復(fù)合材料的概念分類與發(fā)展歷程

復(fù)合材料

1主要參考資料1、現(xiàn)代復(fù)合材料----陳華輝鄧海金李明（中國物質(zhì)出版社,1998）2、復(fù)合材料概論----王榮國武衛(wèi)莉（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999）3、復(fù)合材料--------吳人潔（天津大學(xué)出版社,2000）5、復(fù)合材料及其應(yīng)用—尹洪峰,任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003）6、高性能復(fù)合材料學(xué)---郝元愷,肖加余(化學(xué)工業(yè)出版社,2004)7、先進(jìn)復(fù)合材料----魯云朱世杰馬鳴圖（機(jī)械工業(yè)已出版社,2004）8、復(fù)合材料--------周曦亞（化學(xué)工業(yè)出版社,2005）2第一章復(fù)合材料的概念、分類及其發(fā)展歷程第二章復(fù)合材料基本特性、應(yīng)用及其研究現(xiàn)狀第三章復(fù)合材料的基體材料第四章復(fù)合材料的增強(qiáng)材料第五章復(fù)合材料的成型工藝第六章功能復(fù)合材料第七章復(fù)合材料的復(fù)合原則及界面第八章陶瓷基復(fù)合材料第九章金屬基復(fù)合材料目錄3第一章

復(fù)合材料的概念、分類及其發(fā)展歷程4材料分類：金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)高分子材料

各有千秋揚長避短

克服單一材料的缺點

產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能復(fù)合材料510000BC各種材料在各個歷史時期相對重要性5000BC015001900196019801990200020102020金銅鐵鋼合金鋼高溫合金高分子木材皮膚纖維動物膠橡膠電木尼龍PEPCPSPPPAN聚酯高模聚合物導(dǎo)電高分子復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料石材陶瓷陶器玻璃水泥耐火材料熔融硅耐濕陶瓷韌性機(jī)械陶瓷36１、復(fù)合材料的定義什么是復(fù)合材料(CompositionMaterials,Composite)?要給復(fù)合材料下一個嚴(yán)格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點，有關(guān)復(fù)合材料的定義或偏重于考慮復(fù)合后材料的性能，或偏重于考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

7諸如（１）

復(fù)合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復(fù)合后的整體性能應(yīng)超過組分材料，保留了所期望的性能(高強(qiáng)度、剛度、輕的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。偏重于考慮復(fù)合后材料的性能8（２）

復(fù)合材料是多功能的材料系統(tǒng)，它們可提供任何單一材料所無法獲得的特性；它們是由兩種或多種成分不同，性質(zhì)不同，有時形狀也不同的相容性材料，以物理形式結(jié)合而成的。9

F．L.Matthews和Ｒ．D．Rawlings認(rèn)為，復(fù)合材料是兩個或兩個以上組元或相組成的混合物，并應(yīng)滿足下面三個條件：(1)組元含量大于5％；(2)復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能，(3)通過各種方法混合而成。10按這Matthews和Rawlings給出的定義義，鋼鐵及及其合金不不應(yīng)屬于復(fù)復(fù)合材料，，如Co—Cr—Mo——Si合金不屬于于復(fù)合材料料，因為這這種合金經(jīng)經(jīng)過熔化和凝固固過程；而僅僅有像SiC顆粒強(qiáng)化的的Al合金這種混混合而成的的材料才屬屬于復(fù)合材材料。因此此有人認(rèn)為為可將復(fù)合合材料劃分分為廣義復(fù)合材材料和狹義復(fù)合材材料。11從廣義上講講，復(fù)合材材料是由兩種或兩種種以上不同同化學(xué)性質(zhì)的組分組合而成的的材料。但但在現(xiàn)代材材料學(xué)界中中，復(fù)合材材料專指由由兩種或兩種種以上不同同相態(tài)的組分所組成的材材料。復(fù)合材料可可定義為：：用經(jīng)過選選擇的、含含一定數(shù)量量比的兩種種或兩種以以上的組分分（或稱組組元），通通過人工復(fù)復(fù)合、組成成多相、三三維結(jié)合且且各相之間間有明顯界界面的、具具有特殊性性能的材料料。12上述復(fù)合材材料的定義義較易被普普遍接受，，它不僅明明確指出復(fù)復(fù)合材料是是“通過人工復(fù)復(fù)合的”和“有特殊性性能的”材料，，而且還還指明了了復(fù)合材材料的組分、結(jié)結(jié)構(gòu)特點點及與其他種種材料（如簡單單混合物物、化合合物、合合金）的特征區(qū)區(qū)別。根據(jù)上述述復(fù)合材材料的定定義，復(fù)復(fù)合材料料應(yīng)不包包括自然形成成的具有有某些復(fù)復(fù)合材料料形態(tài)的的物質(zhì)、、化合物物、單相相合金和和多相合合金。13以下面五五點概括括了復(fù)合材料料的特點點：1、復(fù)合合材料的的組分和相相對含量量是由人工選擇擇和設(shè)計計的；2、復(fù)合合材料是是以人工制造造而非天然然形成的的（區(qū)別別于具有有某些復(fù)復(fù)合材料料形態(tài)特特征的天天然物質(zhì)質(zhì)）；143、組成成復(fù)合材材料的某某些組分分在復(fù)合合后仍然然保持其固固有的物物理和化化學(xué)性質(zhì)質(zhì)（區(qū)別于于化合物物和合金金）；4、復(fù)合合材料的的性能取決于各組成相相性能的的協(xié)同。復(fù)合材材料具有有新的、、獨特的的和可用用的性能能，這種種性能是是單個組組分材料料性能所所不及或或不同的的；5、復(fù)合合材料是是各組分分之間被明顯界界面區(qū)分分的多相材材料。15國際標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化組織織：由兩種種以上在物理和和化學(xué)上上不同的物物質(zhì)組合合起來而而得到的的一種多相固體體材料?！恫牧峡茖W(xué)學(xué)技術(shù)百百科全書書》中關(guān)于于復(fù)合合材料料的定定義如如下：：復(fù)合材材料是是由有有機(jī)高高分子子、無無機(jī)非非金屬屬或金金屬等等幾類類不同同材料料通過復(fù)復(fù)合工工藝組合而而成的的新型型材料料。它它既保保留原原組成成材料料的重重要特特色，，又通通過復(fù)復(fù)合效效應(yīng)獲獲得原原組分分所不不具備備的性性能。?？梢砸酝ㄟ^過材料料設(shè)計計使各各組分分的性性能互互相補(bǔ)補(bǔ)充并并彼此此關(guān)聯(lián)聯(lián)，從從而獲獲得更更優(yōu)越越的性性能，，與一一般材材料的的簡便便混合合有本本質(zhì)區(qū)區(qū)別。。16《材料料大辭辭典》》中關(guān)于于復(fù)合合材料料的定定義為為：復(fù)合材材料是是根據(jù)據(jù)應(yīng)用用的需需要進(jìn)進(jìn)行設(shè)設(shè)計，，把兩兩種以以上的的有機(jī)機(jī)聚合合物材材料，，或無無機(jī)非非金屬屬材料料，或或金屬屬材料料組合合在一一起，，使之之互補(bǔ)性性能優(yōu)優(yōu)勢，從而而制成成的一一類新新型材材料。。一般般由基基體組組元與與增強(qiáng)強(qiáng)材料料或功功能體體組元元所組組成，，因此此亦屬屬于多多相材材料范范疇。。17根據(jù)《材料料大辭辭典》》中關(guān)關(guān)于于復(fù)復(fù)合合材材料料的的定定義義可可以以看看出出,復(fù)復(fù)合合材材料料具具有有兩兩個個鮮鮮明明的的特特點點:１、復(fù)合材料料不僅能保持持原組分的部部分優(yōu)點，而而且產(chǎn)生原組組分所不具備備的新性能。２、復(fù)合材料料具有可設(shè)計性。由于各種原原材料都具有有各自的優(yōu)點點和缺點，所所以在組合時時可能出現(xiàn)如如下圖所示的的結(jié)果。18因此復(fù)合材料料必須通過對對原材料的選擇擇，各組分分布的的設(shè)計和工藝條件的保保證等，以使原組組分材料的優(yōu)優(yōu)點互相補(bǔ)充充，同時利用用復(fù)合材料的的復(fù)合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的的性能，最大大限度地發(fā)揮揮優(yōu)勢。19綜上所述，復(fù)復(fù)合材料應(yīng)具具有以下三個個特點：(1)復(fù)合材材料是由兩種種或兩種以上上不同性能的的材料組元通過宏觀或微微觀復(fù)合形成的一種新新型材料，組組元之間存在在著明顯的界面。(2)復(fù)合材材料中各組元元不但保持各自的固固有特性而且可最大限度發(fā)揮揮各種材料組組元的特性，并賦予單一一材料組元所所不具備的優(yōu)優(yōu)良持殊性能能。20(3)復(fù)合合材料具有可設(shè)計性。復(fù)合材料的結(jié)結(jié)構(gòu)通常是一一個相為連續(xù)續(xù)相，稱為基體；而另一相是是以獨立的形形態(tài)分布在整整個連續(xù)相中中的分散相，，與連續(xù)相相相比，這種分分散相的性能能優(yōu)越，會使使材料的性能能顯著增強(qiáng)，，故常稱為增強(qiáng)體(也稱為增強(qiáng)強(qiáng)材料、增強(qiáng)強(qiáng)相等)。在大多數(shù)情況況下，分散相相較基體硬，強(qiáng)度和剛度較基體大。分分散相可以是是纖維及其編編織物，也可可以是顆粒狀狀或彌散的填填料。在基體體與增強(qiáng)體之之間存在著界界面。21通過對各種定定義、解釋加加以總結(jié)，復(fù)復(fù)合材料應(yīng)包包括：組元是人們根根據(jù)材料設(shè)計計的基本原則則有意識地選擇擇，至少包括括兩種物理和力學(xué)性性能不同的獨立組元，其中一組元元的體積分?jǐn)?shù)數(shù)一般不低于于20％，第二組元元通常為纖維維、晶須或顆顆粒；復(fù)合材料是人工制造的，而非天然然形成的。復(fù)合材料的性性質(zhì)取決于組組元性質(zhì)的優(yōu)優(yōu)化組合，它它應(yīng)優(yōu)于獨立組元元的性質(zhì)，特別是強(qiáng)度度、剛度、韌韌性和高溫性性能。22復(fù)合材料在世世界各國還沒沒有統(tǒng)一的名名稱和命名方方法，比較共共同的趨勢是是根據(jù)增強(qiáng)體和基體體的名稱來命名，通常常有以下三種種情況：2、復(fù)合材料料的命名23（1）強(qiáng)調(diào)基體時以基體材料的的名稱為主。。如樹脂基復(fù)復(fù)合材料、金金屬基復(fù)合材材料、陶瓷基基復(fù)合材料等等。（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時時以增強(qiáng)體材料料的名稱為主主。如玻璃纖纖維增強(qiáng)復(fù)合合材料、碳纖纖維增強(qiáng)復(fù)合合材料、陶瓷瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)復(fù)合材料等。。24（3）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料料并用。這種種命名方法法常用來表表示某一種種具體的復(fù)合合材料，習(xí)慣上把把增強(qiáng)體材料料的名稱放放在前面，，基體材料料的名稱放放在后面。25例如：“玻玻璃纖維增增強(qiáng)環(huán)氧樹樹脂復(fù)合材材料”，或或簡稱為““玻璃纖維/環(huán)氧樹脂脂復(fù)合材料料或玻璃纖維/環(huán)氧”。而我國國則常把這這類復(fù)合材材料通稱為為“玻璃鋼鋼”。碳纖維和金金屬基體構(gòu)構(gòu)成的復(fù)合合材料叫““金屬基復(fù)復(fù)合材料””，也可寫寫為“碳／金屬復(fù)復(fù)合材料”。碳纖維維和碳構(gòu)成成的復(fù)合材材料叫“碳／碳復(fù)復(fù)合材料”。26國外還常用用英文編號來表示，如如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基基復(fù)合材料料，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增增強(qiáng)塑料，，而玻璃纖纖維/環(huán)氧氧則表示為為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)27３、復(fù)合合材料的分分類隨著材料品品種不斷增增加，人們們?yōu)榱烁煤玫匮芯亢秃褪褂貌牧狭?，需要對對材料進(jìn)行行分類。材料的分類類，歷史上有有許多方法法：28（１）按材料的化學(xué)性質(zhì)分類，有金屬材材料、非金金屬材料之之分。（２）按物理性質(zhì)分類，有絕緣材材料、磁性性材料、遠(yuǎn)遠(yuǎn)光材料、、半導(dǎo)體材材料、導(dǎo)電電材料等。。（３）按用途分類，有航空材材料、電工工材料、建建筑材料、、包裝材料料等。材料的分類類29復(fù)合材料的的分類方法也也很多，常常見的分類方法有以下幾種種：一、按增強(qiáng)材料形形態(tài)分為以下三三類1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材材料：a.連續(xù)纖維復(fù)合材材料：作為為分散相的的長纖維的的兩個端點點都位于復(fù)復(fù)合材料的的邊界處；；b.非連續(xù)纖維復(fù)合材材料：短纖纖維、晶須須無規(guī)則地地分散在基基體材料中中；302、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材材料：微小小顆粒狀增增強(qiáng)材料分分散在基體體中；3、板狀增強(qiáng)體、編織織復(fù)合材料：：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與與基體復(fù)合而而成。其他增強(qiáng)體：：層疊、骨架架、涂層、片片狀、天然增增強(qiáng)體31復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)示意圖a)層疊復(fù)合b)連續(xù)纖維復(fù)合合c)細(xì)粒復(fù)合d)短切纖維復(fù)合合32纖維增強(qiáng)復(fù)合材料料纖維增強(qiáng)復(fù)合合材料分為以以下五種：①玻璃纖維復(fù)合材料；②碳纖維復(fù)合材料；③有機(jī)纖維（芳香族聚酰酰胺纖維、芳芳香族聚酯纖纖維、聚烯烴烴纖維等）復(fù)復(fù)合材料；④金屬纖維（如鎢絲、不不銹鋼絲等））復(fù)合材料；；⑤陶瓷纖維（如氧化鋁纖纖維、碳化硅硅纖維、硼纖纖維等）復(fù)合合材料。33混雜復(fù)合材料：兩種或兩種以以上增強(qiáng)體同一種基體制制成的復(fù)合材材料?？梢钥纯闯墒莾煞N或或多種單一纖維或顆顆粒復(fù)合材料料的相互復(fù)合，，即復(fù)合材料料的“復(fù)合材材料”。34①玻璃纖維復(fù)合合材料用玻璃纖維增增強(qiáng)工程塑料的復(fù)合材料，，即玻璃鋼。玻璃鋼分為為兩種，即熱塑性玻璃鋼鋼和熱固性玻璃鋼鋼。35Ａ、熱塑性玻玻璃鋼熱塑性玻璃鋼鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)劑和以以熱塑性樹脂為粘結(jié)劑制成成的復(fù)合材料料。Ｂ、熱固性玻玻璃鋼熱固性玻璃鋼鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)劑和以以熱固性樹脂為粘結(jié)劑制成成的復(fù)合材料料。36②碳纖維復(fù)合材材料Ａ、碳纖維復(fù)合材料：作作基體的樹脂，目前應(yīng)用最最多的是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯。Ｂ、碳纖維碳復(fù)合材料：用用有機(jī)基體浸漬纖維坯塊塊，固化后再再進(jìn)行熱解，，或纖維坯型型經(jīng)化學(xué)氣相相沉積，直接接填入碳。Ｃ、碳纖維金屬復(fù)合材料：主主要用于熔點點較低的金屬屬或合金，如如在碳纖維表表面鍍金屬，，制成了碳纖纖維金屬復(fù)合合材料。Ｄ、碳纖維陶瓷復(fù)合材料：我我國研制了一一種碳纖維石石英玻璃復(fù)合合材料。37③硼纖維復(fù)合材材料硼纖維是由硼氣相沉沉積在鎢絲上上來制取的。。Ａ、硼纖維樹脂復(fù)合材料：基基體主要為環(huán)氧樹脂、聚苯并咪唑和聚酰亞胺樹脂脂等。Ｂ、硼纖維金屬復(fù)合材料：常常用的基體為為鋁、鎂及其合合金，還有鈦及其合金等。38④金屬纖維復(fù)合合材料作增強(qiáng)纖維的的金屬主要是是強(qiáng)度較高的高高熔點金屬鎢、鉬、鋼、不銹鋼、鈦、鈹?shù)?，它們能被被基體金屬潤濕，也能增強(qiáng)陶瓷。Ａ、金屬纖維金屬復(fù)合材料：研究較多的的增強(qiáng)劑為鎢鉬絲，基體為鎳合金和鈦合金。Ｂ、金屬纖維陶瓷復(fù)合材料：利用金屬纖纖維的韌性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。39二、按材料作作用分兩類①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；②功能復(fù)合材料。40①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料料主要用于制造造受力構(gòu)件；；結(jié)構(gòu)復(fù)合材材料主要是作作為承力結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材材料，它基本本上是由能承受載荷的的增強(qiáng)體組元與能聯(lián)接增強(qiáng)體體成為整體承載載同時又起分配與傳遞載載荷作用的基體組元構(gòu)構(gòu)成。41結(jié)構(gòu)復(fù)合材料又可按基體材料類型型和增強(qiáng)體材料類類型來分類見下圖圖所示：42聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱固性樹脂基熱塑性樹脂基橡膠基高溫陶瓷基玻璃基玻璃陶瓷基輕金屬基高熔點金屬基金屬間化合物基Ａ、按基體類型分類43B、按增強(qiáng)體類型分類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料疊層式復(fù)合材料片材增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料人工晶片天然片狀物微米顆粒納米顆粒不連續(xù)纖維復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料二維織物增強(qiáng)復(fù)合材料三維織物增強(qiáng)復(fù)合材料44結(jié)構(gòu)復(fù)合材料料的特點可根據(jù)材料在在使用中受力力的要求進(jìn)行行組元選材和增強(qiáng)體排布設(shè)設(shè)計，從而充分發(fā)發(fā)揮各組元的的效能。45②功能復(fù)合材料料指具備各種特殊物理與化化學(xué)性能的材料。例如：聲、光、電、磁、熱、耐腐蝕、零膨脹、阻尼、摩擦、屏蔽或換能等。46功能復(fù)合材料料中的增強(qiáng)體又可稱為功能體組元，它分布于基體組元中。功能復(fù)合材料料中的基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且且能夠產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功功能的作用。47除了上面的各各種各樣的復(fù)復(fù)合材料以外外，還有同質(zhì)復(fù)合材料料和異質(zhì)復(fù)合材料料。同質(zhì)復(fù)復(fù)合材材料（增強(qiáng)材材料和基體材材料屬于同種物物質(zhì)，如碳碳/碳復(fù)合合材料料）異質(zhì)復(fù)復(fù)合材材料（前面面提及及的復(fù)復(fù)合材材料多多屬此此類））。48復(fù)合材材料目目前狀狀況（１））玻璃璃鋼和和樹脂脂基復(fù)復(fù)合材材料非常成成熟廣泛的的應(yīng)用用（２））金屬屬基復(fù)復(fù)合材材料開發(fā)階階段某些結(jié)結(jié)構(gòu)件件的關(guān)關(guān)鍵部部位（３））陶瓷瓷基復(fù)復(fù)合材材料及及功能能復(fù)合合材料料等尚處于于研究究階段段有不少少科學(xué)學(xué)技術(shù)術(shù)問題題有待待解決決49４、復(fù)復(fù)合合材料料發(fā)展展概況況復(fù)合材材料發(fā)展簡簡史：：學(xué)術(shù)界界開始始使用用“復(fù)復(fù)合材材料””（compositematerials））一詞大大約是是在20世世紀(jì)40年年代，，當(dāng)時時出現(xiàn)現(xiàn)了玻璃纖維維增強(qiáng)不不飽和聚聚酯，開辟了了現(xiàn)代復(fù)合合材料的新紀(jì)元元。50從20世世紀(jì)60年代開開始，開開發(fā)出多多種高性能纖纖維。20世世紀(jì)80年代以以后，由由于人們們豐富了了設(shè)計、制造和測試等方面的的知識和和經(jīng)驗，，加上各各類作為為復(fù)合材材料基體體的材料料的使用用和改進(jìn)進(jìn)，使現(xiàn)代復(fù)合合材料的發(fā)展達(dá)達(dá)到了更更高的水水平，即即進(jìn)入高性能復(fù)復(fù)合材料料的發(fā)展階階段。51復(fù)合材料料的整個發(fā)展展過程可表示為為：古代近代先進(jìn)復(fù)合合材料52天然復(fù)合合材料自然界中中存在許許許多多多的天然然復(fù)合材材料。例例如，樹木和竹子是纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體體；動物的骨骨骼則由無機(jī)磷酸酸鹽和蛋白質(zhì)膠膠原復(fù)合而成成。53人類很早早就接觸和使使用各種天然然復(fù)合材材料，并并仿效自然界制制作各種種各樣的的復(fù)合材材料。例例如陜西半坡坡人－－－草梗合合泥筑墻墻，且延延用至今今；漆器－－－麻纖維維和土漆漆復(fù)合而而成，至至今已四四千多年年；敦煌壁畫畫－－泥泥胎、宮宮殿建筑筑里園木木表面的的披麻覆覆漆。54近代，復(fù)合材材料的發(fā)發(fā)展始于于20世紀(jì)40年代，第第二次世世界大戰(zhàn)戰(zhàn)中，玻璃纖維維增強(qiáng)聚聚酯樹脂脂復(fù)合材料料被美國國空軍用用于制造造飛機(jī)構(gòu)構(gòu)件開始始算起。。50年代得到到了迅速速發(fā)展。。我國從1958年開始發(fā)發(fā)展復(fù)合合材料55現(xiàn)代復(fù)合合材料的制作成成功則要要從1942年年，第二二次世界界大戰(zhàn)中中，玻璃纖維維增強(qiáng)聚聚酯樹脂脂復(fù)合材料料被美國國空軍用用于制造造飛機(jī)構(gòu)構(gòu)件開