ch2 3复合材料

1、1复合材料复合材料材料科学基础 燕子窝：泥土-草复合材料什么是复合材料 复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的原材复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的原材料通过某工艺组合而成的一种新的材料。料通过某工艺组合而成的一种新的材料。 1.1.它既保留了原组分材料的主要特性，又通过复合效应获它既保留了原组分材料的主要特性，又通过复合效应获得原组分所不具备的新性能。得原组分所不具备的新性能。 2.2.现代复合材料可以通过设计使各组分的性能互相补充并现代复合材料可以通过设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，它与一般材料的简单混彼此关联，从而获得新的优越性能，它与一般材料

2、的简单混合有本质的区别。合有本质的区别。 1+12复合材料组成 一般材料的一般材料的简单混合简单混合与与复合材料复合材料的的： （）复合材料不仅保留了原组成材料的特点，（）复合材料不仅保留了原组成材料的特点，而且通过各组分的而且通过各组分的可以获得原组分所可以获得原组分所没有的新的优越性能；没有的新的优越性能；如结构复合材料不仅可根据材料在使用中如结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求受力的要求进进行行，更重要的是还可进行，更重要的是还可进行，即，即增增强体的比例、分布、排列和取向等的设计强体的比例、分布、排列和取向等的设计。对于结构复合材。对于结构复合材料来说，是由能承受载荷的料来说，

3、是由能承受载荷的与能连接增强体又起与能连接增强体又起传递力作用的传递力作用的构成。由不同的增强体和不同的基体构成。由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。即可组成名目繁多的结构复合材料。材料材料断裂能断裂能/ J/ J玻璃纤维玻璃纤维7.57.51010-4-4常用树脂常用树脂2.262.261010-2-2热固性玻璃钢热固性玻璃钢17.617.6例例1 1：热固性玻璃钢热固性树脂玻璃纤维：热固性玻璃钢热固性树脂玻璃纤维热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂脆性低于玻璃纤维脆性低于玻璃纤维2.5.1 复合材料的分类复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类

4、方法。按基体相的性质分金属基复合材料非金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料按增强相的形态分纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料复合材料及其增强相的各种形态复合材料及其增强相的各种形态纤维状纤维状颗粒状颗粒状层状层状片状片状填充状填充状2.5.2 复合材料的细观结构 一、颗粒复合材料 颗粒增强型 (1)桥联机制，延性颗粒拦截裂纹，并在裂纹尾区塑性伸张 (2)区域屏蔽机制，延性颗粒的塑性变形对宏观裂纹尖端的外加应力场形成屏

5、蔽 弥散增强型 微粒对基体位错运动的阻碍而产生强化微粒对基体位错运动的阻碍而产生强化(第第7章章) 二、纤维复合材料 如何让丝线拉不断，砍不动？ 天蚕丝？ 三、层合复合材料 四、混杂及超混杂复合材料图2.264 混杂复合材料混杂方式(a) 层内混杂A纤维B纤维(b) 层间混杂A纤维B纤维(c) 层内层间混杂A纤维B纤维( d) 编织物混杂A纤维B纤维玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强塑料制自行车复合材料制小船复合材料制防弹衣复合材料在波音飞机上的应用氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件硼纤维金属基复合材料制成的火

6、箭履轴的管道输送部件美国美国B-2B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料由光导纤维构成的光缆由光导纤维构成的光缆先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰赛车上使用的特殊轮胎赛车上使用的特殊轮胎人工肾脏人工肾脏可调节的太阳镜可调节的太阳镜耐高温纤维制成的消防人员的服装耐高温纤维制成的消防人员的服装生物陶瓷人造关节生物陶瓷人造关节 、增强剂增强剂或者或者基体基体是比重小的物质，或两者是比重小的物质，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；的比重都不高，且都不是完全致密的；、增强剂多是强度很高的纤维。、增强剂多是强度

7、很高的纤维。（指（指强度强度与与密度密度的比值）和的比值）和是各类材料中最高的。是各类材料中最高的。2 2、复合材料的特性、复合材料的特性例如，例如，的密度为的密度为7.8 g/cm3。复合材料的密度为复合材料的密度为1.52.0 g/cm3，只有只有普通碳钢的普通碳钢的1/41/5，比铝合金还要轻，比铝合金还要轻1/左右，左右，而而却能超过普通碳钢的水平。却能超过普通碳钢的水平。 复合材料可以复合材料可以，灵活地进，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。行产品设计，具有很好的可设计性。对于对于来说，可以根据来说，可以根据合理布置合理布置增强材料，达到增强材料，达到节约材料节约材料、减轻质量

8、减轻质量的目的。的目的。2 2、复合材料的特性、复合材料的特性 对于有对于有要求的产品，设计时可以要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的选用耐腐蚀性能好的和和；对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都可以方便地通过能等，都可以方便地通过来满足来满足要求。要求。复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其服其、低等缺点。低等缺点。复合材料具有优良的电性能，通过复合材料具有优良的电性能，通过、和和，可以将其制成，可以将其制成绝缘材料绝缘材料或或导电材料导电材料。例如，玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有。例如，玻

9、璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的优良的，并且在高频下仍能保持良好的，并且在高频下仍能保持良好的，因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料；，因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料；2 2、复合材料的特性、复合材料的特性玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有，被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷，被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷达罩。达罩。复合材料通过复合材料通过和和可以制得可以制得。这是一种功能复合材料，。这是一种功能复合材料，在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应用前景。用前景。 聚合物基复合材料具有优异的聚合物基

10、复合材料具有优异的、耐耐海水性能海水性能、也能、也能、和和。因此它是。因此它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的化工管道化工管道、贮贮罐罐、塔器塔器等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。2 2、复合材料的特性、复合材料的特性玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有，是一种优良的绝热材料。，是一种优良的绝热材料。选择适当的基体材料和增强材料可以制成选择适当的基体材料和增强材料可以制成和和，能有效地保护火箭、导弹和，能有效地保护火箭、导弹和宇宙飞行器在宇宙飞行器在2000以上承受用温、高速气流的冲以上承

11、受用温、高速气流的冲刷作用。刷作用。2 2、复合材料的特性、复合材料的特性纤维增强的聚合物基复合材料具有纤维增强的聚合物基复合材料具有，能满足各种类型制品的制造需，能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造，少制品的制造，2 2、复合材料的特性、复合材料的特性金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料的下长期使用，但是聚合物基复合材料的。因此，制成的制品容易变形。因此，制成的制品容易变形 。 用用可以提可以提高复合材料的弹性模量，另外，通过高复合材料的弹性模

12、量，另外，通过也也可以克服其弹性模量差的缺点。可以克服其弹性模量差的缺点。2 2、复合材料的特性、复合材料的特性复合材料的突出优点是复合材料的突出优点是和和（即（即强度、模量与密度之比）高。强度、模量与密度之比）高。比强度和比模量是度量比强度和比模量是度量的一个的一个指标，比强度愈高，同一零件的比重愈小；比模指标，比强度愈高，同一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的刚性愈大。量愈高，零件的刚性愈大。 金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复

13、合材料，其长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在工作温度也只能在300 左右。左右。2 2、复合材料的特性、复合材料的特性在白然条件下，由于紫外光在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应湿热、机械应力力、化学侵蚀的作用，会导致化学侵蚀的作用，会导致，即发生所谓的老化现象。，即发生所谓的老化现象。复合材料在使用过程中发牛老化现象的程度复合材料在使用过程中发牛老化现象的程度与其组成、结构和所处的环境有关。与其组成、结构和所处的环境有关。2 2、复合材料的特性、复合材料的特性首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，能消除

14、或减小应力集中区的大小和数量。体的塑性好，能消除或减小应力集中区的大小和数量。复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；另外，复合材料是一种不容易发生共振而快速脆断；另外，复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料中振动衰减都很快。非均质多相体系，在复合材料中振动衰减都很快。2 2、复合材料的特性、复合材料的特性 由于复合材料的由于复合材料的持性，使其在航空持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、

15、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。主承力构件。由复合材料制成的汽车由复合材料制成的汽车质量减轻质量减轻，在相同条件下，在相同条件下的的耗油量耗油量只有钢制汽车的只有钢制汽车的14，而且在受到撞击时复，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。 用复合材料制造的汽车部件较多，如车体、用复合材料制造的汽车部件较多，如车体、驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱动轴、板黄等。动轴、板黄等。 随着列车速度的不断提高，火车部

16、件用复合随着列车速度的不断提高，火车部件用复合材料来制造是最好的选择。复合材料常被用于制材料来制造是最好的选择。复合材料常被用于制造高速列车的车箱外壳、内装饰材料、整体卫生造高速列车的车箱外壳、内装饰材料、整体卫生间、车门窗、水箱等。间、车门窗、水箱等。在化学工业方面，复合材料主要被用于在化学工业方面，复合材料主要被用于制造防制造防腐蚀制品腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能能。例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。腐蚀性能比不锈钢优异得多。聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，

17、聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，被广泛地用于电机、电工器材的制造，如绝缘板、被广泛地用于电机、电工器材的制造，如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。子、带电操作工具等。玻璃纤维增强的聚合物基复合材料玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢玻璃钢)具有力具有力学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想蚀性能好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。的建筑材料。在建筑上，在建筑上，玻璃钢玻璃钢被用作承力结构、

18、围护结构、被用作承力结构、围护结构、冷却塔、水箱、卫生洁具、门窗等。冷却塔、水箱、卫生洁具、门窗等。 复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。 用复合材料制造叫片具力制造容易、质量轻、用复合材料制造叫片具力制造容易、质量轻、耐腐蚀等优点，各种风力发电机叶片都是由复合材耐腐蚀等优点，各种风力发电机叶片都是由复合材料制造的。料制造的。在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。赛艇、皮

19、艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。我国是制造和使用复合材料最早的国家，远在我国是制造和使用复合材料最早的国家，远在400余年前就发明了以麻丝增强大漆，构成典型的复余年前就发明了以麻丝增强大漆，构成典型的复合材料器皿，并一直沿用至今。合材料器皿，并一直沿用至今。现代复合材料是现代复合材料是1958年才开始发展的，是以年才开始发展的，是以玻玻璃纤维增强热固性聚合物璃纤维增强热固性聚合物为主要品种。为主要品种。除聚合物基复合材料以外，目前已展开金属除聚合物基复合材料以外，目前已展开金属基、陶瓷基、碳基、水泥基，以及功能复合材料基、陶瓷基、碳基、水泥基，以及功能复合材料的制备科学和其结构与性能的研究

20、，有些研究处的制备科学和其结构与性能的研究，有些研究处于国际复合材料前沿，如于国际复合材料前沿，如纳米复合材料，智能复纳米复合材料，智能复合材料合材料等。等。结构型复合材料中关键的原材料是增强体。我国结构型复合材料中关键的原材料是增强体。我国于于20世纪世纪50年代末，开始研制年代末，开始研制，研，研究了各种玻璃纤维的配方，包括中碱的玻璃，无究了各种玻璃纤维的配方，包括中碱的玻璃，无碱的玻璃以及高强度的玻璃等。碱的玻璃以及高强度的玻璃等。工艺方法是以传统的工艺方法是以传统的为主，近来正发展为主，近来正发展到先进的到先进的（直接熔融法）。（直接熔融法）。高性能增强体如碳纤维、芳酰胺纤维（芳高性能

21、增强体如碳纤维、芳酰胺纤维（芳纶）、超高分子量聚已乙烯纤维，以及一些陶瓷纶）、超高分子量聚已乙烯纤维，以及一些陶瓷纤维等我国均有研究。纤维等我国均有研究。特别是碳纤维在特别是碳纤维在20世纪世纪60年代即从聚丙烯腈年代即从聚丙烯腈原丝开始研究，一直到烧成碳纤维。随后又解决原丝开始研究，一直到烧成碳纤维。随后又解决了连续化的问题，并且开展有关机理性的研究。了连续化的问题，并且开展有关机理性的研究。、聚合物基复合材料、聚合物基复合材料主要为不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛主要为不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂，以及少量的耐高温聚酰亚胺树脂，其中的树脂、双马树脂，以及少量的耐高温聚酰亚胺树脂，其中

22、的研究工作集中在合成新型树脂，同时也对其结构表征和固化研究工作集中在合成新型树脂，同时也对其结构表征和固化过程进行了研究。过程进行了研究。除聚丙烯外，还有常用除聚丙烯外，还有常用的工程塑料，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜的工程塑料，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜和热塑性聚酰亚胺等的合成，改性和表征等。和热塑性聚酰亚胺等的合成，改性和表征等。聚合物基复合材料聚合物基复合材料，除，除成型等常规方法的成型等常规方法的研究外，也研究一些新型的加工方法，如树脂传递研究外，也研究一些新型的加工方法，如树脂传递法（法（RTM）的充模过程，包括其模拟计算等。的充模过程，包括其模拟计算等。、金属基复合材料、金属基复

23、合材料目前主要集中在以目前主要集中在以（如铝、镁、钛）（如铝、镁、钛）等为基体的复合材料研究，少量研究致力于铜、等为基体的复合材料研究，少量研究致力于铜、铁、铅基体的复合材料。增强的形式包括铁、铅基体的复合材料。增强的形式包括连续纤连续纤维维、短纤维短纤维、晶须和颗粒晶须和颗粒。、其他基体复合材料、其他基体复合材料方面的研究工作，如热压烧方面的研究工作，如热压烧结的结的增强氧化硅，或碳化硅基体的复增强氧化硅，或碳化硅基体的复合材料；合材料；增强碳化物陶瓷复合材料等增强碳化物陶瓷复合材料等的制备科学和结构性能研究。的制备科学和结构性能研究。由于复合材料的性能优于传统材料，如能降由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。 高性能复合材料是指具有高性能复合材料是指具有、等特性等特性的复合材料。的复合材料。随着人类向太空发展，航空航天工业对高性能复合材料随着人类向太空发展，航空航天工业对高性能复合材料的需求量越来越大，而且也会提出更高的性能