纤维增强复合材料的品种简介

1.玻璃纤维/树脂复合材料

由玻璃纤维与热固性树脂或热塑性树脂复合的材料是20世纪40年代发展起来的第一代复合材料。由于它具有强度高、价格低、来源丰富、工艺性能好等特点，至今仍广泛应用在国民经济各部门中。玻璃是二氧化硅和各种金属氧化硅为主要成分的共熔体，也是无定形的非晶体，呈脆性。但是，它经过高温熔化成液体，可以极快的速度拉制成纤维。玻璃纤维柔软如丝，比玻璃的强度和韧性高得多。纤维越细，强度越高，它的抗拉强度高达1000～3000MPa，比高强度钢还高近两倍，比普通天然纤维高5～30倍。玻璃纤维的弹性模量为（30～70）×10³MPa，约为钢的1/3～1/6。由于它的相对密度为2.5～2.7，因此它的比强度和比模量都比钢高。而且制取方便、价格低，是目前使用最多的增强材料。

按玻璃纤维中Na₂O和K₂O的含量不同，玻璃纤维又可分为无碱纤维（含碱量低于2％），又叫做E玻璃纤维，中碱纤维（含碱量2％～12％）和高碱纤维（含碱量大于12％）。含碱量越高的纤维其化学稳定性、强度和电绝缘性能越差，尤其是对耐碱性较差的合成树脂会起破坏作用。因此，最好用无碱玻璃纤维制作复合材料。

玻璃纤维与热塑性塑料组成的复合材料称为玻璃纤维增强塑料。它比普通塑料具有更高的强度和冲击韧性。其增强效果因树脂的不同而有差异，以尼龙的增强效果最为显著，聚碳酸酯、线型聚酯、聚乙烯和聚丙烯的增强效果也较好。

玻璃纤维增强塑料分为长纤维增强与短纤维增强两类。前者是一束平行排列的纤维为树脂所包围；后者纤维均匀而不定向地分布于树脂之中。长纤维增强塑料可得到较高的抗拉强度和冲击韧性，但成型加工不及短纤维增强塑料方便。

玻璃纤维或玻璃纤维制品与热固性树脂的复合材料通常叫做热固性玻璃纤维增强复合材料。常用的树脂是：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂以及有机硅树脂。几种树脂浇注品的物理、力学性能的对比见表12-2。热固性玻璃纤维增强复合材料集中了其组成材料的优点，即质量轻，比强度高，耐蚀性好，介电性能优越，成型性能良好。它们的比强度比铜合金和铝合金高，甚至比合金钢还高，但刚度较差，只为钢的1/10～5/10，耐热性不高（低于200℃），容易老化，容易蠕变。

表12-2 几种树脂浇注品的物理、力学性能的对比

玻璃纤维还可以和热塑性树脂如尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类、热塑性聚酯和聚碳酸酯等材料复合，制成热塑性玻璃纤维增强复合材料。热塑性玻璃纤维增强复合材料的玻璃纤维直径一般为5～9μm，玻璃纤维柔软如丝，比玻璃的强度和韧性高得多。而且纤维越细，强度越高，其抗拉强度可高达1000～3000MPa，比高强度钢还高出两倍，耐热性高（250℃以下力学性能变化不大），化学稳定性好。主要缺点是脆性较大。但若与合成树脂结合在一起，便能形成具有较佳性能的玻璃纤维增强复合材料。

热塑性玻璃纤维增强复合材料同热塑性塑料相比，基体材料相同时，强度和疲劳性能可提高2～3倍以上，冲击韧性提高2～4倍，蠕变强度提高2～5倍，达到或超过了某些金属的强度。例如，40％玻璃纤维增强尼龙的强度超过了铝合金而接近于镁合金的强度。因此可以用来取代这些金属。

玻璃纤维增强复合材料的主要缺点是弹性模量小，只有钢的1/5～1/10。因此，玻璃纤维增强复合材料用作受力构件时，往往强度绰绰有余，而刚度则较差，易产生变形，在设计时必须引起注意，并从结构设计上来弥补弹性模量小的缺点。此外，玻璃纤维增强复合材料还有耐热性差、易老化和蠕变的缺点。

玻璃纤维增强复合材料的性能随树脂的种类而异，例如：酚醛树脂玻璃纤维增强复合材料不仅价格便宜，而且耐高温，有良好的综合性能，但成型工艺性差（需要高温、高压），环氧玻璃钢的强度高、粘着牢固、断面收缩率小；聚酯玻璃纤维增强复合材料成型工艺性能好，能在低压常温下固化。

玻璃钢应用极广，常用于要求自重轻的受力构件，例如汽车车身、直升飞机的旋翼。也用于要求耐腐蚀的结构件，如要求耐海水腐蚀的结构件和轻型船体，如游船、舰艇，尤其适合于制造扫雷艇。因为它不受电磁作用的影响，可避免磁性水雷的袭击。它也可用作石油化工的管道、阀门、各种车辆的车身及配件；各种耐腐蚀的管道、阀门、贮罐、高压气瓶、撑杆、防护罩以及轴承、法兰圈、齿轮、螺钉、螺母等各种机械零件和机械设备。玻璃纤维增强复合材料作为一种优良的工程材料，正越来越多地应用于国民经济各部门中，已成为工程上不可缺少的重要材料之一。

2.碳纤维/树脂复合材料

碳纤维复合材料是20世纪60年代迅速发展起来的。

碳元素具有同素异构现象，常见的有无定形碳、石墨和金刚石。由于分子结构不同，性能差异很大。前者几乎没有强度，后者则具有很高的强度和硬度。石墨的分子结构是层状的六方晶体结构，呈现各向异性：平行于层面方向的强度和弹性模量高，而垂直于层面方向的强度和弹性模量则较低。碳纤维就是一种由许多石墨晶体组成的多晶纤维，尽管这些晶体在纤维内的排列是不规则的，但为获得高强度和高模量的碳纤维，希望纤维中石墨层面的方向平行于纤维轴线方向。通常，把石墨晶体层面和纤维轴线的交角叫取向角。碳纤维中石墨晶体规整度高、取向角小，则机械强度和弹性模量高。

碳纤维是用人造纤维为原料，在隔绝空气的条件下经高温炭化而成的。用作碳纤维的原料要求在加热升温时不熔化、不剧烈分解。工业上常用的原料是腈纶、沥青和人造粘胶纤维。它们在200～300℃的空气中并施加一定的张力进行发蓝处理，然后在氮气的保护下，在1000～1500℃的高温下进行炭化处理，即可制成含碳量为85％～95％的碳纤维。

如果将碳纤维在2500～3000℃的高温下，在氮气中进行石墨化处理，则碳纤维中的石墨晶体沿着纤维方向的排列会更加整齐，从而提高了弹性模量。经过石墨化处理的碳纤维又称石墨纤维或高模量碳纤维。(www.xing528.com)

与玻璃纤维相比，碳以石墨方式出现，是六方晶体结构，六方底面上的原子以强大的共价键结合，所以碳纤维比玻璃纤维具有更高的强度，更高的弹性模量，其抗拉强度比玻璃纤维略高，而弹性模量则是玻璃纤维的4～6倍。玻璃纤维在300℃以上时的强度会逐步下降，碳纤维在达到2000℃以上的高温下强度和弹性模量基本上保持不变；在-180℃以下的低温下也不变脆。碳纤维的比强度和比模量是一切耐热纤维中最高的。所以，碳纤维是比较理想的增强材料，可用来增强塑料、碳、金属和陶瓷等。

碳纤维通常和环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成复合材料。它们不仅保持了玻璃纤维增强复合材料的许多优点，而且许多性能优于玻璃纤维增强复合材料。这类材料的密度比铝轻，强度与钢接近。弹性模量比铝合金大，疲劳强度高，冲击韧性高，同时耐水和湿气，化学稳定性高，导热性好，受X射线辐射时其强度和模量不变化等。它还具有优良的耐磨减摩性及自润滑性、耐腐蚀、耐热等优点。因此它的比强度和比模量在现有复合材料中名列前茅。碳纤维/环氧复合材料的强度和弹性模量都超过铝合金而接近于高强度钢，完全弥补了玻璃纤维增强复合材料弹性模量小的缺点。此外，玻璃纤维增强复合材料由于弹性模量低，应变量也相应较大，当应变到1％～2％时，树脂要发生碎裂。因此，设计玻璃纤维增强复合材料零件时，其允许承载应力不超过极限应力的60％。而碳纤维则因弹性模量大，设计时可以允许在极限应力条件下使用。另外，在高温老化试验中，碳纤维增强复合材料的强度损失也比玻璃钢小。因此，碳纤维增强复合材料可以制作宇宙飞行器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体、天线构架；在机械工业中，碳纤维增强复合材料用作承载零件（如连杆）和耐磨零件（如活塞、密封圈）以及像齿轮、轴承等承载耐磨零件。它还用作有耐腐蚀要求的化工机械零件，如容器、管道、泵等。但这类材料不足之处是，碳纤维与树脂的粘结力不够大，各向异性程度较高，耐高温性能差等。

3.碳纤维/碳复合材料

它是以碳或石墨作基体，用碳纤维或石墨纤维增强的新型特种工程材料。它能承受极高的温度和加热速度，用作烧蚀防热材料。在航天、航空中用于制造导弹鼻锥、飞船的前缘、超音速飞机的制动装置等，以及航天飞机的超高温部位和大型火箭的喷管上（喷管口部的工作温度超过3000℃）。

4.碳纤维/金属复合材料

碳纤维/金属复合材料是处于研制阶段的一种新型高级复合材料，碳不易被金属润湿，在高温下容易生成金属碳化物，所以这种材料的制作比较困难。现在主要用于制作熔点较低的金属或合金碳纤维复合材料。在碳纤维表面镀铝，制成了碳纤维铝基复合材料。当温度接近于金属的熔点时还可保持高的弹性模量，在600℃高温下仍能保持其强度。用碳纤维和铝锡合金制成的复合材料，是一种减摩性能比铝锡合金更优越、强度更高的高级轴承材料。碳纤维增强铝合金复合材料不仅具有较高的强度和弹性模量，更重要的是改善了金属的高温性能。即有较高的高温强度和模量，在温度较高时有较好的尺寸稳定性，因此提高了零件的使用温度。同时还具有较好的可加工性和连接性能，不会老化等优点。已用于卫星、宇航方面的结构件。但由于碳纤维与金属界面的润湿性差，碳纤维中的碳在高温时极易与铝生成脆性的碳化铝，因而降低了结合强度，所以尚有许多生产技术问题有待研究。

5.碳纤维/陶瓷复合材料

陶瓷一类的无机材料在耐热、抗氧化、耐磨、耐腐蚀、电性能等方面有很多突出的优点，但是抗机械冲击、抗热震性能较差，“脆性”是致命的弱点。用碳纤维与陶瓷组成复合材料能大幅度地提高断裂功和抗热震性能，改善陶瓷的脆性。而陶瓷又保护了碳纤维，使它在高温下不受氧化，因而具有很高的高温强度和弹性模量。如碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400℃的温度下长期使用，可用作喷气飞机的涡轮叶片。又如碳纤维增强石英陶瓷复合材料，抗冲击强度比纯烧结石英陶瓷大40倍，抗弯强度大5～12倍，比强度、比模量有成倍的提高，能承受1200～1500℃的高温气流的冲击，是一种很有前途的新型复合材料。

6.硼纤维增强复合材料

除玻璃纤维和碳纤维之外，工程上尚采用了硼纤维与树脂或金属组成复合材料。硼纤维是一种新型纤维材料，其比强度和玻璃纤维差不多，而弹性模量几乎为玻璃纤维的5～7倍，在无氧化气氛条件下的耐热性为1000℃。

硼纤维增强复合材料是以环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯并咪唑为基体，以硼纤维为增强材料的复合材料，各向异性十分明显，其纵向与横向的抗拉强度和弹性模量的差值，高达数十倍，因此常用多向叠层复合材料。

硼纤维树脂复合材料的主要缺点是抗冲击性能差。另外加工困难，成本昂贵，故它的应用和发展受到限制。

硼纤维增强复合材料主要在航天航空工业上。美国已把硼纤维环氧树脂复合材料应用于F-15战斗机重要构件，大型导弹级间段，轨道飞行器一号系统的隔离装置接合器等部件。由于技术上的原因，硼纤维复合材料的应用远不及玻璃纤维和碳纤维普遍。

7.其他纤维增强复合材料

近年来用晶须代替纤维组成的复合材料发展很快。晶须是一种单晶纤维，它是金属或陶瓷自由长大的针状单晶体，直径在30μm以下，长度约为几毫米。由于它不存在晶体缺陷，它的强度极高，可接近于原子结合力的理论强度。目前已有小批量生产的氧化铝、氮化铝和氮化硅几种晶须。由于它的成本高，因此多用于尖端工程。有时也用晶须作为玻璃纤维增强复合材料制品的辅助增强材料，在应力特别高的部位上撒上晶须，使该部位局部增强。

高强度高模量的有机纤维——芳纶14（国外叫PRD或Kevlar）。它的相对密度是所有增强纤维中最小的，强度略高于玻璃纤维，弹性模量为玻璃纤维的两倍。与无机纤维相比，富有韧性、断裂伸长大，因此有较好的抗冲击性能。它与环氧树脂等组成复合材料已在飞机、宇航器等方面得到应用。