第一章 复合材料概论

复合材料 CompositeMaterials 李丽丽手机Q 2337428799 1 课程介绍 课程的性质与作用 复合材料学 是材料与工程专业的一门学科选修课程 本课程系统地介绍了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 金属基复合材料 陶瓷基复合材料等材料的性能 制备 应用和发展动态 系统地了解各种复合材料的性能 制备方法与应用 从而丰富和拓宽在材料及材料学方面的知识 2 课程介绍 主要内容 第一章复合材料概述 第二章复合材料的界面 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 第七章纳米复合材料 3 课程介绍 教材或参考资料 冯小明 张崇才主编 复合材料 重庆大学出版社 2011周曦亚 复合材料 化学工业出版社 2005王荣国 复合材料概论 哈尔滨工业大学出版社 2004吴人洁 复合材料 天津大学出版社 2000周祖福 复合材料学 武汉理工大学出版社 1995王汝敏 聚合物基复合材料 第二版 科学出版社 2011 复合材料学报 4 课程介绍 课堂要求与考核方式 要求认真随堂听课 广泛查阅有关复合材料方面的最新资料 课程总成绩平时占30 考试占70 5 例子 稻草泥砖 钢筋混凝土鸟窝 燕子木材 天然纤维与木质素 竹子 天然纤维与天然树脂 动物骨骼 胶原纤维与羟基磷灰石 6 花神 自然复合材料 7 动物群鸟巢 8 9 西藏 10 11 西北工业大学张立同院士等 以 耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术研究 荣获国家技术发明一等奖 中南工业大学黄伯云院士等 以 高性能炭 炭航空制动材料的制备技术 荣获国家技术发明一等奖 2005年国家科技部颁发了两项国家技术发明一等奖国家技术发明一等奖 这个代表着我国原创性发明最高水准的奖项 在连续6年的国家科技奖励中一直空缺 国人翘首以盼 科技界望眼欲穿 2005年3月 6年的沉寂终于被打破 这两项均是有关复合材料的项目 而且均是无机复合材料 12 耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术 胡锦涛总书记接见张立同院士 张立同院士工作照 13 研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料 在国际上被公认为是反映一个国家先进航空航天器制造能力的战略性新型热结构材料 它比铝还轻 比钢还强 比碳化硅陶瓷更耐高温 抗氧化烧蚀 而且克服了陶瓷的脆性 不会发生突发灾难性破坏 替代金属材料可解决航空航天器燃料20 30 浪费的问题 以满足其向高速度 高精度 高搭载和长寿命发展的需求 提出的 具有类似金属断裂行为的连续纤维增韧高温陶瓷基复合材料 的思想具有很重要的学术意义 耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术 14 张立同课题组研制的新材料制品 C SiC复合材料航天飞机头锥 C SiC复合材料机翼前缘 15 高性能炭 炭航空制动材料的制备技术 黄伯云院士当选 感动中国 2005年度人物 黄伯云所在的粉末冶金实验室 16 该项目涉及飞机用高性能炭 炭刹车材料 它具有密度低 性能好 寿命长等特点 代表了当今航空制动材料的发展方向 以前 炭 炭复合材料航空刹车副只有美 英 法三国能生产 垄断了国际市场 并实行严密的技术封锁 我国每年需进口数亿元炭 炭刹车副 高性能炭 炭航空制动材料的制备技术 17 第一章复合材料概述 目录1 1复合材料的发展概况1 2复合材料的定义 命名与分类1 3复合材料的特性1 4复合材料的应用 18 第一节复合材料的发展概况 古代复合材料 复合材料发展史 一 复合材料的发展历史 漆器 猪形盒 战国时期 7000年前的西安半坡村遗址中曾发现草拌泥制成的墙壁和砖坯 其性能优于草和泥 4000年以前的漆器是典型的纤维增强复合材料 它是用丝 麻及其织物为增强相 以生漆做粘结剂一层一层铺敷在底胎 模具 上 待漆干后挖去底胎成型 西安半坡遗址博物馆 19 近代复合材料 复合材料发展史 纤维增强橡胶 轮胎是以帘子线增强橡胶复合材料 玻璃钢 1942年 因航空工业的需要 发展了玻璃纤维增强塑料 GFRP 俗称玻璃钢 第一节复合材料的发展概况 美国 火箭发动机壳 燃料容器及军用飞机雷达罩 其后莱特空军发展中心设计制造了玻璃钢为机身和机翼的飞机 随后迅速扩展到民用材料 20 复合材料发展史 第一节复合材料的发展概况 玻璃钢用于上海东方明珠电视塔内的装潢 目前最大的复合材料猎扫雷舰为美国的复仇者 avenger 级猎扫雷舰 全船船体为木层 玻璃钢混合结构 其骨架为夹层木板所制 其船体外板为4层厚木板 外层包玻璃钢 21 现代复合材料 复合材料发展史 1970 1980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 碳纤维增强塑料 CFRP 碳化硅纤维增强金属 SFRM 氧化铝纤维增强金属 AFRM 22 现代复合材料 复合材料发展史 1980 1990年 纤维增强金属基复合材料和陶瓷基复合材料得到广泛研究和发展 用于航天飞行器 发动机风扇叶片 SiC Ti 氧化铝纤维增强铝基复合材料 第一节复合材料的发展概况 23 现代复合材料 复合材料发展史 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 第一节复合材料的发展概况 滑动蒙皮 可以改变机翼形状 从高速飞行攻击布局 左 到低速远程巡航布局 右 24 三大材料 金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 复合材料 取长补短 协同优化 产生原来单一材料所没有的新性能 二 复合材料的提出 第一节复合材料的发展概况 25 强度高易加工 易被腐蚀 抗腐蚀耐高温 脆性大易破碎 耐腐蚀 易老化不耐高温 例如 火箭壳体材料对射程的影响 第一节复合材料的发展概况 玻璃钢 金属 碳 碳复合材料 芳纶 射程 公里 26 第一节复合材料的发展概况 航空发动机材料发展预测 27 第一节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 进入高度信息化的社会 对生活质量和健康水平的追求会更高 地球存在着非常严重的问题 三 复合材料在21世纪中的作用 28 1 对提高人类生活质量做出贡献 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 飞机 车辆 船舰 高速列车的车体结构 提高安全性抗冲击性能优异的汽车保险杠 车体 车门 轿车底板高层建筑抗地震灾害 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 第一节复合材料的发展概况 29 第一节复合材料的发展概况 2 对信息技术的服务 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 30 3 在解决资源短缺与能源危机方面的贡献 第一节复合材料的发展概况 复合材料 开发新能源与节约能源 开发海洋与空间 延长基础设施寿命 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 高性能纤维增强混凝土 取代钢筋 耐高压 耐海水腐蚀的深海勘探装置 碳纤维 树脂装置已潜入海下1千米 海上石油平台 空间站 航天器等 31 4 在治理环境中可起的作用 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 第一节复合材料的发展概况 32 第二节复合材料的定义 命名与分类 一 什么复合材料 Compositematerial 广义的定义 Janitz 理论上任何非纯粹的 含有多于一种组分的物体都可以归入复合材料之列 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 33 其他定义 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 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 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 34 第二节复合材料的定义 命名与分类 二 复合材料的组成 复合材料 基体 增强体 一种连续相 它把改善性能的增强体材料固结成一体 并赋予复合材料一定的形状 传递外界应力 保护增强体免受外界环境侵蚀的作用 一种分散相 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 改善复合材料的性能 35 第二节复合材料的定义 命名与分类 泥砖 泥 禾秸 钢筋混凝土 沙子 石子 水泥 钢筋 36 第二节复合材料的定义 命名与分类 复合材料系统组合 37 强调基体时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 陶瓷基复合材料等 强调增强体时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 陶瓷颗粒增强复合材料等 同时强调两者时基体与增强体材料并用 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 基体材料的名称放在后面 三 复合材料的命名 38 第二节复合材料的定义 命名与分类 1 玻璃纤维增强环氧树脂复合材料 简称 玻璃纤维 环氧树脂复合材料 或 玻璃纤维 环氧 我国把这类复合材料通称为 玻璃钢 2 碳纤维增强金属复合材料 也可写为 碳 金属复合材料 金属基复合材料 碳纤维增强复合材料 3 碳纤维和碳构成的复合材料叫 碳 碳复合材料 国外还常用英文字母来表示 如MMC MetalMatrixComposite 表示金属基复合材料 FRP FiberReinforcedPlastics 表示纤维增强塑料 玻璃纤维 环氧则表示为GF Epoxy 或G Ep G Ep 39 第二节复合材料的定义 命名与分类 四 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 40 第二节复合材料的定义 命名与分类 2 按增强材料形态分类 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 弥散强化复合材料 0 01 0 1 m 颗粒强化复合材料 1 50 m 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 41 第二节复合材料的定义 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 42 第二节复合材料的定义 命名与分类 3 按复合材料的用途分类 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 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 如压电功能复合材料 阻尼功能复合材料 磁性复合材料等 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 43 第二节复合材料的定义 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 可以根据使用要求进行设计和制造 以满足各种用途 从而极大地提高工程结构的效能 五 复合材料的特点 44 第二节复合材料的定义 命名与分类 复合材料最显著的特性是其性能 主要指力学性能 物理性能和工艺性能 在一定范围内具有可设计性 选择基体 增强体的类型及其含量 增强体在基体中的排列方式 基体与增强体之间的界面性能 来获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能 五 复合材料的特点 45 第二节复合材料的定义 命名与分类 比强度 强度 密度MPa g cm3 比模量 模量 密度GPa g cm3 第三节复合材料的特性 1 比强度 比模量 刚度 高 典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较 46 第三节复合材料的特性 传统金属材料与复合材料性能比较 47 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 1100 C范围内变动 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400 C 碳 碳复合材料的使用温度最高可达2800 C 第三节复合材料的特性 2 良好的高温性能 48 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 复合材料破坏特点 当少数纤维断裂时 其失去的部分载荷会通过基体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 第三节复合材料的特性 3 良好的抗疲劳 抗蠕变 抗冲击和断裂韧性 49 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 第三节复合材料的特性 50 1 在航空航天领域中的应用 第四节复合材料的应用 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 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 51 第四节复合材料的应用 波音787结构材料分布图 1 在航空航天领域中的应用 52 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 碳 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 硼 钛基复合材料机身防热瓦 陶瓷基复合材料 第四节复合材料的应用 53 1 在航空航天领域中的应用 第四节复合材料的应用 卫星天线 用石墨 环氧复合材料天线支撑桁架比铝合金减重50 可设计成零膨胀系数结构 太阳电池帆板 要求高比模量 低热变形 采用碳 环氧材料 54 第四节复合材料的应用 全复合材料机体的无人直升机 复合材料结构直升机具有 极轻的重量 极高的强度 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 维护率达到最低 战场可靠性很高 55 第四节复合材料的应用 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4万公里以上 voyager 号轻型飞机 56 第四节复合材料的应用 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 壳体 保险杠 车门 板簧 GFRP板簧疲劳寿命 钢板弹簧 而重量仅为钢板弹簧的20 引擎罩 仪表盘 发动机进气歧管 GF 尼龙 活塞 Al2O3 铝硅合金 等 复合材料也在小型的救生艇 轮船 游艇方面大量应用 57 复合材料常被用于制造高速列车的车箱外壳 整体卫生间 车门窗 水箱等 第四节复合材料的应用 随着列车速度的不断提高 火车部件用复合材料来制造是最好的选择 58 第四节复合材料的应用 3 在化学工业方面的应用 玻璃钢DN4000化工罐 FRP PVDF非标设备采用PVDF做衬里 外面采用微机控制纤维缠绕工艺制作FRP增强层 是耐高温 耐强腐蚀介质的理想产品 59 第四节复合材料的应用 60 4 在电气工业方面的应用 第四节复合材料的应用 复合材料在印刷线路板上的应用 复合材料绝缘子 玻璃布基敷铜箔板具有高耐潮湿性 绝缘强度及绝缘电阻大等优点 广泛应用于彩电 计算机 雷达等的印刷线路板 61 第四节复合材料的应用 5 在建筑工业方面的应用 建筑器材 建材是玻璃钢制品的大宗项目 如玻璃钢瓦 卫生洁具 建筑装饰浮雕等 CDFNBL节能超低噪声方型组合式玻璃