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1、复 合 材 料绪论一、学习本课程的目的和意义通过本课程的教学，使学生获得复合材料开发和应用的基本知识，拓宽学生的知识面。二、本课程的性质、任务和教学内容1、本课程的性质：专业选修课。2、本课程的任务使学生了解复合材料的原材料、种类、性能特点、应用领域，基本掌握其基本原理、生产工艺。3、教学内容复合材料15章，补充一点水泥其复合材料三、课程的有关情况1、学时：32学时（第117周，12周金工实习）2、教学参考书（TB类）：（1）冯小明，张崇才复合材料重庆：重庆大）冯小明，张崇才复合材料重庆：重庆大学出版社，学出版社，2007（2）王荣国，武卫莉，谷万里复合材料概论）王荣国，武卫莉，谷万里复合材料
2、概论哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001（3）陈华辉，邓海金，李明，林小松编著现代）陈华辉，邓海金，李明，林小松编著现代复合材料北京：中国物资出版社，复合材料北京：中国物资出版社，1998（4）吴人杰复合材料天津：天津大学出版社，）吴人杰复合材料天津：天津大学出版社，2000（5）王汝敏，郑水蓉，郑亚萍聚合物基复合材）王汝敏，郑水蓉，郑亚萍聚合物基复合材料及工艺北京：科学出版社，料及工艺北京：科学出版社，20041复合材料基础1.1 复合材料发展概况1.1.1复合材料发展历史第一代，19401960，玻璃纤维增强塑料第二代，19601980，发明了碳纤维和芳纶，
3、发展高性能树脂基（环氧树脂和聚酰亚胺树脂）复合材料。第三代，19801990，纤维增强金属基复合材料，陶瓷基复合材料。第四代，1990年以后，多功能复合材料如智能材料、梯度功能材料、新型复合材料等。1.1.2复合材料的性能特点聚合物基复合材料：（1）比强度、比模量大。比强度相当于钛合金的35倍，比模量相当于金属的4倍。（2）耐疲劳性好。疲劳极限强度是抗张强度的7080%，金属仅为2050%。（3）减震性好。比模量高，具有高的自振频率，很高的吸振能力。轻合金梁9s停止振动，复合材料。（4）过载时安全性好。（5）具有多种功能。耐烧蚀性，减摩性能，电绝缘性能，耐腐蚀性，特殊的光学、电学、磁学性质。（
4、6）良好的加工性能。缺点：耐高温、耐老化、强度一致性较差。金属基复合材料比强度、比模量大，热膨胀系数小，尺寸稳定性好，良好的抗疲劳性和断裂韧性等。陶瓷基复合材料提高抗弯强度、断裂韧性。1.1.3 主要用途1航空航天：飞机的垂直尾翼、水平安定面、方向舵、副翼、机身、机翼蒙皮等，火箭发动机壳体等。2交通运输：鱼雷快艇、扫雷艇、救生艇、游船等，汽车的车身、仪表盘、车门、座椅等，火车的车箱、车门窗、座椅等。3房屋建筑：卫生洁具、冷却塔、波形瓦、通风管道等。4电子工业：绝缘线路板、绝缘器材等。5机械工业：各种机械部件等。风力发动机叶片。6化工设备：管道、泵、风机、容器、反应釜等。7体育器材：撑杆、弓箭、
5、赛车、赛艇、滑板、球拍、钓鱼杆等。 飞机在波音777飞机上复合材料只占重量的9%，而在波音787上复合材料占到重量的50%，所采用的碳纤维增强塑料达到35吨。在波音787上大面积使用碳/环氧树脂复合材料，减轻了飞机重量并使创新理念得以实现。机身、机翼等主承力构件都采用复合材料。与其他同类飞机相比：（1）更轻。飞机重量大大减轻，运行成本也大幅下降；（2）更节能。节省20%的燃料，同时释放更少的温室气体；（3）噪音更低。起飞和降落时的噪音要比其他飞机低60%；（4）更耐用。使用期更长，检修率要低30%。A380约25%由复合材料制造，其中22%由各种不同的增强型塑料复合材料制成，大部分是碳纤维增强
6、环氧树脂(CFRP)。庞巴迪宇航公司全新的全复合材料结构里尔85型喷气机(8座）波音787飞机空客380飞机及使用的新复合材料武锋概念车车身采用碳纤维复合材料，车架为碳纤维硬壳式用SMC工艺制造的复合材料后行李厢盖被用在雷诺车上风力发电至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。按照规划，2015年中国风电规模将达到1亿千瓦，2020年将达2亿千瓦，相当于11个三峡电站。整个风电制造业可以分为：叶片、齿轮箱、发电机、塔架、控制系统等主要零部件的生产体系。风电机组成本结构中，叶片20%，齿轮箱15%，电机12%，轴承8%，塔架13
7、%，机舱罩9%，控制系统8%，其他15%。叶片长几十米，6MW海上风力发电机组叶片长。1.2 复合材料的定义、命名和分类1.2.1定义复合材料：是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料。三个特点：三个特点：1 1组分之间存在明显的界面。组分之间存在明显的界面。2 2各各组组元元保保持持各各自自固固有有的的特特性性，并并产产生生原原组组分所不具备的特性。分所不具备的特性。3 3具有可设计性。具有可设计性。 连续相基体分散相增强材料复合材料界面1.2.2命名（1）强调基体，以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料。（2）强调增强材料，以增强材料的名称为主。如玻璃纤维
8、增强复合材料、碳纤维增强复合材料。（3）基体材料名称与增强材料名称并用，增强材料在前、基体材料在后，中间用“/”分开。如玻璃纤维/环氧树脂复合材料、碳/碳复合材料、碳/铝复合材料等。1.2.3复合材料的分类（1）按基体材料分：聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，石墨基复合材料（碳-碳复合），混凝土基复合材料。（2）按增强纤维种类分：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料。（3）按增强材料形状分：连续纤维复合材料、短纤维复合材料、粒状填料复合材料、编织复合材料等。（4）按用途分类：结构复合材料、功能复合材料，智能复合材料。1.3.1复
9、合材料基体1.3.1.1聚合物基体1.热固性树脂由某些低分子的合成树脂，在加热、固化剂或紫外光等作用下，发生交联反应，并经过凝胶化阶段和固化阶段形成不溶、不熔的固体。受热后不再软化，高温分解破坏。一般是网状体型结构。（1）不饱和聚酯树脂（UP）主链上同时具有重复酯键及不饱和双键（-C=C-）的聚合物。按化学结构分为顺酐型、丙稀酸型、丙稀酸环氧酯型和丙烯酸型聚酯树脂等。由二元醇与不饱和二元酸或酸酐、饱和二元酸或酸酐经缩聚反应合成的低聚物，溶于苯乙烯等单体中得到低粘度树脂，在引发剂作用下，聚酯中的双键与固化剂苯乙烯共聚形成三维网络结构。工艺性能好，力学性能较好，价格低，用量大，约占60%，可适合各
10、种工艺。但体积收缩率较大，成型时气味和毒性大，耐热性、强度和模量较低，易变形。1.3 复合材料的组成(2)环氧树脂（EP）分子中含有两个或两个以上活性环氧基团的低聚物统称为环氧树脂按分子结构分为缩水甘油醚、缩水甘油酯、缩水甘油胺、线性脂肪族和环型脂肪族五类。适合作复合材料的是双酚A、多官能团、酚醛环氧树脂。工艺性能好，力学性能优异，良好的电学性能，耐热性较好（120180），优良的化学稳定性，突出的尺寸稳定性和耐久性，但较脆，需增韧，价格较贵。使用范围最广，用于主承力结构和耐腐蚀结构。(3)酚醛树脂（PF）酚醛树脂：由酚类和醛类的缩聚产物。通常由苯酚和甲醛在催化剂条件下缩聚、经中和、水洗而制成
11、。(4)其它热固性树脂热固性聚酰亚胺树脂：（PI），主链上带有大量芳杂环结构，端头带有不饱和链而发生加成反应，形成交联性聚合物。由联苯四甲酸二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度达到600。乙烯基酯树脂：乙烯基酯树脂是由环氧树脂与丙烯酸及其衍生物通过开环加成化学反应而制得。2.热塑性树脂热塑性树脂：指具有线性或支链型结构的一类有机高分子化合物，可以反复受热软化（或熔化）冷却后变硬。特点：工艺简单，生产周期短，成本低，相对密度小，但其力学性能、使用温度、抗老化性能方面不如热固性树脂。（1）聚丙烯。无毒、无味，具有强度高、硬度大、耐磨、耐弯曲疲劳、耐热温度高、耐湿和耐化学性优良、容易加工成型、价
12、格低廉等优点。同时具有低温韧性差、不耐老化等缺点。（2）聚酰胺。主链上含有酰胺基团的高分子聚合物，俗称尼龙（Nylon）。具有优良的力学性能，强韧性好，蠕变变形小，耐汽油、耐高温、耐寒，良好的电绝缘性、阻燃性、自熄性；减摩耐磨、耐腐蚀。但易吸潮，使机械、电气性能下降。（3）聚醚醚酮。半结晶性，熔点334，热分解温度650，长期使用温度250；模量与环氧树脂相当，强度高于环氧，断裂韧性比环氧高一个数量级，已经用于飞机结构。1.3.1.2金属基体1.用于450以下的轻金属基体：铝基、镁基合金（1）铝：熔点660，密度3。合金，强度达600MPa。铝合金用于航天航空、电力、建材等。（2）镁：密度3，
13、熔点648.8C，弹性模量低（）、强度低。合金的比强度（拉伸强度达300MPa）、比刚度较高。镁合金是航空工业常用的结构材料，并用于光学仪器、电子、机械、汽车等行业。2.用于450700的金属基体(钛合金)钛的密度3，熔点1678，热膨胀系数小（7.3510-6-1），导电导热差（仅为铜的1/17和1/25），优异的耐蚀性，强度高，韧性和塑性好。掺少量Al、Cr、V的钛合金经热处理，抗拉强度可达，高温强度也大提高。3.用于1000以上高温的金属基体：镍基、铁基合金和金属间化合物镍基合金：镍的熔点是1453，镍大量用于制造合金。其中镍基高温合金，镍含量高于50%的高温合金（铁含量很少5%），用量
14、占现代航空发动机总重的40%，最高使用温度达1000。纯铁的熔点1534。铁镍基高温合金，镍含量2550%，铁含量3050%的高温合金。用于航空发动机部件，最高使用温度达900。部分铝合金制品部分镁、钛合金制品1.3.1.3陶瓷基复合材料的基体1. 玻璃玻璃：无机物经熔融、冷却、硬化得到的非晶态固体。性能特点：透明、耐腐蚀、耐热、绝缘、美观。品种：硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃等。化学组成：硅 酸 盐 玻 璃 主 要 SiO2、 Na2O、 CaO、 Al2O3、MgO、K2O、PbO等硼硅酸盐玻璃主要SiO2、B2O3、Na2O、Al2O3等。表1-1常用玻璃和玻璃陶瓷基体的基本特性
15、基本类型主要成分辅助成分主要晶相Tmax/弹性模量/GPa玻璃7740B2O3，SiO2Na2O600651723Al2O3，MgO，CaO，SiO2B2O3，BaO700907933SiO2B2O3115065玻璃陶瓷LAS-Li2O，Al2O3，MgO，SiO2ZnO，ZrO2，BaO-锂辉石100090LAS- Li2O，MgO，Al2O3，SiO2，Nb2O5ZnO，ZrO2，BaO-锂辉石110090LAS- Li2O，MgO，Al2O3，SiO2，Nb2O5ZrO2-锂辉石120090MASAl2O3，MgO，SiO2BaO堇青石1200BMASBaO，Al2O3，MgO，SiO2
16、1250105CASCaO，Al2O3，SiO2钙长石125090MLASMgO，Li2O，Al2O3，SiO2-堇青石12502微晶玻璃定义：特定组成的玻璃经过控制晶化得到的多晶多相固体材料。性能特点：采用玻璃生产工艺，具有陶瓷制品的结构、性能特征，很多性能得到改进。品种：锂铝硅微晶玻璃（LAS），热膨胀系数几乎为零，抗热震性好；镁铝硅微晶玻璃（MAS），硬度高，耐磨性好，介电及绝缘性好。3. 氧化物陶瓷Al2O3陶瓷，常用，硬度高、耐高温、耐侵蚀、绝缘好，但脆性大、抗热震性差。莫来石（3Al2O32SiO2）陶瓷，热导率、热膨胀系数和热容低，抗热震性好，强度较高。ZrO2陶瓷，耐高温（2000以上），导热系数小。部分稳定氧化锆（PSZ）断裂韧性远高于其它结构陶瓷，称“陶瓷钢”。 氧化锆陶瓷制品4. 非氧化物陶瓷Si3N4陶瓷，强度高（室温抗弯强度达200MPa），抗热震性和抗高温蠕变性能好，硬度高，耐腐蚀，抗氧化温度达1000，电绝缘性好。SiC陶瓷，高温强度高，1400仍达600MPa，高温导电性能好。表1-2常用耐高温陶瓷基体材料的基本性能类型密度/gcm-3熔点/弹性模量/G
