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纤维增强的聚合物基复合材料

一、复合材料

1、定义

复合材料是一种多相的复合体系，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。

2、分类

根据组成复合材料的不同物质在复合材料中的形态，可将它们分为基体材料和分散材料。复合材料按分散材料形式不同可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料、晶须增强复合材料等；按基体材料不同可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。

二、纤维增强聚合物基复合材料

聚合物基复合材料是以高分子聚合物为基体，添加增强纤维制得的一种复合材料。

它有许多优异的性能：（1）质轻高强。若按比强度计算（强度与密度的比值），玻璃纤维增强的聚合物基复合材料不仅大大超过碳钢，而且可超过某些特殊合金钢。特别是有机纤维、碳纤维复合材料有更低的密度和更高的强度。（2）耐疲劳性能好。聚合物复合材料中的纤维与基体的界面能阻止裂纹的发展，金属的疲劳强度是其拉伸强度的30~50%，碳纤维/不饱和聚酯复合材料是70~80%。（3）耐热性强。虽然聚合物基复合材料的耐热性不及金属基和陶瓷基复合材料，但随着高性能树脂和高性能增强材料的发展，它的耐热性也达到很优异的效果。甲基二苯乙炔基硅烷树脂为基体的复合材料在500℃下仍能保持较好的力学性能。（4）介电性能好。通过选择树脂基体和增强纤维可制备低介电损耗角正切（小于0.005）的复合材料.如，热固性丁苯树脂基、聚酰亚胺树脂基复合材料。

聚合物基体

目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂等，另一类为热塑性树脂，如尼龙、聚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺等。

聚合物的选择应考虑：A、基体材料能在结构使用温度范围内正常使用；B、基体材料具有一定的力学性能；C、要求基体材料的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用；D、要求具有一定的工艺性。

聚合物具体的选择是依赖我们对制品不同性能的要求和制品的使用环境来具体选择的。树脂基体中用的最多的是热固性树脂，尤其是各种品牌的环氧树脂，它有较高的力学性能，成本低，但工作温度偏低。一般在40℃—150℃范围工作。对于需耐高温的复合材料，目前主要用聚酰亚胺作为基体，它能在200—259℃温度下长期工作，短期工作温度可达350—409℃。内部装饰件常采用酚醛树脂，因为酚醛树脂具有良好的耐火性、自熄性、低烟性、无毒性。

2、增强纤维

目前，用于增强复合材料的纤维品种很多，如各种玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。下面简单介绍几种：

（1）玻璃纤维

玻璃纤维是以玻璃为原料，在高温熔融状态下拉丝而成的，直径在0.5-30μm。它的密度在2.4-2.7g/cm3范围，比有机纤维高，比金属要低很多。玻璃纤维化学组成主要是二氧化硅、三氧化硼、钾、钙、铝的氧化物。

玻璃纤维的力学性能：拉伸强度可高达2000-3000MPa,甚至可高过金属材料。关于玻璃纤维高强的原因，其中微裂纹假说比较有说服力。玻璃和玻璃纤维中存在数量不等、尺寸不同的微裂纹，它们的存在会使在外力作用下在裂纹处产生应力集中，首先发生破坏，特别以表面的微裂纹危害最大。玻璃纤维比玻璃强度高很多是因为玻璃纤维的断面较小，表面微裂纹存在的概率减小，而且玻璃纤维经高温成型时减少了玻璃溶液的不一致性，使微裂纹产生的机会减少。

影响玻璃纤维强度的重要因素有：A、直径和长度；直径和长度越小（微裂纹减少），强度越高。B、化学组成；如k2O成分多的纤维强度低。C、存放时间；主要原因是空气中的水分对玻璃纤维有侵蚀作用（溶解作用，溶解碱金属氧化物，使其表面微裂纹扩展），损坏纤维结构。

玻璃纤维耐热性能非常好。其软化点为550-850℃，热膨胀系数为4.8*10-6℃-1，高温下不会燃烧，在220-250℃下强度不变。耐热性也依赖化学组成。石英玻璃纤维耐热温度很高，可高达1000℃以上。

玻璃纤维具有良好的化学稳定性。除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其他化学药品和实际有良好化学稳定性。耐化学介质性与取决于化学组成，如增加SiO2、TiO2可以提高耐酸性。

（2）碳纤维

碳纤维是由有机纤维在惰性气体中加热至很高的温度后（一般是1500℃左右）形成的纤维状碳材料，其碳含量为90%以上，纤维结构为沿纤维轴向排列的不完全石墨结晶，各平行层原子堆积不规则碳纤维，缺乏三维有序，呈乱层结构。如果将碳纤维在2500℃以上进一步碳化，其碳含量大于99%，乱层结构向三维有序的石墨结构转化，称为石墨纤维。

碳纤维的力学性能：碳纤维密度小，具有较高的比强度和比模量，断裂伸长率低，弹性模量比金属高两倍；拉伸强度比钢材高四倍。一根手指粗的碳纤维制成的绳子