复合材料概论厦门理工学院期末总结

1、复合材料概论1.1 复合材料的发展概况第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料；第二代：1960年到1980年，先进复合材料的发展时期；第三代：1980年到1990年，纤维增强金属基复合材料；第四代：1990年以后，多功能复合材料。纵观复合材料的发展过程，可以看到：早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产量大，使用面广，可称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的先进复合材料。1.2 复合材料的定义什么是复合材料 ? (判断)1、 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 复合材料基体(连续相)增强材料(分散相

2、)2、用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的固体材料 1.3 复合材料的命名（填空、选择、名解）（1）强调基体时以基体材料的名称为主如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2） 强调增强体时以增强体材料的名称为主如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。（3）基体材料名称与增强体材料并用。用来表示某一种具体的复合材料，增强体材料+基体材料例如：“玻璃纤维环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃/环氧复合材料”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，“碳/金属复合

3、材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳/碳复合材料”。 MMC金属基复合材料，FRP纤维增强塑料，玻璃纤维/环氧GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep)1.4 复合材料的分类 按增强材料形态分类：连续纤维复合材料、短纤维复合材料、粒状填料复合材料、编织复合材料、其他: 层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 按增强纤维种类分类：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料、混杂复合材料。 按基体材料分类：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料 按材料作用分类：结构复合材料、功能复合材料、基体材料、增强体材料 同质复合材料：增强材料和基体材

4、料属于同种物质，如碳/碳复合材料。 异质复合材料：前面提及的复合材料多属此类。1.5 复合材料的基本性能复合材料的特点：1.可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能；2.可按对材料性能的需要进行材料设计和制造；3.可制成所需的任意形状的产品。复合材料性能的影响因素：取决于增强相的性能、含量及分布状况，基体相的性能、含量，以及它们之间的的界面结合、成型工艺、结构设计等。聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料 主 要 性 能（）比强度大、比模量大；（）耐疲劳性能好；（）减震性好；（）过载时安全性好；（）具有多种功能性；（）有很好的加工工艺性。（）高比强度

5、、高比模量；（）导热、导电性能；（）热膨胀系数小、尺寸稳定性好；（）良好的高温性能；（）耐磨性好；（）良好的疲劳性能和断裂性能；（）不吸潮、不老化、气密性好。高温强度和韧性高、耐辐射效率高、抗氧化、抗开裂等。例如：碳纤维增强碳化硅、碳化硅纤维增强碳化硅分别在1700C和1200C下保持20C时的抗拉强度。复合材料的性能是根据使用条件进行设计的。（1）使用温度和材料硬度：树脂基： 60250C；金属基： 400 600C；陶瓷基： 10001500C。 硬度：陶瓷基金属基树脂基。（2）力学性能：从强度方面来讲，三类复合材料都可获得较高的强度。（3）耐老化性能：陶瓷基金属基树脂基。（4）导热性能：

6、金属基： 50 65W/(mK)；陶瓷基： 0.7 3.5W/(mK)；树脂基： 0.35 0.45W/(mK)。（5）耐化学腐蚀性能：一般来讲陶瓷基和树脂基复合材料优于金属基复合材料。（6）生产工艺和成本高低：陶瓷基金属基树脂基。1.6 复合材料结构设计基础组成特点结构层次层次设计一次结构由基体和增强材料复合而成的单层材料，力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何（各相材料的形状、分布、含量）和界面区的性能。单层材料单层材料设计：正确选择增强材料、基体材料及配比；微观力学：研究各相材料之间的相互作用。二次结构由单层材料层合而成的层合体，力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何（各单层的厚度

7、、铺设方向、铺层序列）。层合体铺层设计：对铺层材料的铺层方案作出合理安排；宏观力学：将各相材料的影响仅作为复合材料的平均表现性能来考虑。三次结构指通常所说的工程结构或产品结构力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。产品结构结构设计：确定产品及其结构的形状和尺寸。结构力学：以纤维增强复合材料层压结构为研究对象。1、 复合材料的三个结构层次：（考）从分析的角度上，复合材料与均质各向同性材料的差别主要是它的各向异性和非均质性，此差别是属于物理方面的复合材料的两大效应定义特点交叉效应材料的非主方向坐标系中，正应力会引起剪应变，剪应力会引起线应变的现象，这是各向同性 材料所没有的强度随方向不同而异；单

8、层板的各类参数都是方向的函数耦合效应在小变形情况下，面内应力会引起平面变形，内力矩也会引起面内变形层合板百度方向的非均质性造成层合结构特有的现象复合材料的应用l 航空航天、武器在力学耐高温方面满足要求，同时减轻重量，节省能源l 信息电子、生物方面光、磁、电性能、生物相容性 l 生活方面，提高安全性合和舒适度隔音，绝热、抗振l 节约能源、开发能源方面重量轻、耐腐蚀性好，寿命长l 海洋资源开发方面耐腐蚀好，力学性能好 l 环境方面耐腐蚀性好，可以变废为宝第二章、复合材料的基体材料 选择基体的原则 金属基体材料 结构复合材料的基体 功能复合材料的基体 l 选择基体的原则（考）：(1)金属基复合材料的

9、使用要求;(2)金属基复合材料组成特点;(3)基体金属与增强物的相容性。金属基体材料：Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Zn、Pb及其合金，金属间化合物（TiAl、NiAl等）。1、金属基复合材料的使用要求（考）金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。13（1）航天航空：高比强度和比模量以及尺寸稳定性；选轻金属，Al、Mg及其合金（2）高性能发动机：高比强度和比模量，耐高温性能；选Ti、Ni及其合金（3）汽车发动机：耐热、耐磨、导热、成本低廉；选Al合金（4）集成电路：高导热、低膨胀；选Ag、Cu、Al 2、金属基复合材料组成特点（连续与非连续增强复合材料）（1）连续

10、纤维增强的复合材料基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。选用塑性较好的基体。（2）非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）的复合材料基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。选用高强度合金作为基体。3、基体金属与增强物的相容性化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力；尽可能在金属基复合材料成形过程中抑制界面反应。l 结构复合材料的基体（考）：轻金属基体、耐热合金基体1. 用于450以下的轻金属基体：铝、镁及其合金 （连续纤维增强MMC：一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金；颗粒

11、、晶须增强MMC：则选用具有高强度的铝合金。）2. 用于450-700的复合材料的金属基体：钛及其合金 （钛合金相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高。可在450-700 使用。SiC/Ti制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航 空发动机。）3. 用于1000以上的高温复合材料的的金属基体：镍基、铁基耐热合金和金属间化合物 （W/Ni合金高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1-3倍，主要用于高性能发动机叶片等重要零件）l 功能复合材料的基体主要的金属基体是Al及其合金、Cu及其合金、Ag、Pb、Zn等。电子封装：Al和Cu。耐磨零部件：Al、Mg、Zn、Cu、Pb等金属及合金。集电和电触头：Al

12、、Cu、Ag及合金。2.2 陶瓷材料陶瓷基体材料特点：优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。 氧化物陶瓷：A1203，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石(3A12O32SiO2)等。 非氧化物陶瓷：氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。2.2.1 陶瓷材料发展历史及概念内涵 传统陶瓷：是采用粘土及其天然矿物质经粉碎加工、成型、烧结等过程制得，如日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷，其主要原料是硅酸盐矿物，所以归属于硅酸盐类材料。 特种陶瓷：高温陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、高导热陶瓷、高耐腐蚀陶瓷，所用材料不局限于天

13、然矿物，而是扩大到经过人工提纯加工或合成的化工材料。 现代陶瓷：是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发展起来的又具有与传统陶瓷不同的鲜明特点的一类新型陶瓷。它早已超出传统陶瓷的概念和范畴，是高新技术的产物 2.2.2 陶瓷的分类1. 按化学成分分类 氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、CeO2、CaO、Cr2O3及莫莱石（3Al2O33SiO4）和尖晶石（MgAl2O3）等，这类CMC避免在高温、高应力环境下使用，因为Al2O3、 ZrO2的抗热震性差、 SiO2高温下容易发生蠕变和相变。 碳化物陶瓷：一般具有比氧化物陶瓷更高的熔点。最常用的是SiC、WC、B4C、TiC，制备过程应有

14、气氛保护；耐热温度约为9001000 氮化物陶瓷：具有优良的综合力学性能和耐高温性能。应用最广泛的是Si3N4，还有TiN、BN、AlN、C3N4；耐热温度约为13001700， BN可达2000 硼化物陶瓷：主要用作添加剂或第二相加入其它陶瓷中以改善性能，常用TiB2、ZrB2。2. 按性能和用途分类 结构陶瓷：作为结构材料用于制作结构零件，主要使用其力学性能。如强度、韧性、硬度、模量、耐磨性、耐高温性等，上述按化学组成分类的四大陶瓷大多数为此类，如Al2O3、Si3N4、ZrO2都是力学性能优异的代表性结构陶瓷 功能陶瓷：作为功能材料用来制造功能器件，主要使用期物理性能。如电磁性能、热性能

15、、光性能、生物性能等。例如铁电陶瓷用其电磁性能制造电磁元件，介电陶瓷用于制造电容器，压电陶瓷用于制造位移或压力传感器，生物陶瓷用于制造人工骨骼和人工牙齿。2.2.3 陶瓷材料的特点 优点： 1）高硬度：决定了优异的耐磨性； 2）高熔点：决定了杰出的耐热性； 3）高化学稳定性：决定了良好的耐腐蚀性 缺点： 脆性，需要增韧复合材料2.2.4 陶瓷的力学性能弹性性能、硬度、强度、断裂韧性、2.3 聚合物材料聚合物（高分子化合物）：是指那些众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子质量在一万以上的化合物。 2.3.1聚合物基体的种类、组分和作用1聚合物基体的种类不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及

16、各种热塑性聚合物等。2聚合物基体的组分聚合物是聚合物基体的主要组分，除此还包括其他辅助材料，如固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等。3聚合物基体的作用复合材料中的基体有三种主要作用：（1）把纤维粘在一起；（2）分配纤维间的载荷；（3）保护纤维不受环境影响。4. 聚合物基体的选择原则：（1）能够满足产品的使用需要；（2）对纤维具有良好的浸润性和粘接力；（3）容易操作；（4）低毒性、低刺激性。（5）价格合理。5. 聚合物基体的特性：聚合物分子量很大，因而具有与低分子同系物完全不同的物理性能。如高分子化合物具有高软化点、高强度、高弹性、其溶液和熔体具有高粘度等性质。 RMC中聚合物的主要作用是：把纤维粘

17、接在一起；分配纤维间的荷载；保护纤维不受环境影响。分类：热固性树脂和热塑性树脂两大类。热固性树脂定义：低分子物在引发剂、促进剂作用下生成的三维体形网状结构聚合物。固化物加热不软化，不溶不融。 不饱和聚酯树脂 环氧树脂 酚醛树脂 其它热固性树脂定义主要优点主要缺点使用方法不饱和聚酯树脂主链上同时具有重复酯键和不饱和双键的一类聚合物。工艺性好、固化物的综合性能好、价格低廉、品种多。固化收缩率大，耐热性、强度和模量较低，因此很少用于受力很大的制品中。树脂、引发剂、促进剂按配比配制，并按固化制度固化。环氧树脂分子主链上含有两个或两个以上环氧基团的聚合物。形式多样、粘附力强、收缩率低、力学性能好、尺寸稳

18、定、化学稳定性好。工艺性差，价格高。酚醛树脂酚类和醛类的聚合物。良好的机械强度、耐热性能、突出的耐高温烧蚀性能。吸附性不好、收缩率高、脆性大、制品空隙含量高。树脂+固化剂加热固化，酚醛树脂改性。其它热固性树脂有机硅树脂分子主链上含有硅氧键的聚合物200250下可长时间使用，仍保持优良的电性能，憎水防潮性呋喃树脂含有呋喃结构的聚合物热稳定性、高耐腐蚀性、脆性聚酰亚胺、双马来酰亚胺耐热性好，可在200230下长期使用2.3.2 热塑性树脂热塑性树脂定义：指线型或支链型聚合物。特点：遇热软化或熔融，冷却后又变坚硬，可反复回收利用。RMC用高性能热塑性树脂优点：耐热性好聚苯硫醚：300短期荷载、240

19、 长期；聚砜和聚醚砜：200 下长期使用；聚醚醚酮：160 长期使用。高性能热塑性树脂缺点：成型难、成本高。2.3.2聚合物的结构与性能1聚合物的结构聚合物结构的主要特点：（1）聚合物的分子链由很大数目（103105）的结构单元组成，每个结构单元相当于一个小分子。（2）链长有限的聚合物分子含有官能团或端基。（3）聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能有密切关系。2聚合物的性能：（力学性能、耐热性能、耐蚀性能、介电性能、其他物理性能）（1）聚合物的力学性能热固性树脂：固化后的力学性能不高，决定聚合物强度的主要因素是分子内及分子间的作用力。热塑性树脂：1）具有明显的力学松

20、弛现象；2）在外力作用下，形变较大，当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率； 3）抗冲击性能较好。（2）聚合物的耐热性能a）聚合物的结构与耐热性：为改善材料耐热性能，聚合物需具有刚性分子链、结晶性或交联结构。b）聚合物的热稳定性：提高聚合物热稳定性的途径：提高聚合物分子链的键能，避免弱键存在；在聚合物链中引入较大比例的芳 环和杂环。（3）聚合物的耐蚀性能复合材料的耐化学腐蚀性能与树脂的类别、性能、含量（尤其是表面）有很大的关系。（4）聚合物的介电性能聚合物具有良好的电绝缘性能。一般而言，树脂大分子的极性越大，则介电常数越大、电阻率越小、击穿电压越小、介质损耗角越大，材料的介电性能越差。（

21、5）聚合物的其他物理性能第三章、复合材料的增强材料增强材料（增强体）定义：在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。增强材料的基本特性：1. 能明显提高基体某种所需的性能，如比强度、比模量、耐热性、耐磨性或低膨胀性等 2. 良好的化学稳定性； 3. 良好的浸润性；增强体材料的力学性能特性（考）只有什么材料有颈缩？3.1 玻璃纤维（ Glass Fibre）捻度的概念（考）：捻度是指单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，以捻/米为单位。有Z捻和S捻，Z捻一般称为左捻，顺时针方向加捻；S捻称为右捻，是逆时针方向

22、加捻。影响玻璃纤维强度的影响因素;（1）一般情况下，玻璃纤维的拉伸强度随直径变细而拉伸强度增加；（2）拉伸强度也与纤维的长度有关，随着长度增加拉伸强度显著下降；（3）化学组成对强度的影响，纤维的强度与玻璃的化学成分关系密切。一般来说，含碱量越高，强度越低。(4)存放时间对纤维强度的影响纤维的老化。当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现象，称为纤维的老化。这主要取决于纤维对大气水分的化学稳定性；（5）施加负荷时间对纤维强度的影响纤维的疲劳。玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的情况，是纤维普遍存在的现象；（6）玻璃纤维成型方法和成型条件对强度也有很大影响。如玻璃硬化速度越快

23、，控制的纤维强度也越高。玻璃纤维比玻璃强度高的原因：（1）玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少；（2）玻璃纤维的断面较小，随着断面的减小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使纤维强度增高；（3）直径小的玻璃纤维强度比直径粗的纤维强度高的原因是由于表面微裂纹尺寸和数量较小，从而减少了应力集中，使纤维具有较高的强度。3.1.3玻璃纤维的制备制玻璃球铂金坩埚熔融小漏孔拉丝（102、204、408孔）涂浸润剂并股成纱纺织成布、毡或带。浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有：石蜡乳液复合前须清除；聚醋酸乙烯酯不必清除；改性有机硅类不必清除3.2 碳纤维（ Carbon Fi

24、bre ）的制造（1）碳化法 生产长纤维拉丝：湿法、干法或熔融状态；牵伸：100300；稳定：400加热氧化；碳化：10002000；石墨化：20003000（2）气相法 生产短纤维在惰性气氛中小分子有机物（如烃或芳烃等）在高温下沉积成纤维。3.3 芳纶纤维（ Kevlar, KF ）应用航天航空：温度不高的高强度结构受力件；军事：防弹器件；民用：如造船业、汽车、体育用品绳索。各种纤维的比较纤维的柔韧性及断裂：各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服。碳纤维和玻璃纤维几乎就是理想的脆性断裂，断裂时不发生截面积的缩小。例如：从拉断后纤维的扫描电镜观察发现，仅Kevlar-49纤维呈韧性断裂，断裂前纤维

25、有明显的颈缩，并在发生很大的局部伸长后才最终断裂比性能：比强度和比模量是纤维性能的一个重要指标。热稳定性：一般来讲，材料的熔点越高，热稳定性就越好。在没有空气和氧气的条件下，碳纤维具有非常好的耐高温性能。例如：尽管块状玻璃的软化温度为850，但当温度高于250 时，E玻璃纤维的强度和模量就开始迅速下降。玻璃纤维的热稳定性高于Kevlar49纤维。在受到太阳光照射时，Kevlar纤维产生严重的光致劣化，使纤维变色，机械性能下降。（碳玻璃芳纶）性能特点分类玻璃纤维1. 力学性能a. 抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；直径d，强度；长度，强度。b. 弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。因密度低2.5，

26、比模量高。c. 断裂延伸率：低3%2. 热学性能a. 导热性：导热系数比块玻璃低12个数量级。b. 耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤 KF CF。（3）弹性模量高，CF KF GF。（4）断裂延伸率在3%左右。（5）密度小1.44 1.45，比强度和比模量高。2. 热学性能：长期使用90度时，液体不能浸润固体； 当=180度时，固体表面完全不能被液体浸润，液体呈球状； 当90度时，液体能浸润固体； 当=0度时，这时液体完全浸润固体。影响接触角（润湿角）大小的因素：（1）固体表面的原始状态，例：吸附气体、氧化膜等均使接触角增大。（2）固体表面粗糙度增加将使接触角减小。（3）固相或液相的夹杂、相与

27、相之间化学反应的产物都将影响润湿性。原因：夹杂或反应产物改变了固相的性质和固相的表面粗糙度。界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。浸润不良：界面上产生空隙，界面缺陷和应力集中，界面强度下降。良好的或完全浸润：界面强度提高，甚至优于基体本身的内聚强度。 两个结合面与其表面能的关系，一般用表面张力来表征。 g = （F /A）TV 此处 g为表面张力；F为自由能； A为面积；T和V分别为温度和体积。当两个结合面结合了，则体系中由于减少了两个表面和增加了一个界面使自由能降低了。体系由于两个表面结合而导致自由能的下降定义为粘合功。 WA = g S + g L - g

28、SL 式中S 、L 和 SL 下标分别代表固体、液体和固液体。如图所示，q角为接触角。接触角表示了液体润湿固体的情况。产生良好结合的条件如下：1. 液体粘度尽量低；2. gS 略大于gL，0.8j50%；（4）尺寸稳定性提高。5.1.3高强度、高模量纤维增强塑料特点：（1）比重轻、强度高、模量高和低的热膨胀系数；（2）加工工艺简单；（3）价格昂贵。5.2 聚合物基复合材料结构设计复合材料结构设计条件：（1）结构性能要求结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全；提供装置各种配件、仪器等附件的空间；隔绝外界的环境状态而保护内部物体。（2）载荷情况静载荷强度，刚度冲击载荷 抗冲击强度交变载荷

29、疲劳强度和疲劳寿命（3）环境条件力学条件：加速度、冲击、振动、声音等；物理条件：压力、温度、湿度等；气象条件：风雨、冰雪、日光等；大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等。条件和主要影响结构的强度和刚度，条件和主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等。（4）结构的可靠性与经济性结构可靠性分析可分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。5.2.2材料设计材料设计，指选用几种原材料（基体材料和增强材料）组合制成具有所要求性能的材料的过程。材料设计包括原料选择、单层设计和层合板设计。1. 原料选择（1）原材料选择原则比强度、比刚度高；材料与结构的使用环境相适应；满足

30、结构特殊性要求；满足工艺性要求；成本低、效益高。（2）纤维选择选择纤维时，首先要确定纤维的类别，其次要确定纤维的品种规格。高强度，高刚度高性能CF、BF高抗冲击 GF、KF低温性能 CF尺寸稳定 KF、CF透波，吸波 GF、KF、Al2O3（3）树脂选择目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，另一类为热塑性树脂。树脂的选择按如下要求选取：能在结构使用温度范围内正常工作；具有一定的力学性能；断裂伸长率大于或接近纤维断裂伸长率；具有满足使用要求的物理、化学性能；具有一定的工艺性。受力结构件首选热固性树脂，大量使用、连续挤压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）；610%。边缘包层。冲击载荷区以0层承载，45层分散应力均衡负荷。厚度变化区以阶梯过渡。层合板设计的一般原则：（1）均衡对称铺设原则除了特殊需要外，结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起