第一章复合材料的概念、分类及其发展历程课件.ppt

复 合 材 料 1 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程主要参考资料1、现代复合材料-陈华辉 邓海金 李 明（中国物质出版社,1998）2、复合材料概论-王荣国 武卫莉（哈尔滨工业大学出版社,1999）3、复合材料-吴人洁（天津大学出版社,2000）5、复合材料及其应用尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003）6、高性能复合材料学-郝元恺,肖加余(化学工业出版社,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）8、复合材料-周曦亚（化学工业出版社,2005）2 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程第一章 第一章 复合材料的概念、分 复合材料的概念、分 类 类 及其 及其 发 发 展 展 历 历 程 程第二章 第二章 复合材料基本特性、复合材料基本特性、应 应 用及其研究 用及其研究 现 现 状 状第三章 第三章 复合材料的基体材料 复合材料的基体材料第四章 第四章 复合材料的增 复合材料的增 强 强 材料 材料第五章 第五章 复合材料的成型工 复合材料的成型工 艺 艺第六章 第六章 功能复合材料 功能复合材料第七章 第七章 复合材料的复合原 复合材料的复合原 则 则 及界面 及界面第八章 第八章 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料第九章 第九章 金属基复合材料 金属基复合材料目 录3 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程4 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程材料分类：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5 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程10000BC各种材料在各个历史时期相对重要性5000BC 0 1500 1900 1960 1980 1990 2000 2010 2020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36 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程、复合材料的定义 什么是复合材料(Composition Materials,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 复合后材料的性能 合后材料的性能，或偏重于考虑 复合材料的 复合材料的 结 结 构 构 7 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程诸如（）（）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 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 复合后材料的性能8 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程（）（）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 物理形式 理形式结合而成的。9 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 F L.Matthews 和D Rawlings 认为，复合材料是两个或两个以上 组 组 元或相 元或相 组 组 成的混合物 成的混合物，并应满足下面三个条件：(1)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能，(3)通过各种方法混合而成。10 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 按这Matthews 和Rawlings 给出的定义，钢铁及其合金不应属于复合材料，如CoCrMoSi 合金不属于复合材料，因为这种合金经过 熔化和凝固 熔化和凝固过程；而仅有像SiC 颗粒强化的Al合金这种混合而成的材料才属于复合材料。因此有人认为可将复合材料划分为广义复合材料和狭义复合材料。1 1 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同 化学性 化学性 质 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 相 态 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。12 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程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 通 过 过 人工复合的 人工复合的”和“有特殊性能的 有特殊性能的”材料，而且还指明了复合材料的 组 组 分、分、结 结 构特点 构特点及 与其他种 与其他种材料 材料（如简单混合物、化合物、合金）的特征区 的特征区 别 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。13 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程以下面五点概括了 复合材料的特点 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）；14 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程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。15 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程国 国 际标 际标 准化 准化 组织 组织：由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。材料科学技 材料科学技 术 术 百科全 百科全 书 书中关于复合材料的定义如下：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各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。16 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程材料大辞典 材料大辞典中关于复合材料的定义为：复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相材料范畴。17 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程根据 材料大辞典 材料大辞典中关于复合材料的定义可以看出,复合材料具有两个鲜明的特点:、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的 新性能 新性能。、复合材料具有 可 可 设计 设计 性 性。由于各种原材料都具有各自的优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所示的结果。18 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程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 复合效 应 应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。19 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 综上所述，复合材料应具有以下三个特点：(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。20 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程(3)复合材料具有 可 可 设计 设计 性 性。复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为 基体 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 增 强 强 体 体(也称为增强材料、增强相等)。在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体与增强体之间存在着界面。21 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 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。22 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 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增强强体和基体和基体的名称体的名称来命名，通常有以下三种情况：2、复合材料的命名23 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程（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。24 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程（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。25 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程例如：“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”。26 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 国外还常用 英文 英文 编 编 号 号来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）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)27 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程、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 材料的分 类 类，历史上有许多方法：28 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程（）按材料的化学性质分类，有金属材料、非金属材料之分。（）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。（）按用途分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。材料的分材料的分类类29 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程复合材料的 复合材料的分类方法也很多，常见的 分 分 类 类 方法 方法有以下几种：一、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；30 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程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 31 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程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32 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程纤维增强复合材料纤维增强复合材料分为以下五种：玻璃 玻璃 纤维 纤维复合材料；碳 碳 纤维 纤维复合材料；有机 有机 纤维 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；金属 金属 纤维 纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；陶瓷 陶瓷 纤维 纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。33 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程混杂复合材料：两种或两种以上增强体同一种基体制成的复合材料。可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。34 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 玻璃纤维复合材料用玻璃纤维增强工程塑料工程塑料的复合材料，即玻璃玻璃钢钢。玻璃钢分为两种，即热热塑性玻璃塑性玻璃钢钢和热热固性玻璃固性玻璃钢钢。35 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程、热塑性玻璃钢 热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以 热 热 塑性 塑性 树 树 脂 脂为粘结剂制成的复合材料。、热固性玻璃钢 热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以 热 热 固性 固性 树 树 脂 脂为粘结剂制成的复合材料。36 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 碳纤维复合材料、碳纤维复合材料：作基体的树脂，目前应用最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。、碳纤维碳复合材料：用 有机基体 有机基体浸渍纤维坯块，固化后再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。、碳纤维金属复合材料：主要用于熔点较低的金属或合金，如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材料。、碳纤维陶瓷复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料。37 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程硼纤维复合材料硼 硼 纤维 纤维是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。、硼纤维树脂复合材料：基体主要为 环 环 氧 氧 树 树 脂 脂、聚苯并 聚苯并咪 咪 唑 唑和 聚 聚 酰亚 酰亚 胺 胺 树 树 脂 脂等。、硼纤维金属复合材料：常用的基体为 铝 铝、镁 镁 及其合金 及其合金，还有 钛 钛 及其合金 及其合金等。38 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程金属纤维复合材料 作增强纤维的金属主要是 强 强 度 度 较 较 高的高熔点金属 高的高熔点金属钨、钼、钢、不锈钢、钛、铍等，它们能被基体金属润湿，也能增强陶瓷。、金属纤维金属复合材料：研究较多的增强剂为 钨钼丝 钨钼丝，基体为 镍 镍 合金 合金和 钛 钛 合金 合金。、金属纤维陶瓷复合材料：利用金属纤维的 韧 韧 性 性和 抗拉 抗拉能力 能力改善陶瓷的 脆性 脆性。39 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程二、按材料作用分两类 结构复合材料；功能复合材料。40 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 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承力结结构构使用的复合材料，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。41 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程结构复合材料又可按基体材料基体材料类类型型和增增强强体体材料材料类类型型来分类见下图所示：42 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程聚合物基 聚合物基复合材料金属基 金属基复合材料陶瓷基 陶瓷基复合材料水泥基 水泥基复合材料碳基 碳基复合材料结构复合材料热 热 固 固性树脂基热 热 塑 塑性树脂基橡胶 橡胶基高温陶瓷 高温陶瓷基玻璃基 玻璃基玻璃陶瓷 玻璃陶瓷基轻 轻 金属 金属基高熔点金属 高熔点金属基金属 金属 间 间 化合物 化合物基、按 基体 基体 类 类 型 型分类43 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程B、按 增 增 强 强 体 体 类 类 型 型分类结构复合材料叠 叠 层 层 式 式复合材料片材增 片材增 强 强复合材料颗 颗 粒增 粒增 强 强复合材料纤维 纤维 增 增 强 强复合材料人工 人工 晶片 晶片天然 天然 片状物 片状物微米 微米 颗 颗 粒 粒纳 纳 米 米 颗 颗 粒 粒不 不 连续纤维 连续纤维 复合材料 复合材料连续纤维 连续纤维 增 增 强 强 复合材料 复合材料晶 晶 须 须 增 增 强 强 复合材料 复合材料短切 短切 纤维 纤维 增 增 强 强 复合材料 复合材料单 单 向 向 纤维 纤维 增 增 强 强 复合材料 复合材料二 二 维织 维织 物 物 增 增 强 强 复合材料 复合材料三 三 维织 维织 物 物 增 增 强 强 复合材料 复合材料44 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程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组元元选选材材和增增强强体排布体排布设计设计，从而充分发挥各组元的效能。45 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程 功能复合材料指具备各种特殊物理与化学性能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。46 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程功能复合材料中的增增强强体体又可称为功能体功能体组组元元，它分布于基体基体组组元元中。功能复合材料中的基体基体不仅起到构成整体构成整体的作用，而且能够产生协协同或加同或加强强功能功能的作用。47 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程除了上面的各种各样的复合材料以外，还有同同质质复复合材料合材料和异异质质复合材料复合材料。同同质质复合材料复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）异异质质复合材料复合材料（前面提及的复合材料多属此类）。48 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程复合材料目前状况（）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟 广泛的应用（）金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位（）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决49 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程、复合材料发展概况复合材料 发 发 展 展 简 简 史：史：学术界开始使用“复合材料”（composite materials）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 现 代复合材料 代复合材料的新纪元。50 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程从20世纪60年代开始，开发出多种高性能高性能纤维纤维。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，使现现代复合材料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高性能复合材料的发展阶段。51 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程复合材料的整个整个发发展展过过程程可表示为：古代 近代先进复合材料52 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程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，树树木木和竹子竹子是纤维纤维素素和木木质质素素的复合体；动动物的骨骼物的骨骼则由无机磷酸无机磷酸盐盐和蛋白蛋白质质胶原胶原复合而成。53 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程人类很早就 接触和使用 接触和使用各种天然复合材料，并 仿效 仿效自然界制作各种各样的复合材料。例如陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今；漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。54 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程近代，复合材料的发展始于20世纪40年代，第二次世界大战中，玻璃玻璃纤维纤维增增强强聚聚酯树酯树脂脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。50年代得到了迅速发展。我国从1958年开始发展复合材料55 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程现现代复合材料代复合材料的制作成功则要从1942年，第二次世界大战中，玻璃玻璃纤维纤维增增强强聚聚酯树酯树脂脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。56 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程材料科学家们认为，就世界范围而论，从1940年到1960年这20年间，是玻璃纤维增强塑料时代，可以称为复合材料复合材料发发展的第一代展的第一代。第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料；57 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程1965年英国科学家研制出碳纤维；1971年美国杜邦公司开发出Kevler-49（开芙拉-49）；1975年先进复合材料“碳纤维增强、及Kevler 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。这一时期被称为 复合材料 复合材料 发 发 展的第二代。展的第二代。第二代：1960年到1980年，先进复合材料的发展时期58 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程1990年以后则被认为是 复合材料 复合材料 发 发 展的第四代 展的第四代，主要发展 多功能复合材料 多功能复合材料，如 机敏（智能）复合材料 机敏（智能）复合材料和 梯度功能材 梯度功能材料等 料等。随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都得到应用。59 第一章复合材料的概念、分类及其发展历程