第十章 复合材料.doc

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1、复合材料的定义：由两个或两种以上独立的物理相，包括粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物称为复合材料。复合材料的组成分为两大部分：基体与增强材料。基体：构成复合材料连续相的单一材料。如玻璃钢中的树脂就是基体。增强材料：复合材料中不构成连续相的材料。如玻璃钢中的玻璃纤维就是增强材料。复合材料的分类方法颇多，通常按其基体不同，可分为三大类：1、 聚合物基复合材料。通常说的树脂复合材料归属此类。2、 金属基复合材料。3、 无机非金属基复合材料。三种复合材料中，以树脂基复合材料的用量为大，占所有复合材料用量的90%以上。树脂基复合材料中，又以玻璃纤维增塑料（俗称玻璃钢）用量最大，占

2、树脂基复合材料用量的90%以上。合金是不是复合材料？复合材料是多种材料复合而成的，合金也是，所以我想问问：合金是不是复合材料？答：不是！复合材料的定义是两种或两种以上的材料通过物理和化学的方法复合而成的宏观多相的材料！显然合金是没有界面的，合金只有一相，合金可以理解为固态的溶液，合金的各种成分是均匀分布的。好比盐类溶于水中。适合于工程结构的复合材料定义应包含以下三点内容：（1） 含两种或两种以上物理性质不同并可用机械方法分离的多相材料（区别于混合物与合金）；（2） 可人为控制将一种材料分布到其它材料中，以达到最佳性能；（此有别于一些已存在于自然界中的天然复合材料，如木材）（3） 性能优于单独组

3、分材料，并具独特性能。科学家把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。人们利用复合效应可自由选择复合材料组成物质，人为设计各种新型复合材料，把材料科学推进到了一个新阶段。因此，国外把复合材料称为第四代材料，又称“设计材料”。由两种或两种以上的材料组合而成，具有这两种材料的优点的材料就叫复合材料。如钢筋混凝士是钢铁和硅酸盐材料形成的复合材料，玻璃钢是玻璃纤维和合成树脂形成的复合材料。先进复合材料与树脂基体什么是复合材料定义简介介绍含义概念品种分类聚合物基复合材料的特点性能应用用途一 绪 言材料是高新技术发展和现代文明的物质基础，材料科学一直是活跃的科学前沿。材料是人类文明发展的里程碑：历史上所谓

4、石器青铜铁器时代，就以材料作为时代标志。材料是技术进步的关键。没有半导体材料，就不会有计算机；没有耐高温、高强、低容重的结构材料就没有宇航事业。美国国家关键技术委员会列定了21项关键技术中材料占五项：光电子材料、金属与合金、陶瓷材料、高分子材料、先进+复合材料。我国863计划涵括的七大方面：航天、激光、生物工程、新材料、能源、信息、自动化。材料是其中之一。材料的开发、生产和应用对自然环境和人类社会的影响是无与伦比的。因此，人们把能源材料信息作为现代文明的三大支柱。为什么材料，特别是高性能新材料受到世界各国如此重视，得到迅速发展呢？主要有以下四点原因：（1）国际军事工业激烈竞争，航空航天技术发展

5、需要。下面举几个例子予以佐证。例1，宇宙飞船或卫星返回地面若不控制，外表温度可达4000。合金钢2000也熔化了。目前没有任一种单一材料可抵此温度。飞船宇宙飞行时，外壁温度为零下110，返回地面，高温冲击时间30min，外壁温度为1250。美国航天飞机“哥伦比亚号”外表覆盖了可重复使用的聚合物基复合材料隔热瓦片30757块，成功解决了难题。例2，宇宙飞行器上的雷达天线，称为“飞行器眼睛”。为降低信号损失，对其尺寸稳定性有严格要求：变形小于万分之一，重量轻强度高。工作环境却非常严苛：发射加速度冲击与振动，-20070。高模量碳纤维/环氧树脂复合材料几乎为唯一满足要求的材料。例3，据计算，人造卫星

6、减重1kg，运载火箭可减轻500kg。美国MX导弹发动机由碳纤维/环氧缠绕壳体取代钛合金，射程由1千公里增至4千公里,CFWRP的比重仅为合金钢的1/5。例4，美国航天飞机采用了各种先进复合材料：发动机壳体 硼纤维/环氧 聚合物基复合材料压力容器 硼纤维/聚酰亚胺后部机体 碳纤维/聚酰亚胺机体中央部分 硼纤维/铝 金属基复合材料机头及主翼前缘 碳/碳复合材料哈尔滨飞机公司引进的法国海豚直升机，碳纤维、Kevlar纤维增强环氧先进复合材料用量占70%以上。以上例子说明高性能新材料、聚合物基复合材料迅猛发展的第一个原因。（2）新技术的需要促进了新材料的发展。（3）地球上金属资源与化石能源越用越少，

7、（可燃冰），石油天燃气等本世纪末将用尽，开发与节约能源为当务之急。据报导，全世界汽车每天用油约300万吨，约占世界产油总量的3040%。采用陶瓷基复合材料制造汽车发动机，热效率提高50%，可减重20%，省油30%。碳纤维增强塑料汽车可省油20%。再如: 一个年产45万吨的人工合成橡胶厂就能抵上45万亩天然橡胶园。（4）科学技术的进步为新材料的发展提供了条件。中国树脂在线。材料的分类，新材料偏重于应用可分为：信息材料、能源材料、功能高分子材料（如高效分离膜）、新型金属材料（非晶态金属、新合金等）、先进复合材料等。从物质组成结构上分为四大类：金属材料、无机非金属材料（陶瓷、玻璃、水泥等）、高分子材

8、料（包括三大合成材料：树脂、橡胶、纤维等）、复合材料。人们对材料的研究，总体归结为两大方面：一是材料组成、结构与性能关系（即微观结构与宏观性能的关系）。二是设计、制造工艺与产品性能间的关系。代表着结构材料发展趋势的树脂基复合材料脱颖而出，日益发挥重要作用。20世纪以钢铁为主的时代经过数十年发展，正逐步演变为复合材料时代。在发达国家钢铁需求量逐年下降，而复合材料需求量猛增。目前美国塑料与树脂基复合材料需求量比钢铁多0.8倍（体积比）。树脂基复合材料经过半个世纪的发展历程，其理论研究和工业生产已取得巨大进展，应用范围已扩展至人类生活各领域。二 复合材料与树脂基体1、什么是复合材料的定义 国内外业界

9、有各种说法。英国人赫尔提出复合材料分三类：天然复合材料，如木材、骨骼、肌肉等；细观复合材料，如合金、增强塑料等；宏观复合材料，如钢筋混凝土等。适合于工程结构的复合材料定义应包含以下三点内容：（1）含两种或两种以上物理性质不同并可用机械方法分离的多相材料（区别与混合物和合金）；（2）可人为控制将一种材料分布到其它材料中，以达最佳性能；（3）性能优于单独组分材料，并具独特性能。科学家把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。人们利用复合效应可自由选择复合材料组成物质，人为设计各种新型复合材料，把材料科学推进到了一个新阶段。因此，国外把复合材料称为第四代材料，又称“设计材料”。2、复合材料的分类 工

10、程上生产与应用的复合材料内含两类材料：增强材料与基体材料。增强材料 作用：提供强度与刚度形态：多为纤维状 材质：玻璃纤维、碳纤维、芳伦（Kevlar）纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。 基体材料 作用：将增强材料粘接成固态整体，保护增强材料，传递荷载，阻止裂纹扩展； 材质：合成树脂。分为热固性树脂与热塑性树脂两大类；金属；陶瓷；水泥根据基体的不同复合材料又细分为：聚合物基复合材料，又称纤维增强塑料。分为纤维增强热固性塑料FRP与纤维增强热塑性塑料FRTP。应用最广的为玻璃纤维增强塑料GRP（Glass Reforced Plastics）；金属基复合材料，如连续或非连续硼纤维、碳纤维增强铝镁、钛、镍

11、等金属基体；陶瓷基复合材料，如碳纤维、碳化硅（SiC）晶须增强陶瓷，极大提高了陶瓷的韧性（提高断裂韧性最高可达9倍以上）；水泥基复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、植物纤维增强水泥等；碳纤维增强碳基体称为C/C复合材料。上述诸种复合材料，目前全世界产量最大应用最广（约90%以上）首推聚合物基复合材料。3聚合物基复合材料的特性（1）轻质高强。以CFRP为例：与钢相比，比重仅为钢的1/5，比强度为钢的8倍，比模量为3.6倍，疲劳强度为2.7倍，抗拉强度为1.4倍。（2）耐腐蚀性优异。全世界每年腐蚀金属约1.2亿吨，我国金属腐蚀损失每年约600亿以上。FRP因根本不发生金属的电化学腐蚀，可取代昂贵的不锈钢

12、。（3）制造容易，生产率高。美国阿特拉斯导弹，用纤维缠绕聚合物基复合材料壳体取代合金钢，生产周期缩短为1/3。波音公司某型飞机由11000个金属零部件组成，改用聚合物基复合材料仅为1500个零部件，减少90%。（4）可设计性好。纤维增强材料的数量与方向可根据受力情况调变；以最大程度提高结构抗力。如纤维缠绕成型的FRP容器或管道，选定纤维缠绕角为54 44 ，则可实现轴向环向等强度。而金属压力容器与管道却实现不了。（5）抗震性优良。CFRP的自振频率为钢的1.9倍。振动阻尼高，同尺寸梁实验：CFRP梁2.5min停止振动，钢梁需9min。（6）其它优异性能如透波性、隔热性等。4聚合物基复合材料的

13、应用上世纪40年代美国最早用GRP制造飞机组合部件及航空气瓶。先进聚合物基复合材料在世界各国飞机上的应用（占总重量百分比）：美国F-22 26% 苏-27 20%法EF-2000 43% 中国歼-10 6%波音-777 9900kg/架 空中客车A340 11000kg/架发达国家各型导弹发动机壳体90%以上采用纤维缠绕聚合物基复合材料。民用方面 大家所熟知的玻璃钢就不想多说了，仅就几个方面概略介绍一下。汽车业的应用 上世纪90年代汽车钢材应用比例下降到1415%。2000年美国每五辆汽车就有一辆为FRP制造车身。欧美SMC（纤维增强不饱和树脂基体的片状膜塑料）产量年递增10%以上，美国SMC

14、产量的80%以上用于汽车。我国SMC生产线引进与自制共30余条，年设计产量9万吨以上。玻璃毡增强热塑性复合材料（GMT），全世界年增长率为25%以上，95%用于汽车工业。汽车用天燃气气瓶，采用碳纤维缠绕树脂基复合材料制造，市场潜力巨大。我国石油短缺，天燃气的储量丰富。汽车燃料对环境污染小。气瓶重量轻，耐腐蚀，工作压力20100Mpa，寿命1520年。土木工程结构的补强修复 应用碳纤维增强聚合物基复合材料对桥梁、隧道、水工构筑物及高层建筑等土木工程结构的修复可谓方兴未艾。与传统修复技术比，轻质高强，耐腐蚀；施工便捷，可在有限空间施工，不需大型机具；修复费用仅为传统修复费用的1/4左右；施工周期为

15、1/21/3；可修复复杂曲面形体。将特制光纤FBG传感器置入碳纤维聚合物复合材料中，构成智能先进复合材料。用其对损坏的桥梁等重要构筑物进行补强加固修复，不仅具有传统修复无可比拟的优越性，而且可实现对构筑物三维局部应力、疲劳损伤进行长期实时在线监测，并及时作出评估。化工环保耐腐蚀设备及玻璃钢管道 由于GRP具有优良耐腐蚀性，美国、日本在化工环保设备方面的应用已列GRP市场的34位。采用玻璃纤维缠绕成型不饱和聚酯与环氧树脂基体的复合材料管道性能优异，市场巨大，GRP管道已成为美国第三大运输手段（装备）。美国在德克萨斯、阿克拉荷马、加利福尼亚三州的盐碱地上与地下实际使用20年后，进行爆破试验，爆破压

16、力并没有降低。此外，根据我的计算：由于GRP管道流体阻力小，泵能耗比金属管降低30%左右；可直埋地下，安装费用节省约1550%。据意大利威德罗西那公司试验：铸铁与GRP两种管道，管径500mm，管长6m。同样施工条件，埋设管线长均为1000m。施工期GRP管仅用1天，而铸铁管却需30天。综合经济效益，玻璃钢管不仅优于普通碳钢管而且也优于不锈钢管。玻璃钢船 日本渔船的70%采用GRP制造。比木船轻30%，能耗降低；使用寿命：木船为10年，GRP船为20年；维修容易；可提高捕捞量35%。三 先进复合材料与树脂基体的最新进展中国树脂在线1何谓先进复合材料 复合材料内含的两相材料，增强材料的强度、模量

17、、耐温性都远高于第一代的玻璃纤维，而比重又比玻璃纤维低（俗称三高一低），如碳纤维、Kevlar纤维、硼纤维等。聚合物基体材料比普通环氧、不饱和聚酯、酚醛、聚丙烯等树脂的耐高温性、韧性（断裂延伸率）都大幅提高，如双马来聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚醚砜等。这类复合材料，国际上称为Advanced Composite Material 先进复合材料ACM。2国际先进复合材料的最新进展（1）20世纪80年代，Roy等人提出纳米复合材料（Nanocomposite）。纳米材料与技术是21世纪三大科技（信息科学技术、生命科学技术、纳米科学技术）之一，而纳米科学技术是前二者进一步发展的共同基础。纳米是

18、几何尺寸的度量单位，其长度为一米的十亿分之一，略等于45个原子排列起来的长度。它正好处于以原子、分子为代表的微观世界和人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带。当物质尺寸0.1m（100nm），其常温物理化学性质发生显著变化，显示出奇异特性。它的力、热、电、光、磁、化学性质皆与传统固相显著不同。纳米粒子一般在1100nm。纳米复合材料与单一纳米材料不同，这是由两种或两种以上的固相至少在一方向上以纳米级大小复合而成的材料。分为：树脂基纳米复合材料、金属基纳米复合材料、陶瓷基纳米复合材料。当前树脂基纳米复合材料当前是将无机填加剂（硅酸盐）在聚合物基体间达到纳米尺度的高度分散，其性能发生优异变化。（2

19、）先进的纤维增强热塑性复合材料 纤维增强热塑性树脂复合材料（FRTP），具韧性耐蚀性和抗疲劳性高，成型工艺简单周期短，材料利用率高（无废料），预浸料存放环境与时间无限制等优异性能而得到快速发展。1951年，美国人R.bradit首先用玻璃纤维增强聚苯乙烯获成功。1972年，英帝国化学公司首先开发成功聚醚砜（PES）。1977年英国又研发成功PEEK。美国杜邦公司1985年合成了高分子量的接枝PEEK。以后几年又有各种耐高温的热塑性树脂相继问世。目前，国外开发和应用的先进热塑性聚合物有聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亚胺（PEI、PI、PAI）、聚

20、芳脂（PAR）等，将其作为先进复合材料的基体。现在发达国家致力于连续纤维增强高性能热塑性复合材料的研发。美国、德国已取得较大成果。为了进一步降低制品重量和提高刚度，美国用模量960Gpa的碳纤维取代模量为440Gpa的碳纤维。实验结果，与铝结构相比，先进复合材料的减振能力提高6080倍，刚度增加了70%。美国在90年代末建造空间站中大量采用高性能热塑性复合材料。美国宇航局制造的空间站桁架，采用了CF/PEEK和CF/PEI型材。Boeing Aerospace公司用热压成型技术制造了美国军用AIW巡航导弹壳体、壳体外蒙皮、构架和头锥等32个构件，都是用Avtel玻纤/PPS制的。美国新型歼击机

21、YF-22上采用大量先进热塑性复合材料。近20年来，随着刚性、耐热性及耐介质性能好的芳香族热塑性树脂基体的出现，以及具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能碳纤维、芳伦纤维、碳氟纤维（PTFE）等高性能纤维的发展，使先进热塑性复合材料克服了一般FRTP使用温度低，模量小，强度差等缺点，使其在航空航天等高科技领域获得越来越多的应用。美国NASP计划开发新树脂，使其使用温度能达371。美国航天飞机轨道器采用CF/PI复合材料代替目前使用的2219铝合金，结构耐热能力可以从现在的177提高到316，结构重量和热防护系统重量可减轻30%。PEEK、PPS等树脂基复合材料还可作隐身飞机的吸波结构材料

22、。20世纪90年代中期，在经历“挑战者”号航天飞机爆炸等事件后，美国宇航局为确保美国称霸太空战略的顺利实施，决定开发下一代太空飞机-空天飞机X-33，作为美国争霸太空的利器。空天飞机是一种航天飞机和普通飞机之间的飞行器。它能以普通飞机方式起飞，能在30100公里高大气层中以15马赫的速度作极超声速飞行，能够直接进入低地球轨道，返回大气层并能水平着陆。空天飞机可作为反卫星武器平台和太空监视侦察平台，用于快速部署或回收卫星。它具有航空与航天双重功能和两个空间层次作战功能。空天飞机将是21世纪的超级空中“全能明星”。空天飞机X-33采用大量先进纤维增强复合材料，且较大部分为高性能热塑性复合材料。如推

23、力结构、尾翼、机身、燃料箱、电子设备舱、有效荷载舱等。复合材料用量占到了结构总量的80%以上。3国内发展概况国内树脂基复合材料自“六五”以来，经历20多年研究与应用，以取得很大进步。研制成功成功一批高性能树脂基体。包括高韧性BMI树脂基体、高韧性高温和中温固化环氧树脂基体、阻燃环氧树脂基体等。其中北京航空材料研究所研制的5428和5429高韧性BMI复合材料的CAI值分别达到260MPa和290Mpa,长期使用温度为150和170。LP15聚酰亚胺复合材料具有无毒、工艺性优异、韧性好等特点，可在280下长期使用。北京航空工艺研究所研制的QY8911系列树脂具有良好的综合力学性能。西北工业大学研

24、制的4503ABMI具有良好的电性能，可制造高性能雷达罩。国家从“七五”开始，对高性能热塑性树脂的研究开发，在国家重点科技攻关计划和863计划中立项。由吉林大学承担研究“九五”末已完成PES树脂300吨/年的放大技术和PEEK树脂30吨/年中试，已通过鉴定验收。由大连理工大学蹇锡高教授等承担的国家“八五”“九五”重点科技攻关项目，杂萘联苯聚醚酮（PPEK）、杂萘联苯聚醚砜（PPES）及其系列共聚物，杂萘联苯聚醚砜酮（PPESK）中试化生产已于2001年3月通过国家鉴定，评为国际领先水平。对纤维增强热塑性基体先进复合材料研究，特别是碳纤维增强聚醚砜、聚醚酮类先进复合材料的研究，国家在“八五”“九

25、五“计划中给予重点支持。由曾汉民教授主持，由中山大学、703所、621所、中科院金属所、化学所等单位参与研究的国家自然科学基金重大项目“复合材料微观结构与性能研究”，对复合材料界面层的形成、控制和机理、界面微观结构与宏观性能、复合工艺等方面进行了创造性工作，成果处于国际先进水平。哈尔滨玻璃钢研究院承担了863项目中连续纤维增强热塑性树脂基复合材料以及中长纤维增强热塑性片材的工艺研究课题，重点研究了连续纤维增强聚醚醚酮复合材料的熔融浸渍技术、缠绕和拉挤工艺技术。目前，国内虽然形成了研究高性能热塑性树脂基复合材料热潮，但多集中在短纤维增强热塑性复合材料方面。而连续纤维增强热塑性复合材料虽然作为后起之秀，性能上比短纤维复合材料好得多，但由于起步晚、成本高、成型相对困难等，目前仍处于研究开发阶段。经过业界同仁努力，相信前景将相当诱人和广阔。作者：谢怀勤 文章来源：china-在经历了二十世纪的大发展之后高分子材料对整个世界的面貌产生了重要的影响。时代杂志认为塑料是二十世纪人类最重要的发明。高分子材料在文化领域和人类的生活方式方面也产生了重要的影响。