第一章 复合材料总论

1、 白宫全复合材料涡桨公务机海胆1、现代复合材料现代复合材料-陈华辉陈华辉 邓海金邓海金 李李 明明 （中国物质出版社（中国物质出版社,1998）2、复合材料、复合材料-吴人洁（天津大学出版社吴人洁（天津大学出版社,2000）3、复合材料科学与工程、复合材料科学与工程-倪礼忠倪礼忠,陈麒陈麒(科学出版社科学出版社,2002)4、复合材料及其应用、复合材料及其应用尹洪峰尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社任耘（陕西科学技术出版社,2003）5、高性能复合材料学、高性能复合材料学-郝元恺郝元恺,肖加余肖加余 (化学工业出版社化学工业出版社,2004)6、新材料概论、新材料概论- 谭毅谭毅, 李敬锋李敬锋

2、(冶金工业出版社冶金工业出版社,2004) 7、先进复合材料、先进复合材料-鲁鲁 云云 朱世杰朱世杰 马鸣图马鸣图 （机械工业已出版社（机械工业已出版社,2004）8、复合材料概论、复合材料概论-王荣国王荣国 武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，2004）建议教材建议教材复合材料概论复合材料概论-王荣国王荣国 武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，2004）第一章第一章 总论总论 各有千秋各有千秋扬长避短扬长避短 克服单一材料的缺点克服单一材料的缺点 产生原来单一材料本身所没有的新性能产生原来单一材料本身所没有的新性能10000BC5000

3、BC015001900196019801990200020102020金金铜铜铁铁钢钢合金钢合金钢高温合金高温合金高分子高分子木材木材皮肤皮肤纤维纤维动物胶动物胶橡胶橡胶电木电木尼龙尼龙PEPCPSPPPAN聚酯聚酯高模聚合物高模聚合物导电高分子导电高分子复合材料复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料石材石材陶瓷陶瓷陶器陶器玻璃玻璃水泥水泥耐火材料耐火材料熔融硅熔融硅耐湿陶瓷耐湿陶瓷韧性机械陶瓷韧性机械陶瓷3什么是复合材料什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ? 要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难要给复合

4、材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑虑复合后材料的性能复合后材料的性能，或偏重于考虑或偏重于考虑复合材料的结构复合材料的结构 。 （）（） 复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分成分不同不同，性质不同性质不同，有时，有时形状也不同形状也不同的相容性材料，以的相容性材料，以物物理形式理形式结合而成的。结合而成的。值得一提的是：值得一提的是：复合材料的结构通常是

5、一个相为连续相，称为复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体基体；而另；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体增强体 ( (也称为也称为增强材料、增强相等增强材料、增强相等) )复合材料的组份材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是组复合材料的组份材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是组份材料性能的简单加和，而是由着重要的改进。这也是其具有旺盛生命力份材料性能的简单加和，而是

6、由着重要的改进。这也是其具有旺盛生命力的根源的根源 1.1.2 1.1.2 、按增强纤维种类分类、按增强纤维种类分类纤维增强复合材料分为以下五种：纤维增强复合材料分为以下五种： 玻璃纤维玻璃纤维复合材料；复合材料； 碳纤维碳纤维复合材料；复合材料； 有机纤维有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；纤维等）复合材料； 金属纤维金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料； 陶瓷纤维陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。材料。赖际发赖际发、热塑

7、性玻璃钢、热塑性玻璃钢 热塑性玻璃钢是以热塑性玻璃钢是以玻璃纤维玻璃纤维为增强剂和以为增强剂和以热塑性树脂热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料。为粘结剂制成的复合材料。、热固性玻璃钢、热固性玻璃钢 热固性玻璃钢是以热固性玻璃钢是以玻璃纤维玻璃纤维为增强剂和以为增强剂和以热固性树脂热固性树脂为粘结剂制成的复合材料。为粘结剂制成的复合材料。硼纤维复合材料硼纤维复合材料硼纤维硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。、硼纤维、硼纤维树脂树脂复合材料：基体主要为复合材料：基体主要为环氧树脂环氧树脂、聚苯并聚苯并咪唑咪唑和和聚酰亚胺树脂聚酰亚胺树脂等。等。、硼纤维、硼纤维金属金属

8、复合材料：常用的基体为复合材料：常用的基体为铝、镁及其合金铝、镁及其合金，还有还有钛及其合金钛及其合金等。等。金属纤维复合材料金属纤维复合材料 作增强纤维的金属主要是作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属强度较高的高熔点金属钨钨、钼钼、钢钢、不锈钢不锈钢、钛钛、铍铍等，它们能被基体金属等，它们能被基体金属润湿润湿，也，也能能增强增强陶瓷。陶瓷。、金属纤维金属纤维金属金属复合材料复合材料：研究较多的增强剂为：研究较多的增强剂为钨钼丝钨钼丝，基体为基体为镍合金镍合金和和钛合金钛合金。、金属纤维金属纤维陶瓷陶瓷复合材料复合材料：利用金属纤维的：利用金属纤维的韧性韧性和和抗拉抗拉能力能力改善陶瓷的

9、改善陶瓷的脆性脆性。聚合物基聚合物基复合材料复合材料金属基金属基复合材料复合材料陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料水泥基水泥基复合材料复合材料碳基碳基复合材料复合材料热固热固性树脂基性树脂基热塑热塑性树脂基性树脂基橡胶橡胶基基高温陶瓷高温陶瓷基基玻璃玻璃基基玻璃陶瓷玻璃陶瓷基基轻金属轻金属基基高熔点金属高熔点金属基基金属间化合物金属间化合物基基1.1.4 1.1.4 按材料作用分两类按材料作用分两类 结构结构复合材料；复合材料； 功能功能复合材料。复合材料。复合材料目前状况复合材料目前状况（）玻璃钢和树脂基复合材料（）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟非常成熟 广泛的应用广泛的应用 （）金属基复合材料

10、（）金属基复合材料 开发阶段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位 （）陶瓷基复合材料及功能复合材料等（）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决1.1. 复合材料发展概况复合材料发展概况复合材料复合材料发展简史：发展简史：学术界开始使用学术界开始使用“复合材料复合材料”（composite composite materials materials ）一词大约是在）一词大约是在2020世纪世纪4040年代，当时出现了年代，当时出现了玻玻璃纤维增强不饱和聚酯璃纤维增强不饱和聚酯，开辟了，开辟了现代复合材料现代

11、复合材料的新纪元。的新纪元。古代古代近代近代先进复合材料先进复合材料天然复合材料天然复合材料自然界中存在许许多多的天然复合材料。例自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，如，树木树木和和竹子竹子是是纤维素纤维素和和木质素木质素的复合体；的复合体；动物的骨骼动物的骨骼则由则由无机磷酸盐无机磷酸盐和和蛋白质胶原蛋白质胶原复复合而成。合而成。现代复合材料现代复合材料的制作成功则要从的制作成功则要从19421942年，第年，第二次世界大战中，二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂复合材复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。 仿照仿照竹子竹

12、子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。材料。 仿照仿照鲍鱼壳鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了铝和硼混合成陶瓷细带制成了1010微米厚的薄层，由此得到的微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固层状复合材料比其原材料坚固4040。 仿照仿照骨骼骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机

13、的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。68Chapter 9 Composites第二节第二节 复合材料的基本特性、应用复合材料的基本特性、应用及其研究现状及其研究现状 2.2.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前已提及：前已提及： (3)(3)电性能好电性能好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，通过选择不同的树脂选择不同的树脂基体基体、增强材料增强材料和和辅助材料辅助材料，可以将其制成，可以将其制成绝缘材料绝

14、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，玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的优良的电绝缘性能电绝缘性能，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介电介电性能性能，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；(5)(5)热性能良好热性能良好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较低的较低的导热系数导热系数，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耐烧耐烧蚀材料蚀材料和和热防护材料热防护材料，能有效地保护火箭

15、、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20002000以上承受用温、高速气流的冲以上承受用温、高速气流的冲刷作用。刷作用。比模量比模量系指在温度为系指在温度为232322和相对湿度为和相对湿度为50505 5的条件下测量的杨氏模量的条件下测量的杨氏模量( (单位单位:N.m:N.m-2-2) )除除以比重以比重( (单位单位:N.m:N.m-3-3) )。杨氏模量杨氏模量就是指表达物体在变形时所受的应力就是指表达物体在变形时所受的应力与应变关系的比例常数。与应变关系的比例常数。(8)(8)长期耐热性长期耐热性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

16、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300 300 左右。左右。 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可调节的太阳镜可调节的太阳镜19/13020/130(1)(1)在航空、航天方面的应用在航空、航天方面的应用 由于复合材料的由于复合材料的轻质高强轻质高强持性，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

17、、机身、垂尾、副翼、水平作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、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。 (3)(3)在交通运输方面的应用在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的的耗油量只有钢制汽车的1 14 4，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。 44/13045/13046/13047/130(4)(4)在化学工业方面的应用在化学工业方面的应用在

18、化学工业方面，复合材料主要被用于制造防在化学工业方面，复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐能。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。国家体育馆（鸟巢）国家体育馆（鸟巢）国家游泳馆（水立方）国家游泳馆（水立方）“鸟巢鸟巢”钢结构卸载成功钢结构卸载成功9月月17日日“鸟巢鸟巢”真正诞生真正诞生 29/130一、原材料的研究一、原材料的研究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2

19、020世纪世纪5050年代末，开始研制年代末，开始研制玻璃纤维增强体玻璃纤维增强体，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坩埚法坩埚法为主，近来正发展为主，近来正发展到先进的到先进的池窑法池窑法（直接熔融法）。（直接熔融法）。二、各种基体复合材料的研究二、各种基体复合材料的研究、聚合物基复合材料、聚合物基复合材料热固性聚合物基体热固性聚合物基体主要为不饱和聚酯、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。热塑性聚合物基体热塑性聚合物基体除聚丙烯外，还有常用除聚丙烯外，还有常用的工程塑料，如聚