第一章 复合材料概论

1、复合材料学 材料电磁过程研究教育部重点实验室（EPM) 朱庆丰 电话E-mail: QQ:9726044 学习目的 n掌握复合材料的特点； n了解复合材料中基体和增强相的种类、 特点和要求； n理解复合材料的复合原理，包括混合法 则、增韧机制和界面作用； n了解复合材料的成型工艺。 Chapter 9 Composites2 上课要求和考试 n1要求：记一些笔记（重要知识点） n2 考试：开卷（40%）+一篇综述30% n3 平时：30 1.复合材料成型技术黄家康主编， 化学工业出版社。 2. 先进复合材料鲁云、朱世杰主编， 机械工业出版社。 3.复合材料学周祖福主编

2、，武汉理 工大学出版社 4. 复合材料聚合物基体赵玉庭等主 编，复合材料聚合物基体，武汉理工大 学出版社 目 录 n1 1 复合材料概论复合材料概论 n2 2 复合材料的基体复合材料的基体 n3 3 复合材料的增强材料复合材料的增强材料 n4 4 复合材料的界面复合材料的界面 n5 5 复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺 n6 6 复合理论复合理论 1.复合材料概述 n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 n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 非金属 材

3、料 有机 高分子 材料 金属 材料 复合 材 料 6Chapter 9 Composites The Materials Science Tetrahedron 材料科学四面体 结构 固有特性 制作方法 测定性能 使用性能 性能价格比Cost(price)performance 1.1复合材料的定义复合材料的定义 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上不同的：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体材料物质组合起来而得到的一种多相固体材料 材料科学技术百科全书材料科学技术百科全书 ：复合材料是由有机高分：复合材料是由有机高分 子、无机非金属或金属等几类不

4、同材料通过复合工艺子、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。组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特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。色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可可 以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，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，与一般材料的简单混合有本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。质区别。 材料大词典材料大词典 复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚 合物材料或无机非金属

5、材料或金属材料组合在一起，合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起， 使其性能互补，从而制成的一类新型材料。使其性能互补，从而制成的一类新型材料。 复合材料的特点之一复合材料的特点之一：是不仅保持原组分的部分优点，：是不仅保持原组分的部分优点， 而且产生原组分所不具备的新性能；而且产生原组分所不具备的新性能； 特点之二特点之二：是它的可设计性，通过对原材料的选择、：是它的可设计性，通过对原材料的选择、 各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材 料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使 之

6、出现新的性能，最大限度地发挥优势。之出现新的性能，最大限度地发挥优势。 对各种定义解释总结对各种定义解释总结， 复合材料应包括复合材料应包括： 组元是人们根据材料设计的基本原则组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择有意识地选择， 至少包括两种至少包括两种物理和力学性能不同的物理和力学性能不同的独立组元独立组元，其中，其中 一组元的体积分数一般不低于一组元的体积分数一般不低于20，第二组元通常为，第二组元通常为 纤维、晶须或颗粒；纤维、晶须或颗粒； 复合材料是复合材料是人工制造人工制造的，而非天然形成的。的，而非天然形成的。 复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应复合材料的性质取决于

7、组元性质的优化组合，它应优优 于独立组元的性质于独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温，特别是强度、刚度、韧性和高温 性能。性能。 1.2 复合材料应具备以下三个特点复合材料应具备以下三个特点： 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材料组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性保持各自的固有特性，而，而 且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并

8、赋予单一单一 材料组元所不具备的优良特殊性能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。可以根据使用条件要求进。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。高工程结构的效能。 1.3 复合材料的复合材料的结构结构 通常是一个相为连续相，成为通常是一个相为连续相，成为基体基体；而另外一相是以；而另外一相是以 独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增 强材料的性能，故常称为强材料的性能，故常称为增强材料增强材料（增强体

9、、增强剂、（增强体、增强剂、 增强相等）。增强相等）。 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥 散的填料。散的填料。 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。 1.4 典型复合材料纤维增强复合材料典型复合材料纤维增强复合材料 n1） 比强度、比模量高： n强度和弹性模量与密度的比值，它们是衡量材料承载能力的一个重要指标。 材料比强度cm比模量cm 钢0.13E60.27E9 铝合金0.17E60.26E9 高强碳纤维/ 环氧

10、树脂 1.03E60.21E9 高模量碳纤 维/环氧树脂 1.05E60.67E9 n2 抗疲劳性能好：疲劳破坏是材料在交变载荷作用下由裂 纹的产生和扩展而形成的低应力破坏。大多数金属材料的 疲劳极限是抗拉强度的4050，而纤维增强复合材料的 疲劳极限是抗拉强度的7080。 n3 破损安全性好：纤维增强复合材料内有大量的独立纤维， 当这种材料的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。这样，不会在短期内丧失承载 能力。 n4 能组成各种功能材料：如铜包钢线、钢丝铝绞线等 1.4 复合材料历史 n古代近代先进复合材料古代近代先进复合材料 n天然复合材料 竹、贝壳，树木和竹子

11、： 纤维素和木质素的复合体 动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 n古代：使用 、效仿 半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今 漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆 近现代： n第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纤维增强塑料年，玻璃纤维增强塑料 n第二代：第二代：1960年到年到1980年，先进复合材料年，先进复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强碳纤维增强、及开芙拉纤维增

12、强 环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。用于飞机、火箭的主承力件上。 n第三代：第三代：1980年到年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料年，碳纤维增强金属基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。以铝基复合材料的应用最为广泛。 n第四代：第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，年以后，主要发展多功能复合材料， 如智能复合材料和梯度功能材料等。如智能复合材料和梯度功能材料等。 1.5 复合材料分类 热固性热塑性 树脂基 金属基 碳基玻璃基水泥基 陶瓷基 复合材料 聚合物基聚合物基复合材料复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶以有机聚合物（热固

13、性树脂、热塑性树脂及橡胶 等）为基体；等）为基体； 金属基金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体； 无机非金属无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体 按基体分类 复合材料按功能分类 力 结 构 复 合 材 料 电 、 磁 、 光 、 热 、 放 射 性 耐 腐 蚀 、 耐 烧 蚀 、 生 物 相 容 性 、 隐 身 等 功 能 复 合 材 料 复 合 材 料 按按增强材料形态增强材料形态分类分类 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：作为分散相的长纤维

14、的两个端点纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点 都位于复合材料的边界处；都位于复合材料的边界处； b.非连续非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在 基体材料中；基体材料中； 2、颗粒颗粒增强复合材料：增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体微小颗粒状增强材料分散在基体 中；中； 3、板状板状增强体、增强体、编织复合材料：编织复合材料：以平面二维或立体三维以平面二维或立体三维 物为增强材料与基体复合而成。物为增强材料与基体复合而成。 其它增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体其它增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 图图2 复合材

15、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 纤维增强复合材料分类纤维增强复合材料分类 玻璃玻璃纤维复合材料；纤维复合材料； 碳纤维碳纤维复合材料；复合材料； 有机纤维有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚 烯烃纤维等）复合材料；烯烃纤维等）复合材料； 金属纤维金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料； 陶瓷纤维陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等） 复合材料。复合材料。 混杂混杂复合

16、材料：复合材料： 两种或两种以上增强体两种或两种以上增强体同一基体制成的复合材料称为，同一基体制成的复合材料称为， 可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的 相互复合，即复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料复合材料”。 复合材料应用于体育器材复合材料应用于体育器材 复合材料应用于商用飞机复合材料应用于商用飞机 1.6 复合材料的用途 碳纤维/树脂复合材料 玻璃钢管道玻璃钢管道 储存罐储存罐 复合材料的用途 超级跑车车身大量应用碳纤维复合材料 陶瓷基复合材料（CMC） Chapter 9 Composites26 复合材料用于建筑构复合材料用

17、于建筑构 件件 复合材料用于城市雕塑复合材料用于城市雕塑 复合材料的用途 复合材料用于家用设备复合材料用于家用设备 玻璃钢花盆玻璃钢花盆 复合材料的用途 飞机上用的复合材料 碳纤维/环氧树脂 碳纤维/芳纶/环氧树脂 玻璃纤维增强塑料 芳纶/杜邦聚酰胺 芳纶/泡沫芯板 碳纤维/杜邦聚酰胺 飞机上用的复合材料 增韧石墨 石墨 混杂复合材料 玻璃纤维 GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮 中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难题 大推力、高涵道比涡扇发动机大量运用了复 合材料或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。 B-2隐形轰炸机 除主体结构是钛复合材料外，其它部分均由 碳纤维和石墨等复合材料构成

18、，不易反射。 全复合材料机身：轻型机的价格，中型机 的宽敞客舱，客舱内站立高度为1.65米。 目前商用飞机上复合材料仅占全机重 量的50%，而某些直升机早已达到90% 生产充气船及其胶布制品，采用 国际上先进的A级RTP复合材料 新型日光温室复合材料 温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成 绿可木，生态木塑复合材 料，木塑复合材料吸音板 复合材料（玻璃钢）制品 采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑 碳/碳复合材料 生物医学制品和体育运动 复合材料被用来预防受伤，矫 正生理机能，和帮助病人复原。 生物医学制品和以体育运动器 材为主的碳纤维复合材料制品 热塑性复合材料再近20年中，增长 速率持续较快，是

19、热固性的3倍。 JS系列自润滑复合材料与部件 三维纺织预成型技术和RTM技术是研制和开发高性能复 合材料结构件的关键技术。RTM成型的复合材料头盔。 n锂/复合材料聚合物电解质-热电池 1.7 金属基复合材料 n1） 金属基复合材料的发展史 n1920年贵金属包覆的电接点材料 n二次大战：出现了Al/Fe/Al代替Ni作真空管阳极， 后出现了 Al/Fe/Cu, Al/Fe/Cu/Al等层压板。 n50年代：出现了黄铜/钢/黄铜的硬币、铜包钢线、铝包钢线 n70年代：铜包铝线 n1923年用粉末冶金烧结出WC-6Co的硬质合金：由于WC、TiC等 颗粒硬度高，颗粒平均直径在1微米以上，容积比高（可达90）， 主要利用颗粒本身的硬度和强度，基体是起把颗粒结合在一起的作 用，因此称为颗粒增强金属基复合材料。 n1946年发明了：氧化铝等增强的复合材料，强化相的平均直径小于 0.1微米，体积比仅占百分之几，由于强化相组织基体中位错运动 而强化基体，因此称为分散强化金属基复合材料。 纤维增强复合材料 n1948年认识到晶须的强度接近物质的理论强度，