第一章復(fù)合材料概論課件

復(fù)合材料概論2019.02.11復(fù)合材料概論2019.02.111注意事項遲到5次或曠課3次、早退3次及以上，平時成績?yōu)?分；勤作筆記，課后做作業(yè)，常思考，多查資料考核辦法：平時(出勤率，課堂提問）20%，期終考查，閉卷80%。聯(lián)系方式:Emai:cxzhang2019163

Tel意事項遲到5次或曠課3次、早退3次及以上，平時成績?yōu)?分；2

主要內(nèi)容：掌握復(fù)合材料的定義、組成、特點；了解復(fù)合材料的發(fā)展?fàn)顟B(tài)；掌握復(fù)合材料的命名方法；掌握復(fù)合材料的分類；掌握復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)了解復(fù)合材料的應(yīng)用；了解復(fù)合材料的發(fā)展趨勢第一章 緒論 主要內(nèi)容：第一章 緒論3

材料是人類社會進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)石器時代；青銅器時代；鋼鐵時代－材料的發(fā)展推動生產(chǎn)力的發(fā)展，也推動社會的前進(jìn)二十世紀(jì)中后期以來，高分子、陶瓷材料崛起以及復(fù)合材料的發(fā)展，又給人類帶來了新的材料和技術(shù)革命，新的技術(shù)進(jìn)而也推動了新材料的出現(xiàn)。當(dāng)前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會將人類物質(zhì)文明推向新的階段。二十一世紀(jì)將是一個新材料時代。材料是人類社會進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)4

現(xiàn)代高科技的發(fā)展對材料提出了更高、更苛刻的要求。航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展、現(xiàn)代武器系統(tǒng)，要求材料質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕、吸波、隱身等特點。 很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。一、復(fù)合材料出現(xiàn)的必然性 現(xiàn)代高科技的發(fā)展對材料提出了更高、更苛刻的要求。航空、航5二、復(fù)合材料發(fā)展?fàn)顩r（1）幾乎所有的生物材料都是復(fù)合材料－竹子、骨骼、貝殼等等古代人們用草梗和泥造墻，用稻草和泥做屋頂二、復(fù)合材料發(fā)展?fàn)顩r（1）幾乎所有的生物材料都是復(fù)合材料－竹6第一章復(fù)合材料概論ppt課件7復(fù)合材料發(fā)展?fàn)顩r（2）1940～1960年之間的20年是玻璃纖維增強(qiáng)塑料的時代，稱為復(fù)合材料發(fā)展的第一代1960～1965年英國研制出碳纖維，1971年美國杜邦公司開發(fā)出Kevlar－49，1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及Kevlar纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料”已應(yīng)用于飛機(jī)、火箭的主承力件上，1960～1980年為復(fù)合材料的第二代，是復(fù)合材料的發(fā)展時代；1980年～1990年，是纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的時代，其中鋁基金屬復(fù)合材料應(yīng)用最為廣泛，稱為復(fù)合材料發(fā)展的第三代；1990年以后稱為復(fù)合材料的第四代，多發(fā)展功能復(fù)合材料，如光學(xué)、磁學(xué)、機(jī)敏和智能復(fù)合材料。復(fù)合材料發(fā)展?fàn)顩r（2）1940～1960年之間的20年是玻璃8三、復(fù)合材料的定義

用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過人工復(fù)合、組成多相、且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的固體材料。三、復(fù)合材料的定義用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩9復(fù)合材料的特點兩種或兩種以上的化學(xué)相具有兩種材料所不具備的優(yōu)良性能人工設(shè)計出來的，具有可設(shè)計性復(fù)合材料的特點兩種或兩種以上的化學(xué)相10四、復(fù)合材料的構(gòu)成復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為基體；基體的作用是將增強(qiáng)體粘合成整體并使復(fù)合材料具有一定的形狀，傳遞外界作用力、保護(hù)增強(qiáng)體免受外界的各種侵蝕破壞作用。當(dāng)然也決定復(fù)合材料的某些性能和加工工藝另一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強(qiáng)，故常稱為增強(qiáng)體(也稱為增強(qiáng)材料、增強(qiáng)相等，功能復(fù)合材料中也稱功能體)。

四、復(fù)合材料的構(gòu)成復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相11相界面是一個具有一定厚度的，結(jié)構(gòu)隨組分而異、與基體和增強(qiáng)體明顯不同的新相。界面區(qū)的范圍是從增強(qiáng)體內(nèi)部性質(zhì)不同的一點開始，到基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點之間的區(qū)域。界面是基體和增強(qiáng)體之間連接的紐帶，是應(yīng)力及其他信息傳遞的橋梁。它的結(jié)構(gòu)、性能以及結(jié)合強(qiáng)度等因素，直接關(guān)系到復(fù)合材料的性能。

相界面是一個具有一定厚度的，結(jié)構(gòu)隨組分而異、與12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13五、復(fù)合材料的性能○比強(qiáng)度、比模量高○良好的抗疲勞性能

纖維復(fù)合材料，對缺口、應(yīng)力集中敏感性小，且纖維與基體界面能夠阻止疲勞裂紋擴(kuò)散，改變裂紋擴(kuò)展方向。○

優(yōu)良的高溫性能

鋁合金在300℃時，強(qiáng)度由室溫的500MN/m2降到30～50MN/m2，而用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)后，300℃的強(qiáng)度與室溫基本相同?！?/p>

減震性好

試驗表明，沖擊能量的消耗除了用于纖維的斷裂功外，層板的分層、纖維與基體界面脫粘以及纖維拔出等都消耗較多的能量。

○

破斷安全性好

纖維復(fù)合材料中，當(dāng)纖維斷裂時，載荷就會重新分配到其他未破裂的纖維上，因而構(gòu)件不致在短期內(nèi)突然斷裂。五、復(fù)合材料的性能14

密度

g/cm3抗拉強(qiáng)度

×103MN/m2拉伸模量

×105MN/m2比強(qiáng)度

×106MN·m/kg比模量

×108MN·m/kg鋼7.81.032.10.1327鋁2.80.470.750.1727鈦4.50.961.140.2125玻璃鋼2.01.060.40.5320高強(qiáng)度碳

纖維-環(huán)氧1.451.51.41.0397高模量碳

纖維-環(huán)氧1.61.072.40.67150硼纖維-環(huán)氧2.11.382.10.66100有機(jī)纖維

PRD-環(huán)氧1.41.40.81.057SiC纖維

-環(huán)氧2.21.091.020.546硼纖維-鋁2.651.02.00.3875密度

g/cm3抗拉強(qiáng)度

×103MN/m2拉伸模量

×115復(fù)合材料和金屬的疲勞破壞性能

復(fù)合材料和金屬的疲勞破壞性能16復(fù)合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，比較共同的趨勢是根據(jù)增強(qiáng)體和基體的名稱來命名，通常有以下三種情況：六、復(fù)合材料的命名復(fù)合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，17（1）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，最后加上“復(fù)合材料”（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時以增強(qiáng)體材料的名稱為主。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。（3）強(qiáng)調(diào)基體時以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。

（1）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來表示18國外還常用英文編號來表示，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)國外還常用英文編號來表示，如MMC（MetalMatrix19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)合材料按基體材料分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七、復(fù)合材料分類（1）按基體材料分熱固性樹脂基高溫陶瓷基輕金屬基七、復(fù)合材料分類（20按增強(qiáng)材料形態(tài)分為以下三類1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：a.連續(xù)纖維復(fù)合材料b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料2、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：包括微米顆粒和納米顆粒；3、板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。4、層疊復(fù)合材料復(fù)合材料分類（2）按增強(qiáng)材料形態(tài)分為以下三類復(fù)合材料分類（2）21第一章復(fù)合材料概論ppt課件22按材料作用分兩類①功能復(fù)合材料：使用的是材料的光、電、磁、熱、聲等非力學(xué)性能②結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：應(yīng)用的材料的力學(xué)性能。復(fù)合材料分類（3）其他的分類方法如宏觀復(fù)合和微觀復(fù)合

按材料作用分兩類復(fù)合材料分類（3）其他的分類方法如宏觀復(fù)合和23八、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)

復(fù)合材料從結(jié)構(gòu)上可以分為3個結(jié)構(gòu)層次：一次結(jié)構(gòu)，是由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層復(fù)合材料，其力學(xué)性能取決于組分材料的性能，各相的形態(tài)、分布和含量以及界面的性質(zhì)；二次結(jié)構(gòu)，由單層材料層合而成的，其力學(xué)性能取決于單層材料的力學(xué)性能合鋪層集合（各層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層次序）；三次結(jié)構(gòu)，指工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能取決于層合體的力學(xué)性能合結(jié)構(gòu)幾何。八、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)復(fù)合材料從結(jié)構(gòu)上可以分為3個結(jié)構(gòu)24復(fù)合材料的設(shè)計也包括三個層次：1、單層材料設(shè)計增強(qiáng)材料、基體材料及其配比，各相的形態(tài)、分布、含量以及界面決定單層力學(xué)性能2、鋪層設(shè)計安排鋪層材料（包括層厚度、鋪設(shè)方向、鋪層次序）3、結(jié)構(gòu)設(shè)計確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀尺寸三個層次互相影響、互相依賴。必須把材料性能和結(jié)構(gòu)性能一起考慮，并將其統(tǒng)一在設(shè)計方案中。復(fù)合材料的設(shè)計也包括三個層次：三個層次互相影響、互相依賴。必25復(fù)合材料設(shè)計步驟復(fù)合材料設(shè)計步驟26復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計選材時就必須同時考慮材料的機(jī)械性能、使用環(huán)境和工藝性（如樹脂體系的固化溫度、固化時間和工藝方法）等因素。復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計同時進(jìn)行，材料與結(jié)構(gòu)一次成形，所以在設(shè)計時既要對組成構(gòu)件各部分的層合板參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，還要選擇構(gòu)件的構(gòu)造形式和幾何尺寸。在初步設(shè)計階段就應(yīng)對結(jié)構(gòu)的可維護(hù)性、可修理性和維修的費用進(jìn)行考慮與評估。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計選材時就必須同時考慮材料的機(jī)械27九、復(fù)合材料的應(yīng)用航空航天、武器—在力學(xué)耐高溫方面滿足要求，同時減輕重量，節(jié)省能源信息電子、生物方面－光、磁、電性能、生物相容性

生活方面，提高安全性合和舒適度—隔音，絕熱、抗振節(jié)約能源、開發(fā)能源方面—重量輕、耐腐蝕性好，壽命長海洋資源開發(fā)方面—耐腐蝕好，力學(xué)性能好環(huán)境方面－耐腐蝕性好，可以變廢為寶戰(zhàn)車導(dǎo)彈陶瓷刀具九、復(fù)合材料的應(yīng)用航空航天、武器—在力學(xué)耐高溫方面滿足要求，281、航空航天、武器方面的應(yīng)用波音787“夢幻客機(jī)”半成機(jī)身材料為輕型復(fù)合材料，而波音777型客機(jī)機(jī)身輕型復(fù)合材料比例僅為12％。由此，“夢幻客機(jī)”更輕更省油。

1、航空航天、武器方面的應(yīng)用波音787“夢幻客機(jī)”半成機(jī)身材29第一章復(fù)合材料概論ppt課件302、信息電子、生物方面的應(yīng)用光導(dǎo)纖維，電子設(shè)備的電路板，磁帶磁盤，機(jī)殼和屏蔽修復(fù)和更換臟器、人造骨2、信息電子、生物方面的應(yīng)用光導(dǎo)纖維，電子設(shè)備的電路板，磁帶313、人類生活方面的應(yīng)用建筑上，復(fù)合門窗交通上，汽車保險杠和轎車底板體育娛樂方面，羽毛球拍、釣魚竿、自行車中的車架等3、人類生活方面的應(yīng)用建筑上，復(fù)合門窗32鋁木復(fù)合門窗汽車保險杠和底板、發(fā)動機(jī)罩等，甚至全復(fù)合材料汽車鋁木復(fù)合門窗汽車保險杠和底板、發(fā)動機(jī)33第一章復(fù)合材料概論ppt課件34材料牌號密度/(g/cm3)彈性模量/(Gpa)抗拉強(qiáng)度/(Mpa)伸長率/%鉻鉬鋼低合金鋼7.9200～207>83416鋁合金6001/T62.6~2.969~79100~24612鈦純鈦4.5105480~62018碳纖維CFRP1.5~1.670~200>10002鎂合金AM601.740~452208材料牌號密度/(g/cm3)彈性模量/(Gpa)抗拉強(qiáng)度/(35跳高撐桿跳高撐桿364、節(jié)約能源、開發(fā)能源方面應(yīng)用航天器、衛(wèi)星上的太陽能帆板、太陽能電池、太陽能采暖設(shè)備、發(fā)電設(shè)備、空調(diào)制冷設(shè)備，特別是太空太陽能發(fā)電站的大部分構(gòu)件風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中風(fēng)力發(fā)動機(jī)的葉片和支桿核電站濃縮鈾253的離心機(jī)轉(zhuǎn)筒4、節(jié)約能源、開發(fā)能源方面應(yīng)用航天器、衛(wèi)星上的太陽能帆板、太37第一章復(fù)合材料概論ppt課件385、海洋資源開發(fā)方面的應(yīng)用5、海洋資源開發(fā)方面的應(yīng)用396、環(huán)境方面應(yīng)用通過設(shè)計，合理利用材料，節(jié)約加工能耗，降低廢棄邊角料，延長工件和設(shè)施的使用壽命；用廢棄物如礦渣、木屑、廢塑料、麥稈等制造復(fù)合材料廢水治理廠的容器和管道、處理汽車尾氣的高壓氣瓶6、環(huán)境方面應(yīng)用通過設(shè)計，合理利用材料，節(jié)約加工能耗，降低廢40復(fù)合地板玻璃鋼管道復(fù)合地板玻璃鋼管道41十、復(fù)合材料的發(fā)展趨勢發(fā)展功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料發(fā)展納米復(fù)合材料發(fā)展仿生復(fù)合材料十、復(fù)合材料的發(fā)展趨勢發(fā)展功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料42復(fù)合材料具有可設(shè)計性，可以根據(jù)需要添加必要的組分來達(dá)到需要的性能，如電、磁、光、聲、熱、阻尼、化學(xué)等等許多方面。無人飛船上到某個星球，經(jīng)有機(jī)器人感知環(huán)境（如溫度、濕度、光等）、對機(jī)敏材料作出的反應(yīng)進(jìn)行分析然后拍照，并把采集到的信息返會地球信息接收處。這需要材料的傳感部分和執(zhí)行部分有很高的靈敏度、精確度和反應(yīng)速度。復(fù)合材料具有可設(shè)計性，可以根據(jù)需要添加必要的組分來達(dá)到需要的43納米復(fù)合材料近年來發(fā)展很快，世界發(fā)達(dá)國家新材料發(fā)展的戰(zhàn)略都把納米復(fù)合材料的發(fā)展放到重要的位置。該研究方向主要包括納米聚合物基復(fù)合材料、納米碳管功能復(fù)合材料、納米鎢銅復(fù)合材料。納米復(fù)合材料近年來發(fā)展很快，世界發(fā)達(dá)國家新材料發(fā)展的戰(zhàn)