第3章復(fù)合材料基礎(chǔ)知識(shí)-584403116-259308884-196302367

第3章復(fù)合材料基礎(chǔ)知識(shí)1)復(fù)合材料發(fā)展2)復(fù)合材料的定義,分類,性能3)復(fù)合材料原材料4)復(fù)合材料的應(yīng)用5)了解專用名詞6)研究內(nèi)容與研究思路7)其它內(nèi)容例子稻草泥磚,鋼筋混凝土,(鳥窩:燕子)木材,竹子,動(dòng)物骨骼,人體血管塑料花神自然復(fù)合材料動(dòng)物群鳥巢西藏第三章復(fù)合材料基礎(chǔ)知識(shí)

復(fù)合材料技術(shù)的出現(xiàn)是近代材料科學(xué)的偉大成就,也是材料設(shè)計(jì)技術(shù)的一個(gè)重大突破.

復(fù)合材料(Composite)一詞出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代1復(fù)合材料發(fā)展發(fā)展過程：古代－近代－先進(jìn)復(fù)合材料天然復(fù)合材料－竹、貝殼，樹木和竹子：纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體在自然界中，存在著大量的復(fù)合材料，如竹子、木材、動(dòng)物的肌肉和骨骼等。－動(dòng)物骨骼：無機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成

從力學(xué)的觀點(diǎn)來看，天然復(fù)合材料結(jié)構(gòu)往往是很理想的結(jié)構(gòu)，它們?yōu)榘l(fā)展人工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供了仿生學(xué)依據(jù)。

人類：使用、效仿古代中國人和猶太人用稻草或麥秸增強(qiáng)蓋房用的泥磚；且延用至今兩千年前，中國制造了防腐蝕用的生漆襯布；由薄綢和漆粘結(jié)制成的中國漆器(麻纖維和土漆復(fù)合而成)，至今已四千多年;也是近代纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的雛形，它體現(xiàn)了重量輕、強(qiáng)度和剛度大的力學(xué)優(yōu)點(diǎn)。敦煌壁畫－－泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的復(fù)合材料(棉衣)

在嚴(yán)寒的冬天，你穿上幾件單衣仍會(huì)感到刺骨的寒冷。這時(shí)，你如果穿一件棉衣便會(huì)感到全身上下暖烘烘的。俗話說，十層單不如一層棉。這是因?yàn)槊藁?、中空纖維、羽絨等具有蓬松的特點(diǎn)，內(nèi)部藏有大量的空氣，具有良好的保溫作用。但是，如果不用布只用這些材料做棉衣，那就很不美觀，或者干脆做不成衣服。只有用布把這些保溫材料裹起來才能做成既結(jié)實(shí)又美觀，還可保暖的棉衣。

所以說，棉衣大概是人類最早開發(fā)利用的復(fù)合材料.近代復(fù)合材料以混凝土為標(biāo)志的近代復(fù)合材料是在一百多年前出現(xiàn)的。后來，原有的混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足高層建筑的強(qiáng)度要求，建筑者轉(zhuǎn)而使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中的鋼筋提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，從而解決了建筑方面的大量問題。近代，復(fù)合材料的發(fā)展始于20世紀(jì)40年代，第二次世界大戰(zhàn)中，為滿足軍用方面對(duì)材料力學(xué)性能的要求，人們開始研制新材料，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開始算起。它的出現(xiàn)豐富了復(fù)合材料的力學(xué)內(nèi)容。近代復(fù)合材料

50年代又出現(xiàn)了強(qiáng)度更高的碳纖維、硼纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料的力學(xué)研究工作由此得到很大發(fā)展，并逐步形成了一門新興的力學(xué)學(xué)科──復(fù)合材料力學(xué)。

為了克服碳纖維、硼纖維不耐高溫和抗剪切能力差等缺點(diǎn)，近二十年來，人們又研制出金屬基和陶瓷基的復(fù)合材料。華人在復(fù)合材料的研究中做出了很多貢獻(xiàn)，

我國從1958年開始發(fā)展復(fù)合材料

第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料第二代：1960年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料

1965年英國科學(xué)家研制出碳纖維

1971年美國杜邦公司開發(fā)出開芙拉-491975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、及開芙拉纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。第四代：1990年以后，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。復(fù)合材料發(fā)展就復(fù)合材料本身來講UniversityofDelaware,USA.哈爾濱工業(yè)大學(xué)西北工業(yè)大學(xué)北京航天航空大學(xué)南京航空航天大學(xué)中南大學(xué)武漢理工大學(xué)清華大學(xué)2復(fù)合材料的定義UK:RICHARDSONUSA:HOLLIDAYCHINA:HUZHENWEICHINA:SICHANGXU北科大的院士復(fù)合材料的定義

復(fù)合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同的材料通過物理和化學(xué)復(fù)合，組成具有兩個(gè)或兩個(gè)以上相態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。

該類材料不僅性能優(yōu)于組成中的任意一個(gè)單獨(dú)的材料，而且還可具有組分單獨(dú)不具有的獨(dú)特性能。

復(fù)合材料最簡單、最常見的定義是：“復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成的新材料”例如，中國南北朝時(shí)代發(fā)明的漆器就是典型的復(fù)合材料；中世紀(jì)歐洲武土們的頭盔也作成疊層結(jié)構(gòu)以提高剛度與強(qiáng)度．近代復(fù)合材料的代表是木質(zhì)膠合板與簾線增強(qiáng)橡膠制作的汽車輪胎等。復(fù)合材料的定義國際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料《材料科學(xué)技術(shù)百科全書》

：復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)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(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。可以通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別。復(fù)合材料的定義

《材料大詞典》

：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上的有機(jī)聚合物材料或無機(jī)非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從而制成的一類新型材料?！恫牧洗笤~典》

：復(fù)合材料的特點(diǎn)之一是不僅保持原組分的部分優(yōu)點(diǎn)，而且產(chǎn)生原組分所不具備的新性能；特點(diǎn)之二是它的可設(shè)計(jì)性，通過對(duì)原材料的選擇、各組分分布的設(shè)計(jì)和工藝條件的保證等，使原組分材料的優(yōu)點(diǎn)互相補(bǔ)充，同時(shí)利用復(fù)合材料復(fù)合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。對(duì)各種定義解釋總結(jié)，復(fù)合材料應(yīng)包括：組元是人們根據(jù)材料設(shè)計(jì)的基本原則有意識(shí)地選擇，至少包括兩種物理和力學(xué)性能不同的獨(dú)立組元，其中一組元的體積分?jǐn)?shù)一般不低于20％，第二組元通常為纖維、晶須或顆粒；復(fù)合材料是人工制造的，而非天然形成的。復(fù)合材料的性質(zhì)取決于組元性質(zhì)的優(yōu)化組合，它應(yīng)優(yōu)于獨(dú)立組元的性質(zhì)，特別是強(qiáng)度、剛度、韌性和高溫性能。復(fù)合材料應(yīng)具備以下三個(gè)特點(diǎn)：

1）復(fù)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(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面；2）復(fù)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(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性?？梢愿鶕?jù)使用條件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的分散相，它顯著增強(qiáng)材料的性能，故常稱為增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑、增強(qiáng)相等）。多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強(qiáng)度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。特性在物理上,復(fù)合材料與均質(zhì)各向同性材料的差別在于它的各向異性和非均質(zhì)性材料與結(jié)構(gòu)的同一性復(fù)合效應(yīng)的優(yōu)越性材料性能對(duì)復(fù)合工藝的依賴性可以設(shè)計(jì)需要在細(xì)觀和宏觀兩個(gè)尺度上進(jìn)行理論分析,由細(xì)觀量過渡到宏觀量先進(jìn)復(fù)合材料（AdvancedCompositeMaterials,簡稱ACM）如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強(qiáng)材料，并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體，制成先進(jìn)復(fù)合材料（AdvancedCompositeMaterials,簡稱ACM）。這種先進(jìn)復(fù)合材料具有比玻璃纖維復(fù)合材料更好的性能，是用于飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。3復(fù)合材料的種類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料，由能承受載荷的增強(qiáng)體組元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬、天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等）與能聯(lián)結(jié)增強(qiáng)體成為整體材料同時(shí)又起傳力作用的基體組元（如樹脂、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）構(gòu)成。功能材料是指除力學(xué)性能以外還提供其它物理、化學(xué)、生物等性能的復(fù)合材料。包括壓電、導(dǎo)電、雷達(dá)隱身、永磁、光致變色、吸聲、阻燃、生物自吸收等種類繁多的復(fù)合材料，具有廣闊的發(fā)展前途。未來的功能復(fù)合材料比重將超過結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，成為復(fù)合材料發(fā)展的主流。

從功能方面結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的種類分類名稱說明分散相材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料分散相為微小顆粒0.01－0.1微米-阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)1-50微米-阻止變形或硬化纖維增強(qiáng)復(fù)合材料直徑近于晶體大小的纖維(玻璃纖維)基體相材料金屬基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料、鎂基復(fù)合材料非金屬塑料基，陶瓷基，橡膠基復(fù)合材應(yīng)用范圍工程復(fù)合材料玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）先進(jìn)復(fù)合材料碳，硼，芳綸等纖維增強(qiáng)材料復(fù)合材料的分類按增強(qiáng)材料形態(tài)分類1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：

a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處；

b.非連續(xù)纖維復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中；3、板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。其他增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體

結(jié)構(gòu)復(fù)合材料a)層疊復(fù)合

b)連續(xù)纖維復(fù)合

c)細(xì)粒復(fù)合

d)短切纖維復(fù)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分類①玻璃纖維復(fù)合材料；②碳纖維復(fù)合材料；③有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；④金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料；⑤陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復(fù)合材料?；祀s纖維復(fù)合材料：兩種或兩種以上增強(qiáng)體同一基體制成的復(fù)合材料稱為混雜復(fù)合材料，可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。纖維復(fù)合材料預(yù)成型體機(jī)織層狀縫合顆粒編織機(jī)織各類纖維復(fù)合材料及其相互關(guān)系材料類型密度ρg/cm3楊氏模量E1GPa比模量E/ρ106m強(qiáng)度σGPa比強(qiáng)度σ1/ρ103m高強(qiáng)碳/環(huán)氧1.571388.791.5296.8高模碳/環(huán)氧1.6022113.81.2175.6Kevlar/環(huán)氧1.38866.231.52110.1高強(qiáng)高韌鋼7.832072.641.7522.3高強(qiáng)鋁合金2.70722.670.64723.9復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量都高于高強(qiáng)鋼和高強(qiáng)鋁的相應(yīng)數(shù)據(jù)?？梢愿行缘卣J(rèn)識(shí)到纖維復(fù)合材料的優(yōu)異力學(xué)性能。按基體材料分類①聚合物基復(fù)合材料:以有機(jī)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(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體；③無機(jī)非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體。按材料組成分類①同質(zhì)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料）②異質(zhì)復(fù)合材料（復(fù)合材料多屬此類）。目前狀況玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料

非常成熟廣泛的應(yīng)用

金屬基復(fù)合材料

開發(fā)階段某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位

陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等

尚處于研究階段

有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決幾種復(fù)合材料的英文簡稱PMC:PolymerMatrixComposites聚合物基復(fù)合材料MMC:MetalMatrixComposite金屬基復(fù)合材料CMC:CeramicsMatrixComposite陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料CCC:CarbonfibercarbonComposite碳碳復(fù)合材料FRPC:FIBERREINRORCEDPLASTICS/COMPOSITES玻璃鋼復(fù)合材料4.復(fù)合材料的原材料

復(fù)合材料的原材料包括:基體材料和增強(qiáng)材料。基體材料：金屬材料、陶瓷材料和聚合物材料增強(qiáng)材料：纖維、晶須和顆粒熱固性樹脂聚脂樹脂,環(huán)氧樹脂,聚銑亞氨樹脂,酚醛樹脂,硅樹脂加熱固化后再加熱時(shí)不會(huì)軟化熱塑性樹脂聚乙稀,聚苯乙稀,尼龍,PEEK(聚醚醚酮)達(dá)到再轉(zhuǎn)變溫度時(shí)會(huì)重新軟化具有可膜斷性4.1聚合物基體

ThermoplasticorThermosetThermoplasticsThermosetsSoftenonheatingandpressure,andhenceeasytorepaireDecomposeonheatingHighstrainstofailure(highductility)LowstrainstofailureIndefiniteshelflifeDefiniteshelflifeCanbereprocessedCannotbereprocessedShortcurecycleLongcurecycleFourtypesofpolymermolecularstructures

linear

branched

cross-linked

network

樹脂基體在復(fù)合材料成型過程中，基體材料經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理——化學(xué)變化，把增強(qiáng)纖維粘結(jié)成具有一定形狀的整體。復(fù)合材料的耐熱性、吸濕性、濕熱性能、耐化學(xué)性、疲勞性能以及工藝性能和某些特殊性能等主要取決于樹脂基體的性能，樹脂基體發(fā)展水平是先進(jìn)復(fù)合材料研究與應(yīng)用水平高低的重要標(biāo)志。

樹脂基體復(fù)合材料中用于粘結(jié)增強(qiáng)材料的粘結(jié)劑基體的作用力學(xué)上物理上化學(xué)上粘結(jié)纖維、保護(hù)纖維、傳遞應(yīng)力耐熱性、電性能（極性基團(tuán)）等耐溶劑性、耐水性、老化性能樹脂基體復(fù)合材料的拉伸彈性模量主要是由增強(qiáng)材料決定的，然而又與樹脂含量有很大關(guān)系。就復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度來說，則不能簡單地認(rèn)為以纖維強(qiáng)度為主。纖維材料可從承受很大的拉力，但是不能單獨(dú)承受壓力，它只能在基體材料支承下承受壓力。至于復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，更明顯地是不取決于增強(qiáng)材料的強(qiáng)度，而主要取決于樹脂的強(qiáng)度和界面的粘結(jié)性能。4.2基體的作用把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷(傳遞橫向載荷和剪切載荷;用樹脂浸潤過的纖維強(qiáng)度是干纖維束的二倍.)保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。盡管纖維增強(qiáng)材料的作用是承受載荷，但是基體材料的力學(xué)性能會(huì)明顯地影響纖維的工作方式及其效率。

WhatarefunctionsofmatrixinFRPC?Holdfiberstoformcertainshape.Provideabarrieragainstanadverseenvironment,andprotectfibersfrommechanicalabrasion(磨損).Playaroleincarryingtransverseandshearloading.Transferloadbetweenfibers.Andalsoplayavitalroleinlongitudinaltensilestrength,asindicatedbytheexperimentalobservationthatthestrengthofmatrix-impregnatedfiberbundlescanbedoubleofthatofadryfiberbundle.HaveprimaryinfluenceondamageinitiationandpropagationinFRPCs.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(yīng)力較均勻地分配給所有纖維，這是由于基體使所有纖維經(jīng)受同樣的應(yīng)變，應(yīng)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(qiáng)度，同時(shí)要求基體本身也具有高的剪切強(qiáng)度和模量。當(dāng)載荷主要由纖維承受時(shí)，復(fù)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%。基體的主要性能是在這個(gè)應(yīng)變水平下不應(yīng)該裂開。在纖維的垂直方向，基體的力學(xué)性能和纖維與基體之間的膠接強(qiáng)度控制著復(fù)合材料的物理性能。由于基體比纖維弱得多，而柔性卻大得多，所以在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免基體直接橫向受載。在高膠接強(qiáng)度體系（纖維間的載荷傳遞效率高，但斷裂韌性差）與較低膠接強(qiáng)度體系（纖維間的載荷傳遞效率不高，但韌性較高）之間需要折衷。在應(yīng)力水平和方向不確定情況下使用或在纖維排列精度較低情況下制造的復(fù)合材料往往要求基體比較軟，同時(shí)不太嚴(yán)格。在明確應(yīng)力水平情況下使用和在嚴(yán)格控制纖維排列情況下制造的先進(jìn)復(fù)合材料，應(yīng)通過使用高模量和高膠接強(qiáng)度的基體以更充分地發(fā)揮纖維的最大性能。樹脂體系環(huán)氧樹脂一般具有工藝性好、成本較低等特點(diǎn)，使用溫度一般不高于130℃；雙馬樹脂的工藝性不如環(huán)氧樹脂，但優(yōu)于聚酰亞胺樹脂，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，使用溫度不高于230℃；氰酸酯樹脂具有優(yōu)異的介電性能，耐溫等級(jí)及工藝性能與雙馬樹脂相近；聚酰亞胺是耐溫等級(jí)最高的一類樹脂體系，最高使用溫度可達(dá)400℃，一般應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)。高性能熱塑性樹脂具有優(yōu)異的韌性、損傷容限，良好的耐環(huán)境、低吸濕率和低釋放速率等特點(diǎn)，并且成型周期短，可多次熔融重復(fù)成型。

聚合物基體的種類不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物等。不飽和聚酯樹脂是制造玻璃纖維復(fù)合材料的一種重要樹脂。

在國外，聚酯樹脂占玻璃纖維復(fù)合材料用樹脂總量的80%以上。樹脂體系－環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂固化劑促進(jìn)劑填料偶聯(lián)劑增韌劑環(huán)氧樹脂體系A(chǔ)G-80、AFG-90、E-51(618)、E-44(6101)、E-20(601)、CYD-128、CYD-014、CYD-017二氨基二苯砜、雙氫胺、三乙烯四胺、2－乙基－4－甲基咪唑、MNA酸酐丁晴橡膠、聚砜DMP－30、NK－MDKF550、KF－560、沃蘭環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂用途最廣泛它的粘合能力大,制造工藝簡單,固化后收縮小,硬度高,韌性好,一般能在120度以下使用,環(huán)氧樹脂分類

根據(jù)分子結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹脂大體上可分為五大類：

1、縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂

2、縮水甘油酯類環(huán)氧樹脂

3、縮水甘油胺類環(huán)氧樹脂

4、線型脂肪族類環(huán)氧樹脂

5、脂環(huán)族類環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是泛指分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)高分子化合物，除個(gè)別外，它們的相對(duì)分子質(zhì)量都不高。環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)為其特征，環(huán)氧基團(tuán)可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，使它們可與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的具有三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。環(huán)氧樹脂特點(diǎn)

在加熱條件下即能固化，無須添加固化劑，酸、堿對(duì)固化反應(yīng)起促進(jìn)作用，已固化的樹脂有良好的壓縮性能，良好的耐水、耐化學(xué)介質(zhì)和耐燒蝕性能，樹脂固化過程中有小分子析出，故需在高壓下進(jìn)行，固化時(shí)體積收縮率大，樹脂對(duì)纖維的粘附性不夠好，但斷裂延伸率低，脆性大。環(huán)氧樹脂的性能和特性1、形式多樣。

各種樹脂、固化劑、改性劑體系幾乎可以適應(yīng)各種應(yīng)用對(duì)形式提出的要求，其范圍可以從極低的粘度到高熔點(diǎn)固體。

2、固化方便。

選用各種不同的固化劑，環(huán)氧樹脂體系幾乎可以在0～180℃溫度范圍內(nèi)固化。

3、粘附力強(qiáng)。

環(huán)氧樹脂分子鏈中固有的極性羥基和醚鍵的存在，使其對(duì)各種物質(zhì)具有很高的粘附力。環(huán)氧樹脂固化時(shí)的收縮性低，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，這也有助于提高粘附強(qiáng)度。

環(huán)氧樹脂的性能和特性4、收縮性低。

環(huán)氧樹脂和所用的固化劑的反應(yīng)是通過直接加成反應(yīng)或樹脂分子中環(huán)氧基的開環(huán)聚合反應(yīng)來進(jìn)行的，沒有水或其它揮發(fā)性副產(chǎn)物放出。它們和不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂相比，在固化過程中顯示出很低的收縮性（小于2%）。

5、力學(xué)性能。

固化后的環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

6、電性能。

固化后的環(huán)氧樹脂體系是一種具有高介電性能、耐表面漏電、耐電弧的優(yōu)良絕緣材料。

7、化學(xué)穩(wěn)定性。通常，固化后的環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)良的耐堿性、耐酸性和耐溶劑性。像固化環(huán)氧體系的其它性能一樣，化學(xué)穩(wěn)定性也取決于所選用的樹脂和固化劑。適當(dāng)?shù)剡x用環(huán)氧樹脂和固化劑，可以使其具有特殊的化學(xué)穩(wěn)定性能。環(huán)氧樹脂的性能和特性

8、尺寸穩(wěn)定性。上述的許多性能的綜合，使環(huán)氧樹脂體系具有突出的尺寸穩(wěn)定性和耐久性。

9、耐霉菌。固化的環(huán)氧樹脂體系耐大多數(shù)霉菌，可以在苛刻的熱帶條件下使用。環(huán)氧樹脂的性能和特性高性能環(huán)氧基復(fù)合材料應(yīng)用復(fù)合材料在航空上的應(yīng)用大體經(jīng)過了三個(gè)階段。開始以等代設(shè)計(jì)選擇飛機(jī)的非承力或次承力結(jié)構(gòu)，用脆性復(fù)合材料制成的構(gòu)件為各類活動(dòng)口蓋、壁板、艙門等。隨后采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，選用具有一定韌性復(fù)合材料制成了承力構(gòu)件垂尾、方向舵、平尾等。80年代末90年代初，高性能環(huán)氧基復(fù)合材料已擴(kuò)大應(yīng)用到機(jī)翼、機(jī)身等大型主承力構(gòu)件，同時(shí)一些次承力構(gòu)架上韌性較差的復(fù)合材料相繼被替代。高性能環(huán)氧基復(fù)合材料應(yīng)用復(fù)合材料公司使用機(jī)型使用部位977-3/IM78552/IM7R6376/HTA8552/As48551-7/IM73900-2/T800ICIHerculesCibaHerculesHerculesTorayF/A-18RAH-66A330/A340A330/A340V-22B777機(jī)翼、蒙皮主承力結(jié)構(gòu)中央翼盒機(jī)翼壁板、尾翼地板、尾翼樹脂體系－酚醛樹脂酚醛樹脂復(fù)合材料具有耐熱性高，能在150～200℃范圍內(nèi)長期使用、吸水性小、電絕緣性能強(qiáng)、耐腐蝕、尺寸精確和穩(wěn)定等特點(diǎn)。它還能耐燒蝕。此外，原料充足，價(jià)格低廉。因此，酚醛樹脂復(fù)合材料已廣泛地在電機(jī)、電器及航空、宇航工業(yè)中用作電絕緣材料以及耐燒蝕的結(jié)構(gòu)材料（艙內(nèi)材料）。樹脂體系－酚醛樹脂但由于酚醛樹脂在固化過程中有揮發(fā)性副產(chǎn)物生成，須施加較高的成型壓力（60～500kg/cm2），故對(duì)大型制件的應(yīng)用，受到一定的限制，使用較環(huán)氧及聚酯樹脂為少。近年來，也試制成低壓酚醛樹脂，能在30kg/cm2的條件下成型，為酚醛樹脂的應(yīng)用，提供了有利條件。酚醛樹脂大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強(qiáng)塑料，少量用于玻璃纖維復(fù)合材料、耐燒蝕材料等，很少使用在碳纖維和有機(jī)纖維復(fù)合材料中。酚醛復(fù)合材料的應(yīng)用電氣工業(yè)：絕緣結(jié)構(gòu)、接觸開關(guān)、高壓電器件等。交通運(yùn)輸業(yè)：汽車、火車等交通工具的制動(dòng)材料，列車、地鐵的風(fēng)道、內(nèi)部裝飾板、臺(tái)面、前端鼻型面、整體司機(jī)室等，船舶的內(nèi)部裝飾面板是很大的市場。航空航天：改性酚醛浸漬的紙、織物、Nomex蜂窩等廣泛地應(yīng)用在艙內(nèi)阻燃裝飾材料，火箭的鼻錐、外殼、發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴等部件上。樹脂體系－雙馬樹脂雙馬樹脂（BMI）是多官能團(tuán)化合物，是先進(jìn)復(fù)合材料的一類重要樹脂基體，它既具有類似于環(huán)氧樹脂的工藝性，又具有聚酰亞胺優(yōu)良的耐高溫。耐輻射和耐濕熱等優(yōu)良特性，可適用于熱壓、RTM、RFI和纏繞等多種成型工藝，適合制造各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在許多方面滿足先進(jìn)復(fù)合材料的要求，已在航空結(jié)構(gòu)件中得到迅速開發(fā)應(yīng)用。雙馬樹脂特性雙馬樹脂樹脂具有典型熱固性樹脂的流動(dòng)性和模塑性，可用與環(huán)氧樹脂相同的成型方法加工成型；BMI固化物由于含有酰亞胺及交聯(lián)密度高而具有優(yōu)良的耐熱性，使用溫度一般在177～230℃。Tg一般大于250℃；同時(shí)，BMI樹脂具有優(yōu)良的耐輻射、耐濕熱和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。雙馬樹脂PK環(huán)氧樹脂

F-22飛機(jī)上復(fù)合材料應(yīng)用雙馬樹脂70％，環(huán)氧樹脂30％

F-35飛機(jī)上復(fù)合材料應(yīng)用環(huán)氧樹脂90％,雙馬樹脂10％

F/A-18飛機(jī)上復(fù)合材料應(yīng)用環(huán)氧樹脂100％

從材料本身到制造工藝雙馬樹脂復(fù)合材料成本較環(huán)氧樹脂高得多加工特性：

具有與環(huán)氧樹脂相似的加工工藝性，可在177℃下固化，并在固化過程中無揮發(fā)性小分子產(chǎn)生。應(yīng)用：高速數(shù)字及高頻用印刷電路板；高性能透波結(jié)構(gòu)材料；航空航天用高性能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料樹脂基體。

氰酸酯樹脂雙馬、氰酸酯和環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料性能比較項(xiàng)目BMI氰酸酯環(huán)氧樹脂固化溫度/℃后處理溫度/℃固化時(shí)間/h純樹脂飽和吸濕率/%玻璃化溫度（干態(tài)）/℃玻璃化溫度（濕度）/℃降低率/%剪切強(qiáng)度干濕態(tài)差別20℃100℃沖擊后壓縮強(qiáng)度/MPa工作溫度/℃180-20024016-242.9330020033吸濕<0.6%嚴(yán)重下降214<2501772043-41.56250-2902149吸濕<0.6%有影響236-276<177177--3-44.13>250無影響線性下降<177氰酸酯樹脂聚酯樹脂與環(huán)氧、酚醛樹脂相比工藝性良好，室溫下固化，常壓下成型，工藝裝置簡單。樹脂固化后綜合性能良好，力學(xué)性能不如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂。價(jià)格比環(huán)氧樹脂低得多，只比酚醛樹脂略貴一些。不飽和聚酯樹脂的缺點(diǎn)是固化時(shí)體積收縮率大、耐熱性差等。主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中。樹脂發(fā)展趨勢(shì)

國外樹脂基體朝著使用溫度和韌性不斷提高，成本逐漸降低，并達(dá)到低成本和結(jié)構(gòu)/功能一體化的方向發(fā)展。

第一代韌性復(fù)合材料第三代韌性復(fù)合材料第二代韌性復(fù)合材料第四代韌性復(fù)合材料（國際最高水平）400使用溫度/℃CAI/MPa10020030000100200300400中溫中高溫高溫4211

5222

5288A5405542854293232

3238

323332343236

3266-RTM3266ES-RTM5284-RTM6421-RTM6421ES-RTMLP-15MPI-1PYI-1直升機(jī)或低速飛機(jī)結(jié)構(gòu)用中高速飛機(jī)結(jié)構(gòu)用發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)用環(huán)氧熱壓環(huán)氧RTM雙馬熱壓雙馬RTM聚酰亞胺航材院高性能性樹脂基體及預(yù)浸料4.3復(fù)合材料的增強(qiáng)相粘結(jié)在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料稱為增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑等）。三類：纖維及其織物、晶須和顆粒

纖維:

如植物纖維（棉花、麻類）、動(dòng)物纖維（絲、毛）和礦物纖維（石棉）。天然纖維強(qiáng)度較低，現(xiàn)代復(fù)合材料的增強(qiáng)材料用合成纖維，分為有機(jī)纖維和無機(jī)纖維。HistoryofFibrousComposites?Wood?800B.CStrawandMudBricks(Adobe)?700B.CLaminatedBowwithAnimalTendons,wood,silk?1910DopedFabricandWoodA/CStructure?1935Owens-CorningFiberglassCorp.?1940PlywoodA/CStructure?1943FRPAircraftStructure?1947FirstCommercialEpoxy?1953CorvetteFRPProductionBody?1958FirstCarbonfromRayon?1959TexacoannouncesBoron?1961FirstGraphitefromPan?1964CarbonFibersfromPan?1965BoronFibersAvailable?1969F-4Boron-EpoxyRudder?1970F-14Boron/EpoxyHorizontal?1973Kevlar49?1985Spectra增強(qiáng)材料增強(qiáng)體

加入基體中能提高其力學(xué)性能的物質(zhì)

增強(qiáng)體類型

纖維狀、片狀、顆粒狀、晶須狀、粉末狀

增強(qiáng)形式

單向纖維預(yù)浸料、2D織物、3D織物、針織對(duì)位芳酰胺聚芳酯聚苯并噁唑聚乙烯聚乙烯醇剛性分子鏈柔性分子鏈增強(qiáng)體有機(jī)纖維氧化鋁纖維玻璃纖維無機(jī)纖維聚丙烯腈基碳纖維碳化硅纖維增強(qiáng)體分類

按化學(xué)組成玻璃纖維GlassE玻璃與S玻璃單纖維d=3-30微米E較低粗紗,織物,纖維氈硼纖維本身是復(fù)合材料單纖維d=100微米比強(qiáng)度與Glass的差不多,但是比剛度是Glass的5倍,熔點(diǎn)高碳纖維(Carbon)有機(jī)纖維碳化而成,碳化溫度1400>T,--碳纖維T>1400---石墨纖維單纖維d=7微米橫觀各向同性(特殊的各向異性)復(fù)合材料不是以原子，分子為量級(jí)，而是以顆?；蛘呃w維的直徑為其特征尺寸。又不同于經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)理論的微分單元。

1)纖維芳倫纖維斷裂伸長率較大線膨脹系數(shù)為負(fù)值碳化硅纖維可耐高溫易與金屬基體親和制作金屬基復(fù)合材料的良好材料晶須極細(xì)的增強(qiáng)材料纖維Whyarefibersofathindiameter?Thediametersoffibersaregenerallyverysmall(fromfewtohundredmicrons).Thinnerfiberhashigherultimatestrengthbecauselessinherentflaws.Similarphenomenoninmetalsandalloys.Forthesamevolumeoffibers,thinnerfibershaslargersurfaceareathushasstrongerbondwithmatrix.(thetotalsurfaceareaoffibersisinverselyproportionaltothediameteroffibers)Thinnerfiberhaslargerflexibility(

1/EI)andthereforeisabletobebentwithoutbreaking.(e.g.inwovenfabriccomposites).TypicalMechanicalPropertiesofFibersandMetals

PropertiesGraphiteGlassAramid(Kevlar)SteelAluminumSpecificgravity(g/cm3)1.82.51.47.82.6Young’smodulus(GPa)2308512420668.9Ultimatetensilestrength(MPa)206715501379648276Coefficientofthermalexpansion(

m/m/

C)-1.35-511.723A)有機(jī)纖維主要有Kevlar纖維、聚乙烯纖維和尼龍纖維

①芳香族酰胺纖維（AromaticPolymide

Fibre,Kevlar,KF）

Kevlar纖維具有高強(qiáng)度、高模量和韌性好等特點(diǎn)。密度較低，而比強(qiáng)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。

常用于和碳纖維混雜，提高纖維復(fù)合材料的耐沖擊性。

Kevlar纖維屬于自熄性材料。②聚乙烯纖維（Polyethylene,PE）聚乙烯纖維是目前國際上最新的超輕、高比強(qiáng)度、高比模量纖維，成本也比較低。通常聚乙烯纖維的分子量大于106，纖維的拉伸強(qiáng)度為3.5GPa，彈性模量為116GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。在纖維材料中，聚乙烯纖維具有高比強(qiáng)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。其不足之處是熔點(diǎn)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。B)無機(jī)纖維①玻璃纖維（GlassFibre,GF或Gt）

玻璃纖維是由含有各種金屬氧化物的硅酸鹽類，經(jīng)熔融后以極快的速度抽絲而成。由于它質(zhì)地柔軟，因此可以紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。價(jià)格便宜，品種多，適于編織各種玻璃布，作為增強(qiáng)材料廣泛用于航空航天、建筑領(lǐng)域及日常用品。

缺點(diǎn)是不耐磨，易折斷，易受機(jī)械損傷，長期放置強(qiáng)度下降。玻璃纖維的種類很多按用途可分為：高強(qiáng)度纖維、低介電纖維、耐化學(xué)藥品纖維、耐電腐蝕纖維、耐堿纖維；按化學(xué)成分可分為：有堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、低堿玻璃纖維、無堿玻璃纖維；按單絲直徑可分為：粗纖維、初級(jí)纖維、中級(jí)纖維、高級(jí)纖維。玻璃纖維的伸長率和熱膨脹系數(shù)小，除氫氟酸和熱濃強(qiáng)堿外，能耐許多介質(zhì)的腐蝕。玻璃纖維不燃燒，耐高溫性能較好，適用于較高溫度下使用。玻璃纖維生產(chǎn)玻璃纖維用的玻璃不同于其它玻璃制品的玻璃。目前國際上已經(jīng)商品化的纖維用的玻璃成分如下：

1、E-玻璃亦稱無堿玻璃，系一種硼硅酸鹽玻璃。目前是應(yīng)用最廣泛的一種玻璃纖維用玻璃成分，具有良好的電氣絕緣性及機(jī)械性能，廣泛用于生產(chǎn)電絕緣用玻璃纖維，也大量用于生產(chǎn)玻璃鋼用玻璃纖維，它的缺點(diǎn)是易被無機(jī)酸侵蝕，故不適于用在酸性環(huán)境。玻璃纖維2、S-玻璃亦稱中堿玻璃，其特點(diǎn)是耐化學(xué)性特別是耐酸性優(yōu)于無堿玻璃，但電氣性能差，機(jī)械強(qiáng)度低于無堿玻璃纖維10%～20%，通常國外的中堿玻璃纖維含一定數(shù)量的三氧化二硼，而我國的中堿玻璃纖維則完全不含硼。在國外，中堿玻璃纖維只是用于生產(chǎn)耐腐蝕的玻璃纖維產(chǎn)品，如用于生產(chǎn)玻璃纖維表面氈等，也用于增強(qiáng)瀝青屋面材料，但在我國中堿玻璃纖維占據(jù)玻璃纖維產(chǎn)量的一大半（60%），廣泛用于玻璃鋼的增強(qiáng)以及過濾織物，包扎織物等的生產(chǎn)，因?yàn)槠鋬r(jià)格低于無堿玻璃纖維而有較強(qiáng)的競爭力。E-glassroving(2)碳纖維

碳纖維是由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料加熱至1500℃所形成的纖維狀碳材料，其碳含量在90%以上。

碳（石墨）纖維具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高熱導(dǎo)、低熱膨脹、耐化學(xué)輻射等優(yōu)良特性，

此外，還具有纖維的柔曲性和可編性，比強(qiáng)度和比模量優(yōu)于其它纖維增強(qiáng)體。碳纖維（CarbonFibre,CF或Cf）纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。自20世紀(jì)60年代美國和日本分別以人造絲(粘膠纖維）、聚丙烯烴（Polyacryonitrile,簡寫為PAN）和瀝青為原料成功地制備出碳纖維,其中以聚丙烯烴最為主要。ProcessingPAN(polyacrylonitrile

聚丙烯腈)orpitch(瀝青

)carbonfibersbyhotstretching瀝青聚丙烯腈碳纖維向高強(qiáng)度高模量方向發(fā)展，已生產(chǎn)出高模量碳纖維（HM）、超高模量碳纖維、高強(qiáng)度碳纖維（HS）、超高強(qiáng)度碳纖維和高強(qiáng)度高模量碳纖維。按力學(xué)性能可將碳纖維分成高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維和普通碳纖維。碳纖維最突出的特點(diǎn)是強(qiáng)度和模量高、密度小，與碳素材料一樣具有很好的耐酸性；熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值；具有很好的耐高溫蠕變性能，一般碳纖維在1900℃以上才呈現(xiàn)出永久塑性變形。此外碳纖維還具有摩擦系數(shù)小、潤滑性好、導(dǎo)電性高等特點(diǎn)。

碳纖維的不足之處是價(jià)格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上，因此大大限制了它的推廣應(yīng)用。此外碳纖維的抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時(shí)會(huì)生成二氧化碳。Carbon/graphite

fibers

Carbon/graphitefibershaveveryhighspecificstiffness,specificultimatestrengthandhighfatiguestrength.AnotherveryuniqueadvantageofcarbonfibersistheverylowandnegativeCTE(coefficientofthermalexpansion).Thatiswhyagraphite/epoxycompositecanhaveaverylowCTE.Thedisadvantagesincludehighcost(10-20timesofglassfibers),lowimpactresistanceandhighelectricconductivity.Differencesbetweencarbonfiberandgraphitefiberareinthecarboncontent(93%-95%versus>99%)andinthemanufacturingtemperature(1300

Cversus1900

C).晶體結(jié)構(gòu)活性碳纖維③硼纖維（BoronFibre，BF或Bf）1958年C.P.Talley首先用化學(xué)氣相沉積（Chemicalvapourdeposition，簡稱CVD）方法研制成功高模量的硼纖維?，F(xiàn)在硼纖維通用的制備方法是在加熱的鎢絲表面通過化學(xué)反應(yīng)沉積硼層。硼纖維的直徑有100μm、140μm、200μm幾種。硼纖維具有很高的彈性模量和強(qiáng)度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.4~2.65g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.2~5.2GPa，彈性模量為350~400GPa。硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。硼纖維的缺點(diǎn):工藝復(fù)雜，不易大量生產(chǎn)，其價(jià)格昂貴。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(jié)果表明，碳心硼纖維比鎢絲硼纖維強(qiáng)度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)，因此需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復(fù)合材料。④氧化鋁纖維（Aluminia

Fibre，AF或（Al2O3）f）

氧化鋁纖維是多晶連續(xù)纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性，直到370℃強(qiáng)度仍下降不大。缺點(diǎn)是在所有纖維中密度最大。

主要用于金屬基復(fù)合材料。⑤碳化硅纖維（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）目前SiC纖維的生產(chǎn)有有機(jī)合成法和CVD法兩種。SiC纖維是高強(qiáng)度高模量纖維，有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。最高使用溫度為1250℃，在1200℃其拉伸強(qiáng)度和彈性模量均無明顯下降，因此比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性。此外SiC纖維還具有半導(dǎo)體性能。與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。(3)其他纖維①陶瓷纖維具有陶瓷化學(xué)成分的纖維稱為陶瓷纖維，如氧化鋁、碳化硅纖維以及氧化鋯、氧化鈹、氧化鎂、氧化鈦、氮化硼和硼化鈦等纖維。陶瓷纖維的特點(diǎn)是可耐1260～1790℃的高溫（在惰性和氧化性氣氛中）、耐磨耐腐蝕性好和良好的物理機(jī)械性能，特別適合于陶瓷基復(fù)合材料。陶瓷纖維的缺點(diǎn)是對(duì)裂紋等缺陷敏感，脆性大。②金屬和鋼纖維金屬和鋼的特點(diǎn)是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，塑性和抗沖擊性好。鋼纖維常用于混凝土基復(fù)合材料。2)晶須晶須（Wisker）是指具有一定長徑比（一般大于10）和截面積小于52×10-5cm2的單晶纖維材料。具有實(shí)用價(jià)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(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。晶須可分為: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TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等）無機(jī)鹽類晶須（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。晶須的制備方法有化學(xué)氣相沉積（CVD）法、溶膠—凝膠法、氣液固（VLS）法、液相生長法、固相生長法原位生長法等。3)．顆粒用以改善基體材料性能的顆粒狀材料，稱為顆粒增強(qiáng)體（ParticleReinforcement）。顆粒增強(qiáng)體主要是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，如碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨、細(xì)金剛石等。這些顆粒增強(qiáng)體也稱為剛性顆粒增強(qiáng)體（RagidParticleReinforcement）或陶瓷顆粒增強(qiáng)體。顆粒增強(qiáng)體以很細(xì)的粉末（一般在10μm以下）加入到金屬基和陶瓷基中起提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量和韌性的作用。如在Al合金中加入體積為30%，粒徑為0.3μm的Al2O3顆粒,材料在300℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度仍可達(dá)220MPa，并且所加入的顆粒越細(xì)，復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度越高。在Si3N4陶瓷中加入體積為20%的TiC顆粒，可使其韌性提高5%。顆粒作用另一類顆粒增強(qiáng)體稱為延性顆粒增強(qiáng)體（DuctileParticleReinforcement）,主要為金屬顆粒，加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中增強(qiáng)其韌性，如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，但高溫力學(xué)性能會(huì)有所下降。顆粒增強(qiáng)體的特點(diǎn)是選材方便，可根據(jù)不同的性能要求選用不同的顆粒增強(qiáng)體。顆粒增強(qiáng)體成本低，易于批量生產(chǎn)。顆粒作用5復(fù)合材料的特性與傳統(tǒng)金屬材料相比1)比強(qiáng)度和比模量高(輕質(zhì)高強(qiáng))材料密度(G/CM3)拉伸強(qiáng)度GPa彈性模量GPa比強(qiáng)度(*107cm)比模量(*109cm)鋼7.81.01205.940.130.27碳纖維/環(huán)氧1.60.99235.360.631.5復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度較高材料的強(qiáng)度除以密度稱為比強(qiáng)度；材料的剛度除以密度稱為比剛度。這兩個(gè)參量是衡量材料承載能力的重要指標(biāo)。比強(qiáng)度和比剛度較高說明材料重量輕，而強(qiáng)度和剛度大。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)材料的重要要求。現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等機(jī)體結(jié)構(gòu)正逐漸擴(kuò)大使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比例。TypicalMechanicalPropertiesofPRCandMetalsPropertiesGraphite/epoxy(Vf=0.7)Glass/epoxy(Vf=0.45)SteelAluminumLongi-tudinalTranse-verseLongitudinalTransverseSpecificgravity(g/cm3)1.61.61.81.87.82.6Young’smodulus(GPa)18110.338.68.2720668.9Ultimatetensilestrength(MPa)150040106231648276Coefficientofthermalexpansion(

m/m/

C)0.0222.58.622.111.723MaterialPropertiesMaterialr(kg/m3)Y.M.(GPa)Yield(MPa)ThermalExpansion(10-6/K)Al28006827623.6M4Ti44001108259Be200030434511.5CompositeCFRP1620281586[-11.7,29.7]AdvantagesofcompositematerialsHighspecificstiffness(E/

)andhighspecificstrength(

ult/

)

weightreduction,aerospaceandsportinggoods.2)具有可設(shè)計(jì)性

復(fù)合材料的力學(xué)性能可以設(shè)計(jì)，即可以通過選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，使復(fù)合材料構(gòu)件或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

例如，在某種鋪層形式下，材料在一方向受拉而伸長時(shí)，在垂直于受拉的方向上材料也伸長，這與常用材料的性能完全不同。又如利用復(fù)合材料的耦合效應(yīng)，在平板模上鋪層制作層板，加溫固化后，板就自動(dòng)成為所需要的曲板或殼體。

纖維,基體,覆層方式,纖維方向,含量通過計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)從常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)發(fā)展仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn)，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(fù)合材料。仿照鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了10微米厚的薄層，由此得到的層狀復(fù)合材料比其原材料堅(jiān)固40％。仿照骨骼的組織特點(diǎn)，人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直升飛機(jī)的旋翼，外層是剛度、強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合材料，中層是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。

3)抗疲勞性能好/減震性能好/破損安全性好

復(fù)合材料的抗疲勞性能良好。一般金屬的疲勞強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的40～50%，而某些復(fù)合材料可高達(dá)70～80%。復(fù)合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴(kuò)展到纖維和基體的界面上，沒有突發(fā)性的變化。因此，復(fù)合材料在破壞前有預(yù)兆，可以檢查和補(bǔ)救。纖維復(fù)合材料還具有較好的抗聲振疲勞性能。用復(fù)合材料制成的直升飛機(jī)旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長數(shù)倍。

3)抗疲勞性能好/減震性能好/破損安全性好

復(fù)合材料的減振性能良好。纖維復(fù)合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。

用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動(dòng)試驗(yàn)，碳纖維復(fù)合材料粱的振動(dòng)衰減時(shí)間比輕金屬粱要短得多。

3)抗疲勞性能好/減震性能好/破損安全性好復(fù)合材料的安全性好。

在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體中有成千上萬根獨(dú)立的纖維。

當(dāng)用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個(gè)構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力。4)高溫性能好復(fù)合材料通常都能耐高溫。在高溫下，用碳或硼纖維增強(qiáng)的金屬其強(qiáng)度和剛度都比原金屬的強(qiáng)度和剛度高很多。普通鋁合金在400℃時(shí)，彈性模量大幅度下降，強(qiáng)度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)的鋁合金的強(qiáng)度和彈性模量基本不變。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率一般都小，因而它的瞬時(shí)耐超高溫性能比較好。5)抗腐蝕性Highcorrosionresistance

Acid,alkaliresistanceofpolymers,chemicalandmarineapplications,infrastructureapplications.6)制造工藝簡單復(fù)合材料的成型工藝簡單。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般適合于整體成型，因而減少了零部件的數(shù)目，從而可減少設(shè)計(jì)計(jì)算工作量并有利于提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外，制作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件的步驟是把纖維和基體粘結(jié)在一起，先用模具成型，而后加溫固化，在制作過程中基體由流體變?yōu)楣腆w，不易在材料中造成微小裂紋，而且固化后殘余應(yīng)力很小。自動(dòng)化程度高Disadvantagesofcompositematerials

Highcostoffabrication

Complexityinmechanicalcharacterizationanddifficultyinanalysis

Weakintransversedirectionandlowtoughness

Difficultyinattaching(Joining)

Environmentaldegradation(Polymermatrixabsorbmoisture)低成本高性能制造技術(shù)未來復(fù)合材料的研究方向未來的功能復(fù)合材料比重將超過結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，成為復(fù)合材料發(fā)展的主流。未來復(fù)合材料的研究方向主要集中在納米復(fù)合材料、仿生復(fù)合材料、和發(fā)展多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料等領(lǐng)域。6幾個(gè)專門術(shù)語均質(zhì)：物體在各處有相同的性能，即物體的性能不是物體內(nèi)位置的函數(shù)。非均質(zhì)：物體在各處有不相同的性能，即物體的性能是物體內(nèi)位置的函數(shù)。各向同性：在物體內(nèi)一點(diǎn)的各個(gè)方向上都表現(xiàn)有相同的性能。也就是說某點(diǎn)的性能不是該點(diǎn)方向的函數(shù)。各向異性：在物體內(nèi)一點(diǎn)的各個(gè)方向上可能表現(xiàn)有不相同的性能。也就是說某點(diǎn)的性能是該點(diǎn)方向的函數(shù)。Isotropicmaterial

Anisotropicmaterialhaspropertiesthatarethesameatalldirections.Themeasuredpropertiesofanisotropicmaterialareindependentoftheaxisoftesting.(Anisotropic)Homogeneousbody

Ahomogeneousbodyhaspropertiesthatarethesameatallpointsinthebody.(Inhomogeneous,Nonhomogeneous,heterogeneous)單層:由纖維與基體構(gòu)成復(fù)合材料的基本單元層合板:由單層構(gòu)成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu).Lamina

AlaminaisasinglethinplyorlayerofunidirectionalfibersarrangedinamatrixLamimae

PluraloflaminaLaminate

Alaminateisastackoflaminae.Eachlayercanbelaidatvariousorientationsandcanbedifferentmaterialsystems.對(duì)于復(fù)合材料，由于存在可以從界面區(qū)分的相和疊層，一般認(rèn)為是非均質(zhì)的。當(dāng)分析尺度繼續(xù)擴(kuò)大后，它又可以用等效的均質(zhì)體來代替。此時(shí)，顆粒復(fù)合材料和方向隨機(jī)分布的短纖維（和晶須）復(fù)合材料可以認(rèn)為是各向同性的。而纖維（包括織物）規(guī)則排列的復(fù)合材料，通常是各向異性。材料的尺度一種材料視為均質(zhì)的，也可以是非均質(zhì)的，取決于分析時(shí)觀察問題的尺度。從原子水平來看，任何材料都是不連續(xù)的和非均質(zhì)的。當(dāng)所考慮的區(qū)域增大到某種程度時(shí)，原子結(jié)構(gòu)在分析中已經(jīng)失去了它的重要性。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)開始有效。宏觀-細(xì)觀-微觀-納觀mm級(jí)-0.1mm至0.1μm-μm-nm7復(fù)合材料的應(yīng)用1.航天、航空工程中應(yīng)用國內(nèi)外已應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)身、機(jī)翼、駕駛艙、螺旋槳、雷達(dá)罩等，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。人造衛(wèi)星、太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)等方面。

2.船舶工程中的應(yīng)用應(yīng)用于制造深水潛艇，很多游艇、賽艇都用復(fù)合材料制造。3.建筑工程中的應(yīng)用大型體育館、廠房、市場的屋頂采用復(fù)合材料制成薄殼結(jié)構(gòu)。4.兵器工業(yè)中應(yīng)用坦克裝甲上得到了廣泛應(yīng)用，另外應(yīng)用于防彈背心、安全帽等防護(hù)制品。5.化學(xué)工程中應(yīng)用采用復(fù)合材料可以減少腐蝕延長設(shè)備壽命。6.車輛制造工業(yè)中應(yīng)用火車的車身、門窗，汽車的車身、底盤、引擎，自行車車架等等。7.電器設(shè)備中的應(yīng)用可用于制造絕緣設(shè)備。8.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用應(yīng)用于制造假肢、人造骨骼、關(guān)節(jié)，以及一些醫(yī)療設(shè)備。7復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)代輕質(zhì)復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量，抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為飛機(jī)、火箭、宇宙飛船等航空航天結(jié)構(gòu)中與鋁合金、鈦合金和鋼并駕齊驅(qū)的四大結(jié)構(gòu)材料之一復(fù)合材料的應(yīng)用例：波音757的機(jī)翼和機(jī)身、復(fù)合材料整流罩包皮、直升飛機(jī)中能量吸收結(jié)構(gòu)部件等。

F117隱性飛機(jī)－－全復(fù)合材料體育器材――金牌有科學(xué)家的一半各國在發(fā)展高技術(shù)計(jì)劃中對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料都給予優(yōu)先考慮如前蘇聯(lián)的“賽格”反坦克導(dǎo)彈從外觀上看實(shí)現(xiàn)了塑料化。它的主要復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件有：風(fēng)帽、殼體、尾翼座、尾翼等。使用的材料為玻纖增強(qiáng)酚醛塑料，復(fù)合材料構(gòu)件占總體零件數(shù)的75%。美國的"陶式"反坦克導(dǎo)彈，法國的"霍特"反坦克導(dǎo)彈，"阿皮拉斯"反坦克火箭彈的發(fā)射筒，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體分別用玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂和芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制造。美國陸軍已研究證實(shí)了水陸兩用車復(fù)合材料艙門和炮塔可減重15.5%。美國陸軍的M113A3裝甲人員輸送車已采用S2玻纖增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料制造車體，取代了早期的Kevlar纖維復(fù)合材料，提高了防火和煙霧特性，降低了成本。美國還考究了MIAI主戰(zhàn)坦克上各部件復(fù)合材料化的可行性，優(yōu)選出22個(gè)部件采用復(fù)合材料制造，可減重1440kg，降低成本1835美元。據(jù)估計(jì)在地球同步衛(wèi)星上每減輕一磅的質(zhì)量就能帶來2萬美元的經(jīng)濟(jì)效益。國外的新一代軍機(jī)和民用運(yùn)輸機(jī)已普遍采用復(fù)合材料，第四代戰(zhàn)機(jī)復(fù)合材料用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的25％～40％，干線客機(jī)用量約15％，其應(yīng)用水平成為飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。

隨著我國復(fù)合材料技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)水平的提高，復(fù)合材料在兵器上的應(yīng)用范圍越來越大。如:芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已用于主戰(zhàn)坦克的首上裝甲和炮塔復(fù)合裝甲；

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于反坦克導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部殼體、尾翼座、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體以及火箭彈的噴管等。

90年代復(fù)合材料在兵器上應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代，高強(qiáng)度玻纖增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料用于多管遠(yuǎn)程火箭彈和空空導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)材料和燒蝕-隔熱材料，使金屬噴管達(dá)到了塑料化，燒蝕-隔熱-結(jié)構(gòu)多功能化，實(shí)現(xiàn)了噴管收斂段、擴(kuò)張段和尾翼架多部件一體化，大大減輕武器的重量，提高了戰(zhàn)術(shù)性能，簡化了工藝，降低了成本。航空復(fù)合材料發(fā)展形勢(shì)及我國的差距我國在飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料方面的差距≈25年為增強(qiáng)我國綜合國力，我國已把先進(jìn)復(fù)合材料作為發(fā)展高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵新材料，被列位國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃綱要重要內(nèi)容。關(guān)鍵詞NASA波音空中BUS蜂窩/夾層/三明治晶片納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料Neat1%3%5%7%TEMneat1%3%5%7%…Inreality,ontheA330MaterialsonAirbusA380C-17復(fù)合材料分布圖

參照結(jié)構(gòu)：F-22正弦波梁參照結(jié)構(gòu)：F-22正弦波梁雷達(dá)天線罩

天線風(fēng)力機(jī)

水箱玻璃鋼漁船

SMC片料及模壓制品

T-bar格柵工字鋼格柵

各種型材屋頂

復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量（lb）

鋁合金、鋼在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用逐漸減少，復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用比例逐漸增大，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料增加最快。發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用復(fù)合材料遙感天線

復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用復(fù)合材料自回彈天線

月球探測(cè)衛(wèi)星用數(shù)據(jù)傳輸天線反射器奧運(yùn)畫紙奧運(yùn)畫紙復(fù)合材料汽車高速列車車頭

大型發(fā)電機(jī)葉片

醫(yī)療設(shè)備配件

醫(yī)療設(shè)備配件（乳腺檢查）

箭桿、拐杖

天線反射面

壓力容器氣瓶

橋梁補(bǔ)強(qiáng)

隨著科技的發(fā)展，復(fù)合材料在軍用和民用領(lǐng)域必將會(huì)有更快、更多、更大的發(fā)展！8復(fù)合材料研究基礎(chǔ)理論1)復(fù)合材料力學(xué)性能與行為2)復(fù)合材料的材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),功能設(shè)計(jì)3)復(fù)合材料的物理性能4)復(fù)合材料的界面與力學(xué)行為5)復(fù)合材料工藝學(xué)復(fù)合材料力學(xué)性能與行為

復(fù)合材料力學(xué)是研究復(fù)合材料在外界因素(荷載,溫度,濕度)作用下的力學(xué)響應(yīng)的一門科學(xué),是固體力學(xué)的一個(gè)新分支.

復(fù)合材料力學(xué)性能與行為復(fù)合材料力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)新興分支，它研究由兩種或多種不同性能的材料，在宏觀尺度上組成的多相固體材料，即復(fù)合材料的力學(xué)問題。

復(fù)合材料具有明顯的非均勻性和各向異性性質(zhì)，這是復(fù)合材料力學(xué)的重要特點(diǎn)。

但中國在復(fù)合材料力學(xué)研究方面的起步和水平晚于歐美十到十五年。復(fù)合材料力學(xué)發(fā)展1964年羅森提出了確定單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料縱向壓縮強(qiáng)度的方法1966年惠特尼和賴?yán)岢隽舜_定復(fù)合材料彈性常數(shù)的獨(dú)立模型法1968年，經(jīng)蔡為侖和希爾的多年研究形成了蔡-希爾破壞準(zhǔn)則；1971年又出現(xiàn)了張量形式的蔡-吳破壞準(zhǔn)則1970年瓊斯研究了一般的多向?qū)影?，并得到簡單的精確解1972年惠特尼用雙重傅里葉級(jí)數(shù)，求解了扭轉(zhuǎn)耦合剛度對(duì)各向異性層板的撓度、屈曲載荷和振動(dòng)的影響問題，用這種方法求解的位移既滿足自然邊界條件，又能很快收斂到精確解夏米斯、漢森和塞拉菲尼研究了復(fù)合材料的抗沖擊性能。另外，蔡為侖在單向?qū)影宸蔷€性變形性能的分析方面，索哈佩里在復(fù)合材料粘彈性應(yīng)力分析等都做了開創(chuàng)性的研究工作亞當(dāng)斯在非彈性問題的細(xì)觀力學(xué)理論方面進(jìn)入20世紀(jì)60年代后復(fù)合材料力學(xué)發(fā)展的步伐加快了