【正文】 纖維增強復(fù)合材料的基體，是斷裂應(yīng)變較大的韌性材料。在基體中和在界面上，固化后常有缺陷和裂紋存在，纖維和基體間的界面常常能阻止裂紋的擴展或者改變裂紋擴展的方向。因此其疲勞破壞總是從纖維或基體的薄弱環(huán)節(jié)開始，逐步擴展到結(jié)合面上，損傷較多且尺寸較大，破壞前有明顯的預(yù)兆，能夠及時發(fā)現(xiàn)和采取措施。（5）破損安全性能好。單向纖維增強復(fù)合材料，是成千上萬根纖維在同一方向由基體粘合而成的。纖維中不可避免地存在著缺陷。若沒有基體在傳遞剪應(yīng)力，則在拉伸過程中必定有一些纖維由于應(yīng)力過大或缺陷較大而首先斷裂，不再參與承載。于是各纖維的受力狀態(tài)發(fā)生變化，又有一些應(yīng)力過大或缺陷較大的纖維再次發(fā)生斷裂，并使斷裂的過程加速發(fā)展，直至全部的纖維斷裂為止。各根纖維所承受的應(yīng)力和應(yīng)變非常懸殊，很不均勻，而全部纖維的平均應(yīng)力和應(yīng)變則很低。纖維束幾乎沒有抗壓和抗彎的能力，因而纖維束不能單獨作為結(jié)構(gòu)材料使用。在纖維增強復(fù)合材料中，由于基體的作用，在沿纖維方向受拉時，各纖維的應(yīng)變基本相同。已斷裂的纖維由于基體傳遞應(yīng)力的結(jié)果，除斷口處不發(fā)揮作用和在斷口附近一小段部分發(fā)揮作用外，其余絕大部分纖維依舊發(fā)揮作用。斷裂了的纖維周圍的鄰接纖維，除在局部需多承受一些由斷裂纖維通過基體傳遞過來的應(yīng)力而使應(yīng)力略有升高外，各纖維在宏觀意義上說幾乎同等受力。各纖維間應(yīng)力的不均勻程度大大降低了，其平均應(yīng)力將大大高于沒有基體的纖維束的平均應(yīng)力，因而增大了平均應(yīng)變。這樣，個別纖維的斷裂就不會引起連鎖反應(yīng)和災(zāi)難性的急劇破壞，因而破損安全性能很好。（6）減振性能好。以聚合物為基體的纖維增強復(fù)合材料，基體具有粘彈性。在基體中和界面上有微裂紋和脫粘的地方，還存在著摩擦力。在振動過程中，粘彈性和摩擦力使一部分動能轉(zhuǎn)換為熱能。因此，纖維增強復(fù)合材料的阻尼比鋼和鋁合金大，若采取措施還可使阻尼增大。這就是纖維增強復(fù)合材料減振性能好的原因。（7）熱穩(wěn)定性好。纖維增強復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)部件(和產(chǎn)品)在大幅度溫度變化的環(huán)境下，具有非常微小的熱變形。石墨纖維和Kevlar纖維的復(fù)合材料，在纖維方向具有數(shù)值很小而且是負(fù)值的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)溫度升高時不是伸長而是收縮，當(dāng)溫度下降時不是收縮而是伸長。這種可貴的特性經(jīng)過合理鋪層，可設(shè)計出線膨脹系數(shù)為零或接近于零的部件。這種特性很重要，只有采用上述纖維增強復(fù)合材料才能得到。 復(fù)合材料目前還存在一定的缺點，主要包括以下問題： （1）大多數(shù)增強纖維拉伸時的斷裂應(yīng)變很小，所以纖維增強復(fù)合材料也是脆性材料。沿纖維方向是這樣，垂直于纖維方向更是這樣。其斷裂應(yīng)變要比金屬材料小得多，這是較大的缺點。但改善纖維的斷裂應(yīng)變、基體的韌性和界面狀況，就可提高復(fù)合材料的強度和抗斷裂、疲勞及沖擊等能力。 （2）疊層復(fù)合材料的層間剪切強度和層間拉伸強度很低，這已成為致命的弱點；層間切變模量相當(dāng)?shù)?，引起了若干問題，帶來了不良的后果。 （3）影響復(fù)合材料性能的因素很多，其中包括纖維和基體性能的高低，孔隙、裂紋和缺陷的多少，工藝流程和操作過程是否合理，固化的溫度、壓力和時間的安排(升溫和降溫階段)是否合適，生產(chǎn)環(huán)境和條件是否滿足要求等等，這些都能引起復(fù)合材料性能的較大變化。加上產(chǎn)品還缺乏完善的檢測方法，因此產(chǎn)品的質(zhì)量不易控制，材料性能的分散性大，可靠性較差。放松了對分散性的要求，而采用過大的安全系數(shù)，將使復(fù)合材料的優(yōu)點得不到充分利用。因此，需要十分重視產(chǎn)品質(zhì)量問題。 （4）用硼纖維、碳纖維和碳化硅纖維等高性能纖維制成的樹脂基和金屬基復(fù)合材料，雖然某些性能很好，但價格昂貴，影響廣泛地應(yīng)用。 （5）纖維增強復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比，具有較高的強度和模量，較低的密度。（6）纖維增強復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，由于各個方向性能的差異，困難更多些。但是纖維增強復(fù)合材料的各向異性，根據(jù)結(jié)構(gòu)物設(shè)計的需要而提供制作適應(yīng)和發(fā)揮材料的性能特點，這種特點只有復(fù)合材料才可能具有。這種設(shè)計的靈活性可以增強某一方向包括強度、剛度等無須另外設(shè)計和加工。 （7）除了性能上的各向異性外，纖維增強復(fù)合材料與金屬材料還存在很多差異。例如一般來講，金屬材料具有屈服和塑性變形，而大部分纖維增強復(fù)合材料在強伸性能上表現(xiàn)為彈性，而這些材料的不均勻性形成高能量的吸收。纖維增強復(fù)合材料在外界負(fù)荷作用下，可能在性能上逐漸衰減但并沒有破壞，因此金屬材料與纖維增強復(fù)合材料在損傷發(fā)展的過程、機理方面同樣存在較大的差異。 （8）纖維增強復(fù)合材料還具有獨特的高阻尼性能，因而能較好地吸收振動能量，同時減少對相鄰結(jié)構(gòu)件的影響。這種高阻尼性能的纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用于汽車，可減少噪音和振動，改善其舒適性。第三節(jié) 復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展[教學(xué)目的]：了解復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域；了解復(fù)合材料的發(fā)展?fàn)顩r。[教學(xué)重點]：復(fù)合材料的應(yīng)用；復(fù)合材料的發(fā)展。[教學(xué)難點]：復(fù)合材料的發(fā)展。[教學(xué)方法及手段]：課堂講授[課外作業(yè)]：本章節(jié)相關(guān)習(xí)題[學(xué)時分配]：2[教學(xué)內(nèi)容]：從本世紀(jì)40年代起，復(fù)合材料的發(fā)展已經(jīng)歷了整整半個世紀(jì)。隨著技術(shù)的提高，應(yīng)用領(lǐng)域已從航空航天和國防軍工擴展到建筑與土木工程、陸上交通運輸、船舶和近海工程、化工防腐、電氣與電子、體育與娛樂用品、醫(yī)療器械與仿生制品以及家庭與辦公用品等等各部門。90年代初世界總產(chǎn)量達到300多萬噸，日本近60萬噸，我國約占15萬噸。 復(fù)合材料由于在航空航天和軍工領(lǐng)域的重要性，其發(fā)展始終由這一領(lǐng)域推動，同時也在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域開花結(jié)果。如在1994年美國130多萬噸的總產(chǎn)量中，航空航天和國防軍工領(lǐng)域的應(yīng)用不到2萬噸，僅占1．5％左右。民用領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在建筑與土木工程、陸上交通運輸、船舶和近海工程、化工防腐、電氣與電子5大領(lǐng)域。在美國、西歐和日本，這5大領(lǐng)域的應(yīng)用量占到總應(yīng)用量的85％左右。5大領(lǐng)域的側(cè)重面各國有所不同。例如，日本建筑與住宅領(lǐng)域的應(yīng)用占到總用量的50％以上，而在美國僅占不到20％；美國在汽車上的用量占到總用量的近30％，而在日本僅占不到6％。各個國家根據(jù)自己經(jīng)濟發(fā)展特點，有自己不同的發(fā)展重點。1．3．1 在建筑上的應(yīng)用 復(fù)合材料在建筑上可作為結(jié)構(gòu)材料、裝飾材料、功能材料以及用來制造各種衛(wèi)生潔具和水箱等。由于價格的原因，多采用玻璃纖維復(fù)合材料。 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料包括承重結(jié)構(gòu)型材、護板和輕質(zhì)屋蓋等，主要用于含有腐蝕介質(zhì)的廠房和展覽館、體育館、高級娛樂廳等一類建筑。前者利用玻璃纖維復(fù)合材料良好的防腐蝕性能；后者利用其輕質(zhì)高強和容易造型的優(yōu)點，容易實現(xiàn)建筑學(xué)與美學(xué)的結(jié)合，達到造型輕巧美觀的效果。裝飾材料包括建筑物的內(nèi)、外裝飾件，除輕質(zhì)外，充分利用復(fù)合材料造型和色彩調(diào)配比較容易的特點，可以制造帶有各種圖案、花紋、仿造天然材料等等的裝飾板材和雕塑。 功能材料包括需要采光建筑物，如暖房、商業(yè)街的透明拱頂；需要防腐廠房的防腐墻；需要保溫或隔音建筑的保溫或隔音墻板等。衛(wèi)生潔具和水箱等在發(fā)達國家已廣泛應(yīng)用。1．3．2 在陸上交通上的應(yīng)用 這一領(lǐng)域主要應(yīng)用于汽車工業(yè)。目前尚處在汽車部件的替代階段，包括內(nèi)裝飾件、外裝飾件和機能結(jié)構(gòu)件。內(nèi)裝飾件以造型美觀、色彩舒適和使用柔軟安全為特點，多采用增強熱塑性復(fù)合材料；外裝飾件包括發(fā)動機罩、保險杠、車頂、擋泥板等等，是汽車上玻璃纖維增強塑料主要代用部件；機能結(jié)構(gòu)件往往有較高的性能要求，如板簧、傳動軸和油箱等。油箱已達到實用化，板簧也有一定的應(yīng)用，傳動軸還在試用階段。目前復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用主要達到減輕質(zhì)量的目的，同時也改善性能，如提高疲勞壽命和防腐性能，減小噪音等等。 高速列車的車頭駕駛室外殼、廂內(nèi)殼及許多裝飾件都已采用復(fù)合材料。1．3．3 在船舶和近海工程上的應(yīng)用 船舶和近海工程上也主要采用玻璃纖維增強塑料，據(jù)統(tǒng)計每年要消耗30萬噸以上，占世界復(fù)合材料總用量的lo％以上。主要利用玻璃纖維增強塑料輕質(zhì)高強、防腐性能好、維修費用低等優(yōu)點。建造船舶種類包括漁船、游艇、高速艇、掃雷艇等。近海工程包括港口建設(shè)工程和海洋工程(如海洋鉆井、海洋釆油)上的應(yīng)用，除了具有良好的防腐性能外，輕質(zhì)高強對海上材料運輸、安裝都帶來方便。具體構(gòu)件包括如海洋平臺、擋風(fēng)墻板、護欄、各類管道等等。1．3．4 在防腐工程上的應(yīng)用 玻璃纖維增強塑料良好的防腐性能使之在防腐工程上得到最廣泛的應(yīng)用，消費量也要占到復(fù)合材料總用量的lo％以上?；瘜W(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，從原材料、生產(chǎn)過程中的各類物質(zhì)，直至最后的成品，往往都具有不同程度的、甚至很強的腐蝕性，因此防腐設(shè)備的用量最大，包括各類貯罐、塔器、管道、槽車等等。除化工防腐外，油田的輸油管、污水管、環(huán)保設(shè)備中都大量采用玻璃纖維增強塑料。作為生活污水處理的凈化槽，日本每年的需求量就高達50萬座。1．3．5 在電氣／電子工業(yè)上的應(yīng)用 在電氣／電子工業(yè)上的應(yīng)用主要是利用玻璃纖維增強塑料的良好電絕緣性能和良好的絕熱性能，用于電力工業(yè)的輸配電設(shè)備、各類絕緣構(gòu)架和操作器械，如各類互感器套、開關(guān)套、配電箱、電纜箱、電纜槽、電動車接電桿架、絕緣操作設(shè)備構(gòu)件等等?？梢杂貌ＡЮw維短切氈片板壓制成型各類電器儀表和家用電器罩殼，它具有絕緣性能好、造型容易、色彩鮮艷等綜合優(yōu)點；加入適當(dāng)?shù)奶己诨蚱渌麑?dǎo)電粉末，可以控制材料的導(dǎo)電性能制造防靜電電燈罩或罩殼，用于礦井、油田或化工廠房中易爆工作場所的各類燈具和電器罩殼。 通訊設(shè)備中的雷達罩利用玻璃纖維增強塑料的輕質(zhì)高強和透波性能，在天線反射面中也普遍采用玻璃纖維或碳纖維增強塑料。1．3．6 在航空航天和國防軍工上的應(yīng)用 復(fù)合材料的高比剛度和比強度，使它成為航空航天工業(yè)中非常理想的材料，因為減重在這里將帶來非常大的效益，也因此碳纖維復(fù)合材料成為主要的選擇。兼要其他功能時也采用其他纖維或采用混雜纖維。 航空工業(yè)上普遍使用玻璃纖維增強塑料的機頭雷達天線罩，它既起承力作用，又有良好的透波性能。直升機旋翼槳葉采用復(fù)合材料不但可減輕質(zhì)量，還可采用變截面曲面翼形以提高空氣動力學(xué)效應(yīng)，又有疲勞壽命長、對缺口敏感可靠性強等優(yōu)點。在民用飛機基本結(jié)構(gòu)件上的使用還十分慎重，僅開始在垂直尾翼和水平尾翼上試用。如A3l0空中客車的垂直尾翼采用混雜復(fù)合材料減重397kg；A320空中客車在垂直和水平尾翼上應(yīng)用，減重800 kg。民用機的更多采用是在非受力件上，如貨倉地板、行李柜、座位架、裝飾件等。材料性能對于軍用戰(zhàn)斗機有更重要的意義，也更多采用復(fù)合材料。歐洲國家80年代末期的目標(biāo)是結(jié)構(gòu)重量35％是復(fù)合材料，替代構(gòu)件包括主翼、機身、尾翼和舵等。 航天工業(yè)上應(yīng)用復(fù)合材料帶來的效益更為突出，因為減重就是意味著可以增加載重或是提高火箭的射程。衛(wèi)星系統(tǒng)中普遍采用碳纖維復(fù)合材料做基本構(gòu)件，如太陽能系統(tǒng)、微波通訊系統(tǒng)、衛(wèi)星倉內(nèi)各種結(jié)構(gòu)件。碳纖維復(fù)合材料低的軸向熱膨脹系數(shù)，保持良好的尺寸穩(wěn)定性，以確保衛(wèi)星觀測、通訊系統(tǒng)的精確度。在火箭系統(tǒng)中，玻璃纖維纏繞固體火箭發(fā)動機殼體大大減輕火箭質(zhì)量，美國“北極星A一3”潛一地導(dǎo)彈中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量比原先金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕50％一60％。用芳綸纖維代替玻璃纖維，又使“三叉戟”潛一地遠(yuǎn)程導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)減輕35％以上，使射程增加500km。我國的衛(wèi)星中復(fù)合材料構(gòu)件占總結(jié)構(gòu)質(zhì)量的80％一90％，最大運載火箭的碳／環(huán)氧發(fā)動機殼體質(zhì)量近l 000 kg，比鋁合金殼體減輕質(zhì)量30％。 復(fù)合材料在軍事工業(yè)上應(yīng)用對于提高武器威力、增大射程、減輕武器質(zhì)量等方面也起重要的作用。在戰(zhàn)術(shù)火箭中的火箭發(fā)射筒、火箭發(fā)動機殼體、小型固體火箭發(fā)動機耐燒蝕噴管等都采用復(fù)合材料。第二章 復(fù)合材料的高性能增強體第一節(jié) 概述 第二節(jié) Kevlar纖維[教學(xué)目的]：掌握Kevlar纖維的性能特點；了解Kevlar纖維結(jié)構(gòu)特征，掌握Kevlar纖維的應(yīng)用。[教學(xué)重點]：Kevlar纖維的性能特點；Kevlar纖維的應(yīng)用。[教學(xué)難點]：Kevlar纖維結(jié)構(gòu)特征。[教學(xué)方法及手段]：課堂講授[課外作業(yè)]：本章節(jié)相關(guān)習(xí)題[學(xué)時分配]：2[教學(xué)內(nèi)容]：一、概述作為增強材料的纖維是組成復(fù)合材料的主要成分。在纖維增強復(fù)合材料中占有相當(dāng)?shù)捏w積分?jǐn)?shù)，同時是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料承受載荷的主要部分。增強纖維的類型、數(shù)量和取向?qū)w維增強復(fù)合材料的性能十分重要，它主要影響以下的方面：（1） 密度；（2） 拉伸強度和模量；（3） 壓縮強度和模量；（4） 疲勞強度和疲勞機理；（5） 電和熱性能；（6） 價格。二、Kevlar纖維總體概況芳綸纖維全稱為聚對苯二甲酰對苯二胺,英文為Aramid fiber（杜邦公司的商品名為Kevlar），是一種新型高科技合成纖維，具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能,其強度是鋼絲的5～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，在560度的溫度下，不分解，不融化。它具有良好的絕緣性和抗老化性能，具有很長的生命周期。芳綸的發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是材料界一個非常重要的歷史進程。 　　應(yīng)用芳綸纖維是重要的國防軍工材料，為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，目前，美、英等發(fā)達國家的防彈衣均為芳綸材質(zhì)，芳綸防彈衣、頭盔的輕量化，有效提高了軍隊的快速反應(yīng)能力和殺傷力。在海灣戰(zhàn)爭中，美、法飛機大量使用了芳綸復(fù)合材料。除了軍事上的應(yīng)用外，現(xiàn)已作為一種高技術(shù)含量的纖維材料被廣泛應(yīng)用于航天航空、機電、建筑、汽車、體育用品等國民經(jīng)濟的各個方面。在航空、航天方面，芳綸由于質(zhì)量輕而強度高，節(jié)省了大量的動力燃料，據(jù)國外資料顯示，在字宙飛船的發(fā)射過程中，每減輕1公斤的重量，意味著降低100萬美元的成本。除此之外，科技的迅猛發(fā)展正在為芳綸開辟著更多新的民用空間。據(jù)報道，目前，芳綸產(chǎn)品用于防彈衣、頭盔等約占7～8%，航空航天材料、體育用材料大約占40%；輪胎骨架材料、傳送帶材料等方面大約占20%左右，還有高強繩索等方面大約占13%。 　　主要品種芳綸主要分為兩種，對位芳酰胺纖維（PPTA）和間位芳酰胺纖維（PMIA），自20世紀(jì)60年