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1、第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 复合材料的定义和分类复合材料的定义和分类教学目的：掌握复合材料的定义和各种分类方法。教学重点：复合材料的定义。教学难点：复合材料的定义。教学方法及手段：课堂讲授课外作业：本章节相关习题学时分配：2+2教学内容：人类发展的历史和材料发展的历史息息相关。研究人类历史可以清楚地看到，人类历史上各方面的进步与新材料的创造、出现和应用是分不开的。材料一般可分为无机材料材料一般可分为无机材料(包括水泥、砖瓦、陶瓷、玻璃等包括水泥、砖瓦、陶瓷、玻璃等)、金属材料、高分子材料金属材料、高分子材料(包括塑料、橡胶、纤维等包括塑料、橡胶、纤维等)及复合材料及复合材料 4大类。大
2、类。从泛义来讲，复合材料的范围极广，其发展和应用可追溯到人们使用草杆粘土、纸筋石灰材料的时代。生物材料例如竹，木、草、骨头、牙齿、肌肉、毛皮和贝壳等，都是天然复合材料，它们都具有很复杂的微观构造和复合材料的全部特点，它们的构造和复合机理可以给人们很多深刻的启示，有助于理解和研制性能优异的复合材料。由于单一材料的局限性，往往需要具有各种特性的材料进行复合，因此复合材料的发展将是不可限量的。但复合材料学作为一门学科、复合材料作为一种新兴材料工业，直到本世纪 40 年代初才出现。现代科学技术的发展已进入一个各种材料综合使用的新阶段。人们预测 2l 世纪将是复合材料大发展的时代。材料科学家认为：就世界
3、范围而论，从 1940 年开始到年开始到1960 年年的这 20 年是玻璃纤维增强塑料的时代，可称为复合材料发展的第一代。而 60 年代开始年代开始到现在是玻璃纤维增强塑料(我国简称为玻璃钢)的成熟和完善时期。在这一时期中，同时出现了硼纤维增强塑料和碳纤维增强塑料。到了 70 年代年代是 Kevlar纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料和氧化铝金属纤维增强塑料以及各自的金属基、陶瓷基、碳基等复合材料等先进复合材料相继出现的时代。 ”60 年到年到 1980 年的年的 20 年年间是先进复合材料的开发时期，称为复合材料发展的第二代。而从 1980 年开始年开始直到直到 2000 年这年这 20 年年
4、将是先进复合材料得到充分发展的时期，在这一时期中，复合材料不仅在宇航及飞机材料中应用，而且在所有的工业领域中部将得到应用，这一时期可以认为是先进复合材料发展的成熟时期。在这一时期中，不仅纤维增强塑料纤维增强塑料(FRP)，就连纤维增强金属纤维增强金属(FRM)也将作为各种结构材料而被实用化了。这一时期称为复合材料发展的第三代。复合材料可以在很大程度上改善和提高单一常规材料的力学性能、物理性能和化学性能，并且可以解决在工程结构上采用常规材料无法解决的关键性问题。因此，不仅飞机、火箭、导弹、舰艇、坦克和人造卫星这些军工产品离不开它，而且运输工具、建筑材料、机器零件、化工容器和管道、电子材料、原子能
5、工程结构材料、医疗器械、休育用品和食品包装等产品也离不开它。由此可见，复合材料在国民经济中的作用十分重要，要使工业和国防现代化，没有新型复合材料的开发和应用是不可能的。11 复合材料定义及其分类复合材料是由两种或两种以上的单一材料，用物理的或化学复合材料是由两种或两种以上的单一材料，用物理的或化学的方法经人工复合而成的一种固体材料。的方法经人工复合而成的一种固体材料。因此在微观构造上它是一种不均匀材料，具有明显的界面。各种组分材料在界面上存在着力的相互作用。复合材料可保留组分材料的主要优点，克服或减少组分材料的许多缺点，还可产生组分材料所没有的一些优异性能和弱点，其微观构造和复合机理是非常复杂
6、的。通常是使高强度、高模量、脆性的增强材料和低强度、低模量、韧性的基体材料经过一定的成型加工方法制成复合材料。复合材料是与常规材料如金属、塑料等等完全不同的一类材复合材料是与常规材料如金属、塑料等等完全不同的一类材料，它本质上是结构物。料，它本质上是结构物。用常规材料进行设计和加工制造常规材料结构物，而复合材料结构物是与复合材料一起设计、一起成型制造出来的。这种材料与结构物是一体，一起设计、一起制造的特点，为复合材料结构物的设计提供了很大的设计自由度，带来很大的优越性，可以得到各种单一材料所不能具有的特殊性能。现代材料科学所讨论及研究的复合材料一般是指纤维增强、颗粒物增强或自增强的高分子聚合物
7、基、陶瓷基(即无机非金属基)或金属基的复合材料。现代复合材料学科包括增强材料、基现代复合材料学科包括增强材料、基体材料、界面粘结、结构设计、成型工艺、性能及其测定等方体材料、界面粘结、结构设计、成型工艺、性能及其测定等方面，并逐步形成了一门与化学、物理、力学及各种应用学科有面，并逐步形成了一门与化学、物理、力学及各种应用学科有关的跨学科性的、有着广泛的内在联系并互相渗透和互相推动关的跨学科性的、有着广泛的内在联系并互相渗透和互相推动的材料科学。的材料科学。复合材料的命名习惯上把增强材料的名称放在前面，基体的名称放在后面。例如以玻璃纤维和聚丙烯塑料构成的复合材料称为“玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料
8、” ，简称为“玻璃纤维聚丙烯复合材料”或“玻璃纤维聚丙烯复合材料” 。又如以碳纤维和环氧树脂构成的复合材料称为“碳纤维增强环氧树脂基复合材料” ，简称为“碳纤维环氧树脂复合材料”或“碳纤维环氧复合材料” 。我国称为“玻璃钢”的复合材料，一般是指玻璃纤维和不饱和聚酯树脂构成的复合材料。复合材料的组分材料，绝大多数是由人工制成的或可由人工合成的，因此不会产生资源枯竭的问题。复合材料及其结构产品与金属材料及其结构产品相比，可大大降低能源消耗，减少材料消耗和装配工作量，大幅度地减少腐蚀和磨损，缩短生产周期，提高部件和产品的性能，延长使用寿命。复合材料是大有发展前途的新型材料，90 年代和下一世纪将是复
9、合材料的时代。复合材料可按用途、基体材料、增强材料进行分类。111 按用途分类1111 结构复合材料利用复合材料各种良好的力学性能，例如比强度高、比刚度利用复合材料各种良好的力学性能，例如比强度高、比刚度大和抗疲劳性能好等优点，用于建造或构造结构的材料，称为大和抗疲劳性能好等优点，用于建造或构造结构的材料，称为结构复合材料。结构复合材料。并非所有利用复合材料力学性能的材料都是结构复合材料，而结构复合材料有时也具有一些良好的非力学方面的功能。结构复合材料由基体和增强材料组成，增强材料分散在基体之中，用以增强基体；基体材料将增强材料粘结成一个整体，成为复合材料并产生优异的性能。本书侧重讨论结构复合
10、材料。1112 功能复合材料利用复合材料的物理、化学和生物学的功能作为主要用途的，利用复合材料的物理、化学和生物学的功能作为主要用途的，称为功能复合材料。称为功能复合材料。例如，利用复合材料的电学性能、磁学性能、光学性能、热学性能、放射线特性、化学性能、生物学性能和力学性能作为其主要功能的，称为功能复合材料。有些复合材料同时兼有许多功能，也可设计和制造成具有多种功能的复合材料。112 按基体材料分类复合材料又可按基体材料的不同而分为聚合物基体复合材复合材料又可按基体材料的不同而分为聚合物基体复合材料、金属基体复合材料和陶瓷基体复合材料。料、金属基体复合材料和陶瓷基体复合材料。聚合物基体复合材料
11、的应用最广，生产工艺比较成熟，一般说宋，价格比较便宜，使用温度较低。金属基复合材料可用于高温，但制造工艺中所涉及的许多问题非常复杂，影响产品的质量和性能，价格昂贵。金属基复合材料具有许多非常突出的优点，是高技术中不可缺少的一种新型材料。陶瓷基复合材料本身坚硬、模量较高且可耐高温，但性跪、断裂应变很小，抗拉和抗冲击性能很差；在陶瓷材料中加入延伸率较大的增强纤维，则可明显改善韧性和耐冲击性能。113 按增强材料分类1131 粒子增强复合材料在粒子增强复合材料中，基体起比较主要的作用。比基体坚硬的增强微粒，均匀地分散在基体之中，用以增强基体抗错位的能力，因而提高了材料的强度和刚度，但同时增大了脆性。
12、按增强颗粒的大小来分，又有弥散强化(粒径为 0.010.1m，粒子体积分数为 1一 15%)和粒子强化(粒径大于 1m，粒子体积分数大于 25)两种。粒子增强复合材料在宏观上可认为是均匀各向同性材料，但在微观构造上是不均匀的和很复杂的，也存在着界面、缺陷和微裂纹，它不同于均匀、连续和各向同性的金属材料和工程材料。1132 薄片增强复合材料在这种复合材料中用以增强基体的薄片，在面内任意两个方向都起增强作用，它在 x 和 y 方向是同性的。由于这种复合材料的力学性能往往不如纤维增强复合材料，因此很少用作结构材料。用云母薄片增强的复合材料是一种功能材料，用金属薄片(金属箔)增强的复合材料也是功能材料
13、。1133 纤维增强复合材料这种复合材料由增强纤维和基体组成。这种复合材料由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小，一般在 l0m 以下，缺陷较少又较小，断裂应变约为千分之三十以内，是脆性材料，容易损伤。断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度和模量要低得多，但可经受较大的应变(百分之几或更大些)，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料这主要是指聚合物基体和金属基体而不是指陶瓷基体。在纤维增强复合材料中，纤维比较均匀地分散在基体之中，在纤维方向增强基体，起最主要的承载作用。基体的作用把纤维粘结成一个整体，保持纤维间的相对位置，使纤维能协同作用，保护纤维免受化学腐蚀和机械损伤；并减少环境的不利
14、影响，传递和承受剪应力，在垂直于纤维的方向承受拉、压应力等。纤维增强基体的效果，在某个合理的纤维体积分数 Vf (在复合材料中纤维所占的体积百分比)范围内，与 Vf成正比。Vf太小了起不到增强效果，纤维在基体应变稍大时就已大量断裂，在基体中造成很多缺陷，反而使强度下降，是不可取的；Vf太大在工艺上不易操作(例如短纤维增强复合材料)，纤维和基体间由于粘结变差，缺陷增多，界面强度下降。韧性基体在复合材料中的体积分数减小了，脆性纤维的体积分数增大了，使复合材料的韧性减小，抗冲击和断裂的性能下降，达不到良好的增强效果，也是不可取的。纤维增强复合材料，由纤维的长短可分为短纤维增强复合材料和长纤维(连续纤
15、维)增强复合材料，它们具有不同的特点和用途。短纤维增强复合材料短纤维增强复合材料 短纤维增强复合材料可分为单向短纤维复合材料和杂乱短纤维增强复合材料。单向短纤维增强复合材料，在纤维方向的强度和刚度最大，纤维是起决定性作用的因素；在垂直于纤维方向的强度和刚度，以及剪切强度和刚度方面，基体是起主要作用的因素。杂乱短纤维增强复合材料，又分为短纤维在平面内随机分布和空间随机分布两种。纤维在材料中杂乱分布，它是准各向同性的。挤压注射成型的短纤维增强复合材料零部件，具有一定程度(可能是不规则的)各向同性。单向短纤维增强复合材料在纤维方向的力学性能比杂乱短纤维增强复合材料好得多，但在承受剪切和横向拉、压性能
16、方面，就差得多了。在杂乱短纤维增强复合材料中，制造工艺比较简单，适合大规模生产，因而能大大提高生产率和大幅度降低成本。杂乱短纤维增强塑料比之工程塑料，各种力学性能都有改善，因而很有发展前途。短纤维复合材料，除了制造片状模塑料(SMC)作为板材用外，还可用注射成型、模压成型和离心浇铸等工艺高效率的生产零部件。由于劳动生产率很高，价格又比较便宜，因而近年来应用很广。连续纤维增强复合材料连续纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料在纤维方向具有很高的强度和模量，但在剪切强度和模量方面，在垂直于纤维方向的拉、压强度和模量方面，就远不如三维杂乱短纤维增强复合材料，常发生横向开裂和脱层问题。连续纤维复合材料又分为单向复合材料、叠层复合材料和编织复合材料等。各种复合材料都有其特点和最适用的范围。纤维增强复合材料由于纤维和基体的不同，品种很多，例如碳纤维增强环氧、硼纤维增强环氧、Kevlar 纤维增强环氧、Kevlar 纤维增强橡胶、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强铝、石墨纤维增强铝、碳纤维增强
