9.3.5.1　纤维增强复合材料

1．玻璃纤维增强树脂复合材料

以玻璃纤维为增强相，以树脂为基体相，两者复合在一起，所得到的复合材料，俗称玻璃钢。按树脂不同，玻璃钢分为热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。

热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强相和以热固性树脂为基体相制成的复合材料。常用的热固性树脂有不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、有机硅树脂等。它具有质量轻、强度高、介电性优越、耐蚀性好及成型工艺性良好等优点，比强度高于铜合金和铝合金，甚至高于某些合金钢。但刚性较差，仅为钢的 1/10～1/5，耐热性不高（低于 200 °C），容易老化和蠕变。热固性玻璃钢主要制作要求自重轻的受力构件，如汽车车身、直升机旋翼、氧气瓶、轻型船体等。

热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强相和以热塑性树脂为基体相制成的复合材料。应用较多的热塑性树脂有尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯、聚碳酸酯。热塑性玻璃钢具有较高的力学性能、介电性能、耐热性和抗老化性能，以及良好的工艺性能。与基体材料相比，热塑性玻璃钢的抗拉强度、疲劳强度、冲击韧性、抗蠕变能力等得到很大的提高，达到或超过了某些金属。这种玻璃钢可用于制造轴承、齿轮、仪表盘、壳体、叶片等零件。

2．碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料是以碳纤维或其织物为增强相，以树脂、金属、陶瓷为基体相制成的复合材料。工业中生产碳纤维的原料为有机纤维（如聚丙烯腈纤维），经预氧化处理、碳化处理工艺而制得高强度碳纤维（即Ⅱ型碳纤维），或再经石墨化处理而获得高弹性模量、高强度的石墨纤维，又称高模量碳纤维（即Ⅰ型碳纤维）。

碳纤维是一种高性能纤维，它的强度高于玻璃纤维，弹性模量更是玻璃纤维的数倍，并在 2 000 °C 下强度和弹性模量基本保持不变，在－180 °C 下也不脆化。比强度和比模量在耐热纤维中也是最高的。

碳纤维增强复合材料中以碳纤维增强树脂复合材料应用最为广泛。常采用的树脂有环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯树脂等。这种复合材料有很高的比强度和比模量，此外，它还具有优良的减摩性、耐蚀性、导热性和较高的疲劳强度。不足之处是碳纤维与树脂的黏结性差而且各向异性，这方面不如金属，但目前已有一些解决方法。

石墨纤维增强铝（或铝合金）复合材料具有高比强度和高温强度，在500 °C时其比强度比钛合金高1.5倍。石墨纤维增强铜或铜镍合金复合材料具有高强度、高导电性、低摩擦系数和高的耐磨性以及在一定温度范围内的尺寸稳定性。(www.daowen.com)

碳纤维增强塑料在航空、航天、航海等领域得到广泛应用，例如，制作宇宙飞行器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体等。此外，还可用于制造轴承、齿轮、活塞以及化工零件和容器。

9.3.5.2　层叠复合材料

层叠复合材料是由两层或两层以上不同性质的材料复合而成。常用的层叠复合材料有双层金属复合材料，如钢-黄铜、钢-巴氏合金等；塑料-金属多层复合材料和夹层结构复合材料等。

三层复合材料就是典型的塑料-金属多层复合材料，它是以钢板为基体，烧结铜网为中间层，塑料为表面层的自润滑复合材料。这种材料的力学性能取决于钢基体，摩擦、磨损性能取决于塑料，中间层主要起黏结作用。这种复合材料比单一塑料承载能力提高 20 倍，热导率提高 50 倍，热线膨胀因数下降 75%，改善了尺寸稳定性，可制作工作在无油润滑条件下的轴承以及机床导轨、衬套、垫片等。

夹层结构复合材料是由两层薄而强的面板（或称蒙皮）中间夹着一层轻而弱的芯子组成，面板与芯子用胶接或焊接的方法连接在一起，夹层结构密度小，可减轻构件自重。面板一般由强度高、弹性模量大的材料组成，如金属板、玻璃等。而芯料结构有泡沫塑料和蜂窝格子两大类，这类材料的特点是密度小、刚性和抗压稳定性好、抗弯强度高。这种复合材料有较高的刚度和抗压稳定性，可绝热、隔声、绝缘，常用于航空、船舶、化工等工业，如飞机隔板、船舱隔板、冷却塔、飞机机翼、火车车厢等装备。

9.3.5.3　颗粒复合材料

颗粒复合材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内而制成的。通常颗粒复合材料有两类：一类是颗粒与树脂复合，例如，在塑料中加入银、铜等粉末，可得到导电塑料，橡胶中加入炭粉，可提高其强度、耐磨性；另一类是陶瓷颗粒与金属基体的复合，金属陶瓷就是其中的一种。

9.3.5.4　碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品增强碳基的复合材料，是一种新型的结构材料。它的组成元素只有一种，即碳元素。因此，碳/碳复合材料具有许多碳和石墨的优点，如密度低、高的导热性、低的热膨胀系数、对热冲击不敏感、耐烧蚀等优异的热性能。它还具有优异的力学性能，如高温下的高强度、高模量、高的耐磨性、高的断裂韧性、低的蠕变等，这使它成为目前唯一可用于 2 800 °C 高温的复合材料。碳/碳复合材料可用于制造航空航天、军事等领域的防热构件，如导弹头锥、航天飞机机翼前缘、火箭和喷气飞机发动机燃烧室的喷管。碳/碳复合材料具有极好的生物相容性，即与血液、软组织和骨骼能相容，并且有很高的比强度和可挠曲性，可用作生物体整形植入材料，如人工牙齿、人工骨关节等。