复合材料第1讲

复合材料余润洲Tel:88877479E-mail:yudoudou2003@

材料学院中南大学参考教材：于春田，《金属基复合材料》，冶金工业出版社，1995。郝元恺等，《高性能复合材料学》，化学工业出版社，2004。张国定，《金属基复合材料》，上海交通大学出版社，1996。吴人杰等，《复合材料》，天津大学出版社，2000。

主要内容：复合材料的定义；复合材料的发展史；复合材料的分类；复合材料的结构；复合材料的特性；复合材料的应用。1定义存在各种不同定义“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.未来を拓く先端材料，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，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.セラミックス基复合材料，アグネ承风社，1990）国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料

《材料大词典》

：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。《材料科学技术百科全书》

：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又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互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。

.尽管定义的细节有所不同，但其要点是共同的。

组分是有意选择和设计的。含两种以上不同的化学相。性能取决于组分及其含量。具有每个组分所不具备的优良性能。

.材料A材料B优点缺点优点缺点组合1组合2组合3组合4材料优、缺点组合示意图最佳组合最差组合

2复合材料的发展史1、几千年前，在粘土中加入稻草；2、漆器：麻与大漆构成的；3、混凝土：砂石和水泥复合得到。原始复合材料天然复合材料1、树竹子2、贝壳鲍鱼壳木质纤维树干木质素无机文石薄片有机相胶原质贝壳边长2.8mm,厚为0.5mm厚为0.015mm

基体：起粘结作用复合材料的组成增强体：起骨架作用泥砖泥禾秸钢筋混凝土沙子、石子、水泥钢筋玻璃钢制品现代意义上的复合材料的发展1、硫化橡胶：1839年美国人C．Goodyear发明的橡胶硫化法，在橡胶原料中加入硫化剂、填料、增强剂和防老剂等助剂所制得的一种工业复合材料；2、玻璃纤维增强塑料：上世纪40年代，首先在美国出现；3、先进复合材料：上世纪60年代相继出现了以碳纤维和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；4、金属、陶瓷基复合材料：上世纪70年代则又出现以金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。第一代第二代第三代氧化铝纤维玻璃纤维硼纤维碳纤维芳族聚酰胺晶

须+高韧性高弹性

轻量

耐热性工程塑料环境扩大碳化硅纤维金

属陶

瓷石

墨泡沫材料混凝土石

膏功能复合材料延伸与韧性氧化铝纤维石墨纤维功能化定向凝固共晶自增强塑料扩散接合表面处理CVD(化学气相沉积)CVI(化学气相渗透)

CIP,HIP-SiC-Al2O3Si3N4石墨聚

脂金属纤维聚酰亚硝胺

复合材料的提出

当前材料、能源、信息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。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。在现代高技术迅猛发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而对材料提出了越来越苛刻的要求。

现代武器系统的发展对新材料提出了如下要求：

1、高比强、高比模；

2、耐高温、抗氧化；

3、防热、隔热；4、吸波、隐身；

5、全天候；6、高抗破甲、抗穿甲性；

7、减振、降噪，稳定、隐蔽、高精度和命中率

8、抗激光、抗定向武器；

9、多功能；

10、高可靠性和低成本。现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如就航天、航空飞行器减轻结构重量这点而言，喷气发动机结构重量减1Kg，飞机结构可减重4Kg，升限可提高10米；一枚小型洲际导弹第三级结构重量减轻1Kg，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50Kg，地面设备的结构重量就可减轻100Kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15-20Km；而航天飞机的重量每减轻1Kg，其发射成本费用就可以减少15000美元(图1、图2)。因此，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较”。（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

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。例如，金属材料的强度、模量和高温性能等已几乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子材料的低模量、低熔点等固有的缺点极大地限制了其应用。这些都促使人们研究开发并按预定性能设计新型材料。高分子材料

优点:密度低韧性好成型性能好

缺点:强度刚度低耐热性差

金属材料

优点:综合力学性能好

缺点:密度大不耐高温无机非金属材料

优点:环境稳定性好

缺点:韧性低脆性大三大材料：金属无机非金属有机高分子复合材料取长补短协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料

复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”，可以得到单一材料无法比拟的优秀的综合性能，极大地满足了人类发展对新材料的需求。因此，复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料，是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。玻璃纤维绳碳纤维绳陶瓷刀具战车导弹航天飞机外层的隔热瓦通常有2万多块，它们主要由两部分组成，内层是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维增强泡沫陶瓷，外层则是薄薄一层绝缘隔热层。隔热瓦的材质有很多种，即使是在同一架航天飞机上，隔热瓦的种类也是千差万别。在受热程度较高的底部，通常采用二氧化硅，并且在外面涂一层黑色绝缘层；而在受热程度最高的飞机前部锥形体部位以及两翼边缘，则需要采用耐高温的碳/碳材料。3复合材料的分类

木质基复合材料复合材料有机材料基复合材料金属基复合材料MMC无机非金属基复合材料聚合物基复合材料PMC

热塑性树脂热固性树脂树脂基水泥或混凝土基复合材料

陶瓷基复合材料CMC

橡胶基将复合材料进行分类时，有按基体或第二相等多种方法。1基体一般按材质分类如下:

CompositeMaterials或Composites：MetalMatrixCompositesPolymerMatrixCompositesCeramicsMatrixComposites颗粒增强复合材料颗粒状分散相复合材料

纤维状分散相复合材料

短纤维

连续纤维强化复合材料

分散强化复合材料

片晶增强复合材料

复合材料

单向纤维强化复合材料

非编织纤维层

2维,3维编织纤维层晶须

随机排列

随机排列

定向排列定向排列不连续纤维强化复合材料

根据增强相形态分

基体：连续相

①将增强材料粘合成整体并使增强材料的位置固定。②

增强材料间传递载荷，并使载荷均匀，自身承受一定载荷。③

保护增强体免受各种损伤。④很大程度上决定成型工艺方法及工艺参数选择。⑤决定部分性能。增强体：分散相相

主要承受绝大部分载荷、增强、增韧增强材料——分散相也称为增强体、增强剂、增强相等显著增强材料的性能多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体和增强体之间存在着界面。MMC(1)基体：Al、Mg、Ti、Ni等轻金属及其它们的合金（比强度、比模量高）

(2)增强体：强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金属材料。主要有：硼纤维、碳纤维、

SiC纤维、Al2O3纤维钨丝、钢丝、不锈钢丝陶瓷颗粒、晶须等特点：保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高强、高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法，适合于用作中、高温结构材料。MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架

CMC

(1)基体：氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等特种陶瓷

陶瓷本身：高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性）差，抗震性差且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效

(2)增强材料：碳纤维、硼纤维、α-Al2O3纤维、氧化铝-硼酸盐纤维\钨丝、铌丝、不锈钢丝、SiC晶须、SiN4晶须、

ZrO2

颗粒等。

复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧

CMC仍以烧结成型为主，由于基体与增强体都具有高模量、高耐温特点，残余应力很大，导致微裂纹，因此，两相的CTE必须匹配,CMC适合于作高温结构材料，被称为“材料的梦想”。

C/C复合材料化学组成单一，C元素，但C的形态与结构十分复杂

(1)基体碳：i)CVD碳；ii)树脂碳；iii)沥青碳

(2)增强体：高性能碳纤维及其织物

(3)性能特点：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、低蠕变、高导热、低CTE、高抗热震性、高耐温、耐烧蚀等，同时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能随温度升高而升高的特点缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松

高温结构材料和耐烧蚀材料，近年发展很快。

聚合物（树脂）基复合材料:由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组成的基体组成的复合材料。比强度、比模量高、热膨胀系数小、耐磨性、阴尼性好。广泛用于航空、航天、建筑、化工、机械、电子、体育等。(2)增强体主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，多经过表面处理与表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复杂化。

PMC的组成

(1)基体

热固性基体(thermosettingmatrix)：1)熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好2)交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆3)制备过程伴有复杂化学反应

热塑性基体(thermoplasticmatrix)：

1)溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型，工艺性差

2)线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好

3)制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象)

复合材料船体玻璃纤维增强高分子复合材料按材料作用分类①结构复合材料：用于制造受力构件；②功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）异质复合材料（复合材料多属此类）。48Chapter9Composites各种材料的发展状况 玻璃钢和树脂基复合材料

非常成熟广泛的应用

金属基复合材料

开发阶段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

尚处于研究阶段

有不少科学技术问题有待解决49Chapter9Composites复合材料的设计－－从常规设计向仿生设计发展仿照竹子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材料。仿照鲍鱼壳的结构，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10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40％。仿照骨骼的组织特点，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。50Chapter9Composites引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分为0-3型、1-3型、2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构

4复合材料的结构三维编织纤维结构

三维正交非织造的纤维结构

(a)非线性法平面增强

(b)一种开式格状结构

(c）一种柔性结构

管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型

各种玻璃夹层结构单向及准各向同性板的铺层结构混杂复合材料

表1.1

复合材料的种类

基体有

机

材

料金

属无

机

材

料第二相

零有机材料聚合物

金属防静电塑料合金粉末(FeCu等)金属陶瓷维无机材料导电陶瓷分散强化合金自润滑材料陶瓷混凝土

有机材料/环氧树脂建筑灰泥、木质水泥

一金属防静电地毯不锈钢/铝、超导线,磁性材料、触点W/硬质合金、铁丝强化水泥钢筋混凝土维无机材料玻璃纤维强化塑料FRP、碳纤维强化塑料CFRPSiC/Al、C/AlAl2O3/硬质合金玻璃纤维/水泥,C/灰泥、石棉水泥,C/C二有机材料.装饰钢板、防震钢板石膏板、强化玻璃

金属Al-PE薄板、电路板双金属、包层材料

维无机材料

绝热涂层、表面处理刹车衬里三有机材料三维编织物

金属三明治型材料三维电路板三明治型材料半导体、IC维无机材料三明治型材料泡沫材料三明治型材料海绵金属C/C、泡沫陶瓷发泡水泥复合材料的种类

复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属材料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机高分子材料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶

5复合材料的特性.

组成：由基体相和增强相组成

基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结在一起，并起传递应力的作用。

增强相是以独立的形态分布在基体中的分散相，它起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。

复合材料的特点：

1）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；2）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；3）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，从而极大地提高工程结构的效能。

复合材料的性能不是两种不同材料性能的简单加和，它即能保留原有组成的材料的重要特色，又能通过复合效应使各组分的能得到加强。

复合材料的性能主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况和基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况。

复合材料的优点.

a.比强度、比模量大

b.耐热性高高温性好

c.破损安全性高

d.耐疲劳性好

e.良好的尺寸稳定性

f.成型工艺灵活，材料、结构可设计性

比强度、比模量：材料的强度或模量与其密度之比。比强度=强度/密度MPa/（g/cm3）,

比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈大。a.比强度、比模量大材料比强度比模量钢0.13×106cm0.27×109cm铝0.17×106cm0.26×109cm高强Cf/环氧1.03×106cm0.21×109cm高模Cf/环氧0.67×106cm1.50×109cm材料力学性能

b.耐热性高高温性好

复合材料可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基体。目前聚合物基复合材料的最高耐温上限为350C；金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在3501100C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C；而碳/碳复合材料的使用温度最高，可高达2800C。c.破损安全性高

纤维增强复合材料内有大量的独立纤维，每平方厘米的纤维少则几千根，多则上万根，为典型的静不定体系。当这种材料的构件超载并有少量纤维断裂时，其载荷会重新分配在未断裂的纤维上，整个构件在短期内不至于丧失承载能力d.耐疲劳性好

疲劳破坏是材料在交变载荷作用下由裂纹的产生和扩展而形成的地应力破坏。

金属材料：抗拉强度的40%-50%

碳纤维/树脂复合材料：抗拉强度的70%-80%

e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。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制品不发生热变形。这对人造卫星构件非常重要。NL=pr/2NT=prf.成型工艺灵活，材料、结构可设计性

可用模具一次成型法来制造各种构件，同时通过调整组分的成分、结构及排布方式，使构件在不同方向