第一章 復合材料概論

復合材料概論平時成績占40％理論部分考試占60％平時成績：考勤（40%）+作業(yè)（60%）考核目錄CATALOG延遲符總論基體增強材料界面聚合物基復合材料金屬基復合材料123456陶瓷基復合材料水泥基復合材料78C/C復合材料9混雜纖維復合材料10

【世界殘留風光】

由粘土和稻草蓋成的非洲喀麥隆民居復合材料無所不在！

燕子窩：泥土-草復合材料---------(水泥+鋼筋)史上最牛的釘子戶白宮我們住在復合材料里樹木也是一種復合材料木質素纖維素全復合材料渦槳公務機第一章總論目錄復合材料的發(fā)展概況（了解）復合材料結構設計基礎（了解）0104復合材料的命名和分類（掌握）02復合材料的基本性能（熟悉）031.1復合材料的發(fā)展概況技術革命010203信息生命材料各種材料在各個歷史時期相對重要性5000BC015001900196019801990200020102020金銅鐵鋼合金鋼高溫合金高分子木材皮膚纖維動物膠橡膠電木尼龍PEPCPSPPPAN聚酯高模聚合物導電高分子復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料石材陶瓷陶器玻璃水泥耐火材料熔融硅耐濕陶瓷韌性機械陶瓷舊石器時代—新石器時代—銅器時代—青銅器時代—鐵器時代—新材料時代材料010203金屬材料無機非金屬材料高分子材料科學的發(fā)展需要（1）傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足實際需要，復合材料可以結合不同單一類型材料的性能優(yōu)點從而達到新的使用性能。（2）對復合材料的需求越來越大，相應的研究也越來越多。國際標準化組織(InternationalOrganizationforStandardization,ISO)：復合材料是由兩種或兩種以上在物理和化學上不同的物質組合起來而得到的一種多相固體材料。(通用)復合材料的結構通常是一個相為連續(xù)相，稱為基體；而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，故常稱為增強材料

(也稱為增強體、增強相等)，之間存在相界面。1.1.1復合材料的概念（Compositematerial）若復合產物為液體或氣體，能否稱為復合材料？增強材料可以是纖維或編織物，也可以是顆粒或彌散的填料。基體一種連續(xù)相，它把改善性能的增強體材料固結成一體，并賦予復合材料一定的形狀，傳遞外界應力，保護增強體免受外界環(huán)境侵蝕的作用。增強材料一種分散相，起承受應力（結構復合材料）和顯示功能（功能復合材料）的作用，改善復合材料的性能。

泥磚泥秸稈鋼筋混凝土沙子、石子、水泥鋼筋復合材料及其增強材料的各種形態(tài)纖維狀顆粒狀層狀片狀填充狀復合材料可以保持原材料的某些特點又能發(fā)揮組合后的新特征，可以根據(jù)需要進行設計，從而最合理地達到使用所要求的性能。（1+1?2）1.1.2復合材料的意義由于復合材料各組分間的“取長補短、協(xié)同作用”，極大地彌補了單一材料的缺點，產生單一材料所不具備的新性能，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，是現(xiàn)代科學技術不斷進步的結果，也是材料設計方面的一個突破。它綜合了各種材料如纖維、樹脂、橡膠、金屬、陶瓷等的優(yōu)點，按照設計、復合成為綜合性能優(yōu)異的新型材料。可以預言，如果用材料的作為歷史分期的依據(jù)，那么21世紀，將是復合材料的時代。1.1.3復合材料的發(fā)展歷史古代復合材料自古有之近代復合材料常用復合材料（性能單一，生產量大，使用范圍廣）現(xiàn)代復合材料先進復合材料（1）古代復合材料漆器－豬形盒（戰(zhàn)國時期）

7000年前的西安半坡村遺址中曾發(fā)現(xiàn)草拌泥制成的墻壁和磚坯，其性能優(yōu)于草和泥；4000年以前的漆器是典型的纖維增強復合材料，它是用絲、麻及其織物為增強相，以生漆做粘結劑一層一層鋪敷在底胎（模具）上，待漆干后挖去底胎成型。西安半坡遺址博物館（2）近代復合材料

纖維增強橡膠：輪胎是以簾子線增強橡膠復合材料；

玻璃鋼：1942年，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（GFRP,俗稱玻璃鋼）。美國：火箭發(fā)動機殼，燃料容器及軍用飛機雷達罩，其后萊特空軍發(fā)展中心設計制造了玻璃鋼為機身和機翼的飛機。隨后迅速擴展到民用材料。玻璃鋼用于上海東方明珠電視塔內的裝潢目前最大的復合材料獵掃雷艦為美國的復仇者（avenger）級獵掃雷艦，全船船體為木層-玻璃鋼混合結構。其骨架為夾層木板所制，其船體外板為4層厚木板，外層包玻璃鋼。（3）現(xiàn)代復合材料1970~1980年，先進復合材料發(fā)展時代。1975年先進復合材料“碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料及凱芙拉纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料”已用于飛機、火箭的主承力件上。

70年代：凱夫拉纖維增強塑料（KFRP）碳化硅纖維增強塑料（SFRP）氧化鋁纖維增強塑料（AFRP）

碳纖維增強塑料（CFRP）碳化硅纖維增強金屬（SFRM）氧化鋁纖維增強金屬（AFRM）1980~1990年，纖維增強金屬基復合材料和陶瓷基復合材料得到廣泛研究和發(fā)展，用于航天飛行器。發(fā)動機風扇葉片（SiC/Ti）氧化鋁纖維增強鋁基復合材料261990~至今，主要發(fā)展多功能復合材料，如機敏復合材料、梯度功能材料。變形機翼“滑動蒙皮”可以改變機翼形狀，從高速飛行攻擊布局（左）到低速遠程巡航布局（右）

縱觀復合材料的發(fā)展過程，可以看到：早期發(fā)展出現(xiàn)的復合材料，由于性能相對比較低，生產量大，使用面廣，可稱之為常用復合材料。后來隨著高技術發(fā)展的需要，在此基礎上又發(fā)展出性能高的先進復合材料。1.2復合材料的命名和分類

復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)增強體和基體的名稱來命名，通常有以下三種情況：1.2.1復合材料的命名（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）同時強調兩者時，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。

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”。那么“碳／金屬復合材料”的命名中，誰是基體、誰是增強體材料!!,“碳／碳復合材料”,又如何？前者為為碳纖維和金屬基體構成的復合材料叫“金屬基復合材料”，后者為碳纖維和碳構成的復合材料叫“碳／碳復合材料”。國外還常用英文字母來表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復合材料；FRP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強塑料；玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)。復合材料的分類方法也很多，常見的分類方法有以下幾種：1）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；1.2.2復合材料的分類（2）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纖維編織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、天然增強體顆粒增強型短切纖維增強型板狀、編織增強型連續(xù)纖維增強型2）按增強纖維種類分類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。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3）按基體類型分類以有機聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體制成的復合材料。以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體制成的復合材料。無機非金屬基復合材料4）

按材料作用分兩類①結構復合材料；②功能復合材料；③智能復合材料①結構復合材料主要用于制造受力構件；以承受載荷為主要目的。主要使用力學性能，以滿足高強度、高模量、耐沖擊、耐磨損的要求。②功能復合材料

主要使用功能特性，具備各種特殊物理與化學性能的材料。利用其在電、磁、聲、光、熱、阻尼、燒蝕、摩擦、屏蔽等方面的特殊性能。如壓電功能復合材料、阻尼功能復合材料、磁性復合材料等。

③智能復合材料

機敏材料+自決策材料+執(zhí)行材料。當材料發(fā)生故障或即將失效時，電阻或電導發(fā)生突變，機敏材料發(fā)出預警，自決策材料根據(jù)情況作出最優(yōu)控制，發(fā)出指令傳達給執(zhí)行材料使之發(fā)生動作，從而保證材料處于最佳狀態(tài)。

除了上面的各種各樣的復合材料以外，還有同質復合材料和異質復合材料。

同質復合材料（增強材料和基體材料屬于同種物質，如碳/碳復合材料）

異質復合材料（前面提及的復合材料多屬此類）?？删C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，具有原材料所沒有的性能。玻璃纖維增強環(huán)氧基復合材料：鋼材的強度，塑料的絕緣性和耐腐蝕性。復合材料具有可設計性?？梢愿鶕?jù)使用要求進行設計和制造，以滿足各種用途，從而極大地提高工程結構的效能?？芍瞥伤璧娜我庑螤畹漠a品，避免多次加工工序。可避免金屬產品的鑄模、切削、拋光等工序。1.3復合材料的基本性能1.3.1復合材料是由多相材料復合而成，共性復合材料最顯著的特性是其性能（主要指力學性能、物理性能和工藝性能）在一定范圍內具有可設計性。選擇基體、增強體的類型及其含量；增強體在基體中的排列方式；基體與增強體之間的界面性能。來獲得常規(guī)材料難以提供的某一性能或綜合性能。

比強度=強度/密度MPa/（g/cm3）比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）1.比強度、比模量（剛度）高（最突出的特點）典型金屬基體復合材料與基體材料合金性能的比較1.3.2復合材料的特性比強度和比模量是度量材料承載能力的一個指標表1.1傳統(tǒng)金屬材料與復合材料性能比較材料密度g/cm3抗拉強度

MPa拉伸模量

GPa比強度*1e6/cm比模量*1e8/cm膨脹系數(shù)*1e-6/KC/環(huán)氧1.6180012811.380.2芳綸/環(huán)氧1.415008010.75.71.8B/環(huán)氧2.116002207.610.54.0碳化硅/環(huán)氧2.015001307.56.52.6石墨纖維/鋁2.28002313.610.52.0鋼7.814002101.42.712鋁合金2.8500771.72.823鈦合金4.510001102.22.49.0目前：

聚合物基復合材料的最高耐溫上限為250

C；

金屬基復合材料按不同的基體性能，其使用溫度在400~600

C范圍內變動；

陶瓷基復合材料的使用溫度可達1500

C；

碳/碳復合材料的使用溫度最高可達2800

C。2.良好的高溫性能陶瓷基復合材料的脆性得到明顯改善復合材料破壞特點：

當少數(shù)纖維斷裂時，其失去的部分載荷會通過基體而迅速分散到其它完好的纖維上去，復合材料在短期不會喪失承載能力。3.良好的抗疲勞、抗蠕變、抗沖擊和斷裂韌性48裂紋擴展示意圖加入增強體到基體材料中不僅可以提高材料的強度和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變復合材料中增強體的含量，可以調整復合材料的熱膨脹系數(shù)。

聚合物基復合材料和陶瓷基復合材料。包括光、電、磁、熱、燒蝕、摩擦及潤滑等性能。

494.良好的尺寸穩(wěn)定性5.良好的化學穩(wěn)定性6.良好的功能性能性能：取決于基體相、增強相種類及數(shù)量，其次是它們的結合界面、成型工藝等。1.3.5復合材料的性能比較1）主要取決于增強相的性能⑴比強度，比模量高⑵沖擊韌性和斷裂韌性高⑶耐疲勞性好⑷減震性⑸熱膨脹系數(shù)小⑴硬度陶瓷基>金屬基>樹脂基⑵耐熱性樹脂基:60～250℃

金屬基:400～

600℃

陶瓷基:1000～

1500℃⑶耐自然老化陶瓷基>金屬基>樹脂基2）取決于基體相的性能⑷導熱導電性金屬基>陶瓷基>樹脂基⑸耐蝕性陶瓷基和樹脂基>金屬基⑹工藝性及生產成本陶瓷基>金屬基>樹脂基1.4復合材料的結構設計基礎一次結構：基體和增強材料組成的單層結構；其力學性能取決于原材料力學性能、形態(tài)、分布、含量及界面性能。

二次結構：由單層結構層合而成的層合體，其力學性能決定于單層體材料的力學性能和鋪層幾何（厚度、鋪設方向以及鋪層序列）

三次結構：指工程結構或產品結構，其力學性能取決于層合體的力學性能和結構幾何。

對于纖維增強的復合結構，從固體力學角度，其結構分為三個結構層次：1.4.1復合材料的結構將單層材料作為結構來分析，必須研究材料的多相性其各相材料的相互關系。這種研究方法叫微觀力學方法，以預示材料的宏觀力學性能。它解釋機理，發(fā)掘材料本質。