纺织复合材料ppt课件.ppt
纺织复合材料,纺织服装学院：徐文正 15855533328,推荐教材1：王善元 纤维增强复合材料 东华大学出版社 2003推荐参考书1： J W S Hearle 高性能纤维 中国纺织出版社 20042：黄故 现现代纺织复合材料 中国纺织出版社 2000 3：陶肖明 纺织结构复合材料 科学出版社 2001 4: 潘志娟 纤维材料近代测试技术 中国纺织出版社 20055:郝元恺 高性能复合材料学 化学工业出版社 2004,课程体系第一章：绪论第二章：增强纤维第三章：聚合物基体第四章：复合材料的界面第五章：聚合物复合材料成型工艺第六章：复合材料性能,第七章：复合材料结构设计第八章：混杂纤维增强复合材料第九章：纺织结构复合材料第十章：金属基和陶瓷基复合材料第十一章：纤维增强复合材料的性能试验,1.1 复合材料的定义和分类一、材料分类 人类发展的历史和材料发展的历史息息相关。研究人类历史可以清楚地看到，人类历史上各方面的进步与新材料的创造、出现和应用是分不开的。 材料一般可分为无机材料(包括水泥、砖瓦、陶瓷、玻璃等)、金属材料、高分子材料(包括塑料、橡胶、纤维等)及复合材料4大类。,第一章 绪论,从泛义来讲，复合材料的范围极广，其发展和应用可追溯到人们使用草杆粘土、纸筋石灰材料的时代。生物材料例如竹，木、草、骨头、牙齿、肌肉、毛皮和贝壳等，都是天然复合材料，它们都具有很复杂的微观构造和复合材料的全部特点，它们的构造和复合机理可以给人们很多深刻的启示，有助于理解和研制性能优异的复合材料。由于单一材料的局限性，往往需要具有各种特性的材料进行复合，因此复合材料的发展将是不可限量的。 复合材料学作为一门学科、复合材料作为一种新兴材料工业，直到本世纪40年代初才出现。现代科学技术的发展已进入一个各种材料综合使用的新阶段。人们预测2l世纪将是复合材料大发展的时代。,二、复合材料的发展 材料科学家认为：就世界范围而论，从1940年开始到1960年的这20年是玻璃纤维增强塑料的时代，可称为复合材料发展的第一代。,60年代开始到现在是玻璃纤维增强塑料(我国简称为玻璃钢)的成熟和完善时期。在这一时期中，同时出现了硼纤维增强塑料和碳纤维增强塑料。到了70年代是Kevlar纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料和氧化铝金属纤维增强塑料以及各自的金属基、陶瓷基、碳基等复合材料等先进复合材料相继出现的时代。”60年到1980年的20年间是先进复合材料的开发时期，称为复合材料发展的第二代。,从1980年开始直到2000年这20年将是先进复合材料得到充分发展的时期，在这一时期中，复合材料不仅在宇航及飞机材料中应用，而且在所有的工业领域中部将得到应用，这一时期可以认为是先进复合材料发展的成熟时期。在这一时期中，不仅纤维增强塑料(FRP)，就连纤维增强金属(FRM)也将作为各种结构材料而被实用化了。这一时期称为复合材料发展的第三代。,三、 复合材料的定义与命名1定义 复合材料是由两种或两种以上的单一材料，用物理的或化学的方法经人工复合而成的一种固体材料。 因此在微观构造上它是一种不均匀材料，具有明显的界面。各种组分材料在界面上存在着力的相互作用。复合材料可保留组分材料的主要优点，克服或减少组分材料的许多缺点，还可产生组分材料所没有的一些优异性能和弱点，其微观构造和复合机理是非常复杂的。,通常是使高强度、高模量、脆性的增强材料和低强度、低模量、韧性的基体材料经过一定的成型加工方法制成复合材料。 复合材料是与常规材料如金属、塑料等等完全不同的一类材料，它本质上是结构物。用常规材料进行设计和加工制造常规材料结构物，而复合材料结构物是与复合材料一起设计、一起成型制造出来的。这种材料与结构物是一体，一起设计、一起制造的特点，为复合材料结构物的设计提供了很大的设计自由度，带来很大的优越性，可以得到各种单一材料所不能具有的特殊性能。,现代材料科学所讨论及研究的复合材料一般是指纤维增强、颗粒物增强或自增强的高分子聚合物基、陶瓷基(即无机非金属基)或金属基的复合材料。现代复合材料学科包括增强材料、基体材料、界面粘结、结构设计、成型工艺、性能及其测定等方面，并逐步形成了一门与化学、物理、力学及各种应用学科有关的跨学科性的、有着广泛的内在联系并互相渗透和互相推动的材料科学。,2命名 复合材料的命名习惯上把增强材料的名称放在前面，基体的名称放在后面。例如以玻璃纤维和聚丙烯塑料构成的复合材料称为“玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料”，简称为“玻璃纤维聚丙烯复合材料”或“玻璃纤维聚丙烯复合材料”。又如以碳纤维和环氧树脂构成的复合材料称为“碳纤维增强环氧树脂基复合材料”，简称为“碳纤维环氧树脂复合材料”或“碳纤维环氧复合材料”。我国称为“玻璃钢”的复合材料，一般是指玻璃纤维和不饱和聚酯树脂构成的复合材料。 复合材料的组分材料，绝大多数是由人工制成的或可由人工合成的，因此不会产生资源枯竭的问题。复合材料及其结构产品与金属材料及其结构产品相比，可大大降低能源消耗，减少材料消耗和装配工作量，大幅度地减少腐蚀和磨损，缩短生产周期，提高部件和产品的性能，延长使用寿命。复合材料是大有发展前途的新型材料，90年代和下一世纪将是复合材料的时代。,四、复合材料的分类 复合材料可按用途、基体材料、增强材料进行分类。 （一） 按用途分类1结构复合材料 利用复合材料各种良好的力学性能，例如比强度高、比刚度大和抗疲劳性能好等优点，用于建造或构造结构的材料，称为结构复合材料。并非所有利用复合材料力学性能的材料都是结构复合材料，而结构复合材料有时也具有一些良好的非力学方面的功能。结构复合材料由基体和增强材料组成，增强材料分散在基体之中，用以增强基体；基体材料将增强材料粘结成一个整体，成为复合材料并产生优异的性能。本书侧重讨论结构复合材料。2功能复合材料 利用复合材料的物理、化学和生物学的功能作为主要用途的，称为功能复合材料。例如，利用复合材料的电学性能、磁学性能、光学性能、热学性能、放射线特性、化学性能、生物学性能和力学性能作为其主要功能的，称为功能复合材料。有些复合材料同时兼有许多功能，也可设计和制造成具有多种功能的复合材料。,（二）按基体材料分类 复合材料又可按基体材料的不同而分为聚合物基体复合材料、金属基体复合材料和陶瓷基体复合材料。聚合物基体复合材料的应用最广，生产工艺比较成熟，一般说宋，价格比较便宜，使用温度较低。金属基复合材料可用于高温，但制造工艺中所涉及的许多问题非常复杂，影响产品的质量和性能，价格昂贵。金属基复合材料具有许多非常突出的优点，是高技术中不可缺少的一种新型材料。陶瓷基复合材料本身坚硬、模量较高且可耐高温，但性跪、断裂应变很小，抗拉和抗冲击性能很差；在陶瓷材料中加入延伸率较大的增强纤维，则可明显改善韧性和耐冲击性能。,（三） 按增强材料分类1粒子增强复合材料 在粒子增强复合材料中，基体起比较主要的作用。比基体坚硬的增强微粒，均匀地分散在基体之中，用以增强基体抗错位的能力，因而提高了材料的强度和刚度，但同时增大了脆性。按增强颗粒的大小来分，又有弥散强化(粒径为0.010.1m，粒子体积分数为1一15%)和粒子强化(粒径大于1m，粒子体积分数大于25)两种。粒子增强复合材料在宏观上可认为是均匀各向同性材料，但在微观构造上是不均匀的和很复杂的，也存在着界面、缺陷和微裂纹，它不同于均匀、连续和各向同性的金属材料和工程材料。2薄片增强复合材料 在这种复合材料中用以增强基体的薄片，在面内任意两个方向都起增强作用，它在x和y方向是同性的。由于这种复合材料的力学性能往往不如纤维增强复合材料，因此很少用作结构材料。用云母薄片增强的复合材料是一种功能材料，用金属薄片（金属箔)增强的复合材料也是功能材料。,3纤维增强复合材料 这种复合材料由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小，一般在l0m以下，缺陷较少又较小，断裂应变约为千分之三十以内，是脆性材料，容易损伤。断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度和模量要低得多，但可经受较大的应变(百分之几或更大些)，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料这主要是指聚合物基体和金属基体而不是指陶瓷基体。在纤维增强复合材料中，纤维比较均匀地分散在基体之中，在纤维方向增强基体，起最主要的承载作用。基体的作用把纤维粘结成一个整体，保持纤维间的相对位置，使纤维能协同作用，保护纤维免受化学腐蚀和机械损伤；并减少环境的不利影响，传递和承受剪应力，在垂直于纤维的方向承受拉、压应力等。纤维增强基体的效果，在某个合理的纤维体积分数Vf (在复合材料中纤维所占的体积百分比)范围内，与Vf成正比。Vf太小了起不到增强效果，纤维在基体应变稍大时就已大量断裂，在基体中造成很多缺陷，反而使强度下降，是不可取的；Vf太大在工艺上不易操作(例如短纤维增强复合材料)，纤维和基体间由于粘结变差，缺陷增多，界面强度下降。韧性基体在复合材料中的体积分数减小了，脆性纤维的体积分数增大了，使复合材料的韧性减小，抗冲击和断裂的性能下降，达不到良好的增强效果，也是不可取的。,纤维增强复合材料，由纤维的长短可分为短纤维增强复合材料和长纤维(连续纤维)增强复合材料，它们具有不同的特点和用途。 短纤维增强复合材料 短纤维增强复合材料可分为单向短纤维复合材料和杂乱短纤维增强复合材料。单向短纤维增强复合材料，在纤维方向的强度和刚度最大，纤维是起决定性作用的因素；在垂直于纤维方向的强度和刚度，以及剪切强度和刚度方面，基体是起主要作用的因素。杂乱短纤维增强复合材料，又分为短纤维在平面内随机分布和空间随机分布两种。纤维在材料中杂乱分布，它是准各向同性的。挤压注射成型的短纤维增强复合材料零部件，具有一定程度(可能是不规则的)各向同性。单向短纤维增强复合材料在纤维方向的力学性能比杂乱短纤维增强复合材料好得多，但在承受剪切和横向拉、压性能方面，就差得多了。 在杂乱短纤维增强复合材料中，制造工艺比较简单，适合大规模生产，因而能大大提高生产率和大幅度降低成本。杂乱短纤维增强塑料比之工程塑料，各种力学性能都有改善，因而很有发展前途。短纤维复合材料，除了制造片状模塑料(SMC)作为板材用外，还可用注射成型、模压成型和离心浇铸等工艺高效率的生产零部件。由于劳动生产率很高，价格又比较便宜，因而近年来应用很广。,连续纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料在纤维方向具有很高的强度和模量，但在剪切强度和模量方面，在垂直于纤维方向的拉、压强度和模量方面，就远不如三维杂乱短纤维增强复合材料，常发生横向开裂和脱层问题。连续纤维复合材料又分为单向复合材料、叠层复合材料和编织复合材料等。各种复合材料都有其特点和最适用的范围。 纤维增强复合材料由于纤维和基体的不同，品种很多，例如碳纤维增强环氧、硼纤维增强环氧、Kevlar纤维增强环氧、Kevlar纤维增强橡胶、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强铝、石墨纤维增强铝、碳纤维增强陶瓷、碳纤维增强碳和玻璃纤维增强水泥等。钢纤维(或细钢丝)增强水泥和玻璃纤维增强水泥属于短纤维增强复合材料，它是结构复合材料，主要用于民用建筑。,按纤维性能可将复合材料分为高性能纤维复合材料和工程复合材料。 高性能纤维复合材料 以碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar纤维(芳纶纤维)和晶须等高性能纤维增强的复合材料，称为高性能纤维复合材料。 工程复合材料 玻璃纤维增强塑料(GFRP，俗称玻璃钢)和钢纤维增强水泥等，与高性能纤维复合材料相比，价格比较便宜，某些性能(例如比刚度)较差，在工程上用量较大，称为工程复合材料。 在复合材料中，只采用一种纤维和基体材料，称为单一复合材料；如采用两种或两种以上的纤维材料，称为混杂纤维复合材料。对于叠层复合材料的纤维混杂方式，又可分为按层混杂和层内混杂两种。在按层混杂复合材料中，每层只采用一种纤维和基体，但不同层次可采用不同的纤维和基体，也可采用金属薄片；在层内混杂复合材料中，任何层片都含有两种或多种纤维。也可以采用兼有上述两种混杂形式的超混杂复合材料，以增加设计的自由度。,混杂复合材料可出现混杂效应或称为杂交效应。若出现了单一复合材料所没有的优异性能，则此效应称为正混杂效应；若出现了单一复合材料所没有的明显缺点，则此效应称为负混杂效应。一般说来，混杂复合材料在主要方面获得正混杂效应的同时，可能在次要方面出现一些负混杂效应。,1.2、复合材料的特点和性能 复合材料可由单一增强材料和基体材料组成，也可由几种增强材料和基体材料组成。它是由各种组成材料取长补短复合而成的具有各种材料综合性能的新材料，其性能一般由组成的增强材料和基体材料的性能以及它们之间的界面所决定，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。因此，复合材料有以下的共同特点。,一、复合材料的特点1. 可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。例如：玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。2. 可按对性能的需要进行材料的设计和制造，复合材料是一种结构物。例如：用绝缘性能好的塑料套管包裹导电性能好的金属丝，我们很容易地制造出了既导电又绝缘的最简单的复合材料导线。3. 可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。,二 、复合材料的优良性能1. 比强度高比刚度大：单位质量的强度和模量，称为比强度和比模量，是在质量相等的前提下衡量材料承载能力和刚度特性的一种指标。2. 成型工艺性能好：这里是指聚合物基体纤维增强复合材料的成型工艺性能好。3. 材料性能可以设计：复合材料的最主要优点和特点在于它的可设计性。,4. 抗疲劳性能好。疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。疲劳破坏是飞机坠毁的主要原因之一。复合材料在纤维方向受拉时的疲劳特性要比金属好得多。金属材料的疲劳破坏是由里向外经过渐变然后突然扩展的。在渐变阶段，疲劳裂纹和损伤尺寸甚少且甚小，不易检测到。裂纹一旦达到临界尺寸，就突然断裂。因此在发生疲劳破坏之前，往往没有明显的预兆。而纤维增强复合材料的基体，是断裂应变较大的韧性材料。在基体中和在界面上，固化后常有缺陷和裂纹存在，纤维和基体间的界面常常能阻止裂纹的扩展或者改变裂纹扩展的方向。因此其疲劳破坏总是从纤维或基体的薄弱环节开始，逐步扩展到结合面上，损伤较多且尺寸较大，破坏前有明显的预兆，能够及时发现和采取措施。,5. 破损安全性能好。单向纤维增强复合材料，是成千上万根纤维在同一方向由基体粘合而成的。纤维中不可避免地存在着缺陷。若没有基体在传递剪应力，则在拉伸过程中必定有一些纤维由于应力过大或缺陷较大而首先断裂，不再参与承载。于是各纤维的受力状态发生变化，又有一些应力过大或缺陷较大的纤维再次发生断裂，并使断裂的过程加速发展，直至全部的纤维断裂为止。各根纤维所承受的应力和应变非常悬殊，很不均匀，而全部纤维的平均应力和应变则很低。纤维束几乎没有抗压和抗弯的能力，因而纤维束不能单独作为结构材料使用。在纤维增强复合材料中，由于基体的作用，在沿纤维方向受拉时，各纤维的应变基本相同。已断裂的纤维由于基体传递应力的结果，除断口处不发挥作用和在断口附近一小段部分发挥作用外，其余绝大部分纤维依旧发挥作用。断裂了的纤维周围的邻接纤维，除在局部需多承受一些由断裂纤维通过基体传递过来的应力而使应力略有升高外，各纤维在宏观意义上说几乎同等受力。各纤维间应力的不均匀程度大大降低了，其平均应力将大大高于没有基体的纤维束的平均应力，因而增大了平均应变。这样，个别纤维的断裂就不会引起连锁反应和灾难性的急剧破坏，因而破损安全性能很好。,6. 减振性能好。以聚合物为基体的纤维增强复合材料，基体具有粘弹性。在基体中和界面上有微裂纹和脱粘的地方，还存在着摩擦力。在振动过程中，粘弹性和摩擦力使一部分动能转换为热能。因此，纤维增强复合材料的阻尼比钢和铝合金大，若采取措施还可使阻尼增大。这就是纤维增强复合材料减振性能好的原因。,7. 热稳定性好。纤维增强复合材料的结构部件(和产品)在大幅度温度变化的环境下，具有非常微小的热变形。石墨纤维和Kevlar纤维的复合材料，在纤维方向具有数值很小而且是负值的热膨胀系数。当温度升高时不是伸长而是收缩，当温度下降时不是收缩而是伸长。这种可贵的特性经过合理铺层，可设计出线膨胀系数为零或接近于零的部件。这种特性很重要，只有采用上述纤维增强复合材料才能得到。,三、复合材料目前还存在的缺点 1. 大多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小，所以纤维增强复合材料也是脆性材料。沿纤维方向是这样，垂直于纤维方向更是这样。其断裂应变要比金属材料小得多，这是较大的缺点。但改善纤维的断裂应变、基体的韧性和界面状况，就可提高复合材料的强度和抗断裂、疲劳及冲击等能力。 2. 叠层复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度很低，这已成为致命的弱点；层间切变模量相当低，引起了若干问题，带来了不良的后果。,3. 影响复合材料性能的因素很多，其中包括纤维和基体性能的高低，孔隙、裂纹和缺陷的多少，工艺流程和操作过程是否合理，固化的温度、压力和时间的安排(升温和降温阶段)是否合适，生产环境和条件是否满足要求等等，这些都能引起复合材料性能的较大变化。加上产品还缺乏完善的检测方法，因此产品的质量不易控制，材料性能的分散性大，可靠性较差。放松了对分散性的要求，而采用过大的安全系数，将使复合材料的优点得不到充分利用。因此，需要十分重视产品质量问题。 4. 用硼纤维、碳纤维和碳化硅纤维等高性能纤维制成的树脂基和金属基复合材料，虽然某些性能很好，但价格昂贵，影响广泛地应用。,纤维增强复合材料与传统的金属材料相比，具有较高的强度和模量，较低的密度。P7 表11。由于纤维增强复合材料具有表中的特点，因此广泛被应用于结构材料。传统的结构材料如钢、铝合金具有各向同性的特点，而纤维增强复合材料一般有很强的方向性。例如：沿纤维方向具有最大的拉伸强度的模量，垂直于纤维方向具有最低的强度和模量，沿其它方向具有较低的强度和模量。纤维增强复合材料其它物理性能和机械性能如热膨胀系数、热传导和冲击性能等具有类似的情况。如果双向或多向增强则可改善各向同性。虽然纤维增强符合材料的其它方向相比于纤维方向具有较低的性能，但仍然优于一般材料。 纤维增强复合材料的结构设计与金属材料的结构设计相比，由于各个方向性能的差异，困难更多些。但是纤维增强复合材料的各向异性，根据结构物设计的需要而提供制作适应和发挥材料的性能特点，这种特点只有复合材料才可能具有。这种设计的灵活性可以增强某一方向包括强度、刚度等无须另外设计和加工。,纤维增强复合材料的结构设计与金属材料的结构设计相比，由于各个方向性能的差异，困难更多些。但是纤维增强复合材料的各向异性，根据结构物设计的需要而提供制作适应和发挥材料的性能特点，这种特点只有复合材料才可能具有。这种设计的灵活性可以增强某一方向包括强度、刚度等无须另外设计和加工。 除了性能上的各向异性外，纤维增强复合材料与金属材料还存在很多差异。例如一般来讲，金属材料具有屈服和塑性变形，而大部分纤维增强复合材料在强伸性能上表现为弹性，而这些材料的不均匀性形成高能量的吸收。纤维增强复合材料在外界负荷作用下，可能在性能上逐渐衰减但并没有破坏，因此金属材料与纤维增强复合材料在损伤发展的过程、机理方面同样存在较大的差异。 纤维增强复合材料还具有独特的高阻尼性能，因而能较好地吸收振动能量，同时减少对相邻结构件的影响。这种高阻尼性能的纤维增强复合材料应用于汽车，可减少噪音和振动，改善其舒适性。,1.3 复合材料的应用与发展 从本世纪40年代起，复合材料的发展已经历了整整半个世纪。随着技术的提高，应用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制品以及家庭与办公用品等等各部门。90年代初世界总产量达到300多万吨，日本近60万吨，我国约占15万吨。 复合材料由于在航空航天和军工领域的重要性，其发展始终由这一领域推动，同时也在国民经济各个领域开花结果。如在1994年美国130多万吨的总产量中，航空航天和国防军工领域的应用不到2万吨，仅占1.5左右。民用领域的应用主要集中在建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子5大领域。在美国、西欧和日本，这5大领域的应用量占到总应用量的85左右。5大领域的侧重面各国有所不同。例如，日本建筑与住宅领域的应用占到总用量的50以上，而在美国仅占不到20；美国在汽车上的用量占到总用量的近30，而在日本仅占不到6。各个国家根据自己经济发展特点，有自己不同的发展重点。,一、在建筑上的应用 复合材料在建筑上可作为结构材料、装饰材料、功能材料以及用来制造各种卫生洁具和水箱等。由于价格的原因，多采用玻璃纤维复合材料。 结构复合材料包括承重结构型材、护板和轻质屋盖等，主要用于含有腐蚀介质的厂房和展览馆、体育馆、高级娱乐厅等一类建筑。前者利用玻璃纤维复合材料良好的防腐蚀性能；后者利用其轻质高强和容易造型的优点，容易实现建筑学与美学的结合，达到造型轻巧美观的效果。 装饰材料包括建筑物的内、外装饰件，除轻质外，充分利用复合材料造型和色彩调配比较容易的特点，可以制造带有各种图案、花纹、仿造天然材料等等的装饰板材和雕塑。功能材料包括需要采光建筑物，如暖房、商业街的透明拱顶；需要防腐厂房的防腐墙；需要保温或隔音建筑的保温或隔音墙板等。 卫生洁具和水箱等在发达国家已广泛应用。,二、在陆上交通上的应用 这一领域主要应用于汽车工业。目前尚处在汽车部件的替代阶段，包括内装饰件、外装饰件和机能结构件。内装饰件以造型美观、色彩舒适和使用柔软安全为特点，多采用增强热塑性复合材料。汽车外装饰件中的发动机罩、保险杠、车顶、挡泥板等等，是汽车上玻璃纤维增强塑料主要代用部件；机能结构件往往有较高的性能要求，如板簧、传动轴和油箱等。油箱已达到实用化，板簧也有一定的应用，传动轴还在试用阶段。目前复合材料在汽车上的应用主要达到减轻质量的目的，同时也改善性能，如提高疲劳寿命和防腐性能，减小噪音等等。 高速列车的车头驾驶室外壳、厢内壳及许多装饰件都已采用复合材料。,三、在船舶和近海工程上的应用 船舶和近海工程上也主要采用玻璃纤维增强塑料，据统计每年要消耗30万吨以上，占世界复合材料总用量的l0以上。主要利用玻璃纤维增强塑料轻质高强、防腐性能好、维修费用低等优点。建造船舶种类包括渔船、游艇、高速艇、扫雷艇等。近海工程包括港口建设工程和海洋工程（如海洋钻井、海洋釆油）上的应用，除了具有良好的防腐性能外，轻质高强对海上材料运输、安装都带来方便。具体构件包括如海洋平台、挡风墙板、护栏、各类管道等等。,四、在防腐工程上的应用 玻璃纤维增强塑料良好的防腐性能使之在防腐工程上得到最广泛的应用，消费量也要占到复合材料总用量的l0以上。化学工业生产中，从原材料、生产过程中的各类物质，直至最后的成品，往往都具有不同程度的、甚至很强的腐蚀性，因此防腐设备的用量最大，包括各类贮罐、塔器、管道、槽车等等。除化工防腐外，油田的输油管、污水管、环保设备中都大量采用玻璃纤维增强塑料。作为生活污水处理的净化槽，日本每年的需求量就高达50万座。,五、 在电气电子工业上的应用 在电气电子工业上的应用主要是利用玻璃纤维增强塑料的良好电绝缘性能和良好的绝热性能，用于电力工业的输配电设备、各类绝缘构架和操作器械，如各类互感器套、开关套、配电箱、电缆箱、电缆槽、电动车接电杆架、绝缘操作设备构件等等。可以用玻璃纤维短切毡片板压制成型各类电器仪表和家用电器罩壳，它具有绝缘性能好、造型容易、色彩鲜艳等综合优点；加入适当的碳黑或其他导电粉末，可以控制材料的导电性能制造防静电电灯罩或罩壳，用于矿井、油田或化工厂房中易爆工作场所的各类灯具和电器罩壳。 通讯设备中的雷达罩利用玻璃纤维增强塑料的轻质高强和透波性能，在天线反射面中也普遍采用玻璃纤维或碳纤维增强塑料。,六、在航空航天和国防军工上的应用 复合材料的高比刚度和比强度，使它成为航空航天工业中非常理想的材料，因为减重在这里将带来非常大的效益，也因此碳纤维复合材料成为主要的选择。如果需要兼有其他功能时也采用其他纤维或采用混杂纤维。 航空工业上普遍使用玻璃纤维增强塑料的机头雷达天线罩，它既起承力作用，又有良好的透波性能。直升机旋翼桨叶采用复合材料不但可减轻质量，还可采用变截面曲面翼形以提高空气动力学效应，又有疲劳寿命长、对缺口敏感可靠性强等优点。在民用飞机基本结构件上的使用还十分慎重，仅开始在垂直尾翼和水平尾翼上试用。如A3l0空中客车的垂直尾翼采用混杂复合材料减重397kg；A320空中客车在垂直和水平尾翼上应用，减重800kg。民用机的更多采用是在非受力件上，如货仓地板、行李柜、座位架、装饰件等。材料性能对于军用战斗机有更重要的意义，也更多采用复合材料。欧洲国家80年代末期的目标是结构重量35是复合材料，替代构件包括主翼、机身、尾翼和舵等。,航天工业上应用复合材料带来的效益更为突出，因为减重就是意味着可以增加载重或是提高火箭的射程。卫星系统中普遍采用碳纤维复合材料做基本构件，如太阳能系统、微波通讯系统、卫星仓内各种结构件。碳纤维复合材料低的轴向热膨胀系数，保持良好的尺寸稳定性，以确保卫星观测、通讯系统的精确度。在火箭系统中，玻璃纤维缠绕固体火箭发动机壳体大大减轻火箭质量，美国“北极星A3”潜地导弹中复合材料结构质量比原先金属结构质量减轻5060。用芳纶纤维代替玻璃纤维，又使“三叉戟”潜地远程导弹结构减轻35以上，使射程增加500km。我国的卫星中复合材料构件占总结构质量的8090，最大运载火箭的碳环氧发动机壳体质量近l 000kg，比铝合金壳体减轻质量30。,复合材料在军事工业上应用对于提高武器威力、增大射程、减轻武器质量等方面也起重要的作用。在战术火箭中的火箭发射筒、火箭发动机壳体、小型固体火箭发动机耐烧蚀喷管等都采用复合材料。美国、前苏联、德国的反坦克导弹的大部分构件是采用工程塑料、玻璃纤维增强塑料以及合成橡胶等制造的，其发射筒和包装筒合为一体，采用缠绕玻璃纤维增强塑料。在陆军快速部队火炮中，玻璃纤维复合材料炮管、炮管热护套、盾板等大型构建，常规枪械中的枪托、护木、握把和发射筒等都大量采用玻璃纤维增强塑料。,第二章 增强纤维2.1 概述 作为增强材料的纤维是组成复合材料的主要成分。在纤维增强复合材料中占有相当的体积分数，同时是结构复合材料承受载荷的主要部分。增强纤维的类型、数量和取向对纤维增强复合材料的性能十分重要，它主要影响以下的方面：（1）密度；（2）拉伸强度和模量；（3）压缩强度和模量；（4）疲劳强度和疲劳机理；（5）电和热性能；（6）价格。,2.2 凯夫拉纤维（Kevlar） 属于 芳香族聚酰胺纤维 常规：脂肪族聚酰胺纤维 PA6 PA66芳香族聚酰胺纤维分为两种:聚对苯二甲酰对苯二胺和聚间苯二甲酰间苯二胺,美国杜邦：Kevlar Nomex日本帝人:Technora Conex荷兰阿克苏：Twaron中国 芳纶1414 芳纶1313,芳纶1313一般性质：机械强度48.4cN/tex,断裂伸长17%良好的耐热性，在260度使用1000h，能保持原强度65%，在300度高温下使用一周，保持强度50%芳纶1414一般性质：强度193.6cN/tex，断裂伸长4%，初始模量4400cN/tex，为聚酰胺纤维的11倍，涤纶的6倍在150度下纤维的收缩为0，最高使用温度232度,应用：1313航空服，原子能工业防护服，消防服，防火 防燃材料等。1414汽车 飞机的轮胎帘子线，防弹材料，复合材料的增强材料,一、凯夫拉纤维发展简史1965年 S L Kwolek 合成了一系列的对位芳香族聚酰胺1970年 发明 干喷-湿法纺丝1972年 杜邦公司 产业化 B纤维1974年 日本帝人公司 产业化,二、凯夫拉纤维制造及其产品1、聚合物准备1965年，在 二烃基酰胺溶液内 苯撑（PPD）和对苯二酰氯（TCI）低温缩聚而成。聚对苯二甲酰对苯二胺 PPD-T,2、聚合物溶液性质不溶于一般溶剂，仅溶于强酸，如：硫酸、氯酸、硝酸、氟磺酸等。PPD-T/H2SO4，在低质量分数下，溶液呈各向同性Kwolek发现在10%时 呈各向异性低于12%时，溶液黏度增加很快高于12%时，溶液黏度下降20%时 ，溶液完全成为液晶,3、纺丝溶液纺丝和 熔融纺丝溶液纺丝分为干法纺丝和湿法纺丝采用干喷-湿法 纺丝,4、对位芳香族聚酰胺纤维及其产品美国杜邦：凯夫拉 帘子线凯夫拉29 各种用途的纱凯夫拉49 高模量纱凯夫拉68 中等模量纱凯夫拉100 各种色纱凯夫拉110 高伸长纱凯夫拉129 高强度纱凯夫拉149 超高模量纱,荷兰阿克苏：Twaron 1000 标准模量（SM）用于织造、编制Twaron 1010 标准模量（SM）增强复合材料（缠绕 成形）Twaron 1111 中等模量（IM）增强复合材料（缠绕 成型、拉制成形）织造、编制Twaron 1055 高模量（HM）织造、编制Twaron 1056 高模量（HM）增强复合材料（缠绕 成型、拉制成形）,日本帝人：Technora 200 高强，橡胶基增强材料Technora 210 高强，绳索Technora 240 高强，机织、针织物,（1）对位芳香族聚酰胺长丝纱（2）凯夫拉色纤维基本颜色：灰绿色、品蓝、黑和黄色制作防护服，如消防人员服装、运动员手套等,（3）凯夫拉短纤维 凯夫拉短纤维有卷曲和无卷曲两种，长度为6.35-63.5mm，25.4mm以上可在棉纺设备上纺纱，也可制成毡。 可替代石棉，做离合器衬片、增强材料，缝纫线（4）凯夫拉织物 机织针织都行，广泛用于复合材料、装甲车、大型飞机、船舶、涂层织物等。 较好的抗割与抗刺能力，做防护织物，防弹衣、装甲和船舶板,（5）凯夫拉纸粕是具有较高原纤化的较短的纤维产品。,三、凯夫拉纤维的结构和形态 凯夫拉纤维包含几个层次的叠加微观结构和宏观结构，他们包括结晶结构、褶叠结构、原纤结构和皮芯结构。1、结晶结构X-衍射分析：晶体尺寸、结晶度、结晶取向和结晶缺陷,晶体尺寸： 通过广角X-衍射研究发现，在图上没有非结晶的晕，判断凯夫拉纤维具有高的结晶度。表观晶体尺寸（ACS）表示凯夫拉29 ACS5.8nm,结晶度：Gardener 估测 凯夫拉29 大于85% 凯夫拉49 90%-95%Hindeleh 估测 凯夫拉29 68% 凯夫拉49 76%,结晶取向：凯夫拉和凯夫拉29 12-20度凯夫拉49 12度,晶体缺陷： 根据模型建立，一般认为周期为30-40nm，常规纤维锦纶10nm，涤纶13nm。 Avakian 提出凯夫拉纤维存在次晶结构，即具有局部结晶的单相结构，但较长范围内无序。 根据次晶结构模型，可观察到的晶格扭歪是由于分子链末端的局部结晶缺陷进入结晶结构。对于常规纤维来讲，结晶相关长度往往是晶片的厚度，这小于长周期长度。锦纶为6.8nm，涤纶5.9nm，凯夫拉80nm,2、原纤结构 凯夫拉纤维承受摩擦时易原纤化，这是由于有序的原纤结构以及较小横向力。3、褶叠结构 当纤维凝固时，纤维表层首先形成，纺丝应力衰减，则纤维中心层松弛，同时在结晶过程中，均匀周期性形成褶叠。 这种褶叠给纤维带来一定的弹性。,4、皮芯结构 形成皮芯结构是由于在纤维凝固过程中，皮芯之间在长度、空隙和原纤取向存在的差异的缘故。 凯夫拉长丝的皮层具有较高取向的原纤结构，在芯层具有较低取向的原纤结构。,四、凯夫拉纤维的化学与物理性质 长丝密度、回潮率、强伸性能（结强、钩强、零和半强温度）热学性能 凯夫拉 29 结强 拉伸性能百分比 35-40 钩强 拉伸性能百分比 45-50 半强温度 400 零强温度 455,1、一般性质 平均相对分子质量20000，聚合度84，分子链长度108nm 大部分凯夫拉纤维线密度为1.37dtex，截面为圆形，直径0.012mm， 大部分产品密度1.43-1.44g/ cm3,凯夫拉49为1.44-1.45g/cm3，锦纶为1.14，聚酯1.38，碳纤维1.8，玻璃纤维2.25，钢丝7.9。 凯夫拉 和 凯夫拉29 回潮率为7.0% 凯夫拉49为4.0% 凯夫拉149为1.0%,2、机械性能（1）强伸性能单丝强度22.9-26.5cN/dtexA：捻度B：应力应变曲线C：自由长度D：使用寿命E：蠕变性能,（2）压缩性能报导少，压缩强度是拉伸强度的1/5，模量基本相同。（3）剪切性能凯夫拉49纤维扭转应变大于10%后，强伸性能降低10%，这种强度的损失是由于纤维纵向劈裂。,（4）疲劳性能拉伸：以断裂强力80%可循环拉伸107次，但其中80%的长丝断裂，以6%的断裂强力进行循环拉伸10 7次，没有纤维断裂，单纤维产生原纤化。压缩：弯曲实验。弯曲寿命取决于所加符合大小和纤维直径。13.6tex凯夫拉纤维弯曲疲劳性能相似于54.5texPA66的性能。当凯夫拉纤维增加到27.3tex时，弯曲寿命减少3-5倍。Dobb比较了凯夫拉29和49 的弯曲疲劳性能发现：开始几个循环，强力损失较大，后来强力损失减少。凯夫拉49的强力损失大于凯夫拉29，由于其具有更高的模量和结晶度。Farris发现1.2%的压缩应变，循环10 2次后，强力损失10%,（5）耐磨性能 由于凯夫拉纤维较弱的横向结合力，因此具有较低的耐磨性能，当纤维之间摩擦或与金属表面摩擦，易原纤化。这种情况在纤维表面区域，易纤维劈裂或原纤化，以致形成断裂。为了保护其表面，大部分凯夫拉纤维制品上油剂，增加耐磨性。,（6）断裂形态及破坏机理 凯夫拉纤维具有高的强伸性能，较低的压缩性能和剪切性能，凯夫拉的应用主要取决于其强伸的特点。断裂形态a:呈尖端断裂 b：原纤化断裂c：扭结带断裂,3、热性能（1）比热容 凯夫拉49纤维室温时比热容1.7KJ/Kg.K,随温度的增加而增加。因此凯夫拉纤维改变温度需要较大的热量，这使凯夫拉纤维比一般纤维具有良好的散热和绝热性能。（2）热传导 导热系数0.52J/m2.K。 凯夫拉29的织物、毡和相同厚度的玻璃纤维布，石棉布具有相同的热绝缘性能，但在相同重量下，凯夫拉纤维比玻璃纤维石棉织物具有较好的热绝缘性能。,（3）转变温度 低相对分子质量的PPD-T的玻璃化转变温度为375度，熔点530度，高相对分子质量的无熔点温度。（4）降解温度 300-500之间有二氧化碳、水释放 500-540之间产生对苯二胺、苯基氰，苯胺等。 凯夫拉29 凯夫拉49低于350度 失重1% 1% 450度 失重4.8% 3.9%500度 失重7% 5.5%675度 失重51% 20.4%,（5）抗燃性能 极限氧指数28.5-29，在427度炭化。 燃烧气体：有毒气体CO HCN凯夫拉49 50mg 14mg腈纶 170 40锦纶66 250 30羊毛 120 17聚酯 300 /,（6）尺寸稳定性 轴向热收缩 横向热膨胀（7）热稳定性拉伸强力损失3.3cN/dtex.100C在300度时，凯夫拉纤维的断裂强力高于其他合纤在-196度，凯夫拉纤维基本不产生脆裂或降解,（8）热处理对凯夫拉纤维性能的影响A：结晶度加温低于400度时，结晶度未改变，400度以上结晶度很快减少。B:结晶尺寸在低温时，结晶尺寸保持不变，250度以上，随着温度的增加，结晶尺寸增加，400度以上，结晶尺寸减小。c:热老化在150度下对凯夫拉49。7天 结晶度不变，继续延长时间，结晶度逐渐下降在44-150天，结晶度变化不大。前32天结晶尺寸增加，之后逐渐减少,4.化学性质（1）氧化稳定性 在氧化环境下，长时间使用温度150（2）耐化学性能 大部分有机溶剂对凯夫拉纤维的断裂强度影响很小，强酸和强碱在高温高浓先会降低凯夫拉纤维的强度。,2.3碳纤维1879年 Edison 发明碳纤维做电灯丝1950年 美国 制造出具有一定机械性能的碳纤维1959年 美国 产业化 Thornel-25、40、50、1001961-1964 日本 英国 以聚丙烯腈为原料制成碳纤维 Modmor I II T-300 M-401980年 国外 16家公司生产碳纤维,日本1973年 T-300 拉伸强度2.5GPa（1
