复合材料原理第一章

1、 第第1 1章绪论章绪论 复复 合合 材材 料料 原原 理理材料是现代文明的基石l材料是人类社会进步的物质基础和先导，材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。是人类进步的里程碑。l材料材料、能源、信息和生物技术是现代科技、能源、信息和生物技术是现代科技四大支柱，将人类物质文明推向新阶段。四大支柱，将人类物质文明推向新阶段。 石器时代 青铜时代 铁器时代 信息时代材料是文明的标杆神奇的材料内部结构神奇的材料内部结构复合材料是金属、陶瓷、高分子等均质材料发展的必然结果。复合材料是金属、陶瓷、高分子等均质材料发展的必然结果。按化学组成（或基本组成）分类：按化学组成（或基本组成）分类：

2、1. 金属材料金属材料2. 无机非金属材料无机非金属材料3. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4. 复合材料复合材料金属材料金属材料 金属材料是由金属元素组金属材料是由金属元素组成的材料。分为由一种金属元成的材料。分为由一种金属元素组成的单质（纯金属）；由素组成的单质（纯金属）；由两种或以上金属元素或金属与两种或以上金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金非金属元素构成的合金。合金分为固溶体和金属间化合物分为固溶体和金属间化合物。无机非金属材料无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物

3、、碳磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。与广义的陶瓷材料含义等同。料以外所有材料的总称。与广义的陶瓷材料含义等同。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一完善的分类方法。一般分为传统的（普通的）和新一般分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。型的（先进的）无机非金属材料两大类。 熔点高熔点高

4、有机高分子材料（高聚物）有机高分子材料（高聚物） 高聚物是由一种或几种简高聚物是由一种或几种简单低分子化合物聚合成的分子单低分子化合物聚合成的分子量很大的化合物。高聚物的种量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，分类方法类繁多，性能各异，分类方法多样。按多样。按来源来源分为天然高分子分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料和合成高分子材料；按性性能和用途能和用途分为橡胶、纤维、塑分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。料和胶粘剂等。 4. 复合材料复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。不同的材料组合而成。是多相材料，

5、主要包括基体相和是多相材料，主要包括基体相和增强相。增强相。基体相是连续相材料，作用是把改善性能的增基体相是连续相材料，作用是把改善性能的增强相材料固结成一体，并传递应力；增强相起承受应力强相材料固结成一体，并传递应力；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既保持原材料的重要特色，又通过复合效应使复合材料既保持原材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。性能。 碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻玻 璃璃 钢钢 游游 艇艇玻

6、璃钢游乐设备玻璃钢游乐设备玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工业包括神州系列载人飞船等高端技术领域发挥重要作用业包括神州系列载人飞船等高端技术领域发挥重要作用复合材料复合材料-隐形飞机上的特殊材料隐形飞机上的特殊材料 主题一：基础（原）材料先进制造技术主题一：基础（原）材料先进制造技术绿色制造技术、低成本制造技术、催化与分离技术、通用材绿色制造技术、低成本制造技术、催化与分离技术、通用材料高性能化制备技术料高性能化制备技术 主题二：超级结构材料主题二：超级结构材料高性能金属材料、高性能结构陶瓷、高性能工程塑料、先进高性能金属材

7、料、高性能结构陶瓷、高性能工程塑料、先进结构复合材料结构复合材料 主题三：先进功能材料与器件主题三：先进功能材料与器件光电子材料与器件、微电子材料与器件、信息功能材料与器光电子材料与器件、微电子材料与器件、信息功能材料与器件、超导材料与器件、智能材料与器件件、超导材料与器件、智能材料与器件 主题四：能源与生态环境材料主题四：能源与生态环境材料新型能源材料、环境友好材料、生物与仿生材料新型能源材料、环境友好材料、生物与仿生材料 主题五：纳米材料与器件主题五：纳米材料与器件纳电子材料与器件、纳米生物医用材料、纳米能源材料、纳纳电子材料与器件、纳米生物医用材料、纳米能源材料、纳米结构材料、纳米材料与

8、器件评价与表征技术米结构材料、纳米材料与器件评价与表征技术复合材料重要意义复合材料重要意义对先进结构材料的需求对先进结构材料的需求 航空航天航空航天 能源工业能源工业 交通运输业交通运输业 武器系统武器系统 建筑业建筑业 机械设备制造业机械设备制造业 环境保护环境保护 国家重大工程国家重大工程先进结构材料发展趋先进结构材料发展趋 势势材料的复合化材料的复合化结构材料的功能和多功能化结构材料的功能和多功能化传统结构材料的高性能化传统结构材料的高性能化低成本技术特别受到重视低成本技术特别受到重视简化材料体系简化材料体系, ,做到一材多用做到一材多用重视发展材料的先进制备和加工技术重视发展材料的先进

9、制备和加工技术提前安排重要新结构材料的研制提前安排重要新结构材料的研制重视新材料的环境影响重视新材料的环境影响l6000年前人类就已经会年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑用稻草加粘土作为建筑复合材料。复合材料。l现代意义复合材料最早现代意义复合材料最早出现于出现于1839年美国人年美国人Goodyear发明的橡胶发明的橡胶硫化法。硫化法。.复合材料的发展复合材料的发展l 第一代复合材料第一代复合材料 玻璃纤维增强树脂基复合材料玻璃纤维增强树脂基复合材料最早出现于最早出现于1940年，轻质高强、隔热、不反射电磁波，用年，轻质高强、隔热、不反射电磁波，用于军工领域。于军工领域。目前用量最大、技术

10、最成熟、低成本目前用量最大、技术最成熟、低成本。l 第二代复合材料第二代复合材料 碳纤维增强树脂基复合材料碳纤维增强树脂基复合材料 由于碳纤维高比强度和比模量。主要用在航空航天，随着由于碳纤维高比强度和比模量。主要用在航空航天，随着碳纤维成本的降低，逐渐用于民用领域。碳纤维成本的降低，逐渐用于民用领域。l 第三代复合材料第三代复合材料 有机纤维增强树脂基复合材料有机纤维增强树脂基复合材料 美国杜邦公司美国杜邦公司kevlar纤维为代表。高比强度和比模量，低纤维为代表。高比强度和比模量，低成本（碳纤维的成本（碳纤维的1/3）。其他纤维如超高分子量聚乙烯纤维、）。其他纤维如超高分子量聚乙烯纤维、聚

11、苯并双噁唑（聚苯并双噁唑（PBO）纤维等。）纤维等。l 1970年代出现了金属、陶瓷为基体的复合材料年代出现了金属、陶瓷为基体的复合材料l 190年代出现了纳米复合材料年代出现了纳米复合材料 l定义：由两种或两种以上定义：由两种或两种以上不同性质不同性质的单的单一材料，通过不同复合方法得到的一材料，通过不同复合方法得到的宏观宏观多相多相材料。材料。 区别于混合材料的特征是区别于混合材料的特征是多相结构多相结构，存，存在在复合复合效应。效应。.复合材料的定义与分类复合材料的定义与分类l分类分类 （1）基体种类）基体种类树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材树脂基复合材料、金属基复合材料、陶

12、瓷基复合材料。料。 （2）增强材料）增强材料 形状：颗粒、晶须、纤维、织物形状：颗粒、晶须、纤维、织物 类型类型: 无机和有机材料无机和有机材料 （3）用途）用途 结构复合材料、功能复合材料。结构复合材料、功能复合材料。 树脂基树脂基 基体材料基体材料 金属基金属基 陶瓷基陶瓷基 粒子状粒子状 增强剂增强剂纤维状纤维状 层状层状 聚脂树脂聚脂树脂 飞机、汽车、飞机、汽车、 树脂基树脂基 ( 玻璃钢玻璃钢) 玻璃纤维玻璃纤维 船舶、建筑船舶、建筑 结构结构 金属金属 复合复合 金属基金属基 耐热纤维耐热纤维 航空、航天航空、航天 复合方式复合方式 基体陶瓷基体陶瓷 Al2O3、SiO2、SiC、

13、 陶瓷基陶瓷基 增强纤维增强纤维 C、SiC、 航空航天航空航天 功能功能 功能体功能体 换能、导电、导磁换能、导电、导磁 复合复合 基基 体体 屏蔽屏蔽 吸波材料吸波材料 增强纤维增强纤维 隐形飞机隐形飞机 （）复合材料结构特点（）复合材料结构特点l纤维增强复合材料，如玻璃钢；纤维增强复合材料，如玻璃钢；l层迭复合材料，如铝与塑料薄膜；层迭复合材料，如铝与塑料薄膜；l颗粒复合材料，如电木粉；颗粒复合材料，如电木粉；l骨架复合材料，如蜂窝夹层结构等，骨架复合材料，如蜂窝夹层结构等，其中比较重要的是其中比较重要的是纤维增强复合材料纤维增强复合材料。l聚醚醚酮聚醚醚酮PEEK 1977年由英国年由

14、英国ICI公司开发。公司开发。结晶性树脂结晶性树脂/热塑性树脂，熔点热塑性树脂，熔点334。短期耐热：纯树脂耐热短期耐热：纯树脂耐热160，玻璃纤维，玻璃纤维/碳纤维增强后碳纤维增强后300。韧性好；韧性好；阻燃：可自熄，燃烧时发热量最少。阻燃：可自熄，燃烧时发热量最少。耐腐蚀：除了浓硫酸。耐腐蚀：除了浓硫酸。l复合材料主要由基体和增强体（对功能材复合材料主要由基体和增强体（对功能材料称功能体）组成料称功能体）组成l基体：连接增强体、传递载荷、分散载荷基体：连接增强体、传递载荷、分散载荷l增强体：结构结构复合材料中主要起承受增强体：结构结构复合材料中主要起承受载荷的作用。载荷的作用。l功能体：

15、赋予复合材料一定的物理、化学功能体：赋予复合材料一定的物理、化学功能。功能。树脂基复合材料树脂基复合材料l 聚合物基体及其复合材料性能特点聚合物基体及其复合材料性能特点 （1）密度低）密度低（2）耐腐蚀）耐腐蚀（3）易氧化，老化）易氧化，老化（4）耐热性较差，易降解和氧化）耐热性较差，易降解和氧化（5）易燃）易燃（6）摩擦系数低）摩擦系数低（7）低的导热性和高的热膨胀性）低的导热性和高的热膨胀性（8）电绝缘性好，静电积累）电绝缘性好，静电积累（9）可整体着色）可整体着色（10）力学性能随分子结构变化）力学性能随分子结构变化l 乙烯基酯树脂乙烯基酯树脂 双酚环氧丙烯酸类乙烯基酯树脂结构式双酚环氧

16、丙烯酸类乙烯基酯树脂结构式 l 以不饱和酸（丙烯酸或甲基丙烯酸）和带活性点的低分子以不饱和酸（丙烯酸或甲基丙烯酸）和带活性点的低分子量树脂（环氧树脂）为原料，在催化剂作用下，经加热反量树脂（环氧树脂）为原料，在催化剂作用下，经加热反应得到的端基或侧基含不饱和双键的树脂。工业上是将乙应得到的端基或侧基含不饱和双键的树脂。工业上是将乙烯基酯树脂溶解在苯乙烯中制成液体树脂。烯基酯树脂溶解在苯乙烯中制成液体树脂。 l 兼有不饱和聚酯和环氧树脂的优点：不饱和树脂可常温固兼有不饱和聚酯和环氧树脂的优点：不饱和树脂可常温固化、施工方便；双酚化、施工方便；双酚A骨架保留了环氧树脂的基本特征。骨架保留了环氧树脂

17、的基本特征。l 突出优点：突出优点：防腐蚀性防腐蚀性良好、施工工艺性好。良好、施工工艺性好。整体树脂地面整体树脂地面 采用采用MFE-5树脂沟缝的花岗岩耐腐蚀地面树脂沟缝的花岗岩耐腐蚀地面 玻璃刚拼状式储罐玻璃刚拼状式储罐l双马来酰亚胺双马来酰亚胺-BMI 由顺丁烯二酸酐和二元胺在一定条件下反由顺丁烯二酸酐和二元胺在一定条件下反应得到。综合了聚酰亚胺和环氧树脂的特应得到。综合了聚酰亚胺和环氧树脂的特点，具有较好的耐热性和工艺性。点，具有较好的耐热性和工艺性。 缺点：脆性大，熔点高，难溶解，固化温缺点：脆性大，熔点高，难溶解，固化温度高，需要改性。度高，需要改性。 基体材料的性能基体材料的性能l

18、 玻璃纤维玻璃纤维直径直径5-20m 主要用在对使用性能要求不高的场合。主要用在对使用性能要求不高的场合。优点：强度较高优点：强度较高（可达（可达2GPa），相对密度小，相对密度小（2.4-2.7g/cm3），化学稳定性高，耐热性好；，化学稳定性高，耐热性好；缺点：脆性大，耐磨性差，纤维表面光滑不易与缺点：脆性大，耐磨性差，纤维表面光滑不易与其它物质结合。其它物质结合。用途：可制成长纤维和短纤维，或织成布和毡。用途：可制成长纤维和短纤维，或织成布和毡。玻璃纤维纱玻璃纤维纱玻璃纤维短切纱玻璃纤维短切纱玻璃纤维布玻璃纤维布玻璃纤维毡玻璃纤维毡玻璃纤维带玻璃纤维带碳纤维和石墨纤维碳纤维和石墨纤维有机

19、纤维在惰性气体中，经高温碳化制成。有机纤维在惰性气体中，经高温碳化制成。2000以以下制得碳纤维，再经下制得碳纤维，再经2500以上处理得石墨纤维。以上处理得石墨纤维。l机械性能受温度的影响较小：弹性模量高，机械性能受温度的影响较小：弹性模量高，2500无氧气氛中变化较小。无氧气氛中变化较小。l石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高，并具有自石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高，并具有自润滑性。润滑性。l主要用在对使用性能要求较高的条件主要用在对使用性能要求较高的条件如碳如碳/碳复合材料用在航空航天等领域。碳复合材料用在航空航天等领域。l 超高强聚乙烯纤维超高强聚乙烯纤维l 芳香族聚酰胺纤维芳香族聚

20、酰胺纤维l 聚苯并双恶唑聚苯并双恶唑PBOPBOl 液晶芳族杂环聚合物液晶芳族杂环聚合物 高性能有机纤维高性能有机纤维l 超高分子量聚乙烯纤维（超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE、HTHMPE或或UPS-PE） 也称伸直链聚乙烯纤维或高强、高模量聚乙烯纤，以也称伸直链聚乙烯纤维或高强、高模量聚乙烯纤，以超高分子量聚乙烯为原料，经溶胶纺丝超高分子量聚乙烯为原料，经溶胶纺丝-超倍拉伸技术超倍拉伸技术制得。其特点是：制得。其特点是：l相对分子量大于相对分子量大于100万；万；l密度低：密度低：0.960.97g/cm3, 是最轻的纤维；是最轻的纤维；l强度高：强度高：3.56.3GPa，是钢的，是钢

21、的10倍，碳纤维和芳纶倍，碳纤维和芳纶纤维的纤维的2倍；倍；l耐热性差：耐热性差：140熔融。熔融。主要用在缆绳和高技术军备材料，如武器装甲、防弹主要用在缆绳和高技术军备材料，如武器装甲、防弹背心、头盔等。背心、头盔等。UPS-PEl芳香族聚酰胺纤维凯芙拉芳香族聚酰胺纤维凯芙拉Kevlar 由杜邦公司由杜邦公司1972年开发，对苯二甲酰对苯年开发，对苯二甲酰对苯二胺（二胺（PPTA），是液晶高分子，特点：），是液晶高分子，特点：（1） 高比强度、高比模量高比强度、高比模量比强度是钢丝的比强度是钢丝的3-4倍，比模量是钢丝倍，比模量是钢丝或玻璃纤维的或玻璃纤维的2-3倍，而密度是钢丝的倍，而密度

22、是钢丝的1/5；（2）耐高低温）耐高低温连续使用温度为连续使用温度为-196-204，在，在-45仍能保持相当与室温下的韧性。仍能保持相当与室温下的韧性。芳纶纤维及其织物芳纶纤维及其织物l 聚苯并双恶唑（聚苯并双恶唑（PBO）纤维）纤维 1995年由年由Dow化学公司和东洋纺织公司联合研制化学公司和东洋纺织公司联合研制成功。特点是：强度、模量、耐热、阻燃优于其成功。特点是：强度、模量、耐热、阻燃优于其他有机纤维，被称为面向他有机纤维，被称为面向21世纪的超纤维。世纪的超纤维。l 晶须晶须 晶须是指以单晶形式生长的形状类似于短纤维，而尺寸远小于短纤晶须是指以单晶形式生长的形状类似于短纤维，而尺寸

23、远小于短纤维的针状单晶体。包括金属晶须和陶瓷晶须。维的针状单晶体。包括金属晶须和陶瓷晶须。 直径为零点几到几微米，长度为几十到几百微米，长径比大于直径为零点几到几微米，长度为几十到几百微米，长径比大于10。 由于在结晶时原子结构高度有序排列，内部缺陷较少，其强度和模由于在结晶时原子结构高度有序排列，内部缺陷较少，其强度和模量接近于完整晶体材料的理论值，是一种力学性能十分优异的量接近于完整晶体材料的理论值，是一种力学性能十分优异的补强补强增韧剂增韧剂。 金属晶须中可批量生产的是铁晶须，其最大特点是可在磁场中取向，金属晶须中可批量生产的是铁晶须，其最大特点是可在磁场中取向，可以很容易地制取定向纤维

24、增强复合材料。可以很容易地制取定向纤维增强复合材料。 陶瓷晶须比金属须强度高，相对密度低，弹性模量高，耐热性好。陶瓷晶须比金属须强度高，相对密度低，弹性模量高，耐热性好。 晶须主要用于金属材料基和陶瓷基复合材料的补强增韧晶须主要用于金属材料基和陶瓷基复合材料的补强增韧碳化硅晶须碳化硅晶须硫酸钙晶须硫酸钙晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须功能填料：功能填料：.树脂基复合材料的特点与性能树脂基复合材料的特点与性能 特点特点 （1）可设计性可设计性 复合材料的力学、热、电、声、光等物理化学性能都可通复合材料的力学、热、电、声、光等物理化学性能都可通过组分材料的选择、界面控制等设计手段达到。过组分材料的选择、界

25、面控制等设计手段达到。 （2）材料与结构的一致性材料与结构的一致性 复合材料的构件与材料同时形成。复合材料的构件与材料同时形成。 （3）存在复合效应存在复合效应 区别于任意混杂材料区别于任意混杂材料 复合材料的性能不是其组分材料性能的简单叠加，可以产复合材料的性能不是其组分材料性能的简单叠加，可以产生新的性能。生新的性能。优点优点 （1）密度低密度低 大多数聚合物的密度在大多数聚合物的密度在1g/cm3左右，左右，0.9-1.5cm3之间。之间。 （2）高比强度、高比模量高比强度、高比模量 比强度是拉伸强度与密度的比值。如碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强比强度是拉伸强度与密度的比值。如碳纤维增

26、强环氧树脂复合材料的比强度是钢的度是钢的6倍，比模量是钢的倍，比模量是钢的4倍。倍。 （3）电绝缘性好，透波材料）电绝缘性好，透波材料 （4）耐疲劳性能好耐疲劳性能好 金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30-50； 碳纤维增强聚合物基复合材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的碳纤维增强聚合物基复合材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的70-80；能长期承受交变载荷。能长期承受交变载荷。 （5）耐化学物质腐蚀耐化学物质腐蚀 乙烯基酯树脂乙烯基酯树脂 缺点：不耐高温，不易回收利用缺点：不耐高温，不易回收利用几种常用材料与复合材料的比强度和比模量几种常用材料与复合材料的比强

27、度和比模量复合材料复合材料 玻璃纤维增强树脂基复合材料玻璃纤维增强树脂基复合材料 碳纤维增强树脂基复合材料碳纤维增强树脂基复合材料 生产生活中常生产生活中常用的复合材料用的复合材料航空、航天领域中航空、航天领域中的复合材料的复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料.树脂基复合材料的应用与发展趋势树脂基复合材料的应用与发展趋势l 降低成本降低成本 原材料、原材料、成型工艺成型工艺、设计、设计l 先进复合材料的研制先进复合材料的研制 高强、高模量、耐高温等性能，用于航空航天领高强、高模量、耐高温等性能，用于航空航天领域。域。l 功能复合材料功

28、能复合材料 烧蚀、摩阻、磁性、导电、吸声、烧蚀、摩阻、磁性、导电、吸声、阻尼阻尼l 智能复合材料智能复合材料 具有感知、识别及处理能力的复具有感知、识别及处理能力的复合材料。合材料。l 仿生复合材料仿生复合材料 参考生命系统的结构规律设计制参考生命系统的结构规律设计制造。造。l 环保复合材料环保复合材料 复合材料的回收利用复合材料的回收利用玻璃钢防腐蚀产品玻璃钢防腐蚀产品基体的结构和性能基体的结构和性能增强体或功能体的结构和性能增强体或功能体的结构和性能界面结构和界面效应界面结构和界面效应复合后材料的物理及力学性能的一般规律相共性复合后材料的物理及力学性能的一般规律相共性复合过程的一般规律和共

29、性复合过程的一般规律和共性材料功能化原理材料功能化原理研究内容是整个复合材料工程学的理论基础。研究内容是整个复合材料工程学的理论基础。除基体和增强休或功能体对复合材树的性能有决定性影响外，除基体和增强休或功能体对复合材树的性能有决定性影响外，界面的作用也有很大的影响。界面、界面效应对复合材料性界面的作用也有很大的影响。界面、界面效应对复合材料性能的巨大影响正是复合材料区别于一般混合材料的重要标志。能的巨大影响正是复合材料区别于一般混合材料的重要标志。焊接材料界面焊接材料界面玻璃钢绝缘产品玻璃钢绝缘产品相关网站相关网站1、国内公司、国内公司天原（集团）上海树脂厂有限公司天原（集团）上海树脂厂有限公司 岳阳石化总厂环氧树脂厂岳阳石化总厂环氧树脂厂 www.sinopec- 华东理工大学华昌聚合物有限公司华东理工大学华昌聚合物有限公司 上纬上纬(上海上海)精细化工有限公司精细化工有限公司 重庆国际复合材料有限公司重庆国际复合材料有限公司 四川玻纤有限公司四川玻纤有限公司 中钢集团吉林炭素股份有限公司中钢集团吉林炭素