復(fù)合材料分類和概論

1、1復(fù)合材料分類和概論2A.土磚房子3B. 鋼筋水泥房子史上最牛的釘子戶4 我們住在復(fù)合材料里5C. 燕子窩：泥土-草復(fù)合材料6樹木也是一種復(fù)合材料木質(zhì)素纖維素D. 自然界的復(fù)合材料竹、木、骨、貝殼、象牙和龜殼 7復(fù)合概念a+ba+b+ca+b+c+復(fù)合材料：由兩種以上在物理和化學(xué)性質(zhì)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料 8 這么簡單的組合，通過簡單的共混得到，能有科學(xué)與技術(shù)的含量嗎？ 貝殼被稱為摔不壞的陶瓷，達(dá)到了強(qiáng)、韌的最佳配合，是純文石的3000倍。9小到生活應(yīng)用 旅行箱、洗臉盆、水管、電插板航空航天 哥倫比亞號航天飛機(jī)的失事10世界上最輕的自行車 整車重量僅有公斤 11 海鰻的發(fā)

2、電器瞬間可以發(fā)出800 伏的電壓，足以電死一頭大象，但是它的發(fā)電器不是金屬等導(dǎo)電器材，而是蛋白質(zhì)的分子集合體。仿生復(fù)合材料12一般材料的強(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，它又被稱為摔不壞的陶瓷 與其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 貝殼中：珍珠層的疊層結(jié)構(gòu)是其高斷裂韌性的根源。研究表明珍珠層是由高強(qiáng)、硬度的紋石片疊層累積組成，但紋石片間存在韌性非常好的有機(jī)質(zhì)層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1%. 13復(fù)合材料的使用目的： 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 功能復(fù)合材料性能應(yīng)用組成與微結(jié)構(gòu) 以其力學(xué)性能如強(qiáng)度、剛度、形變等特性為工程所應(yīng)用，主要用于結(jié)構(gòu)承力或維持結(jié)構(gòu)外形。

3、以其聲、光、電、熱、磁等物理特性為工程所應(yīng)用，用于如絕熱、透波、耐腐蝕、耐磨、減振或熱變形等熱、聲、光、電、磁的功能要求。14什么是材料？對材料的認(rèn)知？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)？15參考書目 復(fù)合材料學(xué)周祖福 主編 出 版 社：武漢理工大學(xué)出版社 先進(jìn)復(fù)合材料魯云 主編 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)李順林 王興業(yè)主編 出版社：武漢工業(yè)大學(xué)出版社 16學(xué)習(xí)目的了解復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系了解復(fù)合材料中基體和增強(qiáng)相的種類、特點(diǎn)和要求理解復(fù)合材料的復(fù)合原理，包括混合法則、增韌機(jī)制和界面作用了解常用的復(fù)合材料的組成、制備、結(jié)構(gòu)等17如何學(xué)習(xí)這門課程？講授

4、和自學(xué)兩種方式考核方式 (1) 期末閉卷考試（60%） (2) 自學(xué)寫一篇有關(guān)“復(fù)合材料”的小綜述、學(xué)習(xí)心得、讀書報告或自己想設(shè)計(jì)一種什么樣的復(fù)合材料；“五一”黃金周之后上交（30%）。 (3)考勤（10%）18一、復(fù)合材料的定義國際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)性質(zhì)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料 材料大詞典 ：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)聚合物材料或無機(jī)非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從而制成的一類新型材料。19定義： 由兩種或兩種以上，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。 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

5、備的性能?？梢酝ㄟ^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)，從而獲得更優(yōu)秀的性能。20復(fù)合材料21天然木材 - 纖維素纖維 + 木質(zhì)素鋼筋混凝土- 砂、石、鋼筋 + 水泥玻璃鋼 - 玻璃纖維 + 熱固性樹脂 C/C復(fù)合材料 - 石墨碳纖維 + 熱解碳或樹脂碳 （耐燒蝕）經(jīng)常使用的復(fù)合材料22復(fù)合材料的組成相：增強(qiáng)相 - 纖維、晶須、顆粒。（不連續(xù)相） 基體相 - 金屬、陶瓷、聚合物。（連續(xù)相）23增強(qiáng)相：一般具有很高的力學(xué)性能（強(qiáng)度、彈性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受載荷或顯示功能?；w相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐熱性等。主要作用是將增強(qiáng)相固結(jié)成一個整體，起傳遞和均衡應(yīng)力

6、的作用。24Schematic illustration of composite constituents25二、復(fù)合材料種類三大材料：金屬無機(jī)非金屬有機(jī)高分子復(fù)合材料取長補(bǔ)短協(xié)同作用產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料復(fù)合材料26三、復(fù)合材料的特點(diǎn) 1） 復(fù)合材料是由兩種或兩種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，組元之間存在著明顯的界面；2） 復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；3）復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。可以根據(jù)使用條件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種

7、特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。 27現(xiàn)代社會信息生命材料社會28四、材料的發(fā)展世界是由物質(zhì)組成的 吃穿住行生產(chǎn)與生活資料“只要知道物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，人類在現(xiàn)在或未來能合成所有的東西?！?9人造肉類30材料是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)鋼鐵時代高分子時代多種材料并存的時代生產(chǎn)力獲得了極大地解放，推動著人類社會的進(jìn)步！舊石器時代新時期時代青銅時代鐵器時代3120世紀(jì)60年代以來，材料種類得到拓展，性能上得到極大的擴(kuò)展與深度挖掘：光、聲、磁、力、超導(dǎo)、高塑、超強(qiáng)、超硬、耐高溫等功能化 復(fù)合化 智能化 生態(tài)化高分子的發(fā)展德國化學(xué)家H. Staudiger, 20世紀(jì)30年代提出大分子概念Ziegler

8、和Natta的定向聚合理論的誕生促進(jìn)PP、PECarothers的縮合聚合理論，尼龍面世32五、復(fù)合材料歷史古代近代先進(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 動物骨骼： 無機(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。33現(xiàn)代 20世紀(jì)40年代初，美國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，玻纖增強(qiáng)塑料（我國俗稱玻璃鋼）廣泛用于航空、造船、汽車、化工、電器等國防和國民經(jīng)濟(jì)各部門。 我國先進(jìn)復(fù)

9、合材料的應(yīng)用和研究是從20世紀(jì)60年代末期開始的。34近現(xiàn)代：第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料第二代：1960年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料 1965年英國科學(xué)家研制出碳纖維 1971年美國杜邦公司開發(fā)出開芙拉-49 1975年先進(jìn)復(fù)合材料“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” 用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，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。第四代：1990年以后，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。35(1) 強(qiáng)調(diào)基體 即強(qiáng)調(diào)了基體材料的種類和特征命名(2) 強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體 即強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)材料的種類和性

10、質(zhì)酚醛樹脂基復(fù)合材料、鋁合金基復(fù)合材料等碳纖維復(fù)合材料、金屬纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等六、復(fù)合材料的分類36金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料高聚物基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料熱固性樹脂基復(fù)合材料熱塑性樹脂基復(fù)合材料六、復(fù)合材料的分類 （1）37顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合材料連續(xù)纖維復(fù)合材料不連續(xù)纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)復(fù)合材料顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料彌散強(qiáng)化復(fù)合材料多向編織復(fù)合材料短切纖維復(fù)合材料晶須復(fù)合材料 顆粒直徑范圍150m，顆粒體積含量2570%，增強(qiáng)顆粒之間的距離一般大于1m。顆粒的作用：由于顆粒本身的剛硬阻止基體變形而起到增強(qiáng)作用。

11、顆粒直徑范圍0.010.1 m，顆粒體積含量115。顆粒的作用：阻止基體材料的位錯運(yùn)動而起到增強(qiáng)作用。由無緯布或纖維織物鋪疊而成由纖維粗紗纏繞或纖維織物帶按一定纏繞規(guī)律卷繞而成由纖維在三維多方向編織而成六、復(fù)合材料的分類 （2）38Classes of composites39纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類 玻璃纖維復(fù)合材料； 碳纖維復(fù)合材料； 有機(jī)纖維（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； 金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料； 陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）復(fù)合材料?；祀s復(fù)合材料：兩種或兩種以上增強(qiáng)體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

12、相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。40按基體材料分類 聚合物基復(fù)合材料:以有機(jī)聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體； 金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體； 無機(jī)非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體。41按材料作用分類 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件； 功能復(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）。同質(zhì)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料）異質(zhì)復(fù)合材料（復(fù)合材料多屬此類）。42復(fù)合材料系統(tǒng)組合分散相連續(xù)相金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料金屬纖維纖維/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

13、/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料金屬片材金屬/塑料板無機(jī)非金屬材料陶瓷纖維纖維/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)高分子材料有機(jī)纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料塑料金屬/塑料橡膠43 各種材料的發(fā)展?fàn)顩r玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料 非常成熟 廣泛的應(yīng)用 金屬基復(fù)合材料 開發(fā)階段 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 尚處于研究階段 有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決44復(fù)合材料的設(shè)計(jì)從常

14、規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)發(fā)展仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn)，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)合材料。仿照鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了10微米厚的薄層，由此得到的層狀復(fù)合材料比其原材料堅(jiān)固40。仿照骨骼的組織特點(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，中層是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。45性能：取決于基體相、增強(qiáng)相種類及數(shù)量，其次是它們的結(jié)合界面、成型工藝等。1、主要取決于增強(qiáng)相的性能 .比強(qiáng)度、比剛度高 .沖擊韌性和斷裂韌性高 .耐疲勞性好 .減震性 .熱膨脹

15、系數(shù)小 復(fù)合材料的性能比較裂紋擴(kuò)展示意圖46材料密度g/cm3抗拉強(qiáng)度103MPa彈性模量105MPa比強(qiáng)度比模量鋼7.81.032.10.130.27鋁合金2.80.470.750.170.26鈦合金4.50.961.140.210.25玻璃鋼2.01.060.40.530.20碳纖維/環(huán)氧1.451.501.41.030.97有機(jī)纖維/環(huán)氧1.41.40.81.00.57硼纖維/環(huán)氧2.11.382.10.661.0硼纖維/鋁2.651.02.00.380.57各種材料的比強(qiáng)度和比模量47、硬度 陶瓷基 金屬基 樹脂基、耐熱性 樹脂基: 60 250 金屬基: 400 600 陶瓷基: 1

16、000 1500、耐自然老化 陶瓷基 金屬基 樹脂基2、取決于基體相的性能48、導(dǎo)熱導(dǎo)電性 金屬基 陶瓷基 樹脂基、耐蝕性 陶瓷基和樹脂基 金屬基、工藝性及生產(chǎn)成本 陶瓷基 金屬基 樹脂基 49 粒子增強(qiáng)復(fù)合材料粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯運(yùn)動(金屬基體)和分子鏈運(yùn)動(聚合物基體)。這種復(fù)合材料是各向同性的。 衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件復(fù)合材料介紹50聚合物基粒子復(fù)合材料如酚醛樹脂中摻入木粉的電木、碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料的鈣塑材料。陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。 粒子增強(qiáng)SiC陶瓷基復(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51金屬

17、基粒子復(fù)合材料又稱金屬陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等組成的非均質(zhì)材料。碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應(yīng)用，稱作硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常以Co、Ni作為粘結(jié)劑，WC、TiC等作為強(qiáng)化相。 硬質(zhì)合金組織(Co+WC)硬質(zhì)合金銑刀52硬質(zhì)合金主要有鎢鈷(YG)和鎢鈷鈦(YT)兩類。硬質(zhì)合金硬度極高，且熱硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在刀體上使用。硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金軸承刀具53層狀復(fù)合材料是指在基體中含有多重層片狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物的復(fù)合材料。這種材料是各向異性的(層內(nèi)兩維同性)。如碳化硼片增強(qiáng)鈦、膠合板等。層狀陶瓷復(fù)合材料斷口形貌三明治復(fù)合54雙金屬、表面涂層等

18、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，分別用于飛機(jī)制造、運(yùn)輸及包裝等。 有TiN涂層的高爾夫球頭鋁合金蜂窩夾層板層狀復(fù)合55 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提高，比強(qiáng)度也高得多。材料種類縱向抗拉強(qiáng)度 MPa縱向彈性模量 GPa環(huán)氧樹脂696.9環(huán)氧樹脂 / E級玻璃纖維102045環(huán)氧樹脂 / 碳纖維（高彈性）1240145環(huán)氧樹脂 / 芳綸纖維（49）138076環(huán)氧樹脂 / 硼纖維（70 % Vf ）1400-2100210-28056聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件芳綸剎車片高溫構(gòu)件碳纖維增強(qiáng)聚酰亞

19、胺復(fù)合材料制航空發(fā)動機(jī)57復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用 美國F/A-18殲擊機(jī)美UH60A型直升飛機(jī)58 飛機(jī)飛的更高更遠(yuǎn)更快： 目前，用金屬制成的飛機(jī)最高時速大約為3000km，最高飛行高度約30km，最大飛行距離約20000km。 如果飛機(jī)的質(zhì)量減輕一半，則飛行速度可提高一倍，飛行高度可達(dá)40km或50km以上，飛機(jī)繞地球一周而無需加油。 可見質(zhì)量輕、綜合性能好的復(fù)合材料在航天航空工業(yè)中具有其他材料不可取代的重要性59 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料金屬的熔點(diǎn)高，故高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)后的金屬基復(fù)合材料（MMC）可以使用在較高溫的工作環(huán)境之下。常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂合金。作為增強(qiáng)體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、SiC和C纖維；Al2O3纖維通常以短纖維的形式用于MMC中。60金屬基復(fù)合材料(MMC)雖強(qiáng)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