復(fù)合材料總論

復(fù)合材料總論1第1頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要參考資料1、現(xiàn)代復(fù)合材料----陳華輝鄧海金李明（中國(guó)物質(zhì)出版社,1998）2、復(fù)合材料--------吳人潔（天津大學(xué)出版社,2000）3、復(fù)合材料科學(xué)與工程---倪禮忠,陳麒(科學(xué)出版社,2002)4、復(fù)合材料及其應(yīng)用—尹洪峰,任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003）5、高性能復(fù)合材料學(xué)---郝元愷,肖加余(化學(xué)工業(yè)出版社,2004)6、新材料概論---

譚毅,李敬鋒(冶金工業(yè)出版社,2004)

7、先進(jìn)復(fù)合材料----魯云朱世杰馬鳴圖（機(jī)械工業(yè)已出版社,2004）建議教材：復(fù)合材料概論--------王榮國(guó)武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999）2第2頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章總論第二章聚合物基復(fù)合材料第三章金屬基復(fù)合材料第四章無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料第五章復(fù)合材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用第六章復(fù)合材料在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用第七章復(fù)合材料在電子電器中的應(yīng)用第八章復(fù)合材料在建筑材料中的應(yīng)用第九章復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用目錄3第3頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料發(fā)展概況復(fù)合材料發(fā)展簡(jiǎn)史：學(xué)術(shù)界開(kāi)始使用“復(fù)合材料”（compositematerials）一詞大約是在20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯，開(kāi)辟了現(xiàn)代復(fù)合材料的新紀(jì)元。4第4頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，開(kāi)發(fā)出多種高性能纖維。20世紀(jì)80年代以后，由于人們豐富了設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試等方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，加上各類(lèi)作為復(fù)合材料基體的材料的使用和改進(jìn)，使現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展達(dá)到了更高的水平，即進(jìn)入高性能復(fù)合材料的發(fā)展階段。`5第5頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料分類(lèi)：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料

各有千秋揚(yáng)長(zhǎng)避短

克服單一材料的缺點(diǎn)

產(chǎn)生原來(lái)單一材料本身所沒(méi)有的新性能復(fù)合材料6第6頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月１、復(fù)合材料的定義什么是復(fù)合材料(CompositionMaterials,Composite)?要給復(fù)合材料下一個(gè)嚴(yán)格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點(diǎn)，有關(guān)復(fù)合材料的定義或偏重于考慮復(fù)合后材料的性能，或偏重于考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。7第7頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月諸如（１）

復(fù)合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復(fù)合后的整體性能應(yīng)超過(guò)組分材料，保留了所期望的性能(高強(qiáng)度、剛度、輕的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。偏重于考慮復(fù)合后材料的性能8第8頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（２）

復(fù)合材料是多功能的材料系統(tǒng)，它們可提供任何單一材料所無(wú)法獲得的特性；它們是由兩種或多種成分不同，性質(zhì)不同，有時(shí)形狀也不同的相容性材料，以物理形式結(jié)合而成的。9第9頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從廣義上講，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)的組分組合而成的材料。但在現(xiàn)代材料學(xué)界中，復(fù)合材料專(zhuān)指由兩種或兩種以上不同相態(tài)的組分所組成的材料。復(fù)合材料可定義為：用經(jīng)過(guò)選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱(chēng)組元），通過(guò)人工復(fù)合、組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。10第10頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上述復(fù)合材料的定義較易被普遍接受，它不僅明確指出復(fù)合材料是“通過(guò)人工復(fù)合的”和“有特殊性能的”材料，而且還指明了復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與其他種材料（如簡(jiǎn)單混合物、化合物、合金）的特征區(qū)別。根據(jù)上述復(fù)合材料的定義，復(fù)合材料應(yīng)不包括自然形成的具有某些復(fù)合材料形態(tài)的物質(zhì)、化合物、單相合金和多相合金。11第11頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以下面五點(diǎn)概括了復(fù)合材料的特點(diǎn)：1、復(fù)合材料的組分和相對(duì)含量是由人工選擇和設(shè)計(jì)的；2、復(fù)合材料是以人工制造而非天然形成的（區(qū)別于具有某些復(fù)合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)）；12第12頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、組成復(fù)合材料的某些組分在復(fù)合后仍然保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）；4、復(fù)合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同。復(fù)合材料具有新的、獨(dú)特的和可用的性能，這種性能是單個(gè)組分材料性能所不及或不同的；5、復(fù)合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。13第13頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料的優(yōu)缺點(diǎn)組合示意圖14第14頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因此復(fù)合材料必須通過(guò)對(duì)原材料的選擇，各組分分布的設(shè)計(jì)和工藝條件的保證等，以使原組分材料的優(yōu)點(diǎn)互相補(bǔ)充，同時(shí)利用復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。15第15頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。

16第16頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通過(guò)對(duì)各種定義、解釋加以總結(jié)，復(fù)合材料應(yīng)包括：組元是人們根據(jù)材料設(shè)計(jì)的基本原則有意識(shí)地選擇，至少包括兩種物理和力學(xué)性能不同的獨(dú)立組元，其中一組元的體積分?jǐn)?shù)一般不低于20％，第二組元通常為纖維、晶須或顆粒；復(fù)合材料是人工制造的，而非天然形成的。復(fù)合材料的性質(zhì)取決于組元性質(zhì)的優(yōu)化組合，它應(yīng)優(yōu)于獨(dú)立組元的性質(zhì)，特別是強(qiáng)度、剛度、韌性和高溫性能。17第17頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料在世界各國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一的名稱(chēng)和命名方法，比較共同的趨勢(shì)是根據(jù)增強(qiáng)體和基體的名稱(chēng)來(lái)命名，通常有以下三種情況：2、復(fù)合材料的命名18第18頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）強(qiáng)調(diào)基體時(shí)以基體材料的名稱(chēng)為主。如樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)以增強(qiáng)體材料的名稱(chēng)為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。19第19頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）基體材料名稱(chēng)與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來(lái)表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱(chēng)放在前面，基體材料的名稱(chēng)放在后面。20第20頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例如：“玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料”，或簡(jiǎn)稱(chēng)為“玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料或玻璃纖維/環(huán)氧”。而我國(guó)則常把這類(lèi)復(fù)合材料通稱(chēng)為“玻璃鋼”。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫“金屬基復(fù)合材料”，也可寫(xiě)為“碳／金屬?gòu)?fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳／碳復(fù)合材料”。21第21頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月國(guó)外還常用英文編號(hào)來(lái)表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強(qiáng)塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)22第22頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月３、復(fù)合材料的分類(lèi)隨著材料品種不斷增加，人們?yōu)榱烁玫匮芯亢褪褂貌牧?，需要?duì)材料進(jìn)行分類(lèi)。

材料的分類(lèi)，歷史上有許多方法：23第23頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（１）按材料的化學(xué)性質(zhì)分類(lèi)，有金屬材料、非金屬材料之分。（２）按物理性質(zhì)分類(lèi)，有絕緣材料、磁性材料、遠(yuǎn)光材料、半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料等。（３）按用途分類(lèi)，有航空材料、電工材料、建筑材料、包裝材料等。材料的分類(lèi)24第24頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料的分類(lèi)方法也很多，常見(jiàn)的分類(lèi)方法有以下幾種：一、按基體材料類(lèi)型分為以下三類(lèi)1、樹(shù)脂基復(fù)合材料2、金屬基復(fù)合材料3、非金屬基復(fù)合材料

25第25頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料2、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3、纖維、編織體增強(qiáng)復(fù)合材料4、短纖維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料5、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料6、納米復(fù)合材料按分散相形態(tài)26第26頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

a)層疊復(fù)合b)連續(xù)纖維復(fù)合c)細(xì)粒復(fù)合d)短切纖維復(fù)合27第27頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月增強(qiáng)纖維類(lèi)型分為以下五種：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、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。28第28頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按材料作用分兩類(lèi)①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；②功能復(fù)合材料。29第29頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要用于制造受力構(gòu)件；結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要是作為承力結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料，它基本上是由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能聯(lián)接增強(qiáng)體成為整體承載同時(shí)又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構(gòu)成。30第30頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱固性樹(shù)脂基熱塑性樹(shù)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(diǎn)金屬基金屬間化合物基Ａ、按基體類(lèi)型分類(lèi)31第31頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月B、按增強(qiáng)體類(lèi)型分類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料疊層式復(fù)合材料片材增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)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(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料二維織物增強(qiáng)復(fù)合材料三維織物增強(qiáng)復(fù)合材料32第32頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材和增強(qiáng)體排布設(shè)計(jì)，從而充分發(fā)揮各組元的效能。33第33頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②功能復(fù)合材料

指具備各種特殊物理與化學(xué)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。34第34頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月功能復(fù)合材料中的增強(qiáng)體又可稱(chēng)為功能體組元，它分布于基體組元中。功能復(fù)合材料中的基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能夠產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用。35第35頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、輕質(zhì)高強(qiáng)

CM最突出、重要的特點(diǎn)。用比強(qiáng)度，比模量。材料名稱(chēng)比強(qiáng)度比模量鋼0.130.27鋁0.170.26玻纖/聚酯CM0.530.21碳纖/環(huán)氧CM1.030.21強(qiáng)度與密度之比模量與密度之比36第36頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)異的化學(xué)物理性能37第37頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GlassfiberreinforcedcompositesCarbonfiberreinforcedcompositesBoronfiberreinforcedcomposites38第38頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料密度(g/cm3)拉伸強(qiáng)度(GPa)彈性模量(×102GPa)比強(qiáng)度(×105cm)比模量(×105cm)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碳纖維II/環(huán)氧1.451.51.41.030.97碳纖維I/環(huán)氧1.61.072.40.671.5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2.651.02.00.380.5739第39頁(yè)，課件共42頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由表1-2可見(jiàn)：FRC的密度約為鋼的1/5，鋁的1/2

比模量：高模量碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料為鋼的5