复合材料力学性能复合材料

1、复合材料力学性能复合材料百科名片橡塑复合材料复合材料（Composite materials，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学 的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效 应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料 分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要 有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳 纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。目录历史分类性能成型方法应用江苏新型复合材料产业园展开编辑本段历史复合材料使用的

2、历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料 俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属 基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。编辑本段分类复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。 复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属 复合材料。

3、按其结构特点又分为：纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内 复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料。由性质不同的表面材 料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。 分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥 散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种 基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显 著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间 混杂和超混杂复合材料。60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要

4、，先后研制和生产了以高性能纤 维 < 如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度 大于4X106厘M<cm ），比模量大于 4X108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合 材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为 树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250350 C、3501200 C和1200 C以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复第五代战机复合材料合材料（材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料>、机敏复合材料 <具有感觉、处理和执行功能

5、，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复 合材料、隐身复合材料等。编辑本段性能复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模 量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍， 还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘 等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳 化硅纤维增强的铝基复合材料，在500 C时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片

6、。碳化硅纤维与陶瓷 复合，再生树脂复合材料使用温度可达 1500 C,比超合金涡轮叶片的使用温度<1100 C）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹 和原子能反应堆中。非金属基复合材料因为密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高 速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力 与重量大5倍多的钢片弹簧相当。编辑本段成型方法复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成复合材料电缆支架型、

7、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成 型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散 焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到 增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基 复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。编辑本段应用应用领域复合材料的主要应用领域有：航空航天领域。因为复合材料热稳定性好，比强度、 比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外 壳、大型运载火箭的verton 复合材料壳体、发

8、动机壳体、航天飞机结构件等。汽车工业。因为复合材料具有特殊的振动阻 尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于 制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。化工、纺织和机械制造 领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织 机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。医学领域。碳纤维复合材料具有优异 的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。 此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。复合材料的发展和

9、应用复合材料电缆支架复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种 材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。因为复合材料具有重量轻、 强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年 更是得到了飞速发展。随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提 高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度 尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合 材料家族更加完备，已

10、经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达 550 多万吨，年产值达 1300 亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计 入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地 区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓 慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商 PPG 公司统 计， 2000 年欧洲的复合材料全球占有率约为 32% ，年产量约 200 万吨。与此同时，美 国复合材料在 20 世纪 90 年代年均增长率约为美国 GDP 增长率的 2 倍，达到 4%6% 。 2000 年，美国

11、复合材料的年产量达 170 万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加 使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整 体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长， 2000 年的总产量约为 145 万吨，预计 2005 年总产量将达 180 万吨。从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。 2000 年美 国汽车零件的复合材料用量达 14.8 万吨，欧洲汽车复合材料用量到 2003 年估计可达 10.5 万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在 2000 年的用量达 7.5 万吨，汽车等

12、领域的用量仅为 2.4 万吨。不过从全球范围看，汽车工业 是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。 例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树 脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连 杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新 型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重 视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废 塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；

13、而 可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。另外，纳 M 技术逐渐引起人们的关注，纳 M 复合材料的研究开发也成为新的热点。 以纳 M 改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能， 在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。树脂基复合材料的增强材料树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量 聚乙烯纤维等。玻璃纤维目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅 氧玻璃纤维等。因为高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10% 以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用

14、方面，近年来民用产品也有广泛应 用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞 机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻 璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增 强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹 的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤 维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥 有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达 500 吨。碳纤维碳纤维具有强度高、模量高、耐高

15、温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得 到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通 运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。 19972000 年间，宇航用碳 纤维的年增长率估计为 31% ，而工业用碳纤维的年增长率估计会达到 130% 。我国的 碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达 20 年左 右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、 规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。芳纶纤维20 世纪 80 年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日

16、 本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到 20% 左右。芳纶纤维比强度、 比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件<如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船 < 如航空母舰、核潜艇、游艇、救生 艇等）、汽车 < 如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、 体育运动器材等。超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵 蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家 已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在

17、军事领 域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也 有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、 乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为 增强材料制成的复合材料。环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐 蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度，广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、 交通、汽车、家电和宇航等各个领域。 1993 年世界环氧树脂生产能力为 130 万吨， 1996 年递增到 14

18、3 万吨， 1997 年为 148 万吨， 1999 年 150 万吨， 2003 年达到 180 万吨左右。我国从 1975 年开始研究环氧树脂，据不完全统计，目前我国环氧树脂生产 企业约有 170 多家，总生产能力为 50 多万吨，设备利用率为 80% 左右。酚醛树脂具有 耐热性、耐磨擦性、机械强度高、电绝缘性优异、低发烟性和耐酸性优异等特点，因而 在复合材料产业的各个领域得到广泛的应用。 1997 年全球酚醛树脂的产量为 300 万吨， 其中美国为 164 万吨。我国的产量为 18 万吨，进口 4 万吨。乙烯基酯树脂是 20 世纪 60 年代发展起来的一类新型热固性树脂，其特点是耐腐蚀性

19、好，耐溶剂性好，机械强 度高，延伸率大，与金属、塑料、混凝土等材料的粘结性能好，耐疲劳性能好，电性能 佳，耐热老化，固化收缩率低，可常温固化也可加热固化。南京金陵帝斯曼树脂有限公 司引进荷兰 Atlac 系列强耐腐蚀性乙烯基酯树脂，已广泛用于贮罐、容器、管道等，有 的品种还能用于防水和热压成型。南京聚隆复合材料有限公司、上海新华树脂厂、南通 明佳聚合物有限公司等厂家也生产乙烯基酯树脂。1971 年以前我国的热固性树脂基复合材料工业主要是军工产品， 70 年代后开始转向民 用。从 1987 年起，各地大量引进国外先进技术如池窑拉丝、短切毡、表面毡生产线及 各种牌号的聚酯树脂 < 美、德、荷

20、、英、意、日)和环氧树脂<日、德)生产技术；在成型工艺方面，引进了缠绕管、罐生产线、拉挤工艺生产线、SMC 生产线、连续制板机组、树脂传递模塑 (RTM> 成型机、喷射成型技术、树脂注射成型技术及渔竿生产线 等，形成了从研究、设计、生产及原材料配套的完整的工业体系，截止 2000 年底，我 国热固性树脂基复合材料生产企业达 3000 多家，已有 51 家通过 ISO9000 质量体系认 证，产品品种 3000 多种，总产量达 73 万吨 / 年，居世界第二位。产品主要用于建筑、 防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域。在建筑方面，有内外墙板、透明瓦、冷却塔、 空调罩、风机、玻璃钢水箱

21、、卫生洁具、净化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及 贮罐；在交通运输方面，汽车上主要有车身、引擎盖、保险杠等配件，火车上有车厢板、 门窗、座椅等，船艇方面主要有气垫船、救生艇、侦察艇、渔船等；在机械及电器领域 如屋顶风机、轴流风机、电缆桥架、绝缘棒、集成电路板等产品都具有相当的规模；在 航空航天及军事领域，轻型飞机、尾翼、卫星天线、火箭喷管、防弹板、防弹衣、鱼雷 等都取得了重大突破。热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料是 20 世纪 80 年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料 (LFP> 、连续纤维增强预浸带 (MITT> 和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料 (GMT>

22、。根 据使用要求不同，树脂基体主要有PP 、 PE 、PA 、 PBT 、 PEI 、 PC 、 PES 、PEEK 、PI、 PAI 等热塑性项目塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一 切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收pvd复合材料利用的优势，该品种的复合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占 到树脂基复合材料总量的30%以上。高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多，基体以PP、PA为主。产品有管件 <弯头、三通、法兰）、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、GMT模压制品 <如吉普车座椅支架）、汽车踏板

23、、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应 用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带 保护罩等。滑石粉填充的 PP具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。滑石粉增 强PP在车内装饰方面有着重要的应用，如用作通风系统零部件，仪表盘和自动刹车控 制杠等，例如美国 HPM公司用20%滑石粉填充 PP制成的蜂窝状结构的吸音天花板和 轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、 低价格等特点，利用云母 /聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、 车门护印度研发复合材料武装直升机栏、电机风扇

24、、百叶窗等部件，禾U用该材料的阻尼性可制作音响零件，禾U用其屏蔽性可 制作蓄电池箱等。我国的热塑性树脂基复合材料的研究开始于20世纪80年代末期，近十年来取得了快速发展，2000年产量达到12万吨，约占树脂基复合材料总产量的17% ,，所用的基体材料仍以 PP、PA为主，增强材料以玻璃纤维为主，少量为碳纤维，在热塑性 复合材料方面未能有重大突破，与发达国家尚有差距。我国复合材料的发展潜力和热点我国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。复合材料创新复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发 展和复合材料的应用，具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生

25、产工艺发 展创新和产品应用发展创新。到 2007 年，亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从 18% 增加到 25% ，目前亚洲人均消费量仅为 0.29kg ，而美国为 6.8kg ，亚洲地区具有 极大的增长潜力。聚丙烯腈基纤维发展我国碳纤维工业发展缓慢，从 CF 发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国 PAN 基 CF 市场简况、特点、 “十五 ”科技攻关情况看，发展聚丙烯腈基纤维既有需要也 有可能。玻璃纤维结构调整我国玻璃纤维 70% 以上用于增强基材，在国际市场上具有成本优势，但在品种规 格和质量上与先进国家尚有差距，必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝 编织物、复合毡，推进玻

26、纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。开发能源、交通用复合材料市场一是清洁、可再生能源用复合材料，包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复 合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器；二是汽车、城市轨道交通用 复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、 电缆架、格栅、电器箱等；三是民航客机用复合材料，主要为碳纤维复合材料。热塑性 复合材料约占 10% ，主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。我国未来 20 年间需 新增支线飞机 661 架，将形成民航客机的大产业，复合材料可建成新产业与之相配套； 四是船艇用复合材料，主要为游艇和渔船

27、，游艇作为高级娱乐耐用消费品在欧美有很大 市场，因为我国鱼类资源的减少、渔船虽发展缓慢，但复合材料特有的优点仍有发展的 空间。纤维复合材料基础设施应用国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优 点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道项目以及大型储仓修补和加固中市场广阔。复合材料综合处理与再生重点发展物理回收 < 粉碎回收）、化学回收 < 热裂解）和能量回收，加强技术路线、 综合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中 的应用、在拉挤制品中的应用以及在 SMC/BMC 模压制品中的应用和典型产品中的应 用。21 世纪的高性能

28、树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、 自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟 和集团化，这将更充分的利用各方面的资源< 技术资源、物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。GP0-3介绍GP0-3层压板是由无碱玻璃纤维毡板浸以不饱和聚酯树脂糊，并添加相应的添加剂经 热压而成的硬性板状绝缘材料。GP0-3，又称UPGM-203 ，指的是不饱和聚酯玻璃纤维毡板材料，机械和电气用，高 湿下电气性能好，中等温度下机械性能好，具有阻燃性

29、，耐电弧和耐抗漏电痕迹性能佳。规格：0.8100mm 100CK 1200mm , 1000X 2000mm颜色：红色、白色、棕色、棕红色等GP0-3层压板应用在断路器中应用：框架式断路器：安全挡板、安全遮板、间隔衬垫、相间隔板等。塑壳式断路器中的应用：相间隔板、灭弧室隔弧板等。在电机马达中应用：电机电枢部件，活动盖板，槽楔定子、定垫片，薄垫片，碳刷 座等在开关设备中应用：隔板系统中的前端、后端、上端、底端、相间隔板等其他应用： 耐弧结构件 编辑本段江苏新型复合材料产业园简介日前，经江苏外经贸厅批准，江苏新型复合材料产业园”在钟楼经济开发区内成立。这是江苏省首家获批成立的新型复合材料产业园。复合材料是钟楼经济开发区的支柱产 业，近年来，随着优势产业集聚的深入推进，开发区注重引进科技含量和产品附加值高 的新型复合材料产业项目。园区目前已有复合材料类生产企业20多家，2007年实现总产值70亿元，占开发区企业总产值的47%。一批以软塑包装复合材料、纳M复合材料、新型建材复合材料和电工绝缘复合材料为主的企业集群已经形成，钟楼开发区正 在成为全国重要的新型复合材料制造、出口和配套基地。新型复合材料产业园成立后，将强化复合材料产业在钟楼经济开发区的集约发展， 集成有效