第一章-聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展-2

1、1第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展碳碳/碳复合材料碳复合材料以碳纤维或碳化硅纤维以碳纤维或碳化硅纤维(或织物或织物)为增强体，以碳为基体为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。碳基复合材料有两种制备方法：的复合材料的总称。碳基复合材料有两种制备方法：一是浸渍法，即用增强体浸渍熔融的石油或沥青，再经一是浸渍法，即用增强体浸渍熔融的石油或沥青，再经碳化和石墨处理，它的基体是碳化和石墨处理，它的基体是石墨碳石墨碳，呈层状条带结构，性，呈层状条带结构，性能是各向异性的。还有用增强体浸渍糠醇能是各向异性的。还有用增强体浸渍糠醇(呋喃甲醇呋喃甲醇)

2、或酚醛或酚醛等热固性树脂，只经碳化处理，它的基体是等热固性树脂，只经碳化处理，它的基体是玻璃碳玻璃碳，即无定，即无定型碳结构，性能是各向同性的；型碳结构，性能是各向同性的；另一是另一是CVD法，即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体法，即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体上来进行复合，这种方法的碳基体是类似玻璃碳的上来进行复合，这种方法的碳基体是类似玻璃碳的热解碳热解碳。碳碳/碳复合材料不耐氧化，所以有时需要加抗氧化涂层。碳复合材料不耐氧化，所以有时需要加抗氧化涂层。 2第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展印刷电路板印刷电路板( (玻璃钢玻璃钢

3、) )，轮胎（纤维增强橡胶），轮胎（纤维增强橡胶）雷达罩（玻璃纤维增强树脂）雷达罩（玻璃纤维增强树脂）火箭外壳（碳纤维火箭外壳（碳纤维/树脂）（树脂）（碳碳/碳复合材料碳复合材料）人造卫星天线（碳纤维人造卫星天线（碳纤维/镁合金）镁合金）航天飞机框架（硼纤维航天飞机框架（硼纤维/铝合金）铝合金）网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇 休闲休闲汽车活塞、连杆、自行车飞轮等汽车活塞、连杆、自行车飞轮等 民用工业民用工业3、复合材料举例、复合材料举例面广面广尖端尖端1.11.1前言：前言：3第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合

4、材料的概念、特性、应用与进展人类第一架全人类第一架全复合材料飞机复合材料飞机1.11.1前言：前言：4第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展复合材料制品复合材料制品羽毛球拍羽毛球拍高尔夫球杆高尔夫球杆机器零件机器零件1.11.1前言：前言：5第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.21.2复合材料简介复合材料简介composite materialcomposite material：定义：定义由两种或两种以上不同性能、不同形态的由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料（通常是增强

5、材料和基体材料）通过组分材料（通常是增强材料和基体材料）通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。料所没有的新性能。6第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展特征：特征：（1 1）微观上是非均相材料，组分材料间有明显的界面；）微观上是非均相材料，组分材料间有明显的界面；（2 2）组分材料性能差异很大；）组分材料性能差异很大；（3 3）组成复合材料后性能有较大的改进；）组成复合材料后性能有较大的改进；（4

6、4）组分材料的体积分数应大于）组分材料的体积分数应大于10%10%。三种基本的物理相：三种基本的物理相：（1 1）基体相：连续的）基体相：连续的（2 2）增强相：分散的、被基体所包容）增强相：分散的、被基体所包容（3 3）界面相：增强相与基体相之间的交界面）界面相：增强相与基体相之间的交界面1.21.2复合材料简介复合材料简介7第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.31.3复合材料的复合材料的命名命名及分类及分类按基体材料类型命名：按基体材料类型命名：金属基复合材料、无机非金属基复合材料、聚合物基金属基复合材料、无机非金属基复合材料、聚

7、合物基复合材料复合材料以增强纤维的类型来命名：以增强纤维的类型来命名：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、混杂复合材料玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、混杂复合材料例：例： 玻璃玻璃/ /环氧复合材料：玻璃纤维环氧树脂复合材料环氧复合材料：玻璃纤维环氧树脂复合材料（环氧玻璃钢）（环氧玻璃钢） 碳碳/ /金属复合材料：碳纤维和金属基体构成的复合材料金属复合材料：碳纤维和金属基体构成的复合材料 碳碳/ /碳复合材料（碳复合材料（C/CC/C复合材料）：碳纤维和复合材料）：碳纤维和碳基体碳基体构成构成的复合材料的复合材料8第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性

8、、应用与进展1.31.3复合材料的命名及复合材料的命名及分类分类分散相形态分散相形态(1)连续纤维增强连续纤维增强(2)纤维织物增强纤维织物增强(3)片状材料增强片状材料增强(4)短纤维增强短纤维增强(5)颗粒增强颗粒增强(6)纳米增强纳米增强基体材料类型基体材料类型(1)金属基金属基(2)无机非金属基无机非金属基 陶瓷基陶瓷基 碳基碳基(3)聚合物基聚合物基 热固性树脂基热固性树脂基 热塑性树脂基热塑性树脂基 增强纤维的类型增强纤维的类型(1)碳纤维碳纤维(2)玻璃纤维玻璃纤维(3)有机纤维有机纤维(4)硼纤维硼纤维(5)碳化硅碳化硅(5)混杂纤维混杂纤维1329 以玻璃纤维或其制品作增强材

9、料的增强塑以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称为玻璃纤维增强塑料，或称为玻璃钢。料，称为玻璃纤维增强塑料，或称为玻璃钢。(国际公认的缩写符号为GFRP) 由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。 玻璃钢是一种品种繁多，性能各别用途广泛的复合玻璃钢是一种品种繁多，性能各别用途广泛的复合材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺，制作而材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺，制作而成的一种功能型的新型材料。成的一种功能型的新型材料。玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介10玻玻 璃璃 钢钢 简简 介

10、介11热塑性热固性热塑性热固性返回玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介12相对密度在相对密度在1.52.0之间，只有碳钢的之间，只有碳钢的1/41/5，可是拉，可是拉伸强度却接近，而比强度可以与高级合金钢相比。伸强度却接近，而比强度可以与高级合金钢相比。 玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介13 FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。已广泛用于雷达是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。已广泛用于雷达天线罩。天线罩。 FRP热导率低，只有金属的

11、热导率低，只有金属的1/1001/1000，是，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000以上以上承受高速气流的冲刷。承受高速气流的冲刷。 玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介141.玻璃钢玻璃钢材料是一种具有可设计性的材料品种材料是一种具有可设计性的材料品种: 可以根据不同的使用环境及特殊的性能要求，自可以根据不同的使用环境及特殊的性能要求，自行设计复合制作而成，因此只要选择适宜的原材料品行设计复合制作而成，因此只要选择适宜的原材料品种，基本上可以满足各种不同用途对于产

12、品使用时的种，基本上可以满足各种不同用途对于产品使用时的性能要求。性能要求。2.玻璃钢玻璃钢产品，制作成型时的一次性产品，制作成型时的一次性: 只要根据产品的设计，选择合适的原材料铺设方只要根据产品的设计，选择合适的原材料铺设方法和排列程序，就可以将法和排列程序，就可以将玻璃钢玻璃钢材料和结构一次性地材料和结构一次性地完成，避免了金属材料通常所需要的二次加工，从而完成，避免了金属材料通常所需要的二次加工，从而可以大大降低产品的物质消耗，减少了人力和物力的可以大大降低产品的物质消耗，减少了人力和物力的浪费。浪费。玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介153.玻璃钢玻璃钢材料，还是一种节能型材料材料，还是一

13、种节能型材料:若采用手工糊制的方法，其成型时的若采用手工糊制的方法，其成型时的温度温度一般在室温一般在室温下，或者在下，或者在100以下进行，因此它的成型制作能耗以下进行，因此它的成型制作能耗很低。很低。返回玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介16玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介17如按工艺特点来分，有手糊成型、层压成型、如按工艺特点来分，有手糊成型、层压成型、RTM法法(树脂树脂传递模塑成型技术传递模塑成型技术)、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。目前世界上使用最多的成型方法有以下四种。目前世界上使用最多的成型方法有以下四种。 手糊法：主要使用国家有挪威、日本、英国、丹手糊法

14、：主要使用国家有挪威、日本、英国、丹麦等。麦等。 喷射法：主要使用国家有瑞典、美国、挪威等。喷射法：主要使用国家有瑞典、美国、挪威等。 模压法：主要使用国家有德国等。模压法：主要使用国家有德国等。 RTM法：主要使用国家有欧美各国、日本。法：主要使用国家有欧美各国、日本。玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介18它的应用范围相当广泛，主要有以下应用领域：它的应用范围相当广泛，主要有以下应用领域：1.化工、制药、石油等行业化工、制药、石油等行业2.船舶行业船舶行业3.汽车、摩托车及自行车行业汽车、摩托车及自行车行业4.航空航天、军工业航空航天、军工业5.运动娱乐制品及设施运动娱乐制品及设施6.电气、电子、

15、电器、通信行业电气、电子、电器、通信行业7.交通、物流行业交通、物流行业8.工艺品工艺品9.建筑行业建筑行业10.暖通、空调及水工程暖通、空调及水工程11.其他其他192021玻璃钢制的花盆22可视电话罩壳格栅垃圾筒23玻璃钢游艇24玻璃钢在汽车中的应用玻璃钢在汽车中的应用25板材玻璃钢门电表箱26管道冷却塔容器27玻璃钢制的浮雕工艺品高压电缆护罩281、 机车导流罩机车导流罩2、 司机室司机室3、 外顶板外顶板4、 上顶板和下层地板上顶板和下层地板5、 内墙板内墙板6、 通过台通过台7、 卫生间卫生间8、 外部门板外部门板9、 设备保护外壳设备保护外壳10、 内板家具内板家具 和座椅和座椅1

16、1、 行李箱行李箱12、 内板隔板和门板内板隔板和门板29第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.41.4复合材料的成型方法复合材料的成型方法30第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.51.5复合材料的特性复合材料的特性1.5.11.5.1比强度、比模量高比强度、比模量高 比强度比强度 = 强度强度/密度；比模量密度；比模量 = 模量模量/密度。密度。 碳纤维树脂基复合材料：较高的比模量和比强度碳纤维树脂基复合材料：较高的比模量和比强度 玻璃纤维由于模量相对较低、密度较高，其玻璃纤

17、维树脂基玻璃纤维由于模量相对较低、密度较高，其玻璃纤维树脂基复合材料的比模量略低于金属材料复合材料的比模量略低于金属材料31第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.51.5复合材料的特性复合材料的特性1.5.21.5.2耐疲劳性能好、破损安全性能高耐疲劳性能好、破损安全性能高 金属材料的疲劳破坏：没有明显预兆的突发性破坏；金属材料的疲劳破坏：没有明显预兆的突发性破坏； 复合材料：纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其复合材料：纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展逐步进行，疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节

18、开始，裂纹扩展逐步进行，时间长，破坏没有明显的预兆。时间长，破坏没有明显的预兆。 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%，聚，聚合物基复合材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的合物基复合材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的70-80%70-80%32第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.51.5复合材料的特性复合材料的特性1.5.31.5.3阻尼减振性好阻尼减振性好复合材料有较高的自振频率，不易产生共振。基体与复合材料有较高的自振频率，不易产生共振。基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能

19、力。纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力。1.5.41.5.4具有多种功能性具有多种功能性（1 1）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好（2 2）优异的电绝缘性能和高频介电性能）优异的电绝缘性能和高频介电性能（3 3）良好的摩擦性能（碳纤维：低摩擦系数和自润滑性）良好的摩擦性能（碳纤维：低摩擦系数和自润滑性）（4 4）良好的耐腐蚀性）良好的耐腐蚀性（5 5）有特殊的）有特殊的光学、电学、磁学光学、电学、磁学的特性的特性33第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.5.51.5.5良好的加工工艺性良好的加工工艺性（1）材料具有可

20、设计性）材料具有可设计性（2）根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法）根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法（3）可整体成型，减少装配零件的数量，节省工时、材）可整体成型，减少装配零件的数量，节省工时、材料、质量料、质量1.5.6 1.5.6 各向异性和性能的可设计性各向异性和性能的可设计性 纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树脂的纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种类和体积含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层次序种类和体积含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层次序和层数密切相关。和层数密切相关。1.51.5复合材料的特性复合材料的特性34缺点和问题：缺点和问题：v工艺

21、方法的自动化、机械化程度低工艺方法的自动化、机械化程度低v材料性能的一致性和产品质量的稳定性差材料性能的一致性和产品质量的稳定性差v质量检测方法不完善质量检测方法不完善v长期耐高温和环境老化性能不好长期耐高温和环境老化性能不好1.51.5复合材料的特性复合材料的特性第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展351.6 1.6 复合材料的应用复合材料的应用1.6.1 1.6.1 在航空航天工业中的应用在航空航天工业中的应用第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展增韧石墨石墨混杂复合材料玻璃纤维3

22、6芳纶/杜邦聚酰胺芳纶/泡沫芯板碳纤维/杜邦聚酰胺碳纤维/环氧树脂碳纤维/芳纶/环氧树脂玻璃纤维增强塑料第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展37第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展38第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展39GLARE蒙皮用于蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮飞机的上机身蒙皮第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展40大推力、高涵道比大推力、高涵道比涡扇发动机涡扇

23、发动机大量运用了大量运用了复合材料复合材料或钛合金或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。空心宽弦叶片、整体叶盘。第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展41B-2隐形轰炸机隐形轰炸机 除主体结构是除主体结构是钛复合材料钛复合材料外，其它部分均由外，其它部分均由碳纤维碳纤维和和石墨石墨等等复合材料复合材料构成，构成，不易反射不易反射。第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展42轻巧的碳/碳复合材料第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展43全复合材

24、料全复合材料机身：轻型机的价格，中型机的宽敞客舱，客舱机身：轻型机的价格，中型机的宽敞客舱，客舱内站立高度为内站立高度为1.65米。米。第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展44目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%，而某些直升机早已达到而某些直升机早已达到90%第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展45荷兰计划研发新型荷兰计划研发新型绿色环保飞机绿色环保飞机 外形将酷似飞碟，另一个设想就是使用复合材料，如外形将酷似飞碟，另一个设想就是使用复合材料

25、，如纤维增强塑料纤维增强塑料。这种。这种复合材料复合材料强度强度可与金属媲美，而可与金属媲美，而重量重量却比金属轻得多，可以却比金属轻得多，可以节省燃油节省燃油。第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展461.6.2 1.6.2 复合材料在其他行业上的应用复合材料在其他行业上的应用复合材料复合材料军用吉普车军用吉普车第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展47超级跑车超级跑车车身大量应用碳纤维复合材料车身大量应用碳纤维复合材料第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材

26、料的概念、特性、应用与进展48生产充气船及其胶布制品，采用国际上先进的生产充气船及其胶布制品，采用国际上先进的A级级RTP复合材料复合材料第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展49新型日光温室复合材料新型日光温室复合材料温室温室骨架骨架和和纵拉杆纵拉杆全部采用复合材料制成全部采用复合材料制成第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展50绿可木，生态绿可木，生态木塑木塑复合材料，复合材料，木塑木塑复合材料吸音板复合材料吸音板复合材料（玻璃钢）制品第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展51采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展52碳纤维碳纤维/树脂复合材料树脂复合