复合材料第 1 章

1、 课程的性质与作用课程的性质与作用 主主 要要 内内 容：容：第一章第一章 复合材料概述复合材料概述第二章第二章 复合材料的基体材料复合材料的基体材料第三章第三章 复合材料的增强材料复合材料的增强材料第五章第五章 聚合物基复合材料聚合物基复合材料第六章第六章 金属基复合材料金属基复合材料第七章第七章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第八章第八章 先进复合材料简介先进复合材料简介第四章第四章 复合材料的界面复合材料的界面教材或参考资料：教材或参考资料：n王荣国等王荣国等. 复合材料概论（第三版）复合材料概论（第三版）. 哈尔滨哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社, 2004n贾成厂等贾

2、成厂等. 复合材料教程复合材料教程. 北京北京: 高等高等教育出版社教育出版社, 2010n尹洪峰等尹洪峰等. 复合材料复合材料. 北京北京: 冶金工业冶金工业出版社出版社, 2010n冯小明等冯小明等. 复合材料（第二版）复合材料（第二版）.重庆重庆: 重庆大学重庆大学出版社出版社, 2011n复合材料学报复合材料学报http:/ home.shtml一、一、材料的发展与人类社会的进材料的发展与人类社会的进步步l 人类历史的发展大致经历了五次产业革命，分别为人类历史的发展大致经历了五次产业革命，分别为石器时代、石器时代、青铜器时代、蒸汽机时代、化学工业兴起时代、电气和微电青铜器时代、蒸汽机时

3、代、化学工业兴起时代、电气和微电子时代子时代。l 综观人类发展的历史可以清楚地看到，每一种重要材料的发综观人类发展的历史可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用都在产业革命中起到了积极地推动作用，都会把人现和利用都在产业革命中起到了积极地推动作用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。力和人类生活带来巨大的变化。石器时代l 石器时代始于距今二三百万年前，止于距今6000至4000年前，分为旧石器时代和新石器时代。石刀石刀l 生存方式由起初的使用自然界中容易获得的简单材料如兽皮、甲骨、羽毛、树

4、木、草叶、石块、泥土等发展到开始有条件的选择材料，并且学会了加工材料。l 在对石器的加工过程中，人类发现不同石块质地的差别，开始选择质地好的石块，经过精心打磨，得到玉器。火的发现与使用，促使人类发明了制陶工艺，陶器作为第一种人造材料结束了人类的石器时代，使人类从蒙昧时代进入野蛮时代。 石铲石铲青铜器时代巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安阳晚商遗址）（河南安阳晚商遗址）湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑l 从使用石器到铸造青铜器是人类技术发展史上的飞跃，是社会变革和进步的巨大动力。它改变了人类改造自然的方式，大大促进了生产力的提升。l 青铜器时代处于新石器时代和铁器时代之间。

5、大约在公元前2000年，中国开始了自己的青铜器时代，经夏、商、西周、春秋、战国，持续了1500 多年。蒸汽机时代蒸汽机车蒸汽机车l 蒸汽机时代以英国为中心，发生于16 世纪到20 世纪。蒸汽机蒸汽机l 冶炼及铸铁工艺的进步为蒸汽机的诞生创造了条件，而蒸汽机的出现使人类进入了工业时代。化学工业兴起时代l 化学工业兴起时代以德国为中心，发生于20 世纪，主要是煤焦化得到煤焦油等有机物，进而进行各种化学反应。l 化学工业的发展使人类掌握了利用化学反应合成新的化学物质，这些化学合成材料的发展极大的促进了现代工业的进步，也提高了人们的生活水平。 橡胶纤维塑料三大合成材料电气微电子产业时代l 微电子时代起

6、始于20 世纪后期，以美国为中心。l 半导体材料的发现和应用，催生了计算机及机电一体化。于是现代工厂企业实现了机器设备的电气自动化，生产效率大大提高，微型计算机更是大大提高了办公效率。 发光二极管芯片新材料时代l 21 世纪生命科学和生物技术的发展以及纳米材料的发展推动了新时代材料的到来。有望获得重大突破的热点是纳米材料、超导材料、生物医用材料、电子材料、光电子材料、以及复合材料。波音波音787结构材料分布图结构材料分布图 风力发电叶片风力发电叶片二、复合材料的提出二、复合材料的提出l 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展，同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。l 在许多方面，传统的单一

7、材料已不能满足实际需要，这些都促进了人们对材料的研究向着按预定性能设计新材料的研究方向发展。l 复合材料的出现和发展，极大弥补了单一材料的缺点，各组分之间取长补短、协同作用，产生单一材料所不具有的新性能。因此，复合化是材料科学的发展的必然趋势。 航空发动机材料发展预测古代复合材料古代复合材料 复合材料发展史复合材料发展史：三、复合材料的发展历史三、复合材料的发展历史古代复合材料古代复合材料 复合材料发展史复合材料发展史： 1965年在湖北江陵楚墓出土的越王勾践剑。 锡青铜表面涂覆一层硫化铜而成。古代复合材料古代复合材料 复合材料发展史复合材料发展史：近代复合材料近代复合材料 复合材料发展史复合

8、材料发展史： 近代复合材料的制造成功要于1942 年，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。近代复合材料近代复合材料 复合材料发展史复合材料发展史：l复合材料发展第一代复合材料发展第一代：19421960年，玻璃纤维增强塑料年，玻璃纤维增强塑料（GFRP，Glass Fiber Reinforced Plastics）时代。）时代。美国：火箭发动机壳和燃料容器美国：火箭发动机壳和燃料容器 同时出现的有：硼纤维增强塑料同时出现的有：硼纤维增强塑料BFRP （Boron Fiber Reinforced Plastics） 碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料

9、CFRP （Carbon Fiber Reinforced Plastics）近代复合材料近代复合材料 复合材料发展史复合材料发展史：l复合材料发展第二代复合材料发展第二代：19601980年，先进复合材料年，先进复合材料 发展时代发展时代。 1975年先进复合材料“碳纤维增强环氧树脂复合材料及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。 70年代：凯夫拉纤维增强塑料（年代：凯夫拉纤维增强塑料（KFRP） 碳化硅纤维增强塑料（碳化硅纤维增强塑料（SFRP） 氧化铝纤维增强塑料（氧化铝纤维增强塑料（AFRP） 碳化硅纤维增强金属（碳化硅纤维增强金属（SFRM） 氧化铝纤维增强塑

10、料（氧化铝纤维增强塑料（AFRM）近代复合材料近代复合材料 复合材料发展史复合材料发展史：l复合材料发展第三代复合材料发展第三代：19801990年，纤维增强金属年，纤维增强金属 基复合材料时代基复合材料时代。同时陶瓷基。同时陶瓷基 复合材料也得到研究和发展。复合材料也得到研究和发展。发动机风扇叶片（发动机风扇叶片（SiC/Ti）氧化铝纤维增强铝基复合材料氧化铝纤维增强铝基复合材料近代复合材料近代复合材料 复合材料发展史复合材料发展史：l复合材料发展第四代复合材料发展第四代： 1990至今，主要发展多功能复合至今，主要发展多功能复合 材料，如机敏复合材料、梯度功材料，如机敏复合材料、梯度功 能

11、材料。能材料。变形机翼变形机翼地球温室效应、地球温室效应、臭氧层破坏、臭氧层破坏、沙漠化、沙漠化、野生动物灭绝野生动物灭绝清洁淡水、清洁淡水、食物、食物、可耕地可耕地石油、石油、天然气、天然气、煤、煤、矿产等矿产等环境污染环境污染人口膨胀人口膨胀能源枯竭能源枯竭人类社会在未来面临的问题、社会的特点和重点需求：人类社会在未来面临的问题、社会的特点和重点需求：v进入高度信息化的社会，同时对生活质量和健康水平的进入高度信息化的社会，同时对生活质量和健康水平的追求会更高。追求会更高。v地球存在着非常严重的问题。地球存在着非常严重的问题。四、四、复合材料在复合材料在21世纪中应起的作用世纪中应起的作用

12、1. 对信息技术提供服务对信息技术提供服务信息获得信息获得敏感器件敏感器件换能材料换能材料信息存储信息存储磁记录磁记录光记录光记录信息处理信息处理芯片封装芯片封装电路板电路板信息传输信息传输光导纤维光导纤维导波管导波管信息执行信息执行机械动作机械动作高强高刚高强高刚2.2.对提高人类生活质量做出贡献对提高人类生活质量做出贡献衣衣纺织机械纺织机械食食蔬菜大棚蔬菜大棚住住建筑材料建筑材料行行交通工具交通工具改善舒适性改善舒适性轻质高强、隔音隔热墙体门窗、整体洁具飞机车辆、大小船舰高速列车的车体结构提高安全性提高安全性抗冲韧性、吸收能量汽车保险杠轿车底板自诊断机敏复合材料高层建筑抗地政灾害提高健康水

13、平提高健康水平修复植入人造器官成分设计、调整应力生物相容性人工关节、夹骨板3.3.在解决资源短缺与能源危机方面的贡献在解决资源短缺与能源危机方面的贡献开发新能源与开发新能源与节约能源节约能源挖掘尚未被利挖掘尚未被利用的能源用的能源开发海洋开发海洋与空间与空间使基础设施使基础设施延长寿命延长寿命提高太阳能的转换率（光电池、框架）提高太阳能的转换率（光电池、框架）风力发电装置（大型化的叶片、支柱）风力发电装置（大型化的叶片、支柱）核燃料（铀分离转子）；潮汐发电核燃料（铀分离转子）；潮汐发电基础设施建设的重要性基础设施建设的重要性高性能纤维增强混凝土，取代钢筋高性能纤维增强混凝土，取代钢筋镁（轻量、

14、阻尼性能好，力学性能差）镁（轻量、阻尼性能好，力学性能差）颗粒增强或晶须增强，扩大应用范围颗粒增强或晶须增强，扩大应用范围野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置 （碳纤维增强树脂装置已潜入海下（碳纤维增强树脂装置已潜入海下1000m1000m）海上石油平台、空间站、航天器等海上石油平台、空间站、航天器等4.4.在治理环境中可起的作用在治理环境中可起的作用降低污染整体近净成形降低原材料用量节约加工能耗延长设施寿命功能膜支撑网格碳纤维缠绕气瓶废水治理厂管道利用废弃物材料互补矿渣木屑废塑料麦杆稻草野生植物“绿色

15、”材料自然降解提高性能利用天然纤维透明农膜一此性餐具降解后变为肥料或饲料一、什么复合材料（一、什么复合材料（Composite material）l 国际标准化组织（ISO）：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。l F.L.Matthews 和 R.D.Rawlings 认为复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件：（1）组元含量大于 5 %；（2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；（3）通过各种方法混合而成。其他定义：l GB/T 39612009：由粘结材料（基体）和纤维状、粒状或其他形状材料，通过物理或化学的方法复合而成的一种多

16、相固体材料。l 材料大词典：由高分子、无机非金属或金属等几类材料通过复合工艺组而成的新型材料。它既能保留原组成材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面； 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能； 复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工

17、程结构的效能。二、复合材料的特点二、复合材料的特点三、复合材料的组成三、复合材料的组成复合材料复合材料的组成的组成 基体基体增强体增强体一种连续相，它把改善性一种连续相，它把改善性能的增强相材料固结成一能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用。体，并起传递应力的作用。一种分散相，起承受应一种分散相，起承受应力（结构复合材料）和力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材显示功能（功能复合材料）的作用。料）的作用。 泥砖泥砖泥泥禾秸禾秸钢筋混凝土钢筋混凝土沙子、石子、水泥沙子、石子、水泥钢筋钢筋l 强调基体时以基体材料的名称为主强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合。如树脂基复合材料、金属

18、基复合材料、陶瓷基复合材料等。材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。l 强调增强体时以增强体材料的名称为主强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。增强复合材料等。 l 基体材料名称与增强体材料并用基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。四、复合材料的命名四、复合材料的命名 例如：例如

19、：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称，或简称为为“玻璃纤维玻璃纤维/ /环氧树脂复合材料或玻璃纤维环氧树脂复合材料或玻璃纤维/ /环氧环氧”。而我。而我国则常把这类复合材料通称为国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢玻璃钢”。碳纤维和金属基。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫体构成的复合材料叫“金属基复合材料金属基复合材料”，也可写为，也可写为“碳碳金属复合材料金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳碳复碳碳复合材料合材料”。 国外还常用英文编号来表示，如国外还常用英文编号来表示，如MMCMMC（Metal Matrix Metal

20、 Matrix CompositeComposite）表示金属基复合材料，）表示金属基复合材料，FRPFRP（Fiber Reinforced Fiber Reinforced PlasticsPlastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/ /环氧则表示为环氧则表示为GF/Epoxy, GF/Epoxy, 或或G/Ep(G-Ep)G/Ep(G-Ep)五、复合材料的分类五、复合材料的分类1.按基体类型分类按基体类型分类复合材料复合材料金属基复合材料：金属基复合材料：无机非金属基复合材料：无机非金属基复合材料：聚合物基复合材料：聚合物基复合材料：以金属（铝、镁、钛等

21、）为基以金属（铝、镁、钛等）为基体制成的复合材料。体制成的复合材料。 以有机聚合物（热固性树脂、以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体热塑性树脂及橡胶等）为基体制成的复合材料。制成的复合材料。以陶瓷材料（也包括玻璃以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体制成的复和水泥）为基体制成的复合材料。合材料。2.按增强材料形态分类按增强材料形态分类三维三维：骨架状复合材料、立体编织复合材料。：骨架状复合材料、立体编织复合材料。玻璃纤维、碳纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼、芳纶、金属纤硼、芳纶、金属纤维、陶瓷纤维增强维、陶瓷纤维增强复合材料复合材料零维：零维：颗粒增强颗粒增强 复合材料复合材料复合复合

22、材料材料弥散颗粒增强复合材料（弥散颗粒增强复合材料（1002500）真正颗粒增强复合材料（微米级）真正颗粒增强复合材料（微米级）一维一维：纤维增强：纤维增强 复合材料复合材料按纤维长短按纤维长短按纤维种类按纤维种类连续纤维增强复合材料连续纤维增强复合材料短纤维增强复合材料短纤维增强复合材料晶须增强复合材料晶须增强复合材料二维二维：板状、平面编织、片状材料增强复合材料。：板状、平面编织、片状材料增强复合材料。颗粒增强型颗粒增强型非连续纤维增强型非连续纤维增强型板状增强型板状增强型连续纤维增强型连续纤维增强型3.按复合材料的用途分类按复合材料的用途分类n结构复合材料结构复合材料：以承受载荷为主要目

23、的。主要使用力学性：以承受载荷为主要目的。主要使用力学性能，以满足高强度、高模量、耐冲击、耐磨损的要求。能，以满足高强度、高模量、耐冲击、耐磨损的要求。n功能复合材料功能复合材料：主要使用功能特性，利用其在电、磁、声、：主要使用功能特性，利用其在电、磁、声、光、热、阻尼、烧蚀等方面的特殊性能。如导电复合材料、光、热、阻尼、烧蚀等方面的特殊性能。如导电复合材料、磁性复合材料等。磁性复合材料等。n智能复合材料智能复合材料：机敏材料：机敏材料+自决策材料自决策材料+执行材料。当材执行材料。当材料发生故障或即将失效时，电阻或电导发生突变，机敏材料发生故障或即将失效时，电阻或电导发生突变，机敏材料发出预

24、警，自决策材料根据情况作出最优控制，发出指料发出预警，自决策材料根据情况作出最优控制，发出指令传达给执行材料使之发生动作，从而保证材料处于最佳令传达给执行材料使之发生动作，从而保证材料处于最佳状态。状态。复合材料系统组合 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3） 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）1.1.比强度、高比模量（刚度）比强度、高比模量（刚度）典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较 目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 350 C C； 金属基复合材料按不同的基体性能，

25、其使用温金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在度在350 350 11001100 C C范围内变动；范围内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达陶瓷基复合材料的使用温度可达14001400 C C； 碳碳/ /碳复合材料的使用温度最高可达碳复合材料的使用温度最高可达28002800 C C。2.2.良好的高温性能良好的高温性能不同不同SiCSiC纤维复合材料的使用温度范围纤维复合材料的使用温度范围 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善；陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善； 金属材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的金属材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的30-50 %30-50 % PMC PMC的疲劳

26、极限多为静态抗拉强度的的疲劳极限多为静态抗拉强度的70-80 %70-80 % 复合材料破坏特点：复合材料破坏特点： 经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出、纤维断裂等一经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出、纤维断裂等一系列损伤发展过程；系列损伤发展过程； 当少数纤维断裂时，其失去的部分载荷会通过基体的当少数纤维断裂时，其失去的部分载荷会通过基体的传递而迅速分散到其它完好的纤维上去，复合材料在短期传递而迅速分散到其它完好的纤维上去，复合材料在短期不会丧失承载能力。不会丧失承载能力。3.3.良好的抗疲劳、蠕变、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性冲击和断裂韧性4.4.良好的尺寸稳定性良好的尺寸稳定性 加入

27、增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。系数。 5.5.良好的化学稳定性良好的化学稳定性 聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。6.6.良好的功能性能良好的功能性能 包括包括 光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。 1.在航空航天领域中的应用在航空航天领域中的应用 在航空方面在航空方面

28、主要作民主要作民用飞机和战斗机的机翼蒙用飞机和战斗机的机翼蒙皮、机身、垂尾、付翼、皮、机身、垂尾、付翼、水平尾翼、雷达罩、侧壁水平尾翼、雷达罩、侧壁板等主承力构件。板等主承力构件。PAH-2“Tiger” 武装直升机武装直升机复合材料用量高达复合材料用量高达80%空客空客A380采用的复合材料用采用的复合材料用量占机体结构重量的量占机体结构重量的22%全复合材料机体全复合材料机体的无人直升机的无人直升机复合材料结构使直升机具有复合材料结构使直升机具有： 极轻的重量、极高的强度，使其性能极轻的重量、极高的强度，使其性能先进、有效载荷大、耐航性长。先进、有效载荷大、耐航性长。复合材料的设计非常适于

29、苛刻军事应用复合材料的设计非常适于苛刻军事应用： 没有机体零部件故障或调整，使其维没有机体零部件故障或调整，使其维护率达到最低，战场可靠性很高。护率达到最低，战场可靠性很高。模块式结构：模块式结构： 使其尾梁能在几分钟内同主机分离，使其尾梁能在几分钟内同主机分离，成为一种便携式直升机，可由特种作战成为一种便携式直升机，可由特种作战部队和类似部队携带使用。部队和类似部队携带使用。 在航天上在航天上主要应用于固体火主要应用于固体火箭发动机燃烧室绝热壳体结构、箭发动机燃烧室绝热壳体结构、导弹和运载火箭的间段结构、液导弹和运载火箭的间段结构、液氢储箱结构、仪器舱结构、导弹氢储箱结构、仪器舱结构、导弹和卫星整流罩结构等。和卫星整流罩结构等。整流罩整流罩 全部采用复合材料制造，不全部采用复合材料制造，不加油不着陆连续环球飞行加油不着陆连续环球飞行9天，天，一次加油航程一次加油航程40000公里以上。公里以上。“voyager” 号轻型飞机号轻型飞机主货舱门- 碳纤维/环氧树脂压力容器- 凯芙拉纤维/环氧树脂主机隔框和翼梁- 硼/铝复合材料“哥伦比亚号哥伦比亚号”航天飞机航天飞机发动机的喷管- 碳/碳复合材料发动机组传力架-