復合材料學教學課件

1、復合材料學課件 主要內容：了解復合材料的發(fā)展史；了解復合材料的定義；了解復合材料的分類；了解復合材料的特性。第一篇 緒論 第1章 復合材料的特性1.1.1 材料的發(fā)展與人類社會的進步材料是人類社會進步的物質基礎和先導，是人類進步的里程碑。石器時代；青銅器時代；鋼鐵時代二十世紀中后期以來，高分子、陶瓷材料崛起以及復合材料的發(fā)展，又給人類帶來了新的材料和技術革命，樓房可以越蓋越高、飛機越飛越快，同時人類進入太空的夢想成為了現(xiàn)實。當前材料、能源、信息和生物技術是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會將人類物質文明推向新的階段。 二十一世紀將是一個新材料時代。1.1 序言現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材料的發(fā)展；

2、同時也對材料提出了更高、更苛刻的要求?，F(xiàn)代高技術的迅猛發(fā)展，特別是航空、航天和海洋開發(fā)領域的發(fā)展對材料提出了越來越苛刻的要求。例如，航天飛機等空間飛行器，空間飛行器的發(fā)動機，現(xiàn)代武器系統(tǒng)，要求材料質輕、高強、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕、吸波、隱身、抗穿甲性等特性。很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，當前作為單一的金屬、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)代科學技術發(fā)展的需要。1.1.2 復合材料的提出玻璃纖維繩碳纖維繩陶瓷刀具戰(zhàn)車導彈1.1.3 復合材料的發(fā)展歷史和意義：（1）復合材料的發(fā)展歷史實際上，在自然界就存在著

3、許多天然的復合物。例如天然的許多植物竹子、樹木等就是自生長長纖維增強復合材料；人類肌肉 / 骨骼結構也是復合材料結構原理。稻草加粘土（非連續(xù)纖維增強復合材料）作為建筑材料砌建房屋墻壁。在現(xiàn)代，復合材料的應用更比目皆是，與日常生活和國民經濟密不可分。如由沙石、鋼筋和水泥構成的水泥復合材料；玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）。 生命體是多層次意義上的復合體系該完美的特性就來源于復合與自修復生命體基本單位細胞，是細胞膜、細胞基質、細胞核的復合體，各自擔任營養(yǎng)、信息表達和力學支撐的作用。即使細胞膜也是有磷脂雙分子層，蛋白質組成的復合功能體系。（2）復合材料的意義 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復合材料。 例如：火

4、箭殼體材料對射程的影響， 飛行器減輕一公斤所取得的經濟效益與飛行速度 航空發(fā)動機材料發(fā)展預測如下圖1 火箭殼體材料對射程的影響1.2 復合材料的定義、特征與命名1.2.1 復合材料的定義（復合材料有著不同的定義方式。 ）“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，通過復合化而得到單一材料所不具備的性能。 ”（ 島 村昭治 . 未來拓先端材料，工業(yè)調查會，1982 ）“把一些個體典型或基本的特性組合，而得到的物質。”（余永寧 等 譯. 金屬基復合材料導論，北京，冶金工業(yè)出版社，1996 ）“由兩種以上異質、異形、異性的材料復合而成的新型材料?！保▍侨藵崳瑥秃喜牧?，天津大學出版社，

5、2000）“經過一定的操作，將復數(shù)個原材料合體，或者是由復數(shù)個相生成，且具有比原材料優(yōu)異的性能。”（香川 豐，八田博志. 基復合材料，承風社，1990 ）ISO定義為是：兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料。復合材料的一種較認可的定義：由兩個或兩個以上獨立的物理相（基體材料和分散材料），包含粘結材料和粒料、纖維或片狀材料組成的一種固體產物。1.2.2 復合材料的特點： 1）由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微觀復合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯的界面。 2）各組分保持各自固有特性的同時可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。 3）

6、復合材料具有可設計性。1.2.3 復合材料的基本結構模式復合材料基體+增強劑（由基體和增強劑兩個組分構成）基體：構成復合材料的連續(xù)相；增強劑（增強相、增強體）：復合材料中獨立的形態(tài)分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和增強。增強劑（相）一般較基體硬，強度、模量較基體大，或具有其它特性?？梢允抢w維狀、顆粒狀或彌散狀。增強劑（相）與基體之間存在著明顯界面。 說明：復合材料（Composite Materials ），以后簡稱CM注意：所研究的CM與化合材料、混合材料的區(qū)別。主要體現(xiàn)在：多相體系和復合效果是復合材料區(qū)別于傳統(tǒng)的“混合材料”和“化合材料”的兩大特征。舉

7、例：砂子與石子混合，合金或高分子聚合物1.2.4 復合材料的命名總命名原則，應該根據物質的組成、結構和特性的相互關系來確定名稱。（1）根據增強材料和基體材料的名稱來命名。將增強材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，再加上復合材料。如：“碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料”。也可叫“碳/環(huán)氧復合材料”。需要突出基體或者增強材料可以叫“碳纖維復合材料”或“環(huán)氧樹脂復合材料”。碳纖維和金屬基體構成的復合材料可叫：“金屬基復合材料”或“碳/金屬復合材料”。（2）通俗命名,如“玻璃鋼”。1.3 復合材料的分類 1.3.1 按性能分類 ： 普通復合材料：普通玻璃、合成或天然纖維增強， 如玻璃鋼、鋼筋混凝土等；

8、先進復合材料：高性能增強劑（碳、硼、氧化鋁、 SiC纖維及晶須等）增強高溫聚合物、金屬、陶瓷和碳（石墨）等復合材料。 先進復合材料的比強度和比剛度應分別達到 400MPa/(g/cm3)和40GPa/(g/cm3) 以上。1.3.4 按增強劑分類 顆粒增強復合材料 晶須增強復合材料 短纖維增強復合材料 連續(xù)纖維增強復合材料 混雜纖維增強復合材料 三向編織復合材料 1.3.2 按基體材料分類 聚合物復合材料（PMC) 金屬基復合材料（MMC) 陶瓷基復合材料（CMC) 碳碳復合材料 水泥基復合材料1.3.3 按用途分 結構復合材料 功能復合材料 結構/功能一體化復合材料1.4 復合材料的基本性能

9、（優(yōu)點）1.4.1 高比強度、高比模量（剛度）： 比強度 = 強度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。1.4.2 良好的高溫性能：目前：聚合物基復合材料的最高耐溫上限為350 C； 金屬基復合材料按不同的基體性能，其使用溫度在350 1100 C范圍內變動； 陶瓷基復合材料的使用溫度可達1400C； 碳/碳復合材料的使用溫度最高可達2800C。不同SiC纖維復合材料的使用溫度范圍。1.4.3 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。通過改變復合材料中增強體的含量，可以調整復合材料的熱膨脹系數(shù)。 1.4.