王國榮版復合材料概論的課件_第一章_總論

1、復合材料概論復合材料概論楊天武昆明理工大學 材料學院TEL：MAIL: OFFICE：重點實驗室303教學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）參考資料 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（中國物質(zhì)出版社明（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（

2、陜西科學技術出版社任耘（陜西科學技術出版社,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(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)出版社（機械工業(yè)出版社,2004） 總論 基體 增強材料 樹脂基復合材料 金屬基復合材料 陶瓷基復合材料 C/C復合材料 主要以介紹性能、成型方法、應用復合材料概論主要內(nèi)容復合材料概論主要內(nèi)容考核方式考核方式第一章第一章 總論總論 復合材料？ 簡歷？ 復合

3、材料的那些類型？ 復合材料的特性？ 用途？61.1復合材料發(fā)展概況復合材料發(fā)展概況 國際標準化組織國際標準化組織ISO（International Organization for Standardization)復合材料（復合材料（Composite material）定義：由）定義：由兩種或兩種以上兩種或兩種以上物理、化學物理、化學性質(zhì)不同性質(zhì)不同的物質(zhì)，的物質(zhì)，組合而成的組合而成的多相固體多相固體材料。材料。連續(xù)相連續(xù)相基體基體分散相分散相增強材料增強材料各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。1.1 復合材料發(fā)展概況復合材料發(fā)

4、展概況復合思想的產(chǎn)生：單一材料無法滿足人們對結構性能的要求 自古有之 近代復合材料 現(xiàn)代復合材料 我國發(fā)展現(xiàn)狀自古有之自古有之 距今7000年前的西安半坡村遺址中曾發(fā)現(xiàn)草拌泥制成的墻壁和磚坯，其性能優(yōu)于草和泥； 4000年以前的漆器是典型的纖維增強復合材料，它是用絲、麻及其織物為增強相，以生漆做粘結劑一層一層鋪敷在底胎（模具）上，待漆干后挖去底胎成型。近代復合材料近代復合材料學術界開始使用學術界開始使用“復合材料復合材料”（composite materials ）一詞大約是在一詞大約是在20世紀世紀40年代，當時出現(xiàn)了年代，當時出現(xiàn)了玻璃纖維增玻璃纖維增強不飽和聚酯強不飽和聚酯，開辟了，開辟

5、了近代復合材料的新紀元。的新紀元。近代復合材料的發(fā)展主要從軍事上輕質(zhì)、高性能需求發(fā)展起來的。纖維增強橡膠纖維增強橡膠：輪胎是以簾子線增強橡膠復合材料；玻璃鋼玻璃鋼：1932年在美國出現(xiàn)，1940年制成了玻璃纖維增強聚酯的軍用飛機雷達罩，其后美國萊特空軍發(fā)展中心設計制造了GFRP為機身和機翼的飛機。二戰(zhàn)以后開始迅速擴展到民用材料?，F(xiàn)代復合材料現(xiàn)代復合材料 從從20世紀世紀60年代開始，開發(fā)出多種年代開始，開發(fā)出多種。 20世紀世紀80年代以后，由于人們豐富了年代以后，由于人們豐富了設計設計、制造制造和和測試測試等方面的知識和經(jīng)驗，加上各類作為復合等方面的知識和經(jīng)驗，加上各類作為復合材料基體的材料

6、的使用和改進，使材料基體的材料的使用和改進，使的發(fā)展達到了更高的水平，即進入的發(fā)展達到了更高的水平，即進入的發(fā)展階段。的發(fā)展階段。 進入20世紀70年代，GFRP比強度和比剛度還不夠理想，滿足不了對重量敏感、強度和剛度要求很高的尖端技術要求。因而開發(fā)了一批如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強材料，并以此增強高性能樹脂、金屬與陶瓷制成先進復合材料（ACM）。用于飛機、火箭、衛(wèi)星、飛船等航天飛行器。三件值得一提的成果1、美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機-里爾芳2100號，并試飛成功，這架飛機僅重567kg，它以結構小巧重量輕而稱奇于世。2、第

7、二件是采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機，這架航天飛機用碳纖維/環(huán)氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器，用硼/鋁復合材料制造主機身隔框和翼梁，用碳/碳復合材料制造發(fā)動機的噴管和喉襯，發(fā)動機組的傳力架全用硼纖維增強鈦合金復合材料制成，被覆在整個機身上的防熱瓦片是耐高溫的陶瓷基復合材料。在這架代表近代最尖端技術成果的航天收音機上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復合材料。3、是在波音-767大型客機上使用了先進復合材料作為主承力結構，這架可載80人的客運飛機使用碳纖維、有機纖維、玻璃纖維增強樹脂以及各種混雜纖維的復合材料制造了機翼前緣、壓力容器、引擎

8、罩等構件，不僅使收音機結構重量減輕，還提高了飛機的各種飛行性能。 1) 樹脂基復合材料樹脂基復合材料 是以玻璃纖維增強復合材料為代是以玻璃纖維增強復合材料為代表，在表，在20世紀世紀50-60年代以年代以“玻璃鋼玻璃鋼”的名稱廣泛的名稱廣泛應用于軍事、航天航空、兵器、船舶、化工、建應用于軍事、航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、汽車、電子電氣等行業(yè)。后來逐步形成的筑、汽車、電子電氣等行業(yè)。后來逐步形成的“玻璃鋼玻璃鋼”制造技術是樹脂基復合材料的重大技術制造技術是樹脂基復合材料的重大技術進步和歷史性變革，其產(chǎn)品質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，進步和歷史性變革，其產(chǎn)品質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，產(chǎn)品由原來在附件上應用而后來

9、逐步發(fā)展作為結產(chǎn)品由原來在附件上應用而后來逐步發(fā)展作為結構件或受力結構件得到廣泛應用。構件或受力結構件得到廣泛應用。 美國美國S994玻璃纖維拉伸強度高達玻璃纖維拉伸強度高達4650 MPa，這種高強度高模量價格低廉的復合材料在武器這種高強度高模量價格低廉的復合材料在武器裝備、工業(yè)設備、車輛中廣泛應用。國外發(fā)達裝備、工業(yè)設備、車輛中廣泛應用。國外發(fā)達國家和軍事強國也在高新技術領域、武器裝備、國家和軍事強國也在高新技術領域、武器裝備、航天航空和車輛中大量采用這類復合材料，以航天航空和車輛中大量采用這類復合材料，以減輕質(zhì)量、降低成本、增加裝置或設備的功能減輕質(zhì)量、降低成本、增加裝置或設備的功能特性

10、。是目前用量最大、技術最為成熟的低成特性。是目前用量最大、技術最為成熟的低成本復合材料之一。本復合材料之一。是以碳纖維增強復是以碳纖維增強復合材料為代表。它以卓越的比強度合材料為代表。它以卓越的比強度（12.8MPa）、比模量（）、比模量（12.8GPa）凌駕于當）凌駕于當時各種材料之首。由碳纖維增強的聚酰亞胺時各種材料之首。由碳纖維增強的聚酰亞胺具有在具有在300 以上長期使用、低溫脆化以上長期使用、低溫脆化(溫度溫度)點達點達-196的優(yōu)異性能，因此獲得了各國工的優(yōu)異性能，因此獲得了各國工業(yè)部門和軍方的高度重視，在工業(yè)領域、空業(yè)部門和軍方的高度重視，在工業(yè)領域、空間技術、航天航空、地面武器

11、裝備中被廣泛間技術、航天航空、地面武器裝備中被廣泛使用。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴大，成本的使用。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴大，成本的降低，在普通工業(yè)和常規(guī)兵器上的應用將獲降低，在普通工業(yè)和常規(guī)兵器上的應用將獲得新的突破。得新的突破。是有機纖維增強是有機纖維增強復合材料，以美國杜邦公司的復合材料，以美國杜邦公司的Kevlar(芳綸芳綸)纖維復合材料為代表。這種熱熔性液晶聚纖維復合材料為代表。這種熱熔性液晶聚合物纖維比強度優(yōu)越，彈性模量是玻纖的合物纖維比強度優(yōu)越，彈性模量是玻纖的2倍，價格只有碳纖維的倍，價格只有碳纖維的13。加上其突出。加上其突出的韌性和回彈性是其他纖維所不具備的。的韌性和回彈性是其他

12、纖維所不具備的。故而問世不久就被各國工業(yè)部門和軍方采故而問世不久就被各國工業(yè)部門和軍方采用。是目前最有發(fā)展前途的增強材料之一。用。是目前最有發(fā)展前途的增強材料之一。是是20世紀世紀80年代末美國年代末美國Allied公司商品化的一種公司商品化的一種Spectra-900和和1000為代表的超高強度，為代表的超高強度，超高模量的高拉伸聚乙烯纖維超高模量的高拉伸聚乙烯纖維。相繼荷蘭。相繼荷蘭DSM研究所和日本東研究所和日本東洋紡織公司聯(lián)合開發(fā)了洋紡織公司聯(lián)合開發(fā)了Dyneema高拉伸聚乙烯纖維，并用其制造高拉伸聚乙烯纖維，并用其制造出環(huán)氧基復合材料，其拉伸強度達出環(huán)氧基復合材料，其拉伸強度達3.5

13、GPa、模量達、模量達125GPa、比、比強度比鋼大強度比鋼大10倍、比碳纖維大倍、比碳纖維大4倍、比芳纖大倍、比芳纖大50，20世紀世紀90年年代可稱為世界上強度最大的纖維，而且其密度最小代可稱為世界上強度最大的纖維，而且其密度最小(0.92kgm3)。 具有可透射雷達波、介電性極佳、結構強度高等特點，經(jīng)具有可透射雷達波、介電性極佳、結構強度高等特點，經(jīng)V50彈彈道實驗表明該纖維屬道實驗表明該纖維屬20世紀世紀90年代抗彈性最好的彈道材料，故而年代抗彈性最好的彈道材料，故而在兵器上獲得了較為廣泛的應用，特別是裝甲防護領域更是這種在兵器上獲得了較為廣泛的應用，特別是裝甲防護領域更是這種復合材料

14、發(fā)揮作用的一展身手的領域；另外，可作為超輕質(zhì)復合復合材料發(fā)揮作用的一展身手的領域；另外，可作為超輕質(zhì)復合結構材料和超輕質(zhì)功能結構材料加以應用。結構材料和超輕質(zhì)功能結構材料加以應用。 目前，這四代樹脂基復合材料已形成四代共用局面。其材料技目前，這四代樹脂基復合材料已形成四代共用局面。其材料技術和應用研究也逐步深入，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，品種增多，為工術和應用研究也逐步深入，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，品種增多，為工程設計和新產(chǎn)品設計與研制提供了更為廣泛的選材余地。程設計和新產(chǎn)品設計與研制提供了更為廣泛的選材余地。第五代為第五代為PBO纖維增纖維增強復合材料強復合材料(商品名為柴隆商品名為柴隆Zylon)。美國

15、道化學公司和日本東洋。美國道化學公司和日本東洋紡織公司合作研制成功的聚苯并雙曙唑紡織公司合作研制成功的聚苯并雙曙唑(PBO)纖維及其復合材纖維及其復合材料被稱為料被稱為21世紀超級纖維復合材料。該纖維無熔點，高溫下不世紀超級纖維復合材料。該纖維無熔點，高溫下不熔融，在空氣中的熱分解溫度高達熔融，在空氣中的熱分解溫度高達650 ，比對位芳酰胺纖維，比對位芳酰胺纖維高高100 左右。極限氧指數(shù)為左右。極限氧指數(shù)為68，在有機纖維中，小于，在有機纖維中，小于PTFE纖纖維維(95)，而高于聚苯并瞇唑，而高于聚苯并瞇唑(PBl)纖維纖維(41)。 該纖維在與火焰接觸后不收縮，移去火焰后基本無殘焰，布料

16、該纖維在與火焰接觸后不收縮，移去火焰后基本無殘焰，布料質(zhì)地柔軟。其密度為質(zhì)地柔軟。其密度為1.54-1.56gcm3，拉伸強度為，拉伸強度為5.8GPa，拉，拉伸模量為伸模量為280GPa，斷裂伸長率為，斷裂伸長率為3.5?？芍瞥啥糖欣w維、織?？芍瞥啥糖欣w維、織物、氈等，與樹脂浸漬性亦佳，加工性能良好。是目前唯一將物、氈等，與樹脂浸漬性亦佳，加工性能良好。是目前唯一將優(yōu)越的力學性能、卓越的耐高溫性能和優(yōu)良的加工性能結合在優(yōu)越的力學性能、卓越的耐高溫性能和優(yōu)良的加工性能結合在一起的有機纖維。一起的有機纖維。1994年，日本東洋紡公司開始批量生產(chǎn)，是年，日本東洋紡公司開始批量生產(chǎn)，是21世紀集耐高

17、溫和力學特性為一身的超高性能復合材料。也是世紀集耐高溫和力學特性為一身的超高性能復合材料。也是一代更新?lián)Q代的材料品種。一代更新?lián)Q代的材料品種。2) C/C復合材料復合材料 20世紀世紀50年代以來，碳纖維技術的出現(xiàn)，年代以來，碳纖維技術的出現(xiàn)，為將石墨材料發(fā)展成為一種真正實用的結為將石墨材料發(fā)展成為一種真正實用的結構材料提供了條件。構材料提供了條件。20世紀世紀60年代，在美年代，在美國空軍材料實驗室支持下，一種新的材料國空軍材料實驗室支持下，一種新的材料C/C復合材料試制成功。它具有優(yōu)異的比強復合材料試制成功。它具有優(yōu)異的比強度和比彈性模量。今天度和比彈性模量。今天C/C復合材料已廣泛復合材

18、料已廣泛應用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)的各個領域。應用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)的各個領域。 C/C復合材料的真正實用化得益于多向編復合材料的真正實用化得益于多向編織技術的出現(xiàn)和發(fā)展?？椉夹g的出現(xiàn)和發(fā)展。20世紀世紀60年代末期年代末期出現(xiàn)了用于樹脂基和碳基復合材料制造的出現(xiàn)了用于樹脂基和碳基復合材料制造的編織技術，并成功地完成了圓輪、空心圓編織技術，并成功地完成了圓輪、空心圓柱、平錐體結構的編織，此后，通過正確柱、平錐體結構的編織，此后，通過正確選取和設計增強織物以滿足復雜結構的需選取和設計增強織物以滿足復雜結構的需要成為可能。今天要成為可能。今天C/C復合材料增強體可以復合材料增強體可以有二向、三向、

19、五向、七向、十一向等多有二向、三向、五向、七向、十一向等多種形式。特別是種形式。特別是20世紀世紀80年代，多維整體年代，多維整體編織技術的出現(xiàn)使得極大地發(fā)揮編織技術的出現(xiàn)使得極大地發(fā)揮C/C復合材復合材料潛力成為可能。料潛力成為可能。 C/C復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，迄今為止是用于復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，迄今為止是用于宇航工業(yè)、熱結構和固體火箭發(fā)動機噴管的最理想的宇航工業(yè)、熱結構和固體火箭發(fā)動機噴管的最理想的燒蝕結構材料，但其過長的工藝周期、過高的制造成燒蝕結構材料，但其過長的工藝周期、過高的制造成本在一定程度上限制了它的應用。本在一定程度上限制了它的應用。 C/C復合材料的改性方向主

20、要圍繞著提高性能和降低復合材料的改性方向主要圍繞著提高性能和降低成本而展開。在提高性能方面成本而展開。在提高性能方面,近年來提出的一項重要近年來提出的一項重要途徑是應用難熔碳化物涂層來提高途徑是應用難熔碳化物涂層來提高C/C復合材料的抗復合材料的抗氧化能力、降低燒蝕率、承受更高的燃氣溫度或更長氧化能力、降低燒蝕率、承受更高的燃氣溫度或更長的工作時間。所用的難熔碳化物有碳化硅的工作時間。所用的難熔碳化物有碳化硅(SiC)、碳化、碳化鉿鉿(HfC)、碳化鉭、碳化鉭(TaC)、碳化鈮、碳化鈮(NbC)、碳化鋯、碳化鋯(ZrC)等，美、俄、法等國家均已開展這方面的研究并已取等，美、俄、法等國家均已開展

21、這方面的研究并已取得階段性的成果，涂覆工藝多用化學氣相沉積得階段性的成果，涂覆工藝多用化學氣相沉積(CVD或或CVl)和化學氣相反應和化學氣相反應(CVR). 在降低成本方面，除編織技術外，更重要在降低成本方面，除編織技術外，更重要的是致密工藝的改進，目前已著手研究的的是致密工藝的改進，目前已著手研究的有強制熱梯度有強制熱梯度CVI工藝、快速致密工藝、等工藝、快速致密工藝、等離子氣相沉積工藝、使用新型高殘?zhí)悸是半x子氣相沉積工藝、使用新型高殘?zhí)悸是膀岓w驅體(如如PAA)及采用智能工藝控制系統(tǒng)來提及采用智能工藝控制系統(tǒng)來提高工藝質(zhì)量等。從目前的研究結果來看，高工藝質(zhì)量等。從目前的研究結果來看，使用

22、強制熱梯度使用強制熱梯度CVI工藝比均熱法可提高效工藝比均熱法可提高效率率10-30倍，而采用智能工藝控制系統(tǒng)可使倍，而采用智能工藝控制系統(tǒng)可使預制件的工藝時間縮短預制件的工藝時間縮短11、成本降低、成本降低15-20。26 3) 陶瓷基和金屬基復合材料陶瓷基和金屬基復合材料 尚處于研究階段，還未進入批量生產(chǎn)和實際應用。具有優(yōu)異的尚處于研究階段，還未進入批量生產(chǎn)和實際應用。具有優(yōu)異的高溫強度，目前是可用其制作摩擦結構材料、固體發(fā)動機噴管高溫強度，目前是可用其制作摩擦結構材料、固體發(fā)動機噴管和燃燒室殼體之間的熱結構連接件的理想材料，此外，還可用和燃燒室殼體之間的熱結構連接件的理想材料，此外，還可

23、用作出口錐和延伸錐的一些部件作出口錐和延伸錐的一些部件(如噴管背壁防熱絕熱系統(tǒng)等如噴管背壁防熱絕熱系統(tǒng)等)。陶瓷基復合材料作為固體發(fā)動機的熱結構連接件，已進行過發(fā)陶瓷基復合材料作為固體發(fā)動機的熱結構連接件，已進行過發(fā)動機地面熱試車。動機地面熱試車。 眾多陶瓷材料中，以氮化硅系高溫熱結構陶瓷復合材料最引人眾多陶瓷材料中，以氮化硅系高溫熱結構陶瓷復合材料最引人注目。其綜合性能較突出，具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱震、硬注目。其綜合性能較突出，具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱震、硬度高、韌性好、熱脹系數(shù)小、密度較低等特點，非常適于制作度高、韌性好、熱脹系數(shù)小、密度較低等特點，非常適于制作高溫承力部件。目前，先進國

24、家已把氮化硅系陶瓷材料作為熱高溫承力部件。目前，先進國家已把氮化硅系陶瓷材料作為熱結構的首選陶瓷材料進行廣泛、重點的研究與開發(fā)。結構的首選陶瓷材料進行廣泛、重點的研究與開發(fā)。Si3N4系系陶瓷材料在軍用和民用領域均有十分廣闊的應用前景。陶瓷材料在軍用和民用領域均有十分廣闊的應用前景。復合材料在中國復合材料在中國 始于軍品開發(fā)，1958年研制出玻璃鋼快艇、手提火箭發(fā)射管 60年代研制成用于遠程火箭的GF-酚醛樹脂燒蝕防熱彈頭、 GFRP直升機螺旋槳 1970年制造出直徑44米的GFRP雷達罩 70年代以后GFRP逐漸轉入民用，如冷卻塔、化學儲罐、水箱、汽車部件、運動器材等 目前研發(fā)FRTP、MM

25、C和CMC復合材料的組成復合材料的組成1.2 復合材料的命名和分類復合材料的命名和分類 1）按材料作用分類 2）按增強材料形狀分類3) 按基體材料分類 按材料作用分類按材料作用分類按增強材料形狀分類按增強材料形狀分類按基體材料分類按基體材料分類1.3 復合材料的基本性能復合材料的基本性能 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1.3 復合材料的基本性能復合材料的基本性能 復合材料能構保持原組分材料的部分特性和優(yōu)點的同時取長補短，從而可獲得比單一組分材料更為優(yōu)異的性能。 復合材料主要特性 1）多

26、性能性 2）性能可設計性 3）可制任意形狀 性能的可設計性是復合材料最大特點。 性能可設計性性能可設計性復合材料最顯著的特性是其性能（主要指力學性能、物理性能和工藝性能）在一定范圍內(nèi)具有可設計性。選擇基體、增強體的類型及其含量；選擇基體、增強體的類型及其含量；增強體在基體中的排列方式；增強體在基體中的排列方式；基體與增強體之間的界面性能?；w與增強體之間的界面性能。來獲得常規(guī)材料難以提供的某一性能或綜合性能 。例如：FRP 372、可設計性好、可設計性好 復合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的根本特點之一復合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的根本特點之一設計人員可根據(jù)所需制品對力學及其它性能的要設計人員可根據(jù)所需制品對力

27、學及其它性能的要求，對結構設計的同時對材料本身進行設計。求，對結構設計的同時對材料本身進行設計。具體體現(xiàn)在兩個方面具體體現(xiàn)在兩個方面力學設計力學設計給制品一定的給制品一定的強度和剛度強度和剛度功能設計功能設計給給制品除力學性能制品除力學性能外的其他性能外的其他性能力學性能力學性能與傳統(tǒng)材料相比，復合材料一般具有優(yōu)異與傳統(tǒng)材料相比，復合材料一般具有優(yōu)異的力學性能，主要表現(xiàn)在的力學性能，主要表現(xiàn)在比強度、比模量高；比強度、比模量高；耐磨性好（耐磨性好（MMCMMC、C/CC/C復合材料）；復合材料）；抗疲勞性能好，通常金屬材料的疲勞強度抗疲勞性能好，通常金屬材料的疲勞強度極限極限/ /拉伸強度拉伸

28、強度=30-50%=30-50%，而，而CFRPCFRP的疲勞強度的疲勞強度極限極限/ /拉伸強度拉伸強度=70-80%=70-80%；抗沖擊能力強（如：抗沖擊能力強（如：RMCRMC）；）；高溫性能好（如：高溫性能好（如：MMCMMC、C/CC/C復合材料）復合材料） 表表1-1 傳統(tǒng)金屬材料與復合材料性能比較傳統(tǒng)金屬材料與復合材料性能比較材料密度g/cm3抗拉強度 MPa拉伸模量 GPa比強度 *1e6/cm比模量*1e8/cm膨脹系數(shù)*1e-6/KC/環(huán)氧1.6180012811.380.2芳綸/環(huán)氧1.415008010.75.71.8B/環(huán)氧2.116002207.610.54.0碳

29、化硅/環(huán)氧2.015001307.56.52.6石墨纖維/鋁2.28002313.610.52.0鋼7.814002101.42.712鋁合金2.8500771.72.823鈦合金4.510001102.22.49.0物理性能物理性能 密度小密度?。罕葟姸?、比模量高； 低膨脹系數(shù)小低膨脹系數(shù)?。簾岱€(wěn)定性好,（如CFRP、KFRP可設計成零膨脹結構）； 導電、導熱性導電、導熱性：導電和超導材料、散熱結構； 抗沖刷、耐燒蝕抗沖刷、耐燒蝕：CMC、C/C復合材料； 阻尼性能：阻尼性能：受力結構的自振頻率除與形狀有關外，還同結構材料的比模量平方根成正比。減振結構材料（CFRP）、隱身材料；工藝特性工藝

30、特性不同復合材料成型及加工工藝差別很大，但各類復合材料相對于其所用的基體材料而言，成型與加工工藝并不復雜，有時很簡單。如：RMC、MMC、CMC可整體成型，可大大減少結構中的裝配零件數(shù)量，提高構件的質(zhì)量和使用可靠性；短纖維或顆粒增強MMC，可采用傳統(tǒng)的金屬工藝進行制備和二次加工。影響復合材料性能的主要因素影響復合材料性能的主要因素 增強材料的性能； 基體材料的性能； 含量及其分布狀況； 界面結合情況； 作為產(chǎn)品還與成型工藝和結構設計。1.6 復合材料的應用復合材料的應用目前復合材料已大量應用在航空航天、國防、建筑、化工、能源、體育等國民經(jīng)濟經(jīng)濟各領域。 1.6.1 航空航天領域中的應用航空航天

31、領域中的應用 復合材料的高比強度、高比模量、良好的抗疲勞損傷、獨特的可設計性，可使飛行器顯著提高結構效率和壽命，減輕重量，改善氣動力性能，同時在隱身、智能、結構綜合等方面顯示巨大的潛力。 剛發(fā)明飛機時剛發(fā)明飛機時, ,是用是用木質(zhì)和布料木質(zhì)和布料制造飛機的。制造飛機的。隨著飛行速度的不斷增快隨著飛行速度的不斷增快, ,木布結構已無法木布結構已無法承受顯著增大的載荷承受顯著增大的載荷, ,因而很快進入了因而很快進入了金屬金屬結構時代結構時代, ,前期以前期以鋁合金和鋼鋁合金和鋼為主為主, ,后期由后期由于于鈦合金鈦合金的興起而形成鋁合金、鈦合金和的興起而形成鋁合金、鈦合金和鋼三分天下的局面。鋼三

32、分天下的局面。“比強度比強度”高于上述高于上述金屬材料的纖維增強樹脂基復合材料問世金屬材料的纖維增強樹脂基復合材料問世后后, ,飛機開始進入了飛機開始進入了金屬金屬/ /復合材料復合材料混合結混合結構的時代。構的時代。 噴氣式飛機出現(xiàn)后噴氣式飛機出現(xiàn)后, ,飛機材料主要采用鋁合金飛機材料主要采用鋁合金, ,但但現(xiàn)在這種趨勢發(fā)生了變化?，F(xiàn)在這種趨勢發(fā)生了變化。鋁合金鋁合金在早期戰(zhàn)斗機在早期戰(zhàn)斗機上確實占有相當大的份額上確實占有相當大的份額, ,一般在一般在70%70%以上以上, ,其次其次是是鋼鋼, ,約占約占20%20%。不過鋁合金和鋼在先進戰(zhàn)斗機上。不過鋁合金和鋼在先進戰(zhàn)斗機上的用量已經(jīng)逐漸

33、縮小的用量已經(jīng)逐漸縮小, ,而而鈦合金鈦合金和和樹脂基復合材樹脂基復合材料料的用量則不斷爬升的用量則不斷爬升, , 美國美國F-22F-22飛機飛機, ,鈦合金的鈦合金的用量已躍居首位用量已躍居首位(41%),(41%),樹脂基復合材料的用量樹脂基復合材料的用量24%,24%,而鋁合金和鋼的用量卻分別降至第三位而鋁合金和鋼的用量卻分別降至第三位(16%)(16%)和第四位和第四位(5%).(5%).再如美國研制的再如美國研制的JSFJSF飛機飛機, ,波音公波音公司的司的X X3232方案，洛克希德方案，洛克希德馬丁公司的馬丁公司的X X3535方方案都將大量地采用鈦合金。案都將大量地采用鈦合

34、金。X X3535的復合材料計的復合材料計劃用量大致與劃用量大致與F F2222相當相當, ,而而X X3232上復合材料的上復合材料的計劃用量竟高達計劃用量竟高達40%40%左右。左右。洛克希德洛克希德馬丁公司聯(lián)合了諾斯羅普馬丁公司聯(lián)合了諾斯羅普格魯格魯門公司和英國宇航公司，研制門公司和英國宇航公司，研制X-35。 鋁合金和鋼在飛機上的用量會逐漸減少鋁合金和鋼在飛機上的用量會逐漸減少, ,而鈦合金而鈦合金和復合材料的優(yōu)良性能恰恰適應了先進飛機發(fā)展和復合材料的優(yōu)良性能恰恰適應了先進飛機發(fā)展的客觀需要。鈦合金的強度和使用溫度上限與鋼的客觀需要。鈦合金的強度和使用溫度上限與鋼相近相近, ,密度卻只

35、有鋼的密度卻只有鋼的57%57%左右左右, ,減重效果顯而易見。減重效果顯而易見。鋁合金的密度雖小鋁合金的密度雖小, ,但由于強度顯著低于鈦合金但由于強度顯著低于鈦合金, ,其其“比強度比強度”仍不及鈦合金仍不及鈦合金, ,尤其當零部件工作溫尤其當零部件工作溫度較高時度較高時, ,使用溫度上限較低的鋁合金更不得不讓使用溫度上限較低的鋁合金更不得不讓位給鈦合金。位給鈦合金。 當零部件的工作溫度較低時當零部件的工作溫度較低時, ,鋁合金又遇到了比鈦鋁合金又遇到了比鈦合金更強勁的競爭對手合金更強勁的競爭對手復合材料復合材料, , 被被“比強度比強度”更優(yōu)越的復合材料所更優(yōu)越的復合材料所“侵占侵占”。

36、當然，鋁合金和。當然，鋁合金和鋼的成本要比鈦合金和復合材料低得多鋼的成本要比鈦合金和復合材料低得多, ,只要能滿只要能滿足飛機性能指標足飛機性能指標, , 還會盡量選用鋁合金和鋼。還會盡量選用鋁合金和鋼。 國外軍用飛機上應用情況 續(xù)表 國外民用飛機上復合材料的應用 波音波音767用復合材料用復合材料 某飛機垂尾使用復合材料減輕的重量某飛機垂尾使用復合材料減輕的重量美國90年就計劃到20世紀末在先進作戰(zhàn)飛機上復合材料的用量將占結構總重量的26%65%。每架飛機平均使用2.4-4.5t，年增長率8%-20%，到2000年先進復合材料在飛機上的用量超過3萬t. 直升飛機上應用金屬槳葉的壽命一般不超過

37、3000h，而復合材料槳葉的壽命可達10000h以上。1987年第一架全復合材料飛機波音公司的360直升機，被稱為直升機技術的第二次革命。 航天器結構對材料的要求 發(fā)射時，航天器受到很大的加速度過載和強烈的振動，要求材料有足夠的強度；為了避免航天器和發(fā)射系統(tǒng)共振，要求結構有足夠的剛度；在軌運行中航天器處于高低溫交變環(huán)境中，某些部件（如衛(wèi)星拋物線天線等）尺寸精度要求很高，必須有盡可能小的熱膨脹系數(shù)； 高真空及粒子、紫外輻射下具有足夠的穩(wěn)定性；返回式航天器結構，還要求防熱、耐熱。 應用例 衛(wèi)星天線：用石墨/環(huán)氧復合材料天線支撐桁架比鋁合金減重50%，可設計成零膨脹系數(shù)結構； 太陽電池帆板：要求高比模量、低熱變形，采用碳/環(huán)氧材料； 空間平臺材料：石墨/鋁； 熱結構材料：C/C、C/SiC、SiC/SiC； 隔熱材料：SiC/SiO2防熱瓦使用溫度高達1260 ，用于哥倫比亞和挑戰(zhàn)者，各用了31000塊； 低密度燒蝕材料、對流冷卻結構、熱管結構等 哥倫比亞航天飛機所用復合材料哥倫比亞航天飛機所用復合材料導彈 燒蝕材料 復合材料殼體 噴管材料：CMC、C/C 固體火箭發(fā)動機的全復合材料化：美國飛馬座火箭的三級固體火箭發(fā)動機采用的復合材料已占其構件質(zhì)量的94%，大富大降低了結構重量。燒蝕材料 導彈運行環(huán)境：飛行速度20馬赫、彈頭錐體表面溫度3500左右。 早期的宇