第1章復合材料概論

1復合材料

材料學院2主要參考資料1、復合材料大全--------沃丁柱，科學出版社，2001；2、復合材料--------吳人潔（天津大學出版社,2000）3、先進復合材料----魯云朱世杰馬鳴圖（機械工業(yè)已出版社,2004）使用教材：復合材料概論--------王榮國武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008）3注意事項常思考，教學互動，多查資料;考核辦法：平時30%，期終考試70%;基礎70，點名+5，缺席-10；獎勵：回答問題+1，專題報告+30；課代表（+10分）；41.1復合材料的發(fā)展概況假輿馬者，非利足也，而致千里。假舟輯者，非能水也，而絕江河。君子生非異也，善假于物也。--《荀子.勸學》工欲善其事，必先利其器。--《論語·衛(wèi)靈公》材料是社會進步的基礎……石器時代青銅器時代鐵器時代信息時代5漸漸地，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的單相材料已經(jīng)不能滿足實際需求，于是出現(xiàn)了多相材料的復合化，即復合材料：由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。定義：特征：微觀上是非均相材料，組分間有明顯的界面；組分材料性能差距很大；組分復合后材料的性能有較大改進。6材料的優(yōu)缺點組合示意圖7泥土和草的復合鋼筋混凝土的發(fā)明復合材料無所不在！混凝土抗拉不抗壓，1/108樹木貝殼9同學們還能舉出哪些復合材料的例子？？10玻璃纖維繩碳纖維繩陶瓷刀具坦克導彈11（1）強調基體時以基體材料的名稱為主。如樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等。（2）強調增強體時以增強體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料、陶瓷顆粒增強復合材料等。（3）基體材料名稱與增強體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復合材料，習慣上把增強體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。1.2復合材料的命名12例如：“玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料”，或簡稱為“玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料或玻璃纖維/環(huán)氧”。而我國則常把這類復合材料通稱為“玻璃鋼”。碳纖維和金屬基體構成的復合材料叫“金屬基復合材料”，也可寫為“碳／金屬復合材料”。碳纖維和碳構成的復合材料叫“碳／碳復合材料”。國外還常用英文編號來表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復合材料，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)13復合材料常見的分類方法有以下幾種：一、按增強材料形態(tài)分為以下三類1、纖維增強復合材料：a.連續(xù)纖維復合材料：作為分散相的長纖維的兩個端點都位于復合材料的邊界處；

b.非連續(xù)纖維復合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；1.3復合材料的分類142、顆粒增強復合材料：微小顆粒狀增強材料分散在基體中；3、板狀增強體、編織復合材料：以平面二維或立體三維物為增強材料與基體復合而成。其他增強體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強體

15復合材料結構示意圖

a)層疊復合b)連續(xù)纖維復合c)細粒復合d)短切纖維復合16纖維增強復合材料纖維增強復合材料分為以下五種：①玻璃纖維復合材料；②碳纖維復合材料；③有機纖維（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；④金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料；⑤陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復合材料。17二、按材料作用分兩類:①結構復合材料；②功能復合材料。18①結構復合材料

主要用于制造受力構件；結構復合材料主要是作為承力結構使用的復合材料，它基本上是由能承受載荷的增強體組元與能聯(lián)接增強體成為整體承載同時又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構成。

特點：可根據(jù)材料在使用中受力的要求進行組元選材和增強體排布設計，從而充分發(fā)揮各組元的效能。19聚合物基復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料水泥基復合材料碳基復合材料結構復合材料熱固性樹脂基熱塑性樹脂基橡膠基高溫陶瓷基玻璃基玻璃陶瓷基輕金屬基高熔點金屬基金屬間化合物基Ａ、按基體類型分類20B、按增強體類型分類結構復合材料疊層式復合材料片材增強復合材料顆粒增強復合材料纖維增強復合材料人工晶片天然片狀物微米顆粒納米顆粒不連續(xù)纖維復合材料連續(xù)纖維增強復合材料晶須增強復合材料短切纖維增強復合材料單向纖維增強復合材料二維織物增強復合材料三維織物增強復合材料21②功能復合材料

指具備各種特殊物理與化學性能的材料。例如：聲、光、電、磁、熱、耐腐蝕、零膨脹、阻尼、摩擦、屏蔽或換能等。功能復合材料中的基體不僅起到構成整體的作用，而且能夠產(chǎn)生協(xié)同或加強功能的作用22復合材料目前狀況（１）玻璃鋼和樹脂基復合材料

非常成熟廣泛的應用

（２）金屬基復合材料

開發(fā)階段某些結構件的關鍵部位

（３）陶瓷基復合材料及功能復合材料等

尚處于研究階段有不少科學技術問題有待解決231.4復合材料發(fā)展概況

24天然復合材料自然界中存在許許多多的天然復合材料。例如，樹木和竹子是纖維素和木質素的復合體；

動物的骨骼則由無機磷酸鹽和蛋白質膠原復合而成。25人類很早就接觸和使用各種天然復合材料，并仿效自然界制作各種各樣的復合材料。例如陜西半坡人－－草梗和泥筑墻，且延用至今；漆器－－麻纖維和土漆復合而成，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。26

復合材料時代

第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強塑料；1965年英國科學家研制出碳纖維；1971年美國杜邦公司開發(fā)出Kevler-49；1975年先進復合材料“碳纖維增強、及Kevler纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料”已用于飛機、火箭的主承力件上。這一時期被稱為復合材料發(fā)展的第二代。第二代：1960年到1980年，先進復合材料的發(fā)展時期27

第三代：1980年到1990年間，是纖維增強金屬基復合材料的時代，其中以鋁基復合材料的應用最為廣泛。

第四代：1990年以后則被認為是復合材料發(fā)展的第四代，主要發(fā)展多功能復合材料，如機敏（智能）復合材料和梯度功能材料等。隨著新型復合材料的不斷涌現(xiàn)，復合材料不僅應用在導彈、火箭、人造衛(wèi)星等尖端工業(yè)中，在航空、汽車、造船、建筑、電子、橋梁、機械、醫(yī)療和體育等各個部門都得到應用。281.5復合材料的設計原理復合材料的可設計性復合材料的可設計性是其區(qū)別傳統(tǒng)材料的最大特點。彈性常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、材料強度和剛度等存在各向異性。29復合材料的設計過程對外部環(huán)境與載荷的要求機械載荷熱載荷潮濕環(huán)境選材基體材料增強材料幾何形狀成型方法工藝及工藝過程優(yōu)化的設計代表性單元的性能考察有限元實驗力學宏觀性能復合材料的響應應力場溫度場……損傷及破壞分析強度準則損傷機理破壞過程30復合材料的設計條件1）結構性能要求①結構所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內安全；②提供裝置各種配件儀器等附件的空間；③隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護內部物體：汽車結構性能與質量有關；與功能有關；312）載荷情況靜載荷：結構梁、自重動載荷（瞬時作用載荷、沖擊載荷、交變載荷）火車啟