航空航天复合材料(上篇共上中下3篇)

复合材料原理复合材料原理1概论2增强体3复合理论4界面理论5高聚物基复合材料6陶瓷基复合材料7金属基复合材料8纳米复合材料9高性能无机非复合材料10遗态复合材料11新型复合材料本课程主要内容：

复合材料=基体+增强体

界面主要内容一二三四知识点1-复合材料定义与分类

物质与材料复合材料的定义与特点复合材料的组成与命名复合材料的分类物质：是不以人的意志为转移的存在，世界是由物质组成的。材料：则是人类用来制造产品的物质。人类发展的四大阶段：1.石器时代（10000－6000年前）；2.青铜器时代（6000－2500年前）；3.铁器时代（2500年前～）；4.人工合成时代（19世纪西方产业革命～）等。一、

物质与材料二、

复合材料的定义与特点一般定义：用经过选择、含有一定数量比的两种或两种以上的组分（或组元），通过人工复合，组成多相且各相之间有明显界面、具有特殊性能的材料。特点：1．复合材料由多组分材料组成。2．组分间的比例具有极强的可设计性。3．组分保持各自固有的物理和化学特性。4．复合材料组分间有复合效应，产生单组分所不具有的特殊性能。5．复合材料是一种多相材料，存在着明显的界面。6．复合材料是人工制备而非天然形成注意点1：复合材料不同于合金：1．复合材料可具有金属特性也可具有非金属特性，而合金则以金属键为主仅具有金属特性。2．复合材料中组分之间形成明显的界面，保持各自的特性，并可在界面处发生反应形成过渡层，而合金的组元之间发生物理、化学或两者兼有的反应，是以固溶体和化合物的形式存在。3．合金的热胀系数大，而复合材料的膨胀系数可以很小或0甚至为负数。4．从更高的层次看，合金是固溶体与化合物复合而成的复合材料。注意点2：复合材料不同于复合物质：复合材料非洲的原始部落棚屋复合物质鲍鱼壳复合材料福建土楼墙体

复合材料安徽土楼墙体

复合材料撑杆Glassfiberweb/epoxy玻璃纤维网/环氧Glassfiberrings玻璃纤维环Longitudinalcarbonfibers/epoxy纵向碳纤维/环氧1.木质和半纤维素基体上分布纤维素丝2.由年轮组成层装复合物质3.垂直于年轮的带状结构起强化作用复合物质木材复合材料自行车轮毂、车架复合物质人体长骨(肱骨)结构示意图（a）近骺端正面解剖图（b）骨骺中松质骨和致密骨的三维放大图（c）骨干的横截面放大图骨干的外表面覆盖着骨膜，骨骺的关节面覆盖着透明软骨三、

复合材料的组成与命名1）以增强体名称命名。强调增强体如碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料、晶须增强复合材料等。2）以基体名称命名。强调基体如金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料等。3）以增强体和基体共同命名。两者并重复合材料=基体+增强体

界面1.复合材料的组成2.复合材料的命名基体：高分子基、金属基、无机非基等增强体：零维、一维、二维、三维等界面：是复合材料的核心，决定其性能一般为增强体在前，基体在后，两者间由“/”分开。如（Al2O3+TiB2）/Al。有时也用下标p、w、f分别表示增强体为颗粒、晶须、纤维的形态，如TiB2P/Al。国际上的表示符号则有其英文首字母表示。如金属基复合材料（Metalmatrixcomposites缩写为MMCs）聚合物基复合材料（Polymermatrixcomposites,缩写为PMCs）陶瓷基复合材料（Ceramicmatrixcomposites,缩写为CMCs）3.书写格式：四、

复合材料的分类谢谢！再见！按增强体产生的方式分内生型：增强体在基体中通过化学反应产生外生型：增强体从外部直接加入基体按性能高低分按增强体材料的种类分按基体材料的种类分按用途分按增强体材料的形状分结构复合材料功能复合材料聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料石墨基复合材料（碳碳复合材料）水泥基复合材料热固性热塑性橡胶普通复合材料先进复合材料颗粒增强晶须增强纤维增强零维（颗粒状）一维（纤维状）二维（片状或平面织物）三维（三向编织体）复合材料分类随机分布择优分布单层复合材料多层复合材料长纤维短纤维层板复合材料混杂复合材料主要内容一二三四知识点2-复合材料的发展与应用

复合材料的发展史复合材料的应用复合材料发展方向复合材料研究存在的问题一、

复合材料的发展史1.早期复合材料1）西安半坡村草拌泥作墙体－最早的纤维增强复合材料2）公元前埃及的金字塔采用的沙石和火山灰制成的混凝土，是最早的颗粒增强复合材料3）中国的布鞋是最早的层状复合材料4）1972－1974年中国湖南马王堆出土的的漆器（距今2500多年）是最典型的复合材料：用丝、麻作增强体，漆做粘结剂。5）唐朝的鉴真和尚漆佛像保存在日本1000多年了，成了日本的国宝，每年仅开放数天。宝剑的青铜合金是由铜、锡以及少量的铝，铁，镍，硫按照严格的配比组成的。

剑脊含铜较多，能使剑韧性好，不易折断。而刃部含锡高，硬度大，使剑非常锋利。花纹处含硫高，硫化铜可以防止锈蚀，以保持花纹的艳丽。虽然是同一把剑，不同部位却有着不同金属配比的铸造工艺，这种工艺称之为复合金属工艺－功能梯度。

复合金属工艺在世界上很多国家都是近代才开始出现，而中国早在两千多年前的春秋时期，就已经掌握了这项技术，着实令世人叹为观止。图2越王勾践宝剑图3近代复合材料的不同发展阶段2.近代复合材料近代复合材料是以1942年制出的玻璃纤维增强塑料为起点第一阶段：1940～1960年，以玻璃纤维增强塑料为标志。第二阶段：1960～1980年，主要以碳纤维、kevler纤维增强环氧树脂复合材料为标志，并被用于飞机、火箭的主要承力件上。第三阶段：1980～1990年，主要以纤维增强铝基复合材料为标志，我国则以上海交通大学、东南大学等主导研究了氧化铝纤维增强铝基复合材料，东南大学吴申庆教授将其应用于铝活塞，显著提高了活塞火力岸的耐热性能和耐磨性能，成倍延长了活塞的使用寿命，并在德国马勒公司得到推广应用。第四阶段：1990～，主要以多功能复合材料为主，如智能复合材料、功能梯度复合材料等。3.当前热点复合材料1.功能梯度复合材料通过成分地梯度变化，获得功能的梯度。2.智敏复合材料能验知环境变化，通过改变自身的一个或多个参数适应环境的变化，是验知和执行的复合3.智能复合材料

是智敏复合材料的高级形式。智敏材料能对环境作出线性反应，而智能材料则能根据环境条件的变化程度非线性地使材料与之适应以达到最佳效果。区别：也有学者不作区分，统称智能材料。智敏：自诊断、自适应和自愈合智能：自诊断、自适应、和自愈合＋自决策、自修补。如：皮肤、自愈合裂纹的混凝土、自诊断断裂的飞机机翼等。4.遗态仿生复合材料等通过生物结构和形态的遗传、化学组分的变异处理，制备保持自然界生物精细形貌和结构的新型复合材料。二、

复合材料的应用

（a）碳纤维撑杆（b）碳纤维自行车

（c）碳纤维高尔夫击球头（d）碳纤维隐身艇图4复合材料应用举例

图5水上机器人图6A350飞机的材料比例

图7裁剪中的航空复合材料图8T800生产线SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘，代替传动的铸铁制动盘，重量减轻了60%~40%，而且提高了耐磨性能，噪音明显减小，摩擦散热快；SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车发动机活塞和齿轮箱等，大大提高其耐磨性、耐高温性能等，热膨胀系数降低，导热性提高。

水上机器人(UnmannedSurfaceVehicle,USC)用于近海环境实时监测、资源探测、海洋灾害预警和防治等多种用途。ZPM公司近日宣布Piranha水上机器人（USV），一款轻型复合材料船只，建造主要基于Arovex™型碳纳米管增强碳纤维预浸料。

图1-11运-20飞机图1-12我国首架全复合材料轻型公务机我国发展情况：（1）阻燃玻纤/环氧、玻纤/酚醛复合材料，已成功应用于运-20飞机（2）碳纤维复合材料用于轻型公务机（3）中科院王奇等人：石墨烯铂复合材料可以提高燃料电池的反应效率（4）等离子体技术制备氮掺杂石墨烯—铂纳米复合材料的研究中，也取得了相应进展三、复合材料发展方向1．功能复合材料过去的复合材料主要集中在结构应用，目前，充分利用复合材料设计自由度大的特点，已拓展到功能复合材料领域，如1）电功能：有导电、超导、绝缘、吸波(电磁波)、半导体，电、屏蔽或透过电磁波、压电与电致伸缩等；2）磁功能：有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等；3）光功能：有透光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、x线屏蔽和透X光等；4）声功能：吸声、声纳、抗声纳等；5）热功能：导热、绝热与防热、耐烧蚀、阻燃、热辐射等；6）机械功能：有阻尼减振、自润滑、耐磨、密封、防弹装甲等；7）化学功能：有选样吸附和分离、抗腐蚀等。2．多功能复合材料3．机敏复合材料4．智能复合材料5．纳米复合材料6．仿生遗态复合材料7．分级结构复合材料图9分级结构示意图蜘蛛网（cm）蜘蛛丝（μm）纳米复合网（>100nm）蛋白质（>10nm）β-晶体（nm）氢键构成的β带图1-10蜘蛛网的分级结构示意图四、

复合材料研究存在的问题1．界面结构研究2．可靠性研究3．复合材料的设计与制备方法研究4．复合材料的综合处理与再生研究图1-13断裂的撑杆谢谢！再见！增强体复合材料原理增强体概述1.定义：复合材料中凡能提高基体材料力学性能的组分称增强体2.增强体的一般要求：1）提高基体的一种或多种性能:如：比强度、比模量、热导率、耐热性等2）良好的化学稳定性：使用中组织、结构、性能不明显变化或退化、不与基体发生严重的界面化学反应3）与基体良好的界面润湿性：保证增强体在基体中分布与基体良好复合4）环境相容性好等特点5）成本低、工艺性能好3.增强体分类：

1）按几何形状分：零维（颗粒、微珠（空心、实心））一维（纤维、晶须）二维（片状）晶板(宽厚比>5)

三维（编织）

2）习惯上分：纤维：细长状，直径4~140μm，多晶体晶须：呈棒状，直径0.2~1μm，长几十微米，单晶体、缺陷少颗粒：颗粒状，直径3.5~10μm，陶瓷、石墨等无机非金属颗粒及金属颗粒等单元内容一纤维晶须二颗粒三增强体知识点1-纤维（玻璃纤维）纤维概述主要内容一二玻璃纤维纤维有机纤维无机纤维玻璃纤维硼纤维碳纤维碳化硅纤维氧化铝纤维芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酯纤维超高相对分子量聚乙烯纤维3.形成纤维的材料元素：一般为周期表右上角的部分元素：Be、C、B、Al、Si及其与N和O的化合物1.定义：

纤维是指一维尺寸很长，另两维尺寸很小的组分材料2.分类：

跟据纤维成分可分为无机纤维和有机纤维一、纤维概述图1纤维状和块状材料的平均强度和离散系数二、玻璃纤维1.成分：非晶型无机纤维，主要成分为二氧化硅与金属Ca、Na、Al、Fe等和非金属B等的氧化物，属于无定型离子结构物质。SiO2：形成骨架，具有高的熔点；BeO：提高模量，但毒性大；B2O3：提高耐酸性，改善电性能、降低熔点、粘度，降低模量和强度。氧化物：降低熔点；改善制备工艺。2．结构：图2玻璃的无定型结构（a）玻璃的网络结构二维图像（b）当Na2O加入（a）中网络的变化3.性能1）力学性能：（1）应力与应变曲线为直线，无屈服、无塑性、呈脆性特征。（2）拉伸强度高，1750MPa；模量较低E＝70GPa；密度2.55；热胀系数4.7×10-6K-1；强度随着纤维直径的减小而增强、随湿度的增加而减小；强度的分散性较大。2）热性能（1）导热性：成纤维前热导率：2508J/m.℃，成纤维后热导率：125.4J/m.℃。（2）耐热性：较高，软化点为550～580℃，膨胀系数为4.8×10-6℃-1。玻璃纤维热处理（升温再降温的过程）使微裂纹增加，强度降低。3）电性能（1）电绝缘性能优。体积电阻率1011～1018Ω.cm。注意：（1）在玻纤中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化铋等使其具有半导体性能；（2）在纤维表面涂覆石墨或金属，成为导电纤维。（3）高频介电性能好。介电常数较小，介电损耗低。4）耐介质性能玻璃：具有良好的耐酸（HF除外）、碱、有机溶剂的能力；玻璃纤维：由于表面增加，耐蚀能力比块体玻璃差。注意：玻璃纤维在水中浸泡时，强度会降低；干燥后，可部分恢复。玻璃纤维与水的物理作用使强度损失，干燥后强度恢复(可逆)；但玻璃纤维与水发生化学作用时强度损失(不可逆)。1）以成分（不同含碱量）可分为：无碱（E玻璃）：碱金属氧化物含量<0.5%（国外<1%）.高强、耐热、电性能优（电气玻璃），耐酸性差。中碱：碱金属氧化物含量：11.5%~12.5%（国外无），耐酸性强、强度低于E玻璃有碱（A玻璃）：碱金属氧化物含量高、强度低。对潮气侵蚀极为敏感。特种:Al-Mg-Si，高强、高弹玻璃纤维

Si-Al-Mg-Ca，耐化学介质腐蚀高硅氧玻璃纤维;石英玻璃纤维，含铅纤维。4.分类E-玻璃纤维C-玻璃纤维S-玻璃纤维D-玻璃纤维应用广成本低主用于次承力件图3四种玻璃纤维性能比较2）以单丝直径可分为：粗纤维：30µm初级纤维：20µm中级纤维：10-20µm高级纤维：3-10µm（纺织纤维）超细纤维：<4µm3）从外观则可分为：连续纤维短切纤维空心玻璃纤维玻璃粉磨细纤维等4）以纤维特性可分为：高强、高模、耐碱，耐酸、耐高温及普通玻璃纤维等5．制备：方法有十几种，但主要是两种：坩锅法和池窑法1）坩锅法其工艺流程为：玻璃球→坩锅→单纤维→集束器→拉丝机→纤维丝。↑↑变压器浸润剂↑控温仪注意：1）坩锅底部漏板上有数百个小孔（喷丝孔），玻璃纤维在重力作用下流出，经集束器、拉丝器收集至转筒。2）牵拉速度为600～1200m/min，最高达3500～4800m/min。3）坩锅一般为铂铑坩锅，也可采用刚玉坩锅。

图4坩锅法示意图2）池窑法工艺流程为：配合料→熔窑→通路→漏板→单纤维→单丝上浆器→集束器→拉丝机→原丝筒。↑控温仪→变压器坩锅法相比池窑法少了玻璃球的制备过程及二次融化过程，故可节能50％左右。图5池窑法示意图纤维上浆：即涂浸润剂（石蜡、聚酯酸乙烯酯等两种含乳化聚合物）。浸润剂作用：除了防止纤维间摩擦、划伤外，还具有以下作用：（1）黏结作用，使单丝集束成原纱或丝束；（2）防止纤维表面聚集静电荷；（3）为纤维进一步加工提供所需的性能；（4）表面改性便于与基体结合。5．玻璃纤维的表征：1）定长法：国际统一表示法“×××tex”；“tex”公制称号，表示1000m长原纱的质量(g)。2）质量法：1g原纱的长度；纤维支数=纤维长度/纤维质量。如：40支表示每克40m；4tex表示1000m长原纱4g。谢谢！增强体复合材料原理知识点2-纤维（B纤维、C纤维）主要内容一二碳纤维硼纤维

一、硼纤维硼原子序数为5，相对原子质量10.8，熔点2050℃，半导体性质、硬度仅次于金刚石，难以制成纤维。一般硼纤维是通过在芯材（钨丝、碳丝或涂炭或涂钨的石英纤维，直径一般为3.5～50µm）上沉积不定型的原子硼形成的一种无机复合纤维，直径100～200µm。具有高强度、高模量和高硬度，强度达5.1GPa，是高性能复合材料的重要纤维增强体之一，1956年产生于美国。1．分类根据芯材的不同可分为:钨芯硼纤维碳芯硼纤维石英纤维硼纤维等。

图1硼纤维2．制备1）卤化硼反应法：（1）W丝沉积制B纤维

图2硼沉积流程图与反应室温度分布W芯丝材直径为10～12

m，流程如下：

W丝→清洗室→沉积室→涂覆室→BF卤化硼H还原反应法氢化硼B2H6热解法有机硼化物热解熔融硼直接拉丝制备方法四种介绍两种：卤化硼H还原反应法氢化硼B2H6热解法①清洗：W丝表面采用NaOH溶液清洗表面氧化物，W丝直径降至13

m左右。②第一沉积室：沉积室温度控制在1120℃～1200℃，此时室中发生化学反应：

2BCl3+3H2

2B+6HCl

B沉积在W丝表面，一方面：发生硼钨反应生成WB、W2B5、WB4等金属间化合物，体积膨胀，产生内应力，过大会产生芯部微裂纹。

另一方面：B同时向W中扩散。

注意：该阶段温度较低，目的是在硼钨反应和B向W中扩散时仅有少量的B沉积。③第二沉积室：温度1200℃～1300℃，B沉积速度加快，得B纤维。④涂覆室：防止高温时纤维与金属在界面在发生化学反应，劣化纤维。通常涂层有SiC、B4C等B4C涂层：将B纤维置入涂覆室，涂覆层的形成主要通过通入H2、BCl3、CH4等气体，在涂覆室发生以下反应：4BCl3+4H2+CH4

B4C+12HCl

过程（2）碳丝沉积制BF

芯材C丝直径为33

m左右，制备流程如下：

C丝→裂解石墨室→沉积室→涂覆室→BFC丝沉积制BF的流程与W丝相似，只是将清洗室改为裂解石墨室，先在碳纤维上涂一层1～2

m厚的裂解石墨以缓冲硼在沉积过程中形成的残余应力。由于C与B的热膨胀系数差异大，会在C芯中产生较大的拉伸残余应力，若不即时释放，甚至可使碳芯一节节地断裂。注意：（1）卤化硼价昂贵，每次仅有10%转化为B，需回收。（2）反应器的两端采惰性气体密封，消除了以往汞密封对环境的污染、纤维表面的机械损伤以及汞污染纤维所造成的沉积缺陷。2）氢化硼（B2H6）热解法芯材：一般为炭涂层或钨涂层的石英纤维，沉积温度不能高，相比于卤化硼法，该法具有反应温度相对较低、热膨胀性能好、密度低、比模量高等优点，但外层硼与芯材的结合强度不高，且含气体，故其强度不高。3．结构与组织硼纤维的结构取决于硼的沉积条件、温度、气体的成分、气态动力学等因素。1）形貌

图3硼纤维的“玉米棒”结构硼纤维的形貌与芯材有关W丝芯材：表面构成不规则的小节节，形成“玉米棒”状；节节直径3-7微米，高1-3微米，并有深度为0.25-0.75微米的节间沟，构成粗糙的外观结构。C丝芯材：C丝不与B反应，且比W轻，纤维表面光滑，无节节现象。2）结构

图4十二个硼原子形成的二十面体结构

（1）1200℃以上化学气相沉积时形成的无定形硼，即

－菱形晶胞结构，其基本单元是由12个硼原子组成的20面体。（2）低于1200℃，如果还能产生结晶硼时，一般是形成α菱形六面体晶胞结构。（3）沉积法形成B纤维，通常希望是无定型结构。（4）由X射线和电子衍射分析可知，无定型结构实际上是晶粒直径为2nm左右的微晶结构（

－菱形）。当温度超过1300℃时，出现晶态硼，降低硼纤维的强度，故沉积温度应控制在1300℃以下。

4．B纤维的残余应力r(+)0.7~0.8(-)1.0~1.4(-)0.3~0.50σθ/GPaσr芯表层σθ图5硼纤维横截面上的残余应力的分布5．结构缺陷图6钨芯硼纤维中芯与覆盖层之间的孔洞单元容6．硼纤维的表面涂层一般：BN、SiC、B4C等。SiC层：通过二甲基二氯硅烷气体分解成SiC沉积到B纤维上，厚度2.5

m，

－SiC形式，

{111}//纤维轴，SiC层阻止了界面的有害反应。BN层：1000℃加热B纤维，表面氧化成B2O3，1100℃时氨化处理，反应产生BN，注意要反应完全，否则B2O3影响性能。BN层使其强度显著提高。B4C层：通过三氯化硼与甲烷气体反应生成B4C沉积。可有效阻挡B纤维与金属基体（Al,Ti或Ti合金）反应。7．性能硼纤维脆性材料，抗拉强度约3.10～4.13GPa，杨氏弹性模量420GPa，剪切弹性模量165～179GPa；密度只有钢才的1/4，约2.6g/cm3，泊松比为0.21，热胀系数为（4.68～5.0）×10-6℃-1；抗压缩性能好；在惰性气体中，高温性能良好；在空气中超过500℃时，强度显著降低。

二、碳纤维1.碳纤维概述图7短切碳纤维图8碳纤维布图9碳的存在方式图10碳的石墨六方结构碳纤维：是有机纤维经固相反应转变而成的一种多晶纤维状聚合物碳，是一种无机非金属材料，碳含量95％以上，不再属于有机纤维的范畴，也不是无机纤维，直径约8μm。碳：序数6，密度为2.268g/cm3碳的存在形式：C60、纳米碳管、金刚石、石墨等石墨：六方结构，层面内键强度＝627kJ/mol，层层间为范德华力＝5.4kJ/mol，各向异性，层内E=1000GPa，垂直方向E=35GPa，当层面方向与纤维轴向一致时，则可获得高模量的碳纤维，石墨层卷曲即成碳纳米管，层层分离则成石墨烯，均是重要的增强体。2．分类：高强型超高强型中模型高模型超高模型耐火纤维碳质纤维石墨纤维1）按性能可分为高性能级通用性能级2）按原丝类型分为聚丙烯腈基粘胶基沥青基木质素纤维基其它有机纤维基碳纤维3）按功能可分为结构碳纤维耐焰碳纤维活性碳纤维导电碳纤维润滑碳纤维耐磨碳纤维3．制备碳纤维一般通过有机纤维作为先驱丝进行碳化或直接通过气相生长法获得。1）有机纤维碳化法

（1）拉丝：运用湿法、干法或熔融法进行纺丝。（2）牵引：室温以上，100～300℃进行；（3）稳定化：400℃加热氧化，使先驱丝不熔不溶，以防止高温时黏连，又称预氧化处理；（4）碳化：1000～2000℃进行碳化处理，去除多数非碳元素，使其形成碳纤维；（5）石墨化：2000～3000℃进行石墨化热处理，使碳纤维转变为石墨纤维。2）以聚丙烯腈为先驱丝制备碳纤维实例（1）聚丙烯腈纤维（PAN）聚丙烯腈纤维的分子式：，比重：0.91（g/cm3），弹性模量＞3.5GPa；当量直径：100µm；抗拉强度≥420MPa；熔点＞160℃；化学性能：耐酸、耐碱、无毒无味。图11短聚丙烯腈纤维

（2）工艺流程：拉丝（纺丝）→牵伸→稳定（预氧化）→碳化→石墨化图12工艺流程图

①纺丝：有干法、湿法、熔融纺丝法三种。因聚丙烯腈受热(28－300℃)分解而不熔融，故不能熔融纺丝只能采用湿法纺丝在水中挤压成丝，或干法纺丝在空气中挤压成丝。图13PAN纤维湿法纺丝示意图②预氧化处理：200℃升至300℃，又称稳定化，发生环化、脱氢、氧化等反应，产生梯形结构预氧化处理条件：①氧化性气氛（空气）。②牵引状态，保证纤维取向。③升温速率为1-3℃/min。化学反应环化反应脱氢反应氧化反应图14PAN纤维预氧化工艺装置示意图③碳化处理碳化是指在高纯氮或氩气氛中，温度范围1000～1500℃的条件下进行的热处理。惰性气氛以防止高温氧化。聚丙烯腈纤维碳化过程依次经历以下阶段：①300～700℃，线型高聚物断链开始交联；②400～700℃，碳含量增加，H/C比值减小；③600～700℃，N/C和O/C比值减少，形成碳素缩合环，且环数逐渐增加；④700～1300℃逐步形成碳素环状结构并长大，并随碳化温度的提高，其强度和模量均提高，但当碳化温度高于1500℃时，强度逐渐下降，而模量继续增加。因此，制取高强度PAN碳纤维的碳化温度应低于1500℃。此外，因碳化过程需要一定的时间，故升温速率不宜过快，当然过慢则会延长生产周期和降低生产率。化学反应④石墨化处理形成石墨纤维方需要此步骤。石墨化处理温度在3000℃左右，氩气气氛，不用氮气，否则C与N2在2000℃时生成氰。高温下，纤维在牵引作用下，可借助于多重滑移系的运动和扩展引起塑性变形，并发生石墨化结晶，层平面方向平行于纤维轴方向，形成石墨纤维。石墨化程度随温度的提高而提高，模量也随之提高，但纤维中的裂纹与缺陷将随之增加，纤维的强度有所下降。⑤表面处理碳的活性低，需表面处理（氧化、上浆）以提高表面活性，从而提高复合材料的性能。图15力学性能4．碳纤维的结构图16碳纤维的皮芯结构表1石墨晶的价键性质位置价键键长/nm键强度/(kJ/mol)E/GPa层面共价键0.1426301000层间共价键0.3355.4635图17碳纤维的拉伸断裂模型表2碳纤维的力学性能碳纤维抗拉强度/MPa弹性模量/GPa延伸率/%聚丙烯腈（高强度）碳纤维34302251.5聚丙烯腈（高弹性模量）碳纤维24503920.6黏胶(低弹性模量)碳纤维686391.8黏胶(高弹性模量)碳纤维27444900.6沥青（低弹性模量）碳纤维784392.0沥青（高弹性模量）碳纤维2450343～4900.5～0.7表3碳纤维的物理性能碳纤维密度/g·cm-3杨氏模量/GPa电阻率/10-4cm黏胶碳纤维1.6639010聚丙烯腈碳纤维1.7423018沥青碳纤维LT（低温处理）1.6041100HT（高温处理）1.604150中间相沥青碳纤维LT2.13409HT2.26901.8单晶体石墨纤维2.2510000.45．碳纤维的性能3）化学性能（1）能被硝酸、硫酸、次氯酸钠侵蚀，但一般来说其耐化学药品性属于优异级。（2）吸水率极低，一般在0.03％～0.05％。（3）中等温度（400℃）时会被氧化剂氧化生成CO、CO2，但不接触空气或氧化气氛时，具有突出的耐热性能，故在中等温度以上工作时，应注意气氛保护。（4）耐热性能与温度的关系如图2-20所示，由图可知石墨纤维具有优异的耐高温性能。（5）碳纤维耐油、抗辐射、能吸收有毒气体，减速中子等。（6）耐磨性能优。

总之，碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高导热、低热膨胀、耐化学辐射等性能特点，此外，碳纤维还具有柔顺性和可编织性，比强度、比模量优于其它纤维。但碳纤维也具有性脆、抗冲击性和高温抗氧化性差、异形、直径不均匀、表面污染、内部污染、外来杂质、织构不均匀、各种裂缝、空穴、气泡等不足。图18一些纤维、晶须、合金的强度与温度的变化关系（1）狭长条带状原纤彼此交叉形成的针状空隙（2）异形、直径不均匀、表面污染、内部污染、外来杂质、织构不均匀、各种裂缝、空穴、气泡等。图20PAN基碳纤维内部缺陷图19PAN基碳纤维表面沟纹6.碳纤维的缺陷谢谢！增强体复合材料原理主要内容一二Al2O3纤维SiC纤维知识点3-纤维（SiC纤维、Al2O3纤维）、晶须、颗粒三四晶须颗粒一、SiC纤维

（a）SiC纤维丝（b）SiC纤维编织带图1SiC纤维及其编织带1．分类

按形态分为连续纤维、短切纤维。按集束状态分为单丝、束丝两种。通常用于复合材料的SiC纤维有以下几种：1）CVD碳化硅纤维：CVD法制备的有芯、连续、多晶、单丝纤维。2）Nicalon（尼卡纶）碳化硅纤维：用先驱体转化法制造的连续、多晶、束丝纤维。3）碳化硅晶须：气－液－固法制备的具有一定长径比的单晶纤维。碳化硅纤维是以碳和硅为主要组成的陶瓷纤维2．性能特点1）力学性能：强度、拉伸模量高、密度低。见表2-52）热性能：热性能优良，1000℃以下，力学性能基本不变，可长期使用；1300℃以上时，性能下降。3）耐化学性能：耐化学性能优良，80℃以下耐强酸（HCl、H2SO4、HNO3），用30%NaOH浸蚀20h，纤维仅失重1%以下，且力学性能不变；在1000℃以下与金属不发生反应，且浸润性良好，宜制金属基复合材料。4）耐辐射和吸波性能：碳化硅的吸波能力超强，是最有效的吸波材料；对3.2×1010中子/秒的快中子辐射1.5h或以能量为105中子伏特、200纳秒的强脉冲γ射线照射下，其强度均无明显下降。5）具有半导体性，体积电阻率10-1~106欧姆.厘米。6）直径细，可以编织织物表1Nicalon碳化硅纤维的主要品种及其典型性能性能通用级HVR级（NL-400）LVR级（NL-500）碳涂层（NL-607）长丝直径/μm14~12141414丝数/束250~500250~500500500纤度/g·(1000m)-1105~210110~220210210拉伸强度/MPa3000280030003000拉伸模量/GPa220180220220伸长率/%1.41.61.41.4密度/g·cm-32.552.302.502.55电阻率/Ω·cm103~104106~1070.5~5.00.8热膨胀系数/10-6K-13.1--3.1比热容/J·(kg·K)-31140--1140热导率/W·(m·K)-112--12介电常数（10GHz）96.520~3012单元容3．制备主要有两种：化学气相沉积（CVD）和先驱体法。

1）CVD化学气相沉积法

图2柱形反应室原理：是将W丝或C丝作为芯丝，通H2清洗表面后送入柱形反应室。反应室中通入氢气（70％）和氯硅烷（30％）混合气体，芯丝被高频加热（60MHz）或直流加热（250mA），沉积室温度在1200℃以上，发生分解反应：

CH3SiCl

SiC+3HCl产生的SiC沉积在芯丝表面即可形成SiC纤维。碳芯SiC纤维的结构

（1）芯：d=33μm，为W丝或碳丝；（2）芯表涂层（热解碳）：1.5μm，增加热传导，缓冲碳芯与沉积层间热胀不一导致的不匹配；（3）SiC沉积层：~50μm，又包含四层：SiC-1，6μm(内)；SiC-2，4.5μm；SiC-3，4.5μm；SiC-4，35μm（外）；晶粒尺寸增加，取向不同，缺陷增加。（4）纤维表面涂层（热解碳）：3μm，又分为三个亚层：Ⅰ－最表层，富碳，弥合SiC表面的裂纹，提高强度；为陶瓷基复合材料提供弱界面，提高韧性；易与金属基体反应，提高结合强度。Ⅱ－缓冲层；Ⅲ－最里层，Si:C

1:1，能保持纤维强度，称保护层。

图3碳芯SiC纤维的结构共有四层：表2CVDSiC纤维的性能

性能钨芯碳芯直径/微米102142102142拉伸强度/GPa2.762.76－4.462.413.4拉伸模量/GPa434－448422－448351－365400密度/g·cm-33.463.463.13.0热膨胀系数10－6℃-1－4.9－1.5表面涂层富碳C+TiBX－Si/CCVD法SiC纤维适用于金属基、聚合物基、陶瓷基等性能2）先驱体法图4Nicalon－SiC纤维制备工艺流程

先驱气体（原材料）：氯硅烷包括甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、乙基三氯硅烷、四氯硅烷（SiCl4+烷烃）1）聚碳硅烷制备2）熔融纺丝3）不融化处理（氧化）4）高温烧成四个阶段图6Nicalon纤维的微观结构Nicalon纤维的微结构（图6）：

-SiC微晶呈立方晶型，同于金刚石结构，SiO2和游离碳分布于

-SiC的晶界上。其质量分数为：SiC:63%、SiO2:21.5%、游离碳:15.5％。图5Nicalon纤维在不同温度热解后的X射线衍射谱二、

氧化铝纤维

氧化铝纤维：以Al2O3为主要成分，并含少量的SiO2、B2O3或ZrO2、MgO等的陶瓷纤维。1．制备方法杜邦法拉晶法住友法sol-gel法等。1）杜邦法－泥浆法FP-Al2O3纤维图7杜邦法－泥浆法工艺流程2）拉晶法（

-Al2O3熔化）利用制造单晶的方法制备氧化铝纤维。将Mo制细管放入

-Al2O3熔池中，利用毛细现象，使

-Al2O3液升至Mo管顶部，在Mo管顶部放置一个

-Al2O3晶核，以慢速向上提拉，提拉速度为150mm/min，制得单晶

-Al2O3纤维。单晶氧化铝纤维，直径50～500

m，拉伸强度为2350MPa，弹性模量450GPa，最高使用温度可达2000℃，但在1200℃时的强度仅为室温强度的1/3。3）住友法-先驱体转化法日本住友化学公司采用，有机铝化物（聚铝硅烷）为原料，加等量水，经水解、聚合得到聚合度为100%的聚铝氧烷，将其溶入有机溶剂中，再加入作为硅成分、可提高耐热性的硅酸脂等辅助剂，制成黏稠液，经浓缩、脱气，纺丝得到先驱丝，再将先驱丝600℃加热，使侧基团分解逸出，950℃～1000℃焙烧得连续束丝Al2O3纤维。主要成分为

-Al2O3（70~90%）+SiO2（30~0%），多晶结构，晶粒直径5nm左右，每束1000根，每根9微米。拉伸强度1900MPa，弹性模量210GPa，密度3.3g/cm3.4）溶胶-凝胶法美国3M公司（MinnMiningManCo.）采用。是将含有纤维所需的金属和非金属元素的溶体，即金属醇盐化合物，包括有机铝化合物即含甲酸离子和乙酸离子的氧化铝溶胶、硅溶液(含Si)、硼酸（含B），用乙醇或酮作为溶剂制成溶胶，水解、聚合生成可纺丝的凝胶，纺丝，先驱丝在张力下1000℃以上焙烧，即得Al2O3无机纤维。成分为混合多晶纤维，由Al2O3(62%)、B2O3(14%)和SiO2(24%)组成。商品名为Nextel312。2．性能表3常用氧化铝纤维的成分与性能纤维种类密度/g·cm-3使用温度/℃拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa直径/μm生产厂家FP-Al2O3(α-Al2O3)3.9511001.4738319杜邦（美）杜邦法γ-Al2O3+SiO23.313001.8620617住友化学住友法单晶4.020002.35451250TYCO(日)拉晶法α-Al2O3Nextel3122.5913001.72147113M(美)溶胶-凝胶法应用：图8氧化铝纤维及应用三、

晶须定义：晶须是指直径小于3µm的单晶体生长的短纤维。与纤维相比存在以下区别：1）单晶；2）直径小（<0.1微米）、长径比大(L/d>数十)、缺陷极少、强度高、弹性模量大。分类：陶瓷晶须：氧化物（Al2O3）及非氧化物(SiC、Si3N4)晶须金属晶须：Cu、Cr、Fe、Ni等制备：焦化法（制SiC晶须）、气液固法（制SiC及C晶须）、CVD法（制SiC晶须）、气相反应法（制碳及石墨晶须）气固法（石墨晶须）、电弧法（制碳及石墨晶须）等。1．焦化法-SiCw稻谷储槽破碎分散晶须与碳分离(800℃)晶须与稻谷残余物分离干燥在碳管反应器中反应(≥1600℃N2/NH3)焦化碾磨使碳氧化成品湿处理2．气液固（VLS）法-SiCW、

SiW、Al2O3W、MgOW

在制备SiC晶须的过程中同时存在气体、液体和固体三种物质形态。气体物质：甲烷（CH4）、氢（H2）和SiOSiO产生：SiO2(g)+C(S)

SiO(g)+CO(g)固态物质：基质板上放置固态催化剂（过渡族金属球，如d=30m的钢球）液态物质：加热至1400℃时，通入原料蒸汽，固态催化剂成为熔球，过程：熔球从过饱和的原料蒸汽中萃取出C和Si原子，在基板上反应并生长成SiC晶须。SiC晶须长10m，等效直径约5.9m，拉伸强度1.7～23.7GPa。该法还可制Si、Al2O3、MgO等晶须。3．化学气相沉积（CVD）法-SiCw有两种：1）在H2气氛中，有机硅化合物在1000～1500℃发生热分解：

CH3SiCl3

SiC+3HCl，生成的SiC沉积在基板上长成晶须。2）在1200～1500℃温度下，运用H2分别与SiCl3和CCl4的混合物还原出Si与C，两者再结合生成SiC，在基板上长成SiC晶须。晶须直径0.2～1.5

m，l/d=50～1000。4．气相反应法-Al2O3w、Gw该法主要用于制备Al2O3晶须。首先在炉中装入铝和氧化铝的混合粉末，通入H2与H2O蒸汽的混合物，发生如下反应：

Al+H2O

Al2O+H2（1300～1500℃）

Al2O3+H2

Al2O+2H2O（1300～1500℃）生成的Al2O易挥发，转移到炉的另一端发生歧化反应：

3Al2O

Al2O3+4Al（歧化反应）气相反应法产生的Al2O3晶须，密度3.9，熔点2082℃，拉伸强度21GPa，弹性模量434GPa。表4常见晶须的性能晶须熔点/℃密度/g.cm-3拉伸强度/GPa比强度/106cm弹性模量/102GPa比模量/108cmAl2O320403.9621544.311BeO25702.8513473.513B4C24502.5214574.920SiC26903.1821674.916Si3N419603.1814453.812C(石墨)36501.66201237.144K2O(TiO2)n--7-2.8-Cr18907.29132.43.4Cu10808.913.33.81.21.4Fe15407.8313172.02.6Ni14508.973.94.42.12.4指出两点：1）SiC晶须的结构有

-SiC（六方）和

-SiC（立方）两种，应用较多的为

-SiC。2）晶须的一般形态为棒状，如钛酸钾晶须，而ZnO晶须则具有棒状和三维四针状两种形态，它是迄今所有晶须中唯一一种具有空间立体结构的晶须。

图8钛酸钾晶须四针状ZnO晶须具有以下性能特点：1．超高强度：几乎无缺陷，拉伸强度和弹性模量接近理论值，分别为1.0×104MPa和3.5×105MPa。2．各向同性：四针状结构，使其具有完全各向同性的增强、改性作用。3．优异的耐热性：氧化锌熔点高于1800℃，四针状氧化锌晶须可耐近1720℃的高温。4．可调的电学性能：氧化锌属于N-型半导体，通过掺杂可控制其导电、压电、压敏等电学性能。5．纳米半导体活性：具有特殊的尖端纳米活性；由于非严格化学配比的半导体特性，使其具有释放活性氧的作用；宏观表现为高效、广谱、持久的抗菌和环境净化作用。图9四针状氧化锌晶须四、

颗粒增强体常见的有：SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、MoS2、TiB2、BN、石墨等。

1.分类：不同可分为外生型和内生型两大类

2.力学性能取决于：颗粒的种类形貌直径基体中分布体积分数结合界面颗粒名称密度/g·cm-3熔点/℃热膨胀系数/10-6℃-1热导率/KW(m·K)-1硬度/GPa弯曲强度/MPa弹性模量/GPaSiC3.2127004.075.3127400~500B4C2.5224505.7330300~500260~460TiC4.9232007.426500Al2O34.9520509.0Si3N43.2～3.352100分解2.5~3.212.55~29.29HRA89~939003303Al2O3·2SiO23.1718504.232501200TiB24.52980表5常用颗粒增强体的性能谢谢！增强体复合材料原理主要内容一二纳米碳管微珠知识点4-微珠、纳米碳管、石墨烯、有机纤维三四石墨烯有机纤维五金属丝a）微珠粉体（b）单个微珠

（c）同尺寸微珠（d）异尺寸微珠图1空心玻璃微珠一、微珠1、分类：微珠有空心和实心之分。或无机、有机和金属三类2、空心玻璃微珠1）性能：具有隔热保温、吸声的特点。2）应用：空心玻璃微珠聚氨酯材料，有效地解决了海底管道输送原油时的保温难题。二、碳纳米管图2单壁碳纳米管（a）及其三种类型（b）（锯齿形、扶手椅形和螺旋形）1.力学性能：

杨氏模量：单壁为1054GPa，多壁则高达1200GPa，比一般碳纤维高一个数量级。拉伸强度：为50～200GPa，约是高强钢的20倍，而比重只有钢的六分之一，如果用碳纳米管作出绳索，从月球上挂到地球表面，它是唯一不被自身重量所拉断的绳索。2.化学性能：碳纳米管的化学性能稳定，仅次于石墨，在真空或惰性气氛中能够承受1800℃以上的高温，被认为是理想的聚合物基复合材料的增强体。原理：采用石墨电极（阴、阳）在直流电源作用下引弧放电，形成高温（2700～3700℃），渗有过渡金属Fe、Co、Ni催化剂的阳极石墨蒸发，碳原子在催化剂的作用下在阴极重组形成碳纳米管。该法可生产比较完整的单壁和多壁管，但碳纳米管无序、易缠结、纯度低，产率仅为30%左右。3.制备方法有三种：

1）电弧放电法；2）化学气相沉积法；3）激光蒸发法1）电弧放电法图3电弧放电法示意图2）激光蒸发法

原理：采用CO2激光或Nd/YAG激光作用渗有过渡金属Fe、Co、Ni或其合金的碳靶，产生高温蒸发，在低压惰性气氛中形成碳纳米管。该法制得的一般为单壁碳纳米管或单壁碳纳米管束，管径可通过激光脉冲来控制，碳纳米管的纯度低，且易缠结。图4激光蒸发法示意图3）化学气相沉积法

碳源（碳原子数小于或等于6的碳氢化合物及CO、CO2等），高温裂解生成碳原子，附着在过渡金属催化剂纳米颗粒上，并在催化剂的作用下形成碳纳米管。催化剂的作用原理是过渡金属能与碳原子形成介稳定的碳化合物，并且碳原子能在这些金属中很快地渗透，因此沉积在过渡金属纳米颗粒某一面上的碳原子可渗透到颗粒的另一面而形成碳纳米管。

图5化学气相沉积法示意图图6纳米碳管生长前后SEM照片三、石墨烯1.概述：

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是构成下列碳同素异构体的基本单元：碳纳米管和富勒烯，石墨，木炭。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。石墨烯电池的充电速度比传统的快100倍。

图7石墨烯照片2.制备方法：1）微机械剥离法操作简单、但可控性差，效率低、石墨烯尺寸大小不一，难量产。2)外延生长法有SiC外延生长和金属催化外延生长两种。（1）SiC外延生长即高温下SiC表面的Si原子蒸发（升华）脱离表面，剩下的C原子在SiC表面自组装重构而成石墨烯。（2）金属催化外延生长是指高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt,Ir,Ru,Cu等表面，通过加热，使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。由于基底吸附气体后不会重复吸收，故表面产生的石墨烯多为单层，且可大面积制备出均匀的石墨烯。3)CVD法原理：将碳氢化合物甲烷、乙醇等通入高温加热的金属基底Cu、Ni表面。化学分解反应持续一定时间后冷却，分离的碳原子沉积在基底表面，通过溶解和扩散生长两步骤形成单层或数层石墨烯。特点：可制备面积较大的石墨烯，但成本高，工艺复杂。4)氧化石墨还原法过程：先将强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等，将石墨氧化成氧化石墨，氧化过程即为在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理，即可获得单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石墨烯。特点：成本低、高效环保、可大规模生产，氧化石墨烯同样功能强大，应用广泛；但会导致一些物理、化学性能的损失。一般有以下三种：1）芳香族聚酰胺纤维2）芳香族聚酯纤维3）超高相对分子量聚乙烯纤维四、有机高分子纤维1.芳香族聚酰胺纤维

对苯二胺对苯二甲酰氯PPTA（聚对苯二甲酰对苯二胺）2)辐射状打褶结构1）PPTA分子排列图8辐射状打褶结构示意图芳香族聚酰胺纤维由美国杜邦公司于1968年研制，1972年生产，商品名Kevlar（凯夫拉）。我国研究该纤维始于上世纪70年代，命为芳纶，1981年和1985年分别研制成功了芳纶纤维14（芳纶Ⅰ号）和芳纶纤维1414（芳纶Ⅱ号）。3）Kevlar纤维的制备工艺流程对苯二甲酰氯对苯二胺溶剂缩聚沉淀、洗涤、干燥溶解浓硫酸干-湿纺洗涤（中和）干燥纺丝原液卷绕Kevlar-49热处理Kevlar-29

图9

Kevlar纤维生产工艺流程4）具体步骤Kevlar-29纤维为聚对苯酰胺，化学结构式：（2）纺丝将PPTA聚合物溶解在浓硫酸（100％）中，配比：PPTA/硫酸＝20/100，PPTA高聚物在浓硫酸中形成向列型液晶态，呈一维取向有序排列，形成液晶液。液晶液又称明胶，液晶态纺丝时，丝的强度高，模量大。纺丝的方法有湿纺、干喷、干喷－湿纺三种①湿纺：将明胶从针孔挤出，进入冷凝液体快速冷却(wet)，最后在惰性气氛中热处理。②干纺：将明胶由喷丝嘴喷出，经过一段空气(dry)快速拉伸使分子取向，最后进行热处理。（1）PPTA分子（树脂）的合成由低温（20℃）缩聚反应获得：③干喷－湿纺：在100℃以下，明胶通过纺丝孔挤出，经过1cm的空气间隙（dry），使丝在一定范围内旋转和排列，进入冷水（0－4℃）中，洗涤后绕在筒管上得到高结晶度和定向的初生纤维。图10Kevlar纤维干喷-湿纺示意图（3）干燥初生纤维干燥即为Kevlar-29纤维。（4）热处理干燥后的纤维在N2气氛中550℃热处理即得Kevlar-49纤维。5．Kevlar纤维的性能1）力学与物理性能见表。具有高强度、高模量、低密度、韧性好等特点。比强度极高，远超过玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、钢和铝；比模量也超过玻璃纤维、钢和铝，与HT碳纤维接近。2）化学性能，对中性药品的抵抗力较强，易受酸碱侵蚀；由于极性基团酰胺基，故耐水性差。3）摩擦性能优异，特别是增强热塑性基体时，其耐磨性更好。4）电绝缘性良好。不足：耐光性差，易光至分解；溶解性差；抗压强度低；吸湿性强。

表1Kevlar纤维的力学与物理性能纤维韧性/cN·tex-1拉伸强度/MPa弹性模量/GPa断裂应变/%吸水率/%密度/g·cm-3分解温度/℃KevlarRⅠ和Kevlar292052900603.671.44约500KevlarHt和Kevlar1292353320753.671.44约500KevlarHe和Kevlar1192052900454.571.44约500KevlarHp和Kevlar682052900903.14.21.44约500Kevlar4920529001201.93.51.45约500KevlarHm和Kevlar14917024001601.51.21.47约5002.芳香族聚酯纤维1)制备芳香族聚酯纤维的制备工艺有多种，最典型的有三种，对应的商品名分别为：（1）Ekonol；（2）X-TG；（3）P(HBA/HNA)（1）Ekonol纤维

是由美国金刚砂（Carborundum）公司于研制而成。原料：乙酰氧基苯甲酸、p,p′-二乙酰氧基联苯、对苯二甲酸及间苯二甲酸。通过缩聚反应生成缩聚芳酯：（2）X-TG纤维

原料：乙酰氧基苯甲酸、聚对苯二甲酸乙二酯通过共聚反应生成共聚芳酯

:（3）P(HBA/HNA)原料：对乙酰氧基萘甲酸和6-乙酰氧基-2-萘甲酸。通过共聚反应生成共聚芳酯，反应式：2）结构与性能

表2两种芳香族聚酯纤维的性能性能Vectran(高强)Vectran(高模)Ekonol密度/g·cm-31.411.371.40拉伸强度/cN/dtex22.919.427.3伸长率/%3.82.42.6拉伸模量/cN/dtex528774968湿态强度/cN/dtex22.919.427.3干湿强度比989898极限氧指数2927-分解温度/℃>400>400-最高使用温度/℃150150150熔点/℃250250350芳香族聚酯液晶大分子呈向列型有序状态，分子间平行排列，并沿分子链的长轴方向呈有序性，纤维内部由近似棒状的晶粒组成的层状结构组成。3.超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维是指分子量在106以上的聚乙烯纺出的纤维（UHMW-PE）（ultra-highmolecularweightpolythylenefiber）工业上一般使用的分子量在3×106左右。1)制备制备方法有两种：将高分子聚合物在冻胶状态使大分子充分解缠，再纺丝，脱去溶剂，在高牵引比下强冻胶丝进行热牵伸，获得PE纤维。(1）高牵伸比熔融纺丝即在超倍热牵引下熔融纺丝，制得的PE分子链按纤维轴取向完全伸直，纤维具有高弹性模量。(2）冻胶纺丝超高分子量聚乙烯溶剂、抗氧化剂及助剂超高分子量聚乙烯浓溶液溶解、脱泡初生态冻胶纤维挤出纺丝、冷却脱溶剂干冻胶纤维超高分子量聚乙烯纤维超倍热牵引①冻胶纺丝流程如图②冻胶纺丝具体过程：Ⅰ冻胶配制：冻胶又称凝胶，原料是超高分子量的聚乙烯，颗粒直径小于200微米，堆积密度为0.35－0.45g·cm-3，UHMW-PE具有平面锯齿形简单结构，无庞大侧基，主分子链间无强结合键，缺陷少，可施加高倍率牵伸。配制工艺：溶剂为十氢萘；温度150℃；浓度5％。Ⅱ形成初生冻胶原纤维。纺丝温度：150～250℃;纺丝速度：1～2m/min。Ⅲ获得干冻胶丝条（脱去溶剂）。Ⅳ超倍热牵引：牵引倍数高于2。

图11冻胶纺丝流程图2)UHMW-PE的力学性能纤维密度/g·cm-3拉伸强度/GPa拉伸模量/GPa断裂伸长率/%Spectra900(美国)0.972.56119.513.5Spectra1000(美国)0.972.98170.732.7Tekumiron（日本）0.962.94983.0DyneemaSK-77(荷兰)-3.77136.59-五、金属丝表4常见金属丝的性能金属丝直径/

m密度/g·cm-3弹性模量/GPa拉伸强度/MPa熔点/KW1319.440740203673Mo2510.232921602895钢137.7419641201673不锈钢304807.819634301673Be1271.8324512701553Ti4.5113216791941表3UHMW-PE的力学性能谢谢！复合原理复合材料原理复合原理复合材料设计复合材料的复合效应纤维增强机理主要内容五六复合材料的增强机制陶瓷基复合材料纤维、晶须强韧机理陶瓷基复合材料颗粒增韧机制陶瓷基复合材料相变增韧机制三四一二七复合材料设计的概述复合材料设计的类型复合材料的最新设计主要内容复合材料设计的步骤三四一二知识点1-复合材料设计复合材料：是经过选择、含有一定数量比的两种或两种以上的组分（或组元），通过人工复合，组成多相、三维结合且各相之间有明显界面、具有特殊性能的材料。基体相：连续分布的相。增强相或增强体：不连续分布的相，通过与基体的界面结合，会使复合材料性能显著增强。三大要素：基体、增强体及两者的结合界面复合原理：即组分相（基体、增强体）的合理设计、组分相间的复合机理（复合效应与增强机制）复合原理的主要内容：

1）复合材料设计

2）复合效应

3）增强机制知识点1-复合材料设计1.复合材料设计注意：1）复合材料设计不同于传统材料的设计。传统材料设计：是根据项目的使用目的和性能要求，拟定其材料、结构、工艺及费用等方面的计划与估算，类似于材料选择，而非严格意义上的材料设计。较少考虑材料的结构与制造工艺问题，设计与材料具有一定意义上的相对独立性，但复合材料的性能与结构、工艺具有很强的依赖性，可使某一方向上具有较强的性能，及具有可设计性，是一种可设计的材料。2）复合材料设计也不同于冶金设计。冶金设计：即根据性能要求、工艺特点所进行的成分设计。复合材料设计是指根据使用目的和性能要求，选择组份材料的种类、含量及复合材料的制备工艺、组份材料间的结构、复合效应等，实现成分、结构、性能最优化的过程。

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lptd传统的材料设计即为选择不同的材料，然后确定其尺寸即可。由于管壁的径向应力较小，可忽略不计，按平面应力计算，仅考虑轴向和周向应力。合金中Fe+C物理作用C+α-FeC+δ-FeC+γ-Feδγα化学作用Fe3CFe2CFeC复合材料中基体

增强体界面轴向、周向的力平衡方程分别是：令

c≤[],算得壁厚:t≥pd/(2[])因此，危险发生在周向，按周向设计时，势必导致轴向材料浪费－难以避免！Δldt因为

c=2a得：＝54°44′08″只要按该方向分布，即可获得等强度圆筒

r2.复合材料设计的类型1）安全设计在使用条件下不致失效，主要为强度和模量。2）单项性能设计使复合材料的某项性能符合要求。如吸波、透波、零膨胀等，在满足单项主要要求时，还要兼顾其他要求综合考虑。3）等强度设计使其性能的各向异性符合工作条件和环境要求的方向性。4）等刚度设计要求材料的刚度满足对于构件变形的限制条件，并没有过多的冗余。5）优化