第一章总论
一．复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。★
二．复合材料的命名和分类★
1．按增强材料形态分类
(1)连续纤维复合材料：作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都位于复合材料的边界处;
(2)短纤维复合材料：短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料;
(3)粒状填料复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料;
(4)编织复合材料：以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合材料。
2. 按增强纤维种类分类
(1)玻璃纤维复合材料;
(2)碳纤维复合材料;
(3)有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料;
(4)金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等)复合材料;
(5)陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)复合材料。
如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料
3．按基体材料分类
(1)聚合物基复合材料：以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制成的复合材料;
(2)金属基复合材料：以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等;
(3)无机非金属基复合材料：以陶瓷材料(也包括玻璃和水泥)为基体制成的复合材料。
4.按材料作用分类
(1)结构复合材料：用于制造受力构件的复合材料;
(2)功能复合材料：具有各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等)的复合材料。
三．复合材料是由多相材料复合而成，其共同的特点是:★
(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。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀
性能的设计等。
(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。
四．影响复合材料性能的因素很多，主要取决于①增强材料的性能、含量及分布状况，②基体材料的性能、含量，以及③增强材料和基体材料之间的界面结合情况，作为产品还与④成型工艺和结构设计有关。★
五．聚合物基复合材料的主要性能
1．比强度、比模量大
2．耐疲劳性能好
3．减震性好
4．过载时安全性好
5．具有多种功能性
①耐烧蚀性好。②有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及减摩特性;③高度的电绝缘性能;④优良的耐腐
蚀性能;⑤有特殊的光学、电学、磁学的特性。
6．有很好的加工工艺性
六．金属基复合材料的主要性能★
1．高比强度、高比模量
2．良好的导热、导电性能
3．热膨胀系数小、尺寸稳定性好
4．良好的高温性能
5．耐磨性好
6．良好的疲劳性能和断裂韧性
7．不吸潮、不老化、气密性好
七．陶瓷基复合材料的主要性能
陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和比重较小。但抗弯强度不高，断裂韧性低。
导热性能：金属>陶瓷>树脂耐化学腐蚀性：陶瓷和树脂大于金属
八．复合材料的结构设计基础★
复合材料本身是非均质、各向异性材料。复合材料不仅是材料，更确切地说是结构，可以用纤维增强的层合结构为例来说明这个问题。从固体力学角度，不妨将其分为三个“结构层次”：一次结构、二次结构、三次结构。
一次结均：指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能;
二次结构：指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列);
三次结构：指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。
第二章复合材料的基体材料
一．金属基复合材料选择基体的原则★
1．金属基复合材料的使用要求
2．金属基复合材料组成特点
3．基体金属与增强物的相容性
金属基复合材料在制备过程中金属基与增强物在高温复合过程中发生化学反应，在界面形成反应层。界面反应层的形成会导致复合材料整体破坏，即相容性不好。因此选择基体合金元素时应选择既有利于基体与增强物侵润复合，又有利于形成合适稳定界面的合金元素。
二．金属基结构复合材料的基体★
1．用于450℃以下的轻金属基体（铝基、镁基）
2．用于450~700℃的复合材料的金属基体（钛合金）
3．用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体（镍基、铁基耐热合金）
三．无机胶凝材料
无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料。1．水泥基体材料的特征
与树脂相比水泥基体有如下特征:
(1)水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由十分之几纳米到数十纳米。孔隙存在不仅会影响基体本身的性能，
也会影响纤维与基体的界面粘接。
(2)纤维与水泥的弹性模量比不大，因水泥的弹性模量比树脂的高，对多数有机纤维而言，与水泥的弹性模量
比甚至小于1，这意味着在纤维增强水泥复合材料中应力的传递效应远不如纤维增强树脂。
(3)水泥基材的断裂延伸率较低，仅是树脂基材的1/10~1/20，故在纤维尚未从水泥，基材中拔出拉断前，水泥
基材即行开裂。
(4)水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料，与纤维成点接触，故纤维的掺量受到很大限制。树脂基体在未固化
前是粘稠液体，可较好地浸透纤维中，故纤维的掺量可高些。
(5)水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维是不利的。
四．聚合物材料★
1.聚合物材料包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。
2.聚酯树脂有以下特点:
优点：工艺性良好，它能在室温下固化，常压下成型，工艺装臵简单，固化后的树脂综合性能良好，
价格便宜。缺点：固化时体积收缩率大、耐热性差等。主要用于一般民用工业和生活用品中。
3．酚醛树脂
酚醛树脂是最早实现工业化生产的一种树脂。它的特点是在加热条件下即能固化，无须添加固化剂，酸、碱对固化反应起促进作用，树脂固化过程中有小分子析出，故树脂固化需在高压下进行，固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，已固化的树脂有良好压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能，但断裂延伸率低，脆性大。
4．聚合物基体的组分★
主要组分：聚合物辅助材料：固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等
5．聚合物基体的作用★
复合材料中的基体有三种主要的作用:
(1)把纤维粘在一起; (2)分配纤维间的载荷; (3)保护纤维不受环境影响。
6．聚合物的结构★
(1)聚合物的分子链由很大数目（103~105数量级)的结构单元组成，每个结构单元相当于一个小分子。
(2)链长有限的聚合物分子含有官能团或端基，其中端基不是重复结构单元的一部分。
(3)聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能有密切关系。
7．聚合物的性能
(1)聚合物的力学性能（主键上化学键或分子键的相互作用力）
一般复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能并不高。热塑性树脂在力学性能上有如下几个显著特点:①具有明显的力学松弛现象; ②在外力作用下，形变较大，当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率; ③抗冲击性能较好。
(2)聚合物的耐热性能（交联程度）
(a)聚合物的结构与耐热性
从聚合物结构上分析，为改善材料耐热性能，聚合物需具有刚性分子链、结晶性或交联结构。
(b)聚合物的热稳定性
关于提高聚合物热稳定性的途径有以下几种：①提高聚合物分子链的键能，避免弱键存在；②在聚合
物链中尽量引人较大比例的芳环和杂环。
(3)聚合物的耐腐蚀性能（树脂的含量和类型）
玻璃纤维增强的复合材料的耐化学腐蚀性能与树脂的类别和性能有很大的关系，同时，复合材料中的树脂含量，尤其是表面层树脂的含量与其耐化学腐蚀性能有着密切的关系。
(4)聚合物的介电性能（极性，端基，官能团）
有良好的电绝缘性能。树脂大分子的极性越大，则介电常数也越大、电阻率也越小、击穿电压也越小、介质损耗角值则越大，材料的介电性能就越差。
第三章复合材料的增强材料
一．玻璃纤维的分类★
1．以玻璃原料成分分类
(1)无碱玻璃纤维(通称E玻纤) ：强度高，耐热性和电性优良，能抗大气腐蚀，化学稳定性也好（但不
耐酸）。
(2)中碱玻璃纤维：耐酸性好。
(3)有碱玻璃(A玻璃)纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀极为敏感。
(4)特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅组成的高强玻璃纤维，含铅纤维，高硅氧纤维，石英纤维。
2．以单丝直径分类
粗纤维:30μm; 初级纤维:20μm；中级纤维:10~20μm ；高级纤维:3~10μm (亦称纺织纤维)；
超细纤维：小于4μm
3．以纤维外观分类
有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织)、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。
4．以纤维特性分类
高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维及普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维)。
二．玻璃纤维的结构
微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。
网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙由Na, K, Ca, Mg等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na, Ca等阳离子称为网络改性物。
三．玻璃纤维的化学组成
二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等
四．玻璃纤维的物理性能★
玻璃纤维越细，强度越高。
玻璃纤维具有一系列优良性能，拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。
它的缺点是具有脆性，不耐腐蚀，对人的皮肤有刺激性等。
(1)外观和比重：光滑的圆柱，比重与Al近似。
(2)表面积大
(3)玻璃纤维的力学性能：
①玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高。比玻璃制品大，玻璃纤维的模量高于玻璃制品。
②玻璃纤维高强的原因：微裂纹少（结构缺陷小）。
③影响玻璃纤维强度的因素
A．纤维直径和长度。随着纤维直径的减小和长度的缩短，纤维中微裂纹的数量和大小就会相应地减小，这样强度就会相应地增加。
B．化学组成。含碱量越高，强度越低。成型温度高、硬化速度快、结构键能大，强度越高。
C．纤维的老化。当纤维存放一段时间后强度下降的现象，称为纤维的老化。
D．纤维的疲劳。玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的情况。
E．玻璃纤维成型方法和成型条件。玻璃硬化速度越快，拉制的纤维强度越高。
④玻璃纤维的弹性
A．玻璃纤维的延伸率
纤维的延伸率(又称断裂伸长率)是指纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率。玻璃纤维的延伸率
比其它有机纤维的延伸率低，一般为3%左右。
B．玻璃纤维的弹性模量
玻璃纤维的弹性模最是指在弹性范围内应力和应变关系的比例常数。
(4)玻璃纤维的耐磨性和耐折性较差。
(5)玻璃纤维的热性能
玻璃纤维是一种优良的绝热才材料，热处理后强度下降。
(6)玻璃纤维的电性能
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多，这主要是因为无碱纤维中碱金属离子少的缘故。
(7)玻璃纤维及制品的光学性能优良。
五．玻璃纤维的化学性能★
1．侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀情况
当侵蚀介质与玻璃纤维制品作用时，多数是溶解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分；对于浓碱溶液、氢氟酸、磷酸等，将使玻璃纤维结构全部溶解。
2．影响玻璃纤维化学稳定性的因素
(1)玻璃纤维的化学成分
Na2O、K2O的添加有利于提高纤维的抗酸腐蚀性。
玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。
(2)纤维表面情况
比表面积大，耐腐蚀性不好（玻璃耐腐蚀性好）
(3)侵蚀介质体积和温度
侵蚀介质体积越大，温度越高，玻璃纤维的化学稳定性下降越快。
(4)玻璃纤维纱的规格及性能
玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成。
有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成。
六．玻璃纤维及其制品的制造工艺
1．制造原丝
连续(无碱)玻璃纤维及其制品的制造，一般由制球、拉丝和纺织三个部分组成。
2．浸润剂的作用
拉丝时为什么必须要用浸润剂?这是由于浸润剂有多方面作用:
(1)使原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起;
(2)防止纤维间的磨损;
(3)使原丝相互间不粘结在一起;
(4)便于纺织加工。
七．特种玻璃纤维
1．高强度玻璃纤维
高强度玻璃纤维有镁铝硅酸盐和硼硅酸盐两个系统。
2．高模量玻璃纤维
高模量玻璃，这种玻璃也称M玻璃或YM-35-A玻璃
3．耐高温玻璃纤维
(1)石英纤维；(2)高硅氧玻璃纤维；(3)铝硅酸盐玻璃纤维。
4．空心玻瑞纤维
八．碳纤维的分类
1．根据碳纤维的性能分类
(1)高性能碳纤维
在高性能碳纤维中有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。
(2)低性能碳纤维
这类碳纤维有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。
2.根据原丝类形分类
(1)聚丙烯腈基纤维；(2)粘胶基碳纤维；(3)沥青基碳纤维；(4}木质素纤维基碳纤维；(5)其他有机纤维基(各
种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。
3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用碳纤维；(2)耐焰碳纤维；(3)活性碳纤维(吸附活性)；(4)导电用碳纤维；(5)润滑用碳纤维；
(6)耐磨用碳纤维。
九．碳纤维的制造★
1．碳纤维的制造不能用熔融法或溶液法直接纺丝，可用气相法和有机纤维碳化法。
气相法是在惰性气氛中小分子有机物(如烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。
有机纤维碳化法是先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法可制造连续长纤维。2．天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。选择的条件是加热时不熔融，可牵伸，且碳纤维产率高。
3．制作碳纤维的主要原材料有三种：
(1)人造丝(粘胶纤维)；(2)聚丙烯腈(PAN)纤维；(3)沥青。
4．无论用何种原丝纤维来制造碳纤维，都要经过五个阶段:

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