复合材料原理

1. 复合材料原理 江苏大学材料学院

2. 一、纤维及其织物 • 玻璃纤维 • 碳纤维 • 硼纤维 • 氧化铝纤维 • 碳化硅纤维 • 芳纶纤维

3. １、玻璃纤维 • 玻璃纤维简介及分类 • 玻璃纤维的结构及化学组成 • 玻璃纤维的物理性能与化学性能 • 玻璃纤维及其制品的制造工艺 • 玻璃纤维制品的性能及应用

4. 思考题 1、玻璃纤维有哪些主要物理和化学特性，这些性能在玻璃钢制品中发挥怎样的作用？ （外观、密度、强度、耐热、膨胀特性、耐腐蚀） 2、玻璃纤维有哪些制品，它们主要应用在哪些场合？你觉得还可以开发哪些玻璃纤维制品？ （无捻粗纱、无捻粗纱方格布、玻璃纤维毡片、缝合毡、加捻玻璃纤维布、玻璃带、三向织物等；玻璃纤维绳、笼、立体编织物等）

5. 2、碳纤维 碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）的开发历史可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。

6. 1959年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation，UCC)以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维(Rayon-based carbon firber)。 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯脂基碳纤维(Polyacry lontrile--based carbon firber，PANCF)的工业化生产。

7. 1963年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量聚丙烯脂基碳纤维； 1965年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为原料的通用型碳纤维； 1970年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维Pitch-based carbon fiber的工业规模生产；　　

8. 1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”的酚醛纤维Phenolic fibers; 1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。

9. 碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。 碳纤维不属于有机纤维范畴，但从制备方法上看，它又不同于普通无机纤维。

10. 碳纤维制品具有非常优良的X射线透过性，阻止中子透过性，还可赋予塑料以导电性和导热性。 以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。

11. 碳纤维的分类 　　当前，国内外巳商品化的碳纤维种类很多，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和碳纤维的用途等三种方法进行分类。

12. 根据原丝类型分类 (1)聚丙烯腈基纤维； (2)粘胶基碳纤维； (3)沥青基碳纤维； (4)木质素纤维基碳纤维； (5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。

13. 根据碳纤维的性能分类 (1) 高性能碳纤维 　　在高性能碳纤维中，有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。 (2)低性能碳纤维 　　这类碳纤维中，有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。

14. 根据碳纤维用途分类： 受力结构用碳纤维，耐焰碳纤维，活性碳纤维(吸附活性)，导电用碳纤维，润滑用碳纤维，耐磨用碳纤维

15. 碳纤维的制造 碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。它不同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机物为原料，采用间接方法制造。 碳纤维制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。

16. 气相法是在惰性气氛中，小分子有机物(如烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。气相法是在惰性气氛中，小分子有机物(如烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。 　　用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。

17. 有机纤维碳化法可以制造连续长纤维，它通常分为两步进行：有机纤维碳化法可以制造连续长纤维，它通常分为两步进行： ①将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维； ②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它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。

18. 天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。 　　制备碳纤维时，选择的条件是加热时不熔融，可牵伸，且碳纤维产率高。

19. 　　制作碳纤维的主要原材料有三种： 　　①人造丝(粘胶纤维)； 　　②聚丙烯腈(PNN) 纤维； 　　③沥青。　

20. 　　用人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青为原料生产的碳纤维各有其不同特点。　　用人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青为原料生产的碳纤维各有其不同特点。 　　其中，制造高强度、高模量碳纤维多选聚丙烯腈为原料。

21. 拉丝 牵伸 稳定 碳化 石墨化 　　无论用哪一种原丝纤维来制造碳纤维，所产生的最终纤维基本成分为碳，都要经过五个阶段：

22. 拉丝可用湿法、干法或者熔融状态三种中的任意一种方法进行。拉丝可用湿法、干法或者熔融状态三种中的任意一种方法进行。 • 牵伸在室温以上，通常是100--300 ℃范围内进行。 • 稳定通过400 ℃加热氧化的方法。 • 碳化在1000--2000 ℃范围内进行。 • 石墨化在2000--3000 ℃范围内进行。

23. 碳纤维的结构与性能 　　材料的性能主要决定于材料的结构。结构有两方面的含义，一是化学结构，二是物理结构。 碳纤维的结构决定于原丝结构与碳化工艺。 　　对有机纤维进行预氧化、碳化等工艺处理的目的是，除去有机纤维中碳以外的元素，形成聚合多环芳香族平面结构。

24. 　　用x射线、电子衍射和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构。　　用x射线、电子衍射和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构。

25. 图1 石墨晶体结构与乱层结构图

26. 在乱层石墨结构中，石墨层片是基本的结构单元，若干层片组成微晶，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳米的原纤，原纤则构成了碳纤维单丝，其直径约数微米。在乱层石墨结构中，石墨层片是基本的结构单元，若干层片组成微晶，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳米的原纤，原纤则构成了碳纤维单丝，其直径约数微米。 实测碳纤维石墨层的面间距约0.339--0.342 nm，比石墨晶体的层面间距(0.335nm)略大，各平行层面间的碳原子排列也不如石墨那样规整。

27. 　　依据C--C键的键能及密度计算得到的单晶石墨强度和模量分别为180 ＧPa和1000 GPa左右。而碳纤维的实际强度和模量远远低于此理论值。 　　这主要是由于纤维中的缺陷和原丝中的缺陷所造成的。

28. 纤维中的缺陷主要是指结构不匀、直径变异、微孔、裂缝或沟槽、气孔、杂质等。纤维中的缺陷主要是指结构不匀、直径变异、微孔、裂缝或沟槽、气孔、杂质等。 纤维中的缺陷来自两个方面，一是原丝中特有的，二是在碳化过程中产生的。　　

29. 原丝中的缺陷主要是在纤维成形过程中产生的。原丝中的缺陷主要是在纤维成形过程中产生的。 • 在碳化时，则由于从纤维中会释放出特种气体物质，进而在纤维表面及内部产生空穴等缺陷。 • 碳纤维不容易发生屈服。

30. 　　碳纤维轴向分子间的结合力比石墨大，所以它的抗张强度和模量都明显高于石墨；　　碳纤维轴向分子间的结合力比石墨大，所以它的抗张强度和模量都明显高于石墨； 　　碳纤维的径向分子间作用力弱，抗压性能较差，轴向抗压强度仅为抗张强度的10％--30％，而且不能结节。

31. 碳纤维的密度在1.5--2.0之间，这除了与原丝结构有关外，主要还决定于碳化处理的温度。经过高温(3000 ℃)石墨化处理可达2.0。 • 碳纤维的热膨胀系数与其它类型纤维不同，它有各向异性的特点。 • 平行于纤维方向是负值(-0.72 ~ -0.90  10 -6 /℃)，而垂直于纤维方向是正值( 32 ~ 22  10-6 /℃)。

32. 碳纤维的比热一般为7.12  l0-1 kJ( kg · ℃ )。导热率有方向性，平行于纤维轴方向导热率为0.04卡/秒·厘米·度，而垂直于纤维轴方向为0.002卡/秒·厘米·度。 • 导热率随温度升高而下降。 • 碳纤维的比电阻与纤维的类型有关。在25℃时，高模量碳纤维为775 u · cm，高强度碳纤维为1500 u · cm。

33. 碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。 • 在空气中，当温度高于400 ℃时，则会出现明显的氧化，生成CO和CO2。 • 在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。 • 当碳纤维在高于1500 ℃时，强度才开始下降。

34. 3、硼纤维 　　硼纤维（Boron Fibre, BF或Bf）是一种将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维。它具有很高的比强度和比模量，也是制造金属复合材料最早采用的高性能纤维。

35. 　　用硼铝复合材料制成的航天飞机主舱框架强度高、刚性好，代替铝合金骨架节省重量44％，取得了十分显著的效果，也有力地促进了硼纤维金属基复合材料的发展。　　用硼铝复合材料制成的航天飞机主舱框架强度高、刚性好，代替铝合金骨架节省重量44％，取得了十分显著的效果，也有力地促进了硼纤维金属基复合材料的发展。

36. 1959年美国TELLY首先发表了用化学气相沉积法制造高性能硼纤维的论文，并受到了美国空军材料实验室的高度重视，积极推进硼纤维及其复合材料的研制。美国AVCO、TEXFROU公司是硼纤维的主要生产厂家。1959年美国TELLY首先发表了用化学气相沉积法制造高性能硼纤维的论文，并受到了美国空军材料实验室的高度重视，积极推进硼纤维及其复合材料的研制。美国AVCO、TEXFROU公司是硼纤维的主要生产厂家。

37. 　　现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。　　现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。 　　硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。 硼纤维具有良好的力学性能、强度高、模量高、密度小。 　　硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。　

38. 　　硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响。　　硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响。 　　硼纤维的密度为2.4 ~ 2.65 g / cm3，拉伸强度为3.2 ~ 5.2 GPa，弹性模量为350 ~ 400 GPa。

39. 硼纤维在常温下为惰性物质，但在高温下易与金属反应。硼纤维在常温下为惰性物质，但在高温下易与金属反应。 　　因此，需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。 　　硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。

40. 缺点：工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。缺点：工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。 　　由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。

41. 　　目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度。　　目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度。 　　结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降 5%，但成本降低 25%。　

42. 4、氧化铝纤维 以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维统称为氧化铝纤维( Aluminia Fibre, AF或( Al2O3 )f )。

43. 　　通常情况下，将氧化铝含量大于70％的纤维相称为氧化铝纤维；　　通常情况下，将氧化铝含量大于70％的纤维相称为氧化铝纤维； 　　将氧化铝含量小于70％，其余为二氧化硅和少量杂质的纤维称为硅酸铝纤维。

44. 氧化铝纤维的特点 (1) 耐热性好，在空气中加热到1250 ℃还保持室温强度的90%，碳纤维通常在400 ℃以上就氧化燃烧。　　

45. (2) 不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合。 (3)表面活性好，不需要进行表面处理，即能与树肥和金属复合。 (4)具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性，尤其在高温条件这些性能更为突出。

46. (5) 优良的抗压性能。用氧化铝增强的复合材料压缩强度比GFRP高，是GFRP的3倍以上，耐疲劳强度高，经107次重复交变加载后，强度不低于静强度的70％。 (6)电气绝缘、电波透过性好。与玻璃钢相比，它的介电常数和损耗值小，且随频率的变化小，电波透过性更好。

47. 氧化铝纤维的应用 　　氧化铝纤维适合于制造既需要轻质高强又需要耐热的结构件。 　　用它制作雷达天线罩，其刚性比玻璃钢高，透电波性能好，耐高温。

48. 　　若用氧化铝纤维的复合材料制导弹壳体，则有可能不开天线窗，将天线装在弹内。　　若用氧化铝纤维的复合材料制导弹壳体，则有可能不开天线窗，将天线装在弹内。 　　目前，氧化铝纤维的的用途正处于开发阶段，不久的将来将在航空、航天、卫星、交通和能源等部门得到广泛应用。　

49. 　　氧化铝纤维不足之处是密度比较大，约为3.20 g / cm 3，是纤维中最大的一种。

50. 5、碳化硅纤维 　碳化硅纤维（Silicon Carbide Fibre，SF或SiCf）是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维。 SiC纤维是高强度、高模量纤维，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。