第一章 復(fù)合材料概論

復(fù)合材料概論平時(shí)成績占40％理論部分考試占60％平時(shí)成績：考勤（40%）+作業(yè)（60%）考核目錄CATALOG延遲符總論基體增強(qiáng)材料界面聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料123456陶瓷基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料78C/C復(fù)合材料9混雜纖維復(fù)合材料10

【世界殘留風(fēng)光】

由粘土和稻草蓋成的非洲喀麥隆民居復(fù)合材料無所不在！

燕子窩：泥土-草復(fù)合材料---------(水泥+鋼筋)史上最牛的釘子戶白宮我們住在復(fù)合材料里樹木也是一種復(fù)合材料木質(zhì)素纖維素全復(fù)合材料渦槳公務(wù)機(jī)第一章總論目錄復(fù)合材料的發(fā)展概況（了解）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（了解）0104復(fù)合材料的命名和分類（掌握）02復(fù)合材料的基本性能（熟悉）031.1復(fù)合材料的發(fā)展概況技術(shù)革命010203信息生命材料各種材料在各個(gè)歷史時(shí)期相對(duì)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(dòng)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)械陶瓷舊石器時(shí)代—新石器時(shí)代—銅器時(shí)代—青銅器時(shí)代—鐵器時(shí)代—新材料時(shí)代材料010203金屬材料無機(jī)非金屬材料高分子材料科學(xué)的發(fā)展需要（1）傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足實(shí)際需要，復(fù)合材料可以結(jié)合不同單一類型材料的性能優(yōu)點(diǎn)從而達(dá)到新的使用性能。（2）對(duì)復(fù)合材料的需求越來越大，相應(yīng)的研究也越來越多。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalOrganizationforStandardization,ISO)：復(fù)合材料是由兩種或兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料。(通用)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，稱為基體；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)，故常稱為增強(qiáng)材料

(也稱為增強(qiáng)體、增強(qiáng)相等)，之間存在相界面。1.1.1復(fù)合材料的概念（Compositematerial）若復(fù)合產(chǎn)物為液體或氣體，能否稱為復(fù)合材料？增強(qiáng)材料可以是纖維或編織物，也可以是顆?；驈浬⒌奶盍?。基體一種連續(xù)相，它把改善性能的增強(qiáng)體材料固結(jié)成一體，并賦予復(fù)合材料一定的形狀，傳遞外界應(yīng)力，保護(hù)增強(qiáng)體免受外界環(huán)境侵蝕的作用。增強(qiáng)材料一種分散相，起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用，改善復(fù)合材料的性能。

泥磚泥秸稈鋼筋混凝土沙子、石子、水泥鋼筋復(fù)合材料及其增強(qiáng)材料的各種形態(tài)纖維狀顆粒狀層狀片狀填充狀復(fù)合材料可以保持原材料的某些特點(diǎn)又能發(fā)揮組合后的新特征，可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而最合理地達(dá)到使用所要求的性能。（1+1?2）1.1.2復(fù)合材料的意義由于復(fù)合材料各組分間的“取長補(bǔ)短、協(xié)同作用”，極大地彌補(bǔ)了單一材料的缺點(diǎn)，產(chǎn)生單一材料所不具備的新性能，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，也是材料設(shè)計(jì)方面的一個(gè)突破。它綜合了各種材料如纖維、樹脂、橡膠、金屬、陶瓷等的優(yōu)點(diǎn)，按照設(shè)計(jì)、復(fù)合成為綜合性能優(yōu)異的新型材料?？梢灶A(yù)言，如果用材料的作為歷史分期的依據(jù)，那么21世紀(jì)，將是復(fù)合材料的時(shí)代。1.1.3復(fù)合材料的發(fā)展歷史古代復(fù)合材料自古有之近代復(fù)合材料常用復(fù)合材料（性能單一，生產(chǎn)量大，使用范圍廣）現(xiàn)代復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料（1）古代復(fù)合材料漆器－豬形盒（戰(zhàn)國時(shí)期）

7000年前的西安半坡村遺址中曾發(fā)現(xiàn)草拌泥制成的墻壁和磚坯，其性能優(yōu)于草和泥；4000年以前的漆器是典型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它是用絲、麻及其織物為增強(qiáng)相，以生漆做粘結(jié)劑一層一層鋪敷在底胎（模具）上，待漆干后挖去底胎成型。西安半坡遺址博物館（2）近代復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)橡膠：輪胎是以簾子線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料；

玻璃鋼：1942年，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP,俗稱玻璃鋼）。美國：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼，燃料容器及軍用飛機(jī)雷達(dá)罩，其后萊特空軍發(fā)展中心設(shè)計(jì)制造了玻璃鋼為機(jī)身和機(jī)翼的飛機(jī)。隨后迅速擴(kuò)展到民用材料。玻璃鋼用于上海東方明珠電視塔內(nèi)的裝潢目前最大的復(fù)合材料獵掃雷艦為美國的復(fù)仇者（avenger）級(jí)獵掃雷艦，全船船體為木層-玻璃鋼混合結(jié)構(gòu)。其骨架為夾層木板所制，其船體外板為4層厚木板，外層包玻璃鋼。（3）現(xiàn)代復(fù)合材料1970~1980年，先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展時(shí)代。1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及凱芙拉纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”已用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。

70年代：凱夫拉纖維增強(qiáng)塑料（KFRP）碳化硅纖維增強(qiáng)塑料（SFRP）氧化鋁纖維增強(qiáng)塑料（AFRP）

碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）碳化硅纖維增強(qiáng)金屬（SFRM）氧化鋁纖維增強(qiáng)金屬（AFRM）1980~1990年，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料得到廣泛研究和發(fā)展，用于航天飛行器。發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片（SiC/Ti）氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料261990~至今，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如機(jī)敏復(fù)合材料、梯度功能材料。變形機(jī)翼“滑動(dòng)蒙皮”可以改變機(jī)翼形狀，從高速飛行攻擊布局（左）到低速遠(yuǎn)程巡航布局（右）

縱觀復(fù)合材料的發(fā)展過程，可以看到：早期發(fā)展出現(xiàn)的復(fù)合材料，由于性能相對(duì)比較低，生產(chǎn)量大，使用面廣，可稱之為常用復(fù)合材料。后來隨著高技術(shù)發(fā)展的需要，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出性能高的先進(jìn)復(fù)合材料。1.2復(fù)合材料的命名和分類

復(fù)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(qiáng)體和基體的名稱來命名，通常有以下三種情況：1.2.1復(fù)合材料的命名（1）強(qiáng)調(diào)基體時(shí)以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)以增強(qiáng)體材料的名稱為主。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）同時(shí)強(qiáng)調(diào)兩者時(shí)，基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。

例如：“玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”，或簡稱為“玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或玻璃纖維/環(huán)氧”。而我國則常把這類復(fù)合材料通稱為“玻璃鋼”。那么“碳／金屬復(fù)合材料”的命名中，誰是基體、誰是增強(qiáng)體材料!!,“碳／碳復(fù)合材料”,又如何？前者為為碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫“金屬基復(fù)合材料”，后者為碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳／碳復(fù)合材料”。國外還常用英文字母來表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復(fù)合材料；FRP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強(qiáng)塑料；玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)。復(fù)合材料的分類方法也很多，常見的分類方法有以下幾種：1）按增強(qiáng)材料形態(tài)分為以下三類（1）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：

a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處；

b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；1.2.2復(fù)合材料的分類（2）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中；（3）板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維纖維編織物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。其他增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體顆粒增強(qiáng)型短切纖維增強(qiáng)型板狀、編織增強(qiáng)型連續(xù)纖維增強(qiáng)型2）按增強(qiáng)纖維種類分類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為以下五種：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（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；④金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料；⑤陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復(fù)合材料。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3）按基體類型分類以有機(jī)聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體制成的復(fù)合材料。以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體制成的復(fù)合材料。無機(jī)非金屬基復(fù)合材料4）

按材料作用分兩類①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；②功能復(fù)合材料；③智能復(fù)合材料①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要用于制造受力構(gòu)件；以承受載荷為主要目的。主要使用力學(xué)性能，以滿足高強(qiáng)度、高模量、耐沖擊、耐磨損的要求。②功能復(fù)合材料

主要使用功能特性，具備各種特殊物理與化學(xué)性能的材料。利用其在電、磁、聲、光、熱、阻尼、燒蝕、摩擦、屏蔽等方面的特殊性能。如壓電功能復(fù)合材料、阻尼功能復(fù)合材料、磁性復(fù)合材料等。

③智能復(fù)合材料

機(jī)敏材料+自決策材料+執(zhí)行材料。當(dāng)材料發(fā)生故障或即將失效時(shí)，電阻或電導(dǎo)發(fā)生突變，機(jī)敏材料發(fā)出預(yù)警，自決策材料根據(jù)情況作出最優(yōu)控制，發(fā)出指令傳達(dá)給執(zhí)行材料使之發(fā)生動(dòng)作，從而保證材料處于最佳狀態(tài)。

除了上面的各種各樣的復(fù)合材料以外，還有同質(zhì)復(fù)合材料和異質(zhì)復(fù)合材料。

同質(zhì)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料）

異質(zhì)復(fù)合材料（前面提及的復(fù)合材料多屬此類）?？删C合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能，具有原材料所沒有的性能。玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料：鋼材的強(qiáng)度，塑料的絕緣性和耐腐蝕性。復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性?？梢愿鶕?jù)使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，避免多次加工工序?？杀苊饨饘佼a(chǎn)品的鑄模、切削、拋光等工序。1.3復(fù)合材料的基本性能1.3.1復(fù)合材料是由多相材料復(fù)合而成，共性復(fù)合材料最顯著的特性是其性能（主要指力學(xué)性能、物理性能和工藝性能）在一定范圍內(nèi)具有可設(shè)計(jì)性。選擇基體、增強(qiáng)體的類型及其含量；增強(qiáng)體在基體中的排列方式；基體與增強(qiáng)體之間的界面性能。來獲得常規(guī)材料難以提供的某一性能或綜合性能。

比強(qiáng)度=強(qiáng)度/密度MPa/（g/cm3）比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）1.比強(qiáng)度、比模量（剛度）高（最突出的特點(diǎn)）典型金屬基體復(fù)合材料與基體材料合金性能的比較1.3.2復(fù)合材料的特性比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個(gè)指標(biāo)表1.1傳統(tǒng)金屬材料與復(fù)合材料性能比較材料密度g/cm3抗拉強(qiáng)度

MPa拉伸模量

GPa比強(qiáng)度*1e6/cm比模量*1e8/cm膨脹系數(shù)*1e-6/KC/環(huán)氧1.6180012811.380.2芳綸/環(huán)氧1.415008010.75.71.8B/環(huán)氧2.116002207.610.54.0碳化硅/環(huán)氧2.015001307.56.52.6石墨纖維/鋁2.28002313.610.52.0鋼7.814002101.42.712鋁合金2.8500771.72.823鈦合金4.510001102.22.49.0目前：

聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為250

C；

金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能，其使用溫度在400~600

C范圍內(nèi)變動(dòng)；

陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可達(dá)1500

C；

碳/碳復(fù)合材料的使用溫度最高可達(dá)2800

C。2.良好的高溫性能陶瓷基復(fù)合材料的脆性得到明顯改善復(fù)合材料破壞特點(diǎn)：

當(dāng)少數(shù)纖維斷裂時(shí)，其失去的部分載荷會(huì)通過基體而迅速分散到其它完好的纖維上去，復(fù)合材料在短期不會(huì)喪失承載能力。3.良好的抗疲勞、抗蠕變、抗沖擊和斷裂韌性48裂紋擴(kuò)展示意圖加入增強(qiáng)體到基體材料中不僅可以提高材料的強(qiáng)度和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變復(fù)合材料中增強(qiáng)體的含量，可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。

聚合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。包括光、電、磁、熱、燒蝕、摩擦及潤滑等性能。

494.良好的尺寸穩(wěn)定性5.良好的化學(xué)穩(wěn)定性6.良好的功能性能性能：取決于基體相、增強(qiáng)相種類及數(shù)量，其次是它們的結(jié)合界面、成型工藝等。1.3.5復(fù)合材料的性能比較1）主要取決于增強(qiáng)相的性能⑴比強(qiáng)度，比模量高⑵沖擊韌性和斷裂韌性高⑶耐疲勞性好⑷減震性⑸熱膨脹系數(shù)?、庞捕忍沾苫?gt;金屬基>樹脂基⑵耐熱性樹脂基:60～250℃

金屬基:400～

600℃

陶瓷基:1000～

1500℃⑶耐自然老化陶瓷基>金屬基>樹脂基2）取決于基體相的性能⑷導(dǎo)熱導(dǎo)電性金屬基>陶瓷基>樹脂基⑸耐蝕性陶瓷基和樹脂基>金屬基⑹工藝性及生產(chǎn)成本陶瓷基>金屬基>樹脂基1.4復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一次結(jié)構(gòu)：基體和增強(qiáng)材料組成的單層結(jié)構(gòu)；其力學(xué)性能取決于原材料力學(xué)性能、形態(tài)、分布、含量及界面性能。

二次結(jié)構(gòu)：由單層結(jié)構(gòu)層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層體材料的力學(xué)性能和鋪層幾何（厚度、鋪設(shè)方向以及鋪層序列）

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)性能和結(jié)構(gòu)幾何。

對(duì)于纖維增強(qiáng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，從固體力學(xué)角度，其結(jié)構(gòu)分為三個(gè)結(jié)構(gòu)層次：1.4.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)將單層材料作為結(jié)構(gòu)來分析，必須研究材料的多相性其各相材料的相互關(guān)系。這種研究方法叫微觀力學(xué)方法，以預(yù)示材料的宏觀力學(xué)性能。它解釋機(jī)理，發(fā)掘材料本質(zhì)。