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1、6.3 6.3 常用的复合材料常用的复合材料 一、纤维增强复合材料一、纤维增强复合材料 1 1常用增强纤维常用增强纤维 主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、KevlarKevlar有机有机物纤维等。物纤维等。玻璃纤维绳玻璃纤维布玻璃纤维绳玻璃纤维纸纳米碳管纤维碳纤维绳 （1 1）玻璃纤维）玻璃纤维 按按玻玻璃璃纤纤维维中中NaNa2 2O O和和K K2 2O O的的含含量量不不同同，可可将将其其分分为为无无碱碱纤纤维维（碱碱的的质质量量分分数数2%12%12%）。随随着着碱碱量量的的增增加加，玻玻璃璃纤纤维维的的强强度度、绝绝缘性、耐蚀性降
2、低。缘性、耐蚀性降低。特特点点：强强度度高高，抗抗拉拉强强度度可可达达100010003000MPa3000MPa；弹弹性性模模量量比比金金属属低低得得多多，为为（3 35 5）10104 4MPaMPa；g/cmg/cm3 3；化化学学稳稳定定性性好好；不不吸吸水水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘等。不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘等。缺点：脆性较大、耐热性低，缺点：脆性较大、耐热性低，250250以上开始软化。以上开始软化。优点：价格便宜、制作方便优点：价格便宜、制作方便 （2 2）碳纤维）碳纤维 碳纤维是人造纤维（粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等），是在碳纤维是人造纤维（粘胶纤维、聚丙烯腈
3、纤维等），是在200200300300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护下于1000100015001500的高温中进行碳化处理而制得。其碳含量的高温中进行碳化处理而制得。其碳含量Wc85%Wc85%95%95%。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称型碳纤维。型碳纤维。在在2500250030003000高高温温的的氩氩气气中中进进行行石石墨墨化化处处理理，就就可可获获得得含含碳碳量量为为Wc98%Wc98%以以上上的的碳碳纤纤维维，又又称称石石墨墨纤纤维维或或高
4、高模模量量碳碳纤纤维维，也也称称型碳纤维。型碳纤维。特特点点：与与玻玻璃璃纤纤维维相相比比，碳碳纤纤维维具具有有密密度度小小（g/g/3 3），弹弹性性模模量量高高（2.82.84104105 5MPaMPa）；高高温温及及低低温温性性能能好好，导导电电性性好好、化化学学稳稳定性高、摩擦因数小、自润湿性好。定性高、摩擦因数小、自润湿性好。缺点：脆性大、易氧化缺点：脆性大、易氧化 （3 3）硼纤维）硼纤维 它它是是用用化化学学沉沉积积法法将将非非晶晶态态的的硼硼涂涂覆覆到到钨钨丝丝上上而而制制得得的的。具具有有高高熔熔点点（23002300）、高高强强度度（245024502750MPa2750
5、MPa）、高高弹弹性性模模量量（3.83.84.9104.9105 5MPaMPa）。具有良好的抗氧化性、耐蚀性。）。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。缺点：密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、价格昂贵。（4 4）碳化硅纤维）碳化硅纤维 它是用碳纤维作底丝，通过气相沉积法而制得。具有高熔点、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，在高强度、高弹性模量。其突出特点是具有优良的高温强度，在11001100时其强度仍高达时其强度仍高达2100MPa2100MPa。（5 5）Kevl
6、arKevlar有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）特点：比强度、比模量高；其强度可达特点：比强度、比模量高；其强度可达280028003700MPa3700MPa；密度；密度小，只有小，只有 g/g/3 3；耐热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗疲劳性、；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。耐蚀性、绝缘性和加工性。2 2纤维纤维树脂复合材料树脂复合材料 （1 1）玻璃纤维）玻璃纤维树脂复合材料树脂复合材料 亦称玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢。亦称玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢。1 1）热塑性玻璃钢）热塑性玻璃钢 它是由它是由20%20%40%
7、40%的玻璃纤维和的玻璃纤维和60%60%80%80%的热塑性树脂（如尼龙、的热塑性树脂（如尼龙、ABSABS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。胀系数。2)2)热固性玻璃钢热固性玻璃钢 它它是是由由60%60%70%70%玻玻璃璃纤纤维维（或或玻玻璃璃布布）和和30%30%40%40%热热固固性性树树脂脂（环氧、聚酯树脂等）组成。（环氧、聚酯树脂等）组成。主主要要优优点点：密密度度小小、强强度度高高，耐耐蚀蚀性性、绝绝缘缘性性、绝绝热热性性好好；吸吸水性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。水性、防磁、微波穿透
8、性好，易于加工成型。缺点：弹性模量低，热稳定性不高，只能在缺点：弹性模量低，热稳定性不高，只能在300300以下工作。以下工作。（3 3）硼纤维）硼纤维树脂复合材料树脂复合材料 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、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。比模量，良好的耐热性。其缺点是各向异性明显。（2 2）碳纤维）碳纤维树脂复合材料树脂复合材料 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，还成的复
9、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。蚀性及耐热性。缺点是纤维与基体结合力低。（4 4）碳化硅纤维树脂复合材料）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、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。比模量。（5 5）KevlarKevlar纤维树脂复合材料纤维树脂复合材料 由由KevlarKevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯
10、、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；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合金；减振能力为钢的其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金；减振能力为钢的8 8倍。倍。3 3纤维纤维金属（或合金）复合材料金属（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、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（铝及其合硼、碳化硅纤维）与具有
11、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，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。好、不老化等优点。（1 1）纤维）纤维铝（或合金）复合材料铝（或合金）复合材料 1 1）硼纤维）硼纤维铝（或合金）基复合材料。铝（或合金）基复合材料。硼硼和和铝铝在在高高温温易易形形成成AlBAlB
12、2 2，与与氧氧易易形形成成B B2 2O O3 3，故故在在硼硼纤纤维维表表面面要要涂一层涂一层SiCSiC以提高硼纤维的化学稳定性。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。特点：具有高弹性模量，高抗压强度、抗剪强度和疲劳强度。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。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。2 2）石墨纤维）石墨纤维铝（或合金）基复合材料。铝（或合金）基复合材料。由由型碳纤维与纯铝或形变铝合金、铸造铝合金组成。型碳纤维与纯铝或形变铝合金、铸造铝合金组成。应用：主要用于制造航天飞机的外壳、飞机蒙皮。应用：主
13、要用于制造航天飞机的外壳、飞机蒙皮。3 3）碳化硅纤维）碳化硅纤维铝（或合金）复合材料铝（或合金）复合材料 它它是是由由碳碳化化硅硅纤纤维维与与纯纯铝铝（或或铸铸造造铝铝合合金金、铝铝铜铜合合金金等等）组组成成的复合材料。的复合材料。特点：具有高的比强度、比模量，硬度高。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。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 2）纤维）纤维钛合金复合材料钛合金复合材料 由硼纤维或改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金（由硼纤维或改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金（Ti6Al4VTi6Al4V）组成。它具有低
14、密度、高强度、高弹性模量、高耐热性、低热膨胀组成。它具有低密度、高强度、高弹性模量、高耐热性、低热膨胀系数的特点。系数的特点。（3 3）纤维）纤维铜（或合金）复合材料铜（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。擦因数和高的耐磨性
15、，以及在一定温度范围内的尺寸稳定性。4 4纤维纤维陶瓷复合材料陶瓷复合材料 用用碳碳（或或石石墨墨）纤纤维维与与陶陶瓷瓷组组成成的的复复合合材材料料能能大大幅幅度度提提高高陶陶瓷瓷的的冲冲击击韧韧性性和和抗抗热热振振性性，降降低低脆脆性性，而而陶陶瓷瓷又又能能保保护护碳碳（或或石石墨墨）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。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，例强复合材料，例C/CC/C复合材料、混杂纤维复合材料等。复合材料、混杂
16、纤维复合材料等。二、叠层复合材料二、叠层复合材料 叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。1 1双层金属复合材料双层金属复合材料 将性能不同的两种金属用胶合或熔合铸造、热压、焊接、喷涂将性能不同的两种金属用胶合或熔合铸造、热压、焊接、喷涂等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。2 2塑料塑料金属多层复合材料金属多层复合材料 典型代表是典型代表是SFSF型三层复合材料，如图型三层复合材料，如图6-46-4所示。所示。三、粒子增强型复合材料三、粒子增强型复合材料 1 1颗粒增强复合材料（颗粒增强
17、复合材料（d1md1m，体积分数，体积分数v v20%20%）金属陶瓷是常见的颗粒增强复合材料。硬质合金就是以金属陶瓷是常见的颗粒增强复合材料。硬质合金就是以TiCTiC、WCWC（或（或TaCTaC）等碳化物为基体，以金属）等碳化物为基体，以金属NiNi、CoCo为粘合剂，将它们用粉为粘合剂，将它们用粉末冶金方法经烧结所形成的金属陶瓷。末冶金方法经烧结所形成的金属陶瓷。2 2弥散强化复合材料（弥散强化复合材料（d=0.01d=0.010.1m,0.1m,v v=1%=1%15%15%）随着科学技术的进步，一大批新型复合材料将得到应用。例如，随着科学技术的进步，一大批新型复合材料将得到应用。例如，C/CC/C复合材料、金属化合物复合材料、纳米复合材料、功能梯度复合复合材料、金属化合物复合材料、纳米复合材料、功能梯度复合材料、智能复合材料及体现复合材料材料、智能复合材料及体现复合材料“精髓精髓”的的“混杂混杂”复合材料复合材料将得到发展及应用。将得到发展及应用。2121世纪将是复合材料大力发展的时代。世纪将是复合材料大力发展的时代。