復(fù)合材料教案學(xué)習(xí)要點(diǎn)計(jì)劃

復(fù)合資料教課方案

PolymericCompositeMaterials

（講稿）

殷立霞

冀州市職教中心

2012年8月

第一講復(fù)合資料概論

一、資料的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步

資料是人類社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類進(jìn)步的里程碑。綜觀人類發(fā)展和資料發(fā)展的歷史，能夠清楚地看到，每一種重要資料的發(fā)現(xiàn)和利用都會(huì)把人類支配和改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平，給社會(huì)生產(chǎn)力和人類生活帶來(lái)巨大的變化。資料的發(fā)展與人類進(jìn)步和發(fā)展息息相關(guān)。一萬(wàn)年前，人類使用石頭作為平常生活工具，人類進(jìn)入了舊石器時(shí)代，人類戰(zhàn)爭(zhēng)也

進(jìn)入了冷兵器時(shí)代。7000年先人類在燒制陶器的同時(shí)創(chuàng)立了煉銅技術(shù)，青銅制品廣泛地獲得應(yīng)用，同時(shí)又促使了人類社會(huì)發(fā)展，人類進(jìn)入了青銅器時(shí)

代。同時(shí)火藥的發(fā)明又令人類戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)入了殺傷力更強(qiáng)的熱兵器時(shí)代。5000年先人類開(kāi)始使用鐵，隨著煉鐵技術(shù)的發(fā)展，人類又發(fā)了然煉鋼技術(shù)。十九世

紀(jì)中期轉(zhuǎn)爐、平爐煉鋼的發(fā)展使得世界鋼產(chǎn)量迅猛增加，大大促使了機(jī)械、鐵路交通的發(fā)展。隨著二十世紀(jì)中期合金鋼的大量使用，人類又進(jìn)入鋼鐵時(shí)代，鋼鐵在人類活動(dòng)中起著舉足輕重的作用。核資料的發(fā)現(xiàn)，又將人類引入了能夠破壞自己的核軍備競(jìng)賽，同時(shí)核資料的和平利用，又給人類帶來(lái)了光明。二十世紀(jì)中后期以來(lái)，高分子、陶瓷資料盛行以及復(fù)合資料的發(fā)展，又給人類帶來(lái)了新的資料和技術(shù)革命，樓房能夠越蓋越高、飛機(jī)越飛越快，同時(shí)人類進(jìn)入太空的夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)前資料、能源、信息是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會(huì)將人類物質(zhì)文明推向新的階段。二十一世紀(jì)將是一個(gè)新資料時(shí)代。

二、復(fù)合資料的提出

現(xiàn)代高科技的發(fā)展更親近地依賴于新資料的發(fā)展；同時(shí)也對(duì)資料提出

了更高、更苛刻的要求。在現(xiàn)代高技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，特別是航空、航天和海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展，使資料的使用環(huán)境更加惡劣，所以對(duì)資料提出了越來(lái)越苛刻的要求。比方，航天飛機(jī)等空間翱翔器在翱翔過(guò)程中要碰到大氣阻力、地球引力、太陽(yáng)輻射力、空間熱環(huán)境、太陽(yáng)風(fēng)、宇宙射線、宇宙塵埃、流星、磁矩等的作用。翱翔器發(fā)動(dòng)機(jī)還要碰到其熱環(huán)境、內(nèi)流形成的氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、機(jī)件高

速轉(zhuǎn)動(dòng)、液體晃動(dòng)、振蕩燃燒和POGO振動(dòng)等非正常破壞力的作用。同時(shí)由于飛

行范圍（M數(shù)、翱翔高度）的擴(kuò)大、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、比推力及推/重比大大提

高，以致了發(fā)動(dòng)機(jī)壓力比、涵道比、進(jìn)口溫度、燃燒室溫度、TIT、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等

也日益提高。由此組成的力、熱、化學(xué)和物理等效應(yīng)的作用，最后都要集中到組成翱翔器和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的資料上去，所以對(duì)資料的質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、耐熱、抗

1疲倦、抗氧化及抗腐化等特色也日益提出了更加苛刻的要求。

又如現(xiàn)代武器系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)新資料提出了以下要求：

、高比強(qiáng)、高比模；

、耐高溫、抗氧化；

、防熱、隔熱；

、吸波、隱身；

、全天候；

、高抗破甲、抗穿甲性；

、減振、降噪，牢固、隱蔽、高精度和命中率；

、抗激光、抗定向武器；

、多功能；

、高可靠性和低成本。

很顯然，傳統(tǒng)的單一資料無(wú)法滿足以上綜合要求，當(dāng)前作為單一的金

屬、陶瓷、聚合物等資料誠(chéng)然仍在不斷日異月新地發(fā)展，但是以上這些資料由于其各自固有的限制性而不能夠滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。比方，金屬資料的強(qiáng)度、模量和高溫性能等已幾乎開(kāi)發(fā)到了極限；陶瓷的脆性、有機(jī)高分子資料的低模量、低熔點(diǎn)等固有的弊端極大地限制了其應(yīng)用。這些都促使人們研究開(kāi)發(fā)并按預(yù)定性能設(shè)計(jì)新式資料。

復(fù)合資料，特別是先進(jìn)復(fù)合資料就是為了滿足以上高技術(shù)發(fā)展的需求而開(kāi)發(fā)的高性能的先進(jìn)資料。它由兩種或兩種以上性質(zhì)不同樣的資料組合而

成，各組分之間性能“揚(yáng)長(zhǎng)避短”，起到“共同作用”，能夠獲得單一資料無(wú)法比較的優(yōu)秀的綜合性能，極大地滿足了人類發(fā)展對(duì)新資料的需求。所以，復(fù)合資料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展出來(lái)的擁有極大生命力的資料。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，是資料設(shè)計(jì)的一個(gè)打破。

三、復(fù)合資料的發(fā)展歷史和意義：

實(shí)質(zhì)上，在自然界就存在著好多天然的復(fù)合物。比方天然的好多植物竹子、

樹(shù)木等就是自生長(zhǎng)長(zhǎng)纖維加強(qiáng)復(fù)合資料；人類肌肉/骨骼結(jié)構(gòu)也是復(fù)合資料結(jié)構(gòu)

原理。我們的祖先也早就創(chuàng)立和使用了復(fù)合資料。6000年先人類就已經(jīng)會(huì)用稻

草加粘土作為建筑資料砌建房屋墻壁，迄今在某些貧窮農(nóng)村依舊沿用著這類原始的非連續(xù)纖維加強(qiáng)復(fù)合資料。在現(xiàn)代，復(fù)合資料的應(yīng)用更比目皆是，與平常生活和公民經(jīng)濟(jì)密不能分。如由沙石、鋼筋和水泥組成的水泥復(fù)合資料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用；玻璃纖維加強(qiáng)塑料（玻璃鋼）更是一種廣泛應(yīng)用的較現(xiàn)代化復(fù)合資料。

2現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開(kāi)復(fù)合資料。比方就航天、航空翱翔器減少結(jié)

構(gòu)重量這點(diǎn)而言，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量減1Kg，飛機(jī)結(jié)構(gòu)可減重4Kg，升限可

提高10米；一枚小性洲際導(dǎo)彈第三級(jí)結(jié)構(gòu)重量減少1Kg，整個(gè)運(yùn)載火箭的騰躍重

量即可減少50Kg，地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)重量即可減少100Kg，在有效載荷不變的條件下，可增加射程15~20Km；而航天飛機(jī)的重量每減少1Kg，其發(fā)射成本花銷

就可以減少15000美元(圖1、圖2)。所以，現(xiàn)代航空、航天領(lǐng)域?qū)Π肯杵鹘Y(jié)構(gòu)的減重要求已經(jīng)不是“錙銖必較”，而是“克克計(jì)較”。

圖1火箭殼體資料對(duì)射程的影響

先進(jìn)復(fù)合資料擁有高比強(qiáng)度、高比模量的優(yōu)點(diǎn)，能夠顯然減少結(jié)構(gòu)重量，

是理想的現(xiàn)代翱翔器結(jié)構(gòu)資料。先進(jìn)復(fù)合資料的使用，不但極大地提高了現(xiàn)代翱翔器的性能，使得人類飛天、登月的夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)，同時(shí)也創(chuàng)立了巨大的經(jīng)濟(jì)效

益。先進(jìn)復(fù)合資料結(jié)構(gòu)在新式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中已占了85%以上，在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域具

有廣泛的應(yīng)用遠(yuǎn)景（圖3）。

綜上所述，復(fù)合資料對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的作用。復(fù)合資料的研究深度和應(yīng)用廣度及其生產(chǎn)發(fā)展的速度和規(guī)模已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。復(fù)合資料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，是資料設(shè)計(jì)的一個(gè)打破；復(fù)合資料的發(fā)展同時(shí)又進(jìn)一步推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷步。能夠猜想，隨著高性能樹(shù)脂先進(jìn)復(fù)合資料的不斷成熟和發(fā)展、金屬基、特別是金

屬間化合物基復(fù)合資料和陶瓷基復(fù)合資料的合用化、以及微觀尺度的納米復(fù)合資料和分子復(fù)合資料的發(fā)展，復(fù)合資料在人類生活中的重要性將越來(lái)越顯然。同

時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代復(fù)合資料也將賜予新的內(nèi)容和使命。21世紀(jì)將是

復(fù)合資料的新時(shí)代。3

第二章復(fù)合資料歸納

一、復(fù)合資料的定義和特色：

1、復(fù)合資料的定義：

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）將復(fù)合資料定義為是：兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同樣的物質(zhì)組合而成的一種多相固體資料。

和認(rèn)為復(fù)合資料是兩個(gè)或兩個(gè)以上組元或相組成的混雜物，并應(yīng)滿足下面三個(gè)條件：

1）組元含量大于5%；

2）復(fù)合資料的性能顯然不同樣于各組元的性能；

3）經(jīng)過(guò)各種方法混雜而成。

在“資料科學(xué)技術(shù)百科全書”和“資料大辭典”中將復(fù)合資料定義以下：復(fù)合資料是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類不同樣資料經(jīng)過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新式資料。它與一般資料的簡(jiǎn)單混雜有實(shí)質(zhì)差異，既保留原組成材

料的重要特色，又經(jīng)過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。能夠經(jīng)過(guò)資料設(shè)計(jì)使原組分的性能互相補(bǔ)充并互相關(guān)系，從而獲得更優(yōu)越的性能。

復(fù)合資料將由宏觀復(fù)合形式向微觀（細(xì)觀）復(fù)合形式發(fā)展，包括原位生長(zhǎng)復(fù)合資料、納米復(fù)合資料和分子復(fù)合資料等。

綜上所述，復(fù)合資料定義所闡述的主要有兩點(diǎn)，即組成規(guī)律和性能特色。

2、復(fù)合資料的特色：

1）由兩種或多種不同樣性能的組分經(jīng)過(guò)宏觀或微觀復(fù)合在一起的新式資料，組分之間存在著顯然的界面。

2）各組分保持各自固有特色的同時(shí)可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點(diǎn)，賜予單一資料所不具備的優(yōu)秀特別性能。

3）復(fù)合資料擁有可設(shè)計(jì)性。

3、復(fù)合資料的基本結(jié)構(gòu)模式

復(fù)合資料由基體和加強(qiáng)劑兩個(gè)組分組成：

復(fù)合資料結(jié)構(gòu)平常一個(gè)相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是一以獨(dú)立的形

態(tài)分布在整個(gè)基體中的分別相，這類分別相的性能優(yōu)越，會(huì)使資料的性能顯然改進(jìn)和和加強(qiáng)，稱為加強(qiáng)劑（加強(qiáng)相、加強(qiáng)體）。

加強(qiáng)劑（相）一般較基體硬，強(qiáng)度、模量較基體大，或擁有其余特色。

加強(qiáng)劑（相）能夠是纖維狀、顆粒狀或彌散狀。

4加強(qiáng)劑（相）與基體之間存在著顯然界面。

二、復(fù)合資料的分類

——一般復(fù)合資料

—按性能分類：——先進(jìn)復(fù)合資料

—熱固性

—聚合物復(fù)合資料——熱塑性

—金屬基復(fù)合資料

—按基體分類———陶瓷基復(fù)合資料

—碳碳復(fù)合資料

—水泥基復(fù)合資料

—結(jié)構(gòu)復(fù)合資料

—按用途分類———功能復(fù)合資料

—智能復(fù)合資料

—按加強(qiáng)劑分類———顆粒加強(qiáng)復(fù)合資料

—晶須加強(qiáng)復(fù)合資料

—短纖維加強(qiáng)復(fù)合資料

—連續(xù)纖維加強(qiáng)復(fù)合資料

—混雜纖維加強(qiáng)復(fù)合資料

—三向編織復(fù)合資料

一般復(fù)合資料：一般玻璃、合成或天然纖維加強(qiáng)一般聚合物復(fù)合資料，如

玻璃鋼、鋼筋混凝土等。

先進(jìn)復(fù)合資料（AdvancedComposite，HighPerformanceComposite）：

高性能加強(qiáng)劑（碳、硼、Kevlar、氧化鋁、SiC纖維及晶須等）加強(qiáng)高溫聚

合物、金屬、陶瓷和碳（石墨）等復(fù)合資料。

一般來(lái)講，先進(jìn)復(fù)合資料的比強(qiáng)度和比剛度應(yīng)分別達(dá)到400MPa/(g/cm3)和

40GPa/(g/cm3)以上。

結(jié)構(gòu)復(fù)合資料：用作承力和次承力結(jié)構(gòu)。要求擁有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高剛度、耐高溫以及其余性能。

功能復(fù)合資料：電、熱、聲、摩擦、阻尼等。包括機(jī)敏和智能復(fù)合資料。

混雜復(fù)合資料：兩種或兩種以上加強(qiáng)體組成的復(fù)合資料。經(jīng)過(guò)產(chǎn)生混雜效應(yīng)改進(jìn)性能和降低成本。

5結(jié)構(gòu)/功能一體化復(fù)合資料：在保持資料基本力學(xué)性能的前提下，擁有特定功能特色，如光、電、磁、摩擦、阻尼等。

一、復(fù)合資料的基本性能（優(yōu)點(diǎn)）：

1、高比強(qiáng)度、高比模量（剛度）：

圖2-1典型金屬基體復(fù)合資料與基體資料合金性能的比較

與傳統(tǒng)的單一資料對(duì)照，復(fù)合資料擁有很高的比強(qiáng)度和比模量（剛度）：

比強(qiáng)度、比模量：資料的強(qiáng)度或模量與其密度之比。3比強(qiáng)度=強(qiáng)度/密度MPa/（g/cm）,3比模量=模量/密度GPa/（g/cm）。

資料的比強(qiáng)度愈高，制作同一部件則自重愈?。毁Y料的比模量愈高，部件的剛度愈大。

2、優(yōu)秀的高溫性能：

圖2–2不同樣SiC纖維復(fù)合資料的使用溫度范圍

6復(fù)合資料能夠在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用，同時(shí)其使用溫度均高于復(fù)合資料基

體。當(dāng)前聚合物基復(fù)合資料的最高耐溫上限為350C；金屬基復(fù)合資料按不同樣的

基體性能，其使用溫度在3501100C范圍內(nèi)變動(dòng)；陶瓷基復(fù)合資料的使用溫

度可達(dá)1400C；而碳碳復(fù)合資料的使用溫度最高，可高達(dá)2800C。

3、優(yōu)秀的尺寸牢固性：

加入加強(qiáng)體到基體資料中不但能夠提高資料的強(qiáng)度和剛度，而且能夠使其熱膨脹系數(shù)顯然下降。經(jīng)過(guò)改變復(fù)合資料中加強(qiáng)體的含量，能夠調(diào)整復(fù)合資料的熱

膨脹系數(shù)。比方在石墨纖維加強(qiáng)鎂基復(fù)合資料中，當(dāng)石墨纖維的含量達(dá)到48%時(shí)，復(fù)合資料的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時(shí)其制品不發(fā)生熱變形。這對(duì)人

造衛(wèi)星構(gòu)件特別重要。

圖2-3不同樣資料的尺寸牢固性和比模量

4、優(yōu)秀的化學(xué)牢固性：

聚合物基復(fù)合資料和陶瓷基復(fù)合資料擁有優(yōu)秀的抗腐化性。

5、優(yōu)秀的抗疲倦、蠕變、沖擊和斷裂韌性：

由于加強(qiáng)體的加入，復(fù)合資料的抗疲倦、蠕變、沖擊和斷裂韌性等性能獲得提高，特別是陶瓷基復(fù)合資料的脆性獲得顯然改進(jìn)

6、優(yōu)秀的功能性能：包括光、電、磁、熱、燒蝕、摩擦及潤(rùn)滑等性能。7

第二講復(fù)合資料的加強(qiáng)資料

復(fù)合資料的加強(qiáng)資料：提高基體資料機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的資料的統(tǒng)稱。

復(fù)合資料的分類：從物理形態(tài)來(lái)看有纖維狀加強(qiáng)資料、片狀加強(qiáng)資料、顆粒狀加強(qiáng)資料等。

纖維狀資料加強(qiáng)作用顯然的原因是其拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量比同一塊狀資料要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.1玻璃纖維

玻璃纖維由熔融的玻璃經(jīng)拉絲而成，可制成連續(xù)纖維和短纖維。由于其制取方便，價(jià)格低價(jià)，是應(yīng)用最多的加強(qiáng)纖維。

玻璃纖維的特色

擁有不吸水、不燃燒、尺寸牢固、隔熱、吸聲、絕緣、能透過(guò)電磁波等特色，有優(yōu)秀的耐腐化性，除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對(duì)其余溶劑有優(yōu)秀的化學(xué)牢固性。其弊端是脆性大，耐磨性差。質(zhì)地嬌嫩，可紡織成各種玻璃布、帶等。

玻璃纖維的分類

以玻璃原料成分分類（以含堿量區(qū)分）：

無(wú)堿玻璃纖維（堿含量<0.5%）、中堿玻璃纖維（堿含量為11.5%～

12.5％）和特種玻璃纖維

以單絲直徑分類：

粗纖維：30μm；

初級(jí)纖維：20μm；

中級(jí)纖維：10一20μm；

高級(jí)纖維：3一l0μm(亦林紡織纖維)。對(duì)于單絲直徑小于4μm的玻田纖維稱為特細(xì)纖維。

3.以外觀分類：

有連續(xù)纖維（無(wú)捻粗紗及有銘粗紗（用于紡織））；短切纖維；空心玻璃纖維；玻璃粉及磨細(xì)纖維等。

以纖維特色分類：

高強(qiáng)玻璃纖維；高模量玻璃纖維；耐高溫玻璃纖維；耐堿玻

8璃纖維；耐酸玻璃纖維；一般玻璃纖維。

玻璃纖維的結(jié)構(gòu)（兩種假說(shuō)）

微晶結(jié)構(gòu)假說(shuō)：玻璃是由二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之

間由硅酸塊過(guò)冷溶液所填充。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說(shuō)：玻璃是由二氧化硅的周圍體、鋁氧三面體或硼氧三

面體互相連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽(yáng)離子

所填充。二氧化硅周圍體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)（圖3-

1），填充的Na、Ca等陽(yáng)離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。

玻璃纖維的力學(xué)性能

（1）拉伸強(qiáng)度

微裂紋假說(shuō)：纖維的理論拉伸強(qiáng)度可達(dá)到2000MPa～12000MPa，但實(shí)質(zhì)上由于玻璃纖維表面存在微裂紋大大降低強(qiáng)度。特別以表面的微裂紋的

危害最大。

分子取向假說(shuō)：玻璃纖維成型時(shí)，由于拉絲機(jī)的牽引力作用，使玻璃纖維分子產(chǎn)生定向排列，從而提高玻璃纖維的強(qiáng)度。

影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素：

①纖維直徑和長(zhǎng)度：直徑越細(xì)，拉伸強(qiáng)度越高，長(zhǎng)度越長(zhǎng)拉伸強(qiáng)度

下降。

②化學(xué)組成：含堿量越高強(qiáng)度越低。

③存放時(shí)間：由于老化，纖維的強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加而降低。

其余還有施加負(fù)荷時(shí)間、成型方法和成型條件。

（2）彈性

①延伸率。一般為3％。

②彈性模量。比人造纖維高，但比金屬低，加入BeO、MgO能提高

彈性模量。

（3）纖維的耐磨性和耐折性。這兩個(gè)性能都較差。

3.熱性能

9玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)小，隔熱性好。其耐熱性高，其消融點(diǎn)為550℃～580℃。

電性能

同一般的玻璃，能夠?qū)щ姡鋵?dǎo)電性取決于化學(xué)組成、溫度和濕

度。

玻纖的界面辦理(interfacefinishing)

玻纖的表面辦理有機(jī)硅烷類偶聯(lián)劑

有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑的作用(functionsofcouplingagent)：

①在兩相界面形成化學(xué)鍵，大幅度提高界面粘接強(qiáng)度②改進(jìn)了界面對(duì)應(yīng)力的傳完收效③供應(yīng)了一個(gè)可塑界面層，可部分除掉界面節(jié)余應(yīng)力

④供應(yīng)了一個(gè)防水層，保護(hù)了界面，阻攔了脫粘和腐化的發(fā)生偶聯(lián)劑對(duì)不同樣復(fù)合系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的選擇性

纖維表面辦理方法

后辦理法

此法分兩步：第一除掉玻璃纖維表面的紡織型浸潤(rùn)劑，爾后經(jīng)辦理劑溶液浸漬、水洗、烘干等工藝，使玻璃纖維表面被覆上一層辦理劑。

其主要特色是：辦理的各道工序都需要特地的設(shè)備，初投資較大，玻璃纖維強(qiáng)度損失大，但辦理收效好，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最常使用的辦理方法。

前辦理法

這類方法需合適改變浸潤(rùn)劑的配方，使之既能滿足拉絲、退并、紡織各道工序的要求，又不阻攔樹(shù)脂對(duì)玻璃纖維的浸潤(rùn)和粘結(jié)。它的優(yōu)點(diǎn)：

①省去了復(fù)雜的辦理工藝及設(shè)備，使用簡(jiǎn)略；

②防備了因熱辦理造成的玻璃纖維強(qiáng)度損失。

它是很有價(jià)值又比較理想的辦理方法。但技術(shù)復(fù)雜，尚需進(jìn)一步研

究。

遷移法

遷移法是將化學(xué)辦理劑直接加入到樹(shù)脂膠液中，借辦理劑從纖維表面的“遷移”作用與纖維發(fā)生作用，從而產(chǎn)生偶聯(lián)作用。

2.2碳纖維10定義：碳纖維是一種纖維狀碳資料，它是用一些含碳的有機(jī)纖維，如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等做原料，將這些有機(jī)纖維跟塑料樹(shù)脂結(jié)合在一起，放在惰性氣氛中，在必然的壓強(qiáng)下加強(qiáng)熱碳化而成。

性能：碳纖維及其復(fù)合資料擁有高比強(qiáng)度，高比模量，耐高溫，耐腐化，耐疲倦，抗蠕變，導(dǎo)電，傳熱，和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)秀性能，它們既能夠

作為結(jié)構(gòu)資料承載負(fù)荷，又能夠作為功能資料發(fā)揮作用，當(dāng)前幾乎沒(méi)有什么資料擁有這么多方面的特色。所以，碳纖維及其復(fù)合資料近來(lái)幾年來(lái)發(fā)展十分迅速。

以粘膠纖維為原料制取碳纖維時(shí)，先在氮或氬等惰性氣體中進(jìn)行400℃

以下的低溫牢固化辦理，爾后在惰性氣體保護(hù)下于1000～1500℃進(jìn)行碳化

辦理，制成含碳量90％以上的碳纖維，最后于2500～3000℃的高溫下

進(jìn)行石墨化辦理，制得石墨碳纖維。

用聚丙烯腈為原料制造碳纖維的過(guò)程為

碳纖維資料性能特色

（1）抗拉強(qiáng)度：碳纖維的抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10倍。

（2）彈性模量：碳纖維復(fù)合資料的拉伸彈性模量高于鋼材，可達(dá)

3000cN/tex以上，斷裂伸長(zhǎng)率為0.5％～2.0％。但芳綸和玻璃纖維復(fù)合資料

的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一。

（3）疲倦強(qiáng)度：碳纖維和芳綸纖維復(fù)合資料的疲倦強(qiáng)度高于高強(qiáng)綱絲。金

屬資料在交變應(yīng)力作用下，疲倦極限僅為靜荷強(qiáng)度的30%～40%。由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴(kuò)展，以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性，復(fù)合資料

的疲倦極限較高，約為靜荷強(qiáng)度的70%～80%，并在破壞前有變形顯然的征兆。

4）重量：約為鋼材的五分之一。

5）與碳纖維板的比較：碳纖維片材能夠粘貼在各種形狀的結(jié)構(gòu)表面，而板材更合用于規(guī)則構(gòu)件表面。其余，由于粘貼板材時(shí)基層樹(shù)脂的用量比片材多、厚度大，與混凝土界面的粘接強(qiáng)度不如片材。

（6）碳纖維擁有優(yōu)秀的機(jī)械性能，其斷裂強(qiáng)度為15cN/tex左右，擁有自潤(rùn)滑性能。（7）其化學(xué)性質(zhì)與碳相似，在室溫下是惰性的，除能被強(qiáng)氧化劑氧化11外，一般的酸堿對(duì)碳纖維不起作用。在惰性氣體中，其耐熱性十分突出，在

1500℃以上的高溫下強(qiáng)度才開(kāi)始降低。

（8）碳纖維導(dǎo)電性能好，比電阻在1×l0-2Ω·cm以下，吸附性強(qiáng)。

（9）碳纖維的弊端是抗壓性差，易折斷，耐沖擊性能差。

碳纖維的種類

依照加工纖維時(shí)的辦理溫度不同樣，分為碳纖維和石墨纖維。碳纖維是在

1000～2300℃范圍內(nèi)碳化獲得的，石墨纖維是在2300℃以上碳化獲得的，其含碳量高出98％，結(jié)構(gòu)上近似石墨，有金屬光彩。

按碳纖維強(qiáng)度的不同樣，可分為一般碳纖維和高強(qiáng)度高模量碳纖維。一般

碳纖維的強(qiáng)度和模量分別小于1.2GPa和100GPa；高強(qiáng)度高模量碳纖維的強(qiáng)度和模量分別高于1.5GPa和170GPa。

依照制造碳纖維所用原料的不同樣，可分為纖維素系碳纖維、聚丙烯腈系碳纖維、瀝青系碳纖維。

碳纖維的結(jié)構(gòu)特色

碳纖維之所以擁有很高的抗拉強(qiáng)度主要由于類石墨結(jié)構(gòu)分子層片沿纖維軸的高度取向。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。層片分子取向度的高低和纖維內(nèi)部弊端的多少是

決定碳纖維強(qiáng)度的主要因素。12

第三講

第2章基體資料

2.1歸納

以高分子資料為基體，加入各種纖維制成的復(fù)合資料。對(duì)這類復(fù)合資料平常能夠按加強(qiáng)纖維的不同樣來(lái)進(jìn)行分類。如：玻璃纖維加強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合資料、碳纖維加強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合資料等。

復(fù)合資料基體：為復(fù)合資料中起到粘結(jié)加強(qiáng)體成為整體并轉(zhuǎn)遞載荷到加強(qiáng)體的主要組分之一。

圖2–1熱塑性a、b和熱固性c聚合物的形態(tài)特色

2.2聚合物基體熱固性樹(shù)脂熱固性聚合物:環(huán)氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹(shù)脂等。平常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預(yù)聚體，經(jīng)加熱或加固化劑發(fā)生交聯(lián)化學(xué)反響并經(jīng)過(guò)凝膠化

和固化階段后，形成不溶、不熔的三維網(wǎng)狀高分子（圖6-1c）。熱固性樹(shù)

脂在初始階段流動(dòng)性很好，簡(jiǎn)單浸透加強(qiáng)體，同時(shí)工藝過(guò)程比較簡(jiǎn)單控制。

這些樹(shù)脂幾乎合適于各種種類的加強(qiáng)體。平常都先制成預(yù)浸料，使浸入加強(qiáng)

體的樹(shù)脂處于半凝固狀態(tài)，在低溫保留條件下限制其固化反響，并應(yīng)在必然

時(shí)期內(nèi)進(jìn)行加工。各種熱固性樹(shù)脂的固化反響機(jī)理不同樣，依照使用要求的差

異，采用的固化條件也有很大的差異。一般的固化條件有室溫固化、中溫固

化（120C左右）和高溫固化（170C以上）。這類高分子平常為無(wú)定型結(jié)

構(gòu)。擁有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性能和尺寸牢固性好等優(yōu)點(diǎn)。131)環(huán)氧樹(shù)脂(EP):o

一種分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上活性環(huán)氧基團(tuán)(—C—C—)的低聚

物。按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類以下：

縮水甘油醚EP

—縮水甘油類縮水甘油胺EP

縮水甘油酯EP

—脂環(huán)族EP—脂肪族EP環(huán)氧樹(shù)脂是線型結(jié)構(gòu)，必定加入固化劑使它變成不溶不熔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才適用途。按固化工藝可分為三大類：1）含有爽朗氫的化合物，它仍在固化時(shí)發(fā)生加成聚合反響；2）離子型惹起劑，它可分陰離子和陽(yáng)離子；3）交聯(lián)劑，它能與雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的氫氧基進(jìn)行交聯(lián)。

常用的固化劑包括脂肪族或芳香族胺類，有機(jī)多元酸或酸酐等。

表2-1熱固性樹(shù)脂的力學(xué)性能

雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMI）

雙馬樹(shù)脂是馬來(lái)酸酐與芳香族二胺反響生成預(yù)聚體，再高溫交聯(lián)而成的

一類熱固性樹(shù)脂。

交聯(lián)后的雙馬樹(shù)脂擁有不熔、不溶的特色，有高的交聯(lián)度，固化后的密

14度在1.351.4g/cm3之間，玻璃化溫度（Tg）在250300C之間，使用溫度為150200C。3）聚酰亞胺樹(shù)脂（PMR）

聚酰亞胺樹(shù)脂是主鏈含雜環(huán)結(jié)構(gòu)的聚合物。其典型反響是芳香二酸酐與芳香二胺生成聚酰胺酸，在熱作用下酰胺脫水形成聚酰亞胺。聚酰亞胺

樹(shù)脂

熱塑性樹(shù)脂

熱塑性聚合物:包括各種通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、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）。它們是一類線形或有支鏈的固態(tài)高分子（圖6-1a、b），可溶可熔，

可屢次加工而無(wú)化學(xué)變化。在加熱到必然溫度時(shí)能夠消融甚至流動(dòng)，從而在壓力和模具的作用下成型，并在冷卻后硬化固定。這類聚合物必定與加強(qiáng)體制成連續(xù)的片（布）、帶狀和粒狀預(yù)浸料，才能進(jìn)一步加工成各種復(fù)合資料構(gòu)件。這類高分子分非晶（或無(wú)定形）和結(jié)晶兩類。平常結(jié)晶度在20-85%之間。擁有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、電絕緣、化學(xué)牢固性、耐磨潤(rùn)滑性好，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。與熱固性聚合物對(duì)照，擁有顯然的力學(xué)廢弛現(xiàn)象；在外力作用下形變大；擁有相當(dāng)大的斷裂延伸率（圖6-2）；抗沖擊性能較好。聚合物的力學(xué)特色：

圖2–2不同樣樹(shù)脂資料的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖2-3溫度及加載速度對(duì)高聚物

力學(xué)性能的影響

決定聚合物強(qiáng)度的主要因素是分子內(nèi)分子之間的作用力。聚合物的破壞可是是聚合物主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或是聚合物分子鏈之間互相作用的破壞。

高聚物的力學(xué)性能強(qiáng)烈依賴于溫度和加載速率（時(shí)間）（圖6-3、4）。同時(shí)考慮“溫度—時(shí)間—環(huán)境—載荷”幾方面的因素才能真實(shí)反響資料的性

15能。

圖2-4熱塑性聚合物狀態(tài)與溫度的關(guān)

1—非晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線，2—結(jié)晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線

高聚物特色溫度：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，熔點(diǎn)Tm和粘流溫度Tf

在Tg以下：為硬而脆或硬而韌的固體（玻璃態(tài)）；

在Tg周邊：非晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而有彈性的橡膠態(tài)；半晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而韌的皮革態(tài)；

熱塑高聚物Tg基本固定；熱固高聚物Tg隨其交聯(lián)度的增加而增加,當(dāng)

交聯(lián)度很高時(shí)，達(dá)到Tg后無(wú)顯然的消融現(xiàn)象

Tm（非晶）、Tf（結(jié)晶）：成為高粘度的流體（粘流態(tài)）。

1）聚醚醚酮（PEEK）

PEEK是一種半結(jié)晶型熱塑性樹(shù)脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143C，熔點(diǎn)

為334C，結(jié)晶度一般在20-40%，最大結(jié)晶度為48%。

PEEK在空氣中的熱分解溫度為650C，加工溫度在370420C，室溫彈性

模量與環(huán)氧樹(shù)脂相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)于環(huán)氧，斷裂韌性極高，擁有優(yōu)秀的阻燃性。

PEEK基復(fù)合資料可在250C的溫度下長(zhǎng)遠(yuǎn)使用。

2）聚苯硫醚（PPS）

結(jié)晶型聚合物，耐化學(xué)腐化性極好，在室溫不溶任何溶劑，可長(zhǎng)遠(yuǎn)耐熱

至240C。

3）聚醚砜（PES）

非晶聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為225C，可在180C下長(zhǎng)遠(yuǎn)使用；有突

16出的耐蠕變性、尺寸牢固性；熱膨脹系數(shù)與溫度沒(méi)關(guān)，無(wú)毒，不燃。

4）熱塑性聚酰亞胺

聚醚酰胺（PEI）：長(zhǎng)遠(yuǎn)使用溫度為180C。

聚酰胺酰亞胺（PAI）：Tg達(dá)280C，長(zhǎng)遠(yuǎn)使用溫度為240C。

2.3金屬

用于450C以下的輕金屬基體（鋁、鎂及其合金）1-1鋁及其合金:面心立方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。熔點(diǎn)為660C，密度2.7g/cm3。塑性優(yōu)秀，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好；化學(xué)活性高，強(qiáng)度不高。鋁合金中常用的合金元素有銅、鎂、鋅、錳和硅等?？煞肿冃武X合金和鑄造鋁合金(ZL)。變形鋁合金可分為:防銹鋁(LF)、硬鋁（LY）、超硬鋁(LC)、鍛鋁（LD）。鋁合金需用固溶辦理、淬火和時(shí)效來(lái)改進(jìn)和提高性能。固溶辦理是指

經(jīng)過(guò)加熱使合金中第二相完好溶入相中，并經(jīng)過(guò)擴(kuò)散平均化，以固溶加強(qiáng)

方式加強(qiáng)合金。淬火是指固溶辦理后用水或其余介質(zhì)將合金急冷至室溫，獲得最大飽和度的平均固溶體。淬火是時(shí)效辦理的前提。

指經(jīng)過(guò)過(guò)飽和度固溶體的分解,析出介牢固的第二相(過(guò)渡相)并彌散分布。經(jīng)過(guò)時(shí)效鋁合金的強(qiáng)度和硬度顯然提高。

圖6-5鋁合金的相圖

1-2鎂及其合金:

鎂擁有密排六方結(jié)構(gòu)，密度為1.74g/cm3。鎂的強(qiáng)度和模量都很

低，但比強(qiáng)度、比模量較高。其室平易低溫塑性較低，但高溫塑性好，可進(jìn)行各種形式的熱變形加工。

17

圖6-6鎂-鋁合金相圖圖6-7鎂-鋅合金相圖

鎂的合金化也是利用固溶加強(qiáng)和時(shí)效加強(qiáng)來(lái)提高合金的常平易高溫性

能。其合金化元素有鋁、鋅、鋯、錳和稀土等。鎂合金主要有Mg-AL-Zn系和

Mg-Zn-Zr系，分變形鎂合金和鑄造鎂合金。

用于450700C復(fù)合資料的金屬基體（鈦及其合金）

鈦的密度為4.51g/cm3，熔點(diǎn)1678C，熱膨脹系數(shù)7.3510-6/K，導(dǎo)電

和導(dǎo)熱性差，耐腐化性優(yōu)秀。鈦有兩種同素異構(gòu)結(jié)構(gòu)。882.5C以下為密

排六方結(jié)構(gòu)（-Ti）；882.5C以上至熔點(diǎn)為體心立方結(jié)構(gòu)（-Ti）。

純鈦的塑性極好，其強(qiáng)度可經(jīng)過(guò)冷加工硬化和合金化獲得顯然提高。鈦

合金一般按合金元素加入后在退火組織中的作用分為型、型和+

型三類。合金化后的耐熱性顯然提高，可作為高溫結(jié)構(gòu)資料，長(zhǎng)遠(yuǎn)使用溫度

可達(dá)650C。

鈦合金中合金元素對(duì)鈦的同素異構(gòu)體的作用在于能提高鈦同素異構(gòu)體的

轉(zhuǎn)變溫度。擴(kuò)大區(qū)和增加相牢固性的合金元素為牢固元素；降低鈦的

同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大相區(qū)，并在復(fù)相合金中優(yōu)先溶于相內(nèi)的合金

元素為牢固元素，是加強(qiáng)相的主要元素。

為了獲得最正確的機(jī)械性能，鈦合金需要進(jìn)行合適的退火、淬火和無(wú)效等

熱辦理。退火合用于各種鈦及鈦合金，而且是型鈦合金和牢固化元素較

少的和+型鈦合金的唯一熱辦理方式。退火的目的是除掉內(nèi)應(yīng)力，提高

塑性和牢固組織及除掉加工硬化。應(yīng)力退火溫度一般為450650C，空

冷；再結(jié)晶溫度為750800C，空冷。

表6-2鈦合金復(fù)合資料中常用鈦及鈦合金成分及性能18

型和牢固化元素很多的+型鈦合金能夠進(jìn)行淬火和無(wú)效等熱處

理，以提高合金的強(qiáng)度。這類合金的淬火溫度一般選在+兩相區(qū)的上部

范圍，為750950C，水冷；時(shí)效溫度為450550C，時(shí)間為幾小時(shí)到幾

十小時(shí)。

鈦合金的淬火時(shí)效體系近似于鋁合金，但又有差異。主要差異在于鋁合

金固溶時(shí)，獲得過(guò)飽和固溶體，而鈦合金獲得的是牢固化元素欠飽和固

溶體；鋁合金時(shí)效加強(qiáng)是依賴過(guò)渡相，而鈦合金時(shí)效加強(qiáng)是依賴彌散分布的平衡相加強(qiáng)。

用于1000C高溫復(fù)合資料的金屬基體

3-1高溫合金(Superalloys)

高溫合金是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金的總稱，在高溫下?lián)碛泻艿某?/p>

久、蠕變和疲倦強(qiáng)度。為了獲得高強(qiáng)度與高蠕變抗力，合金元素必定保證產(chǎn)

生在高溫下強(qiáng)而牢固的顯微組織。固溶加強(qiáng)、彌散加強(qiáng)和析出硬化。其典型

組織為：奧氏體基體和彌散分布于其中的加強(qiáng)相，它能夠是碳化物相、金屬

間化合物相或牢固化合物質(zhì)點(diǎn)。

鐵基高溫合金可做中溫使用的另部件，如700C以下使用的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪

盤，作為高溫板材的固溶加強(qiáng)型鐵基高溫合金的使用溫度在900C以下。

鎳基合金用來(lái)制造使用溫度更高的、受力苛刻的熱端部件，如渦輪葉

19片、導(dǎo)向葉片、燃燒室等。

鈷基高溫合金廣泛用作導(dǎo)向葉片，擁有優(yōu)秀的抗熱腐化性和抗冷熱疲倦

性能。

表6-3高溫合金基體的力學(xué)性能

3-2金屬間化合物(IntermetallicCompound)

金屬與金屬或金屬與類金屬之間形成的中間相化合物。決定金屬間化合物相結(jié)構(gòu)的主要因素有電負(fù)性、尺寸因素和電子濃度等。金屬間化合物晶體結(jié)構(gòu)誠(chéng)然復(fù)雜或有序，但從原子結(jié)合上仍擁有金屬特色。但是其電子云分布

其實(shí)不是完好平均，存在必然方向性，擁有某種程度的共價(jià)鍵特色，以致熔點(diǎn)高升及原子間鍵出現(xiàn)方向性。金屬間化合物經(jīng)常擁有必然的固溶度，偏離當(dāng)量成分，有序度降低，弊端增加。固溶第三組元對(duì)二元金屬間化合物的相結(jié)構(gòu)和牢固性都有很大影響。

金屬間化合物可分結(jié)構(gòu)金屬間化合物和功能金屬間化合物兩大類。結(jié)構(gòu)

金屬間化合物與高溫合金對(duì)照，其最大的特色是晶體結(jié)構(gòu)中組成元素的原子以長(zhǎng)程有序方式排列，原子結(jié)合力強(qiáng)，除金屬鍵以外，還有一部分共價(jià)鍵，表現(xiàn)出一系列優(yōu)秀性能，使用溫度界于高溫合金和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷之間。依照

其組成的不同樣當(dāng)量比，A、B兩元之間可形成AB、A2B、A3B、A5B3、A7B6等化合物；依照組成元素，可分為鋁化物、硅化物和鈹化物。20

（a）Kurnakov型；（b）Berthollide型（c）Daltonide型

圖6-8不同樣種類的金屬間化合物的相圖

Kurnakov型：在化學(xué)式所規(guī)定成分的兩側(cè)有一個(gè)成分范圍，在低于熔點(diǎn)的某一溫度以下，原子的有序排列消失，形成無(wú)序排列的金屬間化合物。

如CuAu、Cu3Au、Fe3Al、Ti3Al等。

Berthollide型：在化學(xué)式所規(guī)定成分的兩側(cè)有一個(gè)成分范圍，但消融

前或反響前為原子有序排列的金屬間化合物。如Ni3Al、TiAl等。

Daltonide型：在化學(xué)式規(guī)定成分的兩側(cè)不存在成分范圍的金屬間化合

物，如Pt2Si、PtSi等。

盡管金屬間化合物擁有密度小、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)，但室溫脆性是其致

命弊端，當(dāng)前正經(jīng)過(guò)各種路子提高其延性和韌性。

Ti-Al系金屬間化合物：

Ti-Al系金屬間化合物擁有低密度、高強(qiáng)度、高剛度、以及優(yōu)秀的高

溫、抗蠕變和抗氧化性能。Ti-Al系金屬間化合物一般分2-Ti3Al和-

TiAl兩類。

與Ni基合金對(duì)照，以長(zhǎng)梁構(gòu)件為例，同樣體積長(zhǎng)度，金屬間化合物重量

減少45%；同樣重量，金屬間化合物構(gòu)件長(zhǎng)度增加35%。與Ti基合金對(duì)照金

屬間化合物擁有優(yōu)秀的高溫比性能。Ti-Al系金屬間化合物最高使用溫度可

達(dá)1100C。但當(dāng)前其合用化的主要阻攔有：1)難以熱壓加工；2)嚴(yán)重的室

溫脆性。

當(dāng)前實(shí)化的Ti-Al系金屬間化合物：

2-Ti3AlO(Orthombic)相Ti2AlNb（16-30%）；

-TiAl兩相(2+)TiAl。

表6-5Ti合金、金屬間化合物和高溫合金的力學(xué)性能比較

212.4陶瓷：

陶瓷是金屬與與非金屬的固體化合物，以離子鍵（如MgO、Al2O#）、共

價(jià)鍵（金剛石、Si3N4、BN）以及離子鍵和共價(jià)鍵的混雜鍵結(jié)合在一起。陶瓷

資料的顯微結(jié)構(gòu)平常由晶相、玻璃相平易相（孔）等不同樣的相組成。

陶瓷資料擁有熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)牢固性好、耐高溫、耐磨損、耐氧

化和腐化、比重小、強(qiáng)度和模量高等優(yōu)點(diǎn)，可在各種苛刻的環(huán)境下工作；另一方面，陶瓷資料在磁、電、光、熱等方面的性能和用途擁有多樣性和可變

性，是特別重要的功能資料。

陶瓷資料的致命弊端是脆性大、韌性差，常因存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等

弊端而惹起不能展望的災(zāi)禍性結(jié)果。陶瓷基復(fù)合資料是改變其脆性、提高韌

性的有效路子。用于復(fù)合資料陶瓷基體主要有氧化物（Al2O3等）、氮化物

（Si3N4等）和碳化物（SiC等）。

氧化物陶瓷：

氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2和莫來(lái)石（3Al2O32SiO2）等。其熔點(diǎn)在2000C以上，主要為單相多晶結(jié)構(gòu)，還可能有少量氣相（氣孔）。微晶氧化物的強(qiáng)度較高；粗晶結(jié)構(gòu)時(shí)，晶界節(jié)余應(yīng)力較大，對(duì)強(qiáng)度不利。氧化物陶瓷的強(qiáng)度隨環(huán)境溫度高升而降低。這類資料應(yīng)防備在高應(yīng)力和

高溫環(huán)境下使用。這是由于Al2O3和ZrO2的抗熱震性差；SiO2在高溫下簡(jiǎn)單發(fā)生蠕變和相變等。

22非氧化物陶瓷：

非氧化物陶瓷主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它們的特色是

耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很強(qiáng)。碳化物、硼化物的抗熱氧化溫

度約900-1000C，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度可達(dá)1300-1700C。

氮化硅屬六方晶系，有、兩種晶相。其強(qiáng)度和硬度高、抗熱震和抗高

溫蠕變性好、摩擦系數(shù)小，擁有優(yōu)秀的耐（酸、堿和有色金屬）腐化（侵

蝕）性?？寡趸瘻囟瓤蛇_(dá)1000C，電絕緣性好。

-SiC屬六方晶系，-SiC屬等軸晶系。高溫強(qiáng)度高，擁有很高的熱傳導(dǎo)能力以及較好的熱牢固性、耐磨性、耐腐化性和抗蠕變性。

氮化硼擁有近似石墨的六方結(jié)構(gòu)，在高溫（1360C）和高壓作用下可轉(zhuǎn)

變成立方結(jié)構(gòu)的-氮化硼，耐熱溫度高達(dá)2000C，硬度極高，可作為金剛

石的代用品。

玻璃陶瓷：

好多無(wú)機(jī)玻璃可經(jīng)過(guò)合適的熱辦理使其由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變成晶態(tài)，這一過(guò)程

稱為反玻璃化。對(duì)于某些玻璃反玻璃化過(guò)程能夠控制，最后能夠形成無(wú)節(jié)余應(yīng)力的微晶玻璃。這類資料成為玻璃陶瓷。

玻璃陶瓷的密度為3,波折強(qiáng)度為70-350MPa,彈性模量為

80-140GPa。

玻璃陶瓷擁有熱膨脹系數(shù)小，力學(xué)性能好和導(dǎo)熱系數(shù)較大等特色。如鋰

鋁硅（Li2O-Al203-SiO2，LAS）玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，耐熱好。

鎂鋁硅（MgO-Al203-SiO2，MAS）玻璃陶瓷的硬度高，耐磨性好。

表6-6高性能陶瓷的力學(xué)性能種類密度熱膨脹系數(shù)抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度彈性模量g/cm3×10-6/℃MPaMPaMPaGPaSiC3.2~3.34.35~4.7500~400~1000440Al2O33.85~8.52652100~3.985000360~MgO3.0~3.613.860~80780400ZrO25.7140144~2100210~BeO2.997~130800~3002.44~2.61520Si3N(RB)3.1~3.1814112004Si3N4(RB)2.15~2.22.25~2.87150~275

23六方BN(RB)24215310

2.5碳（石墨）

熔點(diǎn)：3550C（高出3500C開(kāi)始升華）；沸點(diǎn)：4200C。

同素異形體：金剛石、石墨、無(wú)定形碳。

比重：無(wú)定形碳為1.88、石墨為2.25、金剛石為3.51。

圖6-11

無(wú)定形碳只有少量的、平均尺寸為25?的平面層互相平行，但其余的定

向倒是紛亂的。即使少量的平行束其互相之間也紛亂的。

石墨中的碳原子處于正六角形的角上，所有的碳原子層（平面）都互相

平行。碳原子層面有序排列的過(guò)程稱為石墨化過(guò)程。石墨化過(guò)程中資料強(qiáng)度

有所下降，但彈性模量顯然提高（470-980GPa）。

24

第四講復(fù)合資料界面

一、復(fù)合資料界面（InterfaceorInterphase）

復(fù)合資料的界面是指基體與加強(qiáng)相之間化學(xué)成分有顯然變化的、組成互相結(jié)合的、能起載荷傳達(dá)作用的微小地域。

復(fù)合資料的界面是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡地域，約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米（圖3-

1、圖3-2）。此地域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同樣于兩相中的任何一相。這一界面區(qū)由五個(gè)亞層組成，每一亞層的性能都與基體和加強(qiáng)相的性質(zhì)、復(fù)合資料成型方法有

關(guān)。

1、外力場(chǎng)

2、基體

3、基體表面區(qū)

4、互相浸透區(qū)

5、加強(qiáng)劑表面區(qū)

6、加強(qiáng)劑

圖3–1復(fù)合資料的界面表示圖

圖3–2SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo復(fù)合資料界面透射電鏡照片及表示圖

界面是復(fù)合資料的特色，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：

1）傳達(dá)效應(yīng)：界面可將復(fù)合資料系統(tǒng)中基體承受的外力傳達(dá)給加強(qiáng)相，起到基體和加強(qiáng)相之間的橋梁作用。

2）阻斷效應(yīng)：基體和加強(qiáng)相之間結(jié)合力合適的界面有阻攔裂紋擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。

3）不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感覺(jué)性、磁性、耐熱性和磁場(chǎng)尺寸牢固性等。

254）散射和吸取效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸取，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等。

5）引誘效應(yīng)：一種物質(zhì)（平常是加強(qiáng)劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（平常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于引誘作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。

界面效應(yīng)是任何一種單一資料所沒(méi)有的特色，它對(duì)復(fù)合資料擁有重要的

作用。界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學(xué)性質(zhì)相關(guān)，也與復(fù)合

資料各組分的浸潤(rùn)性、相容性、擴(kuò)散性等親近相關(guān)。

界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度對(duì)復(fù)合資料的性能有重要影響。對(duì)于每一種復(fù)合資料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。好多因素影響著界面結(jié)合強(qiáng)度，如表面幾何形狀、分布情況、紋理結(jié)構(gòu)、表面雜質(zhì)、吸附氣體程度、吸水情況、表面形態(tài)、在界面的溶解、擴(kuò)散和化學(xué)反響、表面層的力學(xué)特色、潤(rùn)濕速度等。

界面結(jié)合較差的復(fù)合資料大多呈剪切破壞，且在資料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力廢弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過(guò)強(qiáng)的復(fù)合資料則呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合資料的整體性能。界面最正確態(tài)的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)變成地域化而不進(jìn)一步界面脫粘；即這時(shí)的復(fù)合資料擁有最大斷裂能和必然的韌性。所以，在研究和設(shè)計(jì)界面時(shí)，不應(yīng)只追求界面結(jié)合而應(yīng)試慮到最優(yōu)化和最正確綜合性能。

二、復(fù)合資料組分的相容性

物理相容性：

是指基體應(yīng)擁有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼饷孑d荷平均地傳達(dá)到加強(qiáng)劑上，而不會(huì)有顯然的不連續(xù)現(xiàn)象。其余，由于裂紋或位錯(cuò)搬動(dòng)，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不應(yīng)在加強(qiáng)劑上形成高的局部應(yīng)力。另一個(gè)重要的物理關(guān)系是熱膨脹系數(shù)。基體與加強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)的差異對(duì)復(fù)合資料的界面結(jié)合產(chǎn)生重要的影響，從而影響資料的各種性能。比方對(duì)于韌性基體資料，最好擁有較高的熱膨脹系數(shù)。這是由于熱膨脹系數(shù)較高的相從較高的加工溫度冷倒是將碰到張應(yīng)力；對(duì)于脆性資料的加強(qiáng)相，一般都是抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，處于壓縮狀態(tài)比較有益。而對(duì)于像鈦這類高信服強(qiáng)度的基體，一般卻要求防備高的節(jié)余熱應(yīng)力，所以熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差太大。

化學(xué)相容性：

化學(xué)相容性是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。對(duì)原生復(fù)合資料，在制造過(guò)程是熱力學(xué)平衡的，其兩相化學(xué)勢(shì)相等，比表面能效應(yīng)也最小。對(duì)非平衡態(tài)復(fù)合資料，化學(xué)相容

26性要嚴(yán)重得多。纖維和基體間的直接反響則是更重要的相容性問(wèn)題。但對(duì)高溫復(fù)合資料來(lái)說(shuō)，以下因素與復(fù)合資料化學(xué)相容性相關(guān)的問(wèn)題則十分重要：

1）相反響的自由能F：代表該反響的驅(qū)動(dòng)力。設(shè)計(jì)復(fù)合資料時(shí)，應(yīng)確定

所選系統(tǒng)可能發(fā)生反響的自由能的變化。

2）化學(xué)勢(shì)U：各組分的化學(xué)勢(shì)不等，常會(huì)以致界面的不牢固。

3）表面能T：各組分的表面能可能很高，以致界面的不牢固。

4）晶界擴(kuò)散系數(shù)D：由晶界或表面擴(kuò)散系數(shù)控制的二次擴(kuò)散效應(yīng)常使復(fù)合

系統(tǒng)中組分相的關(guān)系發(fā)生很大變化。

三、復(fù)合資料的界面理論

1、界面潤(rùn)濕理論

界面潤(rùn)濕理論是基于液態(tài)樹(shù)脂對(duì)纖維表面的浸潤(rùn)親和，即物理和化學(xué)吸附作用。液態(tài)樹(shù)脂對(duì)纖維表面的優(yōu)秀浸潤(rùn)是十分重要的。浸潤(rùn)不良會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，以致界面弊端和應(yīng)力集中，使界面強(qiáng)度下降。優(yōu)秀的或完好浸潤(rùn)將使界面強(qiáng)度大大提高，甚至優(yōu)于基體自己的內(nèi)聚強(qiáng)度。

從熱力學(xué)見(jiàn)解來(lái)考慮兩個(gè)結(jié)合面與其表面能的關(guān)系，一般用表面張力來(lái)表征。表面張力即為溫度和體積不變的情況下，自由能隨表面積增加的增量。

=（F/A）TV

此處為表面張力；F為自由能；A為面積；T和V分別為溫度和體積。

當(dāng)兩個(gè)結(jié)合面結(jié)合了，則系統(tǒng)中由于減少了兩個(gè)表面和增加了一個(gè)界面使自由能降低了。系統(tǒng)由于兩個(gè)表面結(jié)合而以致自由能的下降定義為粘合功。

WA=S+L-SL式中S、L和SL下標(biāo)分別代表固體、液體和固液體。如圖2-3所示，角為接觸角。接觸角表示了液體潤(rùn)濕固體的情況。

圖3–3液滴在固體表面的不同樣潤(rùn)濕情況

當(dāng)>90°，液體不潤(rùn)濕固體；=180°,固體表面完好不能夠被液體潤(rùn)

濕；

當(dāng)<90°，液體潤(rùn)濕固體；=0°，液體完好平鋪在固體表面。接觸角隨溫度、保持時(shí)間、吸附氣體等而變化。

27依照力的合成Lcos=S-SL，粘合功可表示為：WA=S+L-SL=L（1+cos）。粘合功W最大時(shí)，cos=1，即=0，液體完好平鋪在固體表面。A同時(shí)=SL,S=L。熱力學(xué)說(shuō)明兩個(gè)表面結(jié)合的內(nèi)在因素，表示結(jié)合的可能性；動(dòng)力學(xué)反響實(shí)質(zhì)產(chǎn)生界面結(jié)合的外界條件，如溫度、壓力等的影響，表示結(jié)合過(guò)程的速度問(wèn)

題。產(chǎn)生優(yōu)秀結(jié)合的條件以下：

液體粘度盡量低；

2）S略大于L，即`tL=`2`，0.81,：效率因子，液體在固

體上擴(kuò)展的條件，它與溫度等活化過(guò)程相關(guān)。

浸潤(rùn)性不過(guò)表示了液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，而其實(shí)不能夠表示界面的粘結(jié)性能。一種系統(tǒng)的兩個(gè)組元可能有極好的浸潤(rùn)性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合。所以潤(rùn)濕是組分優(yōu)秀粘結(jié)的必要條件，其實(shí)不是充分條件。

2、機(jī)械作用理論：

當(dāng)兩個(gè)表面互相接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)活力械互鎖（圖3–4）。

圖3–4表面機(jī)械互鎖結(jié)合表示圖

另一方面，盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當(dāng)多的孔穴，

粘稠的液體是無(wú)法流入的。如經(jīng)驗(yàn)公式：Z2=Kcostδ/η，表示流入量Z是

與液體表面張力、接觸角、時(shí)間和孔徑成正比，與粘度成反比。無(wú)法流入液體的孔不但造成界面脫粘的弊端，而且也形成了應(yīng)力集中點(diǎn)。

3、靜電理論：

當(dāng)復(fù)合資料不同樣組分表面帶有異性電荷時(shí)，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺胸襟級(jí)內(nèi)靜電作用力才有效（圖3–5）。

圖3–5表面靜電吸引結(jié)合表示圖

4、化學(xué)鍵理論：

在復(fù)合資料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合（圖3–6）。

28在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能（210-220J/mol）。

圖3–6表面結(jié)合化學(xué)鍵表示圖

5、界面反響或界面擴(kuò)散理論

在復(fù)合資料組分之間發(fā)生原子或

分子間的擴(kuò)散或反響，從而形成反響

結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合（圖3–7）。

D=D0exp（-Q/RT）

D：擴(kuò)散系數(shù)；Q：擴(kuò)散激活能。

X=kt1/2圖3–7界面反響結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合表示圖

X：反響層厚度；k：反響速度常數(shù)。

四、界面的表征

界面性能較差---呈剪切破壞、可觀察到界面脫粘、纖維拔出纖維應(yīng)力廢弛等現(xiàn)象。

界面結(jié)合過(guò)強(qiáng)---資料呈脆性斷裂。

界面結(jié)合最正確狀態(tài)---當(dāng)受力發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)變成地域而不產(chǎn)生

進(jìn)一步界面脫粘，即這時(shí)的復(fù)合資料擁有最大的斷裂能和必然的韌性。

1、界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定

1-1宏觀察試法：

1）三點(diǎn)波折法：

圖3–8三點(diǎn)波折試驗(yàn)表示

圖3–9測(cè)定界面拉伸強(qiáng)度時(shí)纖維的排布

=3（PS）/2（BD2）=(3/4)(P/BD)

圖3–10測(cè)定界面剪切強(qiáng)度時(shí)纖維的排布

/=D/2S,I/cu<D/2S

29Iosipescu剪切試驗(yàn)試驗(yàn)

圖3–11Iosipescu剪切試驗(yàn)表示圖

1-2單纖維試驗(yàn)法

圖3–12纖維拔出試驗(yàn)表示圖

圖3–13纖維拔出試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線表示圖

圖3-14壓縮試驗(yàn)測(cè)試界面剪切強(qiáng)度（b）和

壓縮試驗(yàn)測(cè)試界面拉伸強(qiáng)度(c)

由此試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖能夠求出界面剪切強(qiáng)度以及纖維拔出（pull–

out）和脫粘debonding）的能量。采用纖維拔出試驗(yàn)，可經(jīng)過(guò)圖3-13所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖能夠求出界面剪切強(qiáng)度以及纖維拔出（pull-out）和脫粘（debonding）的能量。壓縮試驗(yàn)測(cè)試界面剪切強(qiáng)度（圖3-14b）I~2.5c，壓縮試驗(yàn)測(cè)試界面拉伸強(qiáng)度（圖3-14c）Iu=cc1-3微壓入試驗(yàn)法（圖3-15）

界面剪切強(qiáng)度：

I=P24uR3Ef

若采用標(biāo)準(zhǔn)金剛石壓頭：

u=（b-a）cot74

圖3–15纖維微壓入試驗(yàn)表示圖

304）聲發(fā)射（AcousticEmissin，AE）法：

聲發(fā)射是當(dāng)固體資料在外面條件（如載荷、溫度、磁場(chǎng)、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時(shí)，由于其內(nèi)部原因此產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號(hào)包括有資料內(nèi)部弊端或微觀結(jié)構(gòu)變化動(dòng)向信息，借助矯捷的電子儀器能夠檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)。

用儀器檢測(cè)解析聲發(fā)射信號(hào)，推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

復(fù)合資料的傷害斷裂過(guò)程十分復(fù)雜，包括纖維、基體和界面的破壞和斷裂。各組元斷裂時(shí)釋放的聲能與其彈性模量和斷裂時(shí)各組元的范性形變量相關(guān)。由于各組元斷裂時(shí)釋放的聲能不同樣，即聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱不同樣，那么利用聲發(fā)射技術(shù)就可以區(qū)分和鑒別復(fù)合資料界面的破壞和斷裂，從而能夠解析界面的結(jié)合情況，同時(shí)計(jì)算出界面強(qiáng)度。

圖3–16富碳辦理的SiCF/Al拉伸過(guò)程中的AE行為

圖3–17富SiO2辦理的SiCF/Al拉伸過(guò)程中的AE行為

圖3-16和圖3-17分別表示了不同樣纖維表面辦理的SiCF/Al復(fù)合資料拉

伸過(guò)程中的AE行為。圖中樣品AE過(guò)程出現(xiàn)的信號(hào)大小幾及次數(shù)的不同樣、

對(duì)應(yīng)于樣品中不同樣部位的斷裂破壞、次數(shù)及其強(qiáng)度，同時(shí)E-A相關(guān)圖包絡(luò)

的斜率不同樣的切線數(shù)量的不同樣也對(duì)應(yīng)于不同樣的斷裂體系。能夠看出，富碳和富SiO2辦理的SiCF/Al拉伸過(guò)程中擁有不同樣的AE行為，定性地反響了兩

31種纖維復(fù)合資料擁有不同樣的界面以及不同樣的斷裂行為和體系。同時(shí)依照相關(guān)公式能夠定量地求出復(fù)合資料的界面強(qiáng)度。

2、界面結(jié)構(gòu)的表征

界面的微觀結(jié)構(gòu)、面貌和厚度可經(jīng)過(guò)先進(jìn)儀器觀察解析。包括俄歇電子譜儀

AES）、電子探針（EP）、X光電子能譜儀（XPS）、掃描二次離子質(zhì)譜儀

SSIMS）、電子能量損失儀（EELS）、X射線反射譜儀（GAXP）、透射電子

顯微鏡（TEM）、掃描電鏡（SEM）和拉曼光譜（Raman）等。

圖3-18TiB2纖維表面涂層SiCF/Ti復(fù)合圖3-19SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo復(fù)合資料資料界面SEM解析照片界面透射電鏡照片五、界面節(jié)余應(yīng)力

復(fù)合資料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積縮短或膨脹（平常為縮短），而加強(qiáng)體則體積相對(duì)牢固使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)又因加強(qiáng)體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同樣環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱為界面節(jié)余應(yīng)力。前一種情況下，若是基體發(fā)生縮短，則復(fù)合資料基體受拉應(yīng)力，加強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。后一種情況下，平常是基體膨脹系數(shù)大于加強(qiáng)體，在成型溫度較高的情況下，復(fù)合資料基體受拉應(yīng)力，加強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。但隨著使用溫度的增高，熱應(yīng)力向反方向變化。

界面內(nèi)應(yīng)力的大小可用下式表示：

Ii=EmεmVm/3（1-γm）

式中Em為基體彈性模量，γm為基體泊松比，εm為基體發(fā)生的應(yīng)變，Vm為基體的體積比。

界面內(nèi)應(yīng)力的大小與界面的結(jié)合情況相關(guān)。如界面結(jié)合發(fā)生廢弛滑移現(xiàn)象，則內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)減少。

界面熱應(yīng)力的大小可用下式表示：

32Ii=Em（Tc–t）△α

式中Em為基體彈性模量，Tc為成型溫度，t為使用溫度，△α為基體與加強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)差。

界面節(jié)余應(yīng)力能夠經(jīng)過(guò)對(duì)復(fù)合資料進(jìn)行熱辦理，使界面廢弛而降低，但受界面結(jié)合強(qiáng)度的控制，在界面結(jié)合很強(qiáng)的情況下收效不顯然。

界面節(jié)余應(yīng)力的存在對(duì)復(fù)合資料的力學(xué)性能有影響，其利害與加載方向和復(fù)

合資料節(jié)余應(yīng)力的狀態(tài)相關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合資料界面存在節(jié)余應(yīng)力使之拉

伸與壓縮性能有顯然差異。

測(cè)量界面節(jié)余應(yīng)力的主要方法有X射線衍射法和中子衍射法。中子的穿透能

力較X射線強(qiáng)，可用來(lái)測(cè)量界面內(nèi)應(yīng)力；其結(jié)果是很大地域的應(yīng)力平均值。X射

線衍射法只能測(cè)定樣品表面的節(jié)余應(yīng)力。同步輻射連續(xù)X射線能量色散法和匯聚

束電子衍射法也可用來(lái)測(cè)定復(fù)合資料界面周邊的應(yīng)力和應(yīng)變變化。特別是同步輻射連續(xù)X射線能量色散法兼有較好的穿透能力和對(duì)節(jié)余應(yīng)變梯度的高空間分辨

率，可測(cè)量界面周邊急巨變化的節(jié)余應(yīng)力。其余，激光Raman光譜法可測(cè)量界面

層相鄰纖維的振動(dòng)頻率，依照纖維標(biāo)定確定界面層的節(jié)余應(yīng)力。當(dāng)前，應(yīng)用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射線衍射法。

33第五講復(fù)合資料的復(fù)合理論基礎(chǔ)知識(shí)

一、復(fù)合資料加強(qiáng)體系

1、顆粒加強(qiáng)復(fù)合資料加強(qiáng)體系

1）顆粒阻攔基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)：

基體是承受外來(lái)載荷相；顆粒起著阻攔基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了位錯(cuò)的流動(dòng)性（圖4-1、圖4-2）。

圖4–1顆粒起著阻攔基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)作用表示圖

顆粒加強(qiáng)復(fù)合資料的強(qiáng)度直接與顆粒的硬度成正比，由于顆粒必定抵抗位錯(cuò)堆集而產(chǎn)生的應(yīng)力，其余，顆粒相與基體的結(jié)合力同樣影響著資料的強(qiáng)度。

圖4-2位錯(cuò)在晶面上滑移（a）和在TiC顆粒前位錯(cuò)的塞積（b）

顆粒相與基體的界面處于低能量狀態(tài)是有益的，由于這對(duì)顆粒阻攔基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是必定的。高的界面能相當(dāng)一個(gè)空洞圍繞著顆粒，這樣不但降低了顆粒阻攔

基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，而且在資料結(jié)構(gòu)中起到了一個(gè)微裂紋的作用。

2）不平均變形惹起位錯(cuò)增殖加強(qiáng)

顆粒復(fù)合資料的變形屬于兩相不均

勻變形。較硬的顆粒不變形或變形較

小，所以在界面上形成較高的形變不匹

配，產(chǎn)生較高的變形應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力集

中在顆粒的某個(gè)部位時(shí)，在界面的某個(gè)

柱面的分切應(yīng)力作用下，在交界的柱面

上萌生位錯(cuò)環(huán)并沿柱面搬動(dòng)。該應(yīng)力的

釋放靠放出位錯(cuò)環(huán)實(shí)現(xiàn)，從而增加了基圖4-3兩相不平均變形在界面形成的位錯(cuò)環(huán)34體位錯(cuò)的密度（圖4-3）。大量的位錯(cuò)之間產(chǎn)生摩擦、圍繞，在應(yīng)力的作用下形

成微小的胞狀組織，即亞晶。依照Kuhlman-Wilsdorf關(guān)系，位錯(cuò)胞越小，加強(qiáng)

收效越大。

3）彌散和Orowan加強(qiáng)

小的剛性顆粒對(duì)復(fù)合資料的加強(qiáng)體系有三種；

1）小粒子由于其對(duì)晶界的拖曳作用，細(xì)化了復(fù)合資料基體的晶粒。由于這一拖曳作用，不但可使基體中的細(xì)晶和亞晶牢固化，也能使加工拉長(zhǎng)的晶粒形狀特色牢固化，這對(duì)復(fù)合資料高溫蠕變性能十分有益。

晶粒細(xì)化加強(qiáng)的幅度能夠利用以下公式計(jì)算：

=-1/2f+kd式中d為晶粒尺寸。（2）位錯(cuò)與微小粒子互相作用而產(chǎn)生的強(qiáng)度增量。它由Orowan關(guān)系表示：0=[0.83bLn(2r/r0)]/[2(1-)1/2(S-2rS)]式中：Taylor因子，：切變模量，b：柏矢模量，：泊松比，r：粒子半徑，r0：位錯(cuò)芯半徑，(S-2rS)：粒子間距。顯然當(dāng)加強(qiáng)體粒子體積分?jǐn)?shù)一準(zhǔn)時(shí)，粒子尺寸越大，粒子間距就越大，

Orowan加強(qiáng)處就愈弱。由于小粒子是不能穿透的硬粒子，在變形過(guò)程中位錯(cuò)只能被迫繞過(guò)粒子并留下一位錯(cuò)環(huán)圍繞粒子，表示小粒子經(jīng)過(guò)影響保持位錯(cuò)源以

及作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的釘扎中心改變基體的滑移行為。當(dāng)粒度在1m以下時(shí)，

Orowan加強(qiáng)體系起較大作用。

3）小的剛性粒子對(duì)顆粒加強(qiáng)金屬基復(fù)合資料強(qiáng)度的另一種作用是使基體加工硬化率提高。受位錯(cuò)周圍的應(yīng)力場(chǎng)的限制，位錯(cuò)穿過(guò)晶格的運(yùn)動(dòng)碰到其余位錯(cuò)的影響，這會(huì)以致金屬基體的硬化?；谖诲e(cuò)的硬化理論能夠用以下公式表達(dá)：

f+kGb

1/2

：每單位體積位錯(cuò)密度。

當(dāng)復(fù)合資料從制備溫度冷卻到室溫時(shí)，由于基體和加強(qiáng)體的熱不般配性，

在復(fù)合資料中產(chǎn)生了大量位錯(cuò)。這也是顆粒/金屬基復(fù)合資料的一個(gè)重要加強(qiáng)機(jī)

制。

其余，復(fù)合資料中的裂紋的擴(kuò)展在顆粒前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣能夠耗資很多的斷裂能，提高資料的強(qiáng)度。

2、纖維（包括晶須、短纖維）復(fù)合資料加強(qiáng)體系

35基體：經(jīng)過(guò)界面將載荷有效地傳達(dá)到加強(qiáng)相（晶須、纖維等），不是主承力相。

纖維：承受由基體傳達(dá)來(lái)的有效載荷，主承力相。

假設(shè)纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比同樣；在外力作用下，由于組分模量的不同樣產(chǎn)生了不同樣形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，經(jīng)過(guò)界面將外力傳

遞到纖維上（圖4-2、4-3）。

圖4–4短纖維周圍的應(yīng)變

圖4–5纖維上和界面上的應(yīng)力分布

在纖維上的拉力為:fu(d2/4),在界面上的剪切力為:dlc/2。

當(dāng)fu(d2/4)=dlc/2時(shí)，（l/d）c=fu//2y，

l/d）c為纖維臨界長(zhǎng)徑比,lc為纖維臨界長(zhǎng)度。當(dāng)（l/d）c10時(shí)，復(fù)合資料可獲得理想的加強(qiáng)收效。

36二、復(fù)合資料的復(fù)合法規(guī)—混雜定律

1、混雜定律（RuleofMixtures）：

當(dāng)復(fù)合資料滿足以下條件：（1）復(fù)合資料宏觀上是均質(zhì)的，不存在內(nèi)應(yīng)

力；（2）各組分資料是均質(zhì)的各向同性(或正交異性)及線彈性資料；（3）各組分之間粘結(jié)牢靠，無(wú)空隙，不產(chǎn)生相對(duì)滑移。

復(fù)合資料力學(xué)性能同組分之間的關(guān)系可用以下通式表示：

Xc=XmVm+XfVf或Xc=XfVf+Xm（1-Vf）

式中：X：資料的性能，如強(qiáng)度、彈性模量、密度等；V：資料的體積百分比；下腳標(biāo)c、m、f分別代表復(fù)合資料、基體和纖維。

2、連續(xù)纖維單向加強(qiáng)復(fù)合資料（單向?qū)影澹?/p>

2-1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和彈性模量

在復(fù)合資料承受靜張應(yīng)力過(guò)程中，應(yīng)力—應(yīng)變經(jīng)歷以下階段（圖4-6）：

1）基體、纖維共同彈性變形；2）基體塑性信服、纖維彈性變形；3）基體

塑性變形、纖維彈性變形或基體、纖維共同塑性變形；4）復(fù)合資料斷裂。

對(duì)于復(fù)合資料的彈性模量：

階段1：E=EfVf+Em（1-Vf）

階段2：E=EfVf+(dm/dm)(1-Vf)

dm/dm為復(fù)合體的應(yīng)變成時(shí)基體應(yīng)力–應(yīng)變曲線的斜率。

圖4–6纖維復(fù)合資料應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程表示圖

2-2、復(fù)合資料的抗張強(qiáng)度

37

當(dāng)復(fù)合資料中纖維與基體在受力過(guò)程中

處于線彈性變形且基體的斷裂延伸大于纖維

的斷裂延伸時(shí)，單向纖維復(fù)合資料的抗張強(qiáng)

度（圖4-5）用下式表示：

cu=fVf+mVm或ufVf+m（1-V）c=ff：纖維的抗張強(qiáng)度；m：對(duì)應(yīng)纖維斷裂應(yīng)變f時(shí)基體的抗張強(qiáng)度?？紤]到基體與纖維的結(jié)合情況：圖4–5纖維復(fù)合資料中纖維體積比cu=KfVf+mVmK<1。與強(qiáng)度關(guān)系表示圖在纖維量特別小的情況：

纖維的最小體積比：Vfmin纖維的臨界體積比:Vfcrit

2-3、泊松比

cu=mu（1-Vf）

=(mu-(m))/(fu+mu-(m))

=(mu-(m))/(fu-(m))

當(dāng)資料拉伸或壓縮時(shí)，在彈性范圍內(nèi)，縱、橫向應(yīng)變之比為泊松比。

假設(shè)復(fù)合資料縱向拉伸或壓縮時(shí)，纖維與基體的縱向應(yīng)變相等，且等于復(fù)合資料的縱向應(yīng)變，即f=m=c，則縱向泊松比為：LT=fVf+mVm或LT=fVf+m（1-Vf）若考慮纖維與界面的結(jié)合情況LT=fVf（1-K）+KVf+m(K-Vf)(1-K)其中K為纖維與基體未結(jié)合的百分比；是與受力狀態(tài)、脫粘區(qū)狀態(tài)等相關(guān)的常數(shù)。泊松比與彈性模量之間的關(guān)系：TL=LT（EcT/EcL）2-4、剪切強(qiáng)度：LT=fVf+m（1-Vf）

復(fù)合資料的層間剪切強(qiáng)度：在沿纖維方向受剪切時(shí)，剪切力發(fā)生在沿纖維方向的纖維層內(nèi)，它決定于基體或界面的剪切強(qiáng)度。

復(fù)合資料的面內(nèi)剪切強(qiáng)度：在垂直纖維方向承受剪切時(shí)，剪切力發(fā)生在垂直纖維的截面內(nèi)，剪切力由基體和纖維共同擔(dān)當(dāng)。

383、短纖維加強(qiáng)復(fù)合資料3-1、短纖維加強(qiáng)復(fù)合資料的彈性模量：E=0LEfVf+Em（1-Vf）式中：L為長(zhǎng)度有效系數(shù)：L=1-[tanh(1/2)l]/(1/2)l]，=[8Gm/Efd2loge(2/d)]1/2Ef：纖維彈性模量；2：纖維間距；Gm：基體剪切模量。0為取向有效因子：3-2、短纖維加強(qiáng)復(fù)合資料的抗張強(qiáng)度若l<lc，cu=（l/d）Vf+m（1-Vf）當(dāng)l>lc時(shí)：cu=fu[1-（lc/2l）]Vf+m（1-Vf）或cu=2lc/d[1-(lc/2l)]Vf+m(1-Vf)l>10lc時(shí)，短纖維加強(qiáng)復(fù)合資料性能趨近于連續(xù)纖維性能；l<5lc時(shí)，短纖維加強(qiáng)復(fù)合資料性能遠(yuǎn)不如連續(xù)纖維性能。

圖4–6短纖維復(fù)合資料的強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度的關(guān)系表示圖

39第六講SMC及GMT半成品復(fù)合資料的制備

一、SMC片狀模塑料

SMC是Sheetmoldingcompound的縮寫，即片狀模塑料。主要原料由

SMC專用紗、不飽和樹(shù)脂、低縮短增加劑，填料及各種助劑組成。它在二

十世紀(jì)六十年代初第一出現(xiàn)在歐洲，在1965年左右，美、日接踵發(fā)展了這

種工藝。我國(guó)于80年代末，引進(jìn)了外國(guó)先進(jìn)的SMC生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝。

SMC擁有優(yōu)越的電氣性能，耐腐化性能，質(zhì)輕及工程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈便等優(yōu)

點(diǎn)，其機(jī)械性能能夠與部分金屬資料相媲美，所以廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸車輛、建

筑、電子/電氣等行業(yè)中。

SMC的應(yīng)用范圍廣泛，大體有：

汽車工業(yè)的應(yīng)用

懸架部件，前、后保險(xiǎn)杠，儀表板等；

車身及車身部件，硬殼車頂，防滑地板，阻流板，遮陽(yáng)罩，發(fā)動(dòng)機(jī)罩；發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下部件，導(dǎo)風(fēng)罩，進(jìn)氣管蓋，風(fēng)扇導(dǎo)片圈，發(fā)動(dòng)機(jī)隔音板；車內(nèi)裝飾部件：車門把手，儀表盤，轉(zhuǎn)向桿部件。

、鐵路車方面的應(yīng)用

座椅、茶幾臺(tái)面；

鐵路車輛窗框，車廂壁板與頂板，鐵路信號(hào)應(yīng)答器。

、電氣及通信工程中的應(yīng)用

電器罩殼：電器開(kāi)關(guān)盒，電器配線盒，電纜分配箱外殼，終端分配器；電子工程應(yīng)用：天線反射罩、雷達(dá)罩、印刷電路板；

電器元件：絕緣子、絕緣操作工具、電機(jī)換向器；通信設(shè)備應(yīng)用：電話機(jī)外殼、電纜分配箱、電話亭。

、在建筑工程中的應(yīng)用高層屋頂水箱、凈化槽；淋浴用品：如浴缸、洗池、防水盤、坐便器；

建筑模板、儲(chǔ)蓄間構(gòu)件：如壁板、頂蓬、門框。40、其余

集裝箱、電桿夾套、工具錘柄和鏟柄、餐飲用具、貨架托盤。

包裝、運(yùn)輸、存放

SMC系列模塑料封裝在復(fù)合薄膜袋中，每包約50公斤，包扎后裝入紙

箱；

運(yùn)輸途中防備重壓、受熱、受潮和包裝破壞；

儲(chǔ)藏期在溫度低于25oC避陽(yáng)光的干燥庫(kù)房中，生產(chǎn)日算起三至六個(gè)月，高出保留期經(jīng)復(fù)檢合格仍可使用。

SMC系列模塑料成型工藝

模壓成型溫度：150oC±5oC

保壓時(shí)間：60-70s/mm

模壓壓力：10-20Mpa詳盡工藝視產(chǎn)品和模具結(jié)構(gòu)而定，若是制品厚度比較

厚，則溫度應(yīng)稍低，一般成型溫度為135oC-145oC，形狀越復(fù)雜，成型壓力

越高。

二、玻纖氈加強(qiáng)熱塑性復(fù)合片及其應(yīng)用

以玻纖氈加強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂（GlassMatReinforcedThermoplastics）,是當(dāng)

今熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合資料的主要品種，當(dāng)前生界年產(chǎn)量在10萬(wàn)噸以上，主要

用作汽車零部件，其余如建筑、包裝、軍工等方面的應(yīng)用正在迅速發(fā)展。本文簡(jiǎn)要介紹這類資料的制備方法，而重視它們的性能和應(yīng)用。

1玻纖氈加強(qiáng)熱塑性片材（GlassMatReinforcedThermoplastics簡(jiǎn)稱GMT）

玻纖氈加強(qiáng)熱塑性片材（GlassMatReinforcedThermoplastics）簡(jiǎn)稱

GMT是當(dāng)前國(guó)際上極為活躍的復(fù)合資料開(kāi)發(fā)品種之一。這是一種以熱塑性樹(shù)脂為基體、以長(zhǎng)玻璃纖維或連續(xù)玻纖氈為加強(qiáng)資料的復(fù)合資料。一般做成征

狀以半成品供應(yīng)。平常是兩層玻璃纖維氈復(fù)合熱塑性樹(shù)脂，用不同樣種類的玻

璃纖維氈和熱塑性樹(shù)脂基體，能夠給成多種多樣的GMT資料。纖維有些是單

向的，有些是隨機(jī)會(huì)分布的。而熱塑性樹(shù)脂也能夠依照用途進(jìn)行選擇，一般

PP作為熱塑性基體是應(yīng)用最為廣泛的，這是由于它擁有特別好的成本與性能之比。

1-2GMT片材的制備技術(shù)

1）原資料

熱塑性樹(shù)脂（聚丙烯、尼龍、聚酯）改性劑增加劑

41加強(qiáng)資料：連續(xù)隨機(jī)氈、短切氈、單向氈

2）原理

樹(shù)脂與改性劑、增加劑按必然比率形成特定配方，經(jīng)加溫、加壓、浸漬到玻璃纖維中，冷卻后成型。

1-3要點(diǎn)技術(shù)

1）界面

聚丙烯分鏈上不含活性基團(tuán)，不能夠與經(jīng)過(guò)老例偶聯(lián)劑辦理的玻璃纖維之間產(chǎn)生較好的化學(xué)結(jié)合，所以玻纖加強(qiáng)聚丙烯系統(tǒng)中，樹(shù)脂不能夠有效地將應(yīng)力傳達(dá)給模量和強(qiáng)度高得多的玻璃纖維，這就不能夠表現(xiàn)出玻璃纖維加強(qiáng)的收效，必定對(duì)界面進(jìn)行特別辦理和設(shè)計(jì)。

2）浸漬

聚丙烯這類熱塑性塑料的熔體粘度很大，在加工條件下，對(duì)纖維層的浸漬十分困難，為實(shí)現(xiàn)較好的浸漬，一般需借助于較高的溫度和壓力，但過(guò)高的溫度會(huì)以致樹(shù)脂的降解，過(guò)大的壓力使樹(shù)脂溢料量增加，并影響玻纖氈的空隙度。優(yōu)化操作參數(shù)（溫度、壓力、停留時(shí)間）、采用合適的玻纖氈結(jié)構(gòu)（單絲結(jié)構(gòu)、集束性、編織方式、針刺密度）是改進(jìn)浸漬的基本路子。

3）連續(xù)化

玻纖氈連續(xù)浸漬生產(chǎn)線的組成是：

◆聚合物薄膜

◆連續(xù)玻纖氈

◆預(yù)熱——熱壓——冷壓——牽引——切割——片材

該生產(chǎn)線包括擠出機(jī)及模頭、送氈架、加熱與冷卻系統(tǒng)、輥壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的互相當(dāng)合與協(xié)調(diào)是連續(xù)、牢固運(yùn)行的要點(diǎn)，這是基于機(jī)械、電器、工藝等方面影響因素的深刻理解。

2GMT片材的性能

2-1力學(xué)性能

種類項(xiàng)目

通用型

高韌性型

高強(qiáng)度型纖維含量（%）密度(g/cm3)拉伸強(qiáng)度（Mpa）拉伸模量（Mpa）30±41.06～1.1960～754000～440040±41.10～1.2590～1105300～60004230±41.06～1.1956～723700～400030±41.20～1.4580～907500～10500波折強(qiáng)度波折強(qiáng)度懸臂梁沖擊（Mpa）（Mpa）強(qiáng)度（J/m）110～1204000～4200500～720140～1605000～7000750～95090～1103500～3700900～1100130～1607000～10000350～5602-2物理性能熱物理性質(zhì)

導(dǎo)熱系數(shù)w/m℃熱膨脹系數(shù)α（10-6C-1）PP0.2110GMT0.2227～30※GMT類熱塑性復(fù)合資料熱膨脹系數(shù)低而且恒定。

（2）電性能（玻纖含量40%）

絕緣強(qiáng)度（3.2mm/kv/mm）

14

介電常數(shù)(100Hz)

2.65

體積電阻率(Ω*cm)

4.8×1017

耗散因素(100Hz)

0.009

GMT擁有高介電性,是優(yōu)秀的電絕緣資料。（3）模量、強(qiáng)度隨溫度的變化

2-3能量吸特色：GMT與SMC比較

力學(xué)性能相當(dāng)，制品成型方法相似，SMC表面優(yōu)于GMT，而GMT能夠重

復(fù)使用，便于回收，而且韌性顯然優(yōu)于SMC

能量吸取性能的壓力——應(yīng)變圖

3GMT片材制品成型

制品成型——模壓技術(shù)

◆成型機(jī)械：壓機(jī)、加熱爐、模具、模溫控制

◆成型工藝：坯料設(shè)計(jì)、預(yù)熱、鋪放、壓制434GMT片材的應(yīng)用

4-1推動(dòng)熱塑性復(fù)合資料應(yīng)用的重要背景

1）汽車輕量化與GMT資料輕量化與節(jié)能：

◆油耗與車重成正比，車重下降10%，油耗下降約7%

◆自重減少330-440公斤，節(jié)約燃油花銷20%

PNGV計(jì)劃

百分里2.94升美國(guó)(2004)

3升歐洲(2005)

2升車(?)

1升車(?)

先進(jìn)復(fù)合資料、鋼和鋁在車身減重方面的比較；

資料種類

減重百分比

高強(qiáng)度鋼

25-35%

鋁

40-55%

先進(jìn)復(fù)合資料

50-67%

不同樣材質(zhì)的汽車零部件在制造中耗能不同樣，以生產(chǎn)技師同樣（450克）的零

部件為例，采用塑料或復(fù)合資料所耗能源折汽油3.9-4.5kg,若采用鋁或鋼所耗

能源折合汽油。

其余，塑料模具花銷是用銅制件模具花銷的10-20%。提高塑料零部件的設(shè)計(jì)

自由度不提高成本，從開(kāi)發(fā)到批量生產(chǎn)周期短。

應(yīng)用現(xiàn)狀與效益：

汽車用資料組成比率漸漸發(fā)生變化，轎車用資料特別顯然。整體來(lái)說(shuō)，一般

鋼鐵用量下降，金屬資料中高強(qiáng)度鋼和輕金屬趨于上升，車用非金屬資料上

升。80-90年代以來(lái)，轎車用塑料由5%增到10%以上。日本轎車塑料用量80-

100kg/輛，占車自重9%，美國(guó)116kg輛，占車自重10.3%,德國(guó)80-129kg/輛,占車重11%。

（2）零部件模塊化

模塊化——多個(gè)零部件起來(lái)，離線裝置，或多個(gè)零部件組合起來(lái)成為一個(gè)整體同時(shí)形成。零部件的模塊形式，從而形成汽車制造史上的一次革命。

44※熱塑性聚合物復(fù)合資料為汽車輕量化和模塊化供應(yīng)了前提條件。玻璃纖維氈加強(qiáng)熱塑性復(fù)合片材GMT是其中最優(yōu)秀的代表。

4-2汽車上的應(yīng)用

三個(gè)發(fā)展階段：

◆簡(jiǎn)單非結(jié)構(gòu)件：如車體下的發(fā)動(dòng)機(jī)罩

◆復(fù)雜結(jié)構(gòu)件：形狀復(fù)雜，強(qiáng)度要求高，集多種功能于一體

◆回收再生：GMPT（GlassMatReinforcedRecycledThermoplastic）GMT重要汽車零部件

◆車下體保護(hù)罩

◆前端裝置托架

◆電池托架

◆座椅骨架

◆儀表板骨架

◆保險(xiǎn)械橫梁

GMT應(yīng)用效益舉例

Mercedes型車

后椅骨架本來(lái)是鋼制，重量6kg/個(gè)；GMT重量2kg/wh,減少4kg/個(gè)，而且性

能好，易安裝，可回收，占空間較小，安全較好。

◆（VW）GolfA3型車車前端

本來(lái)的金屬前端由12個(gè)部件組成，改為GMT加工后，離線裝置的部件有大

燈、風(fēng)扇、散熱器格柵、保險(xiǎn)杠等組裝成整體。

成本下降10%

單個(gè)重量下降33%（金屬6kg,GMT4kg）

循環(huán)使用10%再生料不影響性能

4-3建筑工程和建筑工業(yè)中的應(yīng)用

GMT模板的優(yōu)點(diǎn)：

采用加強(qiáng)熱散性片材制作混凝土澆鑄模板有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)一體化：支撐板和箍帶功能一體化，無(wú)需鐵箍帶（即棱木）。

2）結(jié)實(shí)耐用：聚丙烯與玻璃纖維復(fù)合資料耐沖擊性能好，不易產(chǎn)生永久變形，耐腐化，使模板的使用次數(shù)大幅度增加。

（3）質(zhì)輕：與木質(zhì)模板對(duì)照，重量約減少20%，所以施工方便。

4）剝離性好：灰渣不易粘黏附到模板上，與制件的剝離性優(yōu)秀。

5）半透明：由于無(wú)色的加強(qiáng)塑性聚丙烯片材擁有半透明性，使施工現(xiàn)場(chǎng)

45光明，并能看到澆鑄混凝土的狀態(tài)。

6）制件表面光潔：混凝土澆鑄件表面不會(huì)粘有木屑和雜物。

7）安裝簡(jiǎn)單：采用扣鉤聯(lián)接，簡(jiǎn)單、迅速、可靠，也能夠釘與木模板的傳統(tǒng)方法。

GMT模板與傳統(tǒng)模板的比較：種類質(zhì)量kg/m2透明性剝離性沖刷加強(qiáng)熱塑性片材11-12有簡(jiǎn)單不要木質(zhì)模板13-15無(wú)難要鋼制模板34無(wú)難要外國(guó)GMT模板的使用情況：

日本用加強(qiáng)塑料片材制造的建筑模板已進(jìn)入市場(chǎng)，應(yīng)用到建筑工業(yè)中。日本出光NSG公司開(kāi)發(fā)的混凝土澆鑄模板除單板外，還有八角形、四角形和三角形的組合系列，是日本建設(shè)省中部地方建設(shè)局介紹使用的產(chǎn)品。宇部日東化

成公司開(kāi)發(fā)的混凝土澆鑄模板，商品名“PANELES”，分為關(guān)東型和關(guān)西型兩種。

韓國(guó)HANWHA公司已生產(chǎn)平面模板，大量供應(yīng)市場(chǎng)。

可能開(kāi)發(fā)的建筑資料——屋面資料。

以纖維氈為加強(qiáng)資料，同時(shí)填充大量硅灰石和增加少量接枝聚乙烯的高密度聚乙烯為基體，能夠獲得用作屋面瓦的硬質(zhì)資料，其性能優(yōu)越，有潛藏開(kāi)發(fā)價(jià)值。外國(guó)有近似產(chǎn)品，聚乙烯－水泥漣漪板。

4-4在包裝行業(yè)的應(yīng)用

依照形狀、大小、運(yùn)輸方式和貨物種類進(jìn)行陸上或水上集裝箱的設(shè)計(jì)與制造，平常采用鋼或