作者：郭金树
出版社：航空工业出版社
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复合材料件可制造性技术试读：
前言
随着现代科学技术日新月异，复合材料在航空航天、交通运输、体育休闲、医疗卫生、能源、建筑、机械、电子等领域的应用日益广泛，复合材料的材料技术、设计技术和制造技术得到了快速发展。然而，如何选择复合材料的材料和制造工艺，使得在提高产品设计性能的同时降低制造成本，一直是设计师所追求的目标。研制经验表明，产品的制造成本90%以上是由设计阶段决定的。因而在设计过程中，贯彻提高产品可制造性的设计理念，科学合理地进行设计，降低产品制造成本，是非常必要的。为此，本书编者在总结前人工作的基础上，作了一点研究探索，希望对年轻的复合材料技术工作者有所帮助。
本书由先进复合材料国防科技重点实验室郭金树主持编写。其中第一章、第五章由郭金树编写，第二章由李雪芹、彭勃编写，第三章由马宏毅、刘志真编写，第四章由张子龙编写。
限于作者水平，不妥之处难免；又由于本书的章节出自不同作者之手，写作风格不尽相同。所有这些，诚挚地希望得到读者的批评指正。第1章 概述
能源、材料和信息是现代国民经济的三大支柱，材料更是各行各业的基础。材料科学是当今世界的带头学科之一。复合材料的出现使材料领域发生了重大变革，从而形成了金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料多角共存的格局。1.1 复合材料的定义和分类
1.1.1 复合材料的定义
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，用物理和化学方法在宏观尺度上复合而成的新型材料。
对于复合材料比较全面完整的定义应该是：复合材料是由不同材料(包括金属、无机非金属和有机高分子材料)互为基体或增强体，用物理和化学方法在宏观尺度上复合而成的具有新性能的材料；它既能保留原组分材料的主要特点，又通过复合效应获得原组分所不具备的新性能；通过材料设计和工艺设计，使各组分材料彼此关联，性能互补，从而获得新的性能。
从以上定义可知，决定复合材料性能的主要因素是：各组分材料的性能、各组分材料的比例、复合工艺、基体与增强体的界面粘接及处理。
1.1.2 复合材料的分类
复合材料的分类方式很多，通常有以下几种分类方法。
(1)按基体材料类型不同，复合材料可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料。
树脂基复合材料包括：环氧树脂基复合材料、酚醛树脂基复合材料、不饱和聚酯基复合材料、乙烯基酯树脂基复合材料、双马来酰亚胺基复合材料、热固性聚酰亚胺基复合材料、氰酸酯树脂基复合材料、有机硅基复合材料、三聚氰胺基复合材料、聚氨酯基复合材料等热固性树脂基复合材料；聚苯硫醚基复合材料、聚醚醚酮基复合材料、聚醚酮酮基复合材料、聚醚酮基复合材料、热塑性聚酰亚胺基复合材料、聚甲醛基复合材料、聚丙烯基复合材料、聚碳酸酯基复合材料、聚苯并咪唑基复合材料、聚砜基复合材料等热塑性树脂基复合材料。
金属基复合材料包括：铝基复合材料、钛基复合材料、镁基复合材料、铜基复合材料、锌基复合材料、铅基复合材料、镍基复合材料、银基复合材料、金属间化合物基复合材料等。
无机非金属基复合材料包括：碳化硅基复合材料、氮化硅基复合材料、氧化铝基复合材料、氧化锆基复合材料等陶瓷基复合材料；石英玻璃基复合材料、LAS(Li2O—Al2O3—SiO2)基复合材料、MAS(MgO—Al2O3—SiO2)基复合材料等玻璃陶瓷基复合材料；纳米陶瓷基复合材料；碳基复合材料；水泥基复合材料等。
(2)按增强纤维类型不同可分为：玻璃纤维复合材料；碳纤维复合材料；芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、高强度聚烯烃纤维等有机纤维复合材料；硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维等陶瓷纤维复合材料；钨纤维、钢丝等金属纤维复合材料。
(3)按增强体的形态不同可分为：连续纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料、晶须增强复合材料、片状材料增强复合材料、颗粒增强复合材料、纳米复合材料等。
(4)按使用性能不同可分为：结构复合材料和功能复合材料。
结构复合材料是指利用其各种优良力学性能制造结构的复合材料。它主要由基体材料和增强材料两种组分组成，其中增强材料主要提供复合材料的强度和刚度；基体材料用于固定和保护增强材料，传递纤维间载荷，改善复合材料的性能。
功能复合材料是提供除力学性能以外其他物理性能的复合材料。如导电、半导、超导、压电、透波、吸波、电屏蔽、磁性、透光、滤光、发光、变色、辐射屏蔽、吸声、隔声、阻尼、摩擦、阻燃、防热、耐热等功能复合材料。功能复合材料由功能体和基体组成。功能体可以是单一功能体，也可由多元功能体组成。在单一功能体复合材料中，其功能性质主要由功能体提供，基体不仅起到粘接和固定作用，也会对复合材料整体的物理性能产生影响。多元功能体的复合材料可以具有多种功能(包括结构承载功能)，同时还有可能由于复合效应而产生新的功能。功能复合材料是复合材料的研究发展方向，多功能复合材料又是功能复合材料的研究发展方向。
本书主要介绍树脂基连续纤维结构复合材料。1.2 复合材料的特点
对于复合材料，与其说是材料，倒不如说是结构更为确切。与传统材料相比，复合材料具有下述不同之处。
(1)复合材料具有可设计性
就一般的复合材料工程结构而言，其力学性能取决于层合板的力学性能、结构的尺寸和几何形状；层合板的力学性能取决于各单层的力学性能、纤维铺设方向、铺层顺序及各定向单层相对于总层数的百分比；单层的力学性能取决于各组分材料(包括界面)的力学性能、各组分的含量以及各相之间的几何关系。
与上述三个复合材料结构层次相对应，也可将复合材料设计分为结构设计、层合板设计和单层材料设计三个设计层次。结构设计是根据层合板的力学性能来分析工程结构的力学特性，最终确定工程结构的尺寸和几何形状；层合板设计又称为铺层设计，是根据单层的力学性能确定层合板中各单层的铺设方向、铺设顺序和各定向单层的层数；单层材料设计是选择合适的基体和增强材料，并确定它们的体积含量。
复合材料结构的多层次性为复合材料及其结构设计带来了很多的灵活性。复合材料的力学、机械、声、热、光、电、磁、防腐、抗老化等物理、化学性能，都可通过组分材料的选择和匹配、界面控制、铺层设计等设计手段来完成，以达到结构件的设计要求，从而满足工程结构件的使用性能。复合材料给设计人员提供的这种在一定范围内可随意设计的能力，是传统金属材料无可比拟的。
实际上，绝大多数复合材料与其结构件是一次完成的。也就是说，上述三个层次的复合材料结构其实是在同一个工艺流程中同时完成的。因此，上述复合材料的三个设计层次是互为前提、互相影响的，设计人员需要将材料性能和结构件性能一起考虑，材料设计和结构设计同时进行。
(2)复合材料结构设计包括材料设计
在传统材料的结构设计中，只需根据设计要求参照标准材料手册选择合理的材料。而在复合材料结构设计中，材料是由结构设计者根据设计要求而设计的，材料也具有可设计性。因此，复合材料结构设计可以从材料和结构两方面考虑，它是包括材料设计在内的一种新的结构设计。
(3)复合材料和复合材料结构具有同一性
传统材料的构件成形是经过对材料的再次物理加工完成的。而复合材料的构件成形与材料成形同时完成。组成复合材料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了构件，一般不再由“复合材料”加工成复合材料构件。复合材料的这一特点使得复合材料结构的完整性更好，可大量减少零部件及连接件的数量，从而降低成本、提高结构的可靠性。
(4)成形工艺对材料性能有重要影响
复合材料构件在成形过程中有组分材料的物理和化学变化。不同成形工艺所用原材料种类、增强材料种类、纤维体积含量、铺层设计方案也不尽相同。原材料种类、增强材料种类、纤维体积含量、铺层设计方案、结构设计方案不同，也可能带来成形工艺的不同。即使相同的原材料种类、增强材料种类、纤维体积含量、铺层设计方案、结构设计方案和工艺方法，工艺参数和工艺过程不同，复合材料结构的性能差距也较大。同时，由于工艺成形过程中很难准确地控制工艺参数，也造成复合材料结构的性能分散性比较大。因此，成形工艺方法、工艺参数和工艺过程对复合材料结构的影响是比较大的。
(5)复合材料具有非均质性和各向异性的力学性能
从力学的观点来看，非均质是指物体内某点的性能是该点位置的函数，即物体内各点的性能不同；各向异性是指物体内的某点在某一方向上的性能是该点该方向的函数，即物体内的点在各个方向上具有不同的性能。由于复合材料所具有的非均质性和各向异性力学性能，单层和层合板的强度刚度及其他参数都是位置与方向的函数，使其在外力作用下具有与传统各向同性材料不同的变形特征，常常一个方向受力会引起其他方向产生变形。这些特性使得复合材料结构力学的精确求解变得复杂和困难。
1.2.1 树脂基复合材料的性能特点
树脂基复合材料具有如下优点。
(1)比强度高、比模量大
树脂基复合材料的最大优点是比强度高、比模量大。比强度是材料的强度与密度之比，比模量是材料的模量与密度之比。比强度和比模量是衡量结构材料承载能力和刚度特性的重要指标。相同质量的结构材料，比强度越高，承载能力越大，结构能承受的商用载荷越多，结构材料的经济性能越强。表1—1给出常用结构材料的比强度和比模量对比情况。表1—2为国外资料给出的在不同飞行器上节省每千克结构质量的价值含义。
(2)抗疲劳性能好、破损安全性能好
疲劳破坏是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。在纤维复合材料中存在着无数的纤维/树脂界面，这些界面能够阻止裂纹进一步扩展，从而推迟疲劳破坏的发生。
复合材料在纤维方向受拉时的疲劳特性要比金属好得多。通常金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30%～50%，而碳纤维树脂基复合材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的70%～80%。因而，在工程中常常用静力覆盖疲劳处理大多数的疲劳问题。
复合材料的破坏不像传统材料那样由于主裂纹的失稳扩展而突然发生，而是经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出、断裂等一系列损伤的发展过程。基体中存在着大量的界面、纤维以及由纤维承载的特点使材料成为典型的超静定体系。当少数纤维发生断裂时，其失去的部分载荷又会通过基体的传递而迅速分布到其他完好的纤维上去，从而在短期内不会使结构丧失承载能力，显示出良好的破损安全性。
(3)阻尼减振性能好
受力结构的自振频率除与结构自身形状有关以外，还与结构材料的比模量平方根成正比。所以，复合材料结构有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振。同时，复合材料基体与纤维的界面有较大吸收共振能量的能力，致使材料的振动阻尼很高，即使振动起来，也可在较短的时间内停下来。对相同尺寸的梁进行振动研究表明，铝合金梁需要9s才能停止下来，而碳纤维环氧复合材料的梁只需要2.5s就可停止下来。
(4)良好的加工工艺性
可以根据复合材料结构件的形状、大小、设计要求、生产批量以及组分材料类型选择成形工艺。特别适合于大面积整体成形，减少零部件和连接件的数量，省时、省料、减重和降低成本。
(5)物理性能的多样性
复合材料除了具有优良的力学性能以外，一般还具有某些优良的物理性能，如电绝缘性能、高频介电性能、绝热性能、摩擦性能等。另外，选择不同物理性能的组分材料(一般应用一种或多种填料，见表1—3)，可以复合成不同物理性能的复合材料。复合材料的物理性能见表1—4。这种复合材料物理性能的多样性引导了多功能复合材料的蓬勃发展。
但是，树脂基复合材料也有如下缺点。
(1)层间强度较低
一般情况下，复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度分别低于基体的剪切强度和拉伸强度，在层间应力作用下很容易引起分层破坏。在结构设计时，应采取措施减小层间应力。
(2)材料韧性较低
大多数增强纤维(芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等除外)属脆性材料，拉伸时断裂应变很小。其复合材料也是脆性材料，无论是沿纤维方向还是垂直于纤维方向，其断裂应变都要比金属材料小得多。可通过改善纤维的断裂应变、界面状况和基体的韧性(采取整体增韧、离位增韧等措施)来提高复合材料的抗冲击、抗断裂等性能。
(3)材料性能的工艺分散性较大
复合材料成形的工艺方法、工艺参数、工艺过程对性能影响较大。
(4)材料性能受湿热环境因素影响较大
不同温度、湿度条件下，复合材料的强度、刚度性能均不相同。
(5)破坏模式较多
复合材料从微观纤维断裂、基体开裂到宏观的强度破坏、失稳破坏，破坏模式多种多样。
1.2.2 金属基复合材料的性能特点
金属基复合材料的性能取决于所选的金属或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以获得既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量等综合性能。
(1)高比强度、比模量
在金属基体中加入低密度、高强度、高模量的增强体，与金属基体性能相比，可成倍地提高复合材料的比强度、比模量。
(2)良好的导热、导电性能
金属基复合材料中金属基体所占体积百分比，一般在60%以上，因此，仍能保持金属所具有的良好导热、导电性。
(3)优良的高温性能
由于金属基体的高温性能比树脂基高很多，增强材料在高温下又具有很高的强度和刚度，因此，金属基复合材料既具有比树脂基复合材料高得多的高温性能，也具有比金属基体更高的高温性能。特别是连续纤维增强金属基复合材料，在高温下纤维强度基本不下降，其复合材料的高温性能可以保持到接近金属熔点。
(4)热膨胀系数小、尺寸稳定性好
金属基复合材料中所用的碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒等增强体均具有很小的热膨胀系数，特别是石墨纤维，还具有负的热膨胀系数。
选择不同的金属基体和增强体，按一定比例复合在一起，就可得到热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。
(5)良好的疲劳性能和断裂韧性
金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于金属基体与增强体的界面结合状态，好的界面结合状态既可有效传递载荷，又可阻止裂纹扩展，提高材料断裂韧性。金属基复合材料具有良好的疲劳性能和断裂韧性。C/Al复合材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的70%左右。
(6)耐磨性好
金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料均具很好的耐磨性。
(7)不吸潮、不老化、气密性好
与树脂基相比，金属基体组织致密、性质稳定，不存在吸潮、老化、分解等问题，也不会发生性能的自然退化。
1.2.3 陶瓷基和碳基复合材料的性能特点
陶瓷基复合材料的优点是既具有陶瓷材料的优点，同时又克服了陶瓷脆性的弱点。即它具有熔点高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高硬度、耐磨损性能的同时还具有低密度、高强度、高模量、高韧性、高冲击阻力的优点，从而与陶瓷相比，具有很高的比强度、比模量。1.3 复合材料的应用
1.3.1 树脂基复合材料的应用
树脂基复合材料是目前应用最为广泛的一类复合材料，自1932年玻璃纤维增强树脂基复合材料在美国诞生之后，至今已有近75年的发展历史。更为重要的是，1959年日本的进藤昭男发明了用聚丙烯腈(PAN)原丝生产碳纤维的方法。1962年日本东丽公司开始研制聚丙烯腈(PAN)原丝和碳纤维。1963年大谷杉郎教授以沥青为原料研制出碳纤维。1967年成功批量生产T300碳纤维，从而诞生了以碳纤维为增强材料的高比强、高比模的先进复合材料。
目前，复合材料主要应用在航空航天、体育休闲用品和工业应用等三大领域。航空航天等军用领域只占17%的应用份额，体育休闲用品大约占27%的应用份额，发展较快的是工业应用领域，大约占到56%的份额。表1—5为上述领域全球碳纤维的需求量。2005年国内对碳纤维的需求量超过4500t，约占当年全球碳纤维需求量的18.7%。应用最多的领域是体育休闲领域，用量2500t，约占总量的56%。
就先进复合材料而言，在各领域的应用情况大致如下：
(1)航空航天领域
国际上军用飞机的复合材料用量已占结构重量的25%～45%，大型客机15%～50%，小型飞机和直升机70%～80%。
a.军用飞机。为满足新一代战斗机对高机动性、超声速巡航及隐身的要求，进入90年代后，西方的战斗机无一例外地大量采用复合材料结构，用量一般都在25%以上，结构减重效率达30%。应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第四代战斗机F—22复合材料用量已达到25%；而EF2000更高达43%，EF2000除前翼外，机身、机翼、腹鳍、垂尾、前翼都采用复合材料，结构表面的70%为复合材料；“Rafale”也是如此，70%的表面为复合材料，约947kg重。F—35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。美国波音飞机公司为美空军研制的X—45系列飞机已于2002年5月首飞；X—45A无人机，除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外，其余的机体结构都是由复合材料制成；X—45C批生产时复合材料用量将达90%以上。诺斯罗普·格鲁门公司的X—47系列飞机亦于2002年首飞，该机的机体除一些接头采用铝合金外，整个机体几乎全部采用了复合材料。诺斯罗普·格鲁门公司为美海军研制的美国著名的“全球鹰”(GlobalHawk)高空长航时无人侦察机共用复合材料65%，其机翼、尾翼、后机身、大型雷达罩等均由复合材料制成，全复合材料机翼长达35m，为4梁式结构。世界上最新研制的无人机几乎都是全复合材料无人机，如欧洲的多任务无人验证机“梭鱼”，美国的远程攻击无人机“臭鼬”等。表1—6则给出了几个重要军机上复合材料应用的具体情况(图1—1)。
我国军机上复合材料应用情况是强5为2%、歼8Ⅱ为5%、歼8Ⅲ为2%、歼10为6%。
b.民用飞机。欧洲空客的超大型客机A380(见图1—2)。该机载客550～650人，各种复合材料用量占全机结构重量的25%左右。主要应用在中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等部位。A380是第一个将复合材料用于中央翼盒的大型民机，该翼盒8m×7m×2.4m，重8.8t，用复合材料5.3t，减重1.5t，机身上壁板则大量应用了玻纤增强铝合金复合材料Glare层板，共27块470m2。其水平尾翼的大小超过A320的机翼，半展长19m，内装燃油，号称世界上正在飞行的最大复合材料整体油箱。其机身后承压框为6.2m×5.5m，号称世界上最大的RFI整体成形构件。A380开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河。图1—3为在A380上比该公司以往飞机新增加的复合材料用途。该公司目前正在研制的新一代客机A350，复合材料的应用比例也将达到39%。图1—1 几种先进军用飞机70%以上的外表面为复合材料图1—2 新一代客机
在新一代波音787飞机上(见图1—2)，复合材料用量将达到50%，主要应用部位包括机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框和发房等部位。飞机的外表面，除了垂尾前缘、平尾前缘、中外翼前缘和吊挂以外全部为复合材料，是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机。波音认为先进复合材料除可大幅减重，增加燃油效率20%外还可提供更好的耐久性，降低使用维护要求，增加未来发展的潜力和空间。美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机Lear Fan2100号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它以结构小巧重量轻而称奇于世。
c.直升机。直升机采用复合材料不仅可减重，而且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大，因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大，不仅机身结构，由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。为推动先进复合材料在直升机上的应用，美国执行了ACAP计划(Advanced Composite Application Plan)，在该计划下研制了H360、S75、BK—117、V—22等直升机，均大量采用了复合材料。如V—22可垂直起落，倾转旋翼后又能高速巡航，该机结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等共用复合材料3000多千克。美国的武装直升机科曼奇RAH66，共用复合材料50%，该项目虽已停止发展，但其复合材料技术会沿用下来。法德合作研制的“虎”式武装直升机，复合材料用量更高达80%，接近全复合材料结构。我国的直9，由法国引进时共用复合材料23%，现已扩大到36%左右。中法新合作研制的轻型直升机EC120，其机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由复合材料制成。台湾纬华直升机公司研发的ULTRASPORT系列超轻型直升机亦为全复合材料直升机，双座型的轻达180kg，创造了世界之最，当年被美国FAA评为10年来直升机创新的杰作。
d.特种飞机。所谓特种飞机系指为某一特种目的研发的非通用型飞机，该种飞机几乎毫无例外的均为全复合材料飞机，复合材料在该类飞机上出色的应用为其带来了空前的成功与骄傲。全复合材料飞机“旅游者”号(Voyager)，结构仅重453kg，载油量却高达3200kg，号称飞行油箱，1986年创下了不加油、不着陆连续环球飞行9天40252km的世界纪录。美国维珍大西洋环球飞行者(Global Flyer)也是一个全复合材料飞机，起飞重量为10t，其中83%为燃油，共13个油箱，空重仅1.8t，2007年2月11日创造了连续飞行76h共42467km的新世界纪录。美国NASA领导研制了太阳能高空长航时稳定飞行无人机“太阳神”(Helios)号，空重600kg，任务载荷282kg，全机为一种飞翼式布局，展长75m，超过波音747的展长，全由复合材料制成，2001年8月13日飞行了17h，创下了29516m的飞行高度世界纪录。欧洲正在研制的太阳能飞机SolarImpulse亦为全复合材料飞机，采用高刚度碳纤维，机翼展长80m，总重2t。
e.航空发动机。发动机上应用复合材料可以大幅度提高其推重比，因此先进复合材料已成为未来发动机关键材料之一。发动机用除树脂基复合材料外，因温度要求的关系，还会用到金属基、陶瓷基、碳/碳等复合材料，情况见表1—7。
在发动机上树脂基复合材料主要用于冷端部件，如外涵道、静子叶片、转子叶片、包容机匣、反推力装置等部位，与铝静子叶片比可减重50%以上，成本下降50%以上。GE的F404、F414、F110，GE90系列的F136，普惠的F119、F135等型号上均采用了复合材料部件。英国罗罗公司在遄达800上采用了复合材料反推力装置。发动机所用树脂基体多为可耐高温的聚酰亚胺树脂，如PMR—15可耐温316℃，PMR—Ⅱ可耐温371℃，更高的可耐温450℃的树脂正在研发中。现代高推重比发动机可用到复合材料15%～20%。
f.航天飞机。在航天领域，大量采用先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝制造主机身隔框和翼梁，用碳/碳制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成，被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。在这架代表近代最尖端技术成果的航天飞机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。
g.人造卫星。卫星上采用先进复合材料的比例比其他飞行器上高得多。由于卫星处于高、低温交变的恶劣的空间环境，要求物理性能恒定，结构稳定性好，尤其是要求轻的结构质量。人造卫星发射时，卫星受到很大的加速度过载和强烈的振动，要求材料具有足够的强度；在轨道运行中卫星处于高低温交变的环境中，卫星的某些部件，如抛物面天线等尺寸精度要求很高，必须有尽可能小的热胀系数；展开式结构也要有足够的刚度，以免在轨道运行过程中对卫星姿态控制不利；卫星结构材料要求在高真空及粒子、紫外线辐射下具有足够的稳定性。返回式卫星再入大气层时也要求防热。另外，卫星结构的减重非常重要。目前，复合材料在卫星上应用高模量碳纤维的对象可分为太阳能电池阵结构、卫星天线、卫星的本体结构三大类。
第一类太阳电池阵结构，包括太阳电池基板、支撑架、桁架结构。太阳能电池阵为人造地球卫星长期运行提供不可缺少的能源，随着卫星技术的发展，卫星上仪器设备需要的功率越来越大，因此近年来卫星采用空中展开式大型太阳电池阵，要求材料有高比模、低热变形，所以碳/环氧树脂是比较适宜的。如法国MBB公司研制了两种太阳能电池阵结构：一种是刚性太阳电池阵，由碳/环氧树脂面板、方形薄壁梁和铝蜂窝构成，已用于轨道卫星；另外一种是半刚性太阳电池阵，用碳/环氧树脂制成薄壁方形管材的框架，其上加预张紧的柔性薄膜支撑太阳电池，此结构面密度较低。
第二类天线结构，包括反射器、馈源结构。随着卫星技术的不断发展，天线尺寸愈来愈大，对尺寸精度要求越来越高。为了保证空间温度交变条件下的结构尺寸稳定，必须采用热膨胀系数小的材料。碳纤维轴向热膨胀系数很小甚至为负值，而正向为正值，适当的铺层设计可以获得接近零膨胀的复合材料。卫星上的天线为卫星的耳目，为了提高信号收发效率，减少信号损失，对卫星运行过程中支撑天线结构件的尺寸稳定性同样提出了严格要求，为此多采用碳/环氧树脂管材。例如，在应用技术卫星ATS—F上的天线支撑桁架由8根高模量的石墨/环氧树脂构成，最外层为S玻璃/环氧树脂环向层，用以提供横向强度和抗冲击性能，并满足横向热膨胀要求。用石墨/环氧树脂桁架比用铝合金减重50%。此外，石墨/环氧树脂复合材料还广泛用于各种航天器和卫星天线发射器等零件。如美国国防气象卫星的精密天线反射器，美国技术卫星F型和G型的反射器桁架管，印度INSAT—1通信系统的天线反射器都采用石墨/环氧树脂复合材料。
第三类卫星本体结构，包括卫星外壳、中心承力筒、发动机支架等承力结构部件，各种仪器安装结构板等。碳纤维/环氧树脂的比模量高，适用于作为卫星的本体结构材料。如日本ETS—1卫星壳体内部的推力筒、设备架支杆和一部分隔环。推力筒是主承载部件，用以支撑设备架和太阳电池阵，以及设备架上固定的各种仪器设备。分隔环为提供卫星与火箭固定装置的交接面，这些部件都有部分承载，一般都是由M40的碳纤维增强复合材料制成。国际通信卫星V的中心推力筒由圆筒壳和锥壳组成，壳体由铝蜂窝和石墨/环氧树脂面板的夹层结构构成，蒙皮多用T300布和高模量单向带复合材料制成，其他部件也多由石墨/环氧树脂制成。
从1984年我国“东方红”卫星3号上首次使用碳/环氧复合材料的喇叭天线、消旋发动机支架和遥测发射天线支撑筒以后，先进复合材料在我国卫星的结构件上获得了相当广泛的应用。在“东方红”3号、地球资源卫星1号以及其他用途的卫星中，用复合材料制成的结构占卫星结构总质量的80%～90%，使卫星结构质量从占卫星总质量的15%下降到6%～7%。
h.运载火箭。将先进的碳纤维复合材料用于运载火箭可有效减轻质量，减重效果非常明显。有数据表明，对于一枚三级运载火箭，第一级减重1kg，火箭总质量可减重5kg；第二级减重1kg，火箭总质量可减重8kg；第三级火箭减重最为显著，减重1kg可相应地使总质量减重30～100kg，因此运载火箭的上段(如第三级和卫星支架)都尽可能地采用先进复合材料制造。减重可有效降低运载火箭的发射功率、增加有效载荷。运载火箭上使用碳纤维增强复合材料的部件主要包括发动机、级间段、仪器舱、整流罩等。一般而言，作为结构材料，碳纤维增强复合材料的基体树脂采用改性的韧性环氧树脂以及双马来酰亚胺树脂等；作为耐热、耐烧蚀材料则采用酚醛树脂。
火箭发动机壳体是火箭的重要组成部分，既是发动机推进剂的贮存箱体，又是推进剂的燃烧室，需要承受3500℃的高温和5～15MPa的高压。高强中模碳纤维(如T800)的应用使壳体的强度和刚度大为改观，壳体尺寸稳定，减少了推进剂贮存箱体的变形，使其可以适应低温环境；碳纤维的热膨胀率较低，可使推进剂贮存箱体的热应力减少；它同绝热层的粘接性好，强度转化率和尺寸效应效率也都较Kevlar—49纤维优越。碳纤维增强复合材料已用于“飞马座”火箭、LLMV火箭各级发动机、“德尔它”火箭及“大力神—4”大型火箭助推器。
在运载火箭级间段上应用碳纤维复合材料的情况，以“阿里安”运载火箭为例，二、三级级间段为圆筒结构，直径2.6m、长度2.73m，采用碳纤维/环氧树脂加肋蒙皮板制成。与铝合金半硬壳式结构相比成本相同但重量降低20%多。圆筒段结构由8块曲面形壁板组成，壁板由环氧树脂预浸T300碳纤维布带铺设而成。
运载火箭仪器舱用来安装和保护火箭仪器设备，并确保级间的连接。以“阿里安”为例，仪器舱主要由内锥壳、外锥壳、仪器安装平板、外保护罩四个主要构件组成。其中内外锥壳由6块壁板组成，壁板均由碳纤维和环氧树脂铺设而成。
运载火箭整流罩是运载火箭的重要组成部分之一，当火箭竖立在地面以及穿过稠密大气层时用来保护有效载荷，保证有适当的气动外形。整流罩由鼻锥帽、圆锥段和圆柱段组成。各段主要采用铝蜂窝夹心和碳纤维或者玻璃织布与环氧树脂铺设而成。
i.战略导弹。为了增加其有效载荷重量、提高命中精度和生存力，目前都向轻质化、小型固体化和机动发射方向发展，以实现机动化、远射程、强突防。
第一，使用碳纤维复合材料可以有效减轻战略导弹的重量。减重可以增加有效射程，或者携带更重要的战斗部。据资料报道，战略导弹固体火箭发动机第三级结构重量减少1kg，其射程可增加16km；弹头重量减少1kg，可以增加射程20km。
第二，使用碳纤维复合材料还能提高战略导弹的命中精度。战略导弹在再入过程中要经受恶劣的条件和很高的气动加热，对战略导弹的气动特性、再入飞行特性影响最大、最敏感的关键部件是弹头的端头，它直接影响着弹头的落点精度。采用细编穿刺的三向碳/碳复合材料制备端头，由于耐烧蚀性能好，烧蚀量小而均匀，在再入过程中有稳定的烧蚀外形，大大提高了落点精度。
第三，使用碳纤维复合材料也有利于战略导弹实现机动发射。先进的战略导弹要求实现铁路或者公路的机动发射，要求发射筒和发射拖车质量轻、变形小、转动时振动尽量小。由于铁路和桥梁的允许承载能力限制，对发射筒的结构质量提出了严格要求。例如，美国MX导弹发射筒直径为2500mm，厚度为42mm，长度为22400mm。如果采用高强钢制造，其结构质量将超过100t。选用高强铝合金，虽然可以减重1/3左右，但仍不能满足要求。而采用石墨/环氧复合材料来制造发射筒，质量仅为21t，其他性能也符合设计要求。
第四，先进的战略导弹除了承受严峻的气动加热环境考验外，对弹头还要求具有隐身、抗核、抗激光和抗粒子云等功能。采用经改性的整体编织的碳/碳复合材料，有可能实现防热、抗激光、抗核效应和抗雷达红外探测等一体化功能，使弹头在不增加材料层次和重量情况下，具有较好的突防能力。
弹头是导弹所携带的毁伤目标的专用装置。弹头结构一般由端头(鼻锥)、上下壳锥体、天线窗和底遮板等件组成。弹头再入大气层时，其速度高达7km/s，同时产生极端的气动力、气动热和极其复杂的物理现象。端头锥体表面温度在3500℃左右，驻点压力超过10MPa。在上述环境下飞行，由于高温作用，可使整个弹头烧毁或大面积烧损；由于高压和过载的作用，可能使再入弹头结构破坏甚至完全解体；由于不对称的烧蚀会造成飞行不稳定，落点精度降低。面对如此恶劣的环境，必须采用耐烧蚀式防热材料。这种材料在热流作用下发生多种形式的吸收热能的物理和化学变化，借助材料自身质量的消耗而带走大量的热量，以达到阻止热流传入弹头内部的目的。除了具备良好的耐烧蚀性能外，这种防热材料还需要有足够稳定的力学性能和热物理性能，在气动环境下仍能保持弹头的承载能力和外形的完整性。能满足这些要求的只能是增强的复合材料。战略导弹的弹头端头，目前一般采用细编穿刺三向碳/碳复合材料。使用碳/碳复合材料既能缩小弹头端头的钝度，又能保持弹头的烧蚀外形，有利于提高弹头的再入速度和命中精度。弹头的大面积防热层由高硅氧/酚醛发展为碳/酚醛复合材料。使用碳/酚醛复合材料可以使弹头在再入过程中保持较完整的气动外形；同时碳/酚醛不仅是很好的防热材料，还可起到结构材料的作用，可减少弹头的结构重量。例如，MX导弹的MK—21弹头下半部承载壳体为碳纤维/环氧树脂制作；侏儒导弹的MK—21弹头也将承载壳体全部改用碳纤维/环氧制作。国外战略导弹弹头所用的防热材料如表1—8所示。从表中可以看出，绝大多数战略导弹弹头采用碳/碳、碳酚/醛类耐烧蚀式防热材料。
固体火箭发动机有燃烧室、推进剂药柱、喷管和点火器四个主要部分组成。作为导弹的动力装置，对发动机的基本要求就是“高能、轻质、可控”。具体来讲就是要求高比冲、长寿命；发动机上的结构材料和功能材料质量要轻，从而获得高的质量比。与运载火箭相同，发动机燃烧室需要耐3000℃以上的高温和高压，对材料的要求非常苛刻。发动机燃烧室壳体常用的高强中模碳纤维有美国的T—40、IM7、IM8和日本的T800等。一些先进的固体导弹发动机壳体，像美国的三叉戟Ⅱ—D5导弹的第一、第二级和侏儒导弹的三级发动机壳体都采用了高强中模碳纤维。发动机喷管及其喉衬需承受高温、高压、高速、带凝聚相粒子的燃气的机械冲刷、化学浸蚀和热冲击，因此喷管的喉衬、收敛段和延伸段都采用碳/碳复合材料。如海神C3导弹发动机喷管的喉衬采用石墨/酚醛复合材料，延伸段采用碳/酚醛作为防热层；美国MX系列洲际导弹、三叉戟导弹的喷管、喉衬和扩散段等采用三向碳/碳编织复合材料，也有一些采用碳纤维/酚醛复合材料。为了进一步减轻战略导弹的重量，先进战略导弹的许多构件都改用碳纤维/复合材料，如仪器舱、发射筒等。三叉戟Ⅱ仪器舱由铝合金上、下壳及石墨/环氧树脂壳体相连接而成。仪器舱内采用了100多个石墨环氧树脂复合材料零件，如仪器支架、支座和托架等。这种仪器舱较铝合金的重量减轻25%～30%。MX导弹，侏儒导弹的仪器舱很多部件都采用碳/环氧复合材料制成。MX导弹的发射筒前段长7.43m，重约7.2t，是战略导弹上使用的最大石墨/环氧结构件。MX导弹释放舱的圆柱形外壳也采用石墨/环氧复合材料制造。
(2)体育休闲领域
体育休闲用品是复合材料应用的另一个重要领域。近年，碳纤维高尔夫球杆年市场规模约为4000万只/年，约占高尔夫球杆总数的80%以上；碳纤维钓鱼杆1200万只/年，约占总数的50%以上；各种球拍(网球拍、羽毛球拍等)500～600万只/年；自行车12万辆/年；其他还包括滑雪板、滑雪车、箭杆、自行车车架、船桨、公路赛车、竞技墙等体育用品。前4项约占碳纤维耗量的85%左右，其他约占15%左右。亚洲用于生产体育休闲用品碳纤维的消耗量是世界上最高的。2002年在体育用品的4990t碳纤维中亚洲占首位，达3100t，占62.2%；其次是北美，占22.4%；欧洲最少，仅为15.4%。
(3)工业领域
这是一个覆盖甚广，内容甚多，也是一个发展最快，前景最好的应用领域。据统计，近十年来碳纤维及其复合材料在工业领域应用的增长速度高达20%～25%。
在交通领域，碳纤维应用最大的是汽车业。国外的各大主要汽车厂家均竞相开发碳纤维复合材料，CFRP化的节能环保和安全性汽车新一代的汽车要求大大降低能耗，最重要的措施之一就是减轻汽车质量，用一般钢材是不可能实现的。最有效的办法就是应用复合材料，可减重40%以上，节省燃油，降低使用成本。目前碳纤维复合材料已获得应用或正在研究开发应用的领域主要包括飞轮、压缩天然气贮罐、燃气透平部件、刹车装置、其他部件(如蓄电池、活塞传动轴、弹翼大梁、汽车骨架、螺旋桨芯轴、轮毂缓冲器、弹簧片引擎零件等)。设计表明一辆典型小车的碳纤维用量可超过113kg，以此推算仅满足北美需求的碳纤维复合材料需求量就达世界碳纤维总生产能力的100倍。
在能源方面，风力发电是世界能源增长最快的领域，每年以25%的速率递增。目前德国公司最大的风叶已达到82m。风力发电的趋势是单机容量越来越大，因此叶片越来越长，自重越来越大。因此对材料刚度、强度的要求越来越高，不得不由玻纤转向碳纤增强复合材料发展，制作叶片、机舱罩、导流罩、塔架等。该领域欧洲德国领先(8750MW)，其次是美国，亚洲是印度，日本等，我国仅450MW，尚有很大的发展空间。风能作为清洁环保的可再生能源，已受到我国政府的高度重视，规划中沿海和西北地区的风电开发，将大量需求高性能风机叶片。据估计2008年风力发电量将达到95000MW，假定增加部分一半使用碳纤维，需要13000个2MW的涡轮机，39000个叶片，每个叶片大约需要碳纤维1500～2000kg，2004～2008年至少需要碳纤维60000t，风能叶片平均年需碳纤维15000吨/年，相当于全球碳纤维年产量的一半，市场前景广阔。在沿海油气田开采方面，由于碳纤维复合材料的高比强度、高比刚度、特别是高耐腐蚀性的特点，在该领域有广泛的应用前景。包括管道系统及其衬里、油罐、油箱、围栏、扶手、通道、竖井、抽油杆等。建一座海上油田需要1000t碳纤维做复合材料。另外，科学家经过多种探索确认高性能碳纤维纸能满足绿色能源——燃料电池的要求，而且和原碳材料电极相比还有体积小、质量轻、效率高等优点。现在用高性能碳纤维纸制作质子交换膜—燃料电池PEMFC的气体扩散层电极材料已经得到各燃料电池制造商的认同，将很快得到发展。
在电子工业领域，碳纤维除因其优良的力学性能而用于结构材料的增强外，还因其导电性极好且呈非磁性而用做功能材料在电子工业中也有重要的应用。用碳纤维制作的电子屏蔽装置具有很好的电磁波吸收能力。碳纤维与聚合物复合成为填充型复合材料不仅具有良好的屏蔽作用，同时使壳体材料的力学性能大大提高。碳纤维热塑性复合材料(CFRTP)具有优良的抗拉抗弯性能，其比强度大于铝镁合金，质量轻于铝镁合金，且不怕生锈、无需与特殊的热环境隔离，具有很好的耐震动衰减性和耐疲劳性能，特别适用于制造在交变载荷下工作的电子零部件，其永久抗静电性电磁波屏蔽性和耐候性均优于热塑性塑料ABS，所以CFRTP材料已被广泛地应用于电子电气领域，如用于抗静电IC盘、手机、笔记本电脑的壳体，电视天线、抛物面天线，防爆开关，仪表罩壳，精密电子仪器部件电缆管道等。
在土木建筑领域，利用碳纤维复合材料替代钢，用于桥梁，隧道，涵洞，地铁及其相关的混凝土工程，制作承拉索、护栏、扶手、梁、柱、板、桩、桁架、筋条等。利用碳纤维层压板、包缠料加固或修复桥梁及建筑物，及利用碳纤维增强混凝土等将会有很大的发展。
在其他应用领域，如制造大型电波望远镜、摄像机、光学仪器支架和壳体，制造纺织机械的框架、箭杆、棱、模具，汽车的压缩天然气罐、集装箱，大型造纸机、印刷机的滚筒、导辊，搬运机械的升降机箱、电梯构件，空压机轴、离心分离转子以及密封件、压力容器，X射线仪的床板、头托、假肢、CT床板、人工关节、人造骨、人工脏器，远红外电暖器、理疗垫、导电纸、发热墙体，等等。
1.3.2 金属基复合材料的应用
金属基复合材料因具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性在军事工业中得到了广泛的应用。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类，其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证，如用于F—16战斗机作为腹鳍代替铝合金，其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等；碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点，可用于制作火箭、导弹构件，红外及激光制导系统构件，精密航空电子器件等；碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能，是高推重比发动机的理想结构材料，目前已进入先进发动机的试车阶段。在兵器工业领域，金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托，反直升机/反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部件，以此来减轻战斗部重量，提高作战能力。金属基复合材料的应用包括代替轻但有毒的铍。例如，在美国的三叉戟导弹中用SiCp/Al复合材料取代了铍，碳化硅颗粒/铝基复合材料还在飞机的电子设备中取代碳/环氧。在民用方面，短纤维增强金属基复合材料在汽车领域的应用得到普遍关注。例如局部增强内燃机活塞，其顶部是由氧化铝短纤维或氧化铝和二氧化硅短纤维混杂增强铝基复合材料构成。常规的内燃机活塞用Al—Si铸造合金，有些则采用在第一道环槽镶嵌高镍铸铁环。
1.3.3 陶瓷基和碳基复合材料的应用
陶瓷基复合材料的开发一直吸引着技术发达国家投入巨资进行研究。目前，对陶瓷基复合材料的研究，美国和西欧各国侧重于航空和军事应用，日本则力求把它应用在工业上。1987年美国能源部开始实施对陶瓷基复合材料的研究开发计划，美国国防部和美国国家航空航天局(NASA)等单位也投入大量人力和经费。近年来美国国防部一直把这项技术列入重点投资项目，一批大公司中集中力量研究三维编织增强陶瓷的热结构件。据悉，SiCf/SiC已得到比较成功的应用，NASA开展的陶瓷燃气轮发动机(AGT)研究课题，研制的转子、叶片、燃烧室涡形管等件已通过热试验；法国SEP公司用陶瓷基复合材料制成的SCD—SEP火箭试验发动机已经通过点火试车，由于使用陶瓷基复合材料使结构减轻了50%。陶瓷基复合材料主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀，它在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。
陶瓷基复合材料潜在的应用领域广泛，包括宇航、国防、能源、汽车工业、环保、生物、化学工业等，在未来的国际竞争中将起关键的作用。
碳—碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳—碳鼻锥帽和机翼前缘。用量最大的碳—碳产品是飞机刹车片，因其质量轻、耐高温、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作的刹车片被广泛应用于军民用飞机中。
碳—碳复合材料在宇航方面主要用做烧蚀材料和热结构材料，具体而言，它被用做洲际导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭喷管。喷管是固体发动机的重要部件之一，需承受3500℃左右的燃气高温，又要承受5～15MPa的压力，工作环境极为恶劣。在喷管部分，现在得到应用的有碳/碳喉衬，碳/酚醛喉衬，碳/碳扩散段，碳/酚醛扩散段，碳/碳螺钉、销钉、锁片。MX导弹第三级发动机喷管中大量使用了碳/碳材料。喷管喉衬的工作环境更为苛刻，一般采用碳/碳复合材料制造。如德国Astrium公司设计、制造了一种水冷推力室试验用喷管延伸段，并为“阿里安”5火箭芯级火神发动机设计制造了缩尺推力室喷管延伸段；“阿里安”5火箭的上面级发动机和HM—7发动机喷管延伸段；法国Snecma公司研制的一种上面级发动机Venus发动机喷管延伸段；在碳/碳扩散段的研究中，美国起步最早，80年代早期已经将碳/碳扩散段延伸锥用于MX第三级发动机和“侏儒”导弹的二三级发动机。苏联也在70年代研究碳/碳扩散段，并在80年代中期应用于SS—24、SS—25等导弹中。法国和德国的研究人员也从70年代开始研究C/C扩散段并获得试验成功。俄罗斯研制的“暴风雪”号航天飞机其头锥和机翼前缘采用了碳/碳复合材料。战略导弹弹头的端头采用碳/碳，过渡段采用碳/酚醛树脂复合材料，发动机部件采用了碳/碳复合材料。
1.3.4 复合材料在航空航天领域的发展趋势
21世纪高性能复合材料在航空航天领域的发展趋势是：
a.高性能：低密度、高强、高模、高韧、耐高温低温、抗氧化、耐腐蚀等性能。
b.多功能：如隐身材料进一步向结构隐身材料发展，要求承载与隐身结构一体化，发展为能兼顾雷达、热红外、可见光、近红外的多频谱兼容，同时融结构承载、隐身、防雷击、抗静电等多功能为一体。
c.低成本：碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天结构上的更广泛应用，主要依赖于碳纤维成本降低方面的突破性进展。
d.智能化：自制功能、自控制性、自检测诊断、自修复性、自分解性等为一体的智能化材料。这是21世纪的重要发展趋势。
e.复合化：复合材料可明显减轻结构重量和提高结构效率，欧美新研制飞机已经开始全复合材料。国外新一代运载火箭、战略导弹及推进系统关键材料几乎已经全复合材料化。
f.环保性：可持续发展是人类在地球上赖以生存的重要前提，在大气层内外的航空航天飞行器所用材料及其制备加工和回收，必须具有高度的环境相容性，无污染和易回收。第2章 原材料
复合材料制品设计中，在明确性能、规格、形状和载荷情况等要求后，就必须考虑原材料的选择。原材料的选择主要是指增强材料和基体材料的选择，此外还包括预浸料、芯材、胶黏剂等。不同的原材料构成的复合材料将会有不同的性能，并且也会影响材料的可制造性。2.1 增强材料
增强材料在复合材料中是分散相，主要起承载作用。增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量，而且能降低收缩率，提高耐热性。增强材料的种类很多，按照几何形态来分有纤维、片状、晶须和颗粒等。其中，纤维增强材料，特别是连续长纤维增强材料，是作用最明显、应用最广泛的增强材料。此外，纤维还能被制成各种形式的织物用作复合材料的增强体。
2.1.1 增强纤维
用于复合材料增强的纤维种类主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。
2.1.1.1 玻璃纤维
(1)概述
玻璃纤维是一种无机非金属材料，具有不燃、耐高温、电绝缘、拉伸强度高、热膨胀系数低、化学稳定性好、价格相对低廉等优点，现已被广泛应用于交通运输、建筑、石油化工、航空航天、机械、兵器等领域。玻璃纤维是目前复合材料中用量最大的一种增强纤维，世界上共有30多个国家生产品种多达5000多种的玻璃纤维。由于新技术、新工艺的不断出现，玻璃纤维得到了更加广泛的应用，并且促进了玻纤工业的高速发展。
玻璃纤维是由几种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，主要成分为SiO2，还包括Al2O3、CaO、MgO、B2O3、Na2O、K2O等金属氧化物，这些金属氧化物的作用一方面是改善制备玻璃纤维的工艺条件，另一方面使其具有一定特性。
(2)玻璃纤维的组成及分类
根据成分不同、制造工艺以及性能不同，玻璃纤维可以分为不同的种类。玻璃纤维按照成分和使用特性可以分为以下几大类：
a.无碱玻璃纤维，国际上通常称为“E”玻璃纤维，是指碱金属氧化物含量小于1%的铝硼硅酸盐玻璃成分。最初为电气应用而研制，现已成为一种通用配方，是塑料和复合材料工业中重要的增强体。无碱玻璃纤维的力学性能、电绝缘性能、耐热性和耐候性等都比较好，其缺点是易被稀的无机酸所腐蚀，故不适用于酸性环境。
b.中碱玻璃纤维，我国研究成功的玻璃纤维，与国际上所谓的“C”玻璃纤维成分接近，碱金属化合物含量为11.5%～12.5%。拉伸强度约为无碱玻璃纤维的80%，其特点是耐化学性稳定。国外中碱玻璃纤维只用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品，而在我国广泛用于玻璃钢的增强以及过滤、包扎织物的生产。中碱玻璃纤维价格低于无碱玻璃纤维，占我国玻璃纤维产量的一大半。
c.有碱玻璃纤维，也称“A”玻璃纤维，化学组成类似窗玻璃、玻璃瓶等日常用钙钠玻璃，此类玻璃纤维含碱量高，强度低，对潮湿环境敏感，很少作为增强材料使用。
d.高强玻璃纤维，亦称“S”玻璃纤维，主要成分是SiO2、Al2O3和MgO，其特点是抗拉强度比无碱玻纤高25%左右，弹性模量比无碱玻纤高14%左右，但其价格相对较高，生产的复合材料多用于军工、空间、防弹盔甲及运动器械。
e.其他特殊玻璃纤维，如耐化学介质腐蚀玻璃、高模量玻璃纤维、低介电玻璃纤维、高硅氧玻璃、石英纤维、含铅玻璃纤维等。
已有的商业化玻璃纤维代号及类型如表2—1所示。表2—2列出了E—玻璃纤维、美国S—2高强玻璃纤维、C—玻璃纤维以及我国生产的高强2#玻璃纤维的化学组成。
(3)玻璃纤维制品形式
由于玻璃纤维应用广泛，因而有许多适用的制品形式，是所有增强纤维中最齐全的。玻璃纤维的制品形式包括纱线、织物、毡以及其他类型玻璃纤维制品，大多数结构应用选择采用织物、无捻粗纱或转化成单向带的无捻粗纱。不同的制品形式适用于不同的成形工艺，并且也会对制件的性能有影响。
在复合材料成形中常用的玻璃纤维有下列制品形式：
a.单股原纱：由同一个漏板拉成的由多根单纤维组成的一根经纱，主要用于缠绕成形和拉挤成形。
b.有捻纱：将原纱并捻合股而成的一定粗细的纱束，多用于织物、高性能的预浸料以及缠绕制品等。
c.无捻粗纱：由多股原纱平行集束而成的没有捻度的扁平带，可以直接用于复合材料工艺成形，也可以织成无捻粗纱织物，在某些用途中还将无捻粗纱进一步短切。无捻粗纱表面被覆有各种不同的浸润剂，以适合不同的复合材料工艺方法、产品性能以及树脂系统。
d.短切纱：切断成一定长度的粗纱，一般长度在3～50mm之间，通常用在填料、预混料方面。
e.机织粗纱布：由粗纱织成的具有一定厚度的平纹布，用于手糊成形制品，尤其适用于较厚及大型制品。具有比普通玻纤织物便宜、成形时增厚效率高等优点；但制品耐压性能差，织纹粗而不宜用于制品表面。
f.机织布：由原纱或合股纱编织而成。有平纹布、斜纹布、单向布等各种织纹，广泛用于手糊或层压GRP制品等。
g.增强毡：毡由原纱制备，既可以做成短切原纱毡，也可做成连续纱成卷曲状的毡。增强毡的原纱利用黏合剂保持在一起，在加工过程中原纱再分离开。
h.表面毡：是一种玻璃纤维排列很稀疏和很薄的短切毡，它几乎不起增强作用，用于GRP制品的表面，在胶衣层和强度层之间起缓冲作用，作富树脂的耐腐蚀层，提高耐水性和耐老化性，用途很广。
i.其他类型：玻璃纤维还有许多应用于先进结构的玻璃纤维产品形式，这些包括磨碎纤维、无纺布等。
(4)玻璃纤维的性能
玻璃纤维的密度与块状玻璃相近，一般为2.4～2.7g/cm3，作为增强体的玻璃纤维直径一般小于20μm。
a.力学性能
玻璃纤维的拉伸应力—应变曲线呈脆性材料特征，直至拉断前其应力—应变关系曲线为一直线，没有明显的屈服和塑性阶段。
玻璃纤维的拉伸强度较高，超过了合成及天然纤维的强度，也超过了钢铁等合金材料的强度。刚拉制的新生态玻璃纤维的单丝拉伸强度约为3～5GPa，缠绕在原丝筒上的玻璃纤维的实际强度由于后续工序中的表面损伤以及环境温湿度的影响，比新生态纤维强度低15%～25%。影响玻璃纤维强度的因素很多。玻璃组成不同，纤维的强度不同；一般条件下，随着纤维直径的减小玻璃纤维的强度增加。
玻璃纤维的断裂伸长率较低，E玻璃纤维仅3%左右，S玻璃纤维也仅为5.4%左右。
玻璃纤维拉伸模量较低，一般为69～90GPa，这是玻璃纤维的主要缺点之一。
几种常用玻璃纤维的密度及力学性能如表2—3所示。
b.热性能
玻璃纤维的热膨胀系数较低，无方向性，一般为0.9×10—6～9.5
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]