《聚合物基复合材料》滕翠青，孙泽玉，董杰编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《聚合物基复合材料》

【作　者】滕翠青，孙泽玉，董杰编

【丛书名】“十四五”普通高等教育本科部委级规划教材

【页 数】 284

【出版社】 北京：中国纺织出版社 , 2021.12

【ISBN号】978-7-5180-8818-8

【价 格】52.00

【分 类】聚合物-复合材料-高等学校-教材

【参考文献】 滕翠青，孙泽玉，董杰编. 聚合物基复合材料. 北京：中国纺织出版社, 2021.12.

图书封面：

《聚合物基复合材料》内容提要：

本书全面系统地阐述了聚合物基复合材料的基本概念、基本原理，从组分材料到复合材料制品的成型工艺作了详细的介绍，主要包括复合材料的概述、聚合物基体材料、增强材料、界面控制以及制品成型工艺等内容。

《聚合物基复合材料》内容试读

第一章复合材料概述

人类社会的发展与人们对材料的认识、开发和应用密切相关。目前，传统的单一材料主要有金属、无机非金属、聚合物三种。随着科学技术的发展，人们对材料提出了更为严格的要求，特别是一些特殊的应用领域，对材料的要求更为苛刻，任何一种单一材料已无法满足其需要。因为任何一种材料都有其突出的优点，但也存在一些明显的本质上的缺点，而且对这些材料性能上存在的缺陷加以改进往往都比较困难。如制备应用于航空航天领域的承载构件时，对其材料性能的要求有很多，其中强度和模量高、重量轻（即比强度和比模量高）是衡量其力学性能优劣的重要参数。但传统的单一材料很难满足这一要求。如即使强度远高于普通钢的高强度钢，由于比重大，其比强度仍然很低；而聚合物虽然比金属材料重量轻，但强度低、耐热性差，不能满足航空航天结构件的使用要求。

科学家们经过大量的研究发现，将两种或两种以上的单一材料通过一定的方法复合可制得新材料，既保留了原有组分的优点，克服或弥补了各自的缺点，也可以赋予材料一些新的性能。如在聚合物中加入一定含量的高强度纤维，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶等，会对聚合物起到很显著的增强作用，从而达到轻质高强，满足航空航天材料的要求。这种纤维增强聚合物就是最为经典的复合材料。20世纪40年代初，美国首次用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂制造军用雷达罩和远航飞机油箱，开辟了复合材料在军事、航空航天领域的应用，也标志着现代意义上的复合材料科学正式诞生。

复合材料一经产生就引起了人们的高度重视，并得到迅速发展，这是因为复合材料具有很强的性能可设计性。所谓的性能可设计性，就是按照使用要求的性能来设计和制造新材料，也就是需要什么性能的材料，就能做出符合要求的材料，这正是长期以来人们梦寐以求的。复合材料由于由两种或两种以上的材料复合而成，因此，不仅可以根据复合材料结构件在实际使用中的受力分布进行组分选材设计，而且可以进行复合结构设计，如增强纤维的比例、分布、排列和取向等的设计，充分发挥组成材料性能的优势，获得满足使用要求的复合材料产品。

随着复合材料的不断发展和复合材料相关的科学问题的深入研究，复合材料制品的性能不断提高，制备成本下降，应用领域也从最初的军事、航空航天领域扩展到民用领域的方方面面特别是聚合物基复合材料，现在已发展成集原材料选择、制备工艺、结构设计、界面控制、性能测试等一体的现代化工业体系，产品广泛应用于军事、航空航天、交通运输、石油化工、建筑工程、电气工业、机械工业、体育用品等领域，被誉为最有应用前景的新一代材料。

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【聚合物基复合材料

第一节复合材料的定义和组成

一、复合材料的定义

复合材料是一种成分复杂的多相材料，关于其定义，有多种说法，这些说法分别从不同的角度对复合材料进行了阐述。

复合材料是由两个或两个以上独立的物理相，包含黏结材料和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物。上述定义是从组成复合材料的物理相的角度来诠释复合材料。组成复合材料的物理相至少包括两种，其中一相是连续相，是黏结材料，在复合材料中称为基体材料；

一相是非连续相，是分散于连续相中的粒料、纤维、片状材料或者它们的组合，因为它们绝大多数能对基体材料起到增强的作用，所以称为复合材料的增强材料。因此，复合材料至少包括一种连续的物理相与一种非连续的物理相，可以是一个连续相和一个分散相的复合，也可以是多个连续相和一个或多个分散相的组合。此外，该定义还明确了复合后的产物是固体材料才能称为复合材料。

在国家标准GB/T3961一2009《纤维增强塑料术语》中，复合材料的定义为：由黏结材料（基

体)和纤维状、粒状或其他形状材料，通过物理或化学的方法复合而成的一种多相固体材料。该定义与前一个定义具有基本相同的内涵。

中国标准出版社编写出版的《复合材料标准汇编》中将复合材料定义为：复合材料是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而满足各种不同的要求。该定义强调了复合材料在性能上的协同效应，也就是说，复合材料的性能并不是组分材料的简单加和，而是产生了“1+1>2”的效果，这是复合材料区别于简单混合材料的一个主要特征。

二、复合材料的组成

从复合材料的定义可以看出，复合材料一般由基体和增强材料组成。它们在复合材料中所起的作用不同。增强材料一般强度和模量比较高，是复合材料主要的承力组分。而基体是一种黏结材料，可以把分散的纤维黏结成一个整体，并保持纤维间的相对位置固定；而且基体可以起到保护增强材料的作用，使增强材料免受化学腐蚀和机械损伤；同时，基体又能起到均衡外部施加应力和传递应力的作用，将应力传递到增强材料上，使增强材料真正起到承力的作用，从而产生复合效应，使复合材料的性能大大优于组分材料的性能。

除了基体和增强材料两种组分材料外，复合材料中还存在着与基体材料和增强材料的结构和性能不同的区域，那就是界面。界面是增强材料和基体之间的过渡区域，其结构由增强材料和基体两相的表面层及两相之间的相互作用区组成，具有传递应力、阻断裂纹扩展等多种功能，

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「第一章复合材料概述「

是复合材料中的重要结构。如基体材料将外力通过界面传递到增强材料上，良好的界面黏结性可以有效地传递载荷，使得增强材料的性能得到充分发挥，复合材料的力学性能得到提高。因此，界面对复合材料的性能起着重要的作用。

第二节复合材料的分类和特性

一、复合材料的分类

复合材料品种很多，为了更好地研究和使用复合材料，常对其进行分类。复合材料常用的分类方法有以下几种。

1,按基体材料分类

复合材料按基体材料的不同可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料。聚合物基复合材料又可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料，金属基复合材料按金属种类可分为铝基复合材料、镁基复合材料、钛基复合材料等，无机非金属基复合材料中比较重要的是陶瓷基复合材料和碳基复合材料。

聚合物基复合材料的密度低，通过结构设计可以达到高的比强度和比模量，生产工艺成熟，应用广泛，价格比较便宜，但使用温度较低

金属基复合材料与传统的金属材料比，具有较高的比强度和比模量，与树脂基复合材料相比，具有高的工作温度和优良的导电、导热性，而与陶瓷材料相比，又具有高韧性和高抗冲击性能，是一种性能优异的新材料。但耐腐蚀性较差，且制备工艺较为复杂，价格相对昂贵。

无机非金属基复合材料如纤维增强陶瓷保持了陶瓷基体原有的优异性能如耐高温、耐腐蚀、耐老化、耐磨、硬度大等，并且比陶瓷材料具有较好的韧性和力学性能，而且比耐高温的金属基复合材料的密度低，是比较理想的高温结构材料，但制备工艺复杂，价格昂贵。

2。按增强材料的形态分类

按增强材料的形态来分，复合材料可分为纤维增强复合材料、片状材料增强复合材料和颗粒增强复合材料。

在这三类复合材料中，纤维增强复合材料是增强效果最好、目前应用最广泛的一类复合材料，常用作结构复合材料。纤维增强复合材料在纤维方向上具有增强作用，是各向异性的材料，增强效果与纤维材料的铺层顺序、铺层方向和铺层结构有关，可以根据结构件的实际受力情况进行增强纤维的铺层设计。

纤维增强复合材料根据纤维的长短可分为短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料。而短纤维增强复合材料又可分为单向短纤维增强复合材料和杂乱短纤维增强复合材料，其中单向短纤维增强复合材料是各向异性的材料，在纤维方向的强度和刚度最大，而杂乱短纤维增强复合材料在宏观上表现出性能各向同性。连续纤维增强复合材料又可分为单向纤维增强复合材料、二维织物增强复合材料和三维织物增强复合材料。各种纤维增强复合材料都有其性能特点和最适用的范围。

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|聚合物基复合材料

根据增强纤维的种类来分，纤维增强复合材料可分为碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、有机纤维（如芳纶）增强复合材料、硼纤维增强复合材料、碳化硅纤维增强复合材料、混杂纤维增强复合材料等。

3.接使用性能和用途分类

按使用性能和用途来分，复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要用于制造受力的结构件，具有良好的力学性能，常为纤维增强复合材料。功能复合材料不强调其力学性能，而是利用其特殊的热、电、声、磁等方面的功能性作为主要用途，一般为颗粒增强复合材料。但随着科学技术的发展，特别是一些特殊领域（如航空航天领域）对材料的苛刻要求，复合材料正在向着结构/功能一体化的方向发展。

二、复合材料的特性

在众多复合材料中，聚合物基复合材料是目前发展最完善、应用最广泛的一类复合材料，下面重点介绍这类复合材料的特性。

1.比强度和比棋量高

比强度是材料的强度与密度的比值，比模量是材料的模量与密度的比值，是在质量相等的前提下衡量材料承载能力和刚度的一种指标，对于航空航天结构材料来说，这是非常重要的指标。如果材料的比强度和比模量高，就意味着在强度和刚度相同的情况下，用该种材料制成的结构件可以大大减轻质量。

聚合物基复合材料最显著的特性是比强度和比模量高，特别是纤维增强聚合物基复合材料。由于增强纤维的高性能以及对聚合物的显著增强效果，使得纤维增强聚合物基复合材料的强度和模量较高，而又因为其本身的低密度，所以使其比强度和比模量比传统的金属材料高出很多。表1一1列出了常见的纤维增强复合材料与金属材料的力学性能对比。

表1-1常见的纤维增强复合材料与金属材料的力学性能对比

弹性模量/

比强度/

比模量/

材料

密度/(g/cm3)

拉伸强度/GPa

(×102GPa)

(×105cm)

(×108cm)

钢

7.8

1.03

2.1

1.3

2.7

铝合金

2.8

0.47

0.75

1.7

2.7

钛合金

4.5

0.96

1.14

2.2

2.6

玻璃纤维增强复合材料

2.0

1.06

0.4

5.4

2.0

碳纤维Ⅱ/环氧树脂复合材料

1.45

1.50

1.4

10.6

9.8

碳纤维I/环氧树脂复合材料

1.6

1.07

2.4

6.8

15.3

有机纤维/环氧树脂复合材料

1.4

1.40

0.8

10.2

5.8

硼纤维/环氧树脂复合材料

2.1

1.38

2.1

6.7

10.2

4

「第一章复合材料概述「

从表1一1可以看出，纤维增强复合材料的比强度都超过了传统的金属材料，特别是碳纤维增强复合材料和有机纤维增强复合材料，由于其具有更高的强度和更低的密度，所以具有更高的比强度。除了玻璃纤维增强复合材料外，其他纤维增强复合材料的比模量也都超过了传统的金属材料，玻璃纤维增强复合材料由于其模量相对较低，其比模量略低于金属材料。

值得注意的是，我们强调材料的比强度和比模量，有一个前提，就是只有在材料的强度和模量满足使用要求的情况下，比强度和比模量越高越好。

2.耐疲劳性能好

疲劳破坏是指的材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。金属材料的疲劳破坏是突发性的，事先没有明显的预兆，裂纹一旦达到临界尺寸就突然断裂，来不及检测和维修。纤维增强聚合物基复合材料存在着大量的界面，疲劳破坏一般从纤维或基体的薄弱环节开始，逐渐向界面处扩展，而界面能够有效阻止裂纹的扩展或改变裂纹扩展的方向，使材料不容易发生破坏，而且在材料破坏之前，裂纹较多且尺寸较大，有明显的预兆，可以及时发现并维修。

大多数金属材料的疲劳极限强度是其拉伸强度的30%~50%，而碳纤维/树脂基复合材料的疲劳极限强度可达到其拉伸强度的70%~80%，玻璃纤维增强树脂基复合材料的疲劳极限强度介于上述两者之间。

3.减振性能好

结构件的自振频率与其材料的比模量有很大的关系，前者与后者的平方根成正比。复合材料的比模量较高，因此由其制成的结构件具有较高的自振频率，在工作状态下不易产生共振。此外，复合材料中的界面具有良好的吸振能力，阻尼特性好，结构件中若有振动产生，会很快衰减并停止。因此，高的自振频率和阻尼决定了聚合物基复合材料具有很好的减振性能。

4.性能可设计性良好

聚合物基复合材料是一种由基体树脂和增强材料组成的多相材料，其性能的影响因素有很多，如基体树脂和增强材料的种类和含量、复合方法、成型工艺、界面情况等。除此之外，对于纤维增强聚合物基复合材料来说，由于纤维是主要的承力组分，因此增强纤维的排列方向、铺层顺序以及铺层层数等对复合材料的性能影响很大，是一种性能各向异性的材料。根据这种各向异性的性能特点以及复合材料的性能影响因素，可以灵活地进行产品设计。如可以根据复合材料结构件的实际承受载荷的种类、大小、分布和具体的使用要求，选择合适的基体树脂、增强纤维的种类、几何形态及铺层结构等，同时调控基体树脂和增强纤维两者的比例，选择合适的成型工艺方法以及界面控制，得到满足使用要求的复合材料产品。因此，聚合物基复合材料具有良好的性能可设计性。

5.加工工艺性良好

树脂基复合材料从20世纪40年代发展至今，其制备工艺方法不断完善，新的制备工艺方法也不断被开发出来，目前常用的成型方法有手糊成型、喷射成型、真空袋压成型、树脂传递模

塑成型(RTM)、模压成型、层压成型、缠绕成型、拉挤成型、注射成型、挤出成型等，可以根据基

体树脂的种类、增强材料的形态、制品的性能要求以及制品的形状、尺寸和数量等来选择不同的

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聚合物基复合材料

成型工艺方法。树脂基复合材料制品可一次成型，减少了装配零部件的数量，减少了制造工序，缩短了生产周期，降低了生产成本，同时使材料质量减轻，并且减少材料内部的应力集中。

6.具有多种功能性

树脂基复合材料由于其组成的多样性，为制备具有某种和多种功能性（如声、光、电、磁、热等)的复合材料产品创造了条件，复合材料可拥有吸波、透波、耐热、耐烧蚀、隔热、绝缘、耐腐蚀、阻燃等多种功能。如玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能以及良好的高频介电性能，可作为电机、电器的绝缘材料，同时，该种复合材料还具有优良的透波性能，可用于制造雷达罩；由具有吸波功能的增强纤维和树脂基体可以组成吸波结构复合材料，用于隐身飞机中；碳纤维增强酚醛树脂基复合材料具有良好的耐烧蚀性能，可作为航天飞行器如火箭的喷管喉衬和远程导弹的头锥等的耐烧蚀防热材料。随着复合材料的不断进步和发展，同时与其他先进技术如纳米技术、生物科学等相结合，各种具有特殊功能的复合材料不断被开发出来，并成功应用于各个领域。

正是聚合物基复合材料具有以上的性能特点，使得复合材料的应用不断扩展。但不可否认的是，聚合物基复合材料也存在着一些缺点，如耐温性差，不能在高温下长期使用；耐环境老化性能不好，在紫外线、湿热、化学侵蚀的作用下，复合材料的性能会变差；材料性能的分散性较大，可靠性还有待进一步提高；材料的横向强度和层间剪切强度较低等，而这些问题的不断研究、改进和解决，必将推动复合材料持续向前发展。

第三节复合材料的应用领域和发展方向

一、复合材料的应用领域

自从复合材料产生以来，随着树脂基体、增强材料、复合材料成型技术及设备、界面控制等的不断发展，复合材料的应用领域也得到不断地扩展，从最初的军工和航空航天领域到民用领域的各个方面，都得到了广泛的应用，成为非常重要的工程材料。

1,在航空航天和国防军工领城的应用

航空航天工业的发展和需求推动了复合材料的发展，而复合材料的发展和应用又促进了航空航天工业的进步。而且由于该领域对材料的性能要求高，因此，应用于该领域的复合材料基本都是性能优异的先进复合材料，代表了复合材料最先进的技术，先进复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料，其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。

先进树脂基复合材料的轻质高强的特性，可以使航空航天飞行器在满足强度的要求下减轻质量，减轻飞行器本身的结构质量就意味增加运载能力、提高机动性能、加大飞行距离或射程、减少燃油或推进剂的消耗。

在航空方面，复合材料主要用于各种战斗机和民用飞机上。在战斗机上，复合材料已广泛应用于飞机的主、次承载结构件，如国外最新研制的歼击机全部采用复合材料机翼，而且在机身上也大量采用先进复合材料，占结构总重量的25%一50%，起到了明显的减重作用。在民用飞

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···试读结束···