复合材料教案学习要点计划

复合资料教课方案

PolymericCompositeMaterials

（讲稿）

殷立霞

冀州市职教中心

2012年8月

第一讲复合资料概论

一、资料的发展与人类社会的进步

资料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。综观人类发展和资料发展的历史，能够清楚地看到，每一种重要资料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。资料的发展与人类进步和发展息息相关。一万年前，人类使用石头作为平常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也

进入了冷兵器时代。7000年先人类在烧制陶器的同时创立了炼铜技术，青铜制品广泛地获得应用，同时又促使了人类社会发展，人类进入了青铜器时

代。同时火药的发明又令人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。5000年先人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发了然炼钢技术。十九世

纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促使了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。核资料的发现，又将人类引入了能够破坏自己的核军备竞赛，同时核资料的和平利用，又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷资料盛行以及复合资料的发展，又给人类带来了新的资料和技术革命，楼房能够越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实。

当前资料、能源、信息是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。二十一世纪将是一个新资料时代。

二、复合资料的提出

现代高科技的发展更亲近地依赖于新资料的发展；同时也对资料提出

了更高、更苛刻的要求。在现代高技术迅猛发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使资料的使用环境更加恶劣，所以对资料提出了越来越苛刻的要求。比方，航天飞机等空间翱翔器在翱翔过程中要碰到大气阻力、地球引力、太阳辐射力、空间热环境、太阳风、宇宙射线、宇宙尘埃、流星、磁矩等的作用。翱翔器发动机还要碰到其热环境、内流形成的气动力、结构振动、机件高

速转动、液体晃动、振荡燃烧和POGO振动等非正常破坏力的作用。同时由于飞

行范围（M数、翱翔高度）的扩大、发动机的推力、比推力及推/重比大大提

高，以致了发动机压力比、涵道比、进口温度、燃烧室温度、TIT、转子转速等

也日益提高。由此组成的力、热、化学和物理等效应的作用，最后都要集中到组成翱翔器和发动机结构的资料上去，所以对资料的质轻、高强、高韧、耐热、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。

又如现代武器系统的发展对新资料提出了以下要求：

、高比强、高比模；

、耐高温、抗氧化；

、防热、隔热；

、吸波、隐身；

、全天候；

、高抗破甲、抗穿甲性；

、减振、降噪，牢固、隐蔽、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。

很显然，传统的单一资料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金

属、陶瓷、聚合物等资料诚然仍在不断日异月新地发展，但是以上这些资料由于其各自固有的限制性而不能够满足现代科学技术发展的需要。比方，金属资料的强度、模量和高温性能等已几乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子资料的低模量、低熔点等固有的弊端极大地限制了其应用。这些都促使人们研究开发并按预定性能设计新式资料。

复合资料，特别是先进复合资料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进资料。它由两种或两种以上性质不同样的资料组合而

成，各组分之间性能“扬长避短”，起到“共同作用”，能够获得单一资料无法比较的优秀的综合性能，极大地满足了人类发展对新资料的需求。所以，复合资料是应现代科学技术而发展出来的拥有极大生命力的资料。现代科学技术不断进步的结果，是资料设计的一个打破。

三、复合资料的发展历史和意义：

实质上，在自然界就存在着好多天然的复合物。比方天然的好多植物竹子、

树木等就是自生长长纤维加强复合资料；人类肌肉/骨骼结构也是复合资料结构

原理。我们的祖先也早就创立和使用了复合资料。6000年先人类就已经会用稻

草加粘土作为建筑资料砌建房屋墙壁，迄今在某些贫穷农村依旧沿用着这类原始的非连续纤维加强复合资料。在现代，复合资料的应用更比目皆是，与平常生活和公民经济密不能分。如由沙石、钢筋和水泥组成的水泥复合资料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用；玻璃纤维加强塑料（玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合资料。

2现代高科技的发展更是离不开复合资料。比方就航天、航空翱翔器减少结

构重量这点而言，喷气发动机结构重量减1Kg，飞机结构可减重4Kg，升限可

提高10米；一枚小性洲际导弹第三级结构重量减少1Kg，整个运载火箭的腾跃重

量即可减少50Kg，地面设备的结构重量即可减少100Kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15~20Km；而航天飞机的重量每减少1Kg，其发射成本花销

就可以减少15000美元(图1、图2)。所以，现代航空、航天领域对翱翔器结构的减重要求已经不是“锱铢必较”，而是“克克计较”。

图1火箭壳体资料对射程的影响

先进复合资料拥有高比强度、高比模量的优点，能够显然减少结构重量，

是理想的现代翱翔器结构资料。先进复合资料的使用，不但极大地提高了现代翱翔器的性能，使得人类飞天、登月的梦想变成现实，同时也创立了巨大的经济效

益。先进复合资料结构在新式卫星结构中已占了85%以上，在现代高科技领域具

有广泛的应用远景（图3）。

综上所述，复合资料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合资料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合资料是现代科学技术不断进步的结果，是资料设计的一个打破；复合资料的发展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。能够猜想，随着高性能树脂先进复合资料的不断成熟和发展、金属基、特别是金

属间化合物基复合资料和陶瓷基复合资料的合用化、以及微观尺度的纳米复合资料和分子复合资料的发展，复合资料在人类生活中的重要性将越来越显然。同

时，随着科学技术的发展，现代复合资料也将赐予新的内容和使命。21世纪将是

复合资料的新时代。3

第二章复合资料归纳

一、复合资料的定义和特色：

1、复合资料的定义：

国际标准化组织（ISO）将复合资料定义为是：两种或两种以上物理和化学性质不同样的物质组合而成的一种多相固体资料。

和认为复合资料是两个或两个以上组元或相组成的混杂物，并应满足下面三个条件：

1）组元含量大于5%；

2）复合资料的性能显然不同样于各组元的性能；

3）经过各种方法混杂而成。

在“资料科学技术百科全书”和“资料大辞典”中将复合资料定义以下：复合资料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同样资料经过复合工艺组合而成的新式资料。它与一般资料的简单混杂有实质差异，既保留原组成材

料的重要特色，又经过复合效应获得原组分所不具备的性能。能够经过资料设计使原组分的性能互相补充并互相关系，从而获得更优越的性能。

复合资料将由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位生长复合资料、纳米复合资料和分子复合资料等。

综上所述，复合资料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能特色。

2、复合资料的特色：

1）由两种或多种不同样性能的组分经过宏观或微观复合在一起的新式资料，组分之间存在着显然的界面。

2）各组分保持各自固有特色的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赐予单一资料所不具备的优秀特别性能。

3）复合资料拥有可设计性。

3、复合资料的基本结构模式

复合资料由基体和加强剂两个组分组成：

复合资料结构平常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以独立的形

态分布在整个基体中的分别相，这类分别相的性能优越，会使资料的性能显然改进和和加强，称为加强剂（加强相、加强体）。

加强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或拥有其余特色。

加强剂（相）能够是纤维状、颗粒状或弥散状。

4加强剂（相）与基体之间存在着显然界面。

二、复合资料的分类

——一般复合资料

—按性能分类：——先进复合资料

—热固性

—聚合物复合资料——热塑性

—金属基复合资料

—按基体分类———陶瓷基复合资料

—碳碳复合资料

—水泥基复合资料

—结构复合资料

—按用途分类———功能复合资料

—智能复合资料

—按加强剂分类———颗粒加强复合资料

—晶须加强复合资料

—短纤维加强复合资料

—连续纤维加强复合资料

—混杂纤维加强复合资料

—三向编织复合资料

一般复合资料：一般玻璃、合成或天然纤维加强一般聚合物复合资料，如

玻璃钢、钢筋混凝土等。

先进复合资料（AdvancedComposite，HighPerformanceComposite）：

高性能加强剂（碳、硼、Kevlar、氧化铝、SiC纤维及晶须等）加强高温聚

合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等复合资料。

一般来讲，先进复合资料的比强度和比刚度应分别达到400MPa/(g/cm3)和

40GPa/(g/cm3)以上。

结构复合资料：用作承力和次承力结构。要求拥有质量轻、高强度、高刚度、耐高温以及其余性能。

功能复合资料：电、热、声、摩擦、阻尼等。包括机敏和智能复合资料。

混杂复合资料：两种或两种以上加强体组成的复合资料。经过产生混杂效应改进性能和降低成本。

5结构/功能一体化复合资料：在保持资料基本力学性能的前提下，拥有特定功能特色，如光、电、磁、摩擦、阻尼等。

一、复合资料的基本性能（优点）：

1、高比强度、高比模量（刚度）：

图2-1典型金属基体复合资料与基体资料合金性能的比较

与传统的单一资料对照，复合资料拥有很高的比强度和比模量（刚度）：

比强度、比模量：资料的强度或模量与其密度之比。3比强度=强度/密度MPa/（g/cm）,3比模量=模量/密度GPa/（g/cm）。

资料的比强度愈高，制作同一部件则自重愈小；资料的比模量愈高，部件的刚度愈大。

2、优秀的高温性能：

图2–2不同样SiC纤维复合资料的使用温度范围

6复合资料能够在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合资料基

体。当前聚合物基复合资料的最高耐温上限为350C；金属基复合资料按不同样的

基体性能，其使用温度在3501100C范围内变动；陶瓷基复合资料的使用温

度可达1400C；而碳碳复合资料的使用温度最高，可高达2800C。

3、优秀的尺寸牢固性：

加入加强体到基体资料中不但能够提高资料的强度和刚度，而且能够使其热膨胀系数显然下降。经过改变复合资料中加强体的含量，能够调整复合资料的热

膨胀系数。比方在石墨纤维加强镁基复合资料中，当石墨纤维的含量达到48%时，复合资料的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制品不发生热变形。这对人

造卫星构件特别重要。

图2-3不同样资料的尺寸牢固性和比模量

4、优秀的化学牢固性：

聚合物基复合资料和陶瓷基复合资料拥有优秀的抗腐化性。

5、优秀的抗疲倦、蠕变、冲击和断裂韧性：

由于加强体的加入，复合资料的抗疲倦、蠕变、冲击和断裂韧性等性能获得提高，特别是陶瓷基复合资料的脆性获得显然改进

6、优秀的功能性能：包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。7

第二讲复合资料的加强资料

复合资料的加强资料：提高基体资料机械强度、弹性模量等力学性能的资料的统称。

复合资料的分类：从物理形态来看有纤维状加强资料、片状加强资料、颗粒状加强资料等。

纤维状资料加强作用显然的原因是其拉伸强度和拉伸弹性模量比同一块状资料要大几个数量级。

2.1玻璃纤维

玻璃纤维由熔融的玻璃经拉丝而成，可制成连续纤维和短纤维。由于其制取方便，价格低价，是应用最多的加强纤维。

玻璃纤维的特色

拥有不吸水、不燃烧、尺寸牢固、隔热、吸声、绝缘、能透过电磁波等特色，有优秀的耐腐化性，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其余溶剂有优秀的化学牢固性。其弊端是脆性大，耐磨性差。质地娇嫩，可纺织成各种玻璃布、带等。

玻璃纤维的分类

以玻璃原料成分分类（以含碱量区分）：

无碱玻璃纤维（碱含量<0.5%）、中碱玻璃纤维（碱含量为11.5%～

12.5％）和特种玻璃纤维

以单丝直径分类：

粗纤维：30μm；

初级纤维：20μm；

中级纤维：10一20μm；

高级纤维：3一l0μm(亦林纺织纤维)。对于单丝直径小于4μm的玻田纤维称为特细纤维。

3.以外观分类：

有连续纤维（无捻粗纱及有铭粗纱（用于纺织））；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及磨细纤维等。

以纤维特色分类：

高强玻璃纤维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱玻

8璃纤维；耐酸玻璃纤维；一般玻璃纤维。

玻璃纤维的结构（两种假说）

微晶结构假说：玻璃是由二氧化硅的“微晶子”组成，在“微晶子”之

间由硅酸块过冷溶液所填充。

网络结构假说：玻璃是由二氧化硅的周围体、铝氧三面体或硼氧三

面体互相连成不规则三维网络，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子

所填充。二氧化硅周围体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础（图3-

1），填充的Na、Ca等阳离子称为网络改性物。

玻璃纤维的力学性能

（1）拉伸强度

微裂纹假说：纤维的理论拉伸强度可达到2000MPa～12000MPa，但实质上由于玻璃纤维表面存在微裂纹大大降低强度。特别以表面的微裂纹的

危害最大。

分子取向假说：玻璃纤维成型时，由于拉丝机的牵引力作用，使玻璃纤维分子产生定向排列，从而提高玻璃纤维的强度。

影响玻璃纤维强度的因素：

①纤维直径和长度：直径越细，拉伸强度越高，长度越长拉伸强度

下降。

②化学组成：含碱量越高强度越低。

③存放时间：由于老化，纤维的强度随着时间的增加而降低。

其余还有施加负荷时间、成型方法和成型条件。

（2）弹性

①延伸率。一般为3％。

②弹性模量。比人造纤维高，但比金属低，加入BeO、MgO能提高

弹性模量。

（3）纤维的耐磨性和耐折性。这两个性能都较差。

3.热性能

9玻璃纤维的导热系数小，隔热性好。其耐热性高，其消融点为550℃～580℃。

电性能

同一般的玻璃，能够导电，其导电性取决于化学组成、温度和湿

度。

玻纤的界面办理(interfacefinishing)

玻纤的表面办理有机硅烷类偶联剂

有机酸氯化铬络合物偶联剂

偶联剂的作用(functionsofcouplingagent)：

①在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度②改进了界面对应力的传完收效③供应了一个可塑界面层，可部分除掉界面节余应力

④供应了一个防水层，保护了界面，阻拦了脱粘和腐化的发生偶联剂对不同样复合系统拥有较强的选择性

纤维表面办理方法

后办理法

此法分两步：第一除掉玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，尔后经办理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层办理剂。

其主要特色是：办理的各道工序都需要特地的设备，初投资较大，玻璃纤维强度损失大，但办理收效好，是当前国内外最常使用的办理方法。

前办理法

这类方法需合适改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不阻拦树脂对玻璃纤维的浸润和粘结。它的优点：

①省去了复杂的办理工艺及设备，使用简略；

②防备了因热办理造成的玻璃纤维强度损失。

它是很有价值又比较理想的办理方法。但技术复杂，尚需进一步研

究。

迁移法

迁移法是将化学办理剂直接加入到树脂胶液中，借办理剂从纤维表面的“迁移”作用与纤维发生作用，从而产生偶联作用。

2.2碳纤维10定义：碳纤维是一种纤维状碳资料，它是用一些含碳的有机纤维，如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等做原料，将这些有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在惰性气氛中，在必然的压强下加强热碳化而成。

性能：碳纤维及其复合资料拥有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐化，耐疲倦，抗蠕变，导电，传热，和热膨胀系数小等一系列优秀性能，它们既能够

作为结构资料承载负荷，又能够作为功能资料发挥作用，当前几乎没有什么资料拥有这么多方面的特色。所以，碳纤维及其复合资料近来几年来发展十分迅速。

以粘胶纤维为原料制取碳纤维时，先在氮或氩等惰性气体中进行400℃

以下的低温牢固化办理，尔后在惰性气体保护下于1000～1500℃进行碳化

办理，制成含碳量90％以上的碳纤维，最后于2500～3000℃的高温下

进行石墨化办理，制得石墨碳纤维。

用聚丙烯腈为原料制造碳纤维的过程为

碳纤维资料性能特色

（1）抗拉强度：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。

（2）弹性模量：碳纤维复合资料的拉伸弹性模量高于钢材，可达

3000cN/tex以上，断裂伸长率为0.5％～2.0％。但芳纶和玻璃纤维复合资料

的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。

（3）疲倦强度：碳纤维和芳纶纤维复合资料的疲倦强度高于高强纲丝。金

属资料在交变应力作用下，疲倦极限仅为静荷强度的30%～40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合资料

的疲倦极限较高，约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显然的征兆。

4）重量：约为钢材的五分之一。

5）与碳纤维板的比较：碳纤维片材能够粘贴在各种形状的结构表面，而板材更合用于规则构件表面。其余，由于粘贴板材时基层树脂的用量比片材多、厚度大，与混凝土界面的粘接强度不如片材。

（6）碳纤维拥有优秀的机械性能，其断裂强度为15cN/tex左右，拥有自润滑性能。（7）其化学性质与碳相似，在室温下是惰性的，除能被强氧化剂氧化11外，一般的酸碱对碳纤维不起作用。在惰性气体中，其耐热性十分突出，在

1500℃以上的高温下强度才开始降低。

（8）碳纤维导电性能好，比电阻在1×l0-2Ω·cm以下，吸附性强。

（9）碳纤维的弊端是抗压性差，易折断，耐冲击性能差。

碳纤维的种类

依照加工纤维时的办理温度不同样，分为碳纤维和石墨纤维。碳纤维是在

1000～2300℃范围内碳化获得的，石墨纤维是在2300℃以上碳化获得的，其含碳量高出98％，结构上近似石墨，有金属光彩。

按碳纤维强度的不同样，可分为一般碳纤维和高强度高模量碳纤维。一般

碳纤维的强度和模量分别小于1.2GPa和100GPa；高强度高模量碳纤维的强度和模量分别高于1.5GPa和170GPa。

依照制造碳纤维所用原料的不同样，可分为纤维素系碳纤维、聚丙烯腈系碳纤维、沥青系碳纤维。

碳纤维的结构特色

碳纤维之所以拥有很高的抗拉强度主要由于类石墨结构分子层片沿纤维轴的高度取向。其基本结构如图3所示。层片分子取向度的高低和纤维内部弊端的多少是

决定碳纤维强度的主要因素。12

第三讲

第2章基体资料

2.1归纳

以高分子资料为基体，加入各种纤维制成的复合资料。对这类复合资料平常能够按加强纤维的不同样来进行分类。如：玻璃纤维加强树脂基复合资料、碳纤维加强树脂基复合资料等。

复合资料基体：为复合资料中起到粘结加强体成为整体并转递载荷到加强体的主要组分之一。

图2–1热塑性a、b和热固性c聚合物的形态特色

2.2聚合物基体热固性树脂热固性聚合物:环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。平常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生交联化学反响并经过凝胶化

和固化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子（图6-1c）。热固性树

脂在初始阶段流动性很好，简单浸透加强体，同时工艺过程比较简单控制。

这些树脂几乎合适于各种种类的加强体。平常都先制成预浸料，使浸入加强

体的树脂处于半凝固状态，在低温保留条件下限制其固化反响，并应在必然

时期内进行加工。各种热固性树脂的固化反响机理不同样，依照使用要求的差

异，采用的固化条件也有很大的差异。一般的固化条件有室温固化、中温固

化（120C左右）和高温固化（170C以上）。这类高分子平常为无定型结

构。拥有耐热性好、刚度大、电性能、加工性能和尺寸牢固性好等优点。131)环氧树脂(EP):o

一种分子中含有两个或两个以上活性环氧基团(—C—C—)的低聚

物。按化学结构分类以下：

缩水甘油醚EP

—缩水甘油类缩水甘油胺EP

缩水甘油酯EP

—脂环族EP—脂肪族EP环氧树脂是线型结构，必定加入固化剂使它变成不溶不熔的网状结构才适用途。按固化工艺可分为三大类：1）含有爽朗氢的化合物，它仍在固化时发生加成聚合反响；2）离子型惹起剂，它可分阴离子和阳离子；3）交联剂，它能与双酚A型环氧树脂的氢氧基进行交联。

常用的固化剂包括脂肪族或芳香族胺类，有机多元酸或酸酐等。

表2-1热固性树脂的力学性能

双马来酰亚胺树脂（BMI）

双马树脂是马来酸酐与芳香族二胺反响生成预聚体，再高温交联而成的

一类热固性树脂。

交联后的双马树脂拥有不熔、不溶的特色，有高的交联度，固化后的密

14度在1.351.4g/cm3之间，玻璃化温度（Tg）在250300C之间，使用温度为150200C。3）聚酰亚胺树脂（PMR）

聚酰亚胺树脂是主链含杂环结构的聚合物。其典型反响是芳香二酸酐与芳香二胺生成聚酰胺酸，在热作用下酰胺脱水形成聚酰亚胺。聚酰亚胺

树脂

热塑性树脂

热塑性聚合物:包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料

（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮

等）。它们是一类线形或有支链的固态高分子（图6-1a、b），可溶可熔，

可屡次加工而无化学变化。在加热到必然温度时能够消融甚至流动，从而在压力和模具的作用下成型，并在冷却后硬化固定。这类聚合物必定与加强体制成连续的片（布）、带状和粒状预浸料，才能进一步加工成各种复合资料构件。这类高分子分非晶（或无定形）和结晶两类。平常结晶度在20-85%之间。拥有质轻、比强度高、电绝缘、化学牢固性、耐磨润滑性好，生产效率高等优点。与热固性聚合物对照，拥有显然的力学废弛现象；在外力作用下形变大；拥有相当大的断裂延伸率（图6-2）；抗冲击性能较好。聚合物的力学特色：

图2–2不同样树脂资料的应力应变曲线图2-3温度及加载速度对高聚物

力学性能的影响

决定聚合物强度的主要因素是分子内分子之间的作用力。聚合物的破坏可是是聚合物主链上化学键的断裂或是聚合物分子链之间互相作用的破坏。

高聚物的力学性能强烈依赖于温度和加载速率（时间）（图6-3、4）。同时考虑“温度—时间—环境—载荷”几方面的因素才能真实反响资料的性

15能。

图2-4热塑性聚合物状态与温度的关

1—非晶态聚合物的温度-形变曲线，2—结晶态聚合物的温度-形变曲线

高聚物特色温度：玻璃化转变温度Tg，熔点Tm和粘流温度Tf

在Tg以下：为硬而脆或硬而韧的固体（玻璃态）；

在Tg周边：非晶高聚物转变成软而有弹性的橡胶态；半晶高聚物转变成软而韧的皮革态；

热塑高聚物Tg基本固定；热固高聚物Tg随其交联度的增加而增加,当

交联度很高时，达到Tg后无显然的消融现象

Tm（非晶）、Tf（结晶）：成为高粘度的流体（粘流态）。

1）聚醚醚酮（PEEK）

PEEK是一种半结晶型热塑性树脂，其玻璃化转变温度为143C，熔点

为334C，结晶度一般在20-40%，最大结晶度为48%。

PEEK在空气中的热分解温度为650C，加工温度在370420C，室温弹性

模量与环氧树脂相当，强度优于环氧，断裂韧性极高，拥有优秀的阻燃性。

PEEK基复合资料可在250C的温度下长远使用。

2）聚苯硫醚（PPS）

结晶型聚合物，耐化学腐化性极好，在室温不溶任何溶剂，可长远耐热

至240C。

3）聚醚砜（PES）

非晶聚合物，玻璃化转变温度为225C，可在180C下长远使用；有突

16出的耐蠕变性、尺寸牢固性；热膨胀系数与温度没关，无毒，不燃。

4）热塑性聚酰亚胺

聚醚酰胺（PEI）：长远使用温度为180C。

聚酰胺酰亚胺（PAI）：Tg达280C，长远使用温度为240C。

2.3金属

用于450C以下的轻金属基体（铝、镁及其合金）1-1铝及其合金:面心立方结构，无同素异构转变。熔点为660C，密度2.7g/cm3。塑性优秀，导热、导电性能好；化学活性高，强度不高。铝合金中常用的合金元素有铜、镁、锌、锰和硅等。可分变形铝合金和铸造铝合金(ZL)。变形铝合金可分为:防锈铝(LF)、硬铝（LY）、超硬铝(LC)、锻铝（LD）。铝合金需用固溶办理、淬火和时效来改进和提高性能。固溶办理是指

经过加热使合金中第二相完好溶入相中，并经过扩散平均化，以固溶加强

方式加强合金。淬火是指固溶办理后用水或其余介质将合金急冷至室温，获得最大饱和度的平均固溶体。淬火是时效办理的前提。

指经过过饱和度固溶体的分解,析出介牢固的第二相(过渡相)并弥散分布。经过时效铝合金的强度和硬度显然提高。

图6-5铝合金的相图

1-2镁及其合金:

镁拥有密排六方结构，密度为1.74g/cm3。镁的强度和模量都很

低，但比强度、比模量较高。其室平易低温塑性较低，但高温塑性好，可进行各种形式的热变形加工。

17

图6-6镁-铝合金相图图6-7镁-锌合金相图

镁的合金化也是利用固溶加强和时效加强来提高合金的常平易高温性

能。其合金化元素有铝、锌、锆、锰和稀土等。镁合金主要有Mg-AL-Zn系和

Mg-Zn-Zr系，分变形镁合金和铸造镁合金。

用于450700C复合资料的金属基体（钛及其合金）

钛的密度为4.51g/cm3，熔点1678C，热膨胀系数7.3510-6/K，导电

和导热性差，耐腐化性优秀。钛有两种同素异构结构。882.5C以下为密

排六方结构（-Ti）；882.5C以上至熔点为体心立方结构（-Ti）。

纯钛的塑性极好，其强度可经过冷加工硬化和合金化获得显然提高。钛

合金一般按合金元素加入后在退火组织中的作用分为型、型和+

型三类。合金化后的耐热性显然提高，可作为高温结构资料，长远使用温度

可达650C。

钛合金中合金元素对钛的同素异构体的作用在于能提高钛同素异构体的

转变温度。扩大区和增加相牢固性的合金元素为牢固元素；降低钛的

同素异构体转变温度，扩大相区，并在复相合金中优先溶于相内的合金

元素为牢固元素，是加强相的主要元素。

为了获得最正确的机械性能，钛合金需要进行合适的退火、淬火和无效等

热办理。退火合用于各种钛及钛合金，而且是型钛合金和牢固化元素较

少的和+型钛合金的唯一热办理方式。退火的目的是除掉内应力，提高

塑性和牢固组织及除掉加工硬化。应力退火温度一般为450650C，空

冷；再结晶温度为750800C，空冷。

表6-2钛合金复合资料中常用钛及钛合金成分及性能18

型和牢固化元素很多的+型钛合金能够进行淬火和无效等热处

理，以提高合金的强度。这类合金的淬火温度一般选在+两相区的上部

范围，为750950C，水冷；时效温度为450550C，时间为几小时到几

十小时。

钛合金的淬火时效体系近似于铝合金，但又有差异。主要差异在于铝合

金固溶时，获得过饱和固溶体，而钛合金获得的是牢固化元素欠饱和固

溶体；铝合金时效加强是依赖过渡相，而钛合金时效加强是依赖弥散分布的平衡相加强。

用于1000C高温复合资料的金属基体

3-1高温合金(Superalloys)

高温合金是铁基、镍基和钴基高温合金的总称，在高温下拥有很的持

久、蠕变和疲倦强度。为了获得高强度与高蠕变抗力，合金元素必定保证产

生在高温下强而牢固的显微组织。固溶加强、弥散加强和析出硬化。其典型

组织为：奥氏体基体和弥散分布于其中的加强相，它能够是碳化物相、金属

间化合物相或牢固化合物质点。

铁基高温合金可做中温使用的另部件，如700C以下使用的发动机涡轮

盘，作为高温板材的固溶加强型铁基高温合金的使用温度在900C以下。

镍基合金用来制造使用温度更高的、受力苛刻的热端部件，如涡轮叶

19片、导向叶片、燃烧室等。

钴基高温合金广泛用作导向叶片，拥有优秀的抗热腐化性和抗冷热疲倦

性能。

表6-3高温合金基体的力学性能

3-2金属间化合物(IntermetallicCompound)

金属与金属或金属与类金属之间形成的中间相化合物。决定金属间化合物相结构的主要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等。金属间化合物晶体结构诚然复杂或有序，但从原子结合上仍拥有金属特色。但是其电子云分布

其实不是完好平均，存在必然方向性，拥有某种程度的共价键特色，以致熔点高升及原子间键出现方向性。金属间化合物经常拥有必然的固溶度，偏离当量成分，有序度降低，弊端增加。固溶第三组元对二元金属间化合物的相结构和牢固性都有很大影响。

金属间化合物可分结构金属间化合物和功能金属间化合物两大类。结构

金属间化合物与高温合金对照，其最大的特色是晶体结构中组成元素的原子以长程有序方式排列，原子结合力强，除金属键以外，还有一部分共价键，表现出一系列优秀性能，使用温度界于高温合金和高温结构陶瓷之间。依照

其组成的不同样当量比，A、B两元之间可形成AB、A2B、A3B、A5B3、A7B6等化合物；依照组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。20

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

图6-8不同样种类的金属间化合物的相图

Kurnakov型：在化学式所规定成分的两侧有一个成分范围，在低于熔点的某一温度以下，原子的有序排列消失，形成无序排列的金属间化合物。

如CuAu、Cu3Au、Fe3Al、Ti3Al等。

Berthollide型：在化学式所规定成分的两侧有一个成分范围，但消融

前或反响前为原子有序排列的金属间化合物。如Ni3Al、TiAl等。

Daltonide型：在化学式规定成分的两侧不存在成分范围的金属间化合

物，如Pt2Si、PtSi等。

尽管金属间化合物拥有密度小、弹性模量高等优点，但室温脆性是其致

命弊端，当前正经过各种路子提高其延性和韧性。

Ti-Al系金属间化合物：

Ti-Al系金属间化合物拥有低密度、高强度、高刚度、以及优秀的高

温、抗蠕变和抗氧化性能。Ti-Al系金属间化合物一般分2-Ti3Al和-

TiAl两类。

与Ni基合金对照，以长梁构件为例，同样体积长度，金属间化合物重量

减少45%；同样重量，金属间化合物构件长度增加35%。与Ti基合金对照金

属间化合物拥有优秀的高温比性能。Ti-Al系金属间化合物最高使用温度可

达1100C。但当前其合用化的主要阻拦有：1)难以热压加工；2)严重的室

温脆性。

当前实化的Ti-Al系金属间化合物：

2-Ti3AlO(Orthombic)相Ti2AlNb（16-30%）；

-TiAl两相(2+)TiAl。

表6-5Ti合金、金属间化合物和高温合金的力学性能比较

212.4陶瓷：

陶瓷是金属与与非金属的固体化合物，以离子键（如MgO、Al2O#）、共

价键（金刚石、Si3N4、BN）以及离子键和共价键的混杂键结合在一起。陶瓷

资料的显微结构平常由晶相、玻璃相平易相（孔）等不同样的相组成。

陶瓷资料拥有熔点高、硬度大、化学牢固性好、耐高温、耐磨损、耐氧

化和腐化、比重小、强度和模量高等优点，可在各种苛刻的环境下工作；另一方面，陶瓷资料在磁、电、光、热等方面的性能和用途拥有多样性和可变

性，是特别重要的功能资料。

陶瓷资料的致命弊端是脆性大、韧性差，常因存在裂纹、空隙、杂质等

弊端而惹起不能展望的灾祸性结果。陶瓷基复合资料是改变其脆性、提高韧

性的有效路子。用于复合资料陶瓷基体主要有氧化物（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和莫来石（3Al2O32SiO2）等。其熔点在2000C以上，主要为单相多晶结构，还可能有少量气相（气孔）。微晶氧化物的强度较高；粗晶结构时，晶界节余应力较大，对强度不利。氧化物陶瓷的强度随环境温度高升而降低。这类资料应防备在高应力和

高温环境下使用。这是由于Al2O3和ZrO2的抗热震性差；SiO2在高温下简单发生蠕变和相变等。

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。它们的特色是

耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。碳化物、硼化物的抗热氧化温

度约900-1000C，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度可达1300-1700C。

氮化硅属六方晶系，有、两种晶相。其强度和硬度高、抗热震和抗高

温蠕变性好、摩擦系数小，拥有优秀的耐（酸、碱和有色金属）腐化（侵

蚀）性。抗氧化温度可达1000C，电绝缘性好。

-SiC属六方晶系，-SiC属等轴晶系。高温强度高，拥有很高的热传导能力以及较好的热牢固性、耐磨性、耐腐化性和抗蠕变性。

氮化硼拥有近似石墨的六方结构，在高温（1360C）和高压作用下可转

变成立方结构的-氮化硼，耐热温度高达2000C，硬度极高，可作为金刚

石的代用品。

玻璃陶瓷：

好多无机玻璃可经过合适的热办理使其由非晶态转变成晶态，这一过程

称为反玻璃化。对于某些玻璃反玻璃化过程能够控制，最后能够形成无节余应力的微晶玻璃。这类资料成为玻璃陶瓷。

玻璃陶瓷的密度为3,波折强度为70-350MPa,弹性模量为

80-140GPa。

玻璃陶瓷拥有热膨胀系数小，力学性能好和导热系数较大等特色。如锂

铝硅（Li2O-Al203-SiO2，LAS）玻璃陶瓷的热膨胀系数几乎为零，耐热好。

镁铝硅（MgO-Al203-SiO2，MAS）玻璃陶瓷的硬度高，耐磨性好。

表6-6高性能陶瓷的力学性能种类密度热膨胀系数抗拉强度抗压强度抗弯强度弹性模量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）

熔点：3550C（高出3500C开始升华）；沸点：4200C。

同素异形体：金刚石、石墨、无定形碳。

比重：无定形碳为1.88、石墨为2.25、金刚石为3.51。

图6-11

无定形碳只有少量的、平均尺寸为25?的平面层互相平行，但其余的定

向倒是纷乱的。即使少量的平行束其互相之间也纷乱的。

石墨中的碳原子处于正六角形的角上，所有的碳原子层（平面）都互相

平行。碳原子层面有序排列的过程称为石墨化过程。石墨化过程中资料强度

有所下降，但弹性模量显然提高（470-980GPa）。

24

第四讲复合资料界面

一、复合资料界面（InterfaceorInterphase）

复合资料的界面是指基体与加强相之间化学成分有显然变化的、组成互相结合的、能起载荷传达作用的微小地域。

复合资料的界面是一个多层结构的过渡地域，约几个纳米到几个微米（图3-

1、图3-2）。此地域的结构与性质都不同样于两相中的任何一相。这一界面区由五个亚层组成，每一亚层的性能都与基体和加强相的性质、复合资料成型方法有

关。

1、外力场

2、基体

3、基体表面区

4、互相浸透区

5、加强剂表面区

6、加强剂

图3–1复合资料的界面表示图

图3–2SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo复合资料界面透射电镜照片及表示图

界面是复合资料的特色，可将界面的机能归纳为以下几种效应：

1）传达效应：界面可将复合资料系统中基体承受的外力传达给加强相，起到基体和加强相之间的桥梁作用。

2）阻断效应：基体和加强相之间结合力合适的界面有阻拦裂纹扩展、减缓应力集中的作用。

3）不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感觉性、磁性、耐热性和磁场尺寸牢固性等。

254）散射和吸取效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸取，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。

5）引诱效应：一种物质（平常是加强剂）的表面结构使另一种（平常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于引诱作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。

界面效应是任何一种单一资料所没有的特色，它对复合资料拥有重要的

作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质相关，也与复合

资料各组分的浸润性、相容性、扩散性等亲近相关。

界面的结合状态和强度对复合资料的性能有重要影响。对于每一种复合资料都要求有合适的界面结合强度。好多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、分布情况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反响、表面层的力学特色、润湿速度等。

界面结合较差的复合资料大多呈剪切破坏，且在资料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力废弛等现象。界面结合过强的复合资料则呈脆性断裂，也降低了复合资料的整体性能。界面最正确态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转变成地域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合资料拥有最大断裂能和必然的韧性。所以，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应试虑到最优化和最正确综合性能。

二、复合资料组分的相容性

物理相容性：

是指基体应拥有足够的韧性和强度，能够将外面载荷平均地传达到加强剂上，而不会有显然的不连续现象。其余，由于裂纹或位错搬动，在基体上产生的局部应力不应在加强剂上形成高的局部应力。另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与加强相热膨胀系数的差异对复合资料的界面结合产生重要的影响，从而影响资料的各种性能。比方对于韧性基体资料，最好拥有较高的热膨胀系数。这是由于热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷倒是将碰到张应力；对于脆性资料的加强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有益。而对于像钛这类高信服强度的基体，一般却要求防备高的节余热应力，所以热膨胀系数不应相差太大。

化学相容性：

化学相容性是一个复杂的问题。对原生复合资料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。对非平衡态复合资料，化学相容

26性要严重得多。纤维和基体间的直接反响则是更重要的相容性问题。但对高温复合资料来说，以下因素与复合资料化学相容性相关的问题则十分重要：

1）相反响的自由能F：代表该反响的驱动力。设计复合资料时，应确定

所选系统可能发生反响的自由能的变化。

2）化学势U：各组分的化学势不等，常会以致界面的不牢固。

3）表面能T：各组分的表面能可能很高，以致界面的不牢固。

4）晶界扩散系数D：由晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效应常使复合

系统中组分相的关系发生很大变化。

三、复合资料的界面理论

1、界面润湿理论

界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的优秀浸润是十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，以致界面弊端和应力集中，使界面强度下降。优秀的或完好浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体自己的内聚强度。

从热力学见解来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用表面张力来表征。表面张力即为温度和体积不变的情况下，自由能随表面积增加的增量。

=（F/A）TV

此处为表面张力；F为自由能；A为面积；T和V分别为温度和体积。

当两个结合面结合了，则系统中由于减少了两个表面和增加了一个界面使自由能降低了。系统由于两个表面结合而以致自由能的下降定义为粘合功。

WA=S+L-SL式中S、L和SL下标分别代表固体、液体和固液体。如图2-3所示，角为接触角。接触角表示了液体润湿固体的情况。

图3–3液滴在固体表面的不同样润湿情况

当>90°，液体不润湿固体；=180°,固体表面完好不能够被液体润

湿；

当<90°，液体润湿固体；=0°，液体完好平铺在固体表面。接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变化。

27依照力的合成Lcos=S-SL，粘合功可表示为：WA=S+L-SL=L（1+cos）。粘合功W最大时，cos=1，即=0，液体完好平铺在固体表面。A同时=SL,S=L。热力学说明两个表面结合的内在因素，表示结合的可能性；动力学反响实质产生界面结合的外界条件，如温度、压力等的影响，表示结合过程的速度问

题。产生优秀结合的条件以下：

液体粘度尽量低；

2）S略大于L，即`tL=`2`，0.81,：效率因子，液体在固

体上扩展的条件，它与温度等活化过程相关。

浸润性不过表示了液体与固体发生接触时的情况，而其实不能够表示界面的粘结性能。一种系统的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如范德华物理键合。所以润湿是组分优秀粘结的必要条件，其实不是充分条件。

2、机械作用理论：

当两个表面互相接触后，由于表面粗糙不平将发活力械互锁（图3–4）。

图3–4表面机械互锁结合表示图

另一方面，尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中有相当多的孔穴，

粘稠的液体是无法流入的。如经验公式：Z2=Kcostδ/η，表示流入量Z是

与液体表面张力、接触角、时间和孔径成正比，与粘度成反比。无法流入液体的孔不但造成界面脱粘的弊端，而且也形成了应力集中点。

3、静电理论：

当复合资料不同样组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺胸襟级内静电作用力才有效（图3–5）。

图3–5表面静电吸引结合表示图

4、化学键理论：

在复合资料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合（图3–6）。

28在理论上可获得最强的界面粘结能（210-220J/mol）。

图3–6表面结合化学键表示图

5、界面反响或界面扩散理论

在复合资料组分之间发生原子或

分子间的扩散或反响，从而形成反响

结合或扩散结合（图3–7）。

D=D0exp（-Q/RT）

D：扩散系数；Q：扩散激活能。

X=kt1/2图3–7界面反响结合或扩散结合表示图

X：反响层厚度；k：反响速度常数。

四、界面的表征

界面性能较差---呈剪切破坏、可观察到界面脱粘、纤维拔出纤维应力废弛等现象。

界面结合过强---资料呈脆性断裂。

界面结合最正确状态---当受力发生开裂时，裂纹能转变成地域而不产生

进一步界面脱粘，即这时的复合资料拥有最大的断裂能和必然的韧性。

1、界面结合强度的测定

1-1宏观察试法：

1）三点波折法：

图3–8三点波折试验表示

图3–9测定界面拉伸强度时纤维的排布

=3（PS）/2（BD2）=(3/4)(P/BD)

图3–10测定界面剪切强度时纤维的排布

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

29Iosipescu剪切试验试验

图3–11Iosipescu剪切试验表示图

1-2单纤维试验法

图3–12纤维拔出试验表示图

图3–13纤维拔出试验应力应变曲线表示图

图3-14压缩试验测试界面剪切强度（b）和

压缩试验测试界面拉伸强度(c)

由此试验的应力-应变关系图能够求出界面剪切强度以及纤维拔出（pull–

out）和脱粘debonding）的能量。采用纤维拔出试验，可经过图3-13所示的应力-应变关系图能够求出界面剪切强度以及纤维拔出（pull-out）和脱粘（debonding）的能量。压缩试验测试界面剪切强度（图3-14b）I~2.5c，压缩试验测试界面拉伸强度（图3-14c）Iu=cc1-3微压入试验法（图3-15）

界面剪切强度：

I=P24uR3Ef

若采用标准金刚石压头：

u=（b-a）cot74

图3–15纤维微压入试验表示图

304）声发射（AcousticEmissin，AE）法：

声发射是当固体资料在外面条件（如载荷、温度、磁场、环境介质等）发生变化时，由于其内部原因此产生的瞬时弹性应力波发射。声发射信号包括有资料内部弊端或微观结构变化动向信息，借助矫捷的电子仪器能够检测到声发射信号。

用仪器检测解析声发射信号，推断声发射源的技术称为声发射技术。

复合资料的伤害断裂过程十分复杂，包括纤维、基体和界面的破坏和断裂。各组元断裂时释放的声能与其弹性模量和断裂时各组元的范性形变量相关。由于各组元断裂时释放的声能不同样，即声发射信号的强弱不同样，那么利用声发射技术就可以区分和鉴别复合资料界面的破坏和断裂，从而能够解析界面的结合情况，同时计算出界面强度。

图3–16富碳办理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为

图3–17富SiO2办理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为

图3-16和图3-17分别表示了不同样纤维表面办理的SiCF/Al复合资料拉

伸过程中的AE行为。图中样品AE过程出现的信号大小几及次数的不同样、

对应于样品中不同样部位的断裂破坏、次数及其强度，同时E-A相关图包络

的斜率不同样的切线数量的不同样也对应于不同样的断裂体系。能够看出，富碳和富SiO2办理的SiCF/Al拉伸过程中拥有不同样的AE行为，定性地反响了两

31种纤维复合资料拥有不同样的界面以及不同样的断裂行为和体系。同时依照相关公式能够定量地求出复合资料的界面强度。

2、界面结构的表征

界面的微观结构、面貌和厚度可经过先进仪器观察解析。包括俄歇电子谱仪

AES）、电子探针（EP）、X光电子能谱仪（XPS）、扫描二次离子质谱仪

SSIMS）、电子能量损失仪（EELS）、X射线反射谱仪（GAXP）、透射电子

显微镜（TEM）、扫描电镜（SEM）和拉曼光谱（Raman）等。

图3-18TiB2纤维表面涂层SiCF/Ti复合图3-19SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo复合资料资料界面SEM解析照片界面透射电镜照片五、界面节余应力

复合资料成型后，由于基体的固化或凝固发生体积缩短或膨胀（平常为缩短），而加强体则体积相对牢固使界面产生内应力，同时又因加强体与基体之间存在热膨胀系数的差异，在不同样环境温度下界面产生热应力。这两种应力的加和总称为界面节余应力。前一种情况下，若是基体发生缩短，则复合资料基体受拉应力，加强体受压应力，界面受剪切应力。后一种情况下，平常是基体膨胀系数大于加强体，在成型温度较高的情况下，复合资料基体受拉应力，加强体受压应力，界面受剪切应力。但随着使用温度的增高，热应力向反方向变化。

界面内应力的大小可用下式表示：

Ii=EmεmVm/3（1-γm）

式中Em为基体弹性模量，γm为基体泊松比，εm为基体发生的应变，Vm为基体的体积比。

界面内应力的大小与界面的结合情况相关。如界面结合发生废弛滑移现象，则内应力相应减少。

界面热应力的大小可用下式表示：

32Ii=Em（Tc–t）△α

式中Em为基体弹性模量，Tc为成型温度，t为使用温度，△α为基体与加强体的热膨胀系数差。

界面节余应力能够经过对复合资料进行热办理，使界面废弛而降低，但受界面结合强度的控制，在界面结合很强的情况下收效不显然。

界面节余应力的存在对复合资料的力学性能有影响，其利害与加载方向和复

合资料节余应力的状态相关。已经发现，由于复合资料界面存在节余应力使之拉

伸与压缩性能有显然差异。

测量界面节余应力的主要方法有X射线衍射法和中子衍射法。中子的穿透能

力较X射线强，可用来测量界面内应力；其结果是很大地域的应力平均值。X射

线衍射法只能测定样品表面的节余应力。同步辐射连续X射线能量色散法和汇聚

束电子衍射法也可用来测定复合资料界面周边的应力和应变变化。特别是同步辐射连续X射线能量色散法兼有较好的穿透能力和对节余应变梯度的高空间分辨

率，可测量界面周边急巨变化的节余应力。其余，激光Raman光谱法可测量界面

层相邻纤维的振动频率，依照纤维标定确定界面层的节余应力。当前，应用最广泛的仍是传统的X射线衍射法。

33第五讲复合资料的复合理论基础知识

一、复合资料加强体系

1、颗粒加强复合资料加强体系

1）颗粒阻拦基体位错运动加强：

基体是承受外来载荷相；颗粒起着阻拦基体位错运动的作用，从而降低了位错的流动性（图4-1、图4-2）。

图4–1颗粒起着阻拦基体位错运动作用表示图

颗粒加强复合资料的强度直接与颗粒的硬度成正比，由于颗粒必定抵抗位错堆集而产生的应力，其余，颗粒相与基体的结合力同样影响着资料的强度。

图4-2位错在晶面上滑移（a）和在TiC颗粒前位错的塞积（b）

颗粒相与基体的界面处于低能量状态是有益的，由于这对颗粒阻拦基体位错运动是必定的。高的界面能相当一个空洞围绕着颗粒，这样不但降低了颗粒阻拦

基体位错运动的能力，而且在资料结构中起到了一个微裂纹的作用。

2）不平均变形惹起位错增殖加强

颗粒复合资料的变形属于两相不均

匀变形。较硬的颗粒不变形或变形较

小，所以在界面上形成较高的形变不匹

配，产生较高的变形应力。当该应力集

中在颗粒的某个部位时，在界面的某个

柱面的分切应力作用下，在交界的柱面

上萌生位错环并沿柱面搬动。该应力的

释放靠放出位错环实现，从而增加了基图4-3两相不平均变形在界面形成的位错环34体位错的密度（图4-3）。大量的位错之间产生摩擦、围绕，在应力的作用下形

成微小的胞状组织，即亚晶。依照Kuhlman-Wilsdorf关系，位错胞越小，加强

收效越大。

3）弥散和Orowan加强

小的刚性颗粒对复合资料的加强体系有三种；

1）小粒子由于其对晶界的拖曳作用，细化了复合资料基体的晶粒。由于这一拖曳作用，不但可使基体中的细晶和亚晶牢固化，也能使加工拉长的晶粒形状特色牢固化，这对复合资料高温蠕变性能十分有益。

晶粒细化加强的幅度能够利用以下公式计算：

=-1/2f+kd式中d为晶粒尺寸。（2）位错与微小粒子互相作用而产生的强度增量。它由Orowan关系表示：0=[0.83bLn(2r/r0)]/[2(1-)1/2(S-2rS)]式中：Taylor因子，：切变模量，b：柏矢模量，：泊松比，r：粒子半径，r0：位错芯半径，(S-2rS)：粒子间距。显然当加强体粒子体积分数一准时，粒子尺寸越大，粒子间距就越大，

Orowan加强处就愈弱。由于小粒子是不能穿透的硬粒子，在变形过程中位错只能被迫绕过粒子并留下一位错环围绕粒子，表示小粒子经过影响保持位错源以

及作为位错运动的钉扎中心改变基体的滑移行为。当粒度在1m以下时，

Orowan加强体系起较大作用。

3）小的刚性粒子对颗粒加强金属基复合资料强度的另一种作用是使基体加工硬化率提高。受位错周围的应力场的限制，位错穿过晶格的运动碰到其余位错的影响，这会以致金属基体的硬化。基于位错的硬化理论能够用以下公式表达：

f+kGb

1/2

：每单位体积位错密度。

当复合资料从制备温度冷却到室温时，由于基体和加强体的热不般配性，

在复合资料中产生了大量位错。这也是颗粒/金属基复合资料的一个重要加强机

制。

其余，复合资料中的裂纹的扩展在颗粒前受阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转，同样能够耗资很多的断裂能，提高资料的强度。

2、纤维（包括晶须、短纤维）复合资料加强体系

35基体：经过界面将载荷有效地传达到加强相（晶须、纤维等），不是主承力相。

纤维：承受由基体传达来的有效载荷，主承力相。

假设纤维、基体理想结合，且松泊比同样；在外力作用下，由于组分模量的不同样产生了不同样形变（位移），在基体上产生了剪切应变，经过界面将外力传

递到纤维上（图4-2、4-3）。

图4–4短纤维周围的应变

图4–5纤维上和界面上的应力分布

在纤维上的拉力为:fu(d2/4),在界面上的剪切力为:dlc/2。

当fu(d2/4)=dlc/2时，（l/d）c=fu//2y，

l/d）c为纤维临界长径比,lc为纤维临界长度。当（l/d）c10时，复合资料可获得理想的加强收效。

36二、复合资料的复合法规—混杂定律

1、混杂定律（RuleofMixtures）：

当复合资料满足以下条件：（1）复合资料宏观上是均质的，不存在内应

力；（2）各组分资料是均质的各向同性(或正交异性)及线弹性资料；（3）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。

复合资料力学性能同组分之间的关系可用以下通式表示：

Xc=XmVm+XfVf或Xc=XfVf+Xm（1-Vf）

式中：X：资料的性能，如强度、弹性模量、密度等；V：资料的体积百分比；下脚标c、m、f分别代表复合资料、基体和纤维。

2、连续纤维单向加强复合资料（单向层板）

2-1应力-应变关系和弹性模量

在复合资料承受静张应力过程中，应力—应变经历以下阶段（图4-6）：

1）基体、纤维共同弹性变形；2）基体塑性信服、纤维弹性变形；3）基体

塑性变形、纤维弹性变形或基体、纤维共同塑性变形；4）复合资料断裂。

对于复合资料的弹性模量：

阶段1：E=EfVf+Em（1-Vf）

阶段2：E=EfVf+(dm/dm)(1-Vf)

dm/dm为复合体的应变成时基体应力–应变曲线的斜率。

图4–6纤维复合资料应力应变过程表示图

2-2、复合资料的抗张强度

37

当复合资料中纤维与基体在受力过程中

处于线弹性变形且基体的断裂延伸大于纤维

的断裂延伸时，单向纤维复合资料的抗张强

度（图4-5）用下式表示：

cu=fVf+mVm或ufVf+m（1-V）c=ff：纤维的抗张强度；m：对应纤维断裂应变f时基体的抗张强度。考虑到基体与纤维的结合情况：图4–5纤维复合资料中纤维体积比cu=KfVf+mVmK<1。与强度关系表示图在纤维量特别小的情况：

纤维的最小体积比：Vfmin纤维的临界体积比:Vfcrit

2-3、泊松比

cu=mu（1-Vf）

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

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

当资料拉伸或压缩时，在弹性范围内，纵、横向应变之比为泊松比。

假设复合资料纵向拉伸或压缩时，纤维与基体的纵向应变相等，且等于复合资料的纵向应变，即f=m=c，则纵向泊松比为：LT=fVf+mVm或LT=fVf+m（1-Vf）若考虑纤维与界面的结合情况LT=fVf（1-K）+KVf+m(K-Vf)(1-K)其中K为纤维与基体未结合的百分比；是与受力状态、脱粘区状态等相关的常数。泊松比与弹性模量之间的关系：TL=LT（EcT/EcL）2-4、剪切强度：LT=fVf+m（1-Vf）

复合资料的层间剪切强度：在沿纤维方向受剪切时，剪切力发生在沿纤维方向的纤维层内，它决定于基体或界面的剪切强度。

复合资料的面内剪切强度：在垂直纤维方向承受剪切时，剪切力发生在垂直纤维的截面内，剪切力由基体和纤维共同担当。

383、短纤维加强复合资料3-1、短纤维加强复合资料的弹性模量：E=0LEfVf+Em（1-Vf）式中：L为长度有效系数：L=1-[tanh(1/2)l]/(1/2)l]，=[8Gm/Efd2loge(2/d)]1/2Ef：纤维弹性模量；2：纤维间距；Gm：基体剪切模量。0为取向有效因子：3-2、短纤维加强复合资料的抗张强度若l<lc，cu=（l/d）Vf+m（1-Vf）当l>lc时：cu=fu[1-（lc/2l）]Vf+m（1-Vf）或cu=2lc/d[1-(lc/2l)]Vf+m(1-Vf)l>10lc时，短纤维加强复合资料性能趋近于连续纤维性能；l<5lc时，短纤维加强复合资料性能远不如连续纤维性能。

图4–6短纤维复合资料的强度与纤维长度的关系表示图

39第六讲SMC及GMT半成品复合资料的制备

一、SMC片状模塑料

SMC是Sheetmoldingcompound的缩写，即片状模塑料。主要原料由

SMC专用纱、不饱和树脂、低缩短增加剂，填料及各种助剂组成。它在二

十世纪六十年代初第一出现在欧洲，在1965年左右，美、日接踵发展了这

种工艺。我国于80年代末，引进了外国先进的SMC生产线和生产工艺。

SMC拥有优越的电气性能，耐腐化性能，质轻及工程设计简单、灵便等优

点，其机械性能能够与部分金属资料相媲美，所以广泛应用于运输车辆、建

筑、电子/电气等行业中。

SMC的应用范围广泛，大体有：

汽车工业的应用

悬架部件，前、后保险杠，仪表板等；

车身及车身部件，硬壳车顶，防滑地板，阻流板，遮阳罩，发动机罩；发动机盖下部件，导风罩，进气管盖，风扇导片圈，发动机隔音板；车内装饰部件：车门把手，仪表盘，转向杆部件。

、铁路车方面的应用

座椅、茶几台面；

铁路车辆窗框，车厢壁板与顶板，铁路信号应答器。

、电气及通信工程中的应用

电器罩壳：电器开关盒，电器配线盒，电缆分配箱外壳，终端分配器；电子工程应用：天线反射罩、雷达罩、印刷电路板；

电器元件：绝缘子、绝缘操作工具、电机换向器；通信设备应用：电话机外壳、电缆分配箱、电话亭。

、在建筑工程中的应用高层屋顶水箱、净化槽；淋浴用品：如浴缸、洗池、防水盘、坐便器；

建筑模板、储蓄间构件：如壁板、顶蓬、门框。40、其余

集装箱、电杆夹套、工具锤柄和铲柄、餐饮用具、货架托盘。

包装、运输、存放

SMC系列模塑料封装在复合薄膜袋中，每包约50公斤，包扎后装入纸

箱；

运输途中防备重压、受热、受潮和包装破坏；

储藏期在温度低于25oC避阳光的干燥库房中，生产日算起三至六个月，高出保留期经复检合格仍可使用。

SMC系列模塑料成型工艺

模压成型温度：150oC±5oC

保压时间：60-70s/mm

模压压力：10-20Mpa详尽工艺视产品和模具结构而定，若是制品厚度比较

厚，则温度应稍低，一般成型温度为135oC-145oC，形状越复杂，成型压力

越高。

二、玻纤毡加强热塑性复合片及其应用

以玻纤毡加强热塑性树脂（GlassMatReinforcedThermoplastics）,是当

今热塑性树脂基复合资料的主要品种，当前生界年产量在10万吨以上，主要

用作汽车零部件，其余如建筑、包装、军工等方面的应用正在迅速发展。本文简要介绍这类资料的制备方法，而重视它们的性能和应用。

1玻纤毡加强热塑性片材（GlassMatReinforcedThermoplastics简称GMT）

玻纤毡加强热塑性片材（GlassMatReinforcedThermoplastics）简称

GMT是当前国际上极为活跃的复合资料开发品种之一。这是一种以热塑性树脂为基体、以长玻璃纤维或连续玻纤毡为加强资料的复合资料。一般做成征

状以半成品供应。平常是两层玻璃纤维毡复合热塑性树脂，用不同样种类的玻

璃纤维毡和热塑性树脂基体，能够给成多种多样的GMT资料。纤维有些是单

向的，有些是随机会分布的。而热塑性树脂也能够依照用途进行选择，一般

PP作为热塑性基体是应用最为广泛的，这是由于它拥有特别好的成本与性能之比。

1-2GMT片材的制备技术

1）原资料

热塑性树脂（聚丙烯、尼龙、聚酯）改性剂增加剂

41加强资料：连续随机毡、短切毡、单向毡

2）原理

树脂与改性剂、增加剂按必然比率形成特定配方，经加温、加压、浸渍到玻璃纤维中，冷却后成型。

1-3要点技术

1）界面

聚丙烯分链上不含活性基团，不能够与经过老例偶联剂办理的玻璃纤维之间产生较好的化学结合，所以玻纤加强聚丙烯系统中，树脂不能够有效地将应力传达给模量和强度高得多的玻璃纤维，这就不能够表现出玻璃纤维加强的收效，必定对界面进行特别办理和设计。

2）浸渍

聚丙烯这类热塑性塑料的熔体粘度很大，在加工条件下，对纤维层的浸渍十分困难，为实现较好的浸渍，一般需借助于较高的温度和压力，但过高的温度会以致树脂的降解，过大的压力使树脂溢料量增加，并影响玻纤毡的空隙度。优化操作参数（温度、压力、停留时间）、采用合适的玻纤毡结构（单丝结构、集束性、编织方式、针刺密度）是改进浸渍的基本路子。

3）连续化

玻纤毡连续浸渍生产线的组成是：

◆聚合物薄膜

◆连续玻纤毡

◆预热——热压——冷压——牵引——切割——片材

该生产线包括挤出机及模头、送毡架、加热与冷却系统、辊压系统、传动系统及控制系统。该系统的互相当合与协调是连续、牢固运行的要点，这是基于机械、电器、工艺等方面影响因素的深刻理解。

2GMT片材的性能

2-1力学性能

种类项目

通用型

高韧性型

高强度型纤维含量（%）密度(g/cm3)拉伸强度（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波折强度波折强度悬臂梁冲击（Mpa）（Mpa）强度（J/m）110～1204000～4200500～720140～1605000～7000750～95090～1103500～3700900～1100130～1607000～10000350～5602-2物理性能热物理性质

导热系数w/m℃热膨胀系数α（10-6C-1）PP0.2110GMT0.2227～30※GMT类热塑性复合资料热膨胀系数低而且恒定。

（2）电性能（玻纤含量40%）

绝缘强度（3.2mm/kv/mm）

14

介电常数(100Hz)

2.65

体积电阻率(Ω*cm)

4.8×1017

耗散因素(100Hz)

0.009

GMT拥有高介电性,是优秀的电绝缘资料。（3）模量、强度随温度的变化

2-3能量吸特色：GMT与SMC比较

力学性能相当，制品成型方法相似，SMC表面优于GMT，而GMT能够重

复使用，便于回收，而且韧性显然优于SMC

能量吸取性能的压力——应变图

3GMT片材制品成型

制品成型——模压技术

◆成型机械：压机、加热炉、模具、模温控制

◆成型工艺：坯料设计、预热、铺放、压制434GMT片材的应用

4-1推动热塑性复合资料应用的重要背景

1）汽车轻量化与GMT资料轻量化与节能：

◆油耗与车重成正比，车重下降10%，油耗下降约7%

◆自重减少330-440公斤，节约燃油花销20%

PNGV计划

百分里2.94升美国(2004)

3升欧洲(2005)

2升车(?)

1升车(?)

先进复合资料、钢和铝在车身减重方面的比较；

资料种类

减重百分比

高强度钢

25-35%

铝

40-55%

先进复合资料

50-67%

不同样材质的汽车零部件在制造中耗能不同样，以生产技师同样（450克）的零

部件为例，采用塑料或复合资料所耗能源折汽油3.9-4.5kg,若采用铝或钢所耗

能源折合汽油。

其余，塑料模具花销是用铜制件模具花销的10-20%。提高塑料零部件的设计

自由度不提高成本，从开发到批量生产周期短。

应用现状与效益：

汽车用资料组成比率渐渐发生变化，轿车用资料特别显然。整体来说，一般

钢铁用量下降，金属资料中高强度钢和轻金属趋于上升，车用非金属资料上

升。80-90年代以来，轿车用塑料由5%增到10%以上。日本轿车塑料用量80-

100kg/辆，占车自重9%，美国116kg辆，占车自重10.3%,德国80-129kg/辆,占车重11%。

（2）零部件模块化

模块化——多个零部件起来，离线装置，或多个零部件组合起来成为一个整体同时形成。零部件的模块形式，从而形成汽车制造史上的一次革命。

44※热塑性聚合物复合资料为汽车轻量化和模块化供应了前提条件。玻璃纤维毡加强热塑性复合片材GMT是其中最优秀的代表。

4-2汽车上的应用

三个发展阶段：

◆简单非结构件：如车体下的发动机罩

◆复杂结构件：形状复杂，强度要求高，集多种功能于一体

◆回收再生：GMPT（GlassMatReinforcedRecycledThermoplastic）GMT重要汽车零部件

◆车下体保护罩

◆前端装置托架

◆电池托架

◆座椅骨架

◆仪表板骨架

◆保险械横梁

GMT应用效益举例

Mercedes型车

后椅骨架本来是钢制，重量6kg/个；GMT重量2kg/wh,减少4kg/个，而且性

能好，易安装，可回收，占空间较小，安全较好。

◆（VW）GolfA3型车车前端

本来的金属前端由12个部件组成，改为GMT加工后，离线装置的部件有大

灯、风扇、散热器格栅、保险杠等组装成整体。

成本下降10%

单个重量下降33%（金属6kg,GMT4kg）

循环使用10%再生料不影响性能

4-3建筑工程和建筑工业中的应用

GMT模板的优点：

采用加强热散性片材制作混凝土浇铸模板有以下优点：

1）结构一体化：支撑板和箍带功能一体化，无需铁箍带（即棱木）。

2）结实耐用：聚丙烯与玻璃纤维复合资料耐冲击性能好，不易产生永久变形，耐腐化，使模板的使用次数大幅度增加。

（3）质轻：与木质模板对照，重量约减少20%，所以施工方便。

4）剥离性好：灰渣不易粘黏附到模板上，与制件的剥离性优秀。

5）半透明：由于无色的加强塑性聚丙烯片材拥有半透明性，使施工现场

45光明，并能看到浇铸混凝土的状态。

6）制件表面光洁：混凝土浇铸件表面不会粘有木屑和杂物。

7）安装简单：采用扣钩联接，简单、迅速、可靠，也能够钉与木模板的传统方法。

GMT模板与传统模板的比较：种类质量kg/m2透明性剥离性冲刷加强热塑性片材11-12有简单不要木质模板13-15无难要钢制模板34无难要外国GMT模板的使用情况：

日本用加强塑料片材制造的建筑模板已进入市场，应用到建筑工业中。日本出光NSG公司开发的混凝土浇铸模板除单板外，还有八角形、四角形和三角形的组合系列，是日本建设省中部地方建设局介绍使用的产品。宇部日东化

成公司开发的混凝土浇铸模板，商品名“PANELES”，分为关东型和关西型两种。

韩国HANWHA公司已生产平面模板，大量供应市场。

可能开发的建筑资料——屋面资料。

以纤维毡为加强资料，同时填充大量硅灰石和增加少量接枝聚乙烯的高密度聚乙烯为基体，能够获得用作屋面瓦的硬质资料，其性能优越，有潜藏开发价值。外国有近似产品，聚乙烯－水泥涟漪板。

4-4在包装行业的应用

依照形状、大小、运输方式和货物种类进行陆上或水上集装箱的设计与制造，平常采用钢或