第1章复合材料总论

复合材料

教材：王国荣.武卫莉.谷万里.复合材料概论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999.8主讲人：周泽华、蒋亚清、何辉

本课程的主要内容复合材料的概念基体材料及其性能特点增强材料及其性能特点复合材料成型技术和应用复合材料界面理论第一章总论

1.1概述无机非金属材料、金属材料和高分子材料三大类。无机非金属材料、金属材料、高分子材料和复合材料四大类。

1复合材料的意义

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。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。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。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。玻璃纤维绳碳纤维绳陶瓷刀具坦克导弹风力发电叶片车站呼吸器气瓶爬梯保龄球

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:2复合材料在21世纪应起的作用

讨论复合材料在21世纪应起的作用之前，应分析与预测人类在新的世纪面临的问题、社会特点与重点需求。世界发展的趋势是进入高信息化的社会，对生活质量和健康水平的追求会更高。地球存在着非常严重的问题。环境污染、地球温室效应、臭氧层破坏、沙漠化、、野生动物的灭绝人口膨胀、清洁淡水、食物、可耕地能源枯竭石油、天然气、煤、矿产等1)对信息技术提供服务复合材料信息获得敏感器件换能材料信息存储磁记录光记录信息处理芯片封装电路板信息传播光导纤维导波管信息执行机械动作高强高刚2)对提高人类生活质量做出贡献复合材料衣纺织机械食蔬菜大棚住建筑材料行交通工具改善舒适性轻质高强、隔音隔热墙体门窗、整体洁具飞机车辆、大小船舰高速列车的车体结构提高安全性抗冲韧性、吸收能量、汽车保险杠、轿车底板、自诊断机敏复合材料、高层建筑抗地振灾害提高健康水平修复植入人造器官成分设计、调整应力生物相容性、人工关节、夹骨板3)在解决资源短缺与能源危机方面的贡献复合材料开发新能源与节约能源挖掘尚未被利用的能源开发海洋与空间使基础设施延长寿命提高太阳能的转换率（光电池、框架）风力发电装置（大型化的叶片、支柱）核燃料（铀分离转子）；潮汐发电基础设施建设的重要性高性能纤维增强混凝土，取代钢筋镁（轻量、阻尼性能好，力学性能差）颗粒增强或晶须增强，扩大应用范围野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置（碳纤维增强树脂装置已潜入海下1000m）海上石油平台、空间站、航天器等4）在治理环境中可起的作用复合材料降低污染整体近净成形降低原材料用量节约加工能耗延长设施寿命功能膜支撑网格碳纤维缠绕气瓶废水治理厂管道利用废弃物材料互补矿渣木屑废塑料麦杆稻草野生植物“绿色”材料自然降解提高性能利用天然纤维透明农膜一此性餐具降解后变为肥料或饲料3复合材料的定义AISO：把两种或两种以上物理性能、化学性能不同的材料组合在一起构成固体材料称为复合材料。B吴人洁：由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料。C综合：两种或两种以上物理性能、化学性能不同的材料，通过人工复合，构成的多相、三维结合、且各相有明显界面的具有比原材料性能优异的固体材料。定义和习惯：

（1）铸铁含有钢一样的基体和无机非金属石墨，但不是复合材料；

（2）钢铁中含有许多合金元素的碳化物，是反应所得；

（3）自蔓延生成的Al+Al2O3和原位生成Ni基+TiC粒子等材料是不是复合材料？（合成材料）

4复合材料的历史

从广义上讲，复合材料已有很久的历史。远古时代：6000年前人们用稻草掺入黏土做土坯。近代：1865年，美国南北战争结束后，上层社会流行打台球，当时台球是象牙做的。象牙的替代产品：硝酸纤维素和樟脑制成所谓的假象牙，这是最初的塑料。以1932年美国用碎布酚醛树脂制备枪托代替木材，发展成为玻璃纤维增强塑料(glass-fiberreinforcedplastics，GFRP)，俗称玻璃钢为起点。材料的强度大大提高，可达到某些合金钢的水平，而密度却只有钢铁的1／5左右，即材料的比强度很高。仍具有的较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和易加工性能。

玻璃钢的用途很广，涉及国防、航空、宇航、机械、交通运输和人民生活的许多方面。由于它有瞬时的耐高温性能，被用来制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好，是制造雷达罩的理想材料。还可作汽车车身、火车车箱和船体以及印刷电路板。由于它显示了其它工业材料无以伦比的许多优异特性，而在材料科学界引起了强烈反响，它启迪人们去寻求新的增强纤维，以开发性能更加优越的新型复合材料。

如果将玻璃强化树脂看作是第一代复合材料，则CFRP（碳纤维增强塑料）、BFRP（硼纤维增强塑料）可以称为第二代复合材料。进一步，以金属或陶瓷为基体的先端复合材料则可以称为第三代复合材料。新一代的运动器材如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑雪杖、滑雪板、撑杆、弓箭等都采用碳纤维增强塑料来做，为运动员创造世界记录做出了贡献。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

须工程塑料碳化硅纤维金

属陶

瓷石

墨泡沫材料混凝土石

膏功能复合材料氧化铝纤维石墨纤维定向凝固共晶自增强塑料聚

脂金属纤维聚酰亚硝胺环境扩大高弹性功能化延伸与韧性耐热性轻量

-SiC

-Al2O3Si3N4石墨+

高韧性5复合材料组分的形式复合材料可以是一个连续相与一个分散相，也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相的组合，并形成固体产物。复合材料中通常一相为连续相，该相称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。两相之间存在明显的相界面。分散相可以是增强纤维、增强颗粒，也可以是颗粒状或弥散状填料。6材料复合的目的取长补短、协同作用1＋127复合材料的优点“取长补短”，形成具有优异性能的材料。其性能不是各组分性能的简单相加，往往是有重大的改进。如玻璃钢。性能可设计性好。特定的介质\特定的工作环境\特定的要求，选用特定的组分；强度设计、强度方向性设计等。如木板家具易变形、开裂，纤维板就不易变形开裂。可制成任意形状，不需要进行多次加工。如火车头的外形罩壳。

8影响复合材料性能的主要因素各组分（基体材料和增强材料）自身的性能特点组分的比例界面或表面处理复合工艺1.2复合材料的命名和分类命名按基体材料命名。如氧化铝基复合材料按增强材料命名。如碳纤维增强复合材料按增强材料形态命名。短纤维复合材料按各种材料合称命名。如碳化硅晶须/镍基复合材料，其顺序可变按材料作用命名。如功能复合材料1.2复合材料的命名和分类

命名增强材料名称+基体材料名称+复合材料，如“玻璃纤维环氧树脂复合材料”，简写为“玻纤/环氧复合材料”。为了突出增强材料或基体材料，也称为玻璃纤维复合材料或环氧树脂复合材料。

碳纤维和金属基构成的复合材料叫碳纤维/金属复合材料，碳颗粒和金属基构成的复合材料叫碳颗粒/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”。没有统一的命名方法，只要明白就可以了。

1.2复合材料的命名和分类

按基体材料分类

①聚合物基复合材料：以有机聚合物为基体，又称为树脂基复合材料，如纤维增强塑料和玻璃钢。②金属基复合材料：以金属为基，如铝基复合材料、钛基复合材料等。③无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃、水泥）为基。树脂基复合材料用量最大，约占总量的90%。玻璃纤维增强塑料用量占树脂基的90%以上。

按基体分：金属基复合材料MMC复合材料有机材料基复合材料木质基复合材料聚合物基复合材料PMC热塑性树脂热固性树脂无机非金属基复合材料水泥或混凝土基复合材料陶瓷基复合材料CMC橡胶基树脂基1.2复合材料的命名和分类

按增强材料形态分类①连续纤维复合材料：增强相为纤维，每根纤维的两端都位于复合材料的两边边界处。②短纤维复合材料：短纤维无规则地分散在基中。③颗粒增强复合材料：以微小颗粒增强，分散在基体中。④编织复合材料：以平面二维或立体三维编织物为增强材料的复合材料。

按增强体分：复合材料颗粒状分散复合材料纤维状分散复合材料连续纤维复合材料分散强化复合材料颗粒增强复合材料片晶增强复合材料不连续纤维复合材料单向纤维强化复合材料非编织纤维层二维、三维编织纤维层定向排列随机排列短纤维晶须定向排列随机排列1.2复合材料的命名和分类

按增强纤维种类分类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、高强度聚烯烃纤维等）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。

1.2复合材料的命名和分类

按材料作用分类①结构复合材料：用于制造受力结构件的复合材料。②功能复合材料：具有各种特殊功能（如阻尼、导电、摩擦、换能、屏蔽等）的复合材料。此外还有一些分法，总之，复合材料的分类方法很多，也没有明确的规定，主要是依据习惯。按基体材料分类方法用得最多。

功能复合材料

电功能方面——有导电、超导、绝缘、半导电、压电等

磁功能方面——有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等

声功能方面——有吸声、声纳、抗声纳等

机械功能方面——有阻尼减振、自润滑、防弹装甲等

化学功能方面——有吸附与分离、抗腐蚀等

多功能复合材料

兼具功能与结构的复合材料。如美国的军用飞机即具有自我保护的隐身功能又有好的结构性能。

机敏复合材料

具有能感知外界作用而且作出适当反应的能力。将传感功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一起，并且连接外部信息处理系统，把传感器给出的信息传达给执行材料，使之产生相应的动作——构成机敏复合材料及系统。

智能复合功能

功能复合材料的最高形式，在机敏复合材料基础上向自决策能力上的发展。依靠在外部信息中处理系统增加的工人智能系统，对信息进行分析，给出决策，指挥执行材料做出优化动作——对材料的传感部分和执行部分的灵敏度、精确度和响应速度提出了更高的要求。

纳米复合材料

纳米效应—表面及界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，这些效应使纳米复合材料不仅有优良的力学性质而且会产生光学、排线性光学、光化学和电学的功能作用。（1）有机—无机纳米复合材料将无机纳米粒子引入有机聚合物——电磁流变液（2）无机——无机纳米复合材料

仿生复合材料

天然的生物材料——基本上都是复合材料

竹子——以管式纤维构成

贝壳——无机质成分与有机质成分呈层状交替叠层构成复合材料新的生长点和有待深入研究、开拓的问题

未来复合材料发展的新领域

发展功能、多功能、机敏、智能复合材料

纳米复合材料

仿生复合材料基础理论、设计和制备方法的深化、开拓与创新

复合材料基础理论问题：界面问题、可靠性问题复合材料新的设计和制备方法1.3.1聚合物基复合材料主要性能

①比强度高，比模量大

②疲劳性能好

③减振性好

④过载安全性好

⑤具有多种功能

⑥良好的加工成型性能

1.3.1聚合物基复合材料主要性能①比强度高，比模量大（见P4表1-1）比强度=强度/密度比模量=模量/密度比强度越大，产品可以设计得越轻；比模量越大，产品的刚度就越好。玻璃纤维增强复合材料的比强度比金属材料高3~5倍，比模量与金属材料相当；碳纤维、硼纤维、有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度和比模量相当于金属的3~5倍。1.3.1聚合物基复合材料主要性能②疲劳性能好

金属材料：突发性；纤维增强复合材料：特别是纤维树脂复材对缺口、应力集中敏感性小，且纤维与基体界面能够阻止疲劳裂纹扩散，改变裂纹扩展方向，故纤维复材有较高的疲劳极限。一般有征兆。大多数金属材料的σ-1/σb=20~50%；碳纤维/聚酯复合材料的σ-1/σb=70~80%。1.3.1聚合物基复合材料主要性能③减振性好复合材料比模量高，具有较高自振频率。复合材料具有大量界面，界面具有吸振能力，故振动阻尼高。一根轻合金梁振动9秒后停止；碳纤维复合材料梁振动2.5秒停止。

1.3.1聚合物基复合材料主要性能④过载安全性好当过载使部分簿弱纤维断裂或基体产生裂纹时，裂纹扩展到增强材料时会受阻，发生钝化，应力集中降低，使整个构件不在短期内快速断裂。纤维复材中，平均每平方厘米中有几千到几万根纤维。当纤维断裂时，载荷就会重新分配到其他未破裂的纤维上，因而构件不致在短期内突然断裂。

1.3.1聚合物基复合材料主要性能⑤具有多种功能

良好的摩擦性能

良好的绝缘性能

优良的耐腐蚀性能

特殊的光学、电学和磁学性能

1.3.1聚合物基复合材料主要性能⑥良好的加工成型性能

聚合物基复合材料可以采用手工糊成型、模压成型、注射成型、缠绕成型和挤压成型等各种成型方法制成产品。在常温下成型。

如冷却水塔、火车车厢外壳、整体卫生间等，一次成型，美观，成本低。

1.3.1聚合物基复合材料主要性能

聚合物基复合材料的缺点：耐高温性能差

易老化

材料的强度一般，不宜作承载结构件

1.3.2金属基复合材料的主要性能

①

高比强度、高比模量

②

导热导电性能好③热膨胀系数小，尺寸稳定

④良好的高温性能

⑤

耐磨性能好

⑥

良好的疲劳性能和断裂韧性

⑦不吸潮、不老化、气密性好

1.3.2金属基复合材料的主要性能①高比强度、高比模量碳纤维密度为1.85，强度达5000MPa，是铝合金的的10~20倍。石墨纤维的最高弹性模量达500GPa。硼纤维、碳化硅纤维密度为2.5~3.4，强度达3000~4500MPa，弹性模量达350~450GPa。加入30%~50%纤维，复合材料的比强度和比模量成倍高于基体材料。1.3.2金属基复合材料的主要性能②导热导电性能金属基比例较高（60%以上），保持良好的导电和导热性能。对需散热和导电的零件来说非常重要。如制动元件，车辆的动能转化为热能，要通过制动元件散发出去；良好的导电性避免了飞行器产生静电聚集问题。在金属基材料中加入一些导热性很好的纤维，如石墨纤维，则制成的复合材料的导热性甚至优于金属基本身。1.3.2金属基复合材料的主要性能③热膨胀系数小，尺寸稳定碳纤维、碳化硅纤维、晶须、硼纤维等的热膨胀系数很小，超高模量碳纤维具有负热膨胀系数。纤维增强复合材料能明显降低材料的热膨胀系数。例如石墨纤维增强镁基复合材料，当纤维含量达到48%时，材料的热膨胀系数为零。选择基体金属、增强纤维及配比，可以得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定的复合材料。

1.3.2金属基复合材料的主要性能④良好的高温性能碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等在高温下具有很好性能。金属基复合材料的高温性能比聚合物基复合材料和基体金属本身要好得多。如钨丝增强耐热合金，1100℃，100小时持久强度207MPa，而基体金属这时的持久强度为48MPa；石墨纤维铝基复合材料在500℃时强度为600MPa，铝基体在300℃时的强度小于100MPa。

金属基复合材料用在发动机等高温部件上。

1.3.2金属基复合材料的主要性能⑤耐磨性能好陶瓷纤维、颗粒等耐磨材料可以大大提高材料的耐磨性能。陶瓷材料的高硬度、高化学性能稳定、高热稳定性，不仅可以提高材料的强度、刚度，也提高了材料的硬度和耐磨性。SiC/Al复合材料和Al2O3/Al复合材料以成功地用于发动机活塞（一汽汽车活塞）、制动盘（德国高速列车制动盘）等零件，明