gc11复合材料分析
颗粒增强复合材料
叠层 复合 材料
三、复合材料中的增强材料
（一）纤维增强材料
增强效果最明显、应用最广。 主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤 维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝 纤维等
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常用增强纤维与金属丝性能对比
无碱玻璃纤维 高强度碳纤维（II） 高模量碳纤维（I） Kevlar49 硼纤维 SiC纤维（钨芯） 钢丝 钨丝 钼丝
• 一般铝合金在400～500℃时弹性模量急剧下降，强度也下降。 碳或硼纤维增强的铝复合材料，在上述温度时，其弹性模量和 强度基本不变。
• 此外，复合材料还有较好的减摩性、耐蚀性、断裂安全性和工 艺性等。
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二、增强机制
（一）颗粒增强
颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分布在 基体中，基体承受载荷，而增强颗粒阻碍导致 基体塑性变形的位错运动（金属基体）或分子 链运动（高聚物基体）。
5. 碳化硅纤维 是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相
沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱， 经烧结而得； 是一种高熔点、高强度、高模量的陶 瓷纤维，主要用于增强金属和陶瓷； 优良的高温强度，在1100℃时强度仍 高达2100MPa。
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（二）颗粒增强材料
主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如Al2O3、SiC、 Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等；
密度 g/cm3
2.55
抗拉强度 拉伸模量 比强度 比模量
GPa
100GPa 106N.m/kg 106N.m/k g
3.40
0.71
1.33
28
1.74 2.42
2.16
1.39
124
2.00
2.23
3.75
1.12
188
1.44 2.80
1.26
1.94
88
2.36 2.75
3.82
1.17
162
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4. 芳纶纤维 亦称Kevlar纤维，是一种将聚合物溶解在
溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类 纤维； 密度小，比强度、比弹性模量高； 抗拉强度比玻璃纤维高45％，韧性好； 耐热性好，能在290℃下长期作用； 优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工 性，且价格便宜。
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缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。
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3. 硼纤维 将元素B用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属
丝－纤芯（钨丝）上制得的一种复合纤维； 熔点高（2300℃）； 强度、弹性模量高； 良好的耐蚀性； 缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复
杂，成本高； 不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。
• 2．抗疲劳性能好
• 例如碳纤维-聚酯树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70％ -80％，而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的30％～50％。
• 3．减振性能好
• 纤维与基体界面有吸振能力，可减小振动。例如，尺寸形状相 同的梁，金属梁9s停止振动，碳纤维复合材料制成的梁2.5s就 可停止振动。
• 4．高温性能好
耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外， 对其它溶剂有良好的化学稳定性；
不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸 声、绝缘、透过电磁波等；
制取方便，价格便宜，是应用最广的增
强纤维。
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2. 碳纤维 将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、
沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而 制成wC>90%以上的纤维； 密度低、强度和模量高； 高、低温性能好（1500℃，-180℃）； 化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、 苯、丙酮等；热胀系数小，热导率高，导 电性、自润滑性好；
石墨、银粉、铜粉等可改善塑料的导电 性；
Fe2O3磁粉可改善塑料的导磁性； MoS2可提高塑料的自润滑性； 空心玻璃微珠可减小塑料的密度并提高 其耐热性。
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第二节 复合材料的性能
• 1．比强度和比模量高
• 例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍， 比模量(弹性模量与密度之比)比钢大3倍。
第十一章 复合材料
1.复合材的定义和分类 2.复合材料的性能特点 3.复合材料的应用
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在现代工程中对材料的要求 越来越苛刻，特别是在航天、航 海及交通运输领域。
例如，要求飞机结构材料既 有低的密度，又具有高的强度、 刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。
通常高强度材料的密度也高， 增大强度或刚度则会降低材料的 韧性。
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第一节 概述
复合材料 两种或者两种以 上的不同性质的材料， 通过不同的工艺方法人 工合成的多相材料。
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复合材料是一种由基体matrix 和增强 相reinforced phase 组成的多相材料，通 常基体为连续相，而增强相为分散相。
复
基体
金属材料、高分子材料、
陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产； 在聚合物中添加不同的填料，构成以填料
为分散相、聚合物为连续相的复合材料， 可改善制品的力学性能、耐磨性能、耐热 性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能 等。
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碳黑和白碳黑（Si2C无定形微粉，呈白 色，具有类似碳黑的增强作用，故称之）可 明显提高橡胶的强度、硬度和弹性模量；
增强颗粒大小会直接影响增强效果： ➢ d过大（>0.1μm）易引起应力集中而降低强度； ➢ d过小（<0.01μm）则接近于固溶体结构，不起
颗粒增强作用。 ➢ 一般颗粒直径为d=0.01~0.1 μm。
2.69
3.43
4.80
1.28
178
7.74 4.20
2.00
0.54
26
19.40 4.10
4.10
0.21
21
10.20 gc112复.2合0材料分析 3.60
0.22
35
1. 玻璃纤维
由熔融玻璃经拉丝制成纤维；
密度2.4～2.7，与铝相近，弹性模量低 于金属，但比强度和比模量高；
耐热性好，软化温度550～580℃；
合
陶瓷材料
材
料
增强相 颗粒增强材料、纤维增强材料、
片状增强材料
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特点 复合材料既保持组
成材料各自的最佳特性， 又具有组合后的新特性。
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例1：建筑材料（复合材料的应 用）
泥土＋稻草 水泥＋钢筋
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二、复合材料的分类
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纤 维 增 强 复 合 材 料