第一章 复合材料概论

复合材料概论平时成绩占40％理论部分考试占60％平时成绩：考勤（40%）+作业（60%）考核目录CATALOG延迟符总论基体增强材料界面聚合物基复合材料金属基复合材料123456陶瓷基复合材料水泥基复合材料78C/C复合材料9混杂纤维复合材料10

【世界残留风光】

由粘土和稻草盖成的非洲喀麦隆民居复合材料无所不在！

燕子窝：泥土-草复合材料---------(水泥+钢筋)史上最牛的钉子户白宫我们住在复合材料里树木也是一种复合材料木质素纤维素全复合材料涡桨公务机第一章总论目录复合材料的发展概况（了解）复合材料结构设计基础（了解）0104复合材料的命名和分类（掌握）02复合材料的基本性能（熟悉）031.1复合材料的发展概况技术革命010203信息生命材料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旧石器时代—新石器时代—铜器时代—青铜器时代—铁器时代—新材料时代材料010203金属材料无机非金属材料高分子材料科学的发展需要（1）传统的单一材料已不能满足实际需要，复合材料可以结合不同单一类型材料的性能优点从而达到新的使用性能。（2）对复合材料的需求越来越大，相应的研究也越来越多。国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization,ISO)：复合材料是由两种或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。(通用)复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而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，故常称为增强材料

(也称为增强体、增强相等)，之间存在相界面。1.1.1复合材料的概念（Compositematerial）若复合产物为液体或气体，能否称为复合材料？增强材料可以是纤维或编织物，也可以是颗粒或弥散的填料。基体一种连续相，它把改善性能的增强体材料固结成一体，并赋予复合材料一定的形状，传递外界应力，保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。增强材料一种分散相，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，改善复合材料的性能。

泥砖泥秸秆钢筋混凝土沙子、石子、水泥钢筋复合材料及其增强材料的各种形态纤维状颗粒状层状片状填充状复合材料可以保持原材料的某些特点又能发挥组合后的新特征，可以根据需要进行设计，从而最合理地达到使用所要求的性能。（1+1?2）1.1.2复合材料的意义由于复合材料各组分间的“取长补短、协同作用”，极大地弥补了单一材料的缺点，产生单一材料所不具备的新性能，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，按照设计、复合成为综合性能优异的新型材料。可以预言，如果用材料的作为历史分期的依据，那么21世纪，将是复合材料的时代。1.1.3复合材料的发展历史古代复合材料自古有之近代复合材料常用复合材料（性能单一，生产量大，使用范围广）现代复合材料先进复合材料（1）古代复合材料漆器－猪形盒（战国时期）

7000年前的西安半坡村遗址中曾发现草拌泥制成的墙壁和砖坯，其性能优于草和泥；4000年以前的漆器是典型的纤维增强复合材料，它是用丝、麻及其织物为增强相，以生漆做粘结剂一层一层铺敷在底胎（模具）上，待漆干后挖去底胎成型。西安半坡遗址博物馆（2）近代复合材料

纤维增强橡胶：轮胎是以帘子线增强橡胶复合材料；

玻璃钢：1942年，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（GFRP,俗称玻璃钢）。美国：火箭发动机壳，燃料容器及军用飞机雷达罩，其后莱特空军发展中心设计制造了玻璃钢为机身和机翼的飞机。随后迅速扩展到民用材料。玻璃钢用于上海东方明珠电视塔内的装潢目前最大的复合材料猎扫雷舰为美国的复仇者（avenger）级猎扫雷舰，全船船体为木层-玻璃钢混合结构。其骨架为夹层木板所制，其船体外板为4层厚木板，外层包玻璃钢。（3）现代复合材料1970~1980年，先进复合材料发展时代。1975年先进复合材料“碳纤维增强环氧树脂复合材料及凯芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。

70年代：凯夫拉纤维增强塑料（KFRP）碳化硅纤维增强塑料（SFRP）氧化铝纤维增强塑料（AFRP）

碳纤维增强塑料（CFRP）碳化硅纤维增强金属（SFRM）氧化铝纤维增强金属（AFRM）1980~1990年，纤维增强金属基复合材料和陶瓷基复合材料得到广泛研究和发展，用于航天飞行器。发动机风扇叶片（SiC/Ti）氧化铝纤维增强铝基复合材料261990~至今，主要发展多功能复合材料，如机敏复合材料、梯度功能材料。变形机翼“滑动蒙皮”可以改变机翼形状，从高速飞行攻击布局（左）到低速远程巡航布局（右）

纵观复合材料的发展过程，可以看到：早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产量大，使用面广，可称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的先进复合材料。1.2复合材料的命名和分类

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：1.2.1复合材料的命名（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。（3）同时强调两者时，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。

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”。那么“碳／金属复合材料”的命名中，谁是基体、谁是增强体材料!!,“碳／碳复合材料”,又如何？前者为为碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，后者为碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳／碳复合材料”。国外还常用英文字母来表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金属基复合材料；FRP（FiberReinforcedPlastics）表示纤维增强塑料；玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)。复合材料的分类方法也很多，常见的分类方法有以下几种：1）按增强材料形态分为以下三类（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；1.2.2复合材料的分类（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纤维编织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、天然增强体颗粒增强型短切纤维增强型板状、编织增强型连续纤维增强型2）按增强纤维种类分类纤维增强复合材料分为以下五种：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。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3）按基体类型分类以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体制成的复合材料。以金属（铝、镁、钛等）为基体制成的复合材料。无机非金属基复合材料4）

按材料作用分两类①结构复合材料；②功能复合材料；③智能复合材料①结构复合材料主要用于制造受力构件；以承受载荷为主要目的。主要使用力学性能，以满足高强度、高模量、耐冲击、耐磨损的要求。②功能复合材料

主要使用功能特性，具备各种特殊物理与化学性能的材料。利用其在电、磁、声、光、热、阻尼、烧蚀、摩擦、屏蔽等方面的特殊性能。如压电功能复合材料、阻尼功能复合材料、磁性复合材料等。

③智能复合材料

机敏材料+自决策材料+执行材料。当材料发生故障或即将失效时，电阻或电导发生突变，机敏材料发出预警，自决策材料根据情况作出最优控制，发出指令传达给执行材料使之发生动作，从而保证材料处于最佳状态。

除了上面的各种各样的复合材料以外，还有同质复合材料和异质复合材料。

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（前面提及的复合材料多属此类）。可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有原材料所没有的性能。玻璃纤维增强环氧基复合材料：钢材的强度，塑料的绝缘性和耐腐蚀性。复合材料具有可设计性。可以根据使用要求进行设计和制造，以满足各种用途，从而极大地提高工程结构的效能。可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序。可避免金属产品的铸模、切削、抛光等工序。1.3复合材料的基本性能1.3.1复合材料是由多相材料复合而成，共性复合材料最显著的特性是其性能（主要指力学性能、物理性能和工艺性能）在一定范围内具有可设计性。选择基体、增强体的类型及其含量；增强体在基体中的排列方式；基体与增强体之间的界面性能。来获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能。

比强度=强度/密度MPa/（g/cm3）比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）1.比强度、比模量（刚度）高（最突出的特点）典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较1.3.2复合材料的特性比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标表1.1传统金属材料与复合材料性能比较材料密度g/cm3抗拉强度

MPa拉伸模量

GPa比强度*1e6/cm比模量*1e8/cm膨胀系数*1e-6/KC/环氧1.6180012811.380.2芳纶/环氧1.415008010.75.71.8B/环氧2.116002207.610.54.0碳化硅/环氧2.015001307.56.52.6石墨纤维/铝2.28002313.610.52.0钢7.814002101.42.712铝合金2.8500771.72.823钛合金4.510001102.22.49.0目前：

聚合物基复合材料的最高耐温上限为250

C；

金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在400~600

C范围内变动；

陶瓷基复合材料的使用温度可达1500

C；

碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800

C。2.良好的高温性能陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善复合材料破坏特点：

当少数纤维断裂时，其失去的部分载荷会通过基体而迅速分散到其它完好的纤维上去，复合材料在短期不会丧失承载能力。3.良好的抗疲劳、抗蠕变、抗冲击和断裂韧性48裂纹扩展示意图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。

聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。

494.良好的尺寸稳定性5.良好的化学稳定性6.良好的功能性能性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是它们的结合界面、成型工艺等。1.3.5复合材料的性能比较1）主要取决于增强相的性能⑴比强度，比模量高⑵冲击韧性和断裂韧性高⑶耐疲劳性好⑷减震性⑸热膨胀系数小⑴硬度陶瓷基>金属基>树脂基⑵耐热性树脂基:60～250℃

金属基:400～

600℃

陶瓷基:1000～

1500℃⑶耐自然老化陶瓷基>金属基>树脂基2）取决于基体相的性能⑷导热导电性金属基>陶瓷基>树脂基⑸耐蚀性陶瓷基和树脂基>金属基⑹工艺性及生产成本陶瓷基>金属基>树脂基1.4复合材料的结构设计基础一次结构：基体和增强材料组成的单层结构；其力学性能取决于原材料力学性能、形态、分布、含量及界面性能。

二次结构：由单层结构层合而成的层合体，其力学性能决定于单层体材料的力学性能和铺层几何（厚度、铺设方向以及铺层序列）

三次结构：指工程结构或产品结构，其力学性能取决于层合体的力学性能和结构几何。

对于纤维增强的复合结构，从固体力学角度，其结构分为三个结构层次：1.4.1复合材料的结构将单层材料作为结构来分析，必须研究材料的多相性其各相材料的相互关系。这种研究方法叫微观力学方法，以预示材料的宏观力学性能。它解释机理，发掘材料本质。