复合材料总论

复合材料总论1第一页，共四十二页，编辑于2023年，星期五主要参考资料1、现代复合材料----陈华辉邓海金李明（中国物质出版社,1998）2、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000）3、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002)4、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003）5、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余(化学工业出版社,2004)6、新材料概论---

谭毅,李敬锋(冶金工业出版社,2004)

7、先进复合材料----鲁云朱世杰马鸣图（机械工业已出版社,2004）建议教材：复合材料概论--------王荣国武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，1999）2第二页，共四十二页，编辑于2023年，星期五第一章总论第二章聚合物基复合材料第三章金属基复合材料第四章无机非金属基复合材料第五章复合材料在机械工程中的应用第六章复合材料在交通运输中的应用第七章复合材料在电子电器中的应用第八章复合材料在建筑材料中的应用第九章复合材料在航空航天领域中的应用目录3第三页，共四十二页，编辑于2023年，星期五复合材料发展概况复合材料发展简史：学术界开始使用“复合材料”（compositematerials）一词大约是在20世纪40年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯，开辟了现代复合材料的新纪元。4第四页，共四十二页，编辑于2023年，星期五从20世纪60年代开始，开发出多种高性能纤维。20世纪80年代以后，由于人们丰富了设计、制造和测试等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料基体的材料的使用和改进，使现代复合材料的发展达到了更高的水平，即进入高性能复合材料的发展阶段。`5第五页，共四十二页，编辑于2023年，星期五材料分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料

各有千秋扬长避短

克服单一材料的缺点

产生原来单一材料本身所没有的新性能复合材料6第六页，共四十二页，编辑于2023年，星期五１、复合材料的定义什么是复合材料(CompositionMaterials,Composite)?要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑复合后材料的性能，或偏重于考虑复合材料的结构。7第七页，共四十二页，编辑于2023年，星期五诸如（１）

复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的整体性能应超过组分材料，保留了所期望的性能(高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。偏重于考虑复合后材料的性能8第八页，共四十二页，编辑于2023年，星期五（２）

复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料，以物理形式结合而成的。9第九页，共四十二页，编辑于2023年，星期五从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。10第十页，共四十二页，编辑于2023年，星期五上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指出复合材料是“通过人工复合的”和“有特殊性能的”材料，而且还指明了复合材料的组分、结构特点及与其他种材料（如简单混合物、化合物、合金）的特征区别。根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。11第十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期五以下面五点概括了复合材料的特点：1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；12第十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期五3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。13第十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期五材料的优缺点组合示意图14第十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期五因此复合材料必须通过对原材料的选择，各组分分布的设计和工艺条件的保证等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。15第十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期五(3)复合材料具有可设计性。

16第十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期五通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择，至少包括两种物理和力学性能不同的独立组元，其中一组元的体积分数一般不低于20％，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；复合材料是人工制造的，而非天然形成的。复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应优于独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。17第十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期五复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：2、复合材料的命名18第十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期五（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。19第十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期五（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。20第二十页，共四十二页，编辑于2023年，星期五例如：“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”。21第二十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期五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)22第二十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期五３、复合材料的分类随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材料，需要对材料进行分类。

材料的分类，历史上有许多方法：23第二十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期五（１）按材料的化学性质分类，有金属材料、非金属材料之分。（２）按物理性质分类，有绝缘材料、磁性材料、远光材料、半导体材料、导电材料等。（３）按用途分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。材料的分类24第二十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期五复合材料的分类方法也很多，常见的分类方法有以下几种：一、按基体材料类型分为以下三类1、树脂基复合材料2、金属基复合材料3、非金属基复合材料

25第二十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期五1、颗粒增强复合材料2、连续纤维增强复合材料3、纤维、编织体增强复合材料4、短纤维或晶须增强复合材料5、颗粒增强复合材料6、纳米复合材料按分散相形态26第二十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期五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27第二十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期五增强纤维类型分为以下五种：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。28第二十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期五按材料作用分两类①结构复合材料；②功能复合材料。29第二十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期五①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。30第三十页，共四十二页，编辑于2023年，星期五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31第三十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期五B、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32第三十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期五结构复合材料的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。33第三十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期五②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。34第三十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期五功能复合材料中的增强体又可称为功能体组元，它分布于基体组元中。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。35第三十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期五1、轻质高强

CM最突出、重要的特点。用比强度，比模量。材料名称比强度比模量钢0.130.27铝0.170.26玻纤/聚酯CM0.530.21碳纤/环氧CM1.030.21强度与密度之比模量与密度之比36第三十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期五优异的化学物理性能37第三十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期五GlassfiberreinforcedcompositesCarbonfiberreinforcedcompositesBoronfiberreinforcedcomposites38第三十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期五材料密度(g/cm3)拉伸强度(GPa)弹性模量(×102GPa)比强度(×105cm)比模量(×105cm)钢7.81.032.10.130.27铝合金2.80.470.750.170.26钛合金4.50.961.140.210.25玻璃纤维复合材料2.01.060.40.530.20碳纤维II/环氧1.451.51.41.030.97碳纤维I/环氧1.61.072.40.671.5有机纤维/环氧1.41.40.81.00.57硼纤维/环氧2.11.382.10.661.0硼纤维/铝2.651.02.00.380.5739第三十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期五由表1-2可见：FRC的密度约为钢的1/5，铝的1/2

比模量：高模量碳纤维/环氧复合材料为钢的