復合材料及其力學基礎(chǔ)教材

復合材料及其力學基礎(chǔ)第一章緒論

§1-1復合材料的定義及分類一、復合材料的定義廣義：由兩相或多項組分構(gòu)成的材料（包括自然的和人工的）。

狹義：由兩相或多相組分構(gòu)成的、人造的先進材料。1、定義

復合材料應(yīng)具有如下三個特點：由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復合形成的一種新型材料，組元間存在著明顯的界面；各組元不但保持各自的固有特性，而且還最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；復合材料具有可設(shè)計性。2、特點3、基體和增強體基體：復合材料中比較連續(xù)的相；增強相：其它一些以獨立形態(tài)分布于整個連續(xù)相中的分散相；界面：兩者之間的結(jié)合部稱為界面。二、復合材料的分類1、按來源分：①天然（竹、木材、麻等）；②人工2、按基體材料的種類分：①聚合物基復合材料：熱固性、熱塑性、橡膠；②金屬基復合材料：鋁，鈦合金；③陶瓷基復合材料；④石墨基復合材料：C-C；⑤混凝土基復合材料3、按增強相分類：①纖維增強復合材料：長纖維，短纖維；②晶須增強復合材料；③顆粒增強復合材料；④混合增強復合材料：不同形態(tài)的增強相共同增強的復合材料。4、按用途分類：①結(jié)構(gòu)復合材料；②功能復合材料：電磁學、光學、熱學、聲學及摩擦、阻尼材料；③智能復合材料：自適應(yīng)環(huán)境。§1-2復合材料的性能

一、材料性能的可設(shè)計性

其宏觀性能可根據(jù)人們的需要通過細觀性能來設(shè)計，因此可充分發(fā)揮材料的潛力。二、疲勞性能好容傷性好。三、減振性能好自振頻率甚高，內(nèi)阻大。四、比強度，比剛度高材料密度模量(GPa)強度(MPa)比剛度比強度連續(xù)S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂1.9960175030.287925%SiCw/氧化鋁3.7390900（彎曲強度）105243.2GRP(GF/EP)1.838.615002104833.3CRP(CF/EP)1.6181.01062113.1663.850%Al2O3f/Al2.913090049310高強Al合金2.46840028.8166.7A3鋼7.862104602759七、其它的特殊性能：五、高、低溫性能好，膨脹系數(shù)小六、耐磨、減摩，自潤性好

化學穩(wěn)定性高，具有耐燒蝕性，耐輻射性，耐蠕變性以及特殊的光，電，磁性能?！?-3復合材料的用途

一、機械工業(yè)

主要用于閥、泵、齒輪、風機、風片、軸及密封件等。二、汽車工業(yè)及交通運輸行業(yè)

主要用于整車重量的降低，是復合材料應(yīng)用最活躍的行業(yè)之一。三、化學工業(yè)耐蝕件，各種容器。船舶舶業(yè)業(yè)，，生生物物醫(yī)醫(yī)學學，，運運動動器器械械，，食食品品工工業(yè)業(yè)等等。。四、、航航空空航航天天領(lǐng)領(lǐng)域域飛機機、、火火箭箭、、航航天天飛飛機機的的零零部部件件：：如如發(fā)發(fā)動動機機、、剎剎車車片片、、機機翼翼等等。。應(yīng)應(yīng)用用最最為為廣廣泛泛。。五、、建建筑筑領(lǐng)領(lǐng)域域玻璃璃纖纖維維增增強強水水泥泥，，玻玻璃璃鋼鋼等等。。六、、其其他他領(lǐng)領(lǐng)域域復合合材材料料的的應(yīng)應(yīng)用用實實例例碳纖纖維維/環(huán)氧氧樹樹脂脂碳纖纖維維/芳綸綸/環(huán)氧氧樹樹脂脂玻璃璃纖纖維維增增強強塑塑料料芳綸綸/杜邦邦聚聚酰酰胺胺芳綸綸/泡沫沫芯芯板板碳纖纖維維/杜邦邦聚聚酰酰胺胺GLARE蒙皮皮用用于于A380飛機機的的上上機機身身蒙蒙皮皮B-2隱形形轟轟炸炸機機除除主主體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)是是鈦鈦復復合合材材料料外外，，其其它它部部分分均均由由碳碳纖纖維維和和石石墨墨等等復復合合材材料料構(gòu)構(gòu)成成，，不不易易反反射射。。輕巧巧的的碳碳/碳復復合合材材料料全復復合合材材料料機機身身：：輕輕型型機機的的價價格格，，中中型型機機的的寬寬敞敞客客艙艙，，客客艙艙內(nèi)內(nèi)站站立立高高度度為為1.65米。。目前前商商用用飛飛機機上上復復合合材材料料僅僅占占全全機機重重量量的的50%，而而某某些些直直升升機機早早已已達達到到90%荷蘭蘭計計劃劃研研發(fā)發(fā)新新型型綠綠色色環(huán)環(huán)保保飛飛機機外外形形將將酷酷似似飛飛碟碟，，另另一一個個設(shè)設(shè)想想就就是是使使用用復復合合材材料料，，如如纖纖維維增增強強塑塑料料。。這這種種復復合合材材料料強強度度可可與與金金屬屬媲媲美美，，而而重重量量卻卻比比金金屬屬輕輕得得多多，，因因此此可可以以節(jié)節(jié)省省燃燃油油。。復合材材料軍軍用吉吉普車車玻璃纖纖維/碳纖維維/增強樹樹脂美洲輕輕木泡沫超級跑跑車車車身身大量量應(yīng)用用碳纖纖維復復合材材料生產(chǎn)充充氣船船及其其膠布布制品品，采采用國國際上上先進進的A級RTP復合材材料新型日日光溫溫室復復合材材料溫溫室室骨架架和縱縱拉桿桿全部部采用用復合合材料料制成成綠可木木，生生態(tài)木木塑復復合材材料，，木塑塑復合合材料料吸音音板復合材材料（（玻璃璃鋼））制品品碳纖維維/樹脂復復合材材料碳/碳復合合材料料生物醫(yī)醫(yī)學制制品和和體育育運動動復合材材料被被用來來預(yù)防防受傷傷，矯矯正生生理機機能，，和幫幫助病病人復復原。。生物醫(yī)醫(yī)學制制品和和以體體育運運動器器材為為主的的碳纖纖維復復合材材料制制品熱塑性性復合合材料料在近近20年中，，增長長速率率持續(xù)續(xù)較快快，是是熱固固性的的3倍。聚合物物納米米復合合材料料聚合物物層狀粘粘土傳統(tǒng)的的復合材材料插入的的納米復復合材材料片狀剝剝離的的納米復復合材材料新型的的納米米黏土土片層越越小，，分散散得越越好，，則復復合材材料的的性能能越好好§1-4復合材材料的的組分分§1-4-1樹脂基基復合合材料料的組組分一、纖纖維（（增強強體））1、對纖纖維的的基本本要求求1）力學學性能能：一一般要要求要要高2）表面面狀態(tài)態(tài)：應(yīng)應(yīng)易于于與樹樹脂浸浸潤3）長度度、根根數(shù)及及捻度度：長長度應(yīng)應(yīng)滿足足FRC的要求求；纖纖維束束絲中單絲絲根數(shù)數(shù)應(yīng)能能符合合FRC每層壓壓厚的的要求求。6）環(huán)扣扣強度度：是是衡量量纖維維柔韌韌性的的一個個指標標，可可用來來表明明纖維工藝藝性能能的好好壞。。4）細度度和均均勻度度：細細度是是指單單絲直直徑；；均勻勻度是是指直直徑的的均勻程度度，須須滿足足一定定的規(guī)規(guī)定。。5）毛絲絲，毛毛團：：為纖纖維束束中的的雜質(zhì)質(zhì)，在在一定定纖維維束長長度上上不允許超超過一一定數(shù)數(shù)目。。2、纖維維的分分類：：無機纖纖維：：玻璃璃纖維維、碳碳纖維維、硼硼纖維維及氧氧化硅硅、氧氧化鋁鋁纖維等等；有機纖纖維：：芳綸綸纖維維、尼尼龍纖纖維及及聚烯烯烴纖纖維等等。1）玻璃璃纖維維3、幾種種常用用的纖纖維拉伸強強度2.5~4.58GPa；密度度2.14~2.55g/cm3；拉伸伸模量量55~86GPa；延伸伸率3.37~5.2%拉伸強強度>1.7GPa；拉伸伸模量量200~400GPa；耐高高溫：：2000℃℃。2）碳纖纖維3）芳綸綸拉伸強強度高高，約約為鋁鋁合金金的5倍；彈彈性模模量高高，比比玻璃璃纖維維高1倍；密密度小??；韌韌性好好。。4）硼纖纖維拉伸強強度>3.45GPa；密度度2.4~2.6g/cm3；拉伸伸模量量400GPa5）氧化化鋁纖纖維拉伸強強度1.7~2.0GPa；密度度3.95g/cm3；拉伸伸模量量380GPa6）碳化化硅纖纖維拉伸強強度>3.35GPa；密度度3.05g/cm3；拉伸伸模量量400GPa二、樹樹脂基基體1、FRC樹脂基基體的的基本本要求求1）分子子量及及其分分布：：分子子量要要適中中，其其分布布范圍圍應(yīng)盡盡量小小2）粘度度和流流動性性：若若樹脂脂粘度度小，，則易易于浸浸漬纖纖維，，并且且流動性性好。。3）揮發(fā)發(fā)分：：樹樹脂揮揮發(fā)分分應(yīng)盡盡量小小4）固化化特性性：要要求固固化溫溫度盡盡可能能低，，固化化壓力力盡可可能小，固固化時時間盡盡可能能短。。5）力學學性能能：具具有一一定的的強度度，模模量，，延伸伸率，，壓縮縮性能能6）與纖纖維的的相容容性：：要好好。7）耐熱熱性能能：包包含耐耐溫性性和耐耐熱老老化性性。8）有耐耐腐蝕蝕性能能，介介電性性能，，阻燃燃性，，自熄熄性等等。2、樹脂脂的分分類分為熱熱固性性樹脂脂和熱熱塑性性樹脂脂兩類類。熱固性性：加溫和和加壓壓固化化，不不溶不不熔，，不可可再利利用。。如聚聚酯，，環(huán)氧，，聚酰酰亞胺胺，酚酚醛等等。熱塑性性：加熱液液化，，可溶溶可熔熔，結(jié)結(jié)晶態(tài)態(tài)有固固定熔熔點，，可再再利用。如如聚乙乙烯，，聚丙丙烯，，聚苯苯乙烯烯等。。1、MMC對增強強體的的基本本要求求§1-4-2金屬基基復合合材料料一、增增強體體1）應(yīng)具具有能能明顯顯提高高金屬屬基體體所需需特性性的性性能；；2）應(yīng)具具有良良好的的化學學穩(wěn)定定性，，在金金屬基基復合合材料料制備備和使使用過程程中基基體有有良好好的化化學相相容性性，不不發(fā)生生嚴重重的界界面反應(yīng)；；3）與金金屬有有良好好的浸浸潤性性或通通過表表面處處理能能與金金屬良良好浸浸潤，以以保證證增強強物與與金屬屬基體體良好好的復復合和和均勻勻分布布。2、分類類按形態(tài)態(tài)可分分為長長纖維維、