《复合材料工艺与设备》课程教学资源（教案讲义）11无机非金属基复合材料成型工艺及设备

第十一章无机非金属基复合材料成型工艺及设备教学参考资料武汉理工大学精品课程

第十一章 无机非金属基复合材料 成型工艺及设备 教学参考资料 武汉理工大学精品课程

1国内外发展概况无机非金属基复合材料，通常是指用各种类型的纤维（或晶须）为增强材料，以水泥、玻璃、陶瓷、石膏等无机非金属材料为基体，通过不同的成型方法复合而成的一类新型的多相固态材料。与单相材料相比，其物理、力学性能均有很大提高。进入80年代，由于国际上关于石棉粉尘对人体有害的呼声日益增高，使得具有悠久历史的石棉水泥工业受到冲击。北欧等国已停正石棉水泥制品的生产。因此，迫使人们去寻找石棉纤维的代用品。这在一定程度上推动了无石棉纤维水泥制品的开发。用纤维素纤维、抗碱玻璃纤维、抗碱矿棉及化学纤维代替石棉纤维做增强材料的各种纤维水泥制品不断涌现，石棉水泥制品工业已进入纤维水泥制品工业的新时期。在无机非金属基复合材料系列中，除纤维增强陶瓷、纤维增强水泥复合材料外，尚有纤维增强玻璃、纤维增强石膏等复合材料。本章主要介绍纤维增强陶瓷和纤维增强水泥复合材料的组成、性能、应用和成型加工技术。1.1陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposite缩写为CMC）发展概况在高技术，尤其是航空航天技术领域内，对结构材料要求有轻质高强、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和高韧性的特点。众所周知，陶瓷具有优异的耐高温、耐腐蚀性能，但其本身的脆性是应用中的最大弱点。陶瓷基复合材料可克服陶瓷脆性和高温韧性差的缺点。为此，自50年代末期，从Tinklepangh的工作开始，各国科学家曾做过大量的研究工作。最初，Tinklepang用难熔的金属丝增强陶瓷，但由于金属丝本身的弹性模量低及高温抗氧性能差，加之与陶瓷基体相容性差等因素，阻止其作为高性能、耐高温结构材料的发展。60年代末到70年代初，碳纤维和陶瓷纤维（或晶须）增强陶瓷的研究受到重视。研究表明用碳纤维和陶瓷纤维（晶须）增强的陶瓷基复合材料具有非常高的韧性。但碳纤维和陶瓷基体之间相容性差，两种材料热膨胀性不匹配，同时碳纤维高温易氧化，且成本高。因此，在70年代末期各国科学家侧重在高性能

1 国内外发展概况 无机非金属基复合材料，通常是指用各种类型的纤维（或晶须）为增强材料， 以水泥、玻璃、陶瓷、石膏等无机非金属材料为基体，通过不同的成型方法复合 而成的一类新型的多相固态材料。与单相材料相比，其物理、力学性能均有很大 提高。 进入 80 年代，由于国际上关于石棉粉尘对人体有害的呼声日益增高，使得 具有悠久历史的石棉水泥工业受到冲击。北欧等国已停止石棉水泥制品的生产。 因此，迫使人们去寻找石棉纤维的代用品。这在一定程度上推动了无石棉纤维水 泥制品的开发。用纤维素纤维、抗碱玻璃纤维、抗碱矿棉及化学纤维代替石棉纤 维做增强材料的各种纤维水泥制品不断涌现，石棉水泥制品工业已进入纤维水泥 制品工业的新时期。 在无机非金属基复合材料系列中，除纤维增强陶瓷、纤维增强水泥复合材料 外，尚有纤维增强玻璃、纤维增强石膏等复合材料。本章主要介绍纤维增强陶瓷 和纤维增强水泥复合材料的组成、性能、应用和成型加工技术。 1.1 陶瓷基复合材料（Ceramic Ceramic Ceramic Ceramic Matrix Composite Composite Composite Composite 缩写为 CMC）发展概况 在高技术，尤其是航空航天技术领域内，对结构材料要求有轻质高强、耐高 温、抗氧化、耐腐蚀和高韧性的特点。众所周知，陶瓷具有优异的耐高温、耐腐 蚀性能，但其本身的脆性是应用中的最大弱点。陶瓷基复合材料可克服陶瓷脆性 和高温韧性差的缺点。为此，自 50 年代末期，从 Tinklepangh 的工作开始，各国 科学家曾做过大量的研究工作。 最初，Tinklepang 用难熔的金属丝增强陶瓷，但由于金属丝本身的弹性模量 低及高温抗氧性能差，加之与陶瓷基体相容性差等因素，阻止其作为高性能、耐 高温结构材料的发展。 60 年代末到 70 年代初，碳纤维和陶瓷纤维（或晶须）增强陶瓷的研究受到 重视。研究表明用碳纤维和陶瓷纤维（晶须）增强的陶瓷基复合材料具有非常高 的韧性。但碳纤维和陶瓷基体之间相容性差，两种材料热膨胀性不匹配，同时碳 纤维高温易氧化，且成本高。因此，在 70 年代末期各国科学家侧重在高性能

低成本的陶瓷纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料方面的研究和开发。所用的陶瓷纤维（或晶须）有SiC、SisN4、Al2O3等。到目前为止，陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料研究和开发已取得可喜的成果，并在航空航天领域获得实际应用。陶瓷基复合材料主要有四大系列：Al2O3-ZrO2系列；SiC-SiC系列：Si3N4系列；SiC-Si3N4系列。其成型方法有：烧结法、热压法、反应烧结法、化学气相沉积法和浸渍法等多种。14.1.1.2水泥基复合材料（GlassfiberReinforcedCement缩写为GRC）发展概况自60年代开始，纤维增强水泥基复合材料的研究和开发有较大进度。1964年，丹麦Krenchel博士应用复合材料理论探讨了纤维增强无机与有机胶凝材料的机理。1967年英国的Majumdar试制成功含锆的抗碱玻璃纤维，继而研究了抗碱玻璃纤维增强波特兰水泥砂浆（简称GRC），并取得专利。1973年此种复合材料开始小规模生产。随后美、日等国也相继投产。我国在50年代曾探索用中碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥砂浆或混凝土。进入80年代用抗碱玻璃纤维增强低碱铝硅酸盐水泥，现已取得一定成效。纤维增强水泥复合材料的品种较多，按所用纤维种类有：石棉纤维、纤维素纤维、钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、Kevlar纤维和植物纤维增强水泥复合材料等多种类型。纤维增强水泥复合材料的成型工艺是借助于现代已成熟的复合材料（如玻璃钢、混凝土制品和石棉水泥等）的成型工艺及设备发展起来的。迄今为止，国际上用于GRC成型工艺的方法大致有八种：喷射法、预拌法、注射法、铺网法、缠绕法、离心法、抄取法和流浆法。对于不同的纤维增强水泥制品，可根据设计和使用要求，选择不同的成型方法。在国际市场上，玻璃纤维增强水泥和有机纤维增强水泥复合材料都已工业化生产，钢纤维、碳纤维等水泥基复合材料尚处于开发的初期阶段。1.2陶瓷基和水泥基复合材料性能及应用1.2.1陶瓷基复合材料性能及应用

低成本的陶瓷纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料方面的研究和开发。所用的陶瓷 纤维（或晶须）有 SiC、Si3N4、Al2O3 等。到目前为止，陶瓷纤维增强陶瓷基复 合材料研究和开发已取得可喜的成果，并在航空航天领域获得实际应用。 陶瓷基复合材料主要有四大系列：Al2O3-ZrO2系列；SiC-SiC 系列；Si3N4系 列；SiC-Si3N4 系列。其成型方法有：烧结法、热压法、反应烧结法、化学气相 沉积法和浸渍法等多种。 14.1.1.2 水泥基复合材料（Glassfiber Reinforced Cement 缩写为 GRC）发展 概况 自 60 年代开始，纤维增强水泥基复合材料的研究和开发有较大进度。1964 年，丹麦 Krenchel 博士应用复合材料理论探讨了纤维增强无机与有机胶凝材料 的机理。1967 年英国的 Majumdar 试制成功含锆的抗碱玻璃纤维，继而研究了抗 碱玻璃纤维增强波特兰水泥砂浆（简称 GRC），并取得专利。1973 年此种复合材 料开始小规模生产。随后美、日等国也相继投产。 我国在 50 年代曾探索用中碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥砂浆或混凝土。 进入 80 年代用抗碱玻璃纤维增强低碱铝硅酸盐水泥，现已取得一定成效。 纤维增强水泥复合材料的品种较多，按所用纤维种类有：石棉纤维、纤维素 纤维、钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、Kevlar 纤维和植物纤维增强水 泥复合材料等多种类型。 纤维增强水泥复合材料的成型工艺是借助于现代已成熟的复合材料（如玻璃 钢、混凝土制品和石棉水泥等）的成型工艺及设备发展起来的。迄今为止，国际 上用于 GRC 成型工艺的方法大致有八种：喷射法、预拌法、注射法、铺网法、 缠绕法、离心法、抄取法和流浆法。对于不同的纤维增强水泥制品，可根据设计 和使用要求，选择不同的成型方法。 在国际市场上，玻璃纤维增强水泥和有机纤维增强水泥复合材料都已工业化 生产，钢纤维、碳纤维等水泥基复合材料尚处于开发的初期阶段。 1.2 陶瓷基和水泥基复合材料性能及应用 1.2.1 陶瓷基复合材料性能及应用

陶瓷材料具有轻质、耐磨、耐高温、耐腐蚀和硬度大等优异性能，但其抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。陶瓷与陶瓷基复合材料的性能比较见表14-1。表14-1陶瓷与陶瓷基复合材料性能比较材料断裂韧性抗弯强度1Ki(MPam=)名称基体纤维(MPa)陶 瓷Al,O35504.00~5.00复合材料SiC晶须Al,038008.70~10.50陶瓷Sic5004.00复合材料SiC纤维Sic75025.00陶瓷ZrO22005.00复合材料SicC纤维45022.00ZrO2玻璃-陶瓷200/2.001复合材料SiC纤维玻璃-陶瓷83017.00陶瓷反应烧结SisN42602.00~3.00复合材料反应烧结Si3N4SiC晶须90020.00瓷陶热压Si3N44703.70~4.50复合材料SiC晶须热压Si3N480056.00当前，世界各工业发达国家对高性能、耐高温的结构材料都十分重视。美国国家宇航局1970~1990年的发展规划中，大部分结构材料和耐热材料都是复合材料。最近，欧洲动力公司推出的航天飞机高温区用碳纤维增强碳化硅基体和用碳化硅纤维增强碳化硅基体所制造的陶瓷基复合材料，可分别在1700℃和1200℃下保持20℃时的抗拉强度，并且有较好的抗压性能，较高的层间剪切强度，而断裂延伸率较一般陶瓷高，耐辐射效率高，可有效地降低表面温度，有极好的抗氧化、抗开裂性能。这两种材料制成的机翼前缘可经受气动加载所产生的拉力和压力，可以经受1200℃下温升为440℃/min的热冲击，并且整体构件刚度不变

陶瓷材料具有轻质、耐磨、耐高温、耐腐蚀和硬度大等优异性能，但其抗弯 强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤 维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。陶瓷与陶瓷基复合材料的性 能比较见表 14-1。 表 14-1 陶瓷与陶瓷基复合材料性能比较 材 料 抗弯强度 断裂韧性 名称 基体 纤维 （MPa） 1 1 ( ) 2 K MPa m c i 陶 瓷 Al2O3 550 4.00~5.00 复合材料 Al2O3 SiC 晶须 800 8.70~10.50 陶 瓷 SiC 500 4.00 复合材料 SiC SiC 纤维 750 25.00 陶 瓷 ZrO2 200 5.00 复合材料 ZrO2 SiC 纤维 450 22.00 玻璃-陶瓷 / / 200 2.00 复合材料 玻璃-陶瓷 SiC 纤维 830 17.00 陶 瓷 反应烧结 Si3N4 260 2.00~3.00 复合材料 反应烧结 Si3N4 SiC 晶须 900 20.00 陶 瓷 热压 Si3N4 470 3.70~4.50 复合材料 热压 Si3N4 SiC 晶须 800 56.00 当前，世界各工业发达国家对高性能、耐高温的结构材料都十分重视。美国 国家宇航局 1970~1990 年的发展规划中，大部分结构材料和耐热材料都是复合材 料。最近，欧洲动力公司推出的航天飞机高温区用碳纤维增强碳化硅基体和用碳 化硅纤维增强碳化硅基体所制造的陶瓷基复合材料，可分别在 1700℃和 1200℃ 下保持 20℃时的抗拉强度，并且有较好的抗压性能，较高的层间剪切强度，而 断裂延伸率较一般陶瓷高，耐辐射效率高，可有效地降低表面温度，有极好的抗 氧化、抗开裂性能。这两种材料制成的机翼前缘可经受气动加载所产生的拉力和 压力，可以经受 1200℃下温升为 440℃/min 的热冲击，并且整体构件刚度不变

表14-2为部分陶瓷基复合材料制备方法及应用领域。表14-2陶瓷基复合材料制备方法及应用增强材料基体材料制备方法应用范围热压ALN纤维AIN涡轮叶片热压SisN4纤维涡轮叶片SisN43Al03·2SiO2纤维烧注及烧结成型生物医学材料3Al203·2SiO2-Al203热压涡轮叶片Al203C纤维化学气相沉积高温材料C-Sic, Tic热压结构材料Sialon,SiN4热压切削刀具Al03BN纤维化学气相沉积空间及绝热材料BNSic纤维SiC、SisN4等热压或者烧结成型高温部件ZrO2纤维气轮机部件AlO3定向固定热压Si3N4晶须ZrO2耐热性材料α-Al2O3晶须热压SiC晶须抗热震性材料TiO2SisN4晶须热压抗冲击性材料SisN4晶须SisN41.2.2水泥基复合材料性能及应用纤维增强水泥基复合材料与普通混凝土相比，其显著特点是轻质高强，具有良好的断裂韧性。其拉压一般可达1/4~1/6（普通混凝土为1/10）。它既可做墙体材料，又可用于强度要求不高的结构材料。水泥基复合材料所用增强材料，除石棉纤维外，尚有钢纤维、玻璃纤维和有机合成纤维等。钢纤维强度高，弹性模量比混凝土高大约4倍，钢纤维增强水泥复合材料作为结构材料使用较为理想，但其加工复杂，成本高。用聚丙烯纤维，虽然强度高，加工也比较方便，但其弹性模量不到混凝土的1/4，因此并不理想玻璃纤维强度高、耐腐蚀、弹性模量比混凝土高大约一倍。同时易于加工，成本

表 14-2 为部分陶瓷基复合材料制备方法及应用领域。 表 14-2 陶瓷基复合材料制备方法及应用 增强材料 基体材料 制备方法 应用范围 ALN 纤维 AlN 热 压 涡轮叶片 Si3N4纤维 Si3N4 热 压 涡轮叶片 3Al2O3·2SiO2纤维 3Al2O3·2SiO2-Al2O3 烧注及烧结成型 生物医学材料 C 纤维 Al2O3 C-SiC, TiC Sialon, Si3N4 热 压 化学气相沉积 热 压 涡轮叶片 高温材料 结构材料 BN 纤维 Al2O3 热 压 切削刀具 BN 化学气相沉积 空间及绝热材料 SiC 纤维 SiC、Si3N4等 热压或者烧结成型 高温部件 ZrO2纤维 Al2O3 定向固定 气轮机部件 Si3N4晶须 ZrO2 热 压 耐热性材料 α -Al2O3晶须 SiC 晶须 Si3N4晶须 TiO2 热 压 抗热震性材料 Si3N4晶须 Si3N4 热 压 抗冲击性材料 1.2.2 水泥基复合材料性能及应用 纤维增强水泥基复合材料与普通混凝土相比，其显著特点是轻质高强，具有 良好的断裂韧性。其拉压一般可达 1/4~1/6（普通混凝土为 1/10）。它既可做墙体 材料，又可用于强度要求不高的结构材料。 水泥基复合材料所用增强材料，除石棉纤维外，尚有钢纤维、玻璃纤维和有 机合成纤维等。钢纤维强度高，弹性模量比混凝土高大约 4 倍，钢纤维增强水泥 复合材料作为结构材料使用较为理想，但其加工复杂，成本高。用聚丙烯纤维， 虽然强度高，加工也比较方便，但其弹性模量不到混凝土的 1/4，因此并不理想。 玻璃纤维强度高、耐腐蚀、弹性模量比混凝土高大约一倍。同时易于加工，成本

低，是很有发展前途的一种纤维增强水泥基复合材料。（1）玻璃纤维增强水泥的性能及应用玻璃纤维增强水泥基复合材料（GRC）制品已广泛用于各种建筑物中，迄今为止，世界上已有30多个国家，300多个公司在研究、生产并经营这种材料。英、美、日等国用GRC材料制成的单板、复合外墙等已正式用于轻型和高层建筑中，取得较好的建筑效果。我国早在50年代就对该材料进行了研究，由于没有解决玻璃纤维的腐蚀问题，进展缓慢。70年代后，北京建筑材料研究院，先后研制出R-13和ER-13#抗碱玻璃纤维及低碱度硫铝酸盐水泥，使得GRC在我国的研究和开发利用又重新活跃起来。进入80年代，GRC在我国开始获得应用。近10年来，复合外墙板、波纹板、盒式卫生间、阳台栏板和分户板、太阳灶壳体及沼气池等发展较快。采用各种成型方法制造的GRC，28天的物理力学性能参见表14-3。表 14-3GRC28天材令的物理力学性能制造方法直接喷射法预混注入法预混挤出法预混制压法喷射-空吸法性能18抗弯强度（MPa）30~359.813.535~40（18~25）×103(12~18)×10386×10392×10390×103冲击强度（J/m2）容积密度1.61.741.82.0~2.22.0~2.2(g/cm3)纤维含量5.05.02.52.52.5（质量比%）纤维长度（mm）3838202020砂/水泥0.300.330.400.260.10①材令：指水泥养护28天（2）石棉水泥基复合材料性能及应用石棉水泥基复合材料是一种层状、多孔和脆性的结构材料。在冷、热的反复冲击下易发生层脱、开裂，吸水后易发生翘曲变形。另外，石棉粉尘对人体有害

低，是很有发展前途的一种纤维增强水泥基复合材料。 （1）玻璃纤维增强水泥的性能及应用 玻璃纤维增强水泥基复合材料（GRC）制品已广泛用于各种建筑物中，迄今 为止，世界上已有 30 多个国家，300 多个公司在研究、生产并经营这种材料。 英、美、日等国用 GRC 材料制成的单板、复合外墙等已正式用于轻型和高层建 筑中，取得较好的建筑效果。 我国早在 50 年代就对该材料进行了研究，由于没有解决玻璃纤维的腐蚀问 题，进展缓慢。70 年代后，北京建筑材料研究院，先后研制出 R-13#和 ER-13# 抗碱玻璃纤维及低碱度硫铝酸盐水泥，使得 GRC 在我国的研究和开发利用又重 新活跃起来。进入 80 年代，GRC 在我国开始获得应用。近 10 年来，复合外墙 板、波纹板、盒式卫生间、阳台栏板和分户板、太阳灶壳体及沼气池等发展较快。 采用各种成型方法制造的 GRC，28 天 的物理力学性能参见表 14-3。 GRC28 天材令①的物理力学性能 表 14-3 制造方法 性能 喷射-空吸法 直接喷射法 预混注入法 预混挤出法 预混制压法 抗弯强度（MPa） 35~40 30~35 9.8 13.5 18 冲击强度（J/m2） （18~25）×103 （12~18）×103 86×103 92×103 90×103 容积密度 （g/cm3） 2.0~2.2 2.0~2.2 1.6 1.74 1.8 纤维含量 （质量比%） 5.0 5.0 2.5 2.5 2.5 纤维长度（mm） 38 38 20 20 20 砂/水泥 0.30 0.33 0.40 0.26 0.10 ○1 材令：指水泥养护 28 天 （2）石棉水泥基复合材料性能及应用 石棉水泥基复合材料是一种层状、多孔和脆性的结构材料。在冷、热的反复 冲击下易发生层脱、开裂，吸水后易发生翘曲变形。另外，石棉粉尘对人体有害

在一定范围内限制了石棉水泥制品的使用。石棉水泥复合材料的典型产品为石棉板（瓦）及石棉水泥管道等。石棉水泥板（瓦）主要在建筑上用于屋面材料及墙体围护结构。石棉水泥管主要用于城市和农业供水、以及输送中、低压煤气管路等。近年来，我国用石棉水泥管成功铺设了工作压力为0.3~0.6MPa的中压输送轻油管线，并取得良好的效果。此外，石棉水泥管还可用作高压风管、热水管、排污管、电缆管和落水管等。由于石棉水泥制品在世界范围内已建立了雄厚的生产基础，因而在今后一个相当长的时期内，石棉水泥工业仍将会继续存在。石棉水泥板物理力学性能参见表14-4。表14-4石棉水泥板物理力学性能成型条件加压板不加压板性能干燥时3024抗弯强度(MPa)9090受潮强度保留率（%）抗冲击强度干燥时22×10325×103(J/m2)受潮强度保留率（%）10010017吸水率（%）24容积密度（g/cm3）1.801.55（3）钢纤维水泥复合材料性能及应用钢纤维水泥复合材料是由钢纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。通常称为“钢纤维增强混凝土”（SteelFiberReinforcedConcrete缩写为SFRC)。SFRC与混凝土相比，其抗拉强度提高30~50%，抗弯强度提高50~100%，抗压强度可提高10~20%，特别是冲击韧性可提高10~50倍。同时，SFRC还具有相当大的抗爆炸荷载的能力。其耐疲劳性能有显著提高。就其物理性能来讲，钢纤维增强水泥基复合材料，可使混凝土的干缩率降低10~30%，可使热导性能增强10~30%。SFRC因价格贵、制造复杂，故开发应用受到一定限制。目前美国、日本

在一定范围内限制了石棉水泥制品的使用。石棉水泥复合材料的典型产品为石棉 板（瓦）及石棉水泥管道等。石棉水泥板（瓦）主要在建筑上用于屋面材料及墙 体围护结构。石棉水泥管主要用于城市和农业供水、以及输送中、低压煤气管路 等。近年来，我国用石棉水泥管成功铺设了工作压力为 0.3~0.6MPa 的中压输送 轻油管线，并取得良好的效果。此外，石棉水泥管还可用作高压风管、热水管、 排污管、电缆管和落水管等。 由于石棉水泥制品在世界范围内已建立了雄厚的生产基础，因而在今后一个 相当长的时期内，石棉水泥工业仍将会继续存在。石棉水泥板物理力学性能参见 表 14-4。 表 14-4 石棉水泥板物理力学性能 成型条件 性能 加压板 不加压板 抗弯强度 （MPa） 干燥时 30 24 受潮强度保留率（%） 90 90 抗冲击强度 （J/m2） 干燥时 22×103 25×103 受潮强度保留率（%） 100 100 吸水率（%） 17 24 容积密度（g/cm3） 1.80 1.55 （3）钢纤维水泥复合材料性能及应用 钢纤维水泥复合材料是由钢纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。通常称为“钢 纤维增强混凝土”（Steel Fiber Reinforced Concrete 缩写为 SFRC）。 SFRC 与混凝土相比，其抗拉强度提高 30~50%，抗弯强度提高 50~100%， 抗压强度可提高 10~20%，特别是冲击韧性可提高 10~50 倍。同时，SFRC 还具 有相当大的抗爆炸荷载的能力。其耐疲劳性能有显著提高。 就其物理性能来讲，钢纤维增强水泥基复合材料，可使混凝土的干缩率降低 10~30%，可使热导性能增强 10~30%。 SFRC 因价格贵、制造复杂，故开发应用受到一定限制。目前美国、日本

英国、瑞士、瑞典、加拿大和澳大利亚等国，已在某些工程中正式使用了喷射成型钢纤维水泥基复合材料。SFRC的主要应用领域有隧道、巷道、护坡加固、机场跑道、桥梁及高速公路等。（4）聚丙烯纤维水泥复合材料性能及应用聚丙烯纤维水泥复合材料是由聚丙烯纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。一般统称为“聚丙烯纤维增强混凝土”（PolypropyleneFiberReinforcedConcrete缩写为PPFRC)。PPFRC复合材料与混凝土相比，其显著特点是抗冲击强度大幅度提高，一般可提高2~10倍。由于聚丙烯纤维可吸收因基体收缩而引起的拉应力，因此，将聚丙烯纤维加到混凝土中，可使收缩率降低75%左右。其它力学性能无明显提高。聚丙烯纤维水泥复合材料与石棉水泥复合材料相比，其韧性提高，但耐火性下降。其制品一般可做为半承重的预制品。也可用于现场浇注、地板和复合楼板等。PPFRC是一种完全新型的纤维水泥复合材料，其应用领域尚有待于进一步开发。除前述四种纤维增强水泥基复合材料外，尚有碳纤维、Kevlar纤维，以及植物纤维增强水泥等多种具有开发前途的新型无机复合材料。2水泥基复合材料2.1发展现状水泥基复合材料属无机胶凝材料基复合材料，它是由各种类型的纤维和无机胶凝材料（如水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等）组成的。通常统称为无机胶凝材料基复合材料或无机玻璃钢。在无机胶凝材料基复合材料中，研究和应用最多的是纤维增强水泥基复合材料。它是以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体，以短切纤维或连续纤维为增强材料

英国、瑞士、瑞典、加拿大和澳大利亚等国，已在某些工程中正式使用了喷射成 型钢纤维水泥基复合材料。 SFRC 的主要应用领域有隧道、巷道、护坡加固、机场跑道、桥梁及高速公 路等。 （4）聚丙烯纤维水泥复合材料性能及应用 聚丙烯纤维水泥复合材料是由聚丙烯纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。一般 统称为“聚丙烯纤维增强混凝土”（Polypropylene Fiber Reinforced Concrete 缩写 为 PPFRC）。 PPFRC 复合材料与混凝土相比，其显著特点是抗冲击强度大幅度提高，一 般可提高 2~10 倍。由于聚丙烯纤维可吸收因基体收缩而引起的拉应力，因此， 将聚丙烯纤维加到混凝土中，可使收缩率降低 75%左右。其它力学性能无明显提 高。 聚丙烯纤维水泥复合材料与石棉水泥复合材料相比，其韧性提高，但耐火性 下降。其制品一般可做为半承重的预制品。也可用于现场浇注、地板和复合楼板 等。 PPFRC 是一种完全新型的纤维水泥复合材料，其应用领域尚有待于进一步 开发。 除前述四种纤维增强水泥基复合材料外，尚有碳纤维、Kevlar 纤维，以及植 物纤维增强水泥等多种具有开发前途的新型无机复合材料。 2 水泥基复合材料 2.1 发展现状 水泥基复合材料属无机胶凝材料基复合材料，它是由各种类型的纤维和无机 胶凝材料（如水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等）组成的。通常统称为无机胶凝材 料基复合材料或无机玻璃钢。 在无机胶凝材料基复合材料中，研究和应用最多的是纤维增强水泥基复合材 料。它是以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体，以短切纤维或连续纤维为增强材料

组成的。1900年奥匈帝国的LudwigHatschek发明了用圆网抄取法制造石棉水泥板并获专利。1912年意大利的AdolMagga又发明用抄取法制造石棉水泥管。到20世纪30年代大约有30多个国家生产水泥制品，石棉水泥在世界范围内已形成一门工业。到20世纪40年代，玻璃纤维和金属纤维增强水泥复合材料开始问世。意大利的Nervi发明了钢丝网水泥，它是用连续钢纤维增强水泥浆，制造薄壁制品。50年代我国和苏联都探索用玻璃纤维增强水泥，但均因水泥水化对玻璃纤维的碱性侵蚀而未成功。进入60年代，新型纤维增强材料的出现，促进了纤维增强水泥复合材料有较大的发展。1967年英国建筑研究中心（BRE）研制出含锆的抗碱玻璃纤维（CEM-FIL），以及BRE与Pilkington公司联合研究开发应用CEM-FIL纤维制造GRC的工艺与设备。重点发展了“直接喷射法”和“喷射-抽吸法”。Pilkington公司陆续将CEM-FIL纤维与GRC的成套技术转让给本国及其它30多个国家。从1970年~1980年的10年间，全世界抗碱纤维的总产量已达一万吨左右，可供制造二十多万吨的GRC制品。我国70年代中期起，又重新开始GRC研究。北京建筑材料科学研究院研制出抗碱玻璃纤维与低碱水泥相复合的技术路线。其抗碱纤维的拉丝温度低于英国的CEM-FL纤维，但抗碱能力与CEM-FIL相当。所用水泥为硫铝酸盐水泥。实验表明，用抗碱玻纤与硫铝酸盐水泥制成的复合材料，其性能优子抗碱玻璃与普通硅酸盐水泥制造的GRC制品，或中碱玻纤与硫铝酸盐水泥制造的GRC制品。在波特兰水泥中，添加某些聚合物乳液有助于提高GRC的耐久性。这方面的研究工作，国内外也在进行。总之，无机胶凝材料基复合材料尚是一种处于发展阶段的新型结构材料，其长期耐久性尚待进一步提高，其成型工艺尚待进一步完善，其应用领域有待进一步地开发。2.2纤维增强水泥所用原材料

组成的。 1900 年奥匈帝国的 Ludwig Hatschek 发明了用圆网抄取法制造石棉水泥板， 并获专利。1912 年意大利的 Adol Magga 又发明用抄取法制造石棉水泥管。到 20 世纪 30 年代大约有 30 多个国家生产水泥制品，石棉水泥在世界范围内已形成一 门工业。 到 20 世纪 40 年代，玻璃纤维和金属纤维增强水泥复合材料开始问世。意大 利的 Nervi 发明了钢丝网水泥，它是用连续钢纤维增强水泥浆，制造薄壁制品。 50 年代我国和苏联都探索用玻璃纤维增强水泥，但均因水泥水化对玻璃纤维的 碱性侵蚀而未成功。 进入 60 年代，新型纤维增强材料的出现，促进了纤维增强水泥复合材料有 较大的发展。1967 年英国建筑研究中心（BRE）研制出含锆的抗碱玻璃纤维 （CEM-FIL），以及 BRE 与 Pilkington 公司联合研究开发应用 CEM-FIL 纤维制 造 GRC 的工艺与设备。重点发展了“直接喷射法”和“喷射-抽吸法”。Pilkington 公司陆续将 CEM-FIL 纤维与 GRC 的成套技术转让给本国及其它 30 多个国家。 从 1970 年~1980 年的 10 年间，全世界抗碱纤维的总产量已达一万吨左右，可供 制造二十多万吨的 GRC 制品。 我国 70 年代中期起，又重新开始 GRC 研究。北京建筑材料科学研究院研制 出抗碱玻璃纤维与低碱水泥相复合的技术路线。其抗碱纤维的拉丝温度低于英国 的 CEM-FiL 纤维，但抗碱能力与 CEM-FIL 相当。所用水泥为硫铝酸盐水泥。实 验表明，用抗碱玻纤与硫铝酸盐水泥制成的复合材料，其性能优于抗碱玻璃与普 通硅酸盐水泥制造的 GRC 制品，或中碱玻纤与硫铝酸盐水泥制造的 GRC 制品。 在波特兰水泥中，添加某些聚合物乳液有助于提高 GRC 的耐久性。这方面 的研究工作，国内外也在进行。 总之，无机胶凝材料基复合材料尚是一种处于发展阶段的新型结构材料，其 长期耐久性尚待进一步提高，其成型工艺尚待进一步完善，其应用领域有待进一 步地开发。 2.2 纤维增强水泥所用原材料

2.2.1增强材料纤维加入脆性的水泥基体中，其作用是提高水泥基体的抗拉强度和韧性，改善其冲击强度和疲劳性能。增强水泥所用纤维，按其化学组成可分为金属纤维无机纤维和有机纤维三大类别。（1）金属纤维金属纤维主要有低碳钢纤维和不锈钢纤维两种。（2）无机纤维无机纤维主要有：天然矿物纤维（温石棉、青石棉等）：人造矿物纤维（抗碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维、抗碱矿棉等）；氧化锆纤维；碳纤维；Metglas纤维（Fe28·Ni48·Pi4）；云母薄片（MicaFlake）等。（3）有机纤维有机纤维主要有：合成纤维（聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、尼龙纤维和Kevlar纤维等）；植物纤维（如剑麻、苎麻和黄麻纤维等）。用于增强水泥的纤维可分为短切纤维、连续纤维或纤维织物等。目前，国内外使用最多的为短切纤维。对增强水泥用的纤维，通常有如下要求：1）弹性模量高。纤维与水泥的弹性模量比愈高，愈有利于应力由基体传到纤维。2）纤维的变形能力要高。纤维的断裂延伸率愈大，则愈有利于纤维增强水泥复合材料韧性的提高。3）抗拉强度高。所用纤维的抗拉强度至少要比水泥基体高2个数量级。4）泊桑比不宜过大。以保证纤维不致过早地与基体脱开。5）纤维与水泥有较好的化学相容性，同时不受水泥水化产物的浸蚀。6）使用短切纤维时，应有一定的长径比。目的在于兼顾抗拉、抗弯强度与韧性三者性能的协调。同时，纤维与基体之间要有良好的粘接强度。7）来源方便、价格便宜，对人体无害。完全满足上述各条件的纤维是难于寻找的，应根据制品的设计和使用要求，合理选择纤维增强材料

2.2.1 增强材料 纤维加入脆性的水泥基体中，其作用是提高水泥基体的抗拉强度和韧性，改 善其冲击强度和疲劳性能。增强水泥所用纤维，按其化学组成可分为金属纤维、 无机纤维和有机纤维三大类别。 （1）金属纤维 金属纤维主要有低碳钢纤维和不锈钢纤维两种。 （2）无机纤维 无机纤维主要有：天然矿物纤维（温石棉、青石棉等）；人造矿物纤维（抗 碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维、抗碱矿棉等）；氧化锆纤维；碳纤 维；Metglas 纤维（Fe28·Ni48·P14）；云母薄片（Mica Flake）等。 （3）有机纤维 有机纤维主要有：合成纤维（聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、尼龙纤维和 Kevlar 纤维等）；植物纤维（如剑麻、苎麻和黄麻纤维等）。 用于增强水泥的纤维可分为短切纤维、连续纤维或纤维织物等。目前，国内 外使用最多的为短切纤维。对增强水泥用的纤维，通常有如下要求： 1）弹性模量高。纤维与水泥的弹性模量比愈高，愈有利于应力由基体传到 纤维。 2）纤维的变形能力要高。纤维的断裂延伸率愈大，则愈有利于纤维增强水 泥复合材料韧性的提高。 3）抗拉强度高。所用纤维的抗拉强度至少要比水泥基体高 2 个数量级。 4）泊桑比不宜过大。以保证纤维不致过早地与基体脱开。 5）纤维与水泥有较好的化学相容性，同时不受水泥水化产物的浸蚀。 6）使用短切纤维时，应有一定的长径比。目的在于兼顾抗拉、抗弯强度与 韧性三者性能的协调。同时，纤维与基体之间要有良好的粘接强度。 7）来源方便、价格便宜，对人体无害。 完全满足上述各条件的纤维是难于寻找的，应根据制品的设计和使用要求， 合理选择纤维增强材料