《复合材料》课件-第一章 复合材料绪论

1复合材料

2课程总纲一、课程的性质

二、教学和课堂要求三、考核方式四、教材与参考书3一、课程的性质本课程是材料类专业选修课。共34个学时，2个学分，考试科目。本课程主要介绍复合材料的基本知识、基体和增强体种类和特点，聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料的特点、制备和应用。4二、教学和课堂要求教学要求：对复合材料的发展概况有一个基本的了解。掌握复合材料的基本知识，包括增强原理，基体、增强体材料，复合材料的界面。熟悉各类复合材料的制备方法、性能特点和应用。5三、考核方式考试与平时考核相结合，成绩满分100分。1.平时成绩占30％，主要考核作业情况、出勤、课堂表现。3.期终考试成绩占70％，卷面100分，全面考察对本课程的掌握程度和理解应用能力。6四、教材与参考书教材：《复合材料》周曦亚编化学工业出版社，2005参考书：1.胡保全等．先进复合材料(第2版)国防工业出版社，20132.王荣国等．复合材料概论．哈尔滨工业大学出版社;第3版,20113.边吾一

,石川隆司．先进复合材料工学．国防工业出版社出版，2014，理论强应用于各行各业的复合材料10以碳纤维复合材料取代铝制作机体，成为全球第一款以碳纤维复合材料为主体材料的民用喷气客机。减少机身拼接所需零部件。增加飞机的耐用性；减轻飞机重量，耗油量与相同大小的客机相比，波音787执行相同飞行任务的耗油量能减少20％左右Boeing78713Composites

50%Aluminum

20%Titanium

15%Fiberglass10%Other5%15材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料

各有千秋扬长避短

克服单一材料的缺点

产生原来单一材料没有本身所没有的新性能复合材料1610000BC各种材料在各个历史时期相对重要性5000BC015001900196019801990200020102020金铜铁钢合金钢高温合金高分子木材皮肤纤维动物胶橡胶电木尼龙PEPCPSPPPAN聚酯高模聚合物导电高分子复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料石材陶瓷陶器玻璃水泥耐火材料熔融硅耐湿陶瓷韧性机械陶瓷317第一章

复合材料的绪论

2学时18本章内容1.1复合材料的发展概况1.2复合材料的定义和特点1.3复合材料的命名和分类1.4复合材料的结构设计基础1.5复合材料的应用1.6复合材料的展望191.1复合材料的发展概况

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聚酯树脂，开辟了现代复合材料的新纪元。

在第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件。20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，动物的骨骼则由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。竹子的结构由薄壁细胞和纤维束组成贝壳的珍珠层是CaCO3和有机质的复合体；21

贝壳最内层的结构是珍珠层，通常富有光泽，折光反射强。珍珠层是95%无机质的霰xiàn石（CaCO3）和5%有机质组成层状结构。其结构关系类似于砌墙的砖与水泥。22复合材料的整个发展过程可表示为：古代近代先进复合材料23古代

陕西半坡人－－草梗增强泥土筑墙，且延用至今福建的土楼－－以生土为主要材料，掺上石灰、细砂

漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年24近代复合材料发展的四个阶段第一代：1940-1960，玻璃纤维增强塑料；我国从1958年开始发展复合材料第二代：1960-1980，先进复合材料的发展时期；第三代：1980-1990，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-现在，多功能复合材料。251.2什么是复合材料？

较普遍的定义：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。

国际标准化组织：由两种或两种以上物理和化学不同的物质组合而成的一种多相固体材料。26复合材料的五个特点可设计人工制造保持其固有的物理和化学性质性能取决于各组成相性能的协同有明显界面27材料的优缺点组合示意图28复合材料的结构通常一个相为连续相，称为基体(Matrix)另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体

(Reinforcement)在大多数情况下，增强体较基体硬，强度和刚度较基体大。增强体可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。291.3复合材料的命名

根据增强体和基体名称来命名，通常有以下三种情况：强调基体时以基体材料的名称为主；强调增强体时以增强体材料的名称为主；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，增强体放在前面，基体放在后面。30

“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，简称为“玻璃纤维/环氧树脂复合材料

或玻璃纤维/环氧”。我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。（强度相当于钢材，又含有玻璃组分）31复合材料的分类

复合材料的分类，历史上有许多方法，常见的分类方法有以下几种：（1）按材料用途分为以下2类：①结构复合材料：主要用于制造受力构件②功能复合材料：指具备各种特殊物理与化学性能的材料32（2）按增强材料形态分为以下4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；33③片材增强复合材料：以平面二维增强材料与基体复合而成。④层叠复合材料34复合材料结构示意图b)连续纤维复合c)颗粒复合d)短纤维复合e)片材复合e)a)层叠复合35（3）按基体材料分类，可分为以下5类：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36注意以下几个定义：①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）②异质复合材料（前面提及的复合材料多属此类）。③混杂复合材料：两种或两种以上的增强体增强同一基体而成的复合材料。371.4复合材料的结构设计基础

复合材料既能保留原组分材料的主要特色，并通过复合效应获得组分材料所不具备的性能，还可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的性能。复合材料设计：选择复合材料的组分、增强体分布和复合材料制造工艺使其具有使用所要求的性能过程。38固体力学，将材料分为3个“结构层次”：①一次结构→基体和增强体复合而成的单层复合材料②二次结构→单层材料层合而成的层合体③三次结构→工程结构或产品结构39

复合材料设计可分为三个层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计。①单层材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及共配比，该层次决定单层板的性能；②铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理的安排，该层次决定层合板的性能；③结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖401.5复合材料的应用

与传统材料(如金属、木材、水泥等)相比，复合材料是一种新型材料。它具有许多优良的性能，并且其成本在逐渐地下降，成型工艺的机械化、自动化程度也在不断地提高。因此，复合材料的应用领域日益广泛。41①在航空、航天方面的应用由于复合材料的轻质高强特性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作主承力构件。②化学工业方面的应用复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。③在体育用品方面的应用在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。42世界上第一辆全复合材料车身的两座位跑车—Corvette

43汽车车身、底盘：碳纤维复合材料刹车轮：铝基复合材料仪表板：玻璃纤毡增强热塑性树脂轮胎：凯夫拉纤维复合材料44先进复合材料、钢和铝在车身减重方面的对比451.6复合材料的展望①降低成本由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。②高性能复合材料的研制

高性能复合材料是指具有高强度、高模量、耐高温等特性的复合材料。③功能性复合材料功能复合材料是指具有导电、超导、微波、摩擦、吸声、阻尼、烧蚀等功能的复合材料。4