复合材料概论教学课件

吉林化工学院

材料科学与工程学院电子课件课程名称：复合材料教师姓名：陈连发

授课对象：材料化学

授课学时：32

选用教材：复合材料概论-哈工大吉林化工学院

材料科学与工程学院电子课件课程名称：复合材料12主要参考资料1、复合材料大全--------沃丁柱，科学出版社，2001；2、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000）3、先进复合材料----鲁云朱世杰马鸣图（机械工业已出版社,2004）使用教材：复合材料概论--------王荣国武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，2008）2主要参考资料1、复合材料大全--------沃丁柱，科学出23注意事项常思考，教学互动，多查资料;考核办法：平时30%，期终考试70%;基础70，点名+5，缺席-10；奖励：回答问题+1，专题报告+30；课代表（+10分）；3注意事项341.1复合材料的发展概况假舆马者，非利足也，而致千里。假舟辑者，非能水也，而绝江河。君子生非异也，善假于物也。--《荀子.劝学》工欲善其事，必先利其器。--《论语·卫灵公》材料是社会进步的基础……石器时代青铜器时代铁器时代信息时代41.1复合材料的发展概况假舆马者，非利足也，而致千里。假45渐渐地，人们发现传统的单相材料已经不能满足实际需求，于是出现了多相材料的复合化，即复合材料：由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。定义：特征：微观上是非均相材料，组分间有明显的界面；组分材料性能差距很大；组分复合后材料的性能有较大改进。5渐渐地，人们发现传统的单相材料已经不能满足实际需求，于是出56材料的优缺点组合示意图6材料的优缺点组合示意图67泥土和草的复合钢筋混凝土的发明复合材料无所不在！混凝土抗拉不抗压，1/107泥土和草的复合钢筋混凝土的发明复合材料无所不在！混凝土抗拉78树木贝壳8树木贝壳89同学们还能举出哪些复合材料的例子？？9同学们还能举出哪些复合材料的例子？？910玻璃纤维绳碳纤维绳陶瓷刀具坦克导弹10玻璃纤维绳碳纤维绳陶瓷刀具坦克导弹1011（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。1.2复合材料的命名11（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、1112例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧”。而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也可写为“碳／金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳／碳复合材料”。国外还常用英文编号来表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金属基复合材料，FRP（FiberReinforcedPlastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)12例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻1213复合材料常见的分类方法有以下几种：一、按增强材料形态分为以下三类1、纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；

b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；1.3复合材料的分类13复合材料常见的分类方法有以下几种：1.3复合材料的分类13142、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体

142、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；1415复合材料结构示意图

a)层叠复合b)连续纤维复合c)细粒复合d)短切纤维复合15复合材料结构示意图

a)层叠复合b)连续纤维复合1516纤维增强复合材料纤维增强复合材料分为以下五种：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维（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；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。16纤维增强复合材料1617二、按材料作用分两类:①结构复合材料；②功能复合材料。17二、按材料作用分两类:1718①结构复合材料

主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。

特点：可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材和增强体排布设计，从而充分发挥各组元的效能。18①结构复合材料1819聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳基复合材料结构复合材料热固性树脂基热塑性树脂基橡胶基高温陶瓷基玻璃基玻璃陶瓷基轻金属基高熔点金属基金属间化合物基Ａ、按基体类型分类19结构复合材料热固性树脂基高温陶瓷基轻金属基Ａ、按基体类1920B、按增强体类型分类结构复合材料叠层式复合材料片材增强复合材料颗粒增强复合材料纤维增强复合材料人工晶片天然片状物微米颗粒纳米颗粒不连续纤维复合材料连续纤维增强复合材料晶须增强复合材料短切纤维增强复合材料单向纤维增强复合材料二维织物增强复合材料三维织物增强复合材料20B、按增强体类型分类结构复合材料叠层式复合材料人工晶片微2021②功能复合材料

指具备各种特殊物理与化学性能的材料。例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。功能复合材料中的基体不仅起到构成整体的作用，而且能够产生协同或加强功能的作用21②功能复合材料2122复合材料目前状况（１）玻璃钢和树脂基复合材料

非常成熟广泛的应用

（２）金属基复合材料

开发阶段某些结构件的关键部位

（３）陶瓷基复合材料及功能复合材料等

尚处于研究阶段有不少科学技术问题有待解决22复合材料目前状况22231.4复合材料发展概况

231.4复合材料发展概况2324天然复合材料自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，树木和竹子是纤维素和木质素的复合体；

动物的骨骼则由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。24天然复合材料2425人类很早就接触和使用各种天然复合材料，并仿效自然界制作各种各样的复合材料。例如陕西半坡人－－草梗和泥筑墙，且延用至今；漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。25人类很早就接触和使用各种天然复合材料，并仿效自然界制2526

复合材料时代

第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料；1965年英国科学家研制出碳纤维；1971年美国杜邦公司开发出Kevler-49；1975年先进复合材料“碳纤维增强、及Kevler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。这一时期被称为复合材料发展的第二代。第二代：1960年到1980年，先进复合材料的发展时期26复合材料时代2627

第三代：1980年到1990年间，是纤维增强金属基复合材料的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广泛。

第四代：1990年以后则被认为是复合材料发展的第四代，主要发展多功能复合材料，如机敏（智能）复合材料和梯度功能材料等。随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都得到应用。27第三代：1980年到1990年间，是纤维增强金27281.5复合材料的设计原理复合材料的可设计性复合材料的可设计性是其区别传统材料的最大特点。弹性常数、热膨胀系数、材料强度和刚度等存在各向异性。281.5复合材料的设计原理复合材料的可设计性2829复合材料的设计过程对外部环境与载荷的要求机械载荷热载荷潮湿环境选材基体材料增强材料几何形状成型方法工艺及工艺过程优化的设计代表性单元的性能考察有限元实验力学宏观性能复合材料的响应应力场温度场……损伤及破坏分析强度准则损伤机理破坏过程29复合材料的设计过程对外部环境与载荷的要求选材成型方法工艺2930复合材料的设计条件1）结构性能要求①结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内安全；②提供装置各种配件仪器等附件的空间；③隔绝外界的环境状态而保护内部物体：汽车结构性能与质量有关；与功能有关；30复合材料的设计条件1）结构性能要求结构性能与质量有关；30312）载荷情况静载荷：结构梁、自重动载荷（瞬时作用载荷、冲击载荷、交变载荷）火车启动、打桩机、曲轴连杆312）载荷情况静载荷：结构梁、自重31323）环境条件①力学条件:加速度、冲击、振动、声音等；②物理条件：压力、温度、湿度；③气象条件：风雨、冰雪、日光；④大气条件：放射线、盐雾、风沙等；1、2影响刚度和强度；3、4影响腐蚀、磨损、老化等；通常各种因素综合作用。323）环境条件①力学条件:加速度、冲击、振动、声32334）可靠性与经济性某些场合要求高可靠性经济性也要考虑；334）可靠性与经济性某些场合要求高可靠性33吉林化工学院

材料科学与工程学院电子课件课程名称：复合材料教师姓名：陈连发

授课对象：材料化学

授课学时：32

选用教材：复合材料概论-哈工大吉林化工学院

材料科学与工程学院电子课件课程名称：复合材料3435主要参考资料1、复合材料大全--------沃丁柱，科学出版社，2001；2、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000）3、先进复合材料----鲁云朱世杰马鸣图（机械工业已出版社,2004）使用教材：复合材料概论--------王荣国武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，2008）2主要参考资料1、复合材料大全--------沃丁柱，科学出3536注意事项常思考，教学互动，多查资料;考核办法：平时30%，期终考试70%;基础70，点名+5，缺席-10；奖励：回答问题+1，专题报告+30；课代表（+10分）；3注意事项36371.1复合材料的发展概况假舆马者，非利足也，而致千里。假舟辑者，非能水也，而绝江河。君子生非异也，善假于物也。--《荀子.劝学》工欲善其事，必先利其器。--《论语·卫灵公》材料是社会进步的基础……石器时代青铜器时代铁器时代信息时代41.1复合材料的发展概况假舆马者，非利足也，而致千里。假3738渐渐地，人们发现传统的单相材料已经不能满足实际需求，于是出现了多相材料的复合化，即复合材料：由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。定义：特征：微观上是非均相材料，组分间有明显的界面；组分材料性能差距很大；组分复合后材料的性能有较大改进。5渐渐地，人们发现传统的单相材料已经不能满足实际需求，于是出3839材料的优缺点组合示意图6材料的优缺点组合示意图3940泥土和草的复合钢筋混凝土的发明复合材料无所不在！混凝土抗拉不抗压，1/107泥土和草的复合钢筋混凝土的发明复合材料无所不在！混凝土抗拉4041树木贝壳8树木贝壳4142同学们还能举出哪些复合材料的例子？？9同学们还能举出哪些复合材料的例子？？4243玻璃纤维绳碳纤维绳陶瓷刀具坦克导弹10玻璃纤维绳碳纤维绳陶瓷刀具坦克导弹4344（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。1.2复合材料的命名11（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、4445例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧”。而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也可写为“碳／金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳／碳复合材料”。国外还常用英文编号来表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金属基复合材料，FRP（FiberReinforcedPlastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)12例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻4546复合材料常见的分类方法有以下几种：一、按增强材料形态分为以下三类1、纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；

b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；1.3复合材料的分类13复合材料常见的分类方法有以下几种：1.3复合材料的分类46472、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体

142、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；4748复合材料结构示意图

a)层叠复合b)连续纤维复合c)细粒复合d)短切纤维复合15复合材料结构示意图

a)层叠复合b)连续纤维复合4849纤维增强复合材料纤维增强复合材料分为以下五种：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维（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；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。16纤维增强复合材料4950二、按材料作用分两类:①结构复合材料；②功能复合材料。17二、按材料作用分两类:5051①结构复合材料

主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。

特点：可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材和增强体排布设计，从而充分发挥各组元的效能。18①结构复合材料5152聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳基复合材料结构复合材料热固性树脂基热塑性树脂基橡胶基高温陶瓷基玻璃基玻璃陶瓷基轻金属基高熔点金属基金属间化合物基Ａ、按基体类型分类19结构复合材料热固性树脂基高温陶瓷基轻金属基Ａ、按基体类5253B、按增强体类型分类结构复合材料叠层式复合材料片材增强复合材料颗粒增强复合材料纤维增强复合材料人工晶片天然片状物微米颗粒纳米颗粒不连续纤维复合材料连续纤维增强复合材料晶须增强复合材料短切纤维增强复合材料单向纤维增强复合材料二维织物增强复合材料三维织物增强复合材料20B、按增强体类型分类结构复合材料叠层式复合材料人工晶片微5354②功能复合材料

指具备各种特殊物理与化学性能的材料。例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。功能复合材料中的基体不仅起到构成整体的作用，而且能够产生协同或加强功能的作用21②功能复合材料5455复合材料目前状况（１）玻璃钢和树脂基复合材料

非常成熟广泛的应用

（２）金属基复合材料

开发阶段某些结构件的关键部位

（３）陶瓷基复合材料及功能复合材料等

尚处于研究阶段有不少科学技术问题有待解决22复合材料目前状况55561.4复合材料发展概况

231.4复合材料发展概况5657天然复合材料自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，树木和竹子是纤维素和木质素的复合体；

动物的骨骼则由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。24天然复合材料5758人类很早就接触和使用各种天然复合材料，并仿效自然界制作各种各样的复合材料。例如陕西半坡人－－草梗和泥筑墙，且延用至今；漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。25人类很早就接触和使用各种天然复合材料，并仿效自然界制5859

复合材料时代

第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料；1965年英国科学家研制出碳纤维；1971年美国杜邦公司开发出Kevler-49；1975年先进复合材料“碳纤维增强、及Kevler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。这一时期被称为复合材料发展的第二代。第二代：1960年到1980年，先进复合材料的发展时期26复合材料时代5960

第三代：1980年到1990年间，是纤维增强金属基复合材料的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广泛。

第四代：