復合材料_第一章緒論

1、復合材料概論復合材料概論第一章第一章 緒論緒論2014.11.01主要內容：主要內容：掌握掌握復合材料的定義、組成、特點；復合材料的定義、組成、特點；了解復合材料的發(fā)展史；了解復合材料的發(fā)展史；掌握掌握復合材料的命名方法；復合材料的命名方法；掌握掌握復合材料的分類；復合材料的分類；掌握掌握復合材料結構設計基礎復合材料結構設計基礎了解復合材料的應用；了解復合材料的應用；了解復合材料的發(fā)展趨勢了解復合材料的發(fā)展趨勢第一章第一章 緒論緒論 材料是人類社會進步的物質基礎材料是人類社會進步的物質基礎l 石器時代；青銅器時代；鋼鐵時代材料的發(fā)展推動生石器時代；青銅器時代；鋼鐵時代材料的發(fā)展推動生產力的發(fā)展

2、，也推動社會的前進產力的發(fā)展，也推動社會的前進l 二十世紀中后期以來，高分子、陶瓷材料崛起以及復合二十世紀中后期以來，高分子、陶瓷材料崛起以及復合材料的發(fā)展，又給人類帶來了新的材料和技術革命，新材料的發(fā)展，又給人類帶來了新的材料和技術革命，新的技術進而也推動了新材料的出現。的技術進而也推動了新材料的出現。l 當前當前材料、能源、信息和生物技術材料、能源、信息和生物技術是現代科技的三大支是現代科技的三大支柱，它會將人類物質文明推向新的階段。柱，它會將人類物質文明推向新的階段。 二十一世紀二十一世紀將是一個新材料時代將是一個新材料時代。現代高科技的發(fā)展對材料提出了更高、更苛刻的要現代高科技的發(fā)展對

3、材料提出了更高、更苛刻的要求。航空、航天和海洋開發(fā)領域的發(fā)展、現代武器系統(tǒng)，求。航空、航天和海洋開發(fā)領域的發(fā)展、現代武器系統(tǒng)，要求材料質輕、高強、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化、要求材料質輕、高強、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕、吸波、隱身等特點?？垢g、吸波、隱身等特點。很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，不能滿足現代科學技術發(fā)展的需要。不能滿足現代科學技術發(fā)展的需要。一、復合材料出現的必然性一、復合材料出現的必然性二、復合材料的定義二、復合材料的定義 用經過選擇的、含一定數量比的用經過選擇的、含一定數量比的兩種兩種或或兩種兩種以上的組分（

4、或稱組元），通過以上的組分（或稱組元），通過人工復合、組成人工復合、組成多相多相、且各相之間有、且各相之間有明明顯界面顯界面的、具有的、具有特殊性能特殊性能的固體材料。的固體材料。復合材料的特點復合材料的特點兩種或兩種以上的化學相兩種或兩種以上的化學相具有兩種材料所不具備的優(yōu)良性能具有兩種材料所不具備的優(yōu)良性能人工設計出來的，具有可設計性人工設計出來的，具有可設計性三、復合材料的構成三、復合材料的構成復合材料的結構通常是一個相為連續(xù)相，稱為復合材料的結構通常是一個相為連續(xù)相，稱為；而另一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相；而另一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相

5、的性能中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為 ( (也稱為也稱為增強材料增強材料、增強相增強相等，功能復合材料等，功能復合材料中也稱中也稱功能體功能體) )。在大多數情況下，分散相的在大多數情況下，分散相的硬度硬度，強度和剛強度和剛度度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體與增強體之可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體與增強體之間存在著界面。間存在著界面。復合材料結構示意圖復合材料結構示意圖a)層疊復合層疊復合 b)連續(xù)纖維復合連續(xù)纖維復合 c)

6、細粒復合細粒復合 d)短切纖維復合短切纖維復合四四、復合材料的性能、復合材料的性能比強度、比模量高比強度、比模量高良好的抗疲勞性能良好的抗疲勞性能纖維復合材料，對缺口、應力集中敏感纖維復合材料，對缺口、應力集中敏感性小，且纖維與基體界面能夠阻止疲勞裂紋擴散，改變裂紋性小，且纖維與基體界面能夠阻止疲勞裂紋擴散，改變裂紋擴展方向。擴展方向。 優(yōu)良的高溫性能優(yōu)良的高溫性能 鋁合金在鋁合金在300時，強度由室溫的時，強度由室溫的500MN/m2降到降到3050MN/m2，而用碳纖維或硼纖維增強后，而用碳纖維或硼纖維增強后，300的強度與室溫基本相同。的強度與室溫基本相同。 減震性好減震性好 試驗表明，

7、沖擊能量的消耗除了用于纖維的斷試驗表明，沖擊能量的消耗除了用于纖維的斷裂功外，層板的分層、纖維與基體界面脫粘以及纖維拔出等裂功外，層板的分層、纖維與基體界面脫粘以及纖維拔出等都消耗較多的能量。都消耗較多的能量。 破斷安全性好破斷安全性好 纖維復合材料中，當纖維斷裂時，載荷就纖維復合材料中，當纖維斷裂時，載荷就會重新分配到其他未破裂的纖維上，因而構件不致在短期內會重新分配到其他未破裂的纖維上，因而構件不致在短期內突然斷裂。突然斷裂。密度密度g/cm3抗拉強度抗拉強度103MN/m2拉伸模量拉伸模量105MN/m2比強度比強度106MNm/kg比模量比模量108MNm/kg鋼鋼7.81.032.1

8、0.1327鋁鋁2.80.470.750.1727鈦鈦4.50.961.140.2125玻璃鋼玻璃鋼2.01.060.40.5320高強度碳高強度碳纖維纖維-環(huán)氧環(huán)氧1.451.51.41.0397高模量碳高模量碳纖維纖維-環(huán)氧環(huán)氧1.61.072.40.67150硼纖維硼纖維-環(huán)氧環(huán)氧2.11.382.10.66100有機纖維有機纖維PRD-環(huán)氧環(huán)氧1.41.40.81.057SiC纖維纖維-環(huán)氧環(huán)氧2.21.091.020.546硼纖維硼纖維-鋁鋁2.651.02.00.3875復合材料和金屬的疲勞破壞性能復合材料和金屬的疲勞破壞性能 五、復合材料發(fā)展史（五、復合材料發(fā)展史（1 1）l幾乎

9、所有的生物材料都是復合材料幾乎所有的生物材料都是復合材料竹子、骨骼、貝殼等等竹子、骨骼、貝殼等等l古代人們用草梗和泥造墻，用稻草古代人們用草梗和泥造墻，用稻草和泥做屋頂和泥做屋頂 復合材料發(fā)展史復合材料發(fā)展史（2）19401960年之間的年之間的20年是玻璃纖維增強塑料的時代，稱年是玻璃纖維增強塑料的時代，稱為復合材料發(fā)展的第一代為復合材料發(fā)展的第一代19601965年英國研制出碳纖維，年英國研制出碳纖維，1971年美國杜邦公司開年美國杜邦公司開發(fā)出發(fā)出Kevlar49，1975年先進復合材料年先進復合材料“碳纖維增強環(huán)氧碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料及樹脂復合材料及Kevlar纖維增強樹脂復合材

10、料纖維增強樹脂復合材料”已應用于已應用于飛機、火箭的主承力件上，飛機、火箭的主承力件上，19601980年為復合材料的第年為復合材料的第二代，是復合材料的發(fā)展時代；二代，是復合材料的發(fā)展時代；1980年年1990年，是纖維增強金屬基復合材料的時代，其年，是纖維增強金屬基復合材料的時代，其中鋁基金屬復合材料應用最為廣泛，稱為復合材料發(fā)展的中鋁基金屬復合材料應用最為廣泛，稱為復合材料發(fā)展的第三代；第三代；1990年以后稱為復合材料的第四代，多發(fā)展功能復合材料，年以后稱為復合材料的第四代，多發(fā)展功能復合材料，如光學、磁學、機敏和智能復合材料。如光學、磁學、機敏和智能復合材料。 復合材料在世界各國還沒

11、有統(tǒng)一的名稱和復合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，比較共同的趨勢是根據命名方法，比較共同的趨勢是根據來命名，通常有以下三種情況：來命名，通常有以下三種情況：六、復合材料的命名六、復合材料的命名（1） 基體材料名稱與增強體材料并用基體材料名稱與增強體材料并用。這種命。這種命名方法常用來表示某一種具體的復合材料，習慣名方法常用來表示某一種具體的復合材料，習慣上把增強體材料的名稱放在前面，基體材料的名上把增強體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，最后加上稱放在后面，最后加上“復合材料復合材料”（2）強調增強體時強調增強體時以增強體材料的名稱為主。以增強體材料的名稱為主。如玻璃纖維增

12、強復合材料、碳纖維增強復合材料、如玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料、陶瓷顆粒增強復合材料等。陶瓷顆粒增強復合材料等。 （3）強調基體時強調基體時以基體材料的名稱為主。如樹以基體材料的名稱為主。如樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等。料等。 國外還常用國外還常用英文編號英文編號來表示，如來表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金屬基復表示金屬基復合材料，合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纖維增強塑料，而玻璃纖維表示纖維增強塑料，而玻璃纖維/ /環(huán)氧則表環(huán)氧則表示為示為G

13、F/Epoxy, 或或G/Ep(G-Ep)復合材料復合材料復合材料復合材料復合材料復合材料復合材料復合材料復合材料復合材料按基體材料分按基體材料分性樹脂基性樹脂基性樹脂基性樹脂基基基基基基基基基基基基基基基七、復合材料分類（七、復合材料分類（1 1）按按增強材料形態(tài)增強材料形態(tài)分為以下三類分為以下三類1、纖維纖維增強復合材料：增強復合材料： a.連續(xù)連續(xù)纖維復合材料纖維復合材料 b.非連續(xù)非連續(xù)纖維復合材料纖維復合材料2、顆粒增強復合材料：包括微米顆粒和納米顆粒；、顆粒增強復合材料：包括微米顆粒和納米顆粒；3、板狀增強體、編織復合材料：以平面二維或立體、板狀增強體、編織復合材料：以平面二維或立

14、體 三維物三維物 為增強材料與基體復合而成。為增強材料與基體復合而成。4、層疊復合材料、層疊復合材料復合材料分類（復合材料分類（2 2）按材料作用分兩類按材料作用分兩類功能功能復合材料：使用的是材料的光、電、磁、復合材料：使用的是材料的光、電、磁、熱、聲等非力學性能熱、聲等非力學性能結構結構復合材料：應用的材料的力學性能。復合材料：應用的材料的力學性能。復合材料分類（復合材料分類（3 3）其他的分類方法如其他的分類方法如宏觀復合宏觀復合和和微觀復合微觀復合 八、復合材料的結構設計基礎八、復合材料的結構設計基礎 復合材料從結構上可以分為復合材料從結構上可以分為3個結構層次：個結構層次：一次結構，

15、是由基體和增強材料復合而成的一次結構，是由基體和增強材料復合而成的單層復合材料單層復合材料，其力學性能取決于組分材料的性能，各相的形態(tài)、分布和含其力學性能取決于組分材料的性能，各相的形態(tài)、分布和含量以及界面的性質；量以及界面的性質；二次結構，由二次結構，由單層材料層合而成單層材料層合而成的，其力學性能取決于單層的，其力學性能取決于單層材料的力學性能合鋪層集合（各層的厚度、鋪設方向、鋪層材料的力學性能合鋪層集合（各層的厚度、鋪設方向、鋪層次序）；次序）；三次結構，指三次結構，指工程結構工程結構或或產品結構產品結構，其力學性能取決于層合，其力學性能取決于層合體的力學性能合結構幾何。體的力學性能合結

16、構幾何。復合材料的設計也包括三個層次：復合材料的設計也包括三個層次：1 1、單層材料設計、單層材料設計 增強材料、基體材料及其增強材料、基體材料及其配比，各相的形態(tài)、分布、含量以及界面決定配比，各相的形態(tài)、分布、含量以及界面決定單層力學性能單層力學性能2 2、鋪層設計、鋪層設計 安排鋪層材料（包括層厚度、安排鋪層材料（包括層厚度、鋪設方向、鋪層次序）鋪設方向、鋪層次序） 3 3、結構設計、結構設計 確定產品結構的形狀尺寸確定產品結構的形狀尺寸 三個層次互相影響、互相依賴。必須把材料性能三個層次互相影響、互相依賴。必須把材料性能和結構性能一起考慮，并將其統(tǒng)一在設計方案中。和結構性能一起考慮，并將

17、其統(tǒng)一在設計方案中。 復合材料設計步驟復合材料設計步驟 復合材料結構設計選材時就必須同時考慮材復合材料結構設計選材時就必須同時考慮材料的機械性能、使用環(huán)境和工藝性（如樹脂體系料的機械性能、使用環(huán)境和工藝性（如樹脂體系的固化溫度、固化時間和工藝方法）等因素。的固化溫度、固化時間和工藝方法）等因素。 復合材料是結構設計與材料設計同時進行，復合材料是結構設計與材料設計同時進行，材料與結構一次成形，所以在設計時既要對組成材料與結構一次成形，所以在設計時既要對組成構件各部分的構件各部分的層合板參數層合板參數進行設計，還要選擇構進行設計，還要選擇構件的件的構造形式構造形式和和幾何尺寸幾何尺寸。在初步設計階

18、段就應。在初步設計階段就應對結構的對結構的可維護性可維護性、可修理性可修理性和和維修的費用維修的費用進行進行考慮與評估?？紤]與評估。九、復合材料的應用九、復合材料的應用l 航空航天、武器航空航天、武器在力學耐高溫方面滿足要求，同時在力學耐高溫方面滿足要求，同時減輕重量，節(jié)省能源減輕重量，節(jié)省能源l 信息電子、生物方面光、磁、電性能、生物相容性信息電子、生物方面光、磁、電性能、生物相容性 l 生活方面，提高安全性合和舒適度生活方面，提高安全性合和舒適度隔音，絕熱、抗隔音，絕熱、抗振振l 節(jié)約能源、開發(fā)能源方面節(jié)約能源、開發(fā)能源方面重量輕、耐腐蝕性好，壽重量輕、耐腐蝕性好，壽命長命長l 海洋資源開

19、發(fā)方面海洋資源開發(fā)方面耐腐蝕好，力學性能好耐腐蝕好，力學性能好 l 環(huán)境方面耐腐蝕性好，可以變廢為寶環(huán)境方面耐腐蝕性好，可以變廢為寶戰(zhàn)車戰(zhàn)車導彈陶瓷刀具1 1、航空航天、武器方面的應用、航空航天、武器方面的應用波音波音787“夢幻客夢幻客機機”半成機身材半成機身材料為輕型復合材料為輕型復合材料，而波音料，而波音777型客機機身輕型型客機機身輕型復合材料比例僅復合材料比例僅為為12。由此，。由此，“夢幻客機夢幻客機”更更輕更省油。輕更省油。 2、信息電子、生物方面的應用信息電子、生物方面的應用l 光導纖維，電子設備的電路板，磁帶磁光導纖維，電子設備的電路板，磁帶磁盤，機殼和屏蔽盤，機殼和屏蔽l

20、修復和更換臟器、人造骨修復和更換臟器、人造骨 3、人類生活方面的應用人類生活方面的應用l 建筑上，復合門窗建筑上，復合門窗l(fā) 交通上，汽車保險杠和轎車底板交通上，汽車保險杠和轎車底板l 體育娛樂方面，羽毛球拍、釣魚竿、自行車中體育娛樂方面，羽毛球拍、釣魚竿、自行車中的車架等的車架等 鋁木復合門窗鋁木復合門窗汽車保險杠和底板、發(fā)動機汽車保險杠和底板、發(fā)動機罩等，甚至全復合材料汽車罩等，甚至全復合材料汽車材料材料牌號牌號密度密度/(g/cm3)彈性模量彈性模量/(Gpa)抗拉強度抗拉強度/(Mpa)伸長率伸長率/%鉻鉬鋼鉻鉬鋼低合金鋼低合金鋼7.920020783416鋁合金鋁合金6001/T62

21、.62.9697910024612鈦鈦純鈦純鈦4.510548062018碳纖維碳纖維CFRP1.51.67020010002鎂合金鎂合金AM601.740452208跳高撐跳高撐桿桿4、節(jié)約能源、開發(fā)能源方面應用節(jié)約能源、開發(fā)能源方面應用l 航天器、衛(wèi)星上的太陽能帆板、太陽能電池、航天器、衛(wèi)星上的太陽能帆板、太陽能電池、太陽能采暖設備、發(fā)電設備、空調制冷設備，太陽能采暖設備、發(fā)電設備、空調制冷設備，特別是太空太陽能發(fā)電站的大部分構件特別是太空太陽能發(fā)電站的大部分構件l 風力發(fā)電設備中風力發(fā)動機的葉片和支桿風力發(fā)電設備中風力發(fā)動機的葉片和支桿l 核電站濃縮鈾核電站濃縮鈾253的離心機轉筒的離心

22、機轉筒5 5、海洋資源開發(fā)方面的應用、海洋資源開發(fā)方面的應用6、環(huán)境方面應用、環(huán)境方面應用l 通過設計，合理利用材料，節(jié)約加工能耗，降低通過設計，合理利用材料，節(jié)約加工能耗，降低廢棄邊角料，延長工件和設施的使用壽命；用廢廢棄邊角料，延長工件和設施的使用壽命；用廢棄物如礦渣、木屑、廢塑料、麥稈等制造復合材棄物如礦渣、木屑、廢塑料、麥稈等制造復合材料料 l 廢水治理廠的容器和管道、處理汽車尾氣的高壓廢水治理廠的容器和管道、處理汽車尾氣的高壓氣瓶氣瓶 復合地板復合地板玻璃鋼管道玻璃鋼管道十、復合材料的發(fā)展趨勢十、復合材料的發(fā)展趨勢l發(fā)展功能、多功能、機敏、智能復發(fā)展功能、多功能、機敏、智能復合材料合

23、材料 l發(fā)展納米復合材料發(fā)展納米復合材料l發(fā)展仿生復合材料發(fā)展仿生復合材料復合材料具有可設計性，可以根據需要添加必復合材料具有可設計性，可以根據需要添加必要的組分來達到需要的性能，要的組分來達到需要的性能， 如電、磁、光、如電、磁、光、聲、熱、阻尼、化學等等許多方面聲、熱、阻尼、化學等等許多方面。無人飛船。無人飛船上到某個星球，經有機器人感知環(huán)境（如上到某個星球，經有機器人感知環(huán)境（如溫度溫度、濕度濕度、光光等）、對等）、對機敏材料機敏材料作出的反應進行分作出的反應進行分析然后拍照，并把采集到的信息返會地球信息析然后拍照，并把采集到的信息返會地球信息接收處。這需要材料的傳感部分和執(zhí)行部分有接收處。這需要材料的傳感部分和執(zhí)行部分有很高的靈敏度、精確度和反應很高的靈敏度、精確度和反應速度速度。 納米復合材料近年來發(fā)展很快，世界發(fā)達納米復合材料近年來發(fā)展很快，世界發(fā)達國家新材料發(fā)展的戰(zhàn)略都把納米復合材料的國家新材料發(fā)展的戰(zhàn)略都把納米復合材料的發(fā)展放到重要的位置。該研究方向主要包括發(fā)展放到重要的位置。該研究方向主要包括納米聚合物基復合材料、納米碳管納米聚合物基復合材料、納米碳管功能復合功能復合材料材料、納米鎢銅復合材料。、納米鎢銅復合材料。 根據毛竹外密內疏的結構特性，用連續(xù)電鍍的鍍根據毛竹外密內疏的結構特性