復合材料總論

復合材料總論1第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月主要參考資料1、現(xiàn)代復合材料----陳華輝鄧海金李明（中國物質(zhì)出版社,1998）2、復合材料--------吳人潔（天津大學出版社,2000）3、復合材料科學與工程---倪禮忠,陳麒(科學出版社,2002)4、復合材料及其應(yīng)用—尹洪峰,任耘（陜西科學技術(shù)出版社,2003）5、高性能復合材料學---郝元愷,肖加余(化學工業(yè)出版社,2004)6、新材料概論---

譚毅,李敬鋒(冶金工業(yè)出版社,2004)

7、先進復合材料----魯云朱世杰馬鳴圖（機械工業(yè)已出版社,2004）建議教材：復合材料概論--------王榮國武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999）2第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章總論第二章聚合物基復合材料第三章金屬基復合材料第四章無機非金屬基復合材料第五章復合材料在機械工程中的應(yīng)用第六章復合材料在交通運輸中的應(yīng)用第七章復合材料在電子電器中的應(yīng)用第八章復合材料在建筑材料中的應(yīng)用第九章復合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用目錄3第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月復合材料發(fā)展概況復合材料發(fā)展簡史：學術(shù)界開始使用“復合材料”（compositematerials）一詞大約是在20世紀40年代，當時出現(xiàn)了玻璃纖維增強不飽和聚酯，開辟了現(xiàn)代復合材料的新紀元。4第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月從20世紀60年代開始，開發(fā)出多種高性能纖維。20世紀80年代以后，由于人們豐富了設(shè)計、制造和測試等方面的知識和經(jīng)驗，加上各類作為復合材料基體的材料的使用和改進，使現(xiàn)代復合材料的發(fā)展達到了更高的水平，即進入高性能復合材料的發(fā)展階段。`5第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月材料分類：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料

各有千秋揚長避短

克服單一材料的缺點

產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能復合材料6第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月１、復合材料的定義什么是復合材料(CompositionMaterials,Composite)?要給復合材料下一個嚴格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點，有關(guān)復合材料的定義或偏重于考慮復合后材料的性能，或偏重于考慮復合材料的結(jié)構(gòu)。7第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月諸如（１）

復合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復合后的整體性能應(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)。偏重于考慮復合后材料的性能8第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（２）

復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第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月從廣義上講，復合材料是由兩種或兩種以上不同化學性質(zhì)的組分組合而成的材料。但在現(xiàn)代材料學界中，復合材料專指由兩種或兩種以上不同相態(tài)的組分所組成的材料。復合材料可定義為：用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過人工復合、組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。10第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月上述復合材料的定義較易被普遍接受，它不僅明確指出復合材料是“通過人工復合的”和“有特殊性能的”材料，而且還指明了復合材料的組分、結(jié)構(gòu)特點及與其他種材料（如簡單混合物、化合物、合金）的特征區(qū)別。根據(jù)上述復合材料的定義，復合材料應(yīng)不包括自然形成的具有某些復合材料形態(tài)的物質(zhì)、化合物、單相合金和多相合金。11第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月以下面五點概括了復合材料的特點：1、復合材料的組分和相對含量是由人工選擇和設(shè)計的；2、復合材料是以人工制造而非天然形成的（區(qū)別于具有某些復合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)）；12第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、組成復合材料的某些組分在復合后仍然保持其固有的物理和化學性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）；4、復合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同。復合材料具有新的、獨特的和可用的性能，這種性能是單個組分材料性能所不及或不同的；5、復合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。13第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的優(yōu)缺點組合示意圖14第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月因此復合材料必須通過對原材料的選擇，各組分分布的設(shè)計和工藝條件的保證等，以使原組分材料的優(yōu)點互相補充，同時利用復合材料的復合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢。15第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)復合材料具有可設(shè)計性。

16第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月通過對各種定義、解釋加以總結(jié)，復合材料應(yīng)包括：組元是人們根據(jù)材料設(shè)計的基本原則有意識地選擇，至少包括兩種物理和力學性能不同的獨立組元，其中一組元的體積分數(shù)一般不低于20％，第二組元通常為纖維、晶須或顆粒；復合材料是人工制造的，而非天然形成的。復合材料的性質(zhì)取決于組元性質(zhì)的優(yōu)化組合，它應(yīng)優(yōu)于獨立組元的性質(zhì)，特別是強度、剛度、韌性和高溫性能。17第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jù)增強體和基體的名稱來命名，通常有以下三種情況：2、復合材料的命名18第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）強調(diào)基體時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、陶瓷基復合材料等。（2）強調(diào)增強體時以增強體材料的名稱為主。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。19第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）基體材料名稱與增強體材料并用。這種命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，基體材料的名稱放在后面。20第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例如：“玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料”，或簡稱為“玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料或玻璃纖維/環(huán)氧”。而我國則常把這類復合材料通稱為“玻璃鋼”。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復合材料叫“金屬基復合材料”，也可寫為“碳／金屬復合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復合材料叫“碳／碳復合材料”。21第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月國外還常用英文編號來表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復合材料，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)22第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月３、復合材料的分類隨著材料品種不斷增加，人們?yōu)榱烁玫匮芯亢褪褂貌牧?，需要對材料進行分類。

材料的分類，歷史上有許多方法：23第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（１）按材料的化學性質(zhì)分類，有金屬材料、非金屬材料之分。（２）按物理性質(zhì)分類，有絕緣材料、磁性材料、遠光材料、半導體材料、導電材料等。（３）按用途分類，有航空材料、電工材料、建筑材料、包裝材料等。材料的分類24第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月復合材料的分類方法也很多，常見的分類方法有以下幾種：一、按基體材料類型分為以下三類1、樹脂基復合材料2、金屬基復合材料3、非金屬基復合材料

25第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、顆粒增強復合材料2、連續(xù)纖維增強復合材料3、纖維、編織體增強復合材料4、短纖維或晶須增強復合材料5、顆粒增強復合材料6、納米復合材料按分散相形態(tài)26第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月復合材料結(jié)構(gòu)示意圖

a)層疊復合b)連續(xù)纖維復合c)細粒復合d)短切纖維復合27第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月增強纖維類型分為以下五種：①玻璃纖維復合材料；②碳纖維復合材料；③有機纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復合材料；④金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料；⑤陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復合材料。28第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月按材料作用分兩類①結(jié)構(gòu)復合材料；②功能復合材料。29第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月①結(jié)構(gòu)復合材料主要用于制造受力構(gòu)件；結(jié)構(gòu)復合材料主要是作為承力結(jié)構(gòu)使用的復合材料，它基本上是由能承受載荷的增強體組元與能聯(lián)接增強體成為整體承載同時又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構(gòu)成。30第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月聚合物基復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料水泥基復合材料碳基復合材料結(jié)構(gòu)復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31第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月B、按增強體類型分類結(jié)構(gòu)復合材料疊層式復合材料片材增強復合材料顆粒增強復合材料纖維增強復合材料人工晶片天然片狀物微米顆粒納米顆粒不連續(xù)纖維復合材料連續(xù)纖維增強復合材料晶須增強復合材料短切纖維增強復合材料單向纖維增強復合材料二維織物增強復合材料三維織物增強復合材料32第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)復合材料的特點可根據(jù)材料在使用中受力的要求進行組元選材和增強體排布設(shè)計，從而充分發(fā)揮各組元的效能。33第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月②功能復合材料

指具備各種特殊物理與化學性能的材料。例如：聲、光、電、磁、熱、耐腐蝕、零膨脹、阻尼、摩擦、屏蔽或換能等。34第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月功能復合材料中的增強體又可稱為功能體組元，它分布于基體組元中。功能復合材料中的基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能夠產(chǎn)生協(xié)同或加強功能的作用。35第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、輕質(zhì)高強

CM最突出、重要的特點。用比強度，比模量。材料名稱比強度比模量鋼0.130.27鋁0.170.26玻纖/聚酯CM0.530.21碳纖/環(huán)氧CM1.030.21強度與密度之比模量與密度之比36第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)異的化學物理性能37第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月GlassfiberreinforcedcompositesCarbonfiberreinforcedcompositesBoronfiberreinforcedcomposites38第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月材料密度(g/cm3)拉伸強度(GPa)彈性模量(×102GPa)比強度(×105cm)比模量(×105cm)鋼7.81.032.10.130.27鋁合金2.80.470.750.170.26鈦合金4.50.961.140.210.25玻璃纖維復合材料2.01.060.40.530.20碳纖維II/環(huán)氧1.451.51.41.030.97碳纖維I/環(huán)氧1.61.072.40.671.5有機纖維/環(huán)氧1.41.40.81.00.57硼纖維/環(huán)氧2.11.382.10.661.0硼纖維/鋁2.651.02.00.380.5739第39頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月由表1-2可見：FRC的密度約為鋼的1/5，鋁的1/2

比模量：高模量碳纖維/環(huán)氧復合材料為鋼的5