高性能碳纤维增强复合材料第 1 章 绪论1.1 课题概述复合材料是指用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分，通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特别性能的材料，由基体、增强体及它们之间的界面组成。复合材料不仅具备各组分材料的性能，更具备各组分因协同效应而产生的优越综合性能。其分类方法有多种，其中，根据基体材料的性质通常分为金属基复合材料、树脂基复合材料、陶瓷基复合材料。复合材料根据增强体的几何形态分为四类，即纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、薄片增强复合材料和叠层复合材料。复合材料中常用的纤维状增强体有玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维和金属纤维等。碳纤维增强树脂基复合材料以树脂为基体，以碳纤维及其织物为增强体，可做结构材料，也可作功能材料。高性能树脂基复合材料是其中最新和最重要的一类，其树脂基体有环氧树脂、双马来酰亚胺和酚醛树脂等，因其高强度、高模量和低密度等特点，常作为结构材料，其拉伸强度一般在3500MPa 以上，是普通钢拉伸强度的 7~9 倍；其密度约为铝合金的 60%，模量为 230~430GPa，明显高于普通钢材，因此，其比强度就超过 2000MPa/(g/cm3)，远高于普通钢材的 59MPa/(g/cm3)，比模量也远高于普通钢材。相对金属材料，碳纤维增强树脂基复合材料更易实现大型构件的成型，减少构件之间铆钉等连接环节，并具有良好的尺寸稳定性[1-3]。随着航空航天和现代武器的不断进展，对所用材料提出了更高的要求。例如在设计导弹、人造卫星、飞机的承载构件时，越来越需要高比强度和高比模量的材料，于是轻质、高强的先进树脂基复合材料在高科技领域和国防建设中占有越来越重要的位置[4-5]。高性能碳纤维增强复合材料不仅能够有效地提高结构的刚度，还能有效地降低航天器自身的重量[6-9]，进而减少燃料成本，提高飞机的携带能力，增强飞机的可靠性和经济性。航天器的发射成本是非常昂贵的，每公斤高达数十万美元，因此有效地降低航天器自身重量成为了降低航天器有效载荷成本的关键所在。此外，碳纤维增强树脂基复合材料可以根据不同的需要满足飞行器的吸波隐身、消音等功能，集结构性和功能性于一体。航空航天领域，对材料的要求极其严格，复合材料并不能完全取代其他材料。从 20 世纪 70 年代起，美国开始把复合材料应用于飞机制造，从最初的整流罩、扰流板到方向舵等受力较小的构件，到 80 年代，进展到平尾等受力较大的构件。从昂贵...
