復合材料的概念、分類與發(fā)展歷程.ppt

1、1,復 合 材 料,2,主要參考資料,1、現(xiàn)代復合材料-陳華輝 鄧海金 李 明 （中國物質(zhì)出版社,1998） 2、復合材料概論-王榮國 武衛(wèi)莉 （哈爾濱工業(yè)大學出版社,1999） 3、復合材料-吳人潔（天津大學出版社,2000） 5、復合材料及其應(yīng)用尹洪峰,任耘（陜西科學技術(shù)出版社,2003） 6、高性能復合材料學-郝元愷,肖加余 (化學工業(yè)出版社,2004) 7、先進復合材料-魯 云 朱世杰 馬鳴圖 （機械工業(yè)已出版社,2004） 8、復合材料-周曦亞（化學工業(yè)出版社,2005）,3,第一章 復合材料的概念、分類及其發(fā)展歷程 第二章 復合材料基本特性、應(yīng)用及其研究現(xiàn)狀 第三章 復合材料的基體

2、材料 第四章 復合材料的增強材料 第五章 復合材料的成型工藝 第六章 功能復合材料 第七章 復合材料的復合原則及界面 第八章 陶瓷基復合材料 第九章 金屬基復合材料,目 錄,4,第一章 復合材料的概念、分類及其發(fā)展歷程,5,材料分類：金屬、無機非金屬、有機高分子材料 各有千秋 揚長避短 克服單一材料的缺點 產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能 復合材料,6,10000BC,各種材料在各個歷史時期相對重要性,3,7,、復合材料的定義,什么是復合材料 (Composition Materials , Composite) ? 要給復合材料下一個嚴格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點，有

3、關(guān)復合材料的定義或偏重于考慮復合后材料的性能，或偏重于考慮復合材料的結(jié)構(gòu),8,諸如（） 復合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復合后的整體性能應(yīng)超過組分材料，保留了所期望的性能(高強度、剛度、輕的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。,偏重于考慮復合后材料的性能,9,（） 復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，有時形狀也不同的相容性材料，以物理形式結(jié)合而成的。,10,FL. Matthews和DRawlings認為，復合材料是兩個或兩個以上組元或相組成的混合物，并應(yīng)滿足下面三個條件： (1)組元含量大于5； (2)復合

4、材料的性能顯著不同于各組元的性能， (3)通過各種方法混合而成。,11,按這Matthews和Rawlings給出的定義，鋼鐵及其合金不應(yīng)屬于復合材料，如CoCrMoSi合金不屬于復合材料，因為這種合金經(jīng)過熔化和凝固過程；而僅有像SiC顆粒強化的Al合金這種混合而成的材料才屬于復合材料。因此有人認為可將復合材料劃分為廣義復合材料和狹義復合材料。,12,從廣義上講，復合材料是由兩種或兩種以上不同化學性質(zhì)的組分組合而成的材料。但在現(xiàn)代材料學界中，復合材料專指由兩種或兩種以上不同相態(tài)的組分所組成的材料。 復合材料可定義為：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），通過人工復合、組

5、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。,13,上述復合材料的定義較易被普遍接受，它不僅明確指出復合材料是“通過人工復合的”和“有特殊性能的”材料，而且還指明了復合材料的組分、結(jié)構(gòu)特點及與其他種材料（如簡單混合物、化合物、合金）的特征區(qū)別。 根據(jù)上述復合材料的定義，復合材料應(yīng)不包括自然形成的具有某些復合材料形態(tài)的物質(zhì)、化合物、單相合金和多相合金。,14,以下面五點概括了復合材料的特點： 1、復合材料的組分和相對含量是由人工選擇和設(shè)計的； 2、復合材料是以人工制造而非天然形成的（區(qū)別于具有某些復合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)）；,15,3、組成復合材料的某些組分在復合后仍然保持其固

6、有的物理和化學性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）； 4、復合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同。復合材料具有新的、獨特的和可用的性能，這種性能是單個組分材料性能所不及或不同的； 5、復合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。,16,國際標準化組織：由兩種以上在物理和化學上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料。 材料科學技術(shù)百科全書中關(guān)于復合材料的定義如下： 復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計使各組分的性能互相補充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)越的性能，與一般材料

7、的簡便混合有本質(zhì)區(qū)別。,17,材料大辭典中關(guān)于復合材料的定義為： 復合材料是根據(jù)應(yīng)用的需要進行設(shè)計，把兩種以上的有機聚合物材料，或無機非金屬材料，或金屬材料組合在一起，使之互補性能優(yōu)勢，從而制成的一類新型材料。一般由基體組元與增強材料或功能體組元所組成，因此亦屬于多相材料范疇。,18,根據(jù)材料大辭典中關(guān)于復合材料的定義可以看出,復合材料具有兩個鮮明的特點: 、復合材料不僅能保持原組分的部分優(yōu)點，而且產(chǎn)生原組分所不具備的新性能。 、復合材料具有可設(shè)計性。由于各種原材料都具有各自的優(yōu)點和缺點，所以在組合時可能出現(xiàn)如下圖所示的結(jié)果。,19,因此復合材料必須通過對原材料的選擇，各組分分布的設(shè)計和工藝條

8、件的保證等，以使原組分材料的優(yōu)點互相補充，同時利用復合材料的復合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢。,20,綜上所述，復合材料應(yīng)具有以下三個特點： (1)復合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面。 (2)復合材料中各組元不但保持各自的固有特性而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。,21,(3)復合材料具有可設(shè)計性。 復合材料的結(jié)構(gòu)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

9、體 (也稱為增強材料、增強相等)。 在大多數(shù)情況下，分散相較基體硬，強度和剛度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體與增強體之間存在著界面。,22,通過對各種定義、解釋加以總結(jié)，復合材料應(yīng)包括： 組元是人們根據(jù)材料設(shè)計的基本原則有意識地選擇，至少包括兩種物理和力學性能不同的獨立組元，其中一組元的體積分數(shù)一般不低于20，第二組元通常為纖維、晶須或顆粒； 復合材料是人工制造的，而非天然形成的。 復合材料的性質(zhì)取決于組元性質(zhì)的優(yōu)化組合，它應(yīng)優(yōu)于獨立組元的性質(zhì)，特別是強度、剛度、韌性和高溫性能。,23,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)

10、增強體和基體的名稱來命名，通常有以下三種情況：,2、復合材料的命名,24,（1）強調(diào)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(diào)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。,25,（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。,26,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(gòu)成的復合材料叫

11、“金屬基復合材料”，也可寫為“碳金屬復合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復合材料叫“碳碳復合材料”。,27,國外還常用英文編號來表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金屬基復合材料，F(xiàn)RP（Fiber Reinforced Plastics）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),28,、 復合材料的分類,隨著材料品種不斷增加，人們?yōu)榱烁玫匮芯亢褪褂貌牧?，需要對材料進行分類。 材料的分類，歷史上有許多方法：,29,（）按材料的化學性質(zhì)分類，有金屬材料、非金屬材料之分。 （）按物理性質(zhì)分類，有絕緣材料、磁性材料、遠光材料、半導體

12、材料、導電材料等。 （）按用途分類，有航空材料、電工材料、建筑材料、包裝材料等。,材料的分類,30,復合材料的分類方法也很多，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；,31,2、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,32,復合材料結(jié)構(gòu)示意圖a)層疊復合 b)連續(xù)纖維復合 c)

13、細粒復合 d)短切纖維復合,33,纖維增強復合材料 纖維增強復合材料分為以下五種： 玻璃纖維復合材料； 碳纖維復合材料； 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； 金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料； 陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復合材料。,34,混雜復合材料：兩種或兩種以上增強體同一種基體制成的復合材料?？梢钥闯墒莾煞N或多種單一纖維或顆粒復合材料的相互復合，即復合材料的“復合材料”。,35, 玻璃纖維復合材料 用玻璃纖維增強工程塑料的復合材料，即玻璃鋼。玻璃鋼分為兩種，即熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼。,36,、熱塑性玻璃鋼 熱塑性玻璃鋼是以玻璃

14、纖維為增強劑和以熱塑性樹脂為粘結(jié)劑制成的復合材料。 、熱固性玻璃鋼 熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強劑和以熱固性樹脂為粘結(jié)劑制成的復合材料。,37, 碳纖維復合材料 、碳纖維復合材料：作基體的樹脂，目前應(yīng)用最多的是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯。 、碳纖維碳復合材料：用有機基體浸漬纖維坯塊，固化后再進行熱解，或纖維坯型經(jīng)化學氣相沉積，直接填入碳。 、碳纖維金屬復合材料：主要用于熔點較低的金屬或合金，如在碳纖維表面鍍金屬，制成了碳纖維金屬復合材料。 、碳纖維陶瓷復合材料：我國研制了一種碳纖維石英玻璃復合材料。,38,硼纖維復合材料 硼纖維是由硼氣相沉積在鎢絲上來制取的。 、硼纖維樹脂復合材料：基體

15、主要為環(huán)氧樹脂、聚苯并咪唑和聚酰亞胺樹脂等。 、硼纖維金屬復合材料：常用的基體為鋁、鎂及其合金，還有鈦及其合金等。,39,金屬纖維復合材料 作增強纖維的金屬主要是強度較高的高熔點金屬鎢、鉬、鋼、不銹鋼、鈦、鈹?shù)?，它們能被基體金屬潤濕，也能增強陶瓷。 、金屬纖維金屬復合材料：研究較多的增強劑為鎢鉬絲，基體為鎳合金和鈦合金。 、金屬纖維陶瓷復合材料：利用金屬纖維的韌性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。,40,二、按材料作用分兩類 結(jié)構(gòu)復合材料； 功能復合材料。,41, 結(jié)構(gòu)復合材料 主要用于制造受力構(gòu)件；結(jié)構(gòu)復合材料主要是作為承力結(jié)構(gòu)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

16、承載同時又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構(gòu)成。,42,結(jié)構(gòu)復合材料又可按基體材料類型和增強體材料類型來分類見下圖所示：,43,、 按基體類型分類,44,B、按增強體類型分類,45,結(jié)構(gòu)復合材料的特點 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(shè)計，從而充分發(fā)揮各組元的效能。,46, 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。,47,功能復合材料中的增強體又可稱為功能體組元，它分布于基體組元中。 功能復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)同或加強功能的作用。,48,除了上面的各種各樣的復合材料

17、以外，還有同質(zhì)復合材料和異質(zhì)復合材料。 同質(zhì)復合材料（增強材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復合材料） 異質(zhì)復合材料（前面提及的復合材料多屬此類）。,49,復合材料目前狀況 （）玻璃鋼和樹脂基復合材料 非常成熟 廣泛的應(yīng)用 （）金屬基復合材料 開發(fā)階段 某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位 （）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(shù)問題有待解決,50,、 復合材料發(fā)展概況 復合材料發(fā)展簡史： 學術(shù)界開始使用“復合材料”（composite materials ）一詞大約是在20世紀40年代，當時出現(xiàn)了玻璃纖維增強不飽和聚酯，開辟了現(xiàn)代復合材料的新紀元。,51,從20世紀60年代開始，

18、開發(fā)出多種高性能纖維。 20世紀80年代以后，由于人們豐富了設(shè)計、制造和測試等方面的知識和經(jīng)驗，加上各類作為復合材料基體的材料的使用和改進，使現(xiàn)代復合材料的發(fā)展達到了更高的水平，即進入高性能復合材料的發(fā)展階段。,52,復合材料的整個發(fā)展過程可表示為：,古代,近代,先進復合材料,53,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(zhì)素的復合體； 動物的骨骼則由無機磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復合而成。,54,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 陜西半坡人草梗合泥筑墻，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。,55,近代，復合材料的發(fā)展始于20世紀40年代，第二次世界大戰(zhàn)中，玻璃纖維增強聚酯樹脂復合材料被美國空軍用于制造飛機構(gòu)件開始算起。50年代得到了迅速發(fā)展。 我國從1958年開始發(fā)展復合材料,56,現(xiàn)