復(fù)合材料的歷史發(fā)展應(yīng)用

復(fù)合材料的歷史發(fā)展應(yīng)用第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一章總論

1.1復(fù)合材料發(fā)展概況

1.2復(fù)合材料命名與分類

1.3復(fù)合材料的基本性能

1.4復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日萬里長城用整齊的條石、塊石和大城磚包砌城墻，膠結(jié)材料用的是糯米石灰漿第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日“石柜”距今400年前的木乃伊（發(fā)現(xiàn)于南充市）糯米石灰漿第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日埃及金字塔是如何建造的2000年，法國的約瑟·大衛(wèi)杜維斯根據(jù)化驗結(jié)果得出結(jié)論：金字塔上的石頭是用石灰和貝殼經(jīng)人工澆筑混凝而成的。

現(xiàn)代考古研究證實人類早在數(shù)千年前就知道如何制作混凝土。

混合物凝固硬結(jié)好，它和天然石頭的差別難以分辨。

石頭中發(fā)現(xiàn)了一縷約1英寸長的人發(fā)。第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日福建土樓第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日曹操修建銅雀臺

建安十五年，曹操擊敗袁紹及其三子，并北征烏桓，平定北方。于是在鄴建都，于漳河畔大興土木修建銅雀臺，高十丈，分三臺（包括隨后修建的金鳳臺和冰井臺），各相距六十步遠，中間各架飛橋相連。銅雀臺建成后曹操召集文武在臺前舉行比武大會，又命自己的幾個兒子登臺作賦。其中曹植下筆成章，作《銅雀臺賦》。銅雀臺是如何構(gòu)筑的？第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日古代的復(fù)合材料

糯米石灰漿銅雀臺的核桃油浸地磚草秸增強泥巴筑墻古代的灰油(桐油+石灰)第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日近代復(fù)合材料:混凝土第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日現(xiàn)代復(fù)合材料:玻璃鋼制品第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日玻璃鋼制品第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展(1)

1932年樹脂基復(fù)合材料在美國誕生；

1944年以玻璃纖維增強樹脂為機身和機翼的飛機試飛成功；

1949年研究成功玻璃纖維預(yù)混料并制出了表面光潔，尺寸、形狀準確的復(fù)合材料模壓件；

1961年片狀模塑料（SMC）問世，該技術(shù)可制出大幅面表面光潔、尺寸穩(wěn)定的制品，如汽車、船的殼體以及衛(wèi)生潔具等；

60年代中期利用拉擠成型工藝實現(xiàn)復(fù)合材料制品的連續(xù)化生產(chǎn)，能生產(chǎn)棒狀、管、箱形、槽形、工字形等復(fù)雜截面的型材;第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展(2)70年代樹脂反應(yīng)注射成型（RIM）和增強樹脂反應(yīng)注射成型（RRIM）技術(shù)研究成功，使產(chǎn)品兩面光潔，現(xiàn)已大量用于衛(wèi)生潔具和汽車零件的生產(chǎn);1972年美國PPG公司研究成功熱塑性片狀模塑料成型技術(shù)。改變了熱固性基體復(fù)合材料生產(chǎn)周期長、廢料不能回收問題;80年代發(fā)展離心澆鑄成型法，曾使用這種工藝生產(chǎn)10m長的復(fù)合材料電線桿、大口徑受外壓的管道等.新生產(chǎn)工藝的不斷出現(xiàn)推動著聚合物復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展

第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展（中國）

我國樹脂基復(fù)合材料始于1958年，當時以手糊工藝研制了樹脂基復(fù)合材料漁船，以層壓和卷制工藝研制成功樹脂基復(fù)合材料板、管和火箭筒等。1971年以前我國的樹脂基復(fù)合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。2007年，我國熱固性復(fù)合材料(FRSP)產(chǎn)量為180萬噸。第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日先進復(fù)合材料

(AdvancedCompositeMaterials,ACM)以碳纖維、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纖維作為增強材料，并使用高性能樹脂、金屬及陶瓷為基體的復(fù)合材料。先進復(fù)合材料具有比玻璃纖維復(fù)合材料更好的性能，是用于飛機、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日碳/碳復(fù)合材料飛機剎車片曾獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎的“高性能碳/碳航空制動材料的制備技術(shù)”

(黃伯云院士課題組)處于該領(lǐng)域國際領(lǐng)先水平。第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日小型商用飛機全部用碳纖維復(fù)合材料制成一架八座商用飛機--里爾芳2100號，并成功試飛。這架飛機僅重，結(jié)構(gòu)小巧,重量輕。

576Kg第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日大型商用飛機-波音767客機使用先進復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，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復(fù)合材料制造機翼前緣、壓力容器、引擎罩等構(gòu)件，不僅使飛機結(jié)構(gòu)重量減輕，還提高了飛機的各種飛行性能。第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日國產(chǎn)支線飛機ARJ-700所用復(fù)合材料主要從美國進口第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日大飛機與復(fù)合材料

Ａ３８０,復(fù)合材料占２５％；Ｂ７８７,復(fù)合材料占５０％,

除機翼、尾翼前緣、發(fā)動機掛架外，幾乎看不到金屬，可提高燃油效率２０％,該機為世界上第一個采用復(fù)合材料機翼和機身的大型客機；國產(chǎn)大飛機,復(fù)合材料至少占２５％.復(fù)合材料具有高強度、高剛性，良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點。在飛機上采用復(fù)合材料意味著可以顯著減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量、提高飛機的性能。第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日航天飛機與復(fù)合材料“發(fā)現(xiàn)號”“阿特蘭蒂斯號”“奮進號”第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日航天飛機的三大件第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日發(fā)現(xiàn)號航天飛機的組成

軌道行行器，最具代表性部分，長37.24m，高17.27m，翼展29.79m。前段:航天員座艙，分三層。上、中層可容納8人，供航天員工作和休息；下層為底艙，設(shè)置冷氣管道、風扇、水泵、油泵和存放廢棄物等。后段：垂直尾翼、三臺主發(fā)動機和兩臺軌道機動發(fā)動機。主發(fā)動機在起飛時工作。每臺產(chǎn)生1668千牛的推力。軌道器中、后段外兩側(cè)是機翼。軌道器的頭錐部和尾部，有用于輕微軌道調(diào)整的小發(fā)動機，共44臺。外掛燃料箱：長46.2m，直徑8.25m，能裝700多噸液氫液氧推進劑。固體火箭助推器：兩枚，在外貯箱兩側(cè)，長45m，直徑約3.6m，每枚可產(chǎn)生15682千牛的推力，承擔航天飛機起飛時80%的推力。

第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日航天飛機使用的先進復(fù)合材料主貨艙門:碳纖維/環(huán)氧樹脂制作;壓力容器:Kevlar纖維/環(huán)氧樹脂;主機身隔框和翼梁:硼/鋁復(fù)合材料;發(fā)動機噴管和喉襯:碳/碳復(fù)合材料;防熱瓦片:耐高溫陶瓷基復(fù)合材料;發(fā)動機組的傳力架:硼/鈦合金復(fù)合材料.第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日復(fù)合材料

（CompositeMaterials,CM）

ISO的定義:

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日復(fù)合材料的組成

通常有一相為連續(xù)相，稱為基體,如混凝土中的水泥凝膠；另一相為分散相，稱為增強材料,如混凝土中的砂石。分散相以獨立形態(tài)分布在整個連續(xù)相中，兩相之間存在相界面-界面相。分散相包括增強纖維,顆粒狀或彌散填料。第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一章總論1.1復(fù)合材料發(fā)展概況

1.2復(fù)合材料命名與分類

1.3復(fù)合材料的基本性能

1.4復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日復(fù)合材料的命名玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或玻璃／環(huán)氧復(fù)合材料石墨/鋁復(fù)合材料(Gr/Al)碳/二氧化硅復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日復(fù)合材料的分類(1)按增強纖維種類分類(1)玻璃纖維復(fù)合材料；(2)碳纖維復(fù)合材料；(3)有機纖維(芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、高強度聚烯烴纖維等)復(fù)合材料；(4)金屬纖維(如鎢絲、不銹鋼絲等)復(fù)合材料；(5)陶瓷纖維(如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等)復(fù)合材料；(6)混雜纖維復(fù)合材料。第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日復(fù)合材料的分類(2)按增強材料形態(tài)分類1)連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的纖維，每根纖維的兩個端點都位于復(fù)合材料的邊界處；例?2)短纖維復(fù)合材料；短纖維無規(guī)則地分散在基體材料中；3)粒狀填料復(fù)合材料：微小顆粒狀增強材料分散在基體材料中；4)編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維纖維編織物為增強材料與基體復(fù)合而成。第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日復(fù)合材料的分類(3)按基體材料分類聚合物基復(fù)合材料：以有機聚合物為基體的復(fù)合材料，如熱固性和熱塑性聚合物基復(fù)合材料;(2)金屬基復(fù)合材料：以金屬為基體的復(fù)合材料，如鋁基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料等；(3)陶瓷基復(fù)合材料：以無機非金屬材料(包括玻璃和水泥)為基體的復(fù)合材料。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一章總論1.1復(fù)合材料發(fā)展概況

1.2復(fù)合材料命名與分類

1.3復(fù)合材料的基本性能

1.4復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日復(fù)合材料的基本性能復(fù)合材料的共同特點：

性能的可設(shè)計性。例如，針對方向性材料強度的設(shè)計，針對某種介質(zhì)耐腐蝕性能的設(shè)計等。綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點，使一種材料具有多種性能。例如,玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料，既具有類似鋼材的強度、又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。

可制成所需任意形狀的產(chǎn)品，可避免多次加工。例如，可避免金屬產(chǎn)品的鑄模、切削、磨光等工序。

第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日高分子材料的力學性能力學性能的基本指標高彈性能粘彈性聚合物的力學屈服聚合物的力學強度摩擦與磨耗疲勞強度第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日力學性能的基本指標—應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)變受到外力作用而又不產(chǎn)生慣性移動時，材料的幾何形狀和尺寸發(fā)生的變化應(yīng)力定義為單位面積上的內(nèi)力，內(nèi)力是材料宏觀變形時，其內(nèi)部分子及原子間發(fā)生相對位移，產(chǎn)生分子間及原子間對抗外力的附加內(nèi)力。材料的受力方式簡單拉伸：張應(yīng)變e=△l/l0,習用應(yīng)力s=F/A0.簡單剪切：材料受到與截面相平行、大小相等、方向相反且不在同一直線上的兩個力F作用時，發(fā)生簡單剪切。g=△l/l0=tanq,ss=F/A0均勻壓縮：gv=△V/V0

第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日力學性能的基本指標—彈性模量

彈性模量（模量）單位應(yīng)變所需應(yīng)力的大小，是材料剛性的表征。三種形變對應(yīng)三種模量

拉伸模量（楊氏模量）：E=

s/e

剪切模量：G=

ss/g

體積模量（本體模量）：B=

P/gv

三種模量間的關(guān)系：E=2G(1+

n)=3B(1-2n)

n是泊松比：拉伸形變中橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日力學性能的基本指標—硬度與強度硬度是衡量材料表面抵抗機械壓力的一種指標。硬度的大小與材料的抗張強度和彈性模量有關(guān)。有時用硬度作為抗張強度和彈性模量的一種近似估值。

強度抗張強度（拉伸強度）:試樣斷裂前所承受的最大載荷與其截面積之比抗彎強度（撓曲強度），st=1.5Pl0/bd2

抗沖擊強度（沖擊強度）,衡量材料韌性的指標，指試樣受沖擊載荷破裂時單位面積所吸收的能量。

si=W

/bd第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日聚合物基復(fù)合材料的主要性能(1)材料密度(g/cm3)抗張強度(103MPa)彈性模量(105MPa)比強度(107cm)比模量(109cm)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玻璃纖維復(fù)合材料2.01.060.40.530.20碳Ⅰ/環(huán)氧復(fù)合材料1.61.072.40.671.5有機/環(huán)氧復(fù)合材料1.41.40.81.00.57碳/環(huán)氧復(fù)合材料2.11.382.10.661.0硼/鋁復(fù)合材料2.651.02.00.380.57表1-1各種材料的比強度和比模量第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日聚合物基復(fù)合材料的主要性能(2)

比強度、比模量大碳纖維、硼纖維、有機纖維增強的聚合物基復(fù)合材料的比強度相當于鈦合金的3-5倍，它們的比模量相當于金屬的4倍。

耐疲勞性能好

金屬材料的疲勞破壞常常是突發(fā)性的，而聚合物基復(fù)合材料中纖維與基體的界面能阻止材料受力所致裂紋的擴展，其疲勞破壞有明顯的預(yù)兆。大多數(shù)金屬材料的疲勞強度極限是其抗張強度的40％-50％。而碳纖維／聚酯復(fù)合材料的疲勞強度極限可達其抗張強度的70％-80％。第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日聚合物基復(fù)合材料的主要性能(3)

減震性好相同形狀受力結(jié)構(gòu)的自振頻率與結(jié)構(gòu)材料比模量的平方根成正比，復(fù)合材料比模量高，具有高的自振顏率。同時，復(fù)合材料界面具有吸振能力，使材料的振動阻尼很高。試驗表明：同樣大小的振動，輕合金梁需9s停止，而碳纖維復(fù)合材料梁只需2.5s就會停止。

過載時安全性好

復(fù)合材料中有大量增強纖維，當材料過載而有少數(shù)纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使整個構(gòu)件在短期內(nèi)不致于失去承載能力。第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日聚合物基復(fù)合材料的主要性能(4)

多功能性①耐燒燭性好。聚合物基復(fù)合材料可以制成具有較高比熱、熔融熱和氣化熱的材料，以吸收高溫燒蝕時的大量熱能；②有良好的摩擦性能；③高度的電絕緣性能；④優(yōu)良的耐腐蝕性能；⑤有特殊的光學、電學、磁學特性。

有很好的加工工藝性復(fù)合材料可采用手糊成型、模壓成型、纏繞成型、注射成型和拉擠成型等各種方法制成各種形狀的產(chǎn)品。但耐高溫性能、耐老化性能及材料強度一致性等有待進一步提高。第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日金屬基復(fù)合材料的主要性能（1）

金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選用金屬或合金基體和增強物的特性、含量、分布等。通過優(yōu)化組合可以獲得既具有金屬特性、又具有高比強度、高比模量、耐熱、耐磨等綜合性能的復(fù)合材料。

高比強度、高比模量第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日金屬基復(fù)合材料的主要性能（2）

良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)熱性可以迅速散熱。良好的導(dǎo)電性還可以防止飛行器構(gòu)件產(chǎn)生靜電聚集。己研制成功的超高模量石墨纖維、金剛石纖維增強鋁基、銅基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率比純鋁、鋼還高，可用于制造集成電路底板和封裝件。

熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好

碳纖維、碳化硅纖維、晶須、硼纖維等增強物均具有很小甚至負的熱膨脹系數(shù)。例如，石墨纖維增強鎂基復(fù)合材料，當石墨纖維含量達到48％時，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時零件不發(fā)生熱變形，這對人造衛(wèi)星構(gòu)件特別重要。第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日金屬基復(fù)合材料的主要性能（3）第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日金屬基復(fù)合材料的主要性能（4）

良好的高溫性能纖維強度在高溫下基本不下降，纖維增強金屬基復(fù)合材料的高溫性能可保持到接近金屬熔點，比金屬基體的高溫性能高許多。如石墨纖維增強鋁基復(fù)合材料在5000C高溫仍有600MPa的強度，而鋁基體在3000C強度已降到100MPa以下。耐磨性好陶瓷纖維、晶須、顆粒增強金屬基復(fù)合材料具有很好的耐磨性。如SiC／Al復(fù)合材料可用于汽車發(fā)動機、剎車盤、活塞等重要零件，能明顯提高零件的性能和壽命。良好的疲勞性能和斷裂韌性金屬基復(fù)合材料的疲勞性能和斷裂韌性主要取決于纖維等增強物與金屬基體的界面結(jié)合狀態(tài)。最佳的界面結(jié)合狀態(tài)既可有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴展，提高材料的斷裂韌性。不吸潮、不老化、氣密性好第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日陶瓷基復(fù)合材料的主要性能

陶瓷材料強度高、硬度大、耐高溫、抗氧化，高溫下抗磨損性好、耐化學腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)小。

D陶瓷材料折彎強度不高，斷裂韌性低。用高強度、高模量的纖維或晶須增強，以大幅提高其高溫強度和韌性。如碳纖維/碳化硅復(fù)合材料，在1700℃能保持在20℃時的抗拉強度，并有較好的抗壓性能、較高的層間剪切強度；而斷裂延伸率較一般陶瓷高；耐輻射效率高，可有效地降低表面溫度；有極好的抗氧化、抗開裂性能?？捎糜诤教祜w機高溫區(qū)。第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日碳/碳復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料是由碳纖維增強碳基體組成的復(fù)合材料。碳/碳復(fù)合材料質(zhì)量輕、耐高溫、吸收能量大、摩擦性能好。碳/碳復(fù)合材料最引人注目的應(yīng)用是航天飛機的抗氧化鼻錐帽和機翼前緣、洲際導(dǎo)彈彈頭的鼻錐帽、固體火箭噴管。用量最大的是超音速飛機的剎車片。第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日幾類復(fù)合材料的性能比較樹脂基CM金屬基CM陶瓷基CM使用溫度(℃)60~250400~10001000~1500硬度小中大強度高高高耐自然老化性較差中等好耐化學腐蝕性好較差好導(dǎo)熱性較差好一般工藝、成本工藝成熟、成本低中等工藝復(fù)雜、成本高第四十八頁，共五十三頁，2022年，8