復(fù)合材料概論緒論

1、2021/3/14 1 2021/3/14 2 教材教材: 復(fù)合材料概論復(fù)合材料概論 作者作者:王榮國(guó)王榮國(guó) 等等 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,第第3版版 (2011年年2月月1日日) u 復(fù)合材料的基體材料復(fù)合材料的基體材料 u 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料復(fù)合材料的增強(qiáng)材料 u 復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面 u 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料 u 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 u 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 u 水泥基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料 u 碳碳/ /碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料 u 混雜纖維復(fù)合材料混雜纖維復(fù)合材料 2021/3/14 3 A.土磚房子土磚房子 2021/3/14 4

2、 B. 鋼筋水泥房子鋼筋水泥房子 史上最牛的釘子戶 2021/3/14 5 我們住在復(fù)合材料里我們住在復(fù)合材料里 2021/3/14 6 C. 燕子窩燕子窩:泥土泥土-草復(fù)合材料草復(fù)合材料 2021/3/14 7 樹木也是一種復(fù)合材料樹木也是一種復(fù)合材料 木質(zhì)素木質(zhì)素 纖維素纖維素 D. 自然界的復(fù)合材料自然界的復(fù)合材料 竹、木、骨、貝殼、象牙和龜殼竹、木、骨、貝殼、象牙和龜殼 2021/3/14 8 復(fù)合概念復(fù)合概念 a+b a+b+c a+b+c+ 復(fù)合材料復(fù)合材料:由兩種以上在物理和化學(xué)性質(zhì)上不同的物由兩種以上在物理和化學(xué)性質(zhì)上不同的物 質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材料質(zhì)組合起來(lái)而得到

3、的一種多相固體材料 2021/3/14 9 這么簡(jiǎn)單的組合這么簡(jiǎn)單的組合, ,通過(guò)簡(jiǎn)單的共混得通過(guò)簡(jiǎn)單的共混得 到到, ,能有科學(xué)與技術(shù)的含量嗎能有科學(xué)與技術(shù)的含量嗎? 貝殼被稱為摔不壞的陶瓷貝殼被稱為摔不壞的陶瓷,達(dá)到了強(qiáng)、達(dá)到了強(qiáng)、 韌的最佳配合韌的最佳配合,是純文石的是純文石的3000倍。倍。 2021/3/14 10 小到生活應(yīng)用小到生活應(yīng)用 旅行箱、洗臉盆、水管、電插板旅行箱、洗臉盆、水管、電插板 航空航天航空航天 哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的失事哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的失事 2021/3/14 11 世界上最輕的自行車世界上最輕的自行車 整車重量?jī)H有整車重量?jī)H有1.25公斤公斤 2021/3/

4、14 12 海鰻的發(fā)電器瞬間可以發(fā)出海鰻的發(fā)電器瞬間可以發(fā)出800 伏的電壓伏的電壓,足以電死足以電死 一頭大象一頭大象,但是它的發(fā)電器不是金屬等導(dǎo)電器材但是它的發(fā)電器不是金屬等導(dǎo)電器材,而是蛋而是蛋 白質(zhì)的分子集合體。白質(zhì)的分子集合體。 仿生復(fù)合材料仿生復(fù)合材料 2021/3/14 13 一般材料的強(qiáng)硬度與塑韌性是相互矛盾的一般材料的強(qiáng)硬度與塑韌性是相互矛盾的! 但是貝殼卻達(dá)到了強(qiáng)、韌的最佳配合但是貝殼卻達(dá)到了強(qiáng)、韌的最佳配合,它又被稱為摔不壞它又被稱為摔不壞 的陶瓷的陶瓷 與其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)密切相與其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)密切相 關(guān)。關(guān)。 貝殼中貝殼中:珍珠層的疊層結(jié)構(gòu)是其珍珠層的疊層結(jié)構(gòu)是其 高

5、斷裂韌性的根源。研究表明珍高斷裂韌性的根源。研究表明珍 珠層是由高強(qiáng)、硬度的紋石片疊珠層是由高強(qiáng)、硬度的紋石片疊 層累積組成層累積組成,但紋石片間存在韌但紋石片間存在韌 性非常好的有機(jī)質(zhì)層性非常好的有機(jī)質(zhì)層 文石層碳酸鈣含量為文石層碳酸鈣含量為99%,以蛋白質(zhì)為主的有機(jī)質(zhì)不到以蛋白質(zhì)為主的有機(jī)質(zhì)不到1%. 2021/3/14 14 復(fù)合材料的使用目的復(fù)合材料的使用目的: 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料 性能性能 應(yīng)用應(yīng)用 組成與微結(jié)構(gòu)組成與微結(jié)構(gòu) 以其力學(xué)性能如強(qiáng)度、以其力學(xué)性能如強(qiáng)度、 剛度、形變等特性為工程所剛度、形變等特性為工程所 應(yīng)用應(yīng)用,主要用于結(jié)構(gòu)承力或維主要用

6、于結(jié)構(gòu)承力或維 持結(jié)構(gòu)外形。持結(jié)構(gòu)外形。 以其聲、光、電、熱、磁以其聲、光、電、熱、磁 等物理特性為工程所應(yīng)用等物理特性為工程所應(yīng)用,用于用于 如絕熱、透波、耐腐蝕、耐磨、如絕熱、透波、耐腐蝕、耐磨、 減振或熱變形等熱、聲、光、電、減振或熱變形等熱、聲、光、電、 磁的功能要求磁的功能要求。 2021/3/14 15 什么是材料什么是材料? 對(duì)材料的認(rèn)知對(duì)材料的認(rèn)知? 材料和化學(xué)與物理之間的關(guān)系材料和化學(xué)與物理之間的關(guān)系? 材料涉及的科學(xué)與技術(shù)材料涉及的科學(xué)與技術(shù)? 2021/3/14 16 參考書目參考書目 u 復(fù)合材料學(xué)復(fù)合材料學(xué)周祖福周祖福 主編主編 出出 版版 社社: :武漢理工大學(xué)出版

7、社武漢理工大學(xué)出版社 u 先進(jìn)復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料魯云魯云 主編主編 出版社出版社: :機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 u 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)李順林李順林 王興業(yè)主編王興業(yè)主編 出版社出版社: :武漢工業(yè)大學(xué)出版社武漢工業(yè)大學(xué)出版社 2021/3/14 17 學(xué)習(xí)目的 u了解復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系了解復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系 u了解復(fù)合材料中基體和增強(qiáng)相的種類、特點(diǎn)和要求了解復(fù)合材料中基體和增強(qiáng)相的種類、特點(diǎn)和要求 u理解復(fù)合材料的復(fù)合原理理解復(fù)合材料的復(fù)合原理, ,包括混合法則、增韌機(jī)包括混合法則、增韌機(jī) 制和界面作用制和界面作用 u了解常用的復(fù)合材料的

8、組成、制備、結(jié)構(gòu)等了解常用的復(fù)合材料的組成、制備、結(jié)構(gòu)等 2021/3/14 18 如何學(xué)習(xí)這門課程? 講授和自學(xué)兩種方式講授和自學(xué)兩種方式 考核方式考核方式 (1) 期末閉卷考試（期末閉卷考試（60%） (2) 自學(xué)寫一篇有關(guān)自學(xué)寫一篇有關(guān)“復(fù)合材料復(fù)合材料”的小綜述、學(xué)習(xí)的小綜述、學(xué)習(xí) 心得、讀書報(bào)告或自己想設(shè)計(jì)一種什么樣的復(fù)合材心得、讀書報(bào)告或自己想設(shè)計(jì)一種什么樣的復(fù)合材 料料;“五一五一”黃金周之后上交（黃金周之后上交（30%）。）。 (3)考勤（考勤（10%） 2021/3/14 19 一、復(fù)合材料的定義 u國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織: :由兩種以上在物理和化學(xué)性質(zhì)由兩種以上在物理

9、和化學(xué)性質(zhì) 上不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材上不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材 料料 u材料大詞典材料大詞典 : :復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì), , 把兩種以上的有機(jī)聚合物材料或無(wú)機(jī)非金屬材料把兩種以上的有機(jī)聚合物材料或無(wú)機(jī)非金屬材料 或金屬材料組合在一起或金屬材料組合在一起, ,使其性能互補(bǔ)使其性能互補(bǔ), ,從而制成從而制成 的一類新型材料。的一類新型材料。 2021/3/14 20 定義定義: : 由兩種或兩種以上由兩種或兩種以上, ,物理化學(xué)性質(zhì)不同的物物理化學(xué)性質(zhì)不同的物 質(zhì)組合而成的多相固體材料。質(zhì)組合而成的多相固體材料。 它既保留原組成材

10、料的重要特色它既保留原組成材料的重要特色, ,又通過(guò)又通過(guò) 復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝◤?fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝?過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān) 聯(lián)聯(lián), ,從而獲得更優(yōu)秀的性能。從而獲得更優(yōu)秀的性能。 2021/3/14 21 復(fù)合材料復(fù)合材料 2021/3/14 22 u天然木材天然木材 - - 纖維素纖維纖維素纖維 + + 木質(zhì)素木質(zhì)素 u鋼筋混凝土鋼筋混凝土- - 砂、石、鋼筋砂、石、鋼筋 + + 水泥水泥 u玻璃鋼玻璃鋼 - - 玻璃纖維玻璃纖維 + + 熱固性樹脂熱固性樹脂 uC/CC/C復(fù)合材料復(fù)合材料

11、- - 石墨碳纖維石墨碳纖維 + + 熱解碳或樹脂碳熱解碳或樹脂碳 （耐燒蝕）（耐燒蝕） 經(jīng)常使用的復(fù)合材料 2021/3/14 23 復(fù)合材料的組成相復(fù)合材料的組成相: : 增強(qiáng)相增強(qiáng)相 - - 纖維、晶須、顆粒。（不連續(xù)相）纖維、晶須、顆粒。（不連續(xù)相） 基體相基體相 - - 金屬、陶瓷、聚合物。（連續(xù)相）金屬、陶瓷、聚合物。（連續(xù)相） 2021/3/14 24 u增強(qiáng)相增強(qiáng)相:一般具有很高的力學(xué)性能（強(qiáng)度、彈性模一般具有很高的力學(xué)性能（強(qiáng)度、彈性模 量）量）,及特殊的功能性。其主要作用是承受載荷或及特殊的功能性。其主要作用是承受載荷或 顯示功能。顯示功能。 u基體相基體相:保持材料的基本

12、特性保持材料的基本特性,如硬度、耐磨、耐如硬度、耐磨、耐 熱性等。主要作用是將增強(qiáng)相固結(jié)成一個(gè)整體熱性等。主要作用是將增強(qiáng)相固結(jié)成一個(gè)整體,起起 傳遞和均衡應(yīng)力的作用。傳遞和均衡應(yīng)力的作用。 2021/3/14 25 Schematic illustration of composite constituents 2021/3/14 26 二、復(fù)合材料種類 三大材料三大材料: : 金屬金屬 無(wú)機(jī)非金屬無(wú)機(jī)非金屬 有機(jī)高分子有機(jī)高分子 復(fù)合材料復(fù)合材料 取長(zhǎng)補(bǔ)短取長(zhǎng)補(bǔ)短 協(xié)同作用協(xié)同作用 產(chǎn)生原來(lái)單一材料本身所沒(méi)有的新性能產(chǎn)生原來(lái)單一材料本身所沒(méi)有的新性能 無(wú)機(jī) 非金屬 材料 有機(jī) 高分子 材料

13、 金屬 材料 復(fù)合 材 料 2021/3/14 27 三、復(fù)合材料的特點(diǎn) 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材料組元以上不同性能的材料組元 通過(guò)宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料通過(guò)宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料,組元之間存組元之間存 在著明顯的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性保持各自的固有特性,而且可而且可 最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性,并賦予并賦予單一材料組單一材料組 元所不具備的優(yōu)良特殊性能元所不具備的優(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(jì)性可設(shè)計(jì)性。可以根據(jù)使

14、用條件要求進(jìn)行。可以根據(jù)使用條件要求進(jìn)行 設(shè)計(jì)和制造設(shè)計(jì)和制造, ,以滿足各種特殊用途以滿足各種特殊用途, ,從而極大地提高工從而極大地提高工 程結(jié)構(gòu)的效能。程結(jié)構(gòu)的效能。 2021/3/14 28 現(xiàn)代社會(huì) 信息生命 材料 社會(huì) 2021/3/14 29 四、材料的發(fā)展 世界是由物質(zhì)組成的世界是由物質(zhì)組成的 吃吃 穿穿 住住 行行 生產(chǎn)與生活資料生產(chǎn)與生活資料 “只要知道物質(zhì)的結(jié)構(gòu)只要知道物質(zhì)的結(jié)構(gòu),人類在現(xiàn)在或未來(lái)能合成所有的東西人類在現(xiàn)在或未來(lái)能合成所有的東西。” 2021/3/14 30 人造肉類人造肉類 2021/3/14 31 材料是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)材料是人類生存和發(fā)展的物

15、質(zhì)基礎(chǔ) 鋼鐵時(shí)代鋼鐵時(shí)代 高分子時(shí)代高分子時(shí)代 多種材料并存的時(shí)代多種材料并存的時(shí)代 生產(chǎn)生產(chǎn) 力獲力獲 得了得了 極大極大 地解地解 放放, 推動(dòng)推動(dòng) 著人著人 類社類社 會(huì)的會(huì)的 進(jìn)步進(jìn)步! 舊石器時(shí)代舊石器時(shí)代新時(shí)期時(shí)代新時(shí)期時(shí)代 青銅時(shí)代青銅時(shí)代 鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代 2021/3/14 32 2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代以來(lái)年代以來(lái), ,材料種類得到拓展材料種類得到拓展, ,性能上得到極大的擴(kuò)展與性能上得到極大的擴(kuò)展與 深度挖掘深度挖掘: :光、聲、磁、力、超導(dǎo)、高塑、超強(qiáng)、超硬、耐高溫等光、聲、磁、力、超導(dǎo)、高塑、超強(qiáng)、超硬、耐高溫等 功能化功能化 復(fù)合化復(fù)合化 智能化智能化 生態(tài)化生

16、態(tài)化 高分子的發(fā)展高分子的發(fā)展 德國(guó)化學(xué)家德國(guó)化學(xué)家H. Staudiger, 20世紀(jì)世紀(jì)30年代提出大分子概年代提出大分子概 念念 Ziegler和和Natta的定向聚合理論的誕生促進(jìn)的定向聚合理論的誕生促進(jìn)PP、PE Carothers的縮合聚合理論的縮合聚合理論,尼龍面世尼龍面世 2021/3/14 33 五、復(fù)合材料歷史 古代近代先進(jìn)復(fù)合材料古代近代先進(jìn)復(fù)合材料 天然復(fù)合材料 竹、貝殼,樹木和竹子: 纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體 動(dòng)物骨骼: 無(wú)機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成 古代:使用 、效仿 半坡人草梗合泥筑墻,且延用至今 漆器麻纖維和土漆復(fù)合而成,至今已四千多年 敦煌壁畫泥胎、宮殿建筑里

17、園木表面的披麻覆漆 十九世紀(jì)末期出現(xiàn) 由纖維增強(qiáng)橡膠制成的輪胎、橡膠布。 2021/3/14 34 20世紀(jì)世紀(jì)40年代初年代初,美國(guó)首先用玻璃纖維美國(guó)首先用玻璃纖維 增強(qiáng)塑料制造飛機(jī)雷達(dá)天線罩。之后增強(qiáng)塑料制造飛機(jī)雷達(dá)天線罩。之后,玻纖玻纖 增強(qiáng)塑料（我國(guó)俗稱玻璃鋼）廣泛用于航增強(qiáng)塑料（我國(guó)俗稱玻璃鋼）廣泛用于航 空、造船、汽車、化工、電器等國(guó)防和國(guó)空、造船、汽車、化工、電器等國(guó)防和國(guó) 民經(jīng)濟(jì)各部門。民經(jīng)濟(jì)各部門。 我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用和研究是從我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用和研究是從20 世紀(jì)世紀(jì)60年代末期開始的。年代末期開始的。 2021/3/14 35 近現(xiàn)代: 第一代第一代:1940年到

18、年到1960年年,玻璃纖維增強(qiáng)塑料玻璃纖維增強(qiáng)塑料 第二代第二代:1960年到年到1980年年,先進(jìn)復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料 1965年英國(guó)科學(xué)家研制出碳纖維年英國(guó)科學(xué)家研制出碳纖維 1971年美國(guó)杜邦公司開發(fā)出開芙拉年美國(guó)杜邦公司開發(fā)出開芙拉-49 1975年先進(jìn)復(fù)合材料年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、及開芙拉纖維增強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)、及開芙拉纖維增強(qiáng) 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料環(huán)氧樹脂復(fù)合材料” 用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。 第三代第三代:1980年到年到1990年年,碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。 第四代

19、第四代:1990年以后年以后,主要發(fā)展多功能復(fù)合材料主要發(fā)展多功能復(fù)合材料, 如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。 2021/3/14 36 (1) 強(qiáng)調(diào)基體強(qiáng)調(diào)基體 即強(qiáng)調(diào)了基體材即強(qiáng)調(diào)了基體材 料的種類和特征料的種類和特征 (2) 強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體 即強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)材料即強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)材料 的種類和性質(zhì)的種類和性質(zhì) 酚醛樹脂基復(fù)合材料、酚醛樹脂基復(fù)合材料、 鋁合金基復(fù)合材料等鋁合金基復(fù)合材料等 碳纖維復(fù)合材料、金碳纖維復(fù)合材料、金 屬纖維復(fù)合材料、玻屬纖維復(fù)合材料、玻 璃纖維復(fù)合材料等璃纖維復(fù)合材料等 六、復(fù)合材料的分類 2021/3/14 37 金屬基復(fù)金屬基復(fù) 合材

20、料合材料 非金屬基非金屬基 復(fù)合材料復(fù)合材料 復(fù)合材料復(fù)合材料 高聚物基高聚物基 復(fù)合材料復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)陶瓷基復(fù) 合材料合材料 樹脂基復(fù)樹脂基復(fù) 合材料合材料 橡膠基復(fù)橡膠基復(fù) 合材料合材料 熱固性樹脂熱固性樹脂 基復(fù)合材料基復(fù)合材料 熱塑性樹脂熱塑性樹脂 基復(fù)合材料基復(fù)合材料 六、復(fù)合材料的分類 （1） 2021/3/14 38 顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng) 復(fù)合材料復(fù)合材料 纖維增強(qiáng)纖維增強(qiáng) 復(fù)合材料復(fù)合材料 復(fù)合材料復(fù)合材料 連續(xù)纖維連續(xù)纖維 復(fù)合材料復(fù)合材料 不連續(xù)纖維不連續(xù)纖維 復(fù)合材料復(fù)合材料 層合層合 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 復(fù)合復(fù)合 材料材料 纏繞纏繞 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 復(fù)合復(fù)合 材料材料 顆粒強(qiáng)化顆粒強(qiáng)化

21、 復(fù)合材料復(fù)合材料 彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 復(fù)合材料復(fù)合材料 多向多向 編織編織 復(fù)合復(fù)合 材料材料 短切短切 纖維纖維 復(fù)合復(fù)合 材料材料 晶須晶須 復(fù)合復(fù)合 材料材料 顆粒直徑范圍顆粒直徑范圍150m,顆顆 粒體積含量粒體積含量2570%,增強(qiáng)顆增強(qiáng)顆 粒之間的距離一般大于粒之間的距離一般大于1m。 顆粒的作用顆粒的作用:由于顆粒本身的剛由于顆粒本身的剛 硬阻止基體變形而起到增強(qiáng)作硬阻止基體變形而起到增強(qiáng)作 用。用。 顆粒直徑范圍顆粒直徑范圍0.010.1 m, 顆粒體積含量顆粒體積含量115。顆顆 粒的作用粒的作用:阻止基體材料的位阻止基體材料的位 錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而起到增強(qiáng)作用。錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而起到增強(qiáng)作用。

22、 由無(wú)緯布或纖維由無(wú)緯布或纖維 織物鋪疊而成織物鋪疊而成 由纖維粗紗纏由纖維粗紗纏 繞或纖維織物繞或纖維織物 帶按一定纏繞帶按一定纏繞 規(guī)律卷繞而成規(guī)律卷繞而成 由纖維在三維多由纖維在三維多 方向編織而成方向編織而成 六、復(fù)合材料的分類 （2） 2021/3/14 39 Classes of composites 2021/3/14 40 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類 玻璃玻璃纖維復(fù)合材料纖維復(fù)合材料; 碳纖維碳纖維復(fù)合材料復(fù)合材料; 有機(jī)纖維有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖 維等）復(fù)合材料維等）復(fù)合材料; 金屬纖維金

23、屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料; 陶瓷纖維陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）復(fù)合材料。（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）復(fù)合材料。 混雜混雜復(fù)合材料復(fù)合材料: 兩種或兩種以上增強(qiáng)體兩種或兩種以上增強(qiáng)體與同一基體制成的復(fù)合材料與同一基體制成的復(fù)合材料 可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合, 即復(fù)合材料的即復(fù)合材料的“復(fù)合材料復(fù)合材料”。 2021/3/14 41 按按基體材料基體材料分類分類 聚合物基聚合物基復(fù)合材料復(fù)合材料: :以有機(jī)聚合物（熱固性樹脂、熱塑以有機(jī)聚合物（熱固性樹脂、熱塑 性

24、樹脂及橡膠等）為基體性樹脂及橡膠等）為基體; ; 金屬基金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料: :以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體; ; 無(wú)機(jī)非金屬基無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料: :以陶瓷材料（也包括玻璃和水以陶瓷材料（也包括玻璃和水 泥）為基體。泥）為基體。 2021/3/14 42 按按材料作用材料作用分類分類 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料復(fù)合材料:用于制造受力構(gòu)件用于制造受力構(gòu)件; 功能功能復(fù)合材料復(fù)合材料:具備各種特殊性能（如阻尼、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）。 u 同質(zhì)同質(zhì)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體

25、材料屬于同 種物質(zhì)種物質(zhì),如碳如碳/碳復(fù)合材料）碳復(fù)合材料） u 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）。 2021/3/14 43 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(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料 金金 屬屬 材材 料料 金屬纖維纖維/金屬基復(fù)合材料鋼絲/水泥復(fù)合材料增強(qiáng)橡膠 金屬晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料 金屬片材金屬/塑料板 無(wú)無(wú) 機(jī)機(jī) 非非 金金 屬屬 材材 料料 陶 瓷 纖維纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶瓷基復(fù)合材料 晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料 顆粒彌散強(qiáng)化合金材料粒子

26、填充塑料 玻 璃 纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料 顆粒 碳 纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料碳纖維/樹脂基復(fù)合材料 炭黑顆粒/橡膠;顆粒/樹脂基 有機(jī)有機(jī) 高分高分 子材子材 料料 有機(jī)纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料 塑料金屬/塑料 橡膠 2021/3/14 44 u 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(wèn)題有

27、待解決有不少科學(xué)技術(shù)問(wèn)題有待解決 2021/3/14 45 復(fù)合材料的設(shè)計(jì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)從常規(guī)設(shè)計(jì)向從常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生仿生設(shè)計(jì)發(fā)展設(shè)計(jì)發(fā)展 u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(diǎn)從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn), ,成功地制成功地制 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。 u仿照仿照鮑魚殼鮑魚殼的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu), ,西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、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(xì)帶制成了鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了1010微米厚的薄層微米厚的薄層, ,由此得到的由此得到的 層狀復(fù)

28、合材料比其原材料堅(jiān)固層狀復(fù)合材料比其原材料堅(jiān)固4040。 u仿照仿照骨骼骨骼的組織特點(diǎn)的組織特點(diǎn), ,人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和 直升飛機(jī)的旋翼直升飛機(jī)的旋翼, ,外層是剛度、強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合材料外層是剛度、強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合材料, ,中中 層是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料層是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。 2021/3/14 46 性能性能: :取決于基體相、增強(qiáng)相種類及數(shù)量取決于基體相、增強(qiáng)相種類及數(shù)量, ,其次是它其次是它 們的結(jié)合界面、成型工藝等。們的結(jié)合界面、成型工藝等。 1 1、主要取決于增強(qiáng)相的性能、主要取決于增強(qiáng)相的性

29、能 . .比強(qiáng)度、比剛度高比強(qiáng)度、比剛度高 . .沖擊韌性和斷裂韌性高沖擊韌性和斷裂韌性高 . .耐疲勞性好耐疲勞性好 . .減震性減震性 . .熱膨脹系數(shù)小熱膨脹系數(shù)小 復(fù)合材料的性能比較復(fù)合材料的性能比較 裂紋擴(kuò)展示意圖裂紋擴(kuò)展示意圖 2021/3/14 47 材料材料密度密度 g/cmg/cm3 3 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 10103 3MPaMPa 彈性模量彈性模量 105MPa105MPa 比強(qiáng)度比強(qiáng)度比模量比模量 鋼鋼7.81.032.10.130.27 鋁合金鋁合金2.80.470.750.170.26 鈦合金鈦合金4.50.961.140.210.25 玻璃鋼玻璃鋼2.01.060.

30、40.530.20 碳纖維碳纖維/ /環(huán)氧環(huán)氧1.451.501.41.030.97 有機(jī)纖維有機(jī)纖維/ /環(huán)氧環(huán)氧1.41.40.81.00.57 硼纖維硼纖維/ /環(huán)氧環(huán)氧2.11.382.10.661.0 硼纖維硼纖維/ /鋁鋁2.651.02.00.380.57 各種材料的比強(qiáng)度和比模量各種材料的比強(qiáng)度和比模量 2021/3/14 48 、硬度、硬度 陶瓷基陶瓷基 金屬基金屬基 樹脂基樹脂基 、耐熱性、耐熱性 樹脂基樹脂基: 60 250 金屬基金屬基: 400 600 陶瓷基陶瓷基: 1000 1500 、耐自然老化、耐自然老化 陶瓷基陶瓷基 金屬基金屬基 樹脂基樹脂基 2 2、取決

31、于基體相的性能、取決于基體相的性能 2021/3/14 49 、導(dǎo)熱導(dǎo)電性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性 金屬基金屬基 陶瓷基陶瓷基 樹脂基樹脂基 、耐蝕性、耐蝕性 陶瓷基和樹脂基陶瓷基和樹脂基 金屬基金屬基 、工藝性及生產(chǎn)成本、工藝性及生產(chǎn)成本 陶瓷基陶瓷基 金屬基金屬基 樹脂基樹脂基 2021/3/14 50 粒子增強(qiáng)復(fù)合材料粒子增強(qiáng)復(fù)合材料 粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒 子高度彌散地分布在基體子高度彌散地分布在基體 中中, ,使其阻礙導(dǎo)致塑性變使其阻礙導(dǎo)致塑性變 形的形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)( (金屬基體金屬基體) ) 和和分子鏈運(yùn)動(dòng)分子鏈運(yùn)動(dòng)( (聚合物基聚合物基 體體) )。 這種復(fù)合材料

32、是各向同性這種復(fù)合材料是各向同性 的。的。 衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 零件零件 復(fù)合材料介紹復(fù)合材料介紹 2021/3/14 51 聚合物基粒子聚合物基粒子復(fù)合材料如復(fù)合材料如 酚醛樹脂中摻入木粉的電酚醛樹脂中摻入木粉的電 木、碳酸鈣粒子改性熱塑木、碳酸鈣粒子改性熱塑 性塑料的鈣塑材料。性塑料的鈣塑材料。 陶瓷基粒子陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧復(fù)合材料如氧 化鋯增韌陶瓷等?；喸鲰g陶瓷等。 粒子增強(qiáng)粒子增強(qiáng)SiCSiC陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 顆粒增強(qiáng)鋁基泡沫復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)鋁基泡沫復(fù)合材料 碳黑增強(qiáng)橡膠碳黑增強(qiáng)橡膠 2021/3/14 52 金屬基粒子復(fù)合材料金屬基

33、粒子復(fù)合材料 又稱金屬陶瓷又稱金屬陶瓷,是由鈦、是由鈦、 鎳、鈷、鉻等金屬與鎳、鈷、鉻等金屬與 碳化物、氮化物、氧碳化物、氮化物、氧 化物、硼化物等組成化物、硼化物等組成 的非均質(zhì)材料。的非均質(zhì)材料。 碳化物金屬陶瓷作為碳化物金屬陶瓷作為 工具材料已被廣泛應(yīng)工具材料已被廣泛應(yīng) 用用,稱作稱作硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金。硬。硬 質(zhì)合金通常以質(zhì)合金通常以Co、Ni 作為粘結(jié)劑作為粘結(jié)劑,WC、TiC 等作為強(qiáng)化相。等作為強(qiáng)化相。 硬質(zhì)合金組織硬質(zhì)合金組織(Co+WC)(Co+WC) 2021/3/14 53 硬質(zhì)合金主要硬質(zhì)合金主要 有有鎢鈷鎢鈷(YG)和和 鎢鈷鈦鎢鈷鈦(YT)兩兩 類類。 硬質(zhì)合金硬度硬

34、質(zhì)合金硬度 極高極高,且熱硬性、且熱硬性、 耐磨性好耐磨性好,一般一般 做成刀片做成刀片,鑲在鑲在 刀體上使用。刀體上使用。 硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金模具 硬質(zhì)合金軸承刀具硬質(zhì)合金軸承刀具 2021/3/14 54 層狀復(fù)合材料層狀復(fù)合材料 是指在基體中是指在基體中 含有多重層片含有多重層片 狀高強(qiáng)高模量狀高強(qiáng)高模量 增強(qiáng)物的復(fù)合增強(qiáng)物的復(fù)合 材料。這種材材料。這種材 料是各向異性料是各向異性 的的(層內(nèi)兩維同層內(nèi)兩維同 性性)。如。如碳化硼碳化硼 片增強(qiáng)鈦、膠片增強(qiáng)鈦、膠 合板合板等。等。 層狀陶瓷復(fù)合材料斷口形貌層狀陶瓷復(fù)合材料斷口形貌 三明治復(fù)合三明治復(fù)合 2021/3/14 55 雙金屬、

35、表面涂層雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。等也是層狀復(fù)合材料。 結(jié)構(gòu)層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同結(jié)構(gòu)層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同, ,分別用于飛機(jī)制造、分別用于飛機(jī)制造、 運(yùn)輸及包裝等。運(yùn)輸及包裝等。 有有TiNTiN涂層的高爾夫球頭涂層的高爾夫球頭 鋁合金蜂窩夾層板鋁合金蜂窩夾層板層狀復(fù)合層狀復(fù)合 2021/3/14 56 聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)高分子材通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)高分子材 料。料。 這類復(fù)合材料的性能較環(huán)氧樹脂等基體有大幅度的這類復(fù)合材料的性能較環(huán)氧樹脂等基體有大幅度的 提高提高, ,比強(qiáng)度也高得多。比強(qiáng)度也高得多。

36、 材料種類材料種類縱向抗拉強(qiáng)度縱向抗拉強(qiáng)度 MPaMPa縱向彈性模量縱向彈性模量 GPaGPa 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂69696.96.9 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 / E/ E級(jí)玻璃纖維級(jí)玻璃纖維102010204545 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 / / 碳纖維（高彈性）碳纖維（高彈性）12401240145145 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 / / 芳綸纖維（芳綸纖維（4949）138013807676 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 / / 硼纖維（硼纖維（70 % V70 % Vf f ）1400-21001400-2100210-280210-280 2021/3/14 57 聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

37、零件 芳綸剎車片芳綸剎車片 高溫構(gòu)件碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺高溫構(gòu)件碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺 復(fù)合材料制航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料制航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2021/3/14 58 復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用 美國(guó)美國(guó)F/A-18殲擊機(jī)殲擊機(jī) 美美UH60A型直升飛機(jī)型直升飛機(jī) 2021/3/14 59 飛機(jī)飛的更高更遠(yuǎn)更快飛機(jī)飛的更高更遠(yuǎn)更快: 目前目前,用金屬制成的飛機(jī)最高時(shí)速大約為用金屬制成的飛機(jī)最高時(shí)速大約為3000km,最最 高飛行高度約高飛行高度約30km,最大飛行距離約最大飛行距離約20000km。 如果飛機(jī)的質(zhì)量減輕一半如果飛機(jī)的質(zhì)量減輕一半,則飛行速度可提高一倍則飛行速度可提高一倍, 飛行

38、高度可達(dá)飛行高度可達(dá)40km或或50km以上以上,飛機(jī)繞地球一周而無(wú)飛機(jī)繞地球一周而無(wú) 需加油。需加油。 可見質(zhì)量輕、綜合性能好的復(fù)合材料在航天航空可見質(zhì)量輕、綜合性能好的復(fù)合材料在航天航空 工業(yè)中具有其他材料不可取代的重要性工業(yè)中具有其他材料不可取代的重要性 2021/3/14 60 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 金屬的熔點(diǎn)高金屬的熔點(diǎn)高,故高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)后的金屬基故高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)后的金屬基 復(fù)合材料（復(fù)合材料（MMC）可以使用在較高溫的工作）可以使用在較高溫的工作 環(huán)境之下。環(huán)境之下。 常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂 合金。合金。 l作為增強(qiáng)體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、作為增強(qiáng)體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、SiC 和和C纖維纖維;Al2O3纖維通常以短纖維的形式用纖維通常以短纖維的形式用 于于MMC中。中。 2021/3/14 61 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料(MMC)雖強(qiáng)度和彈性模量（剛度）雖強(qiáng)度和彈性模量（剛度） 增加增加,但塑性和韌性因使用陶瓷纖維而有所降低。這但塑性和韌性因使用陶瓷纖維而有所降低。這 在一定程度上限制了在一定程度上限制了MMC的應(yīng)用范圍的應(yīng)用范圍。 航天飛機(jī)桁架航天飛機(jī)桁架 2021/3/14 62 纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料 陶瓷材料耐熱、耐磨、陶