第一章 復合材料總論

1、 白宮全復合材料渦槳公務機海膽1、現(xiàn)代復合材料現(xiàn)代復合材料-陳華輝陳華輝 鄧海金鄧海金 李李 明明 （中國物質(zhì)出版社（中國物質(zhì)出版社,1998）2、復合材料、復合材料-吳人潔（天津大學出版社吳人潔（天津大學出版社,2000）3、復合材料科學與工程、復合材料科學與工程-倪禮忠倪禮忠,陳麒陳麒(科學出版社科學出版社,2002)4、復合材料及其應用、復合材料及其應用尹洪峰尹洪峰,任耘（陜西科學技術(shù)出版社任耘（陜西科學技術(shù)出版社,2003）5、高性能復合材料學、高性能復合材料學-郝元愷郝元愷,肖加余肖加余 (化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社,2004)6、新材料概論、新材料概論- 譚毅譚毅, 李敬鋒李敬鋒

2、(冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社,2004) 7、先進復合材料、先進復合材料-魯魯 云云 朱世杰朱世杰 馬鳴圖馬鳴圖 （機械工業(yè)已出版社（機械工業(yè)已出版社,2004）8、復合材料概論、復合材料概論-王榮國王榮國 武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學出版社，武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004）建議教材建議教材復合材料概論復合材料概論-王榮國王榮國 武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學出版社，武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004）第一章第一章 總論總論 各有千秋各有千秋揚長避短揚長避短 克服單一材料的缺點克服單一材料的缺點 產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能10000BC5000

3、BC015001900196019801990200020102020金金銅銅鐵鐵鋼鋼合金鋼合金鋼高溫合金高溫合金高分子高分子木材木材皮膚皮膚纖維纖維動物膠動物膠橡膠橡膠電木電木尼龍尼龍PEPCPSPPPAN聚酯聚酯高模聚合物高模聚合物導電高分子導電高分子復合材料復合材料金屬基復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料石材石材陶瓷陶瓷陶器陶器玻璃玻璃水泥水泥耐火材料耐火材料熔融硅熔融硅耐濕陶瓷耐濕陶瓷韌性機械陶瓷韌性機械陶瓷3什么是復合材料什么是復合材料 (Composition Materials , Composite) ? 要給復合材料下一個嚴格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難要給復合

4、材料下一個嚴格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點，有關(guān)復合材料的定義或偏重于考的。概括前人的觀點，有關(guān)復合材料的定義或偏重于考慮慮復合后材料的性能復合后材料的性能，或偏重于考慮或偏重于考慮復合材料的結(jié)構(gòu)復合材料的結(jié)構(gòu) 。 （）（） 復合材料是多功能的材料系統(tǒng)，它們可提供任何復合材料是多功能的材料系統(tǒng)，它們可提供任何單一材料所無法獲得的特性；它們是由兩種或多種單一材料所無法獲得的特性；它們是由兩種或多種成分成分不同不同，性質(zhì)不同性質(zhì)不同，有時，有時形狀也不同形狀也不同的相容性材料，以的相容性材料，以物物理形式理形式結(jié)合而成的。結(jié)合而成的。值得一提的是：值得一提的是：復合材料的結(jié)構(gòu)通常是

5、一個相為連續(xù)相，稱為復合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為基體基體；而另；而另一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為增強體增強體 ( (也稱為也稱為增強材料、增強相等增強材料、增強相等) )復合材料的組份材料雖然保持其相對獨立性，但復合材料的性能卻不是組復合材料的組份材料雖然保持其相對獨立性，但復合材料的性能卻不是組份材料性能的簡單加和，而是由著重要的改進。這也是其具有旺盛生命力份材料性能的簡單加和，而是

6、由著重要的改進。這也是其具有旺盛生命力的根源的根源 1.1.2 1.1.2 、按增強纖維種類分類、按增強纖維種類分類纖維增強復合材料分為以下五種：纖維增強復合材料分為以下五種： 玻璃纖維玻璃纖維復合材料；復合材料； 碳纖維碳纖維復合材料；復合材料； 有機纖維有機纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復合材料；纖維等）復合材料； 金屬纖維金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料；（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料； 陶瓷纖維陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復合（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復合材料。材料。賴際發(fā)賴際發(fā)、熱塑

7、性玻璃鋼、熱塑性玻璃鋼 熱塑性玻璃鋼是以熱塑性玻璃鋼是以玻璃纖維玻璃纖維為增強劑和以為增強劑和以熱塑性樹脂熱塑性樹脂為粘結(jié)劑制成的復合材料。為粘結(jié)劑制成的復合材料。、熱固性玻璃鋼、熱固性玻璃鋼 熱固性玻璃鋼是以熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維玻璃纖維為增強劑和以為增強劑和以熱固性樹脂熱固性樹脂為粘結(jié)劑制成的復合材料。為粘結(jié)劑制成的復合材料。硼纖維復合材料硼纖維復合材料硼纖維硼纖維是由硼氣相沉積在鎢絲上來制取的。是由硼氣相沉積在鎢絲上來制取的。、硼纖維、硼纖維樹脂樹脂復合材料：基體主要為復合材料：基體主要為環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂、聚苯并聚苯并咪唑咪唑和和聚酰亞胺樹脂聚酰亞胺樹脂等。等。、硼纖維、硼纖維金屬金屬

8、復合材料：常用的基體為復合材料：常用的基體為鋁、鎂及其合金鋁、鎂及其合金，還有還有鈦及其合金鈦及其合金等。等。金屬纖維復合材料金屬纖維復合材料 作增強纖維的金屬主要是作增強纖維的金屬主要是強度較高的高熔點金屬強度較高的高熔點金屬鎢鎢、鉬鉬、鋼鋼、不銹鋼不銹鋼、鈦鈦、鈹鈹?shù)?，它們能被基體金屬等，它們能被基體金屬潤濕潤濕，也，也能能增強增強陶瓷。陶瓷。、金屬纖維金屬纖維金屬金屬復合材料復合材料：研究較多的增強劑為：研究較多的增強劑為鎢鉬絲鎢鉬絲，基體為基體為鎳合金鎳合金和和鈦合金鈦合金。、金屬纖維金屬纖維陶瓷陶瓷復合材料復合材料：利用金屬纖維的：利用金屬纖維的韌性韌性和和抗拉抗拉能力能力改善陶瓷的

9、改善陶瓷的脆性脆性。聚合物基聚合物基復合材料復合材料金屬基金屬基復合材料復合材料陶瓷基陶瓷基復合材料復合材料水泥基水泥基復合材料復合材料碳基碳基復合材料復合材料熱固熱固性樹脂基性樹脂基熱塑熱塑性樹脂基性樹脂基橡膠橡膠基基高溫陶瓷高溫陶瓷基基玻璃玻璃基基玻璃陶瓷玻璃陶瓷基基輕金屬輕金屬基基高熔點金屬高熔點金屬基基金屬間化合物金屬間化合物基基1.1.4 1.1.4 按材料作用分兩類按材料作用分兩類 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復合材料；復合材料； 功能功能復合材料。復合材料。復合材料目前狀況復合材料目前狀況（）玻璃鋼和樹脂基復合材料（）玻璃鋼和樹脂基復合材料 非常成熟非常成熟 廣泛的應用廣泛的應用 （）金屬基復合材料

10、（）金屬基復合材料 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 （）陶瓷基復合材料及功能復合材料等（）陶瓷基復合材料及功能復合材料等 尚處于研究階段尚處于研究階段 有不少科學技術(shù)問題有待解決有不少科學技術(shù)問題有待解決1.1. 復合材料發(fā)展概況復合材料發(fā)展概況復合材料復合材料發(fā)展簡史：發(fā)展簡史：學術(shù)界開始使用學術(shù)界開始使用“復合材料復合材料”（composite composite materials materials ）一詞大約是在）一詞大約是在2020世紀世紀4040年代，當時出現(xiàn)了年代，當時出現(xiàn)了玻玻璃纖維增強不飽和聚酯璃纖維增強不飽和聚酯，開辟了，開辟了現(xiàn)代復合材料現(xiàn)代

11、復合材料的新紀元。的新紀元。古代古代近代近代先進復合材料先進復合材料天然復合材料天然復合材料自然界中存在許許多多的天然復合材料。例自然界中存在許許多多的天然復合材料。例如，如，樹木樹木和和竹子竹子是是纖維素纖維素和和木質(zhì)素木質(zhì)素的復合體；的復合體；動物的骨骼動物的骨骼則由則由無機磷酸鹽無機磷酸鹽和和蛋白質(zhì)膠原蛋白質(zhì)膠原復復合而成。合而成?，F(xiàn)代復合材料現(xiàn)代復合材料的制作成功則要從的制作成功則要從19421942年，第年，第二次世界大戰(zhàn)中，二次世界大戰(zhàn)中，玻璃纖維增強聚酯樹脂玻璃纖維增強聚酯樹脂復合材復合材料被美國空軍用于制造飛機構(gòu)件開始算起。料被美國空軍用于制造飛機構(gòu)件開始算起。 仿照仿照竹子竹

12、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合材料。材料。 仿照仿照鮑魚殼鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學的研究人員利用由碳、的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學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，由此得到的層狀復合材料比其原材料堅固層狀復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)的風力發(fā)電機和的組織特點，人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風力發(fā)電機和直升飛機

13、的旋翼，外層是剛度、強度高的碳纖維復合材料，直升飛機的旋翼，外層是剛度、強度高的碳纖維復合材料，中層是玻璃纖維增強復合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料中層是玻璃纖維增強復合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。68Chapter 9 Composites第二節(jié)第二節(jié) 復合材料的基本特性、應用復合材料的基本特性、應用及其研究現(xiàn)狀及其研究現(xiàn)狀 2.2.纖維狀纖維狀顆粒狀顆粒狀層狀層狀片狀片狀填充狀填充狀前已提及：前已提及： (3)(3)電性能好電性能好復合材料具有優(yōu)良的電性能，通過復合材料具有優(yōu)良的電性能，通過選擇不同的樹脂選擇不同的樹脂基體基體、增強材料增強材料和和輔助材料輔助材料，可以將其制成，可以將其制成絕緣材料絕

14、緣材料或或?qū)щ姴牧蠈щ姴牧?。例如，玻璃纖維增強的樹脂基復合材料具有。例如，玻璃纖維增強的樹脂基復合材料具有優(yōu)良的優(yōu)良的電絕緣性能電絕緣性能，并且在高頻下仍能保持良好的，并且在高頻下仍能保持良好的介電介電性能性能，因此可作為高性能電機、電器的絕緣材料；，因此可作為高性能電機、電器的絕緣材料；(5)(5)熱性能良好熱性能良好玻璃纖維增強的聚合物基復合材料具有玻璃纖維增強的聚合物基復合材料具有較低的較低的導熱系數(shù)導熱系數(shù)，是一種優(yōu)良的絕熱材料。，是一種優(yōu)良的絕熱材料。選擇適當?shù)幕w材料和增強材料可以制成選擇適當?shù)幕w材料和增強材料可以制成耐燒耐燒蝕材料蝕材料和和熱防護材料熱防護材料，能有效地保護火箭

15、、導彈和，能有效地保護火箭、導彈和宇宙飛行器在宇宙飛行器在20002000以上承受用溫、高速氣流的沖以上承受用溫、高速氣流的沖刷作用。刷作用。比模量比模量系指在溫度為系指在溫度為232322和相對濕度為和相對濕度為50505 5的條件下測量的楊氏模量的條件下測量的楊氏模量( (單位單位:N.m:N.m-2-2) )除除以比重以比重( (單位單位:N.m:N.m-3-3) )。楊氏模量楊氏模量就是指表達物體在變形時所受的應力就是指表達物體在變形時所受的應力與應變關(guān)系的比例常數(shù)。與應變關(guān)系的比例常數(shù)。(8)(8)長期耐熱性長期耐熱性金屬基和陶瓷基復合材料能在較高的溫度下長金屬基和陶瓷基復合材料能在

16、較高的溫度下長期使用，但是聚合物基復合材料不能在高溫下長期期使用，但是聚合物基復合材料不能在高溫下長期使用，即使耐高溫的聚酰亞胺基復合材料，其長期使用，即使耐高溫的聚酰亞胺基復合材料，其長期工作溫度也只能在工作溫度也只能在300 300 左右。左右。 先進橡膠輪胎使汽車成為交通主宰先進橡膠輪胎使汽車成為交通主宰可調(diào)節(jié)的太陽鏡可調(diào)節(jié)的太陽鏡19/13020/130(1)(1)在航空、航天方面的應用在航空、航天方面的應用 由于復合材料的由于復合材料的輕質(zhì)高強輕質(zhì)高強持性，使其在航空持性，使其在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應用。在航空方面，主要用航天領(lǐng)域得到廣泛的應用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機的機冀蒙皮

17、、機身、垂尾、副翼、水平作戰(zhàn)斗機的機冀蒙皮、機身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強筋等尾冀、雷達罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強筋等主承力構(gòu)件。主承力構(gòu)件。 (3)(3)在交通運輸方面的應用在交通運輸方面的應用由復合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下由復合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的的耗油量只有鋼制汽車的1 14 4，而且在受到撞擊時復，而且在受到撞擊時復合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護人員的安全。合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護人員的安全。 44/13045/13046/13047/130(4)(4)在化學工業(yè)方面的應用在化學工業(yè)方面的應用在

18、化學工業(yè)方面，復合材料主要被用于制造防在化學工業(yè)方面，復合材料主要被用于制造防腐蝕制品。聚合物基復合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性腐蝕制品。聚合物基復合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。例如，在酸性介質(zhì)中，聚合物基復合材料的耐能。例如，在酸性介質(zhì)中，聚合物基復合材料的耐腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。國家體育館（鳥巢）國家體育館（鳥巢）國家游泳館（水立方）國家游泳館（水立方）“鳥巢鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)卸載成功鋼結(jié)構(gòu)卸載成功9月月17日日“鳥巢鳥巢”真正誕生真正誕生 29/130一、原材料的研究一、原材料的研究結(jié)構(gòu)型復合材料中關(guān)鍵的原材料是增強體。我國結(jié)構(gòu)型復合材料中關(guān)鍵的原材料是增強體。我國于于2

19、020世紀世紀5050年代末，開始研制年代末，開始研制玻璃纖維增強體玻璃纖維增強體，研，研究了各種玻璃纖維的配方，包括中堿的玻璃，無究了各種玻璃纖維的配方，包括中堿的玻璃，無堿的玻璃以及高強度的玻璃等。堿的玻璃以及高強度的玻璃等。工藝方法是以傳統(tǒng)的工藝方法是以傳統(tǒng)的坩堝法坩堝法為主，近來正發(fā)展為主，近來正發(fā)展到先進的到先進的池窯法池窯法（直接熔融法）。（直接熔融法）。二、各種基體復合材料的研究二、各種基體復合材料的研究、聚合物基復合材料、聚合物基復合材料熱固性聚合物基體熱固性聚合物基體主要為不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、酚醛主要為不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬樹脂，以及少量的耐高溫聚酰亞胺樹脂，其中的樹脂、雙馬樹脂，以及少量的耐高溫聚酰亞胺樹脂，其中的研究工作集中在合成新型樹脂，同時也對其結(jié)構(gòu)表征和固化研究工作集中在合成新型樹脂，同時也對其結(jié)構(gòu)表征和固化過程進行了研究。過程進行了研究。熱塑性聚合物基體熱塑性聚合物基體除聚丙烯外，還有常用除聚丙烯外，還有常用的工程塑料，如聚