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第1章绪论 2011 9 20 复合材料原理 主要内容 一 材料的发展与人类文明 材料是现代文明的基石 材料 能源 信息和生物技术是现代科技四大支柱 将人类物质文明推向新阶段 材料是人类社会进步的物质基础和先导 是人类进步的里程碑 一 材料的发展与人类文明 材料是文明的标杆 一 材料的发展与人类文明 材料是文明的标杆 一 材料的发展与人类文明 材料的发展 复合材料是金属 陶瓷 高分子等均质材料发展的必然结果 一 材料的发展与人类文明 材料的分类 按化学组成 或基本组成 分类 1 金属材料2 无机非金属材料3 高分子材料 聚合物 4 复合材料 一 材料的发展与人类文明 材料的分类 金属材料是由金属元素组成的材料 分为由一种金属元素组成的单质 纯金属 由两种或以上金属元素或金属与非金属元素构成的合金 合金分为固溶体和金属间化合物 金属材料 一 材料的发展与人类文明 材料的分类 无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐 铝酸盐 硼酸盐 磷酸盐 锗酸盐等原料和 或 氧化物 氮化物 碳化物 硼化物 硫化物 硅化物 卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料 是除金属材料 高分子材料以外所有材料的总称 与广义的陶瓷材料含义等同 无机非金属材料种类繁多 用途各异 目前还没有统一完善的分类方法 一般分为传统的 普通的 和新型的 先进的 无机非金属材料两大类 一 材料的发展与人类文明 材料的分类 有机高分子材料 高聚物 高聚物是由一种或几种简单低分子化合物聚合成的分子量很大的化合物 高聚物的种类繁多 性能各异 分类方法多样 按来源分为天然高分子材料和合成高分子材料 按性能和用途分为橡胶 纤维 塑料和胶粘剂等 一 材料的发展与人类文明 材料的分类 复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成 是多相材料 主要包括基体相和增强相 基体相是连续相材料 作用是把改善性能的增强相材料固结成一体 并传递应力 增强相起承受应力 结构复合材料 和显示功能 功能复合材料 的作用 复合材料既保持原材料的重要特色 又通过复合效应使各组分的性能互相补充 获得原组分不具备的许多优良性能 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料的定义 复合材料由两种或两种以上不同性质的单一材料 通过不同复合方法得到的宏观多相材料 是多相材料 主要包括基体相和增强相 基体相是连续相材料 作用是把改善性能的增强相材料固结成一体 并传递应力 增强相起承受应力 结构复合材料 和显示功能 功能复合材料 的作用 复合材料既保持原材料的重要特色 又通过复合效应使各组分的性能互相补充 获得原组分不具备的许多优良性能 区别于混合材料的特征是多相结构 存在复合效应 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料的组成 复合材料主要由基体和增强体 对功能材料称功能体 组成基体 连接增强体 传递载荷 分散载荷增强体 结构结构复合材料中主要起承受载荷的作用 功能体 赋予复合材料一定的物理 化学功能 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料分类 1 基体种类树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 2 增强材料形状 颗粒 晶须 纤维 织物类型 无机和有机材料 3 用途结构复合材料 功能复合材料 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料分类 树脂基基体材料金属基陶瓷基粒子状增强剂纤维状层状聚脂树脂飞机 汽车 树脂基 玻璃钢 玻璃纤维船舶 建筑结构金属复合金属基耐热纤维航空 航天复合方式基体陶瓷Al2O3 SiO2 SiC 陶瓷基增强纤维C SiC 航空航天功能功能体换能 导电 导磁复合基体屏蔽吸波材料增强纤维隐形飞机 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料分类 树脂基复合材料 二 复合材料的定义 分类 发展 树脂基复合材料特点 聚合物基体及其复合材料性能特点 1 密度低 2 耐腐蚀 3 易氧化 老化 4 耐热性较差 易降解和氧化 5 易燃 6 摩擦系数低 7 低的导热性和高的热膨胀性 8 电绝缘性好 静电积累 9 可整体着色 10 力学性能随分子结构变化 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料分类 基体材料的性能 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料分类 增强体 二 复合材料的定义 分类 发展 增强体 玻璃纤维直径5 20 m主要用在对使用性能要求不高的场合 优点 强度较高 可达2GPa 相对密度小 2 4 2 7g cm3 化学稳定性高 耐热性好 缺点 脆性大 耐磨性差 纤维表面光滑不易与其它物质结合 用途 可制成长纤维和短纤维 或织成布和毡 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料增强体 碳纤维和石墨纤维 有机纤维在惰性气体中 经高温碳化制成 2000 以下制得碳纤维 再经2500 以上处理得石墨纤维 机械性能受温度的影响较小 弹性模量高 2500 无氧气氛中变化较小 石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高 并具有自润滑性 主要用在对使用性能要求较高的条件如碳 碳复合材料用在航空航天等领域 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料增强体 高性能有机纤维 超高强聚乙烯纤维芳香族聚酰胺纤维聚苯并双恶唑PBO液晶芳族杂环聚合物 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料增强体 高性能有机纤维 超高分子量聚乙烯纤维 UHMWPE HTHMPE或UPS PE 也称伸直链聚乙烯纤维或高强 高模量聚乙烯纤 以超高分子量聚乙烯为原料 经溶胶纺丝 超倍拉伸技术制得 其特点是 相对分子量大于100万 密度低 0 96 0 97g cm3 是最轻的纤维 强度高 3 5 6 3GPa 是钢的10倍 碳纤维和芳纶纤维的2倍 耐热性差 140 熔融 主要用在缆绳和高技术军备材料 如武器装甲 防弹背心 头盔等 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料增强体 高性能有机纤维 芳香族聚酰胺纤维 凯芙拉Kevlar 由杜邦公司1972年开发 对苯二甲酰对苯二胺 PPTA 是液晶高分子 特点 1 高比强度 高比模量比强度是钢丝的3 4倍 比模量是钢丝或玻璃纤维的2 3倍 而密度是钢丝的1 5 2 耐高低温连续使用温度为 196 204 在 45 仍能保持相当与室温下的韧性 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料增强体 高性能有机纤维 聚苯并双恶唑 PBO 纤维1995年由Dow化学公司和东洋纺织公司联合研制成功 特点是 强度 模量 耐热 阻燃优于其他有机纤维 被称为面向21世纪的超纤维 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料增强体 晶须 晶须是指以单晶形式生长的形状类似于短纤维 而尺寸远小于短纤维的针状单晶体 包括金属晶须和陶瓷晶须 直径为零点几到几微米 长度为几十到几百微米 长径比大于10 由于在结晶时原子结构高度有序排列 内部缺陷较少 其强度和模量接近于完整晶体材料的理论值 是一种力学性能十分优异的补强增韧剂 金属晶须中可批量生产的是铁晶须 其最大特点是可在磁场中取向 可以很容易地制取定向纤维增强复合材料 陶瓷晶须比金属须强度高 相对密度低 弹性模量高 耐热性好 晶须主要用于金属材料基和陶瓷基复合材料的补强增韧 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料增强体 功能填料 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料发展 第一代复合材料玻璃纤维增强树脂基复合材料最早出现于1940年 轻质高强 隔热 不反射电磁波 用于军工领域 目前用量最大 技术最成熟 低成本 第二代复合材料碳纤维增强树脂基复合材料由于碳纤维高比强度和比模量 主要用在航空航天 随着碳纤维成本的降低 逐渐用于民用领域 第三代复合材料有机纤维增强树脂基复合材料美国杜邦公司kevlar纤维为代表 高比强度和比模量 低成本 碳纤维的1 3 其他纤维如超高分子量聚乙烯纤维 聚苯并双噁唑 PBO 纤维等 1970年代出现了金属 陶瓷为基体的复合材料19 0年代出现了纳米复合材料 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料重要地位 规划纲要 主题一 基础 原 材料先进制造技术绿色制造技术 低成本制造技术 催化与分离技术 通用材料高性能化制备技术主题二 超级结构材料高性能金属材料 高性能结构陶瓷 高性能工程塑料 先进结构复合材料主题三 先进功能材料与器件光电子材料与器件 微电子材料与器件 信息功能材料与器件 超导材料与器件 智能材料与器件主题四 能源与生态环境材料新型能源材料 环境友好材料 生物与仿生材料主题五 纳米材料与器件纳电子材料与器件 纳米生物医用材料 纳米能源材料 纳米结构材料 纳米材料与器件评价与表征技术 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料重要地位 对先进结构材料的需求 航空航天 能源工业 交通运输业 武器系统 建筑业 机械设备制造业 环境保护 国家重大工程 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料重要地位 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料重要地位 大力神导弹 三叉戟导弹 二 复合材料的定义 分类 发展 复合材料重要地位 先进结构材料发展趋势 材料的复合化 结构材料的功能和多功能化 传统结构材料的高性能化 低成本技术特别受到重视 简化材料体系 做到一材多用 重视发展材料的先进制备和加工技术 提前安排重要新结构材料的研制 重视新材料的环境影响 三 复合材料特点与性能 复合材料特点 1 可设计性复合材料的力学 热 电 声 光等物理化学性能都可通过组分材料的选择 界面控制等设计手段达到 2 材料与结构的一致性复合材料的构件与材料同时形成 3 存在复合效应区别于任意混杂材料复合材料的性能不是其组分材料性能的简单叠加 可以产生新的性能 三 复合材料特点与性能 复合材料性能的优点 1 密度低大多数聚合物的密度在1g cm3左右 0 9 1 5cm3之间 2 高比强度 高比模量比强度是拉伸强度与密度的比值 如碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度是钢的6倍 比模量是钢的4倍 3 电绝缘性好 透波材料 4 耐疲劳性能好金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30 50 碳纤维增强聚合物基复合材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的70 80 能长期承受交变载荷 5 耐化学物质腐蚀乙烯基酯树脂缺点 不耐高温 不易回收利用 三 复合材料特点与性能 复合材料性能的优点 三 复合材料特点与性能 复合材料特点 几种常用材料与复合材料的比强度和比模量 三 复合材料特点与性能 树脂基复合材料的应用与发展趋势 三 复合材料特点与性能 树脂基复合材料的应用与发展趋势 降低成本原材料 成型工艺 设计先进复合材料的研制高强 高模量 耐高温等性能 用于航空航天领域 功能复合材料烧蚀 摩阻 磁性 导电 吸声 阻尼智能复合材料具有感知 识别及处理能力的复合材料 仿生复合材料参考生命系统的结构规律设计制造 环保复合材料复合材料的回收利用 三 复合材料特点与性能 树脂基复合材料的应用与发展趋势 三 复合材料特点与性能 树脂基复合材料的应用与发展趋势 四 本课程研究的范围 基体的结构和性能增强体或功能体的结构和性能界面结构和界面效应复合后材料的物理及力学性能的一般规律和共性复合过程的一般规律和共性材料功能化原理研究内容是整个复合材料工程学的理论基础 四 本课程研究的范围 界面 界面效应影响 除基体和增强休或功能体对复合材料的性能有决定性影响外 界面的作用也有很大的影响 界面 界面效应对复合材料性能的巨大影响正是复合材料区别于一般混合材料的重要标志 焊接材料界面 五 学习的意义和要求 掌握复合材料设计的基础知识能够根据制品要求 正确选择基体 增强体或功能体能够确定合适的表面处理技术和成型工艺 参考书目 闻荻江 复合材料原理 武汉工业大学出版社 年出版沃丁柱 复合材料大全 化学工业出版社 2001年1月出版赵渠森 先进复合材料手册 机械工业出版社 2003年5月出版吴人洁 复合材料 天津大学出版社 2000年12月出版陈祥宝 聚合物基复合材料手册 化学工业出版社 2004年9月出版徐国财 张立德 纳米复合材