结构复合材料 以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应用 结构复合材料 工程应用的角度 功能复合材料 以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，诸如压电材料、阻尼材料、自控发热材料、吸波屏蔽材料、磁性材料、生物相容性材料、磁性分离材料。

结构复合材料 作用：主要用作承力和次承力结构。 要求：质量轻、强度和刚度高，且能耐一定的温度。 组成：由增强体和基体复合而成，前者是复合材料中承受载荷的主要组元，后者则使增强体彼此粘接形成整体，并起传递应力和增韧的作用。

分类： 树脂基复合材料 基体材料 无机非金属基复合材料 陶瓷基复合材料、石膏基复合材料、水泥基复合材料、氯氧镁基复合材料、碳基复合材料 金属基复合材料

碳纤维复合材料 玻璃纤维复合材料 增强纤维的类型 有机纤维复合材料 硼纤维复合材料 混杂纤维复合材料 连续纤维增强复合材料 纤维织物或片状纤维 增强物的外形 短纤维增强 粒状填料

9.1 玻璃纤维增强聚合物复合材料 增强体 玻璃纤维 不饱和聚酯树脂 基体 聚合物 环氧树脂 酚醛树脂 9.1 玻璃纤维增强聚合物复合材料 增强体 玻璃纤维 不饱和聚酯树脂 基体 聚合物 环氧树脂 酚醛树脂 近代复合材料中的第一代产品，集中了玻璃纤维和聚合物的优点，比强度高、绝热、耐烧蚀、电绝缘、抗磁和成型制造方便等优点。

基本性能 影响复合材料性能的因素：原材料、结构设计方法及成型工艺。 (1) 增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学稳定性等是决定GFRP性能的主要因素; (2) 增强材料的含量及其排布方式与方向次之; (3) 增强纤维与基体树脂的界面粘结状况

玻璃纤维的构成与FRP的机械性能 构成 性能 玻璃纤维毡 四层 玻璃布 八层 无捻粗纱布 三层 玻 玻 玻 璃 璃 璃 布 毡 布 玻 玻 玻 璃 璃 璃 布 毡 布 二 四 二 层 层 层 玻 玻 玻 璃 璃 璃 布 毡 布 二 四 二 层 层 层 板厚(mm) 6 3 2.5 7.5 4.0 角度 0º 45º 90º 0º 45º 90º 拉伸强度 (MPa) 86 84 91 171 109 175 207 77 244 85 104 208 93 204 拉伸模量 (GPa) 8.5 9.1 9.3 16.1 10.9 16.9 19.8 11.0 19.9 10.2 8.7 10.0 10.7 16.7 弯曲强度 137 139 142 262 206 253 403 225 407 199 201 295 211 274

构成 性能 玻璃纤维毡 四层 玻璃布 八层 无捻粗纱布 三层 玻 玻 玻 璃 璃 璃 布 毡 布 二 四 二 层 层 层 玻 玻 玻 璃 璃 璃 布 毡 布 二 四 二 层 层 层 板厚(mm) 6 3 2.5 7.5 4.0 角度 0º 45º 90º 0º 45º 90º 弯曲模量 (GPa) 7.7 13.7 8.5 13.4 14.7 9.6 15.7 11.8 8.6 11.3 8.7 13.1 压缩强度 (MPa) 192 193 204 156 145 182 166 117 188 185 203 212 129 230 压缩模量 5.7 6.7 11.2 7.2 12.3 7.6 15.1 7.4 8.3 7.3 12.7 7.1

构成 性能 玻璃纤维毡 四层 玻璃布 八层 无捻粗纱布 三层 玻 玻 玻 璃 璃 璃 布 毡 布 二 四 二 层 层 层 玻 玻 玻 璃 璃 璃 布 毡 布 二 四 二 层 层 层 板厚(mm) 6 3 2.5 7.5 4.0 角度 0º 45º 90º 0º 45º 90º 剪切强度 (MPa) 97 96 95 107 113 108 124 136 128 99 98 119 129 118 拉伸泊松比 0.319 0.327 0.313 0.162 0.396 0.174 0.189 0.496 0.177 0.266 0.408 0.268 0.180 0.432 0.193

增强材料及成型方法和强度的关系 增强材料 成型方法 性能 手糊成型 真空袋成型 加压袋成型 热压釜成型 模压成型 玻璃毡(600g/m2) 成型压力(MPa) 0~0.07 0.84 10.5~28.0 17.5~70.0 35.0~120.0 纤维含量(%) 23 51 46 38 50 41 48 50 密度(g/cm3) 1.52 1.64 1.63 1.50 1.67 1.53 1.61 1.63 拉伸强度(MPa) 81 231 168 130 169 136 150 156 拉伸模量(GPa) 6.4 14.4 13.6 6.7 27.7 8.5 8.6 9.0 弯曲强度(MPa) 143 190 217 190 247 204 218 227 弯曲模量(GPa) 5.7 12.7 13.8 8.7 13.8 9.7 10.0 压缩强度(MPa) 118 119 132 157 148 159 162 163 压缩模量(GPa) 6.5 17.1 17.2 8.1 10.8 8.7

机械性能 1、机械性能的特点 （1）比强度高 FRP密度为1.4～2.2g/cm3，约为钢1/4~1/5，而强度与一般的碳素钢相近。因此FRP的比强度很高。 （2）各向异性 明显的方向依赖性，应尽量在最大外力方向上排布增强纤维，以求充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。

（3）弹性模量和层间剪切强度低 弹性模量低，刚度不足。准各向同性板，其弹性模量与木材接近。 （4）性能分散性大 FRP的性能受一系列因素的影响，性能不稳定。

2. 静态特性 基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。 (1) 拉伸特性 对于单向增强FRP，沿纤维方向的拉伸强度及弹性模量均随纤维体积含量Vf的增大而正比例增加。对于采用短切纤维毡和玻璃布增强的FRP层合板来说，其拉伸强度及弹性模量虽不与Vf成正比增加，但仍随Vf增加而增加 。 双向FRP其纤维方向的主弹性模量大约是单向FRP的0.50~0.55倍；随机纤维增强FRP近似于各向同性，其弹性模量大约是单向FRP的0.35~0.40倍。

E-42环氧FRP不同方向的拉伸性能 性能 方向 0º 15º 30º 45º 60º 75º 90º 拉伸强度(MPa) 比例极限 178 84 50 45 80 160 破坏强度 269 210 173 158 163 194 263 离散系数 12.6 7.9 17.3 11.3 12.8 8.3 11.9 弹性模量(MPa) E1×10-4 1.67 1.33 1.11 1.0 1.00 1.25 1.52 E2×10-4 1.43 0.63 0.16 0.13 0.50 1.22 延伸率 ε(%) 1.6 2.5 4.8 2.6 1.9 注：原材料：无碱100平纹布9层，E-42环氧树脂。 试验温度：15℃~22 ℃ ；144根试件。

(2) 压缩特性 在应力很小、纤维未压弯的时候，压缩弹性模量与拉伸弹性模量接近。玻璃布增强FRP的压缩弹性模量大体是单向FRP的0.50~0.55倍；纤维毡增强FRP的大致是单向FRP的0.4倍。 单向FRP的压缩强度随纤维含量增加而提高，但并非成比例增长。

E-42环氧FRP不同方向的压缩性能 性能 方向 0º 22.5º 45º 67.5º 90º 256 159 134.1 167 压缩强度(MPa) 256 159 134.1 167 218.7 压缩模量(GPa) 19.5 13.6 10.8 12.9 17.5 试件数(根) 4 6 5 注：原材料：无碱100平纹布184层，E-42环氧树脂。 树脂含量：42.3%。

(3) 弯曲特性 FRP的弯曲强度及弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤维制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。 (4)剪切特性 纤维含量增大，FRP的剪切弹性模量上升，FRP的剪切特性也呈现方向性。 E-42环氧FRP垂直板面剪切性能 性能 方向 0º 15º 30º 45º 60º 75º 90º 剪切强度(MPa) 85 83.2 95.0 99.2 98.1 90.7 89.5

3. 疲劳特性 影响FRP疲劳特性的因素是多方面的，实验表明，静态强度高的FRP，其疲劳强度也高。与静态强度不同，每种FRP存在一个最佳体积含量，疲劳强度最高。实际纤维体积含量低于或高于最佳值，其疲劳强度都会下降。 方向性：加振方向与纤维方向的夹角由0º上升到45º，疲劳强度急剧下降。 存在缺陷，温度上升，疲劳强度下降

物理性能 1. 电性能 包括介电常数、介电损耗角正切值、体积和表面电阻系数，击穿强度等 FRP的电性能一般介于纤维的电性能与树脂的电性能之间 树脂的极性越大，电绝缘性越差。分子中极性基团的存在及分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性，从而影响树脂的电性能。

2. FRP的温度特性 （1）热性能 包括导热系数、比热容、线膨胀系数和热变形温度 在室温下，FRP的导热系数一般在0.17W/(m·K)～0.33 W/(m·K)范围内，金属材料的导热系数多在35W/(m·K) ~232 W/(m·K)范围之间， FRP具有良好的隔热性能，可作隔热材料使用。

热膨胀系数[(4~36)×10-6 ºC-1]与金属相近，在一定温度范围内具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。但热变形温度和耐热温度极限较低，耐热性不好。 温度升高时，增强纤维与基体树脂的热膨胀系数差距较大，在温度升高时，易于在纤维－树脂界面产生热应力，影响FRP的机械性能。

(2) 耐热性 ① 温度对于聚合物基体的影响 纤维增强材料一般具有很好的热稳定性，但树脂基体易受温度的影响。 热固性树脂基体已交联成体型网状大分子，只有玻璃态和橡胶态。聚合物物理状态的改变将导致FRP的机械性能发生巨大变化。

影响热固性树脂耐热性的主要因素： 大分子链刚性 固化剂性质 体型树脂的固化交联密度 大分子链刚性提高，交联密度增大，则树脂玻璃化温度升高，热变形温度升高，但同时柔韧性减小，延伸率降低，脆性增加。

② 温度对FRP拉伸性能的影响 温度对 FRP拉伸强度和弹性模量的影响具有的特征： i) 低温范围内，拉伸性能好，随温度上升，强度降低； ii) 在低温范围内，无捻粗纱布FRP于湿态下拉伸强度大，而平纹布FRP无此倾向； iii) 在中温范围内，平纹布FRP在50ºC左右拉伸强度最高，而缎纹布和无捻粗纱布都随温度上升拉伸性能下降； iv) 随着纤维含量的增加，FRP的耐热性提高。

③ 温度对FRP弯曲性能的影响 FRP的弯曲强度和弯曲弹性模量均随温度升高而降低。特别是温度超过70ºC~100ºC后，急剧降低。

197 聚酯FRP在不同温度下的机械性能 性能 温度 室温 60ºC 100ºC 150ºC 200ºC 拉伸强度(MPa) 306.0 272.0 243.0 220.0 221.0 压缩强度(MPa) 179.0 87.0 57.2 26.0 弯曲强度(MPa) 264.0 140.0 68.0 23.9 剪切强度(MPa) 24.6 14.3 9.9 7.5

E-51环氧(固化剂：三乙醇胺)FRP在不同温度下的机械性能 性能 温度ºC -60 -45 10 拉伸强度(MPa) 300 220 10 25 45 60 拉伸强度(MPa) 300 220 170 150 拉伸模量(GPa) 19.0 17.0 16.0 11.0 弯曲强度(MPa) 470 330 120 弯曲模量(GPa) 14.0 3.0 冲击强度(kJ/m2) 390 280 270

（3）FRP阻燃性及耐火性 阻燃性主要决定于树脂基体。 聚酯中引入卤素；添加锑、磷等的化合物以及难燃的无机填料； 三氧化二锑与卤素并用；磷化合物与卤素并用；氢氧化铝和水合氧化铝与卤素共用； 玻璃纤维含量升高，长度增大，可抑制发烟量

老化性能 FRP在长期的使用和贮存过程中，由于各种物理和化学因素的作用，发生的物化性能的下降或变差的现象。 耐化学腐蚀性 耐侯性能 耐水性能

耐化学腐蚀性 抵抗酸、碱、盐及有机溶剂等化学介质腐蚀破坏的长期工作性能。 FRP具有优良的耐化学腐蚀性 化学介质对FRP的腐蚀作用 与玻纤作用：酸、碱和水都是通过破坏SiO2网络而腐蚀玻璃的。一般而言，玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱玻璃纤维更甚；而耐酸性则以有碱玻璃纤维为好。 与基体作用：树脂分子中活性官能团愈多，化学稳定性越差，多数化学反应不可逆。 也破坏玻纤与基体界面的作用

耐侯性能 FRP在户外使用时，抵抗各种气体气候因素的侵蚀破坏的能力。 (1) 温湿度：空气中的水分可以侵入树脂或纤维-树脂界中，破坏界面粘结，降低FRP的弯曲强度。 (2) 光氧作用：受紫外光和氧作用，树脂发生光氧化、光降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。 (3) 风沙作用：风沙对FRP产生机械磨损，导致表面光泽度下降、表面层脱落、纤维外露等. 老化实验：人工老化，自然老化

耐侯性能的改善： 保持FRP透光率的防老化措施 思路 措施 防止变黄 防止白化 防止微裂纹 防止侵蚀及裸露 针对树脂 添加紫外线吸收剂 △ ○ 采用MMA单体 提高耐水性及韧性 针对玻纤 改进偶联剂、浸润剂 减少纱中单丝根数 针对FRP表面 表面覆盖氟薄膜 表面覆盖聚酯薄膜 胶衣层 表面毡与富树脂层 提高固化剂 其他 采用适当固化剂 降低玻璃纤维含量 注：△：效果显著； ○：效果较好

耐水性能 水能溶解和破坏玻纤的SiO2网络，同时加速玻纤表面微裂纹的扩展，从而降低玻纤的拉伸性能。 水可使树脂大分子溶胀，导致树脂内聚强度降低；水对树脂产生增塑作用，降低其弹性模量；能使酯键、醚键发生水解，造成断链、降解等， 水能破坏纤维-树脂界面，沿界面渐渐侵入，从而降低了FRP的层间剪切性能和弯曲性能

提高FRP耐水性的方法： (1) 纤维进行偶联剂表面处理 (2) 选用耐水性好的树脂 (3) 表面采用表面毡形成富树脂层 (4) 表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等

9. 2 碳纤维及其复合材料 碳纤维增强复合材料(CFRP)作为第二代高性能复合材料，在性能、价格平衡关系中被公认为航空、航天工业杰出的高性能结构材料。 碳纤维增强复合材料的比强度和比模量都分别高于国外公认的作为高性能复合材料的最低值4×106cm和4×108cm。

GFRP和CFRP的部分性能对比 材料 密度 (g／cm3) 拉伸强度(MPa) 比强度 (×106cm) 模量（GPa） 2.0 120 6.0 4.2 2.1 CFRP 1.6 180 11.2 12.8 8.0

性能 密度小，高强度，高刚度，热膨胀系数低，耐疲劳和耐腐蚀等。 耐疲劳性优良，在运输、机械工业中用作工程材料、载重桥梁等，是金属材料所不能匹敌的。 解决了一般金属所不能解决的耐海水腐蚀问题。海洋油田钻井用的外套管材料，各种耐化学品容器和反应器材、零部件等。 应用： 航空、航天工业，机械工业和体育用品 未来的大型航天空间站的结构材料将建立在这些热膨胀系数低的轻质、高强材料基础上；传统用的精细量具亦需用热膨胀系数低的材料。CF增强环氧塑料具有随温度降低而力学性能提高的特性，可用于低温环境，并具有抗热冲击性。CFRP可以制作优质的话筒、扩音器材以及其他音响器材。

缺点 脆性，断裂延伸率低。 导致冲击强度和层间剪切强度等性能变坏 解决措施 用碳纤维和玻璃纤维或芳纶纤维混合增强的形式，由这些混合纤维增强的复合材料兼顾了高性能复合材料对模量、强度和韧性的要求，能够同时满足多种性能的需要，增加了材料设计的自由度，扩大了碳纤维复合材料的应用领域。

碳／碳复合材料 以碳为基体的碳纤维增强材料。 60年代发展起来，目前最理想的耐高温材料。 优越性 兼备碳的惰性和碳纤维的高强度，在高达3000℃缺氧的条件下，依然能保持一定的强度。具有低密度、高强度、高刚度和高温稳定等优良性能，是航天飞机和其他军事装备的理想耐高温结构材料。

惰性 ？ 碳/碳复合材料的整体都是碳。碳原子间极强的结合力赋予材料极强的惰性，这种惰性又赋予碳/碳复合材料在其他材料都无法承受的苛刻环境中仍保持自己的形态和性能。

碳/碳复合材料兼具碳和碳纤维增强体的突出性质 耐高温性 碳的加工温度可高达2755K，处于如此高的温度下碳的微观结构和化学组成仍不发生改变，高温尺寸稳定性极佳。 碳的性能 耐化学药品性 对化学品也显示出奇的惰性，仅在高温下才与氢和周期表第6和第7列中的元素起反应，诸如氧、硫、氟和氯等。

碳纤维 赋予CFRC高强度和抗冲击性。在常温或中温下CFRC的强度一般比耐热合金低，但在高温条件下，金属合金的强度迅速下降，而碳/碳复合材料的强度却略有升高。单向碳纤维增强的CFRC其沿纤维轴向的强度甚至在常温下都比超耐热合金高。

缺点 碳的易氧化性 碳的氧化温度不高，在866.5K即氧化燃烧，产生CO或CO2。 在周期性高应力条件下，基体碳素容易尘埃化失落而造成材料破损。

制备方法 碳纤维/热固性树脂复合材料热分解而制成 热固性树脂基体经缓慢加热，树脂裂解转化成碳，其他的所有元素呈气态逸散。 第一步 化学气相沉积法 第二步 加密 液相浸渍法

化学气相沉积法 将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、天然气等通入预制件，并使其分解，析出的碳沉积。达到要求的碳密度后再进行石墨化处理。 强度和模量都比较高，缺点是工艺周期比较长 液相浸渍法 把碳纤维增强材料浸入沥青、酚醛或其他热固性树脂中，浸渗后再经过其他热解碳化处理，反复数次以达到所要求的碳密度。

应用 轻质、高强度、高硬度和耐高温特殊性能在航空和航天领域中应用的优势地位。传统的应用是作航天飞机的机头和翼前缘，火箭喷口和头锥等饶蚀材料。 与良好生物相容性，可用于与血液、软组织、骨骼相接触的人体外科医学部门。

9. 3 有机纤维及其复合材料 芳纶纤维 芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品牌号为凯芙拉（Kevlar）纤维（美国杜邦公司1968年开始研究，1973年研制成功），我国命名为芳纶纤维。 特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度

芳纶纤维的结构 对位芳香族聚酰胺纤维 间位芳香族聚酰胺纤维 芳香族聚酰胺共聚纤维 芳环和杂环的二胺和二酰氯与对苯二酰氯和对苯二胺共聚。

1. 对位芳香族聚酰胺纤维 (1) 聚对苯甲酰胺（聚对胺基苯甲酰）纤维Poly（P-benzamide） 简称PBA纤维。

(2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Poly（P-Phenlene terephthalamide）简称PPTA纤维 目前世界上生产的主要品种

2. 间位芳香族聚酰胺纤维 (1)聚间苯二甲酰间苯二胺纤维 特点：高温性能好，高温下的强度保持率好，以及尺寸稳定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃烧，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化学试剂，绝热性能也较好。 缺点：强度和模量低，耐光性较差。 用途：主要用于易燃易爆环境的工作服，耐高 温绝缘材料，耐高温的蜂窝结构。

(2)聚N, N-间苯双-(间苯甲酰胺)对苯二甲酰胺纤维 主要用作抗燃纤维及耐高温绝缘材料

芳香族聚酰胺共聚纤维 为了制得更高强度和模量的纤维，且改进纤维的耐疲劳性能，采用芳环和杂环的二胺和二酰氯，与对苯二酰氯和对苯二胺共聚，得到一些性能更好的纤维。尚处于研制和试生产阶段。

有机纤维增强复合材料 由芳纶纤维增强的复合材料，其比强度和比模量都分别高于作为高性能复合材料所要求的最低值4×106cm和4×l08cm。 应用 汽车工业、航天与航空、海洋技术、电子工业、运动技术、军事技术、采矿和钢铁工业、化学工业等领域得到广泛的应用。

9.4 金属基复合材料 以金属或合金为基体，以纤维、晶须或颗粒填料为增强相的非均质(多相)材料。 9.4 金属基复合材料 以金属或合金为基体，以纤维、晶须或颗粒填料为增强相的非均质(多相)材料。 与金属或合金基体比，MMC的主要优越之处在于密度低，强度、刚度高，耐磨损。 与陶瓷基复合材料(CMC)相比较，脆性小。 与高聚合物复合材料(PMC)相比，耐高温，不可燃，抗辐射。纤维增强MMC比纤维增强PMC具有较大的横向刚度和强度。

增强体 增大强度 提高刚度 连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒、金属丝 提高抗蠕变性能 同时增大强度和刚度

颗粒增强金属基复合材料 将颗粒高度弥散地分布在金属基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动。具有各向同性。 卫星用颗粒增强铝基复合材料零件 由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成。

碳化物金属复合材料作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。 硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀 碳化物金属复合材料作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。 硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。

硬质合金模具 硬质合金轴承刀具

9.5 陶瓷基复合材料 陶瓷材料具有高温强度高、耐高温，抗氧化、抗高温蠕变性好、高硬度、高耐磨损性、热膨胀系数小、耐化学腐蚀等优点，但是也存在致命的弱点——脆性。它不能承受激烈的机械冲击和热冲击。 纤维增强 承担大部分载荷；阻止裂纹的扩展；断裂时纤维可从断裂面拔出而吸收一部分能量，使材料不致发生灾难性破坏。