复合材料第1讲

1、复复 合合 材材 料料 余润洲 Tel:88877479 E-mail: 材料学院材料学院 中中 南南 大大 学学 参考参考教材：教材： 于春田，于春田，金属基复合材料金属基复合材料，冶金工，冶金工 业出版社，业出版社，19951995。 郝元恺郝元恺等等，高性能复合材料学高性能复合材料学，化，化 学工业出版社，学工业出版社，20042004。 张国定，张国定，金属基复合材料金属基复合材料，上海交，上海交 通大学出版社，通大学出版社，19961996。 吴人杰等，吴人杰等，复合材料复合材料，天津大学出，天津大学出 版社，版社，20002000。 主要内容：主要内容： 复合材料的定义；复合材料的

2、定义； 复合材料的发展史；复合材料的发展史； 复合材料的分类；复合材料的分类； 复合材料的结构；复合材料的结构； 复合材料的特性；复合材料的特性； 复合材料的应用。复合材料的应用。 1 1 定义定义 存在各种不同定义存在各种不同定义 v“由两种以上不同的原材料组成，并使原材由两种以上不同的原材料组成，并使原材 料的性能得到充分发挥，通过复合化而得到料的性能得到充分发挥，通过复合化而得到 单一材料所不具备的性能。单一材料所不具备的性能。 ” ”（ 岛岛 村昭村昭 治治 . . 未来拓先端材料，工业调查会，未来拓先端材料，工业调查会， 1982 1982 ） v“把一些个体典型或基本的特性组合，而

3、得把一些个体典型或基本的特性组合，而得 到的物质。到的物质。”（余永宁（余永宁 等等 译译. . 金属基复合金属基复合 材料导论，北京，冶金工业出版社，材料导论，北京，冶金工业出版社，1996 1996 ） v由两种以上异质、异形、异性的材料复合由两种以上异质、异形、异性的材料复合 而成的新型材料。而成的新型材料。”（吴人洁，复合材料，（吴人洁，复合材料， 天津大学出版社，天津大学出版社，20002000） v“经过一定的操作，将复数个原材料合体，经过一定的操作，将复数个原材料合体， 或者是由复数个相生成，且具有比原材料或者是由复数个相生成，且具有比原材料 优异的性能。优异的性能。”（香川（香

4、川 丰，八田博志丰，八田博志. . 基复合材料，承风社，基复合材料，承风社， 1990 1990 ） 国际标准化组织国际标准化组织：由两种以上在物理和化学由两种以上在物理和化学 上不同的物质组合起来而得到的一种多相固上不同的物质组合起来而得到的一种多相固 体材料体材料 材料大词典材料大词典 ：复合材料是根据应用进行复合材料是根据应用进行 设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机 非金属材料或金属材料组合在一起，使其性非金属材料或金属材料组合在一起，使其性 能互补，从而制成的一类新型材料。能互补，从而制成的一类新型材料。 材料科学技术百科全书材料科学技术百科全

5、书 ：复合材料是由复合材料是由 有机高分子、无机非金属或金属等几类不有机高分子、无机非金属或金属等几类不 同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。 它既保留原组成材料的重要特色，又通过它既保留原组成材料的重要特色，又通过 复合效应获得原组分所不具备的性能。可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互相补充以通过材料设计使各组分的性能互相补充 并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与 一般材料的简单混合有本质区别。一般材料的简单混合有本质区别。 尽管定义的细节有所不同，但其要点是共尽管定义的细节有所不同

6、，但其要点是共 同的。同的。 v 组分是有意选择和设计的。组分是有意选择和设计的。 v 含两种以上不同的化学相。含两种以上不同的化学相。 v 性能取决于组分及其含量。性能取决于组分及其含量。 v 具有每个组分所不具备的优良性能具有每个组分所不具备的优良性能。 . 材料材料A材料材料B 优点优点缺点缺点优点优点 缺点缺点 组合组合1组合组合2 组合组合3 组合组合4 材料优、缺点组合示意图材料优、缺点组合示意图 最佳组合最佳组合 最差组合最差组合 2 2 复合材料的发展史复合材料的发展史 1 1、几千年前，在粘土中加入稻草；、几千年前，在粘土中加入稻草； 2 2、漆器：麻与大漆构成的；、漆器：麻

7、与大漆构成的； 3 3、混凝土：砂石和水泥复合得到。、混凝土：砂石和水泥复合得到。 原始复合材料原始复合材料 天然复合材料天然复合材料 1、树树 竹子竹子 2 2、贝壳、贝壳 鲍鱼壳鲍鱼壳 木质纤维 树干 木质素 无机文石薄片 有机相胶原质 贝壳 边长2. 8mm ,厚为0. 5mm 厚为0. 015mm 基体：起粘结作用 复合材料 的组成 增强体：起骨架作用 泥砖 泥 禾秸 钢筋混凝土 沙子、石子、 水泥 钢筋 玻璃钢制品玻璃钢制品 现代意义上的复合材料的发展现代意义上的复合材料的发展 1、硫化橡胶、硫化橡胶 ：1839年美国人年美国人CGoodyear发明的橡胶发明的橡胶 硫化法，在橡胶原

8、料中加入硫化剂、填料、增强剂和防老硫化法，在橡胶原料中加入硫化剂、填料、增强剂和防老 剂等助剂所制得的一种工业复合材料；剂等助剂所制得的一种工业复合材料； 2、玻璃纤维增强塑料：上世纪、玻璃纤维增强塑料：上世纪40年代，首先在美国出年代，首先在美国出 现；现； 3、先进复合材料：上世纪、先进复合材料：上世纪60年代相继出现了以碳纤维年代相继出现了以碳纤维 和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂； 4、金属、陶瓷基复合材料：上世纪、金属、陶瓷基复合材料：上世纪70年代则又出现以年代则又出现以 金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。 第

9、一代 第二代第三代 氧化铝纤维 玻璃纤维 硼纤维 碳纤维 芳族聚酰胺 晶 须 + 高韧性 高弹性 轻量 耐热性 工程塑料 环境扩大 碳化硅纤维 金 属 陶 瓷 石 墨 泡沫材料 混凝土 石 膏 功能 复合材料 延伸与 韧性 氧化铝纤维 石墨纤维 功能化 定向凝固 共晶 自增强 塑料 扩散接合 表面处理 CVD(化学气相沉积) CVI(化学气相渗透) CIP, HIP -SiC -Al2O3 Si3N4 石墨 聚 脂 金属纤维 聚酰亚 硝胺 复合材料的提出复合材料的提出 当前当前材料、能源、信息材料、能源、信息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

10、类物质文明推向新的阶段。 二十一世纪将是一个新材料时代。二十一世纪将是一个新材料时代。 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材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、更料的发展；同时也对材料提出了更高、更 苛刻的要求。在现代高技术迅猛发展的今苛刻的要求。在现代高技术迅猛发展的今 天，特别是航空、航天和海洋开发领域的天，特别是航空、航天和海洋开发领域的 发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而 对材料提出了越来越苛刻的要求。对材料提出了越来越苛刻的要求。 现代武器系统的发展对新材料提出了如下要求：现代武器系统的发展对新材料提出了如下要求：

11、 1 1、高比强、高比模；、高比强、高比模； 2 2、耐高温、抗氧化；、耐高温、抗氧化； 3 3、防热、隔热；、防热、隔热； 4 4、吸波、隐身；、吸波、隐身； 5 5、全天候；、全天候； 6 6、高抗破甲、抗穿甲性；、高抗破甲、抗穿甲性； 7 7、减振、降噪，稳定、隐蔽、高精度和命中率、减振、降噪，稳定、隐蔽、高精度和命中率 8 8、抗激光、抗定向武器；、抗激光、抗定向武器； 9 9、多功能；、多功能； 1010、高可靠性和低成本。、高可靠性和低成本。 现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如 就航天、航空飞行器减轻结构重量这点而言，就航天、航空飞行器

12、减轻结构重量这点而言， 喷气发动机结构重量减喷气发动机结构重量减1Kg 1Kg ，飞机结构可减重，飞机结构可减重 4Kg 4Kg ，升限可提高，升限可提高1010米；一枚小型洲际导弹第米；一枚小型洲际导弹第 三级结构重量减轻三级结构重量减轻1Kg 1Kg ，整个运载火箭的起飞，整个运载火箭的起飞 重量就可减轻重量就可减轻50Kg 50Kg ，地面设备的结构重量就，地面设备的结构重量就 可减轻可减轻100Kg 100Kg ，在有效载荷不变的条件下，可，在有效载荷不变的条件下，可 增加射程增加射程15-20Km 15-20Km ；而航天飞机的重量每减轻；而航天飞机的重量每减轻 1Kg 1Kg ，其

13、发射成本费用就可以减少，其发射成本费用就可以减少1500015000美元美元 ( (图图1 1、图、图2)2)。因此，现代航空、航天领域对飞。因此，现代航空、航天领域对飞 行器结构的减重要求已经不是行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较斤斤计较”， 而是而是“克克计较克克计较”。 （2 2）复合材料的意义）复合材料的意义 现代高科技的发展更是离不开复合材料。现代高科技的发展更是离不开复合材料。 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， 飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度 航空发动机材料发展预测如下航空发动机材料发展预测如下

14、图1 火箭壳体材料对射程的影响 当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等 材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是 以上这些材料由于其各自固有的局限性而以上这些材料由于其各自固有的局限性而 不能满足现代科学技术发展的需要。例如，不能满足现代科学技术发展的需要。例如， 金属材料的强度、模量和高温性能等已几金属材料的强度、模量和高温性能等已几 乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分 子材料的低模量、低熔点等固有的缺点极子材料的低模量、低熔点等固有的缺点极 大地限制了其应用。这些都促使人们研究大地限制了其应

15、用。这些都促使人们研究 开发并按预定性能设计新型材料。开发并按预定性能设计新型材料。 高分子材料高分子材料 优点:密度低 韧性好 成型性能好 缺点:强度 刚度低 耐热性差 金属材料金属材料 优点:综合力学性能好 缺点:密度大 不耐高温 无机非金属材料无机非金属材料 优点:环境稳定性好 缺点:韧性低 脆性大 三大材料：三大材料： 金属金属 无机非金属无机非金属 有机高分子有机高分子 复合材料复合材料 取长补短取长补短 协同作用协同作用 产生原来单一材料没有本身所没有的新性能产生原来单一材料没有本身所没有的新性能 无机无机 非金属非金属 材料材料 有机有机 高分子高分子 材料材料 金属金属 材料材

16、料 复复合合 材材 料料 复合材料，特别是先进复合材料就是为复合材料，特别是先进复合材料就是为 了满足以上高技术发展的需求而开发的高性了满足以上高技术发展的需求而开发的高性 能的先进材料。它由两种或两种以上性质不能的先进材料。它由两种或两种以上性质不 同的材料组合而成，各组分之间性能同的材料组合而成，各组分之间性能“取长取长 补短补短”，起到，起到“协同作用协同作用”，可以得到单一，可以得到单一 材料无法比拟的优秀的综合性能，极大地满材料无法比拟的优秀的综合性能，极大地满 足了人类发展对新材料的需求。因此，复合足了人类发展对新材料的需求。因此，复合 材料是应现代科学技术而发展出来的具有极材料是

17、应现代科学技术而发展出来的具有极 大生命力的材料，是现代科学技术不断进步大生命力的材料，是现代科学技术不断进步 的结果，是材料设计的一个突破。的结果，是材料设计的一个突破。 玻璃纤维绳 碳纤维绳 陶瓷刀具 战车战车 导弹 航天飞机外层的隔热瓦通常 有2万多块，它们主要由两 部分组成，内层是导热系数 非常低的耐高温陶瓷纤维增 强泡沫陶瓷，外层则是薄薄 一层绝缘隔热层。隔热瓦的 材质有很多种，即使是在同 一架航天飞机上，隔热瓦的 种类也是千差万别。在受热 程度较高的底部，通常采用 二氧化硅，并且在外面涂一 层黑色绝缘层；而在受热程 度最高的飞机前部锥形体部 位以及两翼边缘，则需要采 用耐高温的碳/

18、碳材料。 3 3 复合材料的分类复合材料的分类 木质基复合木质基复合 材料材料 复合复合 材料材料 有机材料基复有机材料基复 合材料合材料 金属基复合材金属基复合材 料料MMCMMC 无机非金属基无机非金属基 复合材料复合材料 聚合物基复聚合物基复 合材料合材料PMCPMC 热塑性树脂热塑性树脂 热固性树脂热固性树脂 树脂基树脂基 水泥或混凝土基水泥或混凝土基 复合材料复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 CMCCMC 橡胶基橡胶基 将复合材料进行分类时，有按基体或第二相等多种将复合材料进行分类时，有按基体或第二相等多种 方法。方法。 1 1 基体一般按材质分类如下基体一般按材质分类如下:

19、: Composite Materials 或或 Composites： Metal Matrix Composites Polymer Matrix Composites Ceramics Matrix Composites 颗粒增强复 合材料 颗粒状分散 相复合材料 纤维状分散 相复合材料 短纤维 连续纤维 强化复合材料 分散强化复 合材料 片晶增强复 合材料 复 合 材 料 单向纤维强化复合材料 非编织纤维层 2维, 3维编织纤维层 晶须 随机排列 随机排列 定向排列 定向排列 不连续纤维 强化复合材料 根据增强相形态分根据增强相形态分 基体：基体：连续相连续相 将增强材料粘合粘合成整体

20、并使增强材料的 位置固定。 增强材料间传递载荷传递载荷，并使载荷均匀， 自身承受一定载荷。 保护增强体保护增强体免受各种损伤。 很大程度上决定决定成型工艺方法及工艺 参数选择。 决定部分性能。 增强体增强体：分散相相分散相相 主要承受绝大部分载荷、增强、增韧增强、增韧 增强材料增强材料分散相分散相 也称为增强体、增强剂、增强相等也称为增强体、增强剂、增强相等 显著增强材料的性能显著增强材料的性能 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度 较基体大。较基体大。 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或 弥散的填料。弥散的填料

21、。 在基体和增强体之间存在着界面。在基体和增强体之间存在着界面。 MMCMMC (1) (1) 基体基体：AlAl、MgMg、TiTi、NiNi等轻金属及其它们的合金（比强度、等轻金属及其它们的合金（比强度、 比模量高）比模量高） (2) (2) 增强体增强体：强度、模量和熔点远高于金属基体的：强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金金属或非金 属材料属材料。 主要有：硼纤维、碳纤维、主要有：硼纤维、碳纤维、 SiCSiC纤维、纤维、 AlAl2 2O O3 3纤维纤维 钨丝、钢丝、不锈钢丝钨丝、钢丝、不锈钢丝 陶瓷颗粒、晶须等陶瓷颗粒、晶须等 特点：保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高

22、强、特点：保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高强、 高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性 能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法，能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法， 适合于用作中、高温结构材料。适合于用作中、高温结构材料。 MMCMMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性 因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制 了了MMCMMC的应用范围。的应用范围。 航天飞机内航天飞机内 MMC (Al / B 纤维纤维)桁架桁架 CMCCMC

23、(1) (1) 基体基体：氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等：氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等特种陶瓷特种陶瓷 陶瓷本身：高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等陶瓷本身：高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等 陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性）差，抗震性差陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性）差，抗震性差 且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效 (2) (2) 增强材料增强材料：碳纤维、硼纤维、碳纤维、硼纤维、-Al-Al2 2O O3 3纤维、氧化铝纤维、氧化铝- -硼酸硼酸 盐盐 纤维纤维 钨丝、铌丝、不锈钢丝、钨丝、

24、铌丝、不锈钢丝、SiCSiC晶须、晶须、SiNSiN4 4晶须、晶须、 ZrOZrO2 2 颗粒等。颗粒等。 复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧 CMCCMC仍以仍以烧结成型为主烧结成型为主，由于基体与增强体都具有高模量、高耐，由于基体与增强体都具有高模量、高耐 温特点，残余应力很大，导致微裂纹，因此，两相的温特点，残余应力很大，导致微裂纹，因此，两相的CTECTE必须匹配必须匹配, , CMCCMC适合于作高温结构材料，被称为适合于作高温结构材料，被称为“材料的梦想材料的梦想”。 C/CC/C复合材料复合材料 化学组成单一，化学组

25、成单一，C C元素元素，但，但C C的形态与结构十分复杂的形态与结构十分复杂 (1) (1) 基体基体碳：碳：i) CVDi) CVD碳；碳；ii) ii) 树脂碳；树脂碳；iii) iii) 沥青碳沥青碳 (2) (2) 增强体增强体：高性能碳纤维及其织物：高性能碳纤维及其织物 (3) (3) 性能性能特点：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度特点：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度 低、低、 低蠕变、高导热、低低蠕变、高导热、低CTECTE、高抗热震性、高耐温、高抗热震性、高耐温、 耐烧蚀等，同时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能耐烧蚀等，同时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能 随温度随

26、温度 升高而升高的特点升高而升高的特点 缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松 高温结构材料和耐烧蚀材料高温结构材料和耐烧蚀材料，近年发展很快。，近年发展很快。 聚合物（树脂）基复合材料聚合物（树脂）基复合材料: :由玻璃纤由玻璃纤 维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤 维、晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组维、晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组 成的基体组成的复合材料。成的基体组成的复合材料。比强度、比模量比强度、比模量 高、热膨胀系数小、耐磨性、阴尼性好。广高、热膨胀系数小、耐磨性、阴尼性好。广 泛用于航空、航天、建筑、

27、化工、机械、电泛用于航空、航天、建筑、化工、机械、电 子、体育等。子、体育等。 (2) 增强体增强体主要有碳纤、 玻纤维、芳纶纤维、硼 纤维等 树脂基体与增强体 相容性、浸润性较差， 多经过表面处理与表面 改性，浸润剂、偶联剂、 涂复层的使用，使其组 成复杂化。 PMCPMC的的组成组成 (1) (1) 基体基体 热固性基体热固性基体(thermosetting matrix)(thermosetting matrix)： 1) 1) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好 2)2)交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆交联固化成

28、网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆 3) 3) 制备过程伴有复杂化学反应制备过程伴有复杂化学反应 热塑性基体热塑性基体(thermoplastic matrix)(thermoplastic matrix)： 1) 1) 溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和 压力下成型，工艺性差压力下成型，工艺性差 2) 2) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好 3) 3) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理 现象现象) ) 复合材料船体复

29、合材料船体 按按材料作用材料作用分类分类 结构结构复合材料：用于制造受力构件；复合材料：用于制造受力构件； 功能功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、 导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。 同质同质复合材料（增强材料和基体材料属于同复合材料（增强材料和基体材料属于同 种物质，如碳种物质，如碳/碳复合材料）碳复合材料） 异质异质复合材料（复合材料多属此类）。复合材料（复合材料多属此类）。 48Chapter 9 Composites 各种材料的发展状况各种材料的发展状况 玻璃钢和树脂基复合材料玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟非常成熟 广泛

30、的应用广泛的应用 金属基复合材料金属基复合材料 开发阶段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决 49Chapter 9 Composites 复合材料的设计复合材料的设计从常规设计向从常规设计向仿生仿生设计发展设计发展 仿照仿照竹子竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制 备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合 材料。材料

31、。 仿照仿照鲍鱼壳鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、 铝和硼混合成陶瓷细带制成了铝和硼混合成陶瓷细带制成了1010微米厚的薄层，由此得到的微米厚的薄层，由此得到的 层状复合材料比其原材料坚固层状复合材料比其原材料坚固4040。 仿照仿照骨骼骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和 直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料， 中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。 50Ch

32、apter 9 Composites 引入引入相的相的“连通性连通性”概念，理论上可将复合材料概念，理论上可将复合材料 结构划分为结构划分为 0-30-3型、型、1-31-3型、型、2-22-2型、型、2-32-3型、型、3-33-3 型型等几种典型结构等几种典型结构 4 4 复合材料的结构复合材料的结构 三维编织三维编织纤维结构纤维结构 三维正交非织造的纤维结构三维正交非织造的纤维结构 (a)(a)非线性法平面增强非线性法平面增强 (b) (b) 一种开式格状结构一种开式格状结构 (c(c）一种柔性结构）一种柔性结构 管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型 各种 玻璃 夹层 结构 单向及准各向同性板

33、的铺层铺层结构 混杂 复合 材料 基体有 机 材 料金 属无 机 材 料 第二相 零有机材料聚合物 金属防静电塑料合金粉末(FeCu等)金属陶瓷 维 无机材料导电陶瓷分散强化合金自润滑 材料 陶瓷混凝土 有机材料/环氧树脂建筑灰泥、木质水泥 一金属防静电地毯 不锈钢/铝、超导线, 磁性 材料、触点W/硬质合金、 铁丝强化水泥 钢筋混凝土 维无机材料玻璃纤维强化塑料FRP、 碳纤维强化塑料CFRP SiC/Al、C/Al Al2O3/硬质合金 玻璃纤维/水泥, C/灰泥、 石棉水泥, C/C 二有机材料.装饰钢板、防震钢板石膏板、强化玻璃 金属Al-PE薄板、电路板双金属、包层材料 维无机材料

34、绝热涂层、表面处理刹车衬里 三有机材料三维编织物 金属三明治型材料 三维电路板 三明治型材料半导体、IC 维无机材料三明治型材料 泡沫材料 三明治型材料 海绵金属 C/C、泡沫陶瓷 发泡水泥 复合材料的种类复合材料的种类 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

35、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

36、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 5 5 复合材料的特性复合材料的特性. . 组成：由基体相和增强相组成组成：由基体相和增强相组成 基体相是一种连续相材料，它把改善性能的基体相是一种连续相材料，它把改善性能的 增强相材料固结在一起，并起传递应力的作增强相材料固结在一起，并起传递应力的作 用。用。 增强相是以独立的形态分布在基体中的分增强相是以独立的形态分布在基体中的分 散相，它起承受应力（结构复合材料）和显示功散相，它起承受应力（结构复合材料）和显示功 能（功能复合材料）的作用。能（功能复合材料）的作用。 复合材料的特点：复合材料的特

37、点： 1） 复合材料是由复合材料是由两种或两种两种或两种以上不同性能的以上不同性能的 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材料，组元之间存在着明显的界面界面； 2） 复合材料中各组元不但复合材料中各组元不但保持各自的固有特保持各自的固有特 性性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性， 并赋予并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能单一材料组元所不具备的优良特殊性能； 3）复合材料具有复合材料具有可设计性可设计性。可以根据使用条。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，

38、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。从而极大地提高工程结构的效能。 复合材料的性能不是两种不同材料性能复合材料的性能不是两种不同材料性能 的简单加和，它即能保留原有组成的材料的的简单加和，它即能保留原有组成的材料的 重要特色，又能通过复合效应使各组分的能重要特色，又能通过复合效应使各组分的能 得到加强。得到加强。 复合材料的性能主要取决于增强材料的性复合材料的性能主要取决于增强材料的性 能、含量及分布状况和基体材料的性能、含能、含量及分布状况和基体材料的性能、含 量，以及它们之间的界面结合情况。量，以及它们之间的界面结合情况。 复合材料的优点复合材料的优点

39、. . a. a. 比强度、比模量大比强度、比模量大 b. b. 耐热性高耐热性高 高温性好高温性好 c. c. 破损安全性高破损安全性高 d. d. 耐疲劳性好耐疲劳性好 e.e.良好的尺寸稳定性良好的尺寸稳定性 f. f. 成型工艺灵活，材料、结构成型工艺灵活，材料、结构 可设计可设计性性 比强度、比模量：材料的强度或模量与其比强度、比模量：材料的强度或模量与其 密度之比。密度之比。 比强度比强度 = = 强度强度/ /密度密度 MPaMPa / /（g/cmg/cm3 3）, , 比模量比模量 = = 模量模量/ /密度密度 GPaGPa / /（g/cmg/cm3 3）。）。 材料的比

40、强度愈高，制作同一零件则自重材料的比强度愈高，制作同一零件则自重 愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈 大。大。 a. a. 比强度、比模量大比强度、比模量大 材料材料比强度比强度比模量比模量 钢钢0.130.1310106 6cmcm0.270.2710109 9cmcm 铝铝0.170.1710106 6cmcm0.260.2610109 9cmcm 高强高强C Cf f/ /环氧环氧1.031.0310106 6cmcm0.210.2110109 9cmcm 高模高模C Cf f/ /环氧环氧0.670.6710106 6cmcm1.501.50101

41、09 9cmcm 材料力学性能材料力学性能 b. b. 耐热性高耐热性高 高温性好高温性好 复合材料可以在广泛的温度范围内使用，复合材料可以在广泛的温度范围内使用， 同时其使用温度均高于复合材料基体。目前同时其使用温度均高于复合材料基体。目前 聚合物基复合材料的最高耐温上限为聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 350 C C； 金属基复合材料按不同的基体性能，其使用金属基复合材料按不同的基体性能，其使用 温度在温度在350 350 1100 1100 C C范围内变动；陶瓷基复范围内变动；陶瓷基复 合材料的使用温度可达合材料的使用温度可达14001400 C C；而碳；而碳/ /碳复合碳复

42、合 材料的使用温度最高，可高达材料的使用温度最高，可高达28002800 C C。 c. c. 破损安全性高破损安全性高 纤维增强复合材料内有大量的独立纤维，纤维增强复合材料内有大量的独立纤维， 每平方厘米的纤维少则几千根，多则上万每平方厘米的纤维少则几千根，多则上万 根，为典型的静不定体系。当这种材料的根，为典型的静不定体系。当这种材料的 构件超载并有少量纤维断裂时，其载荷会构件超载并有少量纤维断裂时，其载荷会 重新分配在未断裂的纤维上，整个构件在重新分配在未断裂的纤维上，整个构件在 短期内不至于丧失承载能力短期内不至于丧失承载能力 d. 耐疲劳性好 疲劳破坏是材料在交变载荷作用下疲劳破坏是

43、材料在交变载荷作用下 由裂纹的产生和扩展而形成的地应由裂纹的产生和扩展而形成的地应 力破坏。力破坏。 金属材料：抗拉强度的金属材料：抗拉强度的40%-50%40%-50% 碳纤维碳纤维/ /树脂复合材料：抗拉强度的树脂复合材料：抗拉强度的 70%-80% 70%-80% e e 良好的尺寸稳定性良好的尺寸稳定性 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体的含量，可以调整复合材料的热膨

44、胀系 数。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中，数。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中， 当石墨纤维的含量达到当石墨纤维的含量达到48%48%时，复合材料时，复合材料 的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制 品不发生热变形。这对人造卫星构件非常品不发生热变形。这对人造卫星构件非常 重要。重要。 NL=pr/2 NT=pr f.f.成型工艺灵活，材料、成型工艺灵活，材料、 结构可设计性结构可设计性 可用模具一次成型法来制造各种构件，可用模具一次成型法来制造各种构件， 同时通过调整组分的成分、结构及排布同时通过调整组分的成分、结构及排布 方式，使构件在不同方向满足不同的载方式，使构件在不同方向满足不同的载 荷。荷。 6 6 复合材料的应用复合材料的应用 1.1.在航空、航天方面的应用在航空、航天方面的应用 1) 1)战斗机的机翼蒙皮、机身、垂尾、副翼、水战斗机的机翼蒙皮、机身、垂尾、副翼、水 平尾翼、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋平尾翼、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋 等主要承力构件。等主要承力构件。 美国战斗机使用复合材料的比例美国战斗机使用复合材料的比例: : 型号型号 F4F4 F15