复合材料学教学课件

1、复合材料学课件 主要内容：了解复合材料的发展史；了解复合材料的定义；了解复合材料的分类；了解复合材料的特性。第一篇 绪论 第1章 复合材料的特性1.1.1 材料的发展与人类社会的进步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。石器时代；青铜器时代；钢铁时代二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实。当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。 二十一世纪将是一个新材料时代。1.1 序言现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；

2、同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。现代高技术的迅猛发展，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展对材料提出了越来越苛刻的要求。例如，航天飞机等空间飞行器，空间飞行器的发动机，现代武器系统，要求材料质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀、吸波、隐身、抗穿甲性等特性。很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。1.1.2 复合材料的提出玻璃纤维绳碳纤维绳陶瓷刀具战车导弹1.1.3 复合材料的发展历史和意义：（1）复合材料的发展历史实际上，在自然界就存在着

3、许多天然的复合物。例如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料；人类肌肉 / 骨骼结构也是复合材料结构原理。稻草加粘土（非连续纤维增强复合材料）作为建筑材料砌建房屋墙壁。在现代，复合材料的应用更比目皆是，与日常生活和国民经济密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的水泥复合材料；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）。 生命体是多层次意义上的复合体系该完美的特性就来源于复合与自修复生命体基本单位细胞，是细胞膜、细胞基质、细胞核的复合体，各自担任营养、信息表达和力学支撑的作用。即使细胞膜也是有磷脂双分子层，蛋白质组成的复合功能体系。（2）复合材料的意义 现代高科技的发展更是离不开复合材料。 例如：火

4、箭壳体材料对射程的影响， 飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度 航空发动机材料发展预测如下图1 火箭壳体材料对射程的影响1.2 复合材料的定义、特征与命名1.2.1 复合材料的定义（复合材料有着不同的定义方式。 ）“由两种以上不同的原材料组成，并使原材料的性能得到充分发挥，通过复合化而得到单一材料所不具备的性能。 ”（ 岛 村昭治 . 未来拓先端材料，工业调查会，1982 ）“把一些个体典型或基本的特性组合，而得到的物质。”（余永宁 等 译. 金属基复合材料导论，北京，冶金工业出版社，1996 ）“由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料。”（吴人洁，复合材料，天津大学出版社，

5、2000）“经过一定的操作，将复数个原材料合体，或者是由复数个相生成，且具有比原材料优异的性能。”（香川 丰，八田博志. 基复合材料，承风社，1990 ）ISO定义为是：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。复合材料的一种较认可的定义：由两个或两个以上独立的物理相（基体材料和分散材料），包含粘结材料和粒料、纤维或片状材料组成的一种固体产物。1.2.2 复合材料的特点： 1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。 2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。 3）

6、复合材料具有可设计性。1.2.3 复合材料的基本结构模式复合材料基体+增强剂（由基体和增强剂两个组分构成）基体：构成复合材料的连续相；增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。 说明：复合材料（Composite Materials ），以后简称CM注意：所研究的CM与化合材料、混合材料的区别。主要体现在：多相体系和复合效果是复合材料区别于传统的“混合材料”和“化合材料”的两大特征。举

7、例：砂子与石子混合，合金或高分子聚合物1.2.4 复合材料的命名总命名原则，应该根据物质的组成、结构和特性的相互关系来确定名称。（1）根据增强材料和基体材料的名称来命名。将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上复合材料。如：“碳纤维环氧树脂复合材料”。也可叫“碳/环氧复合材料”。需要突出基体或者增强材料可以叫“碳纤维复合材料”或“环氧树脂复合材料”。碳纤维和金属基体构成的复合材料可叫：“金属基复合材料”或“碳/金属复合材料”。（2）通俗命名,如“玻璃钢”。1.3 复合材料的分类 1.3.1 按性能分类 ： 普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强， 如玻璃钢、钢筋混凝土等；

8、先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝、 SiC纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等复合材料。 先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到 400MPa/(g/cm3)和40GPa/(g/cm3) 以上。1.3.4 按增强剂分类 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料 1.3.2 按基体材料分类 聚合物复合材料（PMC) 金属基复合材料（MMC) 陶瓷基复合材料（CMC) 碳碳复合材料 水泥基复合材料1.3.3 按用途分 结构复合材料 功能复合材料 结构/功能一体化复合材料1.4 复合材料的基本性能

9、（优点）1.4.1 高比强度、高比模量（刚度）： 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。1.4.2 良好的高温性能：目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在350 1100 C范围内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。不同SiC纤维复合材料的使用温度范围。1.4.3 良好的尺寸稳定性： 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。 1.4.