先进复合材料概述

先进复合材料概述第1页/共50页飞机材料的发展变化复合材料第2页/共50页航天领域

3和平来自于有效的威慑安全需要技术支撑国际形势－－实力政策第3页/共50页飞机性能一半取决于设计,另一半取决于材料。材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大影响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐形化、智能化、微型化、无人化、电子化等方面的发展都离不开航空材料的相应发展。飞机对结构材料的性能要求是多方面的,首先是“比强度”,即强度与密度之比,同时综合考虑其他性能,例如“比刚度”、断裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性等。对于功能材料,主要是要求良好的功能特性,例如隐形性能。材料对飞机的影响及飞机对材料的要求第4页/共50页“哥伦比亚”穿越大气层解体时的图像“哥伦比亚”航天飞机起飞时隔热片曾被撞击第5页/共50页6复合材料在A380上的应用机身构架的要求纵向静应力/残余强度裂纹扩展上部机壳：压缩机/温度下部机壳：张力/裂纹扩展环向应力和纵向应力冲力冲力冲力环向应力影响高局部载荷弯曲压力,稳定性静态强度,耐腐蚀性躲避扭转和横切应力产生的压力冲力弯曲扭曲第6页/共50页第7页/共50页8

飞机的重量构成结构部件约30%燃料30~35%引擎装备约20%收益负重15~20%一架总重170吨的飞机，若减重1%，一年可节约300~600万美元

引擎减轻机翼起落架燃料结构材料减轻效益第8页/共50页概论第9页/共50页

新材料发展的若干技术前沿

第10页/共50页新型金属材料：交通运输用轻质高强材料，能源动力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术。金属玻璃(MetallicGlasses)终结者金属玻璃比钢强度高3倍，弹性大10倍。第11页/共50页研究前沿：信息功能陶瓷的新制备技术和多功能化及系统集成技术，高性能陶瓷薄膜、异质薄膜的制备、集成与微加工技术，结构陶瓷以及复合材料的补强、韧化技术，先进陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制备技术。耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料西北工业大学张立同院士此项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是国际上公认的反映一个国家先进航空航天器制造能力的新型热结构材料，这也使我国成为继法国和美国之后第三个掌握此技术的国家。第12页/共50页稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素，简称稀土。稀土金属第13页/共50页稀土提纯样品

“中东有石油，中国有稀土”。稀土曾是让国人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开采出来的稀土资源降到“白菜价”。

第14页/共50页AIM-9“响尾蛇”系列导弹的红外引导头关键部分使用锑化铟材料制造稀土是制造“灵巧炸弹”精密制导武器、雷达夜视镜等武器装备不可缺少的元素第15页/共50页美国宙斯盾系统雷达使用由中国稀土所制磁铁

美国武器制造方面对稀土依赖程度非常高第16页/共50页国际稀土之争白热化日欧美结盟施压中国;稀土开发伴随环境污染,中国基于环保节约等考虑实施稀土管制中国打响“稀土保卫战”设立国家级“特区”,我国首设稀土矿国家规划区矿区划定江西赣州;商务部降低2011年首批稀土配额11.4%,部分企业的出口配额甚至减少了三成;国务院关税税则委员会关于2011年关税实施方案的通知》（金属钕的出口关税税率由15%提高至25%第17页/共50页纳米材料：主要是纳米材料制备与应用关键技术，固态量子器件制备及纳米加工与组装技术。

Spaceelevator第18页/共50页CarbonNanotubes第19页/共50页神奇玻璃能自洁超薄二氧化钛镀膜(40nm)能够分解有机污垢TiO2,光触媒，在受到大于二氧化钛能隙宽度的光线照射时（例如紫外光），内部电子会被激发，与空气的氧气和水分子发生作用，产生负氧离子和氢氧自由基。透明度，价格第20页/共50页防皮肤癌的化妆品奥克斯尼卡公司几个月前推出一款产品，因为它含有钛氧化物纳米粒子，可以在长达8小时的时间内有效地抵挡UVA和UVB第21页/共50页干净新鲜的衣物美国NanoHorizons公司，SmartSilver抵抗微生物和细菌侵蚀防菌绷带自动清洁和消毒的洗衣机、电冰箱和空调第22页/共50页第23页/共50页纳米材料的奇特用途能看电影的衣服－OLED定点杀死癌细胞的纳米药物轻巧结实的材料不会被刮花的汽车－纳米瓷透明涂料（奔驰汽车）第24页/共50页材料智能合成与制备技术材料表面改性技术的低成本化途径与批量生产技术原位复合技术、仿生技术、原子尺度上的设计与排布技术材料微观结构的模型化技术、智能化控制及动态实时监测分析技术不同层次的材料设计、性能预测和评价表征新技术。材料的设计、制备与评价技术：第25页/共50页复合材料的发展历史树----纤维素纤维+木质素及半纤维素1、复合材料是一个需要长期科学研究的重要领域1）天然复合材料伴随着自然界的生存与发展天然材料几乎都是复合材料复合采用了自然规律第26页/共50页27

特点:

按照需要自然地生长受了伤自己能够恢复—再生能力非常强韧的结构骨----胶原纤维的有机物+磷酸钙的无机物第27页/共50页

生命体是多层次意义上的复合体系：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。

第28页/共50页海胆：家在喜马拉雅山上海胆有五片刀片般的牙齿，合在一起像一组大钢牙，正好长在腹部中央。它的食物是海藻，大钢牙像除草机般，将海底藻类刮得干干净净第29页/共50页进化的复合材料-海胆牙齿第30页/共50页进化的复合材料-贝壳第31页/共50页木质素纤维素第32页/共50页6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。我们住在复合材料里燕子窝：泥土-草复合材料第33页/共50页34生活中提炼解决初级水平的装备问题2）传统复合材料与人民生活密切相关第34页/共50页353）人类在材料制造方面的局限性也促使复合材料的不断发展限定在很小的特定性能及机能上人类已进入了能够制造超天然物质的复合材料阶段综合性角度，要制造像天然物质那样精巧的复合材料

人类的能力多少显得有些不够仿生复合材料发展的源泉第35页/共50页362、复合材料的特性决定了其巨大的发展潜力1）单一成分物质,有其来自自身性质的界限高分子材料老化与耐温性金属材料的比重与加工性陶瓷材料的脆性新的成型方法和技术不断开发轻质高强（高性能）多功能（特显功能）第36页/共50页372）复合材料发展趋势第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料第二代：1960年到1980年，先进复合材料1965年英国科学家研制出碳纤维1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-491975年先进复合材料“碳纤维增强及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。第37页/共50页复合材料(compositematerials):由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通过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料所没有的新性能。复合材料的定义第38页/共50页复合材料的特征：可设计性。即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能；由基体组元与增强体或功能组元所组成；非均相材料。组分材料间有明显的界面；有三种基本的物理相（基体相、增强相和界面相）；组分材料性能差异很大组成复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现新性能；第39页/共50页复合材料的命名与分类

命名：复合材料可根据增强材料和基体材料的名称来命名，通常将增强材料放在前面，基体材料放在后面，再加上“复合材料”而构成。环氧玻璃钢（俗称）玻璃纤维复合材料（强调增强材料）环氧树脂复合材料（强调基体材料）玻璃纤维/环氧树脂复合材料玻璃/环氧复合材料C/C复合材料第40页/共50页复合材料的分类：按基体材料分类①聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；②金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；③无机非金属基复合材料：包括陶瓷基、碳基和水泥基复合材料。第41页/共50页按增强材料形态分类：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；②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

第42页/共50页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)短切纤维复合第43页/共50页按用途分类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、光、电、磁、摩擦、屏蔽等）第44页/共50页航空航天工业先进固体发动机－－UHTCF复合材料。飞机减速板、刹车装置－－C/C复合材料，耐高温，耐腐蚀、耐摩擦。固体火箭的外壳及喷嘴－－CF/酚醛树脂复合材料。内燃机活塞、连杆、发动机气缸－－Al2O3/Al，高温强度、疲劳强度，热稳定性。复合材料的应用

第45页/共50页交通运输业超塑铝合金制造的汽车模型汽车车身、底盘、结构梁、驱动轴、方向盘、操纵杆、发动机罩、散热器罩等等－－聚合物基复合材料集装箱、火车车厢、冷藏车－－金属基复合材料天然气瓶－－玻璃钢第46页/共50页建筑工业轻型结构房、卫生洁具、冷却塔、储水箱－－玻璃钢外墙、结构梁－－水泥