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1、复合材料概论复合材料概论2011.02.11注意事项注意事项l迟到迟到5次或旷课次或旷课3次、早退次、早退3次及以上，平时成次及以上，平时成绩为绩为0分；分；l勤作笔记，课后做作业，常思考，多查资料勤作笔记，课后做作业，常思考，多查资料l考核办法：平时考核办法：平时( (出勤率，课堂提问）出勤率，课堂提问）20%， 期终考查，闭卷期终考查，闭卷 80%。l联系方式联系方式: :Emai: Tel: 15375537070主要内容：主要内容：掌握掌握复合材料的定义、组成、特点；复合材料的定义、组成、特点；了解复合材料的发展状态；了解复合材料的发展状态；掌握掌握复合材料的命名方法；复合材料的命名
2、方法；掌握掌握复合材料的分类；复合材料的分类；掌握掌握复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础了解复合材料的应用；了解复合材料的应用；了解复合材料的发展趋势了解复合材料的发展趋势第一章第一章 绪论绪论 材料是人类社会进步的物质基础材料是人类社会进步的物质基础l石器时代；青铜器时代；钢铁时代材料的发展推动生石器时代；青铜器时代；钢铁时代材料的发展推动生产力的发展，也推动社会的前进产力的发展，也推动社会的前进l二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，新材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，
3、新的技术进而也推动了新材料的出现。的技术进而也推动了新材料的出现。l当前当前材料、能源、信息和生物技术材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。 二十一世纪二十一世纪将是一个新材料时代将是一个新材料时代。现代高科技的发展对材料提出了更高、更苛刻的要现代高科技的发展对材料提出了更高、更苛刻的要求。航空、航天和海洋开发领域的发展、现代武器系统，求。航空、航天和海洋开发领域的发展、现代武器系统，要求材料质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化、要求材料质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀、吸波、隐身等
4、特点。抗腐蚀、吸波、隐身等特点。很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，不能满足现代科学技术发展的需要。不能满足现代科学技术发展的需要。一、复合材料出现的必然性一、复合材料出现的必然性二、复合材料发展状况（二、复合材料发展状况（1 1）l几乎所有的生物材料都是复合材料几乎所有的生物材料都是复合材料竹子、骨骼、贝壳等等竹子、骨骼、贝壳等等l古代人们用草梗和泥造墙，用稻草和古代人们用草梗和泥造墙，用稻草和泥做屋顶泥做屋顶 复合材料发展状况复合材料发展状况（2）19401960年之间的年之间的20年是玻璃纤维增强塑料的时代，称年是玻璃纤维增强塑料的时代
5、，称为复合材料发展的第一代为复合材料发展的第一代19601965年英国研制出碳纤维，年英国研制出碳纤维，1971年美国杜邦公司开年美国杜邦公司开发出发出Kevlar49，1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强环氧碳纤维增强环氧树脂复合材料及树脂复合材料及Kevlar纤维增强树脂复合材料纤维增强树脂复合材料”已应用于已应用于飞机、火箭的主承力件上，飞机、火箭的主承力件上，19601980年为复合材料的第年为复合材料的第二代，是复合材料的发展时代；二代，是复合材料的发展时代；1980年年1990年，是纤维增强金属基复合材料的时代，其年，是纤维增强金属基复合材料的时代，其中铝基金属复合材料
6、应用最为广泛，称为复合材料发展的中铝基金属复合材料应用最为广泛，称为复合材料发展的第三代；第三代；1990年以后称为复合材料的第四代，多发展功能复合材料，年以后称为复合材料的第四代，多发展功能复合材料，如光学、磁学、机敏和智能复合材料。如光学、磁学、机敏和智能复合材料。三、复合材料的定义三、复合材料的定义 用经过选择的、含一定数量比的用经过选择的、含一定数量比的两种两种或或两种两种以上的组分（或称组元），通过以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成人工复合、组成多相多相、且各相之间有、且各相之间有明明显界面显界面的、具有的、具有特殊性能特殊性能的固体材料。的固体材料。复合材料的特点复合材料的
7、特点两种或两种以上的化学相两种或两种以上的化学相具有两种材料所不具备的优良性能具有两种材料所不具备的优良性能人工设计出来的，具有可设计性人工设计出来的，具有可设计性四、复合材料的构成四、复合材料的构成 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体基体基体基体；基体的作用是将增强体粘合成整体并使复合材料具有一基体的作用是将增强体粘合成整体并使复合材料具有一定的形状，传递外界作用力、保护增强体免受外界的各定的形状，传递外界作用力、保护增强体免受外界的各种侵蚀破坏作用。当然也决定复合材料的某些性能和加种侵蚀破坏作用。当然也决定复合材料的某些性能和加工工艺工工艺
8、 另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为能显著增强，故常称为增强体增强体增强体增强体 ( (也称为也称为增强材料增强材料、增强增强相相等，功能复合材料中也称等，功能复合材料中也称功能体功能体) )。 相界面相界面是一个具有一定厚度的，结构随组分而异、与是一个具有一定厚度的，结构随组分而异、与基体和增强体明显不同的新相。界面区的基体和增强体明显不同的新相。界面区的范围范围是从增强体是从增强体内部性质不同的一点开始，到基体内整
9、体性质相一致的点内部性质不同的一点开始，到基体内整体性质相一致的点之间的区域。之间的区域。 界面是基体和增强体之间连接的纽带，是应力及其他界面是基体和增强体之间连接的纽带，是应力及其他信息传递的桥梁。它的结构、性能以及结合强度等因素，信息传递的桥梁。它的结构、性能以及结合强度等因素，直接关系到复合材料的性能。直接关系到复合材料的性能。 复合材料结构示意图复合材料结构示意图a)层叠复合层叠复合 b)连续纤维复合连续纤维复合 c)细粒复合细粒复合 d)短切纤维复合短切纤维复合五五、复合材料的性能、复合材料的性能比强度、比模量高比强度、比模量高良好的抗疲劳性能良好的抗疲劳性能纤维复合材料，对缺口、应
10、力集中敏感纤维复合材料，对缺口、应力集中敏感性小，且纤维与基体界面能够阻止疲劳裂纹扩散，改变裂纹扩性小，且纤维与基体界面能够阻止疲劳裂纹扩散，改变裂纹扩展方向。展方向。 优良的高温性能优良的高温性能 铝合金在铝合金在300时，强度由室温的时，强度由室温的500MN/m2降到降到3050MN/m2，而用碳纤维或硼纤维增强后，而用碳纤维或硼纤维增强后，300的强度与室温基本相同。的强度与室温基本相同。 减震性好减震性好 试验表明，冲击能量的消耗除了用于纤维的断试验表明，冲击能量的消耗除了用于纤维的断裂功外，层板的分层、纤维与基体界面脱粘以及纤维拔出等都裂功外，层板的分层、纤维与基体界面脱粘以及纤维
11、拔出等都消耗较多的能量。消耗较多的能量。 破断安全性好破断安全性好 纤维复合材料中，当纤维断裂时，载荷就纤维复合材料中，当纤维断裂时，载荷就会重新分配到其他未破裂的纤维上，因而构件不致在短期内突会重新分配到其他未破裂的纤维上，因而构件不致在短期内突然断裂。然断裂。密度密度g/cm3抗拉强度抗拉强度103MN/m2拉伸模量拉伸模量105MN/m2比强度比强度106MNm/kg比模量比模量108MNm/kg钢钢7.81.032.10.1327铝铝2.80.470.750.1727钛钛4.50.961.140.2125玻璃钢玻璃钢2.01.060.40.5320高强度碳高强度碳纤维纤维-环氧环氧1.
12、451.51.41.0397高模量碳高模量碳纤维纤维-环氧环氧1.61.072.40.67150硼纤维硼纤维-环环氧氧2.11.382.10.66100有机纤维有机纤维PRD-环氧环氧1.41.40.81.057SiC纤维纤维-环氧环氧2.21.091.020.546硼纤维硼纤维-铝铝2.651.02.00.3875复合材料和金属的疲劳破坏性能复合材料和金属的疲劳破坏性能 复合材料在世界各国还没有统一的名称和复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基增强体和基增强体和基增强体和基体的名称体的名称体的名称体的名称来命名，通常有以下三
13、种情况：来命名，通常有以下三种情况：六、复合材料的命名六、复合材料的命名（1） 基体材料名称与增强体材料并用基体材料名称与增强体材料并用。这种命。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，最后加上称放在后面，最后加上“复合材料复合材料”（2）强调增强体时强调增强体时以增强体材料的名称为主。以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。陶瓷颗粒增强复合材料等。 （3
14、）强调基体时强调基体时以基体材料的名称为主。如树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、陶瓷基复合材脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。料等。 国外还常用国外还常用英文编号英文编号来表示，如来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属表示金属基复合材料，基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/ /环氧则表示为环氧则表示为GF/Epoxy, 或或G/Ep(G-Ep)聚合物基聚合物基聚合物基聚合物基复合材料复合材料金属基金属基金属基金属基复合材料复合材料
15、陶瓷基陶瓷基陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料水泥基水泥基水泥基水泥基复合材料复合材料碳基碳基碳基碳基复合材料复合材料按基体材料分按基体材料分热固热固热固热固性树脂基性树脂基热塑热塑热塑热塑性树脂基性树脂基橡胶橡胶橡胶橡胶基基高温陶瓷高温陶瓷高温陶瓷高温陶瓷基基玻璃玻璃玻璃玻璃基基玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷基基轻金属轻金属轻金属轻金属基基高熔点金属高熔点金属高熔点金属高熔点金属基基金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物基基七、复合材料分类七、复合材料分类（1 1）按按增强材料形态增强材料形态分为以下三类分为以下三类1、纤维纤维增强复合材料：增强复合材料： a.连续连续纤维复合材料纤维
16、复合材料 b.非连续非连续纤维复合材料纤维复合材料2、颗粒增强复合材料：包括微米颗粒和纳米颗粒；、颗粒增强复合材料：包括微米颗粒和纳米颗粒；3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体 三维物三维物 为增强材料与基体复合而成。为增强材料与基体复合而成。4、层叠复合材料、层叠复合材料复合材料分类（复合材料分类（2 2）按材料作用分两类按材料作用分两类功能功能复合材料：使用的是材料的光、电、磁、复合材料：使用的是材料的光、电、磁、热、声等非力学性能热、声等非力学性能结构结构复合材料：应用的材料的力学性能。复合材料：应用的材料的力学性能。复合材料分类（复
17、合材料分类（3 3）其他的分类方法如其他的分类方法如宏观复合宏观复合和和微观复合微观复合 八、复合材料的结构设计基础八、复合材料的结构设计基础 复合材料从结构上可以分为复合材料从结构上可以分为3个结构层次：个结构层次：一次结构，是由基体和增强材料复合而成的一次结构，是由基体和增强材料复合而成的单层复合材料单层复合材料，其力学性能取决于组分材料的性能，各相的形态、分布和含其力学性能取决于组分材料的性能，各相的形态、分布和含量以及界面的性质；量以及界面的性质；二次结构，由二次结构，由单层材料层合而成单层材料层合而成的，其力学性能取决于单层的，其力学性能取决于单层材料的力学性能合铺层集合（各层的厚度
18、、铺设方向、铺层材料的力学性能合铺层集合（各层的厚度、铺设方向、铺层次序）；次序）；三次结构，指三次结构，指工程结构工程结构或或产品结构产品结构，其力学性能取决于层合，其力学性能取决于层合体的力学性能合结构几何。体的力学性能合结构几何。复合材料的设计也包括三个层次：复合材料的设计也包括三个层次：1 1、单层材料设计、单层材料设计 增强材料、基体材料及其增强材料、基体材料及其配比，各相的形态、分布、含量以及界面决定配比，各相的形态、分布、含量以及界面决定单层力学性能单层力学性能2 2、铺层设计、铺层设计 安排铺层材料（包括层厚度、安排铺层材料（包括层厚度、铺设方向、铺层次序）铺设方向、铺层次序）
19、 3 3、结构设计、结构设计 确定产品结构的形状尺寸确定产品结构的形状尺寸 三个层次互相影响、互相依赖。必须把材料性能三个层次互相影响、互相依赖。必须把材料性能和结构性能一起考虑，并将其统一在设计方案中。和结构性能一起考虑，并将其统一在设计方案中。 复合材料设计步骤复合材料设计步骤 复合材料结构设计选材时就必须同时考虑材复合材料结构设计选材时就必须同时考虑材料的机械性能、使用环境和工艺性（如树脂体系料的机械性能、使用环境和工艺性（如树脂体系的固化温度、固化时间和工艺方法）等因素。的固化温度、固化时间和工艺方法）等因素。 复合材料是结构设计与材料设计同时进行，复合材料是结构设计与材料设计同时进行
20、，材料与结构一次成形，所以在设计时既要对组成材料与结构一次成形，所以在设计时既要对组成构件各部分的构件各部分的层合板参数层合板参数进行设计，还要选择构进行设计，还要选择构件的件的构造形式构造形式和和几何尺寸几何尺寸。在初步设计阶段就应。在初步设计阶段就应对结构的对结构的可维护性可维护性、可修理性可修理性和和维修的费用维修的费用进行进行考虑与评估。考虑与评估。九、复合材料的应用九、复合材料的应用l航空航天、武器航空航天、武器在力学耐高温方面满足要求，同时在力学耐高温方面满足要求，同时减轻重量，节省能源减轻重量，节省能源l信息电子、生物方面光、磁、电性能、生物相容性信息电子、生物方面光、磁、电性能
21、、生物相容性 l生活方面，提高安全性合和舒适度生活方面，提高安全性合和舒适度隔音，绝热、抗隔音，绝热、抗振振l节约能源、开发能源方面节约能源、开发能源方面重量轻、耐腐蚀性好，寿重量轻、耐腐蚀性好，寿命长命长l海洋资源开发方面海洋资源开发方面耐腐蚀好，力学性能好耐腐蚀好，力学性能好 l环境方面耐腐蚀性好，可以变废为宝环境方面耐腐蚀性好，可以变废为宝战车战车导弹陶瓷刀具1 1、航空航天、武器方面的应用、航空航天、武器方面的应用波音波音787“梦幻客梦幻客机机”半成机身材半成机身材料为轻型复合材料为轻型复合材料，而波音料，而波音777型客机机身轻型型客机机身轻型复合材料比例仅复合材料比例仅为为12。
22、由此，。由此，“梦幻客机梦幻客机”更更轻更省油。轻更省油。 2、信息电子、生物方面的应用信息电子、生物方面的应用l光导纤维，电子设备的电路板，磁带磁光导纤维，电子设备的电路板，磁带磁盘，机壳和屏蔽盘，机壳和屏蔽l修复和更换脏器、人造骨修复和更换脏器、人造骨 3、人类生活方面的应用人类生活方面的应用l建筑上，复合门窗建筑上，复合门窗l交通上，汽车保险杠和轿车底板交通上，汽车保险杠和轿车底板l体育娱乐方面，羽毛球拍、钓鱼竿、自行车中体育娱乐方面，羽毛球拍、钓鱼竿、自行车中的车架等的车架等 铝木复合门窗铝木复合门窗汽车保险杠和底板、发动机汽车保险杠和底板、发动机罩等，甚至全复合材料汽车罩等，甚至全复
23、合材料汽车材料材料牌号牌号密度密度/(g/cm3)弹弹性模量性模量/(Gpa)抗拉抗拉强强度度/(Mpa)伸伸长长率率/%铬钼钢铬钼钢低合金低合金钢钢7.920020783416铝铝合金合金6001/T62.62.9697910024612钛钛纯钛纯钛4.510548062018碳碳纤维纤维CFRP1.51.67020010002镁镁合金合金AM601.740452208跳跳高高撑撑杆杆4、节约能源、开发能源方面应用节约能源、开发能源方面应用l航天器、卫星上的太阳能帆板、太阳能电池、航天器、卫星上的太阳能帆板、太阳能电池、太阳能采暖设备、发电设备、空调制冷设备，太阳能采暖设备、发电设备、空调制
24、冷设备，特别是太空太阳能发电站的大部分构件特别是太空太阳能发电站的大部分构件l风力发电设备中风力发动机的叶片和支杆风力发电设备中风力发动机的叶片和支杆l核电站浓缩铀核电站浓缩铀253的离心机转筒的离心机转筒5 5、海洋资源开发方面的应用、海洋资源开发方面的应用6、环境方面应用、环境方面应用l通过设计，合理利用材料，节约加工能耗，降低通过设计，合理利用材料，节约加工能耗，降低废弃边角料，延长工件和设施的使用寿命；用废废弃边角料，延长工件和设施的使用寿命；用废弃物如矿渣、木屑、废塑料、麦秆等制造复合材弃物如矿渣、木屑、废塑料、麦秆等制造复合材料料 l废水治理厂的容器和管道、处理汽车尾气的高压废水治
25、理厂的容器和管道、处理汽车尾气的高压气瓶气瓶 复合地板复合地板玻璃钢管道玻璃钢管道十、复合材料的发展趋势十、复合材料的发展趋势l发展功能、多功能、机敏、智能复发展功能、多功能、机敏、智能复合材料合材料 l发展纳米复合材料发展纳米复合材料l发展仿生复合材料发展仿生复合材料复合材料具有可设计性，可以根据需要添加必复合材料具有可设计性，可以根据需要添加必要的组分来达到需要的性能，要的组分来达到需要的性能， 如电、磁、光、如电、磁、光、声、热、阻尼、化学等等许多方面声、热、阻尼、化学等等许多方面。无人飞船。无人飞船上到某个星球，经有机器人感知环境（如上到某个星球，经有机器人感知环境（如温度温度、湿度湿
26、度、光光等）、对等）、对机敏材料机敏材料作出的反应进行分作出的反应进行分析然后拍照，并把采集到的信息返会地球信息析然后拍照，并把采集到的信息返会地球信息接收处。这需要材料的传感部分和执行部分有接收处。这需要材料的传感部分和执行部分有很高的灵敏度、精确度和反应很高的灵敏度、精确度和反应速度速度。 纳米复合材料近年来发展很快，世界发达纳米复合材料近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合功能复合材料
27、材料、纳米钨铜复合材料。、纳米钨铜复合材料。 长骨的外形特点是两端粗大，中间细长，人长骨的外形特点是两端粗大，中间细长，人们受此启发，把短纤维设计成哑铃状。理论计算们受此启发，把短纤维设计成哑铃状。理论计算得到球端半径和纤维长度的最佳比，理论分析这得到球端半径和纤维长度的最佳比，理论分析这种短纤维的增强效果比平直纤维的增强效果好，种短纤维的增强效果比平直纤维的增强效果好，而且被实验证实而且被实验证实 植物的根部成网状结构，在验证实验模型中植物的根部成网状结构，在验证实验模型中发现纤维的拔出力和能量随分叉级数增多和分叉发现纤维的拔出力和能量随分叉级数增多和分叉角度变大而增大。根部网络结构已被广泛
28、应用于角度变大而增大。根部网络结构已被广泛应用于堤坝、建筑业等工程领域应用堤坝、建筑业等工程领域应用 21世纪的高性能复合材料技术是赋予复合材世纪的高性能复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高性能、适应恶劣为一体的智能化材料。以开发高性能、适应恶劣环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。充分的利加工、设计、检查一体化的材料系统。充分的利用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密联
29、系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。步发展。 参考书参考书复合材料学复合材料学 周祖福周祖福 武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社复合材料复合材料 吴人洁吴人洁 天津大学出版社天津大学出版社复合材料及其应用复合材料及其应用 汤佩钊重庆大学出版社汤佩钊重庆大学出版社功能复合材料功能复合材料 张佐光张佐光 化学工业出版社化学工业出版社作业作业 1 1、复合材料的定义、分类、命名、复合材料的定义、分类、命名 2 2、复合材料都有哪些部分组成，各部分的作用是什么、复合材料都有哪些部分组成，各部分的作用是什么 3 3、复合材料都有哪些性能特点？、复合材料都有哪些性能特点？ 思考题思考题 1 1. . 复合材料与合金、化合物有什么区别？复合材料与合金、化合物有什么区别？ 2 2. . 找找周围的复合材料，都是哪一类的？找找周围的复合材料，都是哪一类的？
