【正文】 脹系數(shù)為零或接近于零的部件。（7）熱穩(wěn)定性好。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。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。纖維束幾乎沒有抗壓和抗彎的能力，因而纖維束不能單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料使用。纖維中不可避免地存在著缺陷。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(kuò)展或者改變裂紋擴(kuò)展的方向。在漸變階段，疲勞裂紋和損傷尺寸甚少且甚小，不易檢測到。疲勞破壞是材料在交變載荷作用下，由于裂紋的形成和擴(kuò)展而造成的低應(yīng)力破壞。這里是指聚合物基體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型工藝性能好。例如，可避免金屬產(chǎn)品的鑄模、切削、磨光等工序。 1．2．1 復(fù)合材料的特點(diǎn)（1）可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的性能。[教學(xué)難點(diǎn)]：復(fù)合材料的性能特征。若出現(xiàn)了單一復(fù)合材料所沒有的優(yōu)異性能，則此效應(yīng)稱為正混雜效應(yīng)；若出現(xiàn)了單一復(fù)合材料所沒有的明顯缺點(diǎn)，則此效應(yīng)稱為負(fù)混雜效應(yīng)。對于疊層復(fù)合材料的纖維混雜方式，又可分為按層混雜和層內(nèi)混雜兩種。按纖維性能可將復(fù)合材料分為高性能纖維復(fù)合材料和工程復(fù)合材料。連續(xù)纖維復(fù)合材料又分為單向復(fù)合材料、疊層復(fù)合材料和編織復(fù)合材料等。雜亂短纖維增強(qiáng)塑料比之工程塑料，各種力學(xué)性能都有改善，因而很有發(fā)展前途。纖維在材料中雜亂分布，它是準(zhǔn)各向同性的。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由纖維的長短可分為短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和長纖維(連續(xù)纖維)增強(qiáng)復(fù)合材料，它們具有不同的特點(diǎn)和用途?；w的作用把纖維粘結(jié)成一個整體，保持纖維間的相對位置，使纖維能協(xié)同作用，保護(hù)纖維免受化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷；并減少環(huán)境的不利影響，傳遞和承受剪應(yīng)力，在垂直于纖維的方向承受拉、壓應(yīng)力等。纖維(或晶須)的直徑很小，一般在l0μm以下，缺陷較少又較小，斷裂應(yīng)變約為千分之三十以內(nèi)，是脆性材料，容易損傷。1．1．3．2 薄片增強(qiáng)復(fù)合材料在這種復(fù)合材料中用以增強(qiáng)基體的薄片，在面內(nèi)任意兩個方向都起增強(qiáng)作用，它在x和y方向是同性的。1．1．3 按增強(qiáng)材料分類1．1．3．1 粒子增強(qiáng)復(fù)合材料在粒子增強(qiáng)復(fù)合材料中，基體起比較主要的作用。聚合物基體復(fù)合材料的應(yīng)用最廣，生產(chǎn)工藝比較成熟，一般說宋，價格比較便宜，使用溫度較低。1．1．1．2 功能復(fù)合材料利用復(fù)合材料的物理、化學(xué)和生物學(xué)的功能作為主要用途的，稱為功能復(fù)合材料。1．1．1 按用途分類1．1．1．1 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料利用復(fù)合材料各種良好的力學(xué)性能，例如比強(qiáng)度高、比剛度大和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，用于建造或構(gòu)造結(jié)構(gòu)的材料，稱為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。復(fù)合材料的組分材料，絕大多數(shù)是由人工制成的或可由人工合成的，因此不會產(chǎn)生資源枯竭的問題。復(fù)合材料的命名習(xí)慣上把增強(qiáng)材料的名稱放在前面，基體的名稱放在后面。用常規(guī)材料進(jìn)行設(shè)計和加工制造常規(guī)材料結(jié)構(gòu)物，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物是與復(fù)合材料一起設(shè)計、一起成型制造出來的。各種組分材料在界面上存在著力的相互作用。因此，不僅飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、艦艇、坦克和人造衛(wèi)星這些軍工產(chǎn)品離不開它，而且運(yùn)輸工具、建筑材料、機(jī)器零件、化工容器和管道、電子材料、原子能工程結(jié)構(gòu)材料、醫(yī)療器械、休育用品和食品包裝等產(chǎn)品也離不開它。而從1980年開始直到2000年這20年將是先進(jìn)復(fù)合材料得到充分發(fā)展的時期，在這一時期中，復(fù)合材料不僅在宇航及飛機(jī)材料中應(yīng)用，而且在所有的工業(yè)領(lǐng)域中部將得到應(yīng)用，這一時期可以認(rèn)為是先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展的成熟時期。而60年代開始到現(xiàn)在是玻璃纖維增強(qiáng)塑料(我國簡稱為玻璃鋼)的成熟和完善時期。但復(fù)合材料學(xué)作為一門學(xué)科、復(fù)合材料作為一種新興材料工業(yè)，直到本世紀(jì)40年代初才出現(xiàn)。 材料一般可分為無機(jī)材料(包括水泥、磚瓦、陶瓷、玻璃等)、金屬材料、高分子材料(包括塑料、橡膠、纖維等)及復(fù)合材料4大類。[教學(xué)重點(diǎn)]：復(fù)合材料的定義。[教學(xué)難點(diǎn)]：復(fù)合材料的定義。 從泛義來講，復(fù)合材料的范圍極廣，其發(fā)展和應(yīng)用可追溯到人們使用草桿粘土、紙筋石灰材料的時代?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入一個各種材料綜合使用的新階段。在這一時期中，同時出現(xiàn)了硼纖維增強(qiáng)塑料和碳纖維增強(qiáng)塑料。在這一時期中，不僅纖維增強(qiáng)塑料(FRP)，就連纖維增強(qiáng)金屬(FRM)也將作為各種結(jié)構(gòu)材料而被實(shí)用化了。由此可見，復(fù)合材料在國民經(jīng)濟(jì)中的作用十分重要，要使工業(yè)和國防現(xiàn)代化，沒有新型復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用是不可能的。復(fù)合材料可保留組分材料的主要優(yōu)點(diǎn)，克服或減少組分材料的許多缺點(diǎn)，還可產(chǎn)生組分材料所沒有的一些優(yōu)異性能和弱點(diǎn)，其微觀構(gòu)造和復(fù)合機(jī)理是非常復(fù)雜的。這種材料與結(jié)構(gòu)物是一體，一起設(shè)計、一起制造的特點(diǎn)，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物的設(shè)計提供了很大的設(shè)計自由度，帶來很大的優(yōu)越性，可以得到各種單一材料所不能具有的特殊性能。例如以玻璃纖維和聚丙烯塑料構(gòu)成的復(fù)合材料稱為“玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯基復(fù)合材料”，簡稱為“玻璃纖維聚丙烯復(fù)合材料”或“玻璃纖維／聚丙烯復(fù)合材料”。復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)產(chǎn)品與金屬材料及其結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比，可大大降低能源消耗，減少材料消耗和裝配工作量，大幅度地減少腐蝕和磨損，縮短生產(chǎn)周期，提高部件和產(chǎn)品的性能，延長使用壽命。并非所有利用復(fù)合材料力學(xué)性能的材料都是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，而結(jié)構(gòu)復(fù)合材料有時也具有一些良好的非力學(xué)方面的功能。例如，利用復(fù)合材料的電學(xué)性能、磁學(xué)性能、光學(xué)性能、熱學(xué)性能、放射線特性、化學(xué)性能、生物學(xué)性能和力學(xué)性能作為其主要功能的，稱為功能復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料可用于高溫，但制造工藝中所涉及的許多問題非常復(fù)雜，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，價格昂貴。比基體堅硬的增強(qiáng)微粒，均勻地分散在基體之中，用以增強(qiáng)基體抗錯位的能力，因而提高了材料的強(qiáng)度和剛度，但同時增大了脆性。由于這種復(fù)合材料的力學(xué)性能往往不如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，因此很少用作結(jié)構(gòu)材料。斷裂和受到腐蝕。纖維增強(qiáng)基體的效果，在某個合理的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf (在復(fù)合材料中纖維所占的體積百分比)范圍內(nèi)，與Vf成正比。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可分為單向短纖維復(fù)合材料和雜亂短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。擠壓注射成型的短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件，具有一定程度(可能是不規(guī)則的)各向同性。短纖維復(fù)合材料，除了制造片狀模塑料(SMC)作為板材用外，還可用注射成型、模壓成型和離心澆鑄等工藝高效率的生產(chǎn)零部件。各種復(fù)合材料都有其特點(diǎn)和最適用的范圍。高性能纖維復(fù)合材料 以碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、Kevlar纖維(芳綸纖維)和晶須等高性能纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，稱為高性能纖維復(fù)合材料。在按層混雜復(fù)合材料中，每層只采用一種纖維和基體，但不同層次可采用不同的纖維和基體，也可采用金屬薄片；在層內(nèi)混雜復(fù)合材料中，任何層片都含有兩種或多種纖維。一般說來，混雜復(fù)合材料在主要方面獲得正混雜效應(yīng)的同時，可能在次要方面出現(xiàn)一些負(fù)混雜效應(yīng)。[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]： 復(fù)合材料的特點(diǎn)和性能復(fù)合材料可由單一增強(qiáng)材料和基體材料組成，也可由幾種增強(qiáng)材料和基體材料組成。例如，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，既具有類似鋼材的強(qiáng)度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。1．2．2 復(fù)合材料的性能（1）比強(qiáng)度高比剛度大。（3）材料性能可以設(shè)計。疲勞破壞是飛機(jī)墜毀的主要原因之一。裂紋一旦達(dá)到臨界尺寸，就突然斷裂。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(kuò)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。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。在纖維增強(qiáng)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。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。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。纖維增強(qiáng)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。這種特性很重要，只有采用上述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料才能得到。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(qiáng)度和抗斷裂、疲勞及沖擊等能力。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(diǎn)得不到充分利用。（6）纖維增強(qiáng)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。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(qiáng)復(fù)合材料在強(qiáng)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。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。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(kuò)展到建筑與土木工程、陸上交通運(yùn)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。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(yùn)輸、船舶和近海工程、化工防腐、電氣與電子5大領(lǐng)域。各個國家根據(jù)自己經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，有自己不同的發(fā)展重點(diǎn)。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(qiáng)和容易造型的優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)建筑學(xué)與美學(xué)的結(jié)合，達(dá)到造型輕巧美觀的效果。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)。目前復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用主要達(dá)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。建造船舶種類包括漁船、游艇、高速艇、掃雷艇等。化學(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(qiáng)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?？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(diǎn)；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。 航空工業(yè)上普遍使用玻璃纖維增強(qiáng)塑料的機(jī)頭雷達(dá)天線罩，它既起承力作用，又有良好的透波性能。民用機(jī)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。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。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(yùn)載火箭的碳／環(huán)氧發(fā)動機(jī)殼體質(zhì)量近l 000 kg，比鋁合金殼體減輕質(zhì)量30％。[教學(xué)重點(diǎn)]：Kevlar纖維的性能特點(diǎn)；Kevlar纖維的應(yīng)用。增強(qiáng)纖維的類型、數(shù)量和取向?qū)w維增強(qiáng)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(qiáng)度和模量；（3） 壓縮強(qiáng)度和模量；（4） 疲勞強(qiáng)度和疲勞機(jī)理；（5） 電和熱性能；（6） 價格。 　　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(dá)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(duì)的快速反應(yīng)能力和殺傷力。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。（PPTA）在芳綸纖維生產(chǎn)領(lǐng)域，對位芳酰胺纖維發(fā)展最快，產(chǎn)能主要集中在日本和美國、歐洲。杜邦公司在去年宣布將擴(kuò)大Kevlar纖維的生產(chǎn)能力，該擴(kuò)建項(xiàng)目預(yù)計在今年年底完工。其抗切割能力提高l0%，用它生產(chǎn)梭織物和針織產(chǎn)品，其手感更柔和，使用更舒適。 　　據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，芳綸纖維世界總需求量在2001年為36萬噸/年，而在2005年將達(dá)到50萬噸/年。據(jù)悉，近幾年，我國電子、建筑、輪胎工業(yè)迅速發(fā)展，使得我國芳綸用量迅猛增長。特別是在間位生產(chǎn)線芳酰胺的開發(fā)和生產(chǎn)方面，我國取得了一定程度的進(jìn)步。X一衍射圖上無非結(jié)晶的暈，表示凱夫拉纖維的高結(jié)晶，一對清晰的環(huán)表示纖維包含很少部分(可能幾個百分?jǐn)?shù))的無取向的結(jié)晶。然而，具有高模量的凱夫拉纖維，一般(110)平面峰的強(qiáng)度大于(200)平面峰的強(qiáng)度?！?0說明了凱夫拉長絲的原纖化。較高的結(jié)晶度和較高的有序原纖結(jié)構(gòu)是構(gòu)成凱夫拉纖維承受載荷的基本單元。 Dobb等用電鏡暗場技術(shù)，沿纖維軸向發(fā)現(xiàn)在500和250nm處有周期性的軸向光帶?！?3光帶的減弱可用褶疊結(jié)構(gòu)的伸展來解釋。 凱夫拉纖維的皮芯結(jié)構(gòu)可用不同的方法來解釋。Kevlar纖維的性能 前面已簡要地討論了凱夫拉纖維的主要性能，并詳細(xì)地討論了它的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。教材表2—5比較7，凱夫拉纖維和其它工業(yè)用纖維的基本性能。 對于商業(yè)化纖維產(chǎn)品，凱夫拉的比濃對數(shù)粘度一般高于4d1／g，它的平均相對分子質(zhì)量為20 000，聚合度為84，分子鏈長度為108nm。由于這個原因，具有扭曲的或螺旋線構(gòu)象的纖維，共軛度低，構(gòu)成的顏色較淡。 凱夫拉纖維的平衡回潮率是非常重要的物理性能?！痙tex。同時增加捻度亦增加了螺旋角，增加了應(yīng)力的不均勻性。斷裂伸長比較低，%；%；％；%。測定時一個紗圈環(huán)繞另一個紗圈，在強(qiáng)伸儀上拉伸斷裂測得。凱夫拉纖維從理論上講其使用壽命長于100年，錦綸為34年，乙綸無確切時間。對于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料，要求低蠕變。％，%。教材表2—7對凱夫拉49纖維的剪切性能、拉伸性能和壓縮性能進(jìn)行了比較。凱夫拉纖維的切變模量雖然均低于拉伸和壓縮模量，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般纖維的切變模量。最小負(fù)荷為零負(fù)荷時，疲勞壽命可能減少一個數(shù)量級，凱夫拉長絲的斷裂強(qiáng)力的80％可循環(huán)拉伸l07次，但其中80％的長絲斷裂，以6％的斷裂強(qiáng)力進(jìn)行循環(huán)拉伸107次，沒有纖維斷裂，但纖維產(chǎn)生原纖化。(6)斷裂形態(tài)和破壞機(jī)理 凱夫拉纖維具有高的強(qiáng)伸性能，較低的壓縮性能和剪切性能，凱夫拉纖維的應(yīng)用主要取其強(qiáng)伸的特點(diǎn)。 ①呈尖狀斷裂。這種斷裂形態(tài)往往在凱夫拉纖維低應(yīng)變速率下形成。 ③扭結(jié)帶斷裂。這些因素將影響開始時的斷裂以及裂紋的擴(kuò)展。2—23所示。(1)氧化穩(wěn)定性 應(yīng)用于高溫，要求具有良好氧化穩(wěn)定性。凱夫拉49氧化穩(wěn)定性與凱夫拉29相似，因此對凱夫拉纖維在氧化環(huán)境下，長時間使用的最高溫度為150度。[教學(xué)重點(diǎn)]：碳纖維的性能特點(diǎn)；碳纖維的應(yīng)用。目前碳纖維92％以上主要用于復(fù)合材料。