复合材料概论第1章--绪论PPT课件

复合材料概论复合材料概论 绵阳师范学院绵阳师范学院 化学与化学化学与化学 20172017年年2 2月月 课程介绍课程介绍 课程的性质与作用 n n 复合材料学复合材料学是材料类专业的一门学科选修课是材料类专业的一门学科选修课 程。程。 n n 本课程以恰当的比例分别对复合材料的各种增强本课程以恰当的比例分别对复合材料的各种增强 材料、基体材料以及聚合物基复合材料、金属基材料、基体材料以及聚合物基复合材料、金属基 复合材料、陶瓷基复合材料等的性能、制备、应复合材料、陶瓷基复合材料等的性能、制备、应 用和发展动态进行了较为系统的讨论。使学生在用和发展动态进行了较为系统的讨论。使学生在 已有的材料科学的基础上，较为系统地学习复合已有的材料科学的基础上，较为系统地学习复合 材料的各种基体材料和增强材料，以及各种复合材料的各种基体材料和增强材料，以及各种复合 材料的性能、制备方法与应用，从而丰富和拓宽材料的性能、制备方法与应用，从而丰富和拓宽 学生在材料及材料学方面的知识。学生在材料及材料学方面的知识。 课程介绍课程介绍 主 要 内 容： 第一章 复合材料概述 第二章 复合材料的基体材料 第三章 复合材料的增强材料 第四章 聚合物基复合材料 第五章 金属基复合材料 第六章 陶瓷基复合材料 第七章 先进复合材料简介 课程介绍课程介绍 教材或参考资料： n王荣国，复合材料概论.哈尔滨：哈尔 滨工业大学出版社，2004 n吴人洁，复合材料.天津：天津大学出 版社，2000 n周祖福，复合材料学.武汉：武汉理工 大学出版社，1995 n王汝敏，聚合物基复合材料（第二版 ）.北京：科学出版社，2011 n复合材料学报/CN/volumn/ home.shtml n玻璃钢/复合材料通过中国知网、维普数据库等查询 课程介绍课程介绍 课堂要求与考核方式： n n 要求要求认认真随堂听真随堂听课课，认认真真阅读阅读 指定教材，广泛指定教材，广泛查查 阅阅有关复合材料方面的最新有关复合材料方面的最新资资料。按教学要求完料。按教学要求完 成成专题综专题综 述述论论文的撰写，并文的撰写，并进进行行课课堂交流。堂交流。 n n 课程总成绩考勤占课程总成绩考勤占10%10%，平时占，平时占30%30%，期末考试，期末考试 占占70%70%。 第一章第一章 复合材料概述复合材料概述 目目 录录 1-1 1-1 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 1-2 1-2 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 1-3 1-3 复合材料的特性复合材料的特性 1-4 1-4 复合材料的应用复合材料的应用 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 一、材料的发展与人类社会的进步 l 人类历史的发展大致经历了五次产业革命，分别为石器时代 、青铜器时代、蒸汽机时代、化学工业兴起时代、电气和微 电子时代。 l 综观人类发展的历史可以清楚地看到，每一种重要材料的发 现和利用都在产业革命中起到了积极地推动作用，都会把人 类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产 力和人类生活带来巨大的变化。 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 石器时代 l 石器时代始于距今二三百万年前，止于距今6000至4000年前，分为旧石器 时代和新石器时代。 石刀 l 生存方式由起初的使用自然界中容易获得 的简单材料如兽皮、甲骨、羽毛、树木、 草叶、石块、泥土等发展到开始有条件的 选择材料，并且学会了加工材料。 l 在对石器的加工过程中，人类发现不同石 块质地的差别，开始选择质地好的石块， 经过精心打磨，得到玉器。火的发现与使 用，促使人类发明了制陶工艺，陶器作为 第一种人造材料结束了人类的石器时代， 使人类从蒙昧时代进入野蛮时代。 石铲 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 青铜器时代 巨型司母戊鼎 （河南安阳晚商遗址） 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑 l 从使用石器到铸造青铜器是人类 技术发展史上的飞跃，是社会变 革和进步的巨大动力。它改变了 人类改造自然的方式，大大促进 了生产力的提升。 l 青铜器时代处于新石器时代和铁器时代之 间。大约在公元前2000年，中国开始了自 己的青铜器时代，经夏、商、西周、春秋 、战国，持续了1500 多年。 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 蒸汽机时代 蒸汽机车 l 蒸汽机时代以英国为中心，发生于16 世纪到20 世纪。 蒸汽机 l 冶炼及铸铁工艺的进步为蒸汽机的诞生创造了条件，而蒸汽机的出 现使人类进入了工业时代。 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 化学工业兴起时代 l 化学工业兴起时代以德国为中心，发生于20 世纪，主要是煤焦化得 到煤焦油等有机物，进而进行各种化学反应。 l 化学工业的发展使人类掌握了利用化学反应合成新的化学物质，这 些化学合成材料的发展极大的促进了现代工业的进步，也提高了人 们的生活水平。 橡胶 纤维 塑料 三大合成材料 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 电气微电子产业时代 l 微电子时代起始于20 世纪后期，以美国为中心。 l 半导体材料的发现和应用，催生了计算机及机电一体化。于是现代 工厂企业实现了机器设备的电气自动化，生产效率大大提高，微型 计算机更是大大提高了办公效率。 发光二极管 芯片 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 新材料时代 l 21 世纪生命科学和生物技术的发展以及纳米材料的发展推动了新时 代材料的到来。有望获得重大突破的热点是纳米材料、超导材料、 生物医用材料、电子材料、光电子材料、以及复合材料。 波音787结构材料分布图 风力发电叶片 二、复合材料的提出 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 l现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展，同时也 对材料提出了更高、更苛刻的要求。 l在许多方面，传统的单一材料已不能满足实际需要，这些 都促进了人们对材料的研究向着按预定性能设计新材料的 研究方向发展。 l复合材料的出现和发展，极大弥补了单一材料的缺点，各 组分之间取长补短、协同作用，产生单一材料所不具有的 新性能。因此，复合化是材料科学的发展的必然趋势。 例如例如：火箭壳体材料对射程的影响火箭壳体材料对射程的影响 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 航空发动机材料发展预测 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 古代复合材料 复合材料发展史： 三、复合材料的发展历史 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 古代复合材料 复合材料发展史： 1965年在湖北江 陵楚墓出土的越王 勾践剑。 锡青铜表面涂 覆一层硫化铜而成 。 古代复合材料 复合材料发展史： 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 近代复合材料 复合材料发展史： 近代复合材料的制造成功要于1942 年，因航 空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称 玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 近代复合材料 复合材料发展史： l复合材料发展第一代：19421960年，玻璃纤维增强塑料（ GFRP，Glass Fiber Reinforced Plastics）时代。 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 美国：火箭发动机壳和燃料容器 同时出现的有：硼纤维增强塑料BFRP （Boron Fiber Reinforced Plastics） 碳纤维增强塑料CFRP （Carbon Fiber Reinforced Plastics） 近代复合材料 复合材料发展史： l复合材料发展第二代：19601980年，先进复合材料 发展时代。 1975年先进复合材料“碳纤维增强 环氧树脂复合材料及开芙拉纤维增强环 氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的 主承力件上。 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 70年代：凯夫拉纤维增强塑料（KFRP） 碳化硅纤维增强塑料（SFRP） 氧化铝纤维增强塑料（AFRP） 碳化硅纤维增强金属（SFRM） 氧化铝纤维增强塑料（AFRM） 近代复合材料 复合材料发展史： l复合材料发展第三代：19801990年，纤维增强金属 基复合材料时代。同时陶瓷基 复合材料也得到研究和发展。 发动机风扇叶片（SiC/Ti） 氧化铝纤维增强铝基复合材料 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 近代复合材料 复合材料发展史： l复合材料发展第四代： 1990至今，主要发展多功能复合 材料，如机敏复合材料、梯度功 能材料。 变形机翼 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 地球温室效应、 臭氧层破坏、 沙漠化、 野生动物灭绝 清洁淡水、 食物、 可耕地 石油、 天然气、 煤、 矿产等 环境污染人口膨胀能源枯竭 人类社会在未来面临的问题、社会的特点和重点需求： v进入高度信息化的社会，同时对生活质量和健康水平的追 求会更高。 v地球存在着非常严重的问题。 四、复合材料在21世纪中应起的作用 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 1. 对信息技术提供服务 复合材料复合材料 信息获得 敏感器件 换能材料 信息存储 磁记录 光记录 信息处理 芯片封装 电路板 信息传输 光导纤维 导波管 信息执行 机械动作 高强高刚 2.对提高人类生活质量做出贡献 复合材料复合材料 衣 纺织机械 食 蔬菜大棚 住 建筑材料 行 交通工具 改善舒适性 轻质高强、隔音隔热 墙体门窗、整体洁具 飞机车辆、大小船舰 高速列车的车体结构 提高安全性 抗冲韧性、吸收能量 汽车保险杠轿车底板 自诊断机敏复合材料 高层建筑抗地政灾害 提高健康水平 修复植入人造器官 成分设计、调整应力 生物相容性 人工关节、夹骨板 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 3.在解决资源短缺与能源危机方面的贡献 复复 合合 材材 料料 开发新能源与 节约能源 挖掘尚未被利 用的能源 开发海洋 与空间 使基础设施 延长寿命 提高太阳能的转换率（光电池、框架 ）风力发电装置（大型化的叶片、支 柱）核燃料（铀分离转子）；潮汐发 电 基础设施建设的重要性 高性能纤维增强混凝土，取代钢筋 镁（轻量、阻尼性能好，力学性能差 ）颗粒增强或晶须增强，扩大应用范 围野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤 灰 耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置 （碳纤维增强树脂装置已潜入海下1000m ）海上石油平台、空间站、航天器等 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 4.在治理环境中可起的作用 复合材料复合材料 降低污染 整体近净成形 降低原材料用量 节约加工能耗 延长设施寿命 功能膜支撑网格 碳纤维缠绕气瓶 废水治理厂管道 利用废弃物 材料互补 矿渣 木屑 废塑料 麦杆 稻草 野生植物 “绿色”材料 自然降解 提高性能 利用天然纤维 透明农膜 一此性餐具 降解后变为 肥料或饲料 第一节第一节 复合材料的发展概况复合材料的发展概况 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 一、什么复合材料（Composite material） l 国际标准化组织（ISO）：两种或两种以上物理和化学性质 不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 l F.L.Matthews 和 R.D.Rawlings 认为复合材料是两个或两 个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件： （1）组元含量大于 5 %； （2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能； （3）通过各种方法混合而成。 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 其他定义： l GB/T 39612009：由粘结材料（基体）和纤维状、 粒状或其他形状材料，通过物理或化学的方法复合而 成的一种多相固体材料。 l 材料大词典：由高分子、无机非金属或金属等几 类材料通过复合工艺组而成的新型材料。它既能保留 原组成材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分 所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能 相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一 般材料的简单混合有本质的区别。 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏 观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显 的界面； 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大 限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不 具备的优良特殊性能； 复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计 和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构 的效能。 二、复合材料的特点 三、复合材料的组成 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 复合材料 的组成 基体 增强体 一种连续相，它把改善性 能的增强相材料固结成一 体，并起传递应力的作用 。 一种分散相，起承受应应 力（结结构复合材料）和 显显示功能（功能复合材 料）的作用。 泥砖 泥 禾秸 钢筋混凝土 沙子、石子、水泥 钢筋 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 l强调调基体时时以基体材料的名称为为主。如树树脂基复 合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。 l强调调增强体时时以增强体材料的名称为为主。如玻璃 纤维纤维 增强复合材料、碳纤维纤维 增强复合材料、陶瓷 颗颗粒增强复合材料等。 l基体材料名称与增强体材料并用。这这种命名方法常 用来表示某一种具体的复合材料，习惯习惯 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。 四、复合材料的命名 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 例如：“玻璃纤维纤维 增强环环氧树树脂复合材料”，或简简 称为为“玻璃纤维纤维 /环环氧树树脂复合材料或玻璃纤维纤维 /环环氧”。 而我国则则常把这类这类 复合材料通称为为“玻璃钢钢”。碳纤维纤维 和 金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也可写为为 “碳金属复合材料”。碳纤维纤维 和碳构成的复合材料叫“碳 碳复合材料”。 国外还常用英文编号来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为 GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep) 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 五、复合材料的分类 1.按基体类型分类 复合材料金属基复合材料： 无机非金属基复合材料： 聚合物基复合材料： 以金属（铝、镁、钛等）为基 体制成的复合材料。 以有机聚合物（热固性树脂、 热塑性树脂及橡胶等）为基体 制成的复合材料。 以陶瓷材料（也包括玻璃和 水泥）为基体制成的复合材 料。 2.按增强材料形态分类 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 三维：骨架状复合材料、立体编织复合材料。 玻璃纤维、碳纤维 、硼、芳纶、金属 纤维、陶瓷纤维增 强复合材料 零维：颗粒增强 复合材料 复合 材料 弥散颗粒增强复合材料（1002500） 真正颗粒增强复合材料（微米级） 一维：纤维增强 复合材料 按纤维长短 按纤维种类 连续纤维增强复合材料 短纤维增强复合材料 晶须增强复合材料 二维：板状、平面编织、片状材料增强复合材料。 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 颗粒增强型 非连续纤维增强型 板状增强型 连续纤维增强型 第二节第二节 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类 3.按复合材料的用途分类 n结构复合材料：以承受载荷为主要目的。主要使用力学性 能，以满足高强度、高模量、耐冲击、耐磨损的要求。 n功能复合材料：主要使用功能特性，利用其在电、磁、声 、光、热、阻尼、烧蚀等方面的特殊性能。如导电复合材 料、磁性复合材料等。 n智能复合材料：机敏材料+自决策材料+执行材料。当材料 发生故障或即将失效时，电阻或电导发生突变，机敏材料 发出预警，自决策材料根据情况作出最优控制，发出指令 传达给执行材料使之发生动作，从而保证材料处于最佳状 态。 复合材料系统组合 分散相分散相 连续相连续相 金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料 金金 属属 材材 料料 金属纤维金属纤维纤维纤维/ /金属基复合材料金属基复合材料钢丝钢丝/ /水泥复合材料水泥复合材料增强橡胶增强橡胶 金属晶须金属晶须晶须晶须/ /金属基复合材料金属基复合材料晶须晶须/ /陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 金属片材金属片材金属金属/ /塑料板塑料板 无无 机机 非非 金金 属属 材材 料料 陶陶 瓷瓷 纤维纤维纤维纤维/ /金属基复合材料金属基复合材料纤维纤维/ /陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 晶须晶须晶须晶须/ /金属基复合材料金属基复合材料晶须晶须/ /陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 颗粒颗粒弥散强化合金材料弥散强化合金材料粒子填充塑料粒子填充塑料 玻玻 璃璃 纤维纤维纤维纤维/ /树脂基复合材料树脂基复合材料 颗粒颗粒 碳碳 纤维纤维碳纤维碳纤维/ /金属基复合材料金属基复合材料碳纤维碳纤维/ /陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳纤维碳纤维/ /树脂基复合材料树脂基复合材料 炭黑炭黑颗粒颗粒/ /橡胶；颗粒橡胶；颗粒/ /树脂基树脂基 有机有机 高分高分 子材子材 料料 有机纤维有机纤维纤维纤维/ /树脂基复合材料树脂基复合材料 塑料塑料金属金属/ /塑料塑料 橡胶橡胶 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3） 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3） 第三节第三节 复合材料的特性复合材料的特性 1.比强度、高比模量（刚度） 典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较 第三节第三节 复合材料的特性复合材料的特性 目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温 度在350 1100C范围内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。 第三节第三节 复合材料的特性复合材料的特性 2.良好的高温性能 不同SiC纤维复合材料的使用温度范围 第三节第三节 复合材料的特性复合材料的特性 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善； 金属材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的30-50 % PMC的疲劳极限多为静态抗拉强度的70-80 % 复合材料破坏特点： 经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出、纤维断裂等一 系列损伤发展过程； 当少数纤维断裂时，其失去的部分载荷会通过基体的 传递而迅速分散到其它完好的纤维上去，复合材料在短期 不会丧失承载能力。 第三节第三节 复合材料的特性复合材料的特性 3.良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性 4.良好的尺寸稳定性 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度 和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变 复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀 系数。 5.良好的化学稳定性 聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。 6.良好的功能性能 包括 光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。 第三节第三节 复合材料的特性复合材料的特性 1.在航空航天领域中的应用 第四节第四节 复合材料的应用复合材料的应用 在航空方面主要作民 用飞机和战斗机的机翼蒙 皮、机身、垂尾、付翼、 水平尾翼、雷达罩、侧壁 板等主承力构件。 PAH-2“Tiger” 武装直升机 复合材料用量高达80% 空客A380采用的复合材料用 量占机体结构重量的22% 第四节第四节 复合材料的应用复合材料的应用 全复合材料机体 的无人直升机 复合材料结构使直升机具有： 极轻的重量、极高的强度，使其性能 先进、有效载荷大、耐航性长。 复合材料的设计非常适于苛刻军事应用： 没有机体零部件故障或调整，使其维 护率达到最低，战场可靠性很高。 模块式结构： 使其尾梁能在几分钟内同主机分离， 成为一种便携式直升机，可由特种作战 部队和类似部队携带使用。 第四节第四节 复合材料的应用复合材料的应用 在航天上主要应用于固体火 箭发动机燃烧室绝热壳体结构、 导弹和运载火箭的间段结构、液 氢储箱结构、仪器舱结构、导弹 和卫星整流罩结构等。 整流罩 全部采用复合材料制造，不 加油不着陆连续环球飞行9天， 一次加油航程40000公里以上。 “voyager” 号轻型飞机 主货舱门- 碳纤维/环氧树脂 压力容器- 凯芙拉纤维/环氧树脂 主机隔框和翼梁- 硼/铝复合材料 “哥伦比亚号” 航天飞机 发动机的喷管- 碳/碳复合材料 发动机组传力架- 钛基复合材料 机身防热瓦- 陶瓷基复合材料 第四节第四节 复合材料的应用复合材料的应用 第四节第四节 复合材料的应用复合材料的应用 2.在交通运输方面的应用 汽车方面主要应用于各种车 身构件、引擎罩、仪表盘、前 后车门、冷藏车、消防车等。 复合材料也在小型的 救生艇、轮船、游艇方 面大量应用。 复合材料常被用于制造高速列 车的车箱外壳、内装饰材料、整 体卫生间、车门窗、水箱等。 第四