復(fù)合材料的定義、性能與分類(lèi)

復(fù)合材料的定義、性能與分類(lèi)注意事項(xiàng)5次或曠課3次、早退3次及以上，平時(shí)成績(jī)?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(shí)(出勤率，課堂提問(wèn)）20%，期終考查，閉卷80%。聯(lián)系方式:

主要內(nèi)容：掌握復(fù)合材料的定義、組成、特點(diǎn)；了解復(fù)合材料的發(fā)展史；掌握復(fù)合材料的命名方法；掌握復(fù)合材料的分類(lèi)；掌握復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)了解復(fù)合材料的應(yīng)用；了解復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)第一章 緒論

材料是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)石器時(shí)代；青銅器時(shí)代；鋼鐵時(shí)代－材料的發(fā)展推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展，也推動(dòng)社會(huì)的前進(jìn)二十世紀(jì)中后期以來(lái)，高分子、陶瓷材料崛起以及復(fù)合材料的發(fā)展，又給人類(lèi)帶來(lái)了新的材料和技術(shù)革命，新的技術(shù)進(jìn)而也推動(dòng)了新材料的出現(xiàn)。當(dāng)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(huì)將人類(lèi)物質(zhì)文明推向新的階段。二十一世紀(jì)將是一個(gè)新材料時(shí)代。 現(xiàn)代高科技的發(fā)展對(duì)材料提出了更高、更苛刻的要求。航空、航天和海洋開(kāi)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(qiáng)、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕、吸波、隱身等特點(diǎn)。 很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無(wú)法滿足以上綜合要求，不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。一、復(fù)合材料出現(xiàn)的必然性二、復(fù)合材料的定義

用經(jīng)過(guò)選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱(chēng)組元），通過(guò)人工復(fù)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。復(fù)合材料的特點(diǎn)兩種或兩種以上的化學(xué)相具有兩種材料所不具備的優(yōu)良性能人工設(shè)計(jì)出來(lái)的，具有可設(shè)計(jì)性三、復(fù)合材料的構(gòu)成復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，稱(chēng)為基體；而另一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)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(huì)使材料的性能顯著增強(qiáng)，故常稱(chēng)為增強(qiáng)體(也稱(chēng)為增強(qiáng)材料、增強(qiáng)相等，功能復(fù)合材料中也稱(chēng)功能體)。在大多數(shù)情況下，分散相的硬度，強(qiáng)度和剛度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體與增強(qiáng)體之間存在著界面。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

a)層疊復(fù)合b)連續(xù)纖維復(fù)合c)細(xì)粒復(fù)合d)短切纖維復(fù)合四、復(fù)合材料的性能○比強(qiáng)度、比模量高○良好的抗疲勞性能

纖維復(fù)合材料，對(duì)缺口、應(yīng)力集中敏感性小，且纖維與基體界面能夠阻止疲勞裂紋擴(kuò)散，改變裂紋擴(kuò)展方向?！?/p>

優(yōu)良的高溫性能

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

減震性好

試驗(yàn)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(fù)合材料中，當(dāng)纖維斷裂時(shí)，載荷就會(huì)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。

密度

g/cm3抗拉強(qiáng)度

×103MN/m2拉伸模量

×105MN/m2比強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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復(fù)合材料和金屬的疲勞破壞性能

五、復(fù)合材料發(fā)展史（1）幾乎所有的生物材料都是復(fù)合材料－竹子、骨骼、貝殼等等古代人們用草梗和泥造墻，用稻草和泥做屋頂復(fù)合材料發(fā)展史（2）1940～1960年之間的20年是玻璃纖維增強(qiáng)塑料的時(shí)代，稱(chēng)為復(fù)合材料發(fā)展的第一代1960～1965年英國(guó)研制出碳纖維，1971年美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)出Kevlar－49，1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料及Kevlar纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料”已應(yīng)用于飛機(jī)、火箭的主承力件上，1960～1980年為復(fù)合材料的第二代，是復(fù)合材料的發(fā)展時(shí)代；1980年～1990年，是纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的時(shí)代，其中鋁基金屬?gòu)?fù)合材料應(yīng)用最為廣泛，稱(chēng)為復(fù)合材料發(fā)展的第三代；1990年以后稱(chēng)為復(fù)合材料的第四代，多發(fā)展功能復(fù)合材料，如光學(xué)、磁學(xué)、機(jī)敏和智能復(fù)合材料。復(fù)合材料在世界各國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一的名稱(chēng)和命名方法，比較共同的趨勢(shì)是根據(jù)增強(qiáng)體和基體的名稱(chēng)來(lái)命名，通常有以下三種情況：六、復(fù)合材料的命名（1）基體材料名稱(chēng)與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來(lái)表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱(chēng)放在前面，基體材料的名稱(chēng)放在后面，最后加上“復(fù)合材料”（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)以增強(qiáng)體材料的名稱(chēng)為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。（3）強(qiáng)調(diào)基體時(shí)以基體材料的名稱(chēng)為主。如樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。

國(guó)外還常用英文編號(hào)來(lái)表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強(qiáng)塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)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)合材料按基體材料分熱固性樹(shù)脂基熱塑性樹(shù)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(diǎn)金屬基金屬間化合物基七、復(fù)合材料分類(lèi)（1）按增強(qiáng)材料形態(tài)分為以下三類(lèi)1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：a.連續(xù)纖維復(fù)合材料b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料2、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：包括微米顆粒和納米顆粒；3、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)材料與基體復(fù)合而成。4、層疊復(fù)合材料復(fù)合材料分類(lèi)（2）按材料作用分兩類(lèi)①功能復(fù)合材料：使用的是材料的光、電、磁、熱、聲等非力學(xué)性能②結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：應(yīng)用的材料的力學(xué)性能。復(fù)合材料分類(lèi)（3）其他的分類(lèi)方法如宏觀復(fù)合和微觀復(fù)合

八、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

復(fù)合材料從結(jié)構(gòu)上可以分為3個(gè)結(jié)構(gòu)層次：一次結(jié)構(gòu)，是由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層復(fù)合材料，其力學(xué)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(xué)性能取決于單層材料的力學(xué)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(xué)性能取決于層合體的力學(xué)性能合結(jié)構(gòu)幾何。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)也包括三個(gè)層次：1、單層材料設(shè)計(jì)增強(qiáng)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(xué)性能2、鋪層設(shè)計(jì)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(jì)確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀尺寸三個(gè)層次互相影響、互相依賴(lài)。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(jì)方案中。復(fù)合材料設(shè)計(jì)步驟復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材時(shí)就必須同時(shí)考慮材料的機(jī)械性能、使用環(huán)境和工藝性（如樹(shù)脂體系的固化溫度、固化時(shí)間和工藝方法）等因素。復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，材料與結(jié)構(gòu)一次成形，所以在設(shè)計(jì)時(shí)既要對(duì)組成構(gòu)件各部分的層合板參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要選擇構(gòu)件的構(gòu)造形式和幾何尺寸。在初步設(shè)計(jì)階段就應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的可維護(hù)性、可修理性和維修的費(fèi)用進(jìn)行考慮與評(píng)估。九、復(fù)合材料的應(yīng)用航空航天、武器—在力學(xué)耐高溫方面滿足要求，同時(shí)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(kāi)發(fā)能源方面—重量輕、耐腐蝕性好，壽命長(zhǎng)海洋資源開(kāi)發(fā)方面—耐腐蝕好，力學(xué)性能好環(huán)境方面－耐腐蝕性好，可以變廢為寶戰(zhàn)車(chē)導(dǎo)彈陶瓷刀具1、航空航天、武器方面的應(yīng)用波音787“夢(mèng)幻客機(jī)”半成機(jī)身材料為輕型復(fù)合材料，而波音777型客機(jī)機(jī)身輕型復(fù)合材料比例僅為12％。由此，“夢(mèng)幻客機(jī)”更輕更省油。

2、信息電子、生物方面的應(yīng)用光導(dǎo)纖維，電子設(shè)備的電路板，磁帶磁盤(pán)，機(jī)殼和屏蔽修復(fù)和更換臟器、人造骨3、人類(lèi)生活方面的應(yīng)用建筑上，復(fù)合門(mén)窗交通上，汽車(chē)保險(xiǎn)杠和轎車(chē)底板體育娛樂(lè)方面，羽毛球拍、釣魚(yú)竿、自行車(chē)中的車(chē)架等鋁木復(fù)合門(mén)窗汽車(chē)保險(xiǎn)杠和底板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等，甚至全復(fù)合材料汽車(chē)材料牌號(hào)密度/(g/cm3)彈性模量/(Gpa)抗拉強(qiáng)度/(Mpa)伸長(zhǎng)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跳高撐桿4、節(jié)約能源、開(kāi)發(fā)能源方面應(yīng)用航天器、衛(wèi)星上的太陽(yáng)能帆板、太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電站的大部分構(gòu)件風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和支桿核電站濃縮鈾253的離心機(jī)轉(zhuǎn)筒5、海洋資源開(kāi)發(fā)方面的應(yīng)用6、環(huán)境方面應(yīng)用通過(guò)設(shè)計(jì)，合理利用材料，節(jié)約加工能耗，降低廢棄邊角料，延長(zhǎng)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(fù)合材料廢水治理廠的容器和管道、處理汽車(chē)尾氣的高壓氣瓶復(fù)合地板玻璃鋼管道十、復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料發(fā)展納米復(fù)合材料發(fā)展仿生復(fù)合材料復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性，可以根據(jù)需要添加必要的組分來(lái)達(dá)到需要的性能，如電、磁、光、聲、熱、阻尼、化學(xué)等等許多方面。無(wú)人飛船上到某個(gè)星球，經(jīng)有機(jī)器人感知環(huán)境（如溫度、濕度、光等）、對(duì)機(jī)敏材料作出的反應(yīng)進(jìn)行分析然后拍照，并把采集到的信息返會(huì)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(yīng)速度。納米復(fù)合材料近年來(lái)發(fā)展很快，世界發(fā)達(dá)國(guó)家新材料發(fā)展的戰(zhàn)略都把納米復(fù)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(fù)合材料、納米碳管功能復(fù)合材料、納米鎢銅復(fù)合材料。

根據(jù)毛竹外密內(nèi)疏的結(jié)構(gòu)特性，用連續(xù)電鍍的鍍Cu-Fe、Cu-Ni碳纖維分別制備CF/Cu-Fe、CF/Cu-Ni復(fù)合材料，與復(fù)合度相近的CF/Cu復(fù)合材料相比，彎曲強(qiáng)度和導(dǎo)電性都有顯著的提高。理論計(jì)算得到球端半徑和纖維長(zhǎng)度的最佳比，理論分析這種短纖維的增強(qiáng)效果比平直纖維的增強(qiáng)效果好，而且被實(shí)驗(yàn)證實(shí)根部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于堤壩、建筑業(yè)等工程領(lǐng)域應(yīng)用

參考書(shū)復(fù)合材料學(xué)周祖福武漢理工大學(xué)出版社復(fù)合材料吳人潔天津大學(xué)出版社復(fù)合材料及其應(yīng)用湯佩釗重慶大學(xué)出版