第一章復合材料概論課件

復合材料概論2019.02.11復合材料概論2019.02.111注意事項遲到5次或曠課3次、早退3次及以上，平時成績?yōu)?分；勤作筆記，課后做作業(yè)，常思考，多查資料考核辦法：平時(出勤率，課堂提問）20%，期終考查，閉卷80%。聯(lián)系方式:Emai:cxzhang2019163

Tel意事項遲到5次或曠課3次、早退3次及以上，平時成績?yōu)?分；2

主要內(nèi)容：掌握復合材料的定義、組成、特點；了解復合材料的發(fā)展狀態(tài)；掌握復合材料的命名方法；掌握復合材料的分類；掌握復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)了解復合材料的應用；了解復合材料的發(fā)展趨勢第一章 緒論 主要內(nèi)容：第一章 緒論3

材料是人類社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)石器時代；青銅器時代；鋼鐵時代－材料的發(fā)展推動生產(chǎn)力的發(fā)展，也推動社會的前進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(shù)革命，新的技術(shù)進而也推動了新材料的出現(xiàn)。當前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會將人類物質(zhì)文明推向新的階段。二十一世紀將是一個新材料時代。材料是人類社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)4

現(xiàn)代高科技的發(fā)展對材料提出了更高、更苛刻的要求。航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展、現(xiàn)代武器系統(tǒng)，要求材料質(zhì)輕、高強、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕、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，不能滿足現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要。一、復合材料出現(xiàn)的必然性 現(xiàn)代高科技的發(fā)展對材料提出了更高、更苛刻的要求。航空、航5二、復合材料發(fā)展狀況（1）幾乎所有的生物材料都是復合材料－竹子、骨骼、貝殼等等古代人們用草梗和泥造墻，用稻草和泥做屋頂二、復合材料發(fā)展狀況（1）幾乎所有的生物材料都是復合材料－竹6第一章復合材料概論ppt課件7復合材料發(fā)展狀況（2）1940～1960年之間的20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1960～1965年英國研制出碳纖維，1971年美國杜邦公司開發(fā)出Kevlar－49，1975年先進復合材料“碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料及Kevlar纖維增強樹脂復合材料”已應用于飛機、火箭的主承力件上，1960～1980年為復合材料的第二代，是復合材料的發(fā)展時代；1980年～1990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，如光學、磁學、機敏和智能復合材料。復合材料發(fā)展狀況（2）1940～1960年之間的20年是玻璃8三、復合材料的定義

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、且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的固體材料。三、復合材料的定義用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩9復合材料的特點兩種或兩種以上的化學相具有兩種材料所不具備的優(yōu)良性能人工設(shè)計出來的，具有可設(shè)計性復合材料的特點兩種或兩種以上的化學相10四、復合材料的構(gòu)成復合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為基體；基體的作用是將增強體粘合成整體并使復合材料具有一定的形狀，傳遞外界作用力、保護增強體免受外界的各種侵蝕破壞作用。當然也決定復合材料的某些性能和加工工藝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，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為增強體(也稱為增強材料、增強相等，功能復合材料中也稱功能體)。

四、復合材料的構(gòu)成復合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相11相界面是一個具有一定厚度的，結(jié)構(gòu)隨組分而異、與基體和增強體明顯不同的新相。界面區(qū)的范圍是從增強體內(nèi)部性質(zhì)不同的一點開始，到基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點之間的區(qū)域。界面是基體和增強體之間連接的紐帶，是應力及其他信息傳遞的橋梁。它的結(jié)構(gòu)、性能以及結(jié)合強度等因素，直接關(guān)系到復合材料的性能。

相界面是一個具有一定厚度的，結(jié)構(gòu)隨組分而異、與12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13五、復合材料的性能○比強度、比模量高○良好的抗疲勞性能

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，改變裂紋擴展方向?！?/p>

優(yōu)良的高溫性能

鋁合金在300℃時，強度由室溫的500MN/m2降到30～50MN/m2，而用碳纖維或硼纖維增強后，300℃的強度與室溫基本相同?！?/p>

減震性好

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都消耗較多的能量。

○

破斷安全性好

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(gòu)件不致在短期內(nèi)突然斷裂。五、復合材料的性能14

密度

g/cm3抗拉強度

×103MN/m2拉伸模量

×105MN/m2比強度

×106MN·m/kg比模量

×108MN·m/kg鋼7.81.032.10.1327鋁2.80.470.750.1727鈦4.50.961.140.2125玻璃鋼2.01.060.40.5320高強度碳

纖維-環(huán)氧1.451.51.41.0397高模量碳

纖維-環(huán)氧1.61.072.40.67150硼纖維-環(huán)氧2.11.382.10.66100有機纖維

PRD-環(huán)氧1.41.40.81.057SiC纖維

-環(huán)氧2.21.091.020.546硼纖維-鋁2.651.02.00.3875密度

g/cm3抗拉強度

×103MN/m2拉伸模量

×115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16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：六、復合材料的命名復合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，17（1）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，最后加上“復合材料”（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。（3）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。

（1）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18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)國外還常用英文編號來表示，如MMC（MetalMatrix19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按基體材料分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七、復合材料分類（1）按基體材料分熱固性樹脂基高溫陶瓷基輕金屬基七、復合材料分類（20按增強材料形態(tài)分為以下三類1、纖維增強復合材料：a.連續(xù)纖維復合材料b.非連續(xù)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；3、板狀增強體、編織復合材料：以平面二維或立體三維物為增強材料與基體復合而成。4、層疊復合材料復合材料分類（2）按增強材料形態(tài)分為以下三類復合材料分類（2）21第一章復合材料概論ppt課件22按材料作用分兩類①功能復合材料：使用的是材料的光、電、磁、熱、聲等非力學性能②結(jié)構(gòu)復合材料：應用的材料的力學性能。復合材料分類（3）其他的分類方法如宏觀復合和微觀復合

按材料作用分兩類復合材料分類（3）其他的分類方法如宏觀復合和23八、復合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)

復合材料從結(jié)構(gòu)上可以分為3個結(jié)構(gòu)層次：一次結(jié)構(gòu)，是由基體和增強材料復合而成的單層復合材料，其力學性能取決于組分材料的性能，各相的形態(tài)、分布和含量以及界面的性質(zhì)；二次結(jié)構(gòu)，由單層材料層合而成的，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(shè)方向、鋪層次序）；三次結(jié)構(gòu)，指工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學性能取決于層合體的力學性能合結(jié)構(gòu)幾何。八、復合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)復合材料從結(jié)構(gòu)上可以分為3個結(jié)構(gòu)24復合材料的設(shè)計也包括三個層次：1、單層材料設(shè)計增強材料、基體材料及其配比，各相的形態(tài)、分布、含量以及界面決定單層力學性能2、鋪層設(shè)計安排鋪層材料（包括層厚度、鋪設(shè)方向、鋪層次序）3、結(jié)構(gòu)設(shè)計確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀尺寸三個層次互相影響、互相依賴。必須把材料性能和結(jié)構(gòu)性能一起考慮，并將其統(tǒng)一在設(shè)計方案中。復合材料的設(shè)計也包括三個層次：三個層次互相影響、互相依賴。必25復合材料設(shè)計步驟復合材料設(shè)計步驟26復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)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（如樹脂體系的固化溫度、固化時間和工藝方法）等因素。復合材料是結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計同時進行，材料與結(jié)構(gòu)一次成形，所以在設(shè)計時既要對組成構(gòu)件各部分的層合板參數(shù)進行設(shè)計，還要選擇構(gòu)件的構(gòu)造形式和幾何尺寸。在初步設(shè)計階段就應對結(jié)構(gòu)的可維護性、可修理性和維修的費用進行考慮與評估。復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計選材時就必須同時考慮材料的機械27九、復合材料的應用航空航天、武器—在力學耐高溫方面滿足要求，同時減輕重量，節(jié)省能源信息電子、生物方面－光、磁、電性能、生物相容性

生活方面，提高安全性合和舒適度—隔音，絕熱、抗振節(jié)約能源、開發(fā)能源方面—重量輕、耐腐蝕性好，壽命長海洋資源開發(fā)方面—耐腐蝕好，力學性能好環(huán)境方面－耐腐蝕性好，可以變廢為寶戰(zhàn)車導彈陶瓷刀具九、復合材料的應用航空航天、武器—在力學耐高溫方面滿足要求，281、航空航天、武器方面的應用波音787“夢幻客機”半成機身材料為輕型復合材料，而波音777型客機機身輕型復合材料比例僅為12％。由此，“夢幻客機”更輕更省油。

1、航空航天、武器方面的應用波音787“夢幻客機”半成機身材29第一章復合材料概論ppt課件302、信息電子、生物方面的應用光導纖維，電子設(shè)備的電路板，磁帶磁盤，機殼和屏蔽修復和更換臟器、人造骨2、信息電子、生物方面的應用光導纖維，電子設(shè)備的電路板，磁帶313、人類生活方面的應用建筑上，復合門窗交通上，汽車保險杠和轎車底板體育娛樂方面，羽毛球拍、釣魚竿、自行車中的車架等3、人類生活方面的應用建筑上，復合門窗32鋁木復合門窗汽車保險杠和底板、發(fā)動機罩等，甚至全復合材料汽車鋁木復合門窗汽車保險杠和底板、發(fā)動機33第一章復合材料概論ppt課件34材料牌號密度/(g/cm3)彈性模量/(Gpa)抗拉強度/(Mpa)伸長率/%鉻鉬鋼低合金鋼7.9200～207>83416鋁合金6001/T62.6~2.969~79100~24612鈦純鈦4.5105480~62018碳纖維CFRP1.5~1.670~200>10002鎂合金AM601.740~452208材料牌號密度/(g/cm3)彈性模量/(Gpa)抗拉強度/(35跳高撐桿跳高撐桿364、節(jié)約能源、開發(fā)能源方面應用航天器、衛(wèi)星上的太陽能帆板、太陽能電池、太陽能采暖設(shè)備、發(fā)電設(shè)備、空調(diào)制冷設(shè)備，特別是太空太陽能發(fā)電站的大部分構(gòu)件風力發(fā)電設(shè)備中風力發(fā)動機的葉片和支桿核電站濃縮鈾253的離心機轉(zhuǎn)筒4、節(jié)約能源、開發(fā)能源方面應用航天器、衛(wèi)星上的太陽能帆板、太37第一章復合材料概論ppt課件385、海洋資源開發(fā)方面的應用5、海洋資源開發(fā)方面的應用396、環(huán)境方面應用通過設(shè)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(shè)施的使用壽命；用廢棄物如礦渣、木屑、廢塑料、麥稈等制造復合材料廢水治理廠的容器和管道、處理汽車尾氣的高壓氣瓶6、環(huán)境方面應用通過設(shè)計，合理利用材料，節(jié)約加工能耗，降低廢40復合地板玻璃鋼管道復合地板玻璃鋼管道41十、復合材料的發(fā)展趨勢發(fā)展功能、多功能、機敏、智能復合材料發(fā)展納米復合材料發(fā)展仿生復合材料十、復合材料的發(fā)展趨勢發(fā)展功能、多功能、機敏、智能復合材料42復合材料具有可設(shè)計性，可以根據(jù)需要添加必要的組分來達到需要的性能，如電、磁、光、聲、熱、阻尼、化學等等許多方面。無人飛船上到某個星球，經(jīng)有機器人感知環(huán)境（如溫度、濕度、光等）、對機敏材料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、精確度和反應速度。復合材料具有可設(shè)計性，可以根據(jù)需要添加必要的組分來達到需要的43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、納米碳管功能復合材料、納米鎢銅復合材料。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)