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1頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三第一章總論

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(jì)基礎(chǔ)第2頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三萬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3頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三“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4頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三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(yàn)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(shí)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5頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三福建土樓第6頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三曹操修建銅雀臺

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(yuǎn)，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7頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三古代的復(fù)合材料

糯米石灰漿銅雀臺的核桃油浸地磚草秸增強(qiáng)泥巴筑墻古代的灰油(桐油+石灰)第8頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三近代復(fù)合材料:混凝土第9頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三現(xiàn)代復(fù)合材料:玻璃鋼制品第10頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三玻璃鋼制品第11頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三現(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(qiáng)樹脂為機(jī)身和機(jī)翼的飛機(jī)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(zhǔn)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(shí)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12頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三現(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(qiáng)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13頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三現(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(dāng)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14頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三先進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。第15頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三碳/碳復(fù)合材料飛機(jī)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16頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三小型商用飛機(jī)全部用碳纖維復(fù)合材料制成一架八座商用飛機(jī)--里爾芳2100號，并成功試飛。這架飛機(jī)僅重，結(jié)構(gòu)小巧,重量輕。

576Kg第17頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三大型商用飛機(jī)-波音767客機(jī)使用先進(jìn)復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，使用碳纖維、有機(jī)纖維、玻璃纖維增強(qiáng)樹脂以及各種混雜纖維復(fù)合材料制造機(jī)翼前緣、壓力容器、引擎罩等構(gòu)件，不僅使飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量減輕，還提高了飛機(jī)的各種飛行性能。第18頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三國產(chǎn)支線飛機(jī)ARJ-700所用復(fù)合材料主要從美國進(jìn)口第19頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三大飛機(jī)與復(fù)合材料

Ａ３８０,復(fù)合材料占２５％；Ｂ７８７,復(fù)合材料占５０％,

除機(jī)翼、尾翼前緣、發(fā)動機(jī)掛架外，幾乎看不到金屬，可提高燃油效率２０％,該機(jī)為世界上第一個采用復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身的大型客機(jī)；國產(chǎn)大飛機(jī),復(fù)合材料至少占２５％.復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高剛性，良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點(diǎn)。在飛機(jī)上采用復(fù)合材料意味著可以顯著減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量、提高飛機(jī)的性能。第20頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三航天飛機(jī)與復(fù)合材料“發(fā)現(xiàn)號”“阿特蘭蒂斯號”“奮進(jìn)號”第21頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三航天飛機(jī)的三大件第22頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)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(fēng)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(jī)和兩臺軌道機(jī)動發(fā)動機(jī)。主發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)，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(jìn)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(dān)航天飛機(jī)起飛時80%的推力。

第23頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三航天飛機(jī)使用的先進(jìn)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(jī)身隔框和翼梁:硼/鋁復(fù)合材料;發(fā)動機(jī)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(jī)組的傳力架:硼/鈦合金復(fù)合材料.第24頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三復(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(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。第25頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三復(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(qiáng)材料,如混凝土中的砂石。分散相以獨(dú)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(qiáng)纖維,顆粒狀或彌散填料。第26頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三第一章總論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(jì)基礎(chǔ)第27頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三復(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28頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三復(fù)合材料的分類(1)按增強(qiáng)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(jī)纖維(芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、高強(qiáng)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29頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三復(fù)合材料的分類(2)按增強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。第30頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三復(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(jī)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(jī)非金屬材料(包括玻璃和水泥)為基體的復(fù)合材料。第31頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三第一章總論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(jì)基礎(chǔ)第32頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三復(fù)合材料的基本性能復(fù)合材料的共同特點(diǎn)：

性能的可設(shè)計(jì)性。例如，針對方向性材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，針對某種介質(zhì)耐腐蝕性能的設(shè)計(jì)等。綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)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33頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三高分子材料的力學(xué)性能力學(xué)性能的基本指標(biāo)高彈性能粘彈性聚合物的力學(xué)屈服聚合物的力學(xué)強(qiáng)度摩擦與磨耗疲勞強(qiáng)度第34頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三力學(xué)性能的基本指標(biāo)—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(xí)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35頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三力學(xué)性能的基本指標(biāo)—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36頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三力學(xué)性能的基本指標(biāo)—硬度與強(qiáng)度硬度是衡量材料表面抵抗機(jī)械壓力的一種指標(biāo)。硬度的大小與材料的抗張強(qiáng)度和彈性模量有關(guān)。有時用硬度作為抗張強(qiáng)度和彈性模量的一種近似估值。

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

抗沖擊強(qiáng)度（沖擊強(qiáng)度）,衡量材料韌性的指標(biāo)，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37頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三聚合物基復(fù)合材料的主要性能(1)材料密度(g/cm3)抗張強(qiáng)度(103MPa)彈性模量(105MPa)比強(qiáng)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(jī)/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(qiáng)度和比模量第38頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三聚合物基復(fù)合材料的主要性能(2)

比強(qiáng)度、比模量大碳纖維、硼纖維、有機(jī)纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的比強(qiáng)度相當(dāng)于鈦合金的3-5倍，它們的比模量相當(dāng)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(kuò)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(qiáng)度極限是其抗張強(qiáng)度的40％-50％。而碳纖維／聚酯復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度極限可達(dá)其抗張強(qiáng)度的70％-80％。第39頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三聚合物基復(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(yàn)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(qiáng)纖維，當(dāng)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40頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三聚合物基復(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?zé)g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(xué)、電學(xué)、磁學(xué)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(qiáng)度一致性等有待進(jìn)一步提高。第41頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三金屬基復(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(qiáng)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(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐磨等綜合性能的復(fù)合材料。

高比強(qiáng)度、高比模量第42頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三金屬基復(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(qiáng)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(qiáng)物均具有很小甚至負(fù)的熱膨脹系數(shù)。例如，石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，當(dāng)石墨纖維含量達(dá)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43頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三金屬基復(fù)合材料的主要性能（3）第44頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三金屬基復(fù)合材料的主要性能（4）

良好的高溫性能纖維強(qiáng)度在高溫下基本不下降，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的高溫性能可保持到接近金屬熔點(diǎn)，比金屬基體的高溫性能高許多。如石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在5000C高溫仍有600MPa的強(qiáng)度，而鋁基體在3000C強(qiáng)度已降到100MPa以下。耐磨性好陶瓷纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)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(jī)、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(qiáng)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(kuò)展，提高材料的斷裂韌性。不吸潮、不老化、氣密性好第45頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三陶瓷基復(fù)合材料的主要性能

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

D陶瓷材料折彎強(qiáng)度不高，斷裂韌性低。用高強(qiáng)度、高模量的纖維或晶須增強(qiáng)，以大幅提高其高溫強(qiáng)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(qiáng)度，并有較好的抗壓性能、較高的層間剪切強(qiáng)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。可用于航天飛機(jī)高溫區(qū)。第46頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三碳/碳復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料是由碳纖維增強(qiáng)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(jī)的抗氧化鼻錐帽和機(jī)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(jī)的剎車片。第47頁，講稿共53頁，2023年5月2日，星期三幾類復(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(qiáng)度高高高耐自然老化性較差中等好耐化學(xué)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48頁，講稿共53頁，2023年5