯樹脂本身的化學結構有關，而且與所選用的交聯劑結構及用量有關。同時，交聯劑的選擇和用量還直接影響著樹脂的工藝性能。不飽和聚酯復合材料在經歷熱交聯固化時，為提高其固化效率、增強性能，一般都使用少量合適的自由基引發(fā)劑，常用的包括過氧化二異丙苯、過氧化苯甲酰、過氧化環(huán)己酮等。2023/2/6(2)環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是聚合物復合材料中最為重要的一類基體材料，盡管目前可以獲得的環(huán)氧樹脂種類很多，但作為復合材料基體的環(huán)氧樹脂以雙酚A環(huán)氧為主，屬由雙酚A與環(huán)氧氯丙烷縮合而得，分子量可以從幾百到數千，常溫下為粘稠液體或脆性固體。雙酚A環(huán)氧樹脂的典型結構如下表示:

其它可以采用的環(huán)氧基體樹脂還包括:雙酚F環(huán)氧樹脂-分子量小，結構簡單，粘度較低，只有雙酚A環(huán)氧樹脂的1/3左右，所用固化劑與固化性能與雙酚A環(huán)氧相似。2023/2/6酚醛環(huán)氧是另一類環(huán)氧樹脂，其固化復合產物具有較高熱變形溫度與出色耐熱性，結構可表示為:

另外還有三聚氰胺環(huán)氧樹脂、有機硅環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯環(huán)氧樹脂、脂環(huán)類環(huán)氧、線性脂肪族環(huán)氧及環(huán)氧化干性油等。2023/2/6環(huán)氧樹脂可用于制備玻璃纖維、碳纖維復合材料，并得到廣泛應用。作為復合材料的基體，環(huán)氧樹脂具有許多突出的優(yōu)點，已固化的樹脂有良好的壓縮性能，良好的耐水、耐化學介質和耐燒蝕性能；熱變形溫度高。不足之處是，固化后斷裂伸長率低、脆性大。用環(huán)氧樹脂制備復合材料時，必須設法使樹脂上的環(huán)氧基團發(fā)生開環(huán)交聯固化，獲得具有高強度、高耐熱性等綜合性能的復合材料。這一過程需要專門的固化劑協同進行，常用的環(huán)氧固化劑包括多胺類、聚酰胺類、咪唑類、酸酐類等。有時，固化反應伴有小分子逸出，有時需要高壓進行。通常環(huán)氧基復合材料具有較高硬度和高耐熱性的同時，由于較大的剛性和交聯密度，其脆性也較大，抗沖擊性能不高。一般可通過拼用部分低分子量的液態(tài)端羧基丁腈橡膠(CTBN)增韌。增韌機理為，CTBN端羧基與環(huán)氧基開環(huán)酯化，在剛性的環(huán)氧交聯網中引入彈性的丁腈鏈段。2023/2/6

(3)酚醛樹脂

酚醛樹脂的制備可用下式表示:2023/2/6酚醛樹脂系酚醛縮合物，是最早實現工業(yè)化生產的一種樹脂，多作為膠粘劑、涂料及布、紙、玻璃布的層壓復合材料，酚醛樹脂大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強塑料，少量用于玻璃纖維復合材料、燒蝕材料。

依酚醛配比和使用催化劑的差別，所合成的酚醛樹脂分為熱固性和熱塑性酚醛樹脂兩大類。國內作為纖維增強塑料基體用的酚醛樹脂大多采用熱固性酚醛樹脂。酚醛樹脂的主要優(yōu)點包括，比環(huán)氧樹脂價格便宜；但也存在吸附性不好、收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高等缺點，因此較少采用酚醛樹脂來制造碳纖維復合材料。酚醛樹脂的含碳量高，因此可用來制造耐燒蝕材料，做宇宙飛行器再入大氣的防護制件，還被用作制造碳/碳復合材料的碳基體的原料，酚改性二甲苯樹脂已被用來制造耐高溫玻璃纖維復合材料。2023/2/6(4)乙烯基酯樹脂乙烯基酯樹脂是環(huán)氧丙烯酸酯類樹脂或稱不飽和環(huán)氧樹脂，是國外20世紀60年代初開發(fā)的一類新型聚合物，通常由低分子量環(huán)氧樹脂與不飽和一元酸(丙烯酸)通過開環(huán)加成反應制得。這類聚合物可單獨固化，但一般都將其溶解在苯乙烯等反應性單體的活性稀釋劑中來使用，把這類混合物稱為乙烯基酯樹脂，其典型化學結構式可表示為:

該類樹脂保留了環(huán)氧樹脂的基本鏈段，又有不飽和聚酯樹脂的不飽和鍵，可以室溫固化。匯集了這兩種樹脂雙重特性，使其性能更趨完善，這就是該樹脂最大的特點之一。經過多年的研究和發(fā)展，乙烯基酯樹脂已成為多品種的產品，以利于滿足各種不同使用的要求。2023/2/6(5)聚酰亞胺樹脂(PI)

聚酰亞胺樹脂是一類耐高溫樹脂，它通常有熱固性(不熔性)和熱塑性兩類，使用溫度可達180~316oC，個別甚至高達371oC。PI由芳香族四酸二酐與芳香族二胺經縮聚反應合成。實際上用于FRP的PI樹脂有兩類，一類是由活性單體封端的熱固性PI，如雙馬樹脂(雙馬來酰亞胺樹脂，BMI)、PMR-15；另一類是所謂的熱塑性PI，如NR-150系列、PEI等。2023/2/6

BMI樹脂是馬來酸酐與芳香族二胺反應生成預聚體，再高溫交聯而成的一類熱固性PI樹脂。密度1.35~1.40g/cm3,Tg為250~300oC,斷裂伸長為1.0%~2.0%。BMI具有優(yōu)異的綜合性能，使用溫度范圍寬(-65~230oC,超過環(huán)氧樹脂)，配方選擇范圍大，工藝性好、價格較低等，已用于飛機結構材料。缺點是較脆，斷裂韌性低。目前，通過各種增韌技術，雙馬樹脂的斷裂韌性可大幅度提高。

PMR(insitupolymerizationofmonomerreactants)聚合物(以單體反應形成的聚合物)是美國NASA研究中心發(fā)展出的一種新型加成性PI。它是由四酸二酐、二胺及封端單體二酸單酯(如降冰片烯二甲酸單乙酯)溶在低沸點酯類溶劑中形成的一種單體混合物，纖維在這種溶液中浸漬制成預浸料，在復合材料成型過程中單體縮聚，亞胺化得樹脂?，F已開發(fā)的PMR樹脂有2種牌號，即PMR-15和第二代PMR-11。PMR-15的Tg達360oC，可在316oC的高溫下使用；PMR-11的耐熱性更好，在316oC時的使用壽命至少比PMR-15高2倍。2023/2/62023/2/62.熱塑性樹脂熱塑性聚合物是指具有線形或支鏈型結構的一類有機高分子化合物，這類化合物可以反復受熱軟化(或熔化)，而冷卻后變硬。熱塑性聚合物在軟化或熔化狀態(tài)下，可以進行模塑加工，當冷卻至軟化點以下能保持模塑成型的形狀。屬于這類聚合物的有:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、聚苯硫等。在這些聚合物中，有一些已用于玻璃纖維增強塑料，但是用作碳纖維復合材料基體的目前還不多?？梢灶A見，隨著能源矛盾的加聚，隨著科學技術的發(fā)展，以熱塑性聚合物為基體的復合材料，也將會有很大的發(fā)展。熱塑性聚合物基復合材料與熱固性樹脂基復合材料相比，在力學性能、老化性能方面處于劣勢，但具有加工工藝簡單、工藝周期短、成本低、密度小等優(yōu)勢，汽車工業(yè)的發(fā)展為熱塑性聚合物基復合材料的研究和應用開辟了廣闊的天地。2023/2/6作為熱塑性聚合物基體復合材料的增強材料，除了連續(xù)纖維外，還用纖維編織物和短切纖維。一般纖維含量可達20%~50%。熱塑性聚合物與纖維復合可以提高機械強度和彈性模量、改善蠕變性能、提高熱變形溫度和熱導率、降低線膨脹系數、增加尺寸穩(wěn)定性、降低吸水性、抑制應力開裂與改善疲勞性能。早期的熱塑性聚合物基復合材料，主要是玻璃纖維增強的復合材料。用玻璃纖維增強的熱塑性聚合物基復合材料，在某些性能上不僅能達到一般熱固性聚合物基玻璃纖維復合材料的水平，有時甚至更優(yōu)。2023/2/6在短切碳纖維增強聚合物中，纖維長度一般為0.64~1.30cm，已研究或應用碳纖維增強的聚合物有尼龍、聚丙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚砜、聚苯醚、乙烯/四氟乙烯共聚物等。在聚合物中引入碳纖維可以降低材料的摩擦系數，其重要的應用是制造支架和閥門。在沖擊性能方面，碳纖維增強的聚合物基復合材料不如相應的玻璃纖維增強的復合材料，在工程上常選用玻璃纖維和碳纖維混雜增強材料。為了制造纖維增強熱塑性復合材料，需要改進材料模塑時的收縮性，還要研究如何防止撓曲等問題。要解決這些問題，不僅要改進纖維性能，而且還要研制有更好性能的熱塑性聚合物。后續(xù)介紹的是最常見的幾種熱塑性聚合物。2023/2/6(1)聚酰胺聚酰胺是具有許多重復的酰胺基(-CO-NH-)的一類線形聚合物的總稱，通常叫做尼龍。目前尼龍的品種很多，如尼龍-66、尼龍-6、尼龍-10、尼龍-1010等。此外，還有芳香族聚酰胺等。

聚酰胺分子鏈中可以形成具有相當強作用力的氫鍵，形成氫鍵的多少，由大分子的立體化學結構決定。氫鍵的形成，使聚合物大分子間的作用力增大，易于結晶，且有較高的機械強度和熔點。在聚酰胺分子結構中次甲基(-CH2-)的存在，又使分子鏈比較柔順，有較高的韌性。隨聚酰胺結構中碳鏈的增長，其機械強度下降；但柔性、疏水性增加，低溫性能、加工性能和尺寸穩(wěn)定性亦有所改善。聚酰胺對大多數化學試劑是穩(wěn)定的，特別是耐油性好，僅能溶于強極性溶劑，如苯酚、甲醛及間苯二胺等。2023/2/6(2)聚碳酸酯

聚碳酸酯具有下述化學結構:其中，n=100~500之間，工業(yè)生產聚碳酸酯分子量為25,000~70,000。

聚碳酸酯分子主鏈上有苯環(huán)，限制了大分子的內旋轉，減小了分子的柔順性。碳酸酯基團是極性基團，增加了分子間作用力，使空間位阻加強，也增大了分子的剛性。由于聚碳酸酯主鏈僵硬，熔點高達225~250oC，玻璃化溫度145oC，碳鏈的剛性使其在受力下形變減少，抗蠕變性能好，尺寸穩(wěn)定，同時又阻礙大分子取向與結晶，且在外力強迫取向后不易松弛。所以，在聚碳酸酯制件中常常存在殘余應力而難以自行消除。故聚碳酸酯碳纖維復合材料制件需進行退火處理，以改善機械性能。2023/2/6聚碳酸酯分子鏈中存在氧基，鏈段可以繞氧基兩端的單鍵發(fā)生內旋轉，使聚合物有一定的柔順性。碳基和氧基結合形成酯基，使聚碳酸酯易溶于有機溶劑，如三氯甲烷、二氯乙烷、甲酚等，但對非極性溶劑如油類是穩(wěn)定的。

聚碳酸酯可以與連續(xù)碳纖維或短切碳纖維制造復合材料，也可以用碳纖維編織物與聚碳酸酯薄膜制造層壓材料。例如，用粉狀聚碳酸酯配成溶液浸漬纖維氈，制造復合材料零件，纖維氈浸聚碳酸酯溶液后，先在真空中于110oC脫水干燥并預成型(纖維含量約20%)。纖維可以是玻璃纖維，也可以是HMG碳纖。用碳纖增強聚碳酸酯與用玻璃纖維增強聚碳酸酯比較，彈性模量有明顯增加而斷裂伸長率降低。2023/2/6(3)聚砜聚砜是指主鏈結構中含有砜基鏈節(jié)的聚合物，它的突出性能是可以在100~150oC下長期使用，其結構式:

聚砜結構規(guī)整，分子量5,000~100,000，主鏈多苯環(huán)，玻璃化溫度很高，約200oC，由于主鏈上S原子處于最高氧化態(tài)，故聚砜具有抗氧化性，即使加熱條件下也難以發(fā)生化學變化。二苯基砜的共軛狀態(tài)使得化學鍵比較牢固，在高溫或離子輻射下，也不會發(fā)生主鏈和側鏈斷裂。聚砜在高溫下使用仍能保持高的硬度、尺寸穩(wěn)定性和抗蠕變能力，但是聚砜的成型溫度高達300oC，這是一大缺點。聚砜分子結構中異丙基和醚鍵的存在，使大分子具有一定的韌性。它耐磨性好，且耐各種油類和酸類。有些聚砜具有低的可燃性和發(fā)煙性。2023/2/6碳纖維聚砜復合材料對宇航和汽車工業(yè)很有意義。波音公司已將碳纖維聚砜復合材料應用于飛機結構，并取得了明顯的經濟效果。如在無人駕駛靶機上用聚砜石墨纖維層壓板取代鋁合金蒙皮，可以降低20%的成本，減少16%的重量。近年來，熱塑性聚合物基材料不斷有新發(fā)展，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等聚酯與碳纖維復合，具有低的摩擦特性，是唯一超過聚四氟乙烯的材料。(4)聚醚醚酮(PEEK)PEEK是一種半結晶型熱塑性塑料，其玻璃化轉變溫度為143oC，熔點334oC，結晶度一般在20%~40%,最大結晶度為48%。PEEK在空氣中的熱分解溫度為650oC，加工溫度在370oC~420oC,室溫彈性模量與環(huán)氧樹脂相當，強度優(yōu)于環(huán)氧，斷裂韌性極高，具有優(yōu)秀的阻燃性。PEEK基復合材料可在250oC的溫度下長期使用。2023/2/6(5)聚苯硫醚(PPS)

結晶型聚合物，耐化學腐蝕性極好，在室溫下不溶于任何溶劑，可長期耐熱240oC。(6)聚醚砜(PES)

非晶聚合物，玻璃化轉變溫度為225oC，可在180oC下長期使用；有突出的耐蠕變性、尺寸穩(wěn)定性；熱膨脹系數與溫度無關，無毒、不燃。(7)熱塑性聚酰亞胺

聚醚酰亞胺(PEI)長期使用溫度為180oC；聚酰胺酰亞胺(PAI)Tg達280oC,長期使用溫度240oC。

總之，用熱塑性聚合物做復合材料的基體，將是發(fā)展復合材料的一個重要方向，特別是從材料來源、節(jié)約能源和從經濟效益上來講，發(fā)展這類復合材料有著重要意義。2023/2/69.3.3.2聚合物基體的作用

復合材料中的基體有3種主要作用:把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護纖維不受環(huán)境影響。制造基體的理想材料，其原始狀態(tài)應該是低粘度的液體，并能迅速變成堅固耐久的固體，足以把增強纖維粘住。盡管纖維增強材料的作用是承受復合材料的載荷，但是基體的力學性能會明顯地影響纖維的工作方式及其效果。例如，在沒有基體的纖維束中，大部分載荷由最直的纖維承受，基體使得應力較均勻地分配給所有纖維，這是由于基體使得所有纖維經受同樣的應變，應力通過剪切過程傳遞，這要求纖維和基體之間有高的膠接強度，同時要求基體本身也具有高的剪切強度和模量。2023/2/6

當載荷主要由纖維承受時，復合材料總的延伸率受到纖維的破壞延伸率的限制，這通常為1%~1.5%?；w的主要性能是在這個應變水平下不應該裂開。與未增強體系相比，先進復合材料樹脂體系趨于在低破壞應變和高模量的脆性方式下工作。

在纖維的垂直方向，基體的力學性能、纖維與基體之間的膠接強度控制著復合材料的物理性能。由于基體比纖維弱得多，而柔性大得多，所以在復合材料結構設計中應盡量避免基體的直接橫向受載。

基體、基體/纖維的相互作用能明顯地影響裂紋在裂紋中的擴展。若基體的剪切強度和模量以及纖維/基體的膠接強度過高，則裂紋可以穿過纖維和基體擴展而不轉向，從而使這種材料變成脆性材料，并且其破壞的試件將呈現出整齊的斷面；若膠接強度過低，則其纖維將表現得像纖維束，并且這種復合材料將很弱；對于中等膠接強度，橫跨樹脂或纖維擴展的裂紋會在界面轉向，并且沿著纖維方向擴展，這就導致吸收相當多的能量，以這種形式破壞的復合材料是韌性材料。

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在高膠接強度體系(纖維間載荷傳遞效率高。但斷裂韌性差)與膠接強度較低的體系(纖維間載荷傳遞效率不高，但有較高的韌性)之間需要折中。在應力水平和方向不確定的情況下使用的或在纖維排列精度較低的情況下制造的復合材料，往往要求基體比較軟，同時不太嚴格;在明確的應力水平情況下使用的和嚴格地控制纖維排列情況下制造的先進復合材料，應通過使用高模量和高膠接強度的基體以更充分發(fā)揮纖維的最大性能。2023/2/69.3.3.3聚合物基體的性能聚合物復合材料的綜合性能與所用基體聚合物密切相關。1.力學性能作為結構復合材料，聚合物的力學性能對最終復合產物影響較大。一般復合材料用的熱固性樹脂固化后的力學性能并不高。決定聚合物強度的主要因素是分子內及分子間的作用力，聚合物材料的破壞，無非是聚合物主鏈上化學鍵的斷裂或是聚合物分子鏈間相互作用力的破壞。

2023/2/6熱塑性樹脂與熱固性樹脂在分子結構上的顯著差別體現在前者是線形結構而后者為體型網狀結構。由于分子結構上的差別，使熱塑性樹脂在力學性能上有如下幾個顯著特點:具有明顯的力學松弛現象；在外力作用下，形變較大，當應變速度不太大時，可具有相當大的斷裂延伸率；抗沖擊性能較好。

復合材料基體樹脂強度與復合材料的力學性能之間的關系不能一概而論，基體在復合材料中的一個重要作用是在纖維之間傳遞應力，基體的粘接力和模量是支配基體傳遞應力性能的2個最重要的因素，這2個因素的聯合作用，可影響到復合材料拉伸時的破壞模式。2023/2/6

如果基體彈性模量低，纖維受拉時將各自單獨地受力，其破壞模式是一種發(fā)展式的纖維斷裂，由于這種破壞模式不存在疊加作用，其平均強度是很低的；反之，如基體在受拉時仍有足夠的粘接力和彈性模量，復合材料中的纖維將表現為一個整體，可以預料強度會是高的。實際上，在一般情況下材料表現為中等的強度，因此，如各種環(huán)氧樹脂在性能上無重大不同，則對復合材料影響是很小的。2023/2/62.聚合物的耐熱性能

從聚合物結構上分析，為改善材料耐熱性能，聚合物需具有剛性分子鏈、結晶性或交聯結構。為提高耐熱性，首先是選用能產生交聯結構的聚合物，如聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂等。此外，工藝條件的選擇會影響聚合物的交聯密度，因而也影響耐熱性。提高耐熱性的第二個途徑是增加高分子鏈的剛性，因此在高分子鏈中減少單鍵、引進共價雙鍵、叁鍵或環(huán)狀結構(包括脂環(huán)、芳環(huán)或雜環(huán)等)，對提高聚合物的耐熱性很有效果。2023/2/63.基體聚合物的耐化性化學結構和所含基團不同，表現出不同的耐化性，樹脂中過多的酯基、酚羥基，將容易首先遭到腐蝕性試劑的進攻，由此，也決定了所形成聚合物復合材料的最終耐化性。通常情況下，由環(huán)氧樹脂所形成的復合材料表現出較好的耐化學侵蝕性能。下表為常用熱固性樹脂的耐化學腐蝕性能。2023/2/64.聚合物的介電性能聚合物作為一種有機材料，具有良好的電絕緣性能。一般來講，樹脂大分子的極性越大，則介電常數也越大、電阻率也越小、擊穿電壓也越小、介質損耗角值則越大，材料的介電性能就越差。下表為部分常用熱固性樹脂的介電性能。2023/2/69.4復合材料的增強相增強材料(增強劑、增強相、增強體)-分散在基體內以改進其機械性能的高強度材料。纖維在復合材料中起增強作用，是主要承力組分，不僅能使材料顯示出較高的抗張強度和剛度，而且能減少收縮、提高熱變形溫度和低溫沖擊強度。復合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。增強材料的分類纖維及其織物晶須顆粒小片狀、板狀2023/2/6Typesofreinforcedcomposites2023/2/69.4.1纖維增強體天然纖維—植物纖維(棉花、麻類)、動物纖維（絲、毛）和礦物纖維（石棉）。強度較低(除強度較好的竹纖維曾用于聚合物復合材料，較少用于制造復合材料)現代復合材料的增強材料用合成纖維有機纖維(Kevlar、Nylon、PE等纖維)無機纖維(玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維等)2023/2/6Typesoffiberreinforcementorientationone-dimensionaltwo-dimensionalthree-dimensional2023/2/61.有機纖維(1)聚芳酰胺纖維AromaticPolyamideFiber,Kevlar,KF芳酰胺纖維是分子主鏈上含有密集芳環(huán)與芳酰胺結構的聚合物經溶液紡絲獲得的合成纖維，最有代表性的商品為Kevlar纖維，由DuPont公司1968年發(fā)明，在我國被稱為芳綸，20世紀80年代國內研發(fā)成功相似的聚芳酰胺纖維-芳綸-14和芳綸-1414。DuPont公司在該合成纖維方面有20余個品牌，如Kevlar-49(相當于國內芳綸-1414)、Kevlar-29(相當于國內芳綸-14)。Kevlar-49由對苯二胺與對苯二甲酸縮聚而得，結構式:2023/2/6

Kevlar-29來源于對氨基苯甲酸的自縮聚:

這種剛硬的直線狀分子鏈在纖維軸向是高度定向的，各聚合物鏈由氫鍵作橫向連接。沿著纖維方向的強共價鍵和橫向弱的氫鍵，是造成芳綸纖維力學性能各向異性的原因，即纖維的縱向強度高、而橫向強度低。芳綸纖維的化學鏈主要由芳環(huán)組成，這種芳環(huán)結構具有高的剛性，并使聚合物鏈呈伸展狀態(tài)而不是折疊狀態(tài)，形成棒狀結構，因而纖維具有高的模量。芳綸纖維分子鏈是線型結構，這又使纖維能有效地利用空間而具有高的填充效率的能力，在單位體積內可容納很多聚合物，這種高密度的聚合物具有較高的強度。2023/2/6

從其規(guī)整的晶體結構可以說明芳綸纖維的化學穩(wěn)定性、高溫尺寸穩(wěn)定性、不發(fā)生高溫分解以及在很高溫度下不致熱塑化等特點。通過電鏡對纖維觀察表明，芳綸是一種沿軸向排列的有規(guī)則的摺疊層結構。這種模型可以很好地解釋橫向強度低、壓縮和剪切性能差以及易劈裂的現象。芳綸纖維主要應用于橡膠增強、特制輪胎、三角皮帶等。其中Kevlar-29主要用于復合材料繩索、電纜、高強度織物以及防彈背心制造;Kevlar-49主要用于航天、航空、造船工業(yè)的復合材料制件。芳綸纖維單絲拉伸強度可達3773MPa,254mm長的芳綸纖維束拉伸強度為2774MPa,大約為鋁線的5倍；其沖擊強度約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維的0.8倍。芳綸纖維與其它材料性能的比較見下表。Note:1kgf/cm2=98.0665kPa

2023/2/6芳綸纖維具有良好的耐熱性，487oC高溫下不熔融，但開始碳化，即高溫下直接發(fā)生分解而不變形，可長期在180oC下工作，高溫下，模量損失非常小。芳綸的熱膨脹行為與碳纖維相似，都具有各向異性，橫向熱膨脹系數約為縱向熱膨脹系數的數十倍。耐化性方面，芳綸纖維對中性化學品(如一般溶劑)耐腐蝕力強，但易受各種酸堿侵蝕，尤其是強酸環(huán)境。芳綸纖維的耐水性也不理想，因為其分子結構中存在大量極性親水的酰胺基團。其力學、介電等性能對環(huán)境濕度較為敏感，類似與一般尼龍、聚酯和普通聚酰胺材料，高濕度環(huán)境下(RH85%)，芳綸吸濕率可達7%。2023/2/6總的說來，芳綸纖維:特點：高強度、高模量、韌性好等；密度較低，而比強度極高，超過玻璃纖維、碳纖維和硼纖維；比模量與碳纖維相近，超過玻璃、鋼、鋁等。由于韌性好，它不象碳纖維、硼纖維那樣脆，因而便于紡織。常和碳纖維混雜，提高纖維復合材料的耐沖擊性。Kevlar纖維屬于自熄性材料。2023/2/6KEVLAR纖維2023/2/6(2)聚乙烯(Polyethylene,PE)纖維目前國際上最新的超輕、高比強度、高比模量纖維，成本也比較低。美國聯合信號公司的Spectra高強度PE纖維，纖維強度超過杜邦公司的Kevlar纖維。通常分子量大于106，拉伸強度為3.5GPa，彈性模量為116GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。PE纖維具有高比強度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。不足之處是熔點較低（約135℃）和高溫容易蠕變。因此僅能在100℃以下使用，可用于制做武器裝甲、防彈背心、航天航空部件等2023/2/6

制造PE纖維的方法有凝膠拉伸法和原位拉伸法，其中凝膠拉伸法是一種具有工業(yè)應用價值的方法。該法以十氫萘、石蠟油、煤油等碳氫化合物為溶劑，將超高分子量聚乙烯調制成半稀溶液，經由噴絲孔擠出驟冷成凍膠原絲，經萃取、干燥后，進行30倍以上的熱拉伸，制成高強度PE纖維。其強度隨分子量增大而增大，但拉絲加工難度也增加。PE纖維的性能比較如下表。

PE纖維主要用于纜繩材料和高技術軍用材料，制造武器裝甲、防彈背心、航天、航空部件。2023/2/62.無機纖維(1)玻璃纖維(glassfiber,GF)玻璃纖維是含有各種金屬氧化物的硅酸鹽類，在熔融態(tài)以極快的速度拉絲而成。玻璃纖維質地柔軟，可以紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。玻璃纖維成分中一個關鍵指標是其含堿量，即K、Na氧化物含量。根據含堿量玻璃纖維可以分為:有堿玻璃纖維(堿性氧化物含量>12%，也稱A玻璃纖維)、中堿玻璃纖維(堿性氧化物含量6%~12%)、低堿玻璃纖維(堿性氧化物含量2%~6%)、無堿玻璃纖維(堿性氧化物含量<2%,也稱E玻璃纖維)。通常，含堿量高的玻璃熔融性好，易抽絲，產品成本低。

按單絲直徑，玻璃纖維可分為：粗纖維、初級纖維、中級纖維、高級纖維。2023/2/6

按用途分類，玻璃纖維又可分為:高強度玻璃纖維(S玻璃纖維，強度高，用于結構材料)、低介電玻璃纖維(亦稱D玻璃纖維，電絕緣性能和透波性好，適用于雷達裝置的增強材料)、耐化型玻璃纖維(亦稱C玻璃纖維，耐酸性優(yōu)良，適用于耐酸件和蓄電池套管等)、耐電腐蝕玻璃纖維及耐堿玻璃纖維(AR玻璃纖維)。玻璃纖維的性能列于下表。2023/2/6玻璃纖維的結構與普通玻璃材料沒有不同，都是非晶態(tài)玻璃體硅酸鹽結構，也可視為過冷玻璃體。玻璃纖維的伸長率和膨脹系數較小。除氫氟酸和熱濃堿外，能夠耐受許多介質的腐蝕。玻璃纖維不燃燒，耐高溫性能較好，C玻璃纖維軟化點688oC，S玻璃纖維和E玻璃纖維耐受溫度更高，適于高溫使用。玻璃纖維的缺點是不耐磨、易折斷、易受機械損傷、長期放置強度下降。玻璃纖維成本低、品種多，適于編織，作為常用增強材料，廣泛用于航空航天、建筑、日用品加工。2023/2/6Example無捻玻璃纖維2023/2/67.4.1聚合物基玻璃鋼天線反射面玻璃鋼建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢2023/2/6(1)GFRP玻璃鋼應用于體育用品2023/2/6(2)碳纖維（CarbonFibre,CForCf）碳纖維是由有機纖維經固相反應轉變而成的纖維狀聚合碳，是一種非金屬材料。碳纖維不屬于有機纖維的范疇，但從制法上看，也不同于一般的無機纖維。按照纖維含碳量的不同，廣義上的碳纖維包括碳纖維(含碳量在95%左右)和石墨纖維(含碳量在99%左右)。碳纖維性能優(yōu)異，不僅重量輕、比強度大、模量高，而且耐熱性高以及化學穩(wěn)定性好(除硝酸等少數強酸外，幾乎對所有藥品均穩(wěn)定，對堿也穩(wěn)定)。碳纖維制品具有非常優(yōu)良的x射線透過性、阻止中子透過性，還可賦予塑料以導電性和導熱性。以碳纖維為增強劑的復合材料可具有比鋼強比鋁輕的特性，是一種最受重視的高性能材料之一。碳纖維在航空航天、軍事、工業(yè)、體育器材等許多方面都有廣泛用途。2023/2/6目前國內外已商品化的碳纖維種類很多，一般可依據原絲的類型、碳纖維的性能和用途進行分類。

根據原絲類型，碳纖維可分為聚丙烯腈基碳纖維、粘膠基碳纖維、瀝青基碳纖維、木質素纖維基碳纖維、其它有機纖維基碳纖維(如各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維)。

按照碳纖維的性能分類，碳纖維可分為高性能碳纖維(高強度碳纖維、高模量碳纖維、中模量碳纖維等)和低性能碳纖維(耐火纖維、碳質纖維、石墨纖維等)。

根據碳纖維功能分類，碳纖維可分為受力結構用碳纖維、耐焰碳纖維、活性碳纖維(吸附活性)、導電用碳纖維、潤滑用碳纖維、耐磨用碳纖維。2023/2/6碳纖維是一種以碳為主要成分的纖維狀材料。它不同于有機纖維或無機纖維，不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機物為原料，采用間接方法制造。制造方法分氣相法和有機纖維碳化法兩種類型。氣相法是在惰性氣氛中小分子有機物(如烴或芳烴等)在高溫下沉積成纖維；用這種方法只能制造晶須或短纖維，不能制造連續(xù)長絲。有機纖維碳化法是將有機纖維經過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后再在惰性氣氛中，于高溫下進行焙燒碳化，使有機纖維失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。此法可制造連續(xù)長纖維。天然纖維、再生纖維和合成纖維都可用來制備碳纖維，選擇的條件是加熱時不熔融、可牽伸，且碳纖維產率高。2023/2/6到目前為止，制造碳纖維的原材料有3種，即人造絲(粘膠纖維)、聚丙烯腈纖維(不同于腈綸毛線)、瀝青。它們或者是通過熔融拉絲而成各向同性纖維，或者是從液晶中間相拉絲而成的具有高模量的各向異性纖維。用這些原料生產的碳纖維各有特點:制造高強度、高模量碳纖維多選用聚丙烯腈為原料，聚丙烯腈基碳纖維性能好、碳化率較高(50%~60%)，因此以聚丙烯腈制造的碳纖維約占總碳纖維產量的95%;以粘膠絲為原料制碳纖維，碳化率只有20%~30%,這種碳纖維堿金屬含量低，特別宜作燒蝕材料；以瀝青纖維為原料時，碳化率高達80%~90%,成本最低，是正在發(fā)展的品種。2023/2/6

碳纖維是將原料纖維在一定的張力、溫度下，經過一定時間的預氧化、碳化和石墨化處理等過程制成的。以聚丙烯腈纖維為原料的碳纖維，在預氧化過程中，聚丙烯腈原絲中含氧化合物是碳化初期分子間交聯反應的主因，氧是環(huán)化反應的催化劑，加熱形成熱穩(wěn)定性的梯形結構。碳化和石墨化都是在氮氣中進行的，碳化反應是使非碳元素借分子間交聯反應揮發(fā)出來。在熱處理過程中，大量氣體揮發(fā)后形成更多的石墨層狀結構，強度增大、模量增加，導電性也提高。纖維先由白色變?yōu)辄S色，繼而呈棕黃色，最后變?yōu)楹谏?。為了改進復合材料中碳纖維和樹脂的粘接，須進行表面處理，即在緩和條件下進行氧化和晶須化。2023/2/6碳纖維的突出特點：強度和模量高、密度??；具有很好的耐酸性；熱膨脹系數小，甚至為負值；具有很好的耐高溫蠕變性能，一般在1900℃以上才呈現出永久塑性變形；摩擦系數小、潤滑性好、導電性高。碳纖維的缺點：價格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上；抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時會生成二氧化碳。2023/2/6碳纖維的結構模型普通型高強度型高彈性模量型2023/2/6碳纖維片材（復合材料）用于建筑物補強加固2023/2/6Pyrolysis(熱解)ofpolyacrylonitrile(聚丙烯腈,PAN)toformcarbonfibers2023/2/6(2)CFRP碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRP）

CFRP在民用飛機中的應用CFRP在空間站大型結構以及太陽能電池支架中的應用2023/2/6(3)碳化硅纖維SiliconCarbideFiber,SF碳化硅纖維主要用于增強金屬和陶瓷，制造耐高溫金屬基和陶瓷基復合材料。碳化硅纖維的特點:高強度、高模量；耐高溫、耐化學腐蝕、耐輻射性能(比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性);具有半導體性能；與金屬相容性好，常用于制造金屬基和陶瓷基復合材料。2023/2/6α-碳化硅2023/2/6

碳化硅纖維的制造方法主要為燒結法(有機聚合物轉化法)和化學氣相沉積法(CVD)。

燒結法是以二甲基二氯硅烷為主要原料，其工藝過程包括聚碳硅烷的合成與紡絲、不熔化處理、燒結等。二甲基二氯硅烷在氮氣的保護下與鈉反應，生成聚硅烷，然后將低分子量成分分離，經高溫轉位反應，生成高分子量的聚碳硅烷，再進行紡絲；為了提高聚碳硅烷纖維的強度以及防止燒結過程中纖維間的粘連-并絲,將其在200oC條件下氧化-不熔化處理；將處理后的纖維在1300~1500oC的惰性氣體中進行燒結，除掉無用的有機基，得到碳化硅纖維。

化學氣相沉積法(CVD)是通過高溫化學氣相沉積過程，將碳化硅沉積在鎢絲上。其生產過程為在反應器中通入氫氣和硅烷氣，將連續(xù)通過反應器的鎢絲加熱到1300oC，混合氣體在熱鎢絲上發(fā)生反應，形成鎢芯碳化硅單絲，也可用碳絲取代鎢絲，制成碳芯碳化硅單絲。2023/2/6碳化硅纖維具有優(yōu)良的耐熱性能，在1000oC以下，其力學性能基本上不變，可長期使用，當溫度超過1300oC時，其性能才開始下降，是耐高溫的好材料；碳化硅纖維的耐化學性能良好，在80oC下耐強酸，耐堿性也良好；碳化硅纖維在1000oC以下不與金屬反應，而且有很好的浸潤性，有利于和金屬復合，主要用來增強鋁基、鈦基及金屬間化合物基復合材料。

由于碳化硅纖維具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射的三耐性能，是一種理想的耐熱材料。用碳化硅纖維編織成雙向和三向織物，已用于高溫的傳送帶、過濾材料，如汽車的廢氣過濾器等。碳化硅復合材料已應用于噴氣發(fā)動機渦輪葉片、飛機螺旋槳等受力部件透平主動軸等。在軍事上，作為大口徑軍用步槍金屬基復合槍筒套管、作戰(zhàn)坦克履帶、火箭推進劑傳送系統(tǒng)、先進戰(zhàn)術戰(zhàn)斗機的垂直安定面、導彈尾部、火箭發(fā)動機外殼、魚類殼體等。2023/2/6(4)硼纖維（BoronFiber，BF或Bf）硼纖維是一種高性能增強纖維，具有很高的比強度和比模量，也是制造金屬基復合材料最早采用的高性能纖維。用硼鋁復合材料制成的航天飛機主艙框架強度高、剛性好，代替鋁合金骨架節(jié)省重量，取得了十分顯著的效果，也有力地促進了硼纖維金屬基復合材料的發(fā)展。硼纖維一般利用化學氣相法制備。使用的原料為鎢絲、三氯化硼和氫氣。高溫通電的鎢絲周圍通過氯化硼與氫氣的混合氣體，氫與氯化硼反應生成單質硼，附著在鎢絲上。目前所指的硼纖維，實際上是芯部為鎢絲(也可采用碳纖維作芯)而表面包覆硼的纖維?；瘜W反應式為:2023/2/6硼纖維的特點硼纖維的直徑有100μm、140μm、200μm幾種；硼纖維的密度小(2.4~2.65g/cm3)；硼纖維具有很高的彈性模量和強度，拉伸強度為3.2~5.2GPa，彈性模量為350~400GPa，其彎曲強度比拉伸強度還要高；硼纖維具有耐200oC高溫和耐中子輻射性能;在室溫下，硼纖維具有較好的化學穩(wěn)定性，但表面具有活性，不需要處理就能與樹脂復合，而且制得的復合材料具有較高的層間剪切強度，對于含氮化合物，親和力大于含氧化合物。2023/2/6硼纖維的缺點工藝復雜，不易大量生產，其價格昂貴；硼纖維的性能受沉積條件和纖維直徑的影響；硼纖維在空氣中的拉伸強度隨溫度的升高而降低，在200oC左右硼纖維性能基本不變，而在315oC下，經過1000h,硼纖維強度將損失70%，650oC時硼纖維強度將完全喪失；由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大，目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度，結果表明，碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質，但在高溫下易與金屬反應，因此需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。2023/2/6硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復合材料。美、俄是硼纖維的主要生產國，并研制發(fā)展了硼纖維增強樹脂、硼纖維增強鋁等先進復合材料，用于航天飛機、B-1轟炸機、運載火箭、核潛艇等軍事裝備，取得了巨大效益。2023/2/6硼纖維增強鋁基復合材料用于航天飛機主艙體支柱2023/2/6(5)氧化鋁纖維

Aluminia

Fibre，AF多晶連續(xù)纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。優(yōu)點：具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性，直到370℃強度仍下降不大。缺點：在所有纖維中密度最大。用途：主要用于金屬基復合材料。2023/2/69.4.2晶須增強體晶須(whisker):具有一定長徑比（一般大于10）和截面積小于52×10-5cm2(即直徑小于250μm)的單晶纖維材料。具有實用價值的晶須直徑約為1～10μm，長度與直徑比在5～1000之間。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強度接近其純晶體的理論強度。自1948年貝爾公司首次發(fā)現以來，迄今已開發(fā)出100多種晶須，但進入工業(yè)化生產的并不多，如SiC、Si3N4、TiN、Al2O3、鈦酸鉀和莫來石等少數幾種晶須。2023/2/6晶須的分類：金屬晶須(如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等)；氧化物晶須(如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等)；陶瓷晶須(如碳化物晶須SiC、TiC、ZrC、WC、B4C)；氮化物晶須(如Si3N4、TiN、ZrN、BN、AlN等)；硼化物晶須（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等）無機鹽類晶須（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。2023/2/6晶須的制備方法：化學氣相沉積法(CVD)溶膠—凝膠法(sol-gel)氣液固法(VLS)液相生長法固相生長法原位生長法2023/2/6陶瓷晶須可以采用CVD法制備，如利用金屬鹵化物高溫氣相反應，在襯底材料上沉積形成陶瓷晶須，反應過程如下:

式中,M代表難熔金屬，類似的反應很多。利用固相生長法制造SiC晶須的典型方法，是通過灼燒稻殼先獲得無定形SiO2,再與無定形碳反應生成SiC晶須。2023/2/6晶須是目前已知纖維中強度最高的一種，其機械強度幾乎等于相鄰原子間的作用力。

晶須高強度的原因，主要是它的直徑非常小，容納不下能使晶體削弱的空隙、位錯和不完整等缺陷;晶須材料的內部結構完整，使它的強度不受表面完整性的嚴格限制。

晶須分為陶瓷晶須和金屬晶須兩類，用作增強材料的主要是陶瓷晶須。陶瓷晶須兼有玻璃纖維和硼纖維的優(yōu)良性能，比如陶瓷晶須具有玻璃纖維的延伸率(3%~4%)和硼纖維的彈性模量[(4.2~7.0)×106MPa],氧化鋁晶須在2070oC高溫下，仍能保持7000MPa的拉伸強度。

晶須沒有顯著的疲勞效應，切斷、磨粉或其它操作，都不會降低其強度。晶須在復合材料中的增強效果與其品種、用量關系極大。另外，晶須材料在復合使用過程中，一般需經過表面處理，改善與基體的相互作用性能。2023/2/6晶須復合材料由于價格昂貴，目前主要用在空間和尖端技術上，在民用方面主要用于