復(fù)合材料第1講

1、復(fù)復(fù) 合合 材材 料料 余潤洲 Tel:88877479 E-mail: 材料學(xué)院材料學(xué)院 中中 南南 大大 學(xué)學(xué) 參考參考教材：教材： 于春田，于春田，金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料，冶金工，冶金工 業(yè)出版社，業(yè)出版社，19951995。 郝元愷郝元愷等等，高性能復(fù)合材料學(xué)高性能復(fù)合材料學(xué)，化，化 學(xué)工業(yè)出版社，學(xué)工業(yè)出版社，20042004。 張國定，張國定，金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料，上海交，上海交 通大學(xué)出版社，通大學(xué)出版社，19961996。 吳人杰等，吳人杰等，復(fù)合材料復(fù)合材料，天津大學(xué)出，天津大學(xué)出 版社，版社，20002000。 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 復(fù)合材料的定義；復(fù)合材料的

2、定義； 復(fù)合材料的發(fā)展史；復(fù)合材料的發(fā)展史； 復(fù)合材料的分類；復(fù)合材料的分類； 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)；復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)； 復(fù)合材料的特性；復(fù)合材料的特性； 復(fù)合材料的應(yīng)用。復(fù)合材料的應(yīng)用。 1 1 定義定義 存在各種不同定義存在各種不同定義 v“由兩種以上不同的原材料組成，并使原材由兩種以上不同的原材料組成，并使原材 料的性能得到充分發(fā)揮，通過復(fù)合化而得到料的性能得到充分發(fā)揮，通過復(fù)合化而得到 單一材料所不具備的性能。單一材料所不具備的性能。 ” ”（ 島島 村昭村昭 治治 . . 未來拓先端材料，工業(yè)調(diào)查會，未來拓先端材料，工業(yè)調(diào)查會， 1982 1982 ） v“把一些個體典型或基本的特性組合，而

3、得把一些個體典型或基本的特性組合，而得 到的物質(zhì)。到的物質(zhì)。”（余永寧（余永寧 等等 譯譯. . 金屬基復(fù)合金屬基復(fù)合 材料導(dǎo)論，北京，冶金工業(yè)出版社，材料導(dǎo)論，北京，冶金工業(yè)出版社，1996 1996 ） v由兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合由兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合 而成的新型材料。而成的新型材料?！保▍侨藵?，復(fù)合材料，（吳人潔，復(fù)合材料， 天津大學(xué)出版社，天津大學(xué)出版社，20002000） v“經(jīng)過一定的操作，將復(fù)數(shù)個原材料合體，經(jīng)過一定的操作，將復(fù)數(shù)個原材料合體， 或者是由復(fù)數(shù)個相生成，且具有比原材料或者是由復(fù)數(shù)個相生成，且具有比原材料 優(yōu)異的性能。優(yōu)異的性能。”（香川（香

4、川 豐，八田博志豐，八田博志. . 基復(fù)合材料，承風(fēng)社，基復(fù)合材料，承風(fēng)社， 1990 1990 ） 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織國際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)由兩種以上在物理和化學(xué) 上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固 體材料體材料 材料大詞典材料大詞典 ：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進行復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進行 設(shè)計，把兩種以上的有機聚合物材料或無機設(shè)計，把兩種以上的有機聚合物材料或無機 非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性 能互補，從而制成的一類新型材料。能互補，從而制成的一類新型材料。 材料科學(xué)技術(shù)百科全書材料科學(xué)技術(shù)百科全

5、書 ：復(fù)合材料是由復(fù)合材料是由 有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不 同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。 它既保留原組成材料的重要特色，又通過它既保留原組成材料的重要特色，又通過 復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？蓮?fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？?以通過材料設(shè)計使各組分的性能互相補充以通過材料設(shè)計使各組分的性能互相補充 并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與 一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別。一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別。 盡管定義的細節(jié)有所不同，但其要點是共盡管定義的細節(jié)有所不同

6、，但其要點是共 同的。同的。 v 組分是有意選擇和設(shè)計的。組分是有意選擇和設(shè)計的。 v 含兩種以上不同的化學(xué)相。含兩種以上不同的化學(xué)相。 v 性能取決于組分及其含量。性能取決于組分及其含量。 v 具有每個組分所不具備的優(yōu)良性能具有每個組分所不具備的優(yōu)良性能。 . 材料材料A材料材料B 優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點優(yōu)點優(yōu)點 缺點缺點 組合組合1組合組合2 組合組合3 組合組合4 材料優(yōu)、缺點組合示意圖材料優(yōu)、缺點組合示意圖 最佳組合最佳組合 最差組合最差組合 2 2 復(fù)合材料的發(fā)展史復(fù)合材料的發(fā)展史 1 1、幾千年前，在粘土中加入稻草；、幾千年前，在粘土中加入稻草； 2 2、漆器：麻與大漆構(gòu)成的；、漆器：麻

7、與大漆構(gòu)成的； 3 3、混凝土：砂石和水泥復(fù)合得到。、混凝土：砂石和水泥復(fù)合得到。 原始復(fù)合材料原始復(fù)合材料 天然復(fù)合材料天然復(fù)合材料 1、樹樹 竹子竹子 2 2、貝殼、貝殼 鮑魚殼鮑魚殼 木質(zhì)纖維 樹干 木質(zhì)素 無機文石薄片 有機相膠原質(zhì) 貝殼 邊長2. 8mm ,厚為0. 5mm 厚為0. 015mm 基體：起粘結(jié)作用 復(fù)合材料 的組成 增強體：起骨架作用 泥磚 泥 禾秸 鋼筋混凝土 沙子、石子、 水泥 鋼筋 玻璃鋼制品玻璃鋼制品 現(xiàn)代意義上的復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)代意義上的復(fù)合材料的發(fā)展 1、硫化橡膠、硫化橡膠 ：1839年美國人年美國人CGoodyear發(fā)明的橡膠發(fā)明的橡膠 硫化法，在橡膠原

8、料中加入硫化劑、填料、增強劑和防老硫化法，在橡膠原料中加入硫化劑、填料、增強劑和防老 劑等助劑所制得的一種工業(yè)復(fù)合材料；劑等助劑所制得的一種工業(yè)復(fù)合材料； 2、玻璃纖維增強塑料：上世紀(jì)、玻璃纖維增強塑料：上世紀(jì)40年代，首先在美國出年代，首先在美國出 現(xiàn)；現(xiàn)； 3、先進復(fù)合材料：上世紀(jì)、先進復(fù)合材料：上世紀(jì)60年代相繼出現(xiàn)了以碳纖維年代相繼出現(xiàn)了以碳纖維 和聚芳酰胺纖維等高模量纖維為增強劑；和聚芳酰胺纖維等高模量纖維為增強劑； 4、金屬、陶瓷基復(fù)合材料：上世紀(jì)、金屬、陶瓷基復(fù)合材料：上世紀(jì)70年代則又出現(xiàn)以年代則又出現(xiàn)以 金屬、陶瓷等為基體材料的復(fù)合材料。金屬、陶瓷等為基體材料的復(fù)合材料。 第

9、一代 第二代第三代 氧化鋁纖維 玻璃纖維 硼纖維 碳纖維 芳族聚酰胺 晶 須 + 高韌性 高彈性 輕量 耐熱性 工程塑料 環(huán)境擴大 碳化硅纖維 金 屬 陶 瓷 石 墨 泡沫材料 混凝土 石 膏 功能 復(fù)合材料 延伸與 韌性 氧化鋁纖維 石墨纖維 功能化 定向凝固 共晶 自增強 塑料 擴散接合 表面處理 CVD(化學(xué)氣相沉積) CVI(化學(xué)氣相滲透) CIP, HIP -SiC -Al2O3 Si3N4 石墨 聚 脂 金屬纖維 聚酰亞 硝胺 復(fù)合材料的提出復(fù)合材料的提出 當(dāng)前當(dāng)前材料、能源、信息材料、能源、信息是現(xiàn)代科技的三大支是現(xiàn)代科技的三大支 柱，它會將人類物質(zhì)文明推向新的階段。柱，它會將人

10、類物質(zhì)文明推向新的階段。 二十一世紀(jì)將是一個新材料時代。二十一世紀(jì)將是一個新材料時代。 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材 料的發(fā)展；同時也對材料提出了更高、更料的發(fā)展；同時也對材料提出了更高、更 苛刻的要求。在現(xiàn)代高技術(shù)迅猛發(fā)展的今苛刻的要求。在現(xiàn)代高技術(shù)迅猛發(fā)展的今 天，特別是航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的天，特別是航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的 發(fā)展，使材料的使用環(huán)境更加惡劣，因而發(fā)展，使材料的使用環(huán)境更加惡劣，因而 對材料提出了越來越苛刻的要求。對材料提出了越來越苛刻的要求。 現(xiàn)代武器系統(tǒng)的發(fā)展對新材料提出了如下要求：現(xiàn)代武器系統(tǒng)的發(fā)展對新材料提出了如下要求：

11、 1 1、高比強、高比模；、高比強、高比模； 2 2、耐高溫、抗氧化；、耐高溫、抗氧化； 3 3、防熱、隔熱；、防熱、隔熱； 4 4、吸波、隱身；、吸波、隱身； 5 5、全天候；、全天候； 6 6、高抗破甲、抗穿甲性；、高抗破甲、抗穿甲性； 7 7、減振、降噪，穩(wěn)定、隱蔽、高精度和命中率、減振、降噪，穩(wěn)定、隱蔽、高精度和命中率 8 8、抗激光、抗定向武器；、抗激光、抗定向武器； 9 9、多功能；、多功能； 1010、高可靠性和低成本。、高可靠性和低成本。 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復(fù)合材料。例如現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復(fù)合材料。例如 就航天、航空飛行器減輕結(jié)構(gòu)重量這點而言，就航天、航空飛行器

12、減輕結(jié)構(gòu)重量這點而言， 噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量減噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量減1Kg 1Kg ，飛機結(jié)構(gòu)可減重，飛機結(jié)構(gòu)可減重 4Kg 4Kg ，升限可提高，升限可提高1010米；一枚小型洲際導(dǎo)彈第米；一枚小型洲際導(dǎo)彈第 三級結(jié)構(gòu)重量減輕三級結(jié)構(gòu)重量減輕1Kg 1Kg ，整個運載火箭的起飛，整個運載火箭的起飛 重量就可減輕重量就可減輕50Kg 50Kg ，地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)重量就，地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)重量就 可減輕可減輕100Kg 100Kg ，在有效載荷不變的條件下，可，在有效載荷不變的條件下，可 增加射程增加射程15-20Km 15-20Km ；而航天飛機的重量每減輕；而航天飛機的重量每減輕 1Kg 1Kg ，其

13、發(fā)射成本費用就可以減少，其發(fā)射成本費用就可以減少1500015000美元美元 ( (圖圖1 1、圖、圖2)2)。因此，現(xiàn)代航空、航天領(lǐng)域?qū)︼w。因此，現(xiàn)代航空、航天領(lǐng)域?qū)︼w 行器結(jié)構(gòu)的減重要求已經(jīng)不是行器結(jié)構(gòu)的減重要求已經(jīng)不是“斤斤計較斤斤計較”， 而是而是“克克計較克克計較”。 （2 2）復(fù)合材料的意義）復(fù)合材料的意義 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復(fù)合材料。現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復(fù)合材料。 例如例如：火箭殼體材料對射程的影響，火箭殼體材料對射程的影響， 飛行器減輕一公斤所取得的經(jīng)濟效益與飛行速度飛行器減輕一公斤所取得的經(jīng)濟效益與飛行速度 航空發(fā)動機材料發(fā)展預(yù)測如下航空發(fā)動機材料發(fā)展預(yù)測如下

14、圖1 火箭殼體材料對射程的影響 當(dāng)前作為單一的金屬、陶瓷、聚合物等當(dāng)前作為單一的金屬、陶瓷、聚合物等 材料雖然仍在不斷日新月異地發(fā)展，但是材料雖然仍在不斷日新月異地發(fā)展，但是 以上這些材料由于其各自固有的局限性而以上這些材料由于其各自固有的局限性而 不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。例如，不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。例如， 金屬材料的強度、模量和高溫性能等已幾金屬材料的強度、模量和高溫性能等已幾 乎開發(fā)到了極限；陶瓷的脆性、有機高分乎開發(fā)到了極限；陶瓷的脆性、有機高分 子材料的低模量、低熔點等固有的缺點極子材料的低模量、低熔點等固有的缺點極 大地限制了其應(yīng)用。這些都促使人們研究大地限制了其應(yīng)

15、用。這些都促使人們研究 開發(fā)并按預(yù)定性能設(shè)計新型材料。開發(fā)并按預(yù)定性能設(shè)計新型材料。 高分子材料高分子材料 優(yōu)點:密度低 韌性好 成型性能好 缺點:強度 剛度低 耐熱性差 金屬材料金屬材料 優(yōu)點:綜合力學(xué)性能好 缺點:密度大 不耐高溫 無機非金屬材料無機非金屬材料 優(yōu)點:環(huán)境穩(wěn)定性好 缺點:韌性低 脆性大 三大材料：三大材料： 金屬金屬 無機非金屬無機非金屬 有機高分子有機高分子 復(fù)合材料復(fù)合材料 取長補短取長補短 協(xié)同作用協(xié)同作用 產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能 無機無機 非金屬非金屬 材料材料 有機有機 高分子高分子 材料材料 金屬金屬 材料材

16、料 復(fù)復(fù)合合 材材 料料 復(fù)合材料，特別是先進復(fù)合材料就是為復(fù)合材料，特別是先進復(fù)合材料就是為 了滿足以上高技術(shù)發(fā)展的需求而開發(fā)的高性了滿足以上高技術(shù)發(fā)展的需求而開發(fā)的高性 能的先進材料。它由兩種或兩種以上性質(zhì)不能的先進材料。它由兩種或兩種以上性質(zhì)不 同的材料組合而成，各組分之間性能同的材料組合而成，各組分之間性能“取長取長 補短補短”，起到，起到“協(xié)同作用協(xié)同作用”，可以得到單一，可以得到單一 材料無法比擬的優(yōu)秀的綜合性能，極大地滿材料無法比擬的優(yōu)秀的綜合性能，極大地滿 足了人類發(fā)展對新材料的需求。因此，復(fù)合足了人類發(fā)展對新材料的需求。因此，復(fù)合 材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展出來的具有極材料是

17、應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展出來的具有極 大生命力的材料，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進步大生命力的材料，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進步 的結(jié)果，是材料設(shè)計的一個突破。的結(jié)果，是材料設(shè)計的一個突破。 玻璃纖維繩 碳纖維繩 陶瓷刀具 戰(zhàn)車戰(zhàn)車 導(dǎo)彈 航天飛機外層的隔熱瓦通常 有2萬多塊，它們主要由兩 部分組成，內(nèi)層是導(dǎo)熱系數(shù) 非常低的耐高溫陶瓷纖維增 強泡沫陶瓷，外層則是薄薄 一層絕緣隔熱層。隔熱瓦的 材質(zhì)有很多種，即使是在同 一架航天飛機上，隔熱瓦的 種類也是千差萬別。在受熱 程度較高的底部，通常采用 二氧化硅，并且在外面涂一 層黑色絕緣層；而在受熱程 度最高的飛機前部錐形體部 位以及兩翼邊緣，則需要采 用耐高溫的碳/

18、碳材料。 3 3 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類 木質(zhì)基復(fù)合木質(zhì)基復(fù)合 材料材料 復(fù)合復(fù)合 材料材料 有機材料基復(fù)有機材料基復(fù) 合材料合材料 金屬基復(fù)合材金屬基復(fù)合材 料料MMCMMC 無機非金屬基無機非金屬基 復(fù)合材料復(fù)合材料 聚合物基復(fù)聚合物基復(fù) 合材料合材料PMCPMC 熱塑性樹脂熱塑性樹脂 熱固性樹脂熱固性樹脂 樹脂基樹脂基 水泥或混凝土基水泥或混凝土基 復(fù)合材料復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 CMCCMC 橡膠基橡膠基 將復(fù)合材料進行分類時，有按基體或第二相等多種將復(fù)合材料進行分類時，有按基體或第二相等多種 方法。方法。 1 1 基體一般按材質(zhì)分類如下基體一般按材質(zhì)分類如下:

19、: Composite Materials 或或 Composites： Metal Matrix Composites Polymer Matrix Composites Ceramics Matrix Composites 顆粒增強復(fù) 合材料 顆粒狀分散 相復(fù)合材料 纖維狀分散 相復(fù)合材料 短纖維 連續(xù)纖維 強化復(fù)合材料 分散強化復(fù) 合材料 片晶增強復(fù) 合材料 復(fù) 合 材 料 單向纖維強化復(fù)合材料 非編織纖維層 2維, 3維編織纖維層 晶須 隨機排列 隨機排列 定向排列 定向排列 不連續(xù)纖維 強化復(fù)合材料 根據(jù)增強相形態(tài)分根據(jù)增強相形態(tài)分 基體：基體：連續(xù)相連續(xù)相 將增強材料粘合粘合成整體

20、并使增強材料的 位置固定。 增強材料間傳遞載荷傳遞載荷，并使載荷均勻， 自身承受一定載荷。 保護增強體保護增強體免受各種損傷。 很大程度上決定決定成型工藝方法及工藝 參數(shù)選擇。 決定部分性能。 增強體增強體：分散相相分散相相 主要承受絕大部分載荷、增強、增韌增強、增韌 增強材料增強材料分散相分散相 也稱為增強體、增強劑、增強相等也稱為增強體、增強劑、增強相等 顯著增強材料的性能顯著增強材料的性能 多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強度多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強度 較基體大。較基體大。 可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或 彌散的填料。彌散的填料

21、。 在基體和增強體之間存在著界面。在基體和增強體之間存在著界面。 MMCMMC (1) (1) 基體基體：AlAl、MgMg、TiTi、NiNi等輕金屬及其它們的合金（比強度、等輕金屬及其它們的合金（比強度、 比模量高）比模量高） (2) (2) 增強體增強體：強度、模量和熔點遠高于金屬基體的：強度、模量和熔點遠高于金屬基體的金屬或非金金屬或非金 屬材料屬材料。 主要有：硼纖維、碳纖維、主要有：硼纖維、碳纖維、 SiCSiC纖維、纖維、 AlAl2 2O O3 3纖維纖維 鎢絲、鋼絲、不銹鋼絲鎢絲、鋼絲、不銹鋼絲 陶瓷顆粒、晶須等陶瓷顆粒、晶須等 特點：保持金屬材料特性外，與金屬基體相比具有高

22、強、特點：保持金屬材料特性外，與金屬基體相比具有高強、 高模、高韌性、高抗沖、尺寸穩(wěn)定性好、抗疲勞性高模、高韌性、高抗沖、尺寸穩(wěn)定性好、抗疲勞性 能好等特點，可沿用大部分金屬成型加工方法，能好等特點，可沿用大部分金屬成型加工方法， 適合于用作中、高溫結(jié)構(gòu)材料。適合于用作中、高溫結(jié)構(gòu)材料。 MMCMMC雖強度和彈性模量（剛度）增加，但塑性和韌性雖強度和彈性模量（剛度）增加，但塑性和韌性 因使用陶瓷纖維而有所降低。這在一定程度上限制因使用陶瓷纖維而有所降低。這在一定程度上限制 了了MMCMMC的應(yīng)用范圍。的應(yīng)用范圍。 航天飛機內(nèi)航天飛機內(nèi) MMC (Al / B 纖維纖維)桁架桁架 CMCCMC

23、(1) (1) 基體基體：氧化鋁、氮化硅、碳化硅、玻璃等：氧化鋁、氮化硅、碳化硅、玻璃等特種陶瓷特種陶瓷 陶瓷本身：高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、耐磨、抗氧化等陶瓷本身：高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、耐磨、抗氧化等 陶瓷致命缺點：性脆、抗熱震性（抗熱沖擊性）差，抗震性差陶瓷致命缺點：性脆、抗熱震性（抗熱沖擊性）差，抗震性差 且對裂紋、氣孔和混雜物等細微缺陷敏感，易突然失效且對裂紋、氣孔和混雜物等細微缺陷敏感，易突然失效 (2) (2) 增強材料增強材料：碳纖維、硼纖維、碳纖維、硼纖維、-Al-Al2 2O O3 3纖維、氧化鋁纖維、氧化鋁- -硼酸硼酸 鹽鹽 纖維纖維 鎢絲、鈮絲、不銹鋼絲、鎢絲、

24、鈮絲、不銹鋼絲、SiCSiC晶須、晶須、SiNSiN4 4晶須、晶須、 ZrOZrO2 2 顆粒等。顆粒等。 復(fù)合的目的不是提高模量與強度，而是對陶瓷基體增韌復(fù)合的目的不是提高模量與強度，而是對陶瓷基體增韌 CMCCMC仍以仍以燒結(jié)成型為主燒結(jié)成型為主，由于基體與增強體都具有高模量、高耐，由于基體與增強體都具有高模量、高耐 溫特點，殘余應(yīng)力很大，導(dǎo)致微裂紋，因此，兩相的溫特點，殘余應(yīng)力很大，導(dǎo)致微裂紋，因此，兩相的CTECTE必須匹配必須匹配, , CMCCMC適合于作高溫結(jié)構(gòu)材料，被稱為適合于作高溫結(jié)構(gòu)材料，被稱為“材料的夢想材料的夢想”。 C/CC/C復(fù)合材料復(fù)合材料 化學(xué)組成單一，化學(xué)組

25、成單一，C C元素元素，但，但C C的形態(tài)與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的形態(tài)與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜 (1) (1) 基體基體碳：碳：i) CVDi) CVD碳；碳；ii) ii) 樹脂碳；樹脂碳；iii) iii) 瀝青碳瀝青碳 (2) (2) 增強體增強體：高性能碳纖維及其織物：高性能碳纖維及其織物 (3) (3) 性能性能特點：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度特點：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度 低、低、 低蠕變、高導(dǎo)熱、低低蠕變、高導(dǎo)熱、低CTECTE、高抗熱震性、高耐溫、高抗熱震性、高耐溫、 耐燒蝕等，同時，還具有高強、高模、抗疲勞、力學(xué)性能耐燒蝕等，同時，還具有高強、高模、抗疲勞、力學(xué)性能 隨溫度隨

26、溫度 升高而升高的特點升高而升高的特點 缺點：高溫下易氧化，材料多孔而疏松缺點：高溫下易氧化，材料多孔而疏松 高溫結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料高溫結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料，近年發(fā)展很快。，近年發(fā)展很快。 聚合物（樹脂）基復(fù)合材料聚合物（樹脂）基復(fù)合材料: :由玻璃纖由玻璃纖 維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖 維、晶須、顆粒等與熱固性、熱塑性樹脂組維、晶須、顆粒等與熱固性、熱塑性樹脂組 成的基體組成的復(fù)合材料。成的基體組成的復(fù)合材料。比強度、比模量比強度、比模量 高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性、陰尼性好。廣高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性、陰尼性好。廣 泛用于航空、航天、建筑、

27、化工、機械、電泛用于航空、航天、建筑、化工、機械、電 子、體育等。子、體育等。 (2) 增強體增強體主要有碳纖、 玻纖維、芳綸纖維、硼 纖維等 樹脂基體與增強體 相容性、浸潤性較差， 多經(jīng)過表面處理與表面 改性，浸潤劑、偶聯(lián)劑、 涂復(fù)層的使用，使其組 成復(fù)雜化。 PMCPMC的的組成組成 (1) (1) 基體基體 熱固性基體熱固性基體(thermosetting matrix)(thermosetting matrix)： 1) 1) 熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤，成型工藝性好熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤，成型工藝性好 2)2)交聯(lián)固化成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尺寸穩(wěn)定性、耐熱性好，但性脆交聯(lián)固化成

28、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尺寸穩(wěn)定性、耐熱性好，但性脆 3) 3) 制備過程伴有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)制備過程伴有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng) 熱塑性基體熱塑性基體(thermoplastic matrix)(thermoplastic matrix)： 1) 1) 溶體或溶液粘度大，浸漬與浸潤困難，需較高溫度和溶體或溶液粘度大，浸漬與浸潤困難，需較高溫度和 壓力下成型，工藝性差壓力下成型，工藝性差 2) 2) 線性分子結(jié)構(gòu)，抗蠕變和尺寸穩(wěn)定性差，但韌性好線性分子結(jié)構(gòu)，抗蠕變和尺寸穩(wěn)定性差，但韌性好 3) 3) 制備過程中伴有聚集態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及取向、結(jié)晶等物理制備過程中伴有聚集態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及取向、結(jié)晶等物理 現(xiàn)象現(xiàn)象) ) 復(fù)合材料船體復(fù)

29、合材料船體 按按材料作用材料作用分類分類 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件；復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件； 功能功能復(fù)合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、復(fù)合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、 導(dǎo)電、導(dǎo)磁、摩擦、屏蔽等）。導(dǎo)電、導(dǎo)磁、摩擦、屏蔽等）。 同質(zhì)同質(zhì)復(fù)合材料（增強材料和基體材料屬于同復(fù)合材料（增強材料和基體材料屬于同 種物質(zhì)，如碳種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料）碳復(fù)合材料） 異質(zhì)異質(zhì)復(fù)合材料（復(fù)合材料多屬此類）。復(fù)合材料（復(fù)合材料多屬此類）。 48Chapter 9 Composites 各種材料的發(fā)展?fàn)顩r各種材料的發(fā)展?fàn)顩r 玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料 非常成熟非常成熟 廣泛

30、的應(yīng)用廣泛的應(yīng)用 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 開發(fā)階段開發(fā)階段 某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位 陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等 尚處于研究階段尚處于研究階段 有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決 49Chapter 9 Composites 復(fù)合材料的設(shè)計復(fù)合材料的設(shè)計從常規(guī)設(shè)計向從常規(guī)設(shè)計向仿生仿生設(shè)計發(fā)展設(shè)計發(fā)展 仿照仿照竹子竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點，成功地制從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點，成功地制 備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復(fù)合備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復(fù)合 材料。材料

31、。 仿照仿照鮑魚殼鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、 鋁和硼混合成陶瓷細帶制成了鋁和硼混合成陶瓷細帶制成了1010微米厚的薄層，由此得到的微米厚的薄層，由此得到的 層狀復(fù)合材料比其原材料堅固層狀復(fù)合材料比其原材料堅固4040。 仿照仿照骨骼骨骼的組織特點，人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機和的組織特點，人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機和 直升飛機的旋翼，外層是剛度、強度高的碳纖維復(fù)合材料，直升飛機的旋翼，外層是剛度、強度高的碳纖維復(fù)合材料， 中層是玻璃纖維增強復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料中層是玻璃纖維增強復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。 50Ch

32、apter 9 Composites 引入引入相的相的“連通性連通性”概念，理論上可將復(fù)合材料概念，理論上可將復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)劃分為結(jié)構(gòu)劃分為 0-30-3型、型、1-31-3型、型、2-22-2型、型、2-32-3型、型、3-33-3 型型等幾種典型結(jié)構(gòu)等幾種典型結(jié)構(gòu) 4 4 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 三維編織三維編織纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu) 三維正交非織造的纖維結(jié)構(gòu)三維正交非織造的纖維結(jié)構(gòu) (a)(a)非線性法平面增強非線性法平面增強 (b) (b) 一種開式格狀結(jié)構(gòu)一種開式格狀結(jié)構(gòu) (c(c）一種柔性結(jié)構(gòu)）一種柔性結(jié)構(gòu) 管、容器的螺旋纏繞平面纏繞線型 各種 玻璃 夾層 結(jié)構(gòu) 單向及準(zhǔn)各向同性板

33、的鋪層鋪層結(jié)構(gòu) 混雜 復(fù)合 材料 基體有 機 材 料金 屬無 機 材 料 第二相 零有機材料聚合物 金屬防靜電塑料合金粉末(FeCu等)金屬陶瓷 維 無機材料導(dǎo)電陶瓷分散強化合金自潤滑 材料 陶瓷混凝土 有機材料/環(huán)氧樹脂建筑灰泥、木質(zhì)水泥 一金屬防靜電地毯 不銹鋼/鋁、超導(dǎo)線, 磁性 材料、觸點W/硬質(zhì)合金、 鐵絲強化水泥 鋼筋混凝土 維無機材料玻璃纖維強化塑料FRP、 碳纖維強化塑料CFRP SiC/Al、C/Al Al2O3/硬質(zhì)合金 玻璃纖維/水泥, C/灰泥、 石棉水泥, C/C 二有機材料.裝飾鋼板、防震鋼板石膏板、強化玻璃 金屬Al-PE薄板、電路板雙金屬、包層材料 維無機材料

34、絕熱涂層、表面處理剎車襯里 三有機材料三維編織物 金屬三明治型材料 三維電路板 三明治型材料半導(dǎo)體、IC 維無機材料三明治型材料 泡沫材料 三明治型材料 海綿金屬 C/C、泡沫陶瓷 發(fā)泡水泥 復(fù)合材料的種類復(fù)合材料的種類 復(fù)合材料系統(tǒng)組合 分散相分散相 連續(xù)相連續(xù)相 金屬材料金屬材料無機非金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料有機高分子材料 金金 屬屬 材材 料料 金屬纖維金屬纖維纖維纖維/金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料鋼絲鋼絲/水泥復(fù)合材料水泥復(fù)合材料增強橡膠增強橡膠 金屬晶須金屬晶須晶須晶須/金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料晶須晶須/陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 金屬片材金屬片材金屬金屬/塑料板塑

35、料板 無無 機機 非非 金金 屬屬 材材 料料 陶陶 瓷瓷 纖維纖維纖維纖維/金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料纖維纖維/陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 晶須晶須晶須晶須/金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料晶須晶須/陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 顆粒顆粒彌散強化合金材料彌散強化合金材料粒子填充塑料粒子填充塑料 玻玻 璃璃 纖維纖維纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料 顆粒顆粒 碳碳 纖維纖維碳纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料碳纖維碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料碳纖維碳纖維/樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料 炭黑炭黑顆粒顆粒/橡膠；顆粒橡膠；顆粒/樹脂基樹脂基 有機有機 高分高分 子材子材 料料

36、有機纖維有機纖維纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料 塑料塑料金屬金屬/塑料塑料 橡膠橡膠 5 5 復(fù)合材料的特性復(fù)合材料的特性. . 組成：由基體相和增強相組成組成：由基體相和增強相組成 基體相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的基體相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的 增強相材料固結(jié)在一起，并起傳遞應(yīng)力的作增強相材料固結(jié)在一起，并起傳遞應(yīng)力的作 用。用。 增強相是以獨立的形態(tài)分布在基體中的分增強相是以獨立的形態(tài)分布在基體中的分 散相，它起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功散相，它起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功 能（功能復(fù)合材料）的作用。能（功能復(fù)合材料）的作用。 復(fù)合材料的特點：復(fù)合材料的特

37、點： 1） 復(fù)合材料是由復(fù)合材料是由兩種或兩種兩種或兩種以上不同性能的以上不同性能的 材料組元通過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料組元通過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型 材料，組元之間存在著明顯的材料，組元之間存在著明顯的界面界面； 2） 復(fù)合材料中各組元不但復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特保持各自的固有特 性性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性， 并賦予并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能； 3）復(fù)合材料具有復(fù)合材料具有可設(shè)計性可設(shè)計性?？梢愿鶕?jù)使用條?？梢愿鶕?jù)使用條 件要求進行設(shè)計和制造，以滿足各種特殊用途，

38、件要求進行設(shè)計和制造，以滿足各種特殊用途， 從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。 復(fù)合材料的性能不是兩種不同材料性能復(fù)合材料的性能不是兩種不同材料性能 的簡單加和，它即能保留原有組成的材料的的簡單加和，它即能保留原有組成的材料的 重要特色，又能通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的能重要特色，又能通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的能 得到加強。得到加強。 復(fù)合材料的性能主要取決于增強材料的性復(fù)合材料的性能主要取決于增強材料的性 能、含量及分布狀況和基體材料的性能、含能、含量及分布狀況和基體材料的性能、含 量，以及它們之間的界面結(jié)合情況。量，以及它們之間的界面結(jié)合情況。 復(fù)合材料的優(yōu)點復(fù)合材料的優(yōu)點

39、. . a. a. 比強度、比模量大比強度、比模量大 b. b. 耐熱性高耐熱性高 高溫性好高溫性好 c. c. 破損安全性高破損安全性高 d. d. 耐疲勞性好耐疲勞性好 e.e.良好的尺寸穩(wěn)定性良好的尺寸穩(wěn)定性 f. f. 成型工藝靈活，材料、結(jié)構(gòu)成型工藝靈活，材料、結(jié)構(gòu) 可設(shè)計可設(shè)計性性 比強度、比模量：材料的強度或模量與其比強度、比模量：材料的強度或模量與其 密度之比。密度之比。 比強度比強度 = = 強度強度/ /密度密度 MPaMPa / /（g/cmg/cm3 3）, , 比模量比模量 = = 模量模量/ /密度密度 GPaGPa / /（g/cmg/cm3 3）。）。 材料的比

40、強度愈高，制作同一零件則自重材料的比強度愈高，制作同一零件則自重 愈??；材料的比模量愈高，零件的剛度愈愈??；材料的比模量愈高，零件的剛度愈 大。大。 a. a. 比強度、比模量大比強度、比模量大 材料材料比強度比強度比模量比模量 鋼鋼0.130.1310106 6cmcm0.270.2710109 9cmcm 鋁鋁0.170.1710106 6cmcm0.260.2610109 9cmcm 高強高強C Cf f/ /環(huán)氧環(huán)氧1.031.0310106 6cmcm0.210.2110109 9cmcm 高模高模C Cf f/ /環(huán)氧環(huán)氧0.670.6710106 6cmcm1.501.50101

41、09 9cmcm 材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能 b. b. 耐熱性高耐熱性高 高溫性好高溫性好 復(fù)合材料可以在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用，復(fù)合材料可以在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用， 同時其使用溫度均高于復(fù)合材料基體。目前同時其使用溫度均高于復(fù)合材料基體。目前 聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為350 350 C C； 金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能，其使用金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能，其使用 溫度在溫度在350 350 1100 1100 C C范圍內(nèi)變動；陶瓷基復(fù)范圍內(nèi)變動；陶瓷基復(fù) 合材料的使用溫度可達合材料的使用溫度可達14001400 C C；而碳；而碳/ /碳復(fù)合碳復(fù)

42、合 材料的使用溫度最高，可高達材料的使用溫度最高，可高達28002800 C C。 c. c. 破損安全性高破損安全性高 纖維增強復(fù)合材料內(nèi)有大量的獨立纖維，纖維增強復(fù)合材料內(nèi)有大量的獨立纖維， 每平方厘米的纖維少則幾千根，多則上萬每平方厘米的纖維少則幾千根，多則上萬 根，為典型的靜不定體系。當(dāng)這種材料的根，為典型的靜不定體系。當(dāng)這種材料的 構(gòu)件超載并有少量纖維斷裂時，其載荷會構(gòu)件超載并有少量纖維斷裂時，其載荷會 重新分配在未斷裂的纖維上，整個構(gòu)件在重新分配在未斷裂的纖維上，整個構(gòu)件在 短期內(nèi)不至于喪失承載能力短期內(nèi)不至于喪失承載能力 d. 耐疲勞性好 疲勞破壞是材料在交變載荷作用下疲勞破壞是

43、材料在交變載荷作用下 由裂紋的產(chǎn)生和擴展而形成的地應(yīng)由裂紋的產(chǎn)生和擴展而形成的地應(yīng) 力破壞。力破壞。 金屬材料：抗拉強度的金屬材料：抗拉強度的40%-50%40%-50% 碳纖維碳纖維/ /樹脂復(fù)合材料：抗拉強度的樹脂復(fù)合材料：抗拉強度的 70%-80% 70%-80% e e 良好的尺寸穩(wěn)定性良好的尺寸穩(wěn)定性 加入增強體到基體材料中不僅可以提高加入增強體到基體材料中不僅可以提高 材料的強度和剛度，而且可以使其熱膨脹材料的強度和剛度，而且可以使其熱膨脹 系數(shù)明顯下降。通過改變復(fù)合材料中增強系數(shù)明顯下降。通過改變復(fù)合材料中增強 體的含量，可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹系體的含量，可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨

44、脹系 數(shù)。例如在石墨纖維增強鎂基復(fù)合材料中，數(shù)。例如在石墨纖維增強鎂基復(fù)合材料中， 當(dāng)石墨纖維的含量達到當(dāng)石墨纖維的含量達到48%48%時，復(fù)合材料時，復(fù)合材料 的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時其制的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時其制 品不發(fā)生熱變形。這對人造衛(wèi)星構(gòu)件非常品不發(fā)生熱變形。這對人造衛(wèi)星構(gòu)件非常 重要。重要。 NL=pr/2 NT=pr f.f.成型工藝靈活，材料、成型工藝靈活，材料、 結(jié)構(gòu)可設(shè)計性結(jié)構(gòu)可設(shè)計性 可用模具一次成型法來制造各種構(gòu)件，可用模具一次成型法來制造各種構(gòu)件， 同時通過調(diào)整組分的成分、結(jié)構(gòu)及排布同時通過調(diào)整組分的成分、結(jié)構(gòu)及排布 方式，使構(gòu)件在不同方向滿足不同的載方式，使構(gòu)件在不同方向滿足不同的載 荷。荷。 6 6 復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用 1.1.在航空、航天方面的應(yīng)用在航空、航天方面的應(yīng)用 1) 1)戰(zhàn)斗機的機翼蒙皮、機身、垂尾、副翼、水戰(zhàn)斗機的機翼蒙皮、機身、垂尾、副翼、水 平尾翼、雷達罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強筋平尾翼、雷達罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強筋 等主要承力構(gòu)件。等主要承力構(gòu)件。 美國戰(zhàn)斗機使用復(fù)合材料的比例美國戰(zhàn)斗機使用復(fù)合材料的比例: : 型號型號 F4F4 F15