材料科學(xué)與工程導(dǎo)論：復(fù)合材料

1、1復(fù)合材料概述 三大材料：三大材料：金屬金屬無機(jī)非金屬無機(jī)非金屬有機(jī)高分子有機(jī)高分子 復(fù)合材料復(fù)合材料取長補(bǔ)短取長補(bǔ)短協(xié)同作用協(xié)同作用產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料復(fù)合材料21. 復(fù)合材料的定義 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織國際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料 材料大詞典材料大詞典 ：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上的有機(jī)聚合物材料或無機(jī)非金屬材料把兩種以上的有機(jī)聚合物材料或無機(jī)非金

2、屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從而制或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從而制成的一類新型材料。成的一類新型材料。3 材料科學(xué)技術(shù)百科全書材料科學(xué)技術(shù)百科全書 ：復(fù)合材料是由有機(jī)復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。可以通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性不具備的性能。可以通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，能互相補(bǔ)充并彼

3、此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別。與一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別。 4 復(fù)合材料的特點(diǎn)：復(fù)合材料的特點(diǎn)： 1） 復(fù)合材料是由復(fù)合材料是由兩種或兩種兩種或兩種以上不同性能的材料組以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之元通過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的間存在著明顯的界面界面； 2） 復(fù)合材料中各組元不但復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性，而，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；

4、 3）復(fù)合材料具有復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性可設(shè)計(jì)性。可以根據(jù)使用條件要求進(jìn)。可以根據(jù)使用條件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。高工程結(jié)構(gòu)的效能。 5基體和增強(qiáng)材料Matrix and Reinforcement 基體基體連續(xù)相、量多連續(xù)相、量多 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料分散相、量少分散相、量少 也稱為增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑、增強(qiáng)相等也稱為增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑、增強(qiáng)相等 顯著增強(qiáng)材料的性能顯著增強(qiáng)材料的性能 多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強(qiáng)度較基體大。多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強(qiáng)度較基體大。 可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀

5、或彌散的填料?？梢允抢w維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。 在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。6Schematic illustration of composite constituents72. 復(fù)合材料歷史 古代近代先進(jìn)復(fù)合材料古代近代先進(jìn)復(fù)合材料 天然復(fù)合材料 竹、貝殼，樹木和竹子： 纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體 動(dòng)物骨骼： 無機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成 古代：使用 、效仿 半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今 漆器麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年 敦煌壁畫泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆 8近現(xiàn)代： 第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)

6、塑料年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料 第二代：第二代：1960年到年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料年，先進(jìn)復(fù)合材料 1965年英國科學(xué)家研制出碳纖維年英國科學(xué)家研制出碳纖維 1971年美國杜邦公司開發(fā)出開芙拉年美國杜邦公司開發(fā)出開芙拉-49 1975年先進(jìn)復(fù)合材料年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、及開芙拉纖維增強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)、及開芙拉纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料環(huán)氧樹脂復(fù)合材料” 用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。 第三代：第三代：1980年到年到1990年，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料年，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。 第四代：第四代：1990年

7、以后，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，年以后，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料， 如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。93. 復(fù)合材料的分類按按增強(qiáng)材料形態(tài)增強(qiáng)材料形態(tài)分類分類1、纖維纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：增強(qiáng)復(fù)合材料： a. a.連續(xù)連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長纖維的兩個(gè)端點(diǎn)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處；都位于復(fù)合材料的邊界處； b.b.非連續(xù)非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；基體材料中；2 2、顆粒顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中；增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分

8、散在基體中；3 3、板狀板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。其他增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體其他增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體 10Classes of composites11纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類 玻璃玻璃纖維復(fù)合材料；纖維復(fù)合材料； 碳纖維碳纖維復(fù)合材料；復(fù)合材料； 有機(jī)纖維有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；維等）復(fù)合材料； 金屬纖維金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等

9、）復(fù)合材料；（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料； 陶瓷纖維陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）復(fù)合材料。（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）復(fù)合材料。混雜混雜復(fù)合材料：復(fù)合材料：兩種兩種或兩種以上增強(qiáng)或兩種以上增強(qiáng)體體與同一基體與同一基體制成的制成的復(fù)合材料復(fù)合材料可以可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合，看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的即復(fù)合材料的“復(fù)合材料復(fù)合材料”。12按按基體材料基體材料分類分類 聚合物基聚合物基復(fù)合材料復(fù)合材料: :以有機(jī)聚合物（熱固性樹脂、熱塑以有機(jī)聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體；性樹脂及橡膠等）為基體； 金屬基

10、金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體；復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體； 無機(jī)非金屬基無機(jī)非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體。水泥）為基體。13按按材料作用材料作用分類分類 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件；復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件； 功能功能復(fù)合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、復(fù)合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、摩擦、屏蔽等）。導(dǎo)電、導(dǎo)磁、摩擦、屏蔽等）。同質(zhì)同質(zhì)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料）碳復(fù)合材料）異質(zhì)異質(zhì)復(fù)合材料（復(fù)合材料多屬

11、此類）。復(fù)合材料（復(fù)合材料多屬此類）。14復(fù)合材料系統(tǒng)組合分散相分散相連續(xù)相連續(xù)相金屬材料金屬材料無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料金金屬屬材材料料金屬纖維纖維/金屬基復(fù)合材料鋼絲/水泥復(fù)合材料增強(qiáng)橡膠金屬晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料金屬片材金屬/塑料板無無機(jī)機(jī)非非金金屬屬材材料料陶瓷纖維纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶瓷基復(fù)合材料晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料顆粒彌散強(qiáng)化合金材料粒子填充塑料玻璃纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料顆粒碳纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料 碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料碳纖維/樹脂基復(fù)合材料炭黑顆粒/橡膠；顆粒/樹脂基有機(jī)有機(jī)高分高分子材子

12、材料料有機(jī)纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料塑料金屬/塑料橡膠15 各種材料的發(fā)展?fàn)顩r各種材料的發(fā)展?fàn)顩r玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料 非常成熟非常成熟 廣泛的應(yīng)用廣泛的應(yīng)用 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 開發(fā)階段開發(fā)階段 某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位 陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等 尚處于研究階段尚處于研究階段 有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決16復(fù)合材料的設(shè)計(jì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)從常規(guī)設(shè)計(jì)向從常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生仿生設(shè)計(jì)發(fā)展設(shè)計(jì)發(fā)展 仿照仿照竹子竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn)，成功地制從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn)，成功地制

13、備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復(fù)合備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復(fù)合材料。材料。 仿照仿照鮑魚殼鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了1010微米厚的薄層，由此得到的微米厚的薄層，由此得到的層狀復(fù)合材料比其原材料堅(jiān)固層狀復(fù)合材料比其原材料堅(jiān)固4040。 仿照仿照骨骼骨骼的組織特點(diǎn)，人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和的組織特點(diǎn)，人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直升飛機(jī)的旋翼，外層是剛度、強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合材料，直升飛機(jī)的旋翼，外層是剛度、強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合

14、材料，中層是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料中層是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。174. 復(fù)合材料的基體材料 復(fù)合材料的原材料：復(fù)合材料的原材料： 基體材料基體材料 金屬材料金屬材料 陶瓷材料陶瓷材料 聚合物材料聚合物材料 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料 纖維纖維 晶須晶須 顆粒顆粒18金屬基體材料 目前用作金屬基復(fù)合材料的金屬有目前用作金屬基復(fù)合材料的金屬有鋁鋁及鋁合金、及鋁合金、鎂鎂合金、合金、鈦鈦合金、合金、鎳鎳合金、合金、銅銅與銅合金、與銅合金、鋅鋅合合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物金屬間化合物等。等。 基體材料成分的選擇對(duì)能否基體材料成分的選擇對(duì)能否充分組合和發(fā)揮

15、基充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物性能特點(diǎn)體金屬和增強(qiáng)物性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜優(yōu)異綜合性能合性能，滿足使用要求十分重要。，滿足使用要求十分重要。 19陶瓷基體 在陶瓷基體中添加其他成分（如陶瓷粒子、纖維或晶須）可提高陶瓷的韌性。 粒子增強(qiáng)雖能使陶瓷的韌性有所提高，但效果并不顯著。 高強(qiáng)度的碳化硅晶須容易摻混在陶瓷基體中，增強(qiáng)陶瓷的作用明顯。 用作基體材料的陶瓷一般應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性質(zhì)、與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。20陶瓷基復(fù)合材料（CMC） 21JC/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用C/C作為剎車盤作為剎車盤碳碳/碳復(fù)合材料（碳復(fù)合材料（C/C

16、） 22聚合物基體 聚合物基體的種類聚合物基體的種類 不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各種不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物熱塑性聚合物等。等。 不飽和聚酯樹脂是制造玻璃纖維復(fù)合材料的一不飽和聚酯樹脂是制造玻璃纖維復(fù)合材料的一種重要樹脂。在國外，聚酯樹脂占玻璃纖維復(fù)種重要樹脂。在國外，聚酯樹脂占玻璃纖維復(fù)合材料用樹脂總量的合材料用樹脂總量的80%80%以上。以上。235. 復(fù)合材料的增強(qiáng)相 增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑等）增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑等）分散分散在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料 分類分類 纖維及其織物纖維及其織物 晶須晶須

17、顆粒顆粒 小片狀、板狀小片狀、板狀24Types of reinforced composites255.1 纖維增強(qiáng)體 天然纖維植物纖維（棉花、麻類）、動(dòng)物纖維（絲、毛）和礦物纖維（石棉）。 強(qiáng)度較低 現(xiàn)代復(fù)合材料的增強(qiáng)材料用合成纖維 有機(jī)纖維 無機(jī)纖維。26Types of fiber reinforcement orientation27one-dimensionaltwo-dimensionalthree-dimensional5.2 晶須增強(qiáng)體 晶須（Wisker）：具有一定長徑比（一般大于10）和截面積小于5210-5cm2的單晶纖維材料。 具有實(shí)用價(jià)值的晶須直徑約為110m，長度與直徑比在51000之間。 晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。285.3 顆粒增強(qiáng)體 Particle Reinforcement 顆粒增強(qiáng)體：用以改善基體材料性能的顆粒狀材料 顆粒增強(qiáng)體的