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第1章复合材料00本讲稿第一页，共三十七页第一章第一章 复合材料概述复合材料概述1.1复合材料的基本概念复合材料的基本概念1.2复合材料的历史复合材料的历史1.3复合材料在复合材料在21世纪应起的作用世纪应起的作用1.4复合材料的基本理论复合材料的基本理论本讲稿第二页，共三十七页1.1 复合材料的基本概念复合材料的基本概念 l由两种以上不同的原材料组成，并使原材料的性能得由两种以上不同的原材料组成，并使原材料的性能得到充分发挥，通过复合化而得到单一材料所不具备的到充分发挥，通过复合化而得到单一材料所不具备的性能性能岛岛村昭治村昭治.未来拓尖端材料工业调查会，未来拓尖端材料工业调查会，1982。，把一些个体典型或基本的特性组合，而得到的物质把一些个体典型或基本的特性组合，而得到的物质余永宁余永宁 等等 译译.金属基复合材料导论，北京，冶金工业出金属基复合材料导论，北京，冶金工业出版社，版社，1996。一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点1 1、复合材料的定义、复合材料的定义本讲稿第三页，共三十七页l由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料料吴人洁，复合材料，天津大学出版社，吴人洁，复合材料，天津大学出版社，2000。l经过一定的操作，将复数个原材料合体，或者是由经过一定的操作，将复数个原材料合体，或者是由复数个相生成，且具有比原材料优异的性能复数个相生成，且具有比原材料优异的性能香川香川 丰，八田博志丰，八田博志.基复合材料，承风社，基复合材料，承风社，1990）复合材料的定义复合材料的定义一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点本讲稿第四页，共三十七页l国际标准化组织（国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为：两种或两种）将复合材料定义为：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。材料。复合材料的定义复合材料的定义一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点本讲稿第五页，共三十七页 F.L.Matthews 和和 R.D.Rawlings 认为复合材料认为复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件：并应满足下面三个条件：（1）组元含量大于）组元含量大于 5%；（2）复合材料的性能显著不同于各组元的性）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；能；（3）通过各种方法混合而成。）通过各种方法混合而成。复合材料的定义复合材料的定义一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点本讲稿第六页，共三十七页 复合材料定义所阐述的主要有两点：即组成规律和性能特征。v组成规律:含两种以上不同的化学相；v性能特征:具有每个组分所不具备的优良性能。一般认为然材料的骨骼、竹子、木材等应属于具一般认为然材料的骨骼、竹子、木材等应属于具有复合材料形态的天然材料。有复合材料形态的天然材料。这样，复合材料的含义就还应该包括：人工制造、成这样，复合材料的含义就还应该包括：人工制造、成分由人们有意识的选择；具有重复的几何特征等。分由人们有意识的选择；具有重复的几何特征等。一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点本讲稿第七页，共三十七页 在“材料科学技术百科全书”和“材料大辞典”中将复合材料定义如下：l复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点本讲稿第八页，共三十七页 复合材料将由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位生长复合材料、纳米复合材料和分子复合材料等。一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点本讲稿第九页，共三十七页 所谓所谓复合材料复合材料，是指由两种或两种以上不，是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。相材料。复合材料的定义复合材料的定义一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点本讲稿第十页，共三十七页复合材料由基体基体和增强剂增强剂两个组分构成：l复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体基体；l而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增强，称为增强剂增强剂（增强相、增强体）。2 2、复合材料的基本结构模式、复合材料的基本结构模式一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点本讲稿第十一页，共三十七页l增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。l增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。l增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。复合材料的基本结构模式复合材料的基本结构模式一、复合材料的定义和特点一、复合材料的定义和特点本讲稿第十二页，共三十七页二、复合材料的命名和分类二、复合材料的命名和分类复合材料的命名：复合材料的命名：将增强材料的名称放在前面,基体材料的名称放在后面,再加上“复合材料”。增强材料的名称增强（增强材料的名称增强（/,and,or)基体基体材料名称（基）复合材料材料名称（基）复合材料本讲稿第十三页，共三十七页例如：玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材 料称为“玻璃纤维环氧树脂复合材料”，也可写做“玻璃/环氧复合材料”。碳纤维和金属基体构 成的复合材料叫金属基复合材料,也可写为碳碳/金属复合材料金属复合材料。碳纤维和碳构成的复合材料叫碳碳/碳复合材料碳复合材料。二、复合材料的命名和分类二、复合材料的命名和分类本讲稿第十四页，共三十七页二、复合材料的命名和分类二、复合材料的命名和分类将复合材料进行分类时，有按基体或第二相等多种将复合材料进行分类时，有按基体或第二相等多种方法。方法。1 1、按基体材料分类、按基体材料分类:木质基复合木质基复合材料材料复合复合材料材料有机材料基复有机材料基复合材料合材料 金属基复合材金属基复合材料料MMCMMC无机非金属基无机非金属基复合材料复合材料聚合物基复聚合物基复合材料合材料PMC PMC 热塑性树脂热塑性树脂 热固性树脂热固性树脂树脂基树脂基水泥或混凝土基水泥或混凝土基复合材料复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料CMCCMC 橡胶基橡胶基本讲稿第十五页，共三十七页金属基复合材料金属基复合材料MMC:MMC:以金属或合金为基体的复合材料。以金属或合金为基体的复合材料。l 增强物主要有高性能增强纤维、晶须、颗粒等为增强体；增强物主要有高性能增强纤维、晶须、颗粒等为增强体；基体铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、镍基、耐热基体铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、镍基、耐热金属基、金属间化合物等复合材料。金属基、金属间化合物等复合材料。l 目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟。目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟。l 高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性好、高导热高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性好、高导热导电性、低膨胀、高阻尼、耐磨性。用于高性能结构件、导电性、低膨胀、高阻尼、耐磨性。用于高性能结构件、电子、仪器、汽车等工业。电子、仪器、汽车等工业。本讲稿第十六页，共三十七页陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料:由碳纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝与由碳纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝与陶瓷基体组成的复合材料。陶瓷基体组成的复合材料。l 耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨，但存在严重的脆耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨，但存在严重的脆性。纤维、晶须、金属丝与陶瓷基体的复合，在于改性。纤维、晶须、金属丝与陶瓷基体的复合，在于改善陶瓷材料的韧性。善陶瓷材料的韧性。l 用于发动机、高性能燃气轮机，提高热机效率，陶瓷用于发动机、高性能燃气轮机，提高热机效率，陶瓷刀具。刀具。本讲稿第十七页，共三十七页聚合物（树脂）基复合材料聚合物（树脂）基复合材料:由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒等与热固性、热塑碳化硅纤维、晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组成的基体组成的复合材料。性树脂组成的基体组成的复合材料。l 比强度、比模量高、热膨胀系数小、耐磨性、阻尼比强度、比模量高、热膨胀系数小、耐磨性、阻尼性好。性好。l 广泛用于航空、航天、建筑、化工、机械、电子、广泛用于航空、航天、建筑、化工、机械、电子、体育等。体育等。本讲稿第十八页，共三十七页2 2、按第二相（增强体）形态分：、按第二相（增强体）形态分：颗粒增强复颗粒增强复合材料合材料颗粒状分散颗粒状分散相复合材料相复合材料 纤维状分散纤维状分散相复合材料相复合材料 短纤维短纤维 连续纤维连续纤维强化复合材料强化复合材料 分散强化复合分散强化复合材料材料 片晶增强复片晶增强复合材料合材料 复复合合材材料料 单向纤维强化复合材料单向纤维强化复合材料 非编织纤维层非编织纤维层 2 2维维,3,3维编织纤维层维编织纤维层晶须晶须 随机排列随机排列 随机排列随机排列 定向排列定向排列定向排列定向排列不连续纤维不连续纤维强化复合材料强化复合材料 本讲稿第十九页，共三十七页3 3、按增强纤维种类分为：、按增强纤维种类分为：l玻璃纤维复合材料；玻璃纤维复合材料；l碳纤维复合材料；碳纤维复合材料；l有机纤维有机纤维(芳香族聚航胶纤维、芳香族聚醋纤维、高芳香族聚航胶纤维、芳香族聚醋纤维、高强度聚烯短纤维等强度聚烯短纤维等)复合材料；复合材料；l金属纤维金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等如钨丝、不锈钢丝等)复合材料；复合材料；l陶瓷纤维陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)复合复合材料；材料；l如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料。称为混杂复合材料。本讲稿第二十页，共三十七页4、按材料作用分类 l结构复合材料结构复合材料：用于制造受力构件的复合材料：用于制造受力构件的复合材料;l功能复合材料功能复合材料：各种特殊性能：各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等换能、摩擦、屏蔽等)复合材料。强调具有电、热、复合材料。强调具有电、热、磁等功能特性；磁等功能特性；l智能复合材料智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。自修复等特性。本讲稿第二十一页，共三十七页(1)(1)可综合发挥各种组成材料的优点可综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多使一种材料具有多种性能种性能,具有天然材料所没有的性能。具有天然材料所没有的性能。(2)(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。(3)(3)可制成所需的任意形状的产品可制成所需的任意形状的产品,可避免多次加工工序。可避免多次加工工序。复合材料的特点：复合材料的特点：三、复合材料的基本性能三、复合材料的基本性能复合材料的最大特点是性能的可设计性！复合材料的最大特点是性能的可设计性！本讲稿第二十二页，共三十七页1.1.比强度、比模量大；比强度、比模量大；2.2.耐疲劳性能好；耐疲劳性能好；3.3.减震性好；减震性好；4.4.过载时安全性好；过载时安全性好；5.5.具有多种功能性：具有多种功能性：6.6.有很好的加工工艺性有很好的加工工艺性1、聚合物基复合材料的主要性能、聚合物基复合材料的主要性能 耐烧烛性好。耐烧烛性好。有良好的摩擦性能有良好的摩擦性能,包括良好包括良好的摩阻特性及减摩特性的摩阻特性及减摩特性;高度的高度的电绝缘性能电绝缘性能;优良的耐腐蚀性能优良的耐腐蚀性能;有特殊的光学、电学、磁学的有特殊的光学、电学、磁学的特性。特性。本讲稿第二十三页，共三十七页1.1.高比强度、高比模量；高比强度、高比模量；2.2.导热、导电性能；导热、导电性能；3.3.热膨胀系数小、尺寸稳定性好；热膨胀系数小、尺寸稳定性好；4.4.良好的高温性能；良好的高温性能；5.5.耐磨性好；耐磨性好；6.6.良好的疲劳性能和断裂韧性；良好的疲劳性能和断裂韧性；7.7.不吸潮、不老化、气密性好。不吸潮、不老化、气密性好。2 2、金属基复合材料的主要性能、金属基复合材料的主要性能本讲稿第二十四页，共三十七页4、水泥基复合材料的主要性能 3 3、陶瓷基复合材料的主要性能本讲稿第二十五页，共三十七页复合材料的使用温度l从重量轻且强度高的角度从重量轻且强度高的角度:l高分子基复合材料在室温附近具有优势；高分子基复合材料在室温附近具有优势；l金属基复合材料在中温区域；金属基复合材料在中温区域；l金属间化合物基复合材料在高温区域；金属间化合物基复合材料在高温区域；l陶瓷基复合材料则在更高温度区域具有优势。陶瓷基复合材料则在更高温度区域具有优势。本讲稿第二十六页，共三十七页结构用材料的比强度与温度的关系结构用材料的比强度与温度的关系本讲稿第二十七页，共三十七页复合材料的力学性能l高强度、高刚度、高温性能优越等高强度、高刚度、高温性能优越等l普通的工程材料大多是均匀的、各向同性的普通的工程材料大多是均匀的、各向同性的l均质：性能不是物体位置的函数均质：性能不是物体位置的函数l各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向都是相同各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向都是相同的，性能不是一点方向上的函数的，性能不是一点方向上的函数l复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材料性复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材料性能是位置和方向的函数能是位置和方向的函数l各向异性：所有方向都有不同的性能，没有材料对称面各向异性：所有方向都有不同的性能，没有材料对称面本讲稿第二十八页，共三十七页1.2复合材料的历史复合材料的历史从广义上讲，复合材料已有很久的历史。从广义上讲，复合材料已有很久的历史。远古：远古：人们用稻草掺入黏土做土坯。人们用稻草掺入黏土做土坯。古代：古代：人们用钢铁层压法制成刀剑等。人们用钢铁层压法制成刀剑等。近代：近代：以以19421942年制出的玻璃纤维强化塑料为起点。随后年制出的玻璃纤维强化塑料为起点。随后 为了为了提高纤维的弹性率，开发了硼纤维、碳纤维、耐热氧化铝纤提高纤维的弹性率，开发了硼纤维、碳纤维、耐热氧化铝纤维等。另一方面，为改善树脂的耐热性，对金属基复合材料维等。另一方面，为改善树脂的耐热性，对金属基复合材料也开展了研究。也开展了研究。FRMFRM的耐热温度已达的耐热温度已达450450，强度在，强度在1500 MPa1500 MPa以以上。同时，对陶瓷等无机材料作为复合材料的基体也有了新上。同时，对陶瓷等无机材料作为复合材料的基体也有了新的认识，在研究开发基础上有了广泛的应用。的认识，在研究开发基础上有了广泛的应用。本讲稿第二十九页，共三十七页第一代复合材料：第一代复合材料：玻璃强化树脂玻璃强化树脂第二代复合材料：第二代复合材料：CFRP（碳纤维增强塑料）、（碳纤维增强塑料）、BFRP（硼纤维增强塑料）（硼纤维增强塑料）第三代复合材料：第三代复合材料：以金属或陶瓷为基体的先端以金属或陶瓷为基体的先端复合材料复合材料本讲稿第三十页，共三十七页第一代第一代第二代第二代第三代第三代氧化铝纤维氧化铝纤维玻璃纤维玻璃纤维硼纤维硼纤维碳纤维碳纤维芳族聚酰胺芳族聚酰胺晶晶 须须工程塑料工程塑料碳化硅纤维碳化硅纤维金金 属属陶陶 瓷瓷石石 墨墨泡沫材料泡沫材料混凝土混凝土石石 膏膏功能功能复合材料复合材料氧化铝纤维氧化铝纤维石墨纤维石墨纤维定向凝固共晶定向凝固共晶自增强塑料自增强塑料扩散接合扩散接合表面处理表面处理CVD(化学气相沉积化学气相沉积)CVI(化学气相渗透化学气相渗透)CIP,HIP聚聚 脂脂金属纤维金属纤维聚酰亚硝聚酰亚硝胺胺环境扩大环境扩大高弹性高弹性功能化功能化延伸与延伸与韧性韧性耐热性耐热性轻量轻量-SiC-Al2O3Si3N4石墨石墨+高韧性高韧性本讲稿第三十一页，共三十七页1.3复合材料在复合材料在21世纪应起的作用世纪应起的作用 讨论复合材料在讨论复合材料在2121世纪应起的作用之前，应分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。需求。世界发展的趋势是进入高信息化的社会，对生活质量和世界发展的趋势是进入高信息化的社会，对生活质量和健健 康水平的追求会更高。康水平的追求会更高。地球存在着非常严重的问题。地球存在着非常严重的问题。环境污染、地球环境污染、地球温室效应、臭氧温室效应、臭氧层破坏、沙漠化、层破坏、沙漠化、野生动物的灭、野生动物的灭绝绝人口膨胀、清洁淡人口膨胀、清洁淡水、食物、可耕地水、食物、可耕地能源枯竭能源枯竭石油、天然气、煤、石油、天然气、煤、矿产等矿产等本讲稿第三十二页，共三十七页1)对信息技术提供服务对信息技术提供服务复合材料复合材料信息获得信息获得敏感器件敏感器件换能材料换能材料信息存储信息存储磁记录磁记录光记录光记录信息处理信息处理芯片封装芯片封装电路板电路板信息传播信息传播光导纤维光导纤维导波管导波管信息执行信息执行机械动作机械动作高强高刚高强高刚本讲稿第三十三页，共三十七页2)对提高人类生活质量做出贡献对提高人类生活质量做出贡献复合材料复合材料衣衣纺织机械纺织机械食食蔬菜大棚蔬菜大棚住住建筑材料建筑材料行行交通工具交通工具改善舒适性改善舒适性轻质高强、隔音隔热轻质高强、隔音隔热墙体门窗、整体洁具墙体门窗、整体洁具飞机车辆、大小船舰飞机车辆、大小船舰高速列车的车体结构高速列车的车体结构提高安全性提高安全性抗冲韧性、吸收能量、抗冲韧性、吸收能量、汽车保险杠、轿车底板、汽车保险杠、轿车底板、自诊断机敏复合材料、高自诊断机敏复合材料、高层建筑抗地振灾害层建筑抗地振灾害提高健康水平提高健康水平修复植入人造器官成修复植入人造器官成分设计、调整应力生分设计、调整应力生物相容性、人工关节物相容性、人工关节、夹骨板、夹骨板本讲稿第三十四页，共三十七页3)在解决资源短缺与能源危机方面的贡献在解决资源短缺与能源危机方面的贡献复复合合材材料料开发新能源与节开发新能源与节约能源约能源挖掘尚未被利用挖掘尚未被利用的能源的能源开发海洋与空间开发海洋与空间使基础设施延长使基础设施延长寿命寿命提高太阳能的转换率（光电池、框架）风力发电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（铀分离转装置（大型化的叶片、支柱）核燃料（铀分离转子）；潮汐发电子）；潮汐发电基础设施建设的重要性基础设施建设的重要性高性能纤维增强混凝土，取代钢筋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、或晶须增强，扩大应用范围野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰电厂烟囱煤灰耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置 （碳纤维增强树（碳纤维增强树脂装置已潜入海下脂装置已潜入海下1000m）海上石油平台、空间站、）海上石油平台、空间站、航天器等航天器等本讲稿第三十五页，共三十七页4）在治理环境中可起的作用）在治理环境中可起的作用复合材料复合材料降低污染降低污染l整体近净成形整体近净成形l降低原材料用量降低原材料用量l节约加工能耗节约加工能耗l延长设施寿命延长设施寿命l功能膜支撑网格功能膜支撑网格l碳纤维缠绕气瓶碳纤维缠绕气瓶l废水治理厂管道废水治理厂管道利用废弃物利用废弃物l材料互补材料互补l矿渣矿渣l木屑木屑l废塑料废塑料l麦杆麦杆l稻草稻草l野生植物野生植物“绿色绿色”材料材料l自然降解自然降解l提高性能提高性能l利用天然纤维利用天然纤维l透明农膜透明农膜l一此性餐具一此性餐具l降解后变为降解后变为肥料或饲料肥料或饲料本讲稿第三十六页，共三十七页谢谢！谢谢！本讲稿第三十七页，共三十七页
