聚合基复合材料绪论

1、1 材料材料 密度密度 （g/cm) 拉伸强度拉伸强度 （GPa） 弹性模量弹性模量 （102GPa） 比强度比强度 （106cm） 比模量比模量 （106cm） 钢钢 铝合金铝合金 钛合金钛合金 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料 碳纤维碳纤维/环氧复合材料环氧复合材料 碳纤维碳纤维/环氧复合材料环氧复合材料 有机纤维有机纤维/环氧复合材料环氧复合材料 硼纤维硼纤维/环氧复合材料环氧复合材料 硼纤维硼纤维/铝基复合材料铝基复合材料 7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65 1.03 0.47 0.96 1.06 1.50 1.07 1.40 1.38 1.0

2、2.1 0.75 1.14 0.4 1.4 2.4 0.8 2.1 2.0 1.3 1.7 2.1 5.3 10.3 6.7 1.0 6.6 3.8 2.7 2.6 2.5 2.0 9.7 15 5.7 10 7.5 表表1-1 一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量 2 o 由表由表1-1可见：复合材料的高比强度和高可见：复合材料的高比强度和高 比模量来源于增强纤维的高性能和低密度。比模量来源于增强纤维的高性能和低密度。 碳纤维树脂基复合材料表现了较高的比碳纤维树脂基复合材料表现了较高的比 模量和比强度。模量和比强度。 作用：作用：在强度和刚度相

3、同的情况下，结在强度和刚度相同的情况下，结 构质量可以减轻，或尺寸减小。这在节构质量可以减轻，或尺寸减小。这在节 省能源，提高构件的使用性能方面，是省能源，提高构件的使用性能方面，是 现有其他材料所不能比拟的。现有其他材料所不能比拟的。 1.5.1 比强度、比模量（刚度）高比强度、比模量（刚度）高 3 碳纤维复合材料与钢、铝材料性能比较碳纤维复合材料与钢、铝材料性能比较 1.5.1 比强度、比模量（刚度）高比强度、比模量（刚度）高 4 5 1.5.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高耐疲劳性能好，破损安全性能高 o疲劳：疲劳： 工程构件在服役过程中，由于承受工程构件在服役过程中，由于承受变动载荷变

4、动载荷或反复承受应或反复承受应 力和应变，即使应力力和应变，即使应力低于屈服强度低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩，也会导致裂纹萌生和扩 展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏。展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏。 o疲劳破坏过程的三个组成部分疲劳破坏过程的三个组成部分 裂纹萌生裂纹萌生成核成核 裂纹扩展裂纹扩展 最终断裂最终断裂 成核的条件成核的条件 缺陷、缺陷、 局部应力集中局部应力集中 其它杂质等。其它杂质等。 6 疲劳破坏的种类不同：疲劳破坏的种类不同： 金属金属 突发性破坏突发性破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的疲劳强度极限是其拉伸强度的30%50% 碳纤维碳纤维/

5、聚酯复合材料聚酯复合材料 有预兆破坏有预兆破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的疲劳强度极限是其拉伸强度的70%80% 原因：原因： 复合材料的破坏经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出，断裂等复合材料的破坏经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出，断裂等 一系列损伤的发展过程。一系列损伤的发展过程。 基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生断裂时，其失去部基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生断裂时，其失去部 分载荷又会通过基体传递而迅速分散到其他完好的纤维上去，复合分载荷又会通过基体传递而迅速分散到其他完好的纤维上去，复合 材料在短期内不会因此而丧失承载能力。材料在短期内不会因此而丧失承载能力。 故复合材料疲劳

6、破坏前故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比较高有预兆，疲劳极限比较高。 1.5.2 1.5.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高耐疲劳性能好，破损安全性能高 7 共振的危害共振的危害 1.5.3阻尼减振性好阻尼减振性好 8 阻尼减振性好的原因：阻尼减振性好的原因： 复合材料的复合材料的比模量高，比模量高，所以它的所以它的自振频率很高，自振频率很高，不不 容易发生共振而快速脆断；容易发生共振而快速脆断； 受力结构的自振频率有关因素：受力结构的自振频率有关因素： 结构形状结构形状 比模量的平方根比模量的平方根 复合材料中的复合材料中的基体界面基体界面具有吸震能力，使材料的振动具有吸震能力，使材料的振

7、动 阻尼很高，一旦振起来，在较短的时间内也可以停下来。阻尼很高，一旦振起来，在较短的时间内也可以停下来。 1.5.3阻尼减振性好阻尼减振性好 9 （1）瞬时耐高温性、耐烧）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好蚀性好； 例如：玻璃纤维增强塑料例如：玻璃纤维增强塑料(glass-fiber reinforced plastics，GFRP)1942年问世，是年问世，是应用最广的复合应用最广的复合 材料，材料，强度可与钢媲美，俗称玻璃钢。是复合材料的鼻祖。强度可与钢媲美，俗称玻璃钢。是复合材料的鼻祖。 具有优异的耐烧蚀性、轻量性和强度特性等，玻璃钢的具有优异的耐烧蚀性、轻量性和强度特性等，玻璃钢的 用途很广，涉

8、及国防、航空、宇航、机械、交通运输和人民用途很广，涉及国防、航空、宇航、机械、交通运输和人民 生活的许多方面。由于它的导热系数只有金属材料的生活的许多方面。由于它的导热系数只有金属材料的1%， 同时可制成具有高比热容，熔融热和汽化热的材料，被用来同时可制成具有高比热容，熔融热和汽化热的材料，被用来 制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。 1.5.4 1.5.4 具有多种功能性具有多种功能性 10 11 12 当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩 气体的加热和机体表面

9、与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会 随随M数的提高而急剧上升。飞行数的提高而急剧上升。飞行 M数为数为 2.0时，机头处的温度略超过时，机头处的温度略超过 100。而当。而当 M数等于数等于3.0时，飞行器表面的温度则升至时，飞行器表面的温度则升至350左右，已左右，已 超过了铝合金的极限温度，使其强度大大削弱。超过了铝合金的极限温度，使其强度大大削弱。 航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为 “热障热障”。一般把。一般把M数数 2.5作为作为“热障热障”的界

10、线，低于这一值，气动加的界线，低于这一值，气动加 热不严重，可用常规的方法和材料设计、制造飞机；高于该值，则必热不严重，可用常规的方法和材料设计、制造飞机；高于该值，则必 须采取克服气动加热问题的措施，如用耐高温的钢或钛合金制造飞机须采取克服气动加热问题的措施，如用耐高温的钢或钛合金制造飞机 的蒙皮和框架等。的蒙皮和框架等。 宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，M数更高，它们的外表数更高，它们的外表 温度可达温度可达 1000多度。多度。 为保证其不致被烧毁，飞船和返回式卫星的头为保证其不致被烧毁，飞船和返回式卫星的头 部得用烧蚀材料包上一层，让它在高温时烧

11、掉，以吸收气动加热时产部得用烧蚀材料包上一层，让它在高温时烧掉，以吸收气动加热时产 生的热能。生的热能。 13 ，马赫数的命名是为了纪念奥地利学者马，马赫数的命名是为了纪念奥地利学者马 赫赫(Ernst Mach, 1838-1916) 马赫就是声速，马赫就是声速，1马赫马赫=340M/s. 1马赫马赫=每小时每小时1126公里公里,大概是一倍音速大概是一倍音速 . 马赫数，气流速度马赫数，气流速度V与当地声（音）速与当地声（音）速a之比，简称之比，简称 Ma数。飞机的飞行速度常以马赫数表示，当其飞行速度数。飞机的飞行速度常以马赫数表示，当其飞行速度 小于当地音速时，则马赫数小于小于当地音速时

12、，则马赫数小于1，反之，飞行速度大于，反之，飞行速度大于 当地音速时，马赫数则大于当地音速时，马赫数则大于1。一般把马赫数小于或等于。一般把马赫数小于或等于 0.4的飞行称为低速飞行，马赫数在的飞行称为低速飞行，马赫数在0.75至至1.2（或（或1.4）之）之 间称为亚音速飞行，马赫数在间称为亚音速飞行，马赫数在1.2（或（或1.4）至）至5之间称为之间称为 超音速飞行，马赫数大于超音速飞行，马赫数大于5时则称为高超音速飞行。时则称为高超音速飞行。 14 在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝。在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝。 它为什么会发光呢？

13、它为什么会发光呢？ 原来，这是高速飞行的陨星进入大气层与空气剧原来，这是高速飞行的陨星进入大气层与空气剧 烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇宙航天器完成任务返回地球时，烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇宙航天器完成任务返回地球时， 面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明，面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明， 当宇宙飞行器的飞行当宇宙飞行器的飞行 速度达到速度达到3倍声速时，其前端温度可达倍声速时，其前端温度可达330；当飞行速度为；当飞行速度为6倍声倍声 速时，速时， 可达可达1480 。 宇宙飞行器遨游太空归来，到达离地面宇宙飞行器遨游太空归来，到达离地面60-70千米时，速度仍然保

14、千米时，速度仍然保 持在声速的持在声速的20多倍，温多倍，温 度在度在10000以上，这样的高温足以把航天器化以上，这样的高温足以把航天器化 作一团烈火。高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这作一团烈火。高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这 种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类挺进宇挺进宇 宙的步伐，宙的步伐， 那么科那么科 学家们是如何服热障，使航天器安全回家的呢？学家们是如何服热障，使航天器安全回家的呢？ 15 陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。分陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。

15、分 析陨石的成分和结构发现析陨石的成分和结构发现 ，陨石表面虽然已经熔融，但内部的化学成，陨石表面虽然已经熔融，但内部的化学成 分没有发生变化。这说明陨石在下落过程中，分没有发生变化。这说明陨石在下落过程中， 表面因摩擦生热达到几表面因摩擦生热达到几 千度高温而熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量来不及传到陨石千度高温而熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量来不及传到陨石 内部。给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成内部。给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成“盔甲盔甲”，把摩擦产，把摩擦产 生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系

16、列物理和化学变化中， “丢卒保车丢卒保车”就能达到保护宇宙飞行器的目的。就能达到保护宇宙飞行器的目的。 一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层，一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层， 首先从舷窗中首先从舷窗中 看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼啪看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼啪 啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧 ，它们牺牲了自己，把飞，它们牺牲了自己，把飞 船内的温度始终维持在常温范围，保护飞船平安返回地面。船内的温度始终维持在常温范围，保护飞船平安返回地面。 作为烧蚀材料，要求气

17、化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射 热量的本领强。热量的本领强。 16 玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好，玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好， 是制造雷达罩的理想材料。由于它显示了其是制造雷达罩的理想材料。由于它显示了其 它工业材料无以伦比的许多优异特性，而在它工业材料无以伦比的许多优异特性，而在 材料科学界引起了强烈反响，它启迪人们去材料科学界引起了强烈反响，它启迪人们去 寻求新的增强纤维，以开发性能更加优越的寻求新的增强纤维，以开发性能更加优越的 新型复合材料。新型复合材料。 （2 2）优异的电绝缘性能和高频介电性能；）优异的

18、电绝缘性能和高频介电性能； 17 雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。 电磁波遇到障碍物要发生反射，雷达就是利用电磁波的反电磁波遇到障碍物要发生反射，雷达就是利用电磁波的反 射来工作的射来工作的. .波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射 性能越强，因此雷达用的是微波波段的无线电波性能越强，因此雷达用的是微波波段的无线电波. . 雷达有一个特制的可以转动的天线，它能向一定的方向雷达有一个特制的可以转动的天线，它能向一定的方向 发射不连续的无线电波发射不连续的无线电波. .每次发射的时间约为百万分之

19、一秒，每次发射的时间约为百万分之一秒， 两次发射的时间间隔大约是发射时间的一百倍两次发射的时间间隔大约是发射时间的一百倍. .发射出去的发射出去的 无线电波遇到障碍物时，可以在这个时间间隔内反射回来无线电波遇到障碍物时，可以在这个时间间隔内反射回来 为天线接收为天线接收. . 18 （3）良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性；有特殊的光学、电学、良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性；有特殊的光学、电学、 磁学。磁学。 例如：碳纤维增强塑料例如：碳纤维增强塑料(carbon-fiber reinforced plastics， CFRP) 是是最有代表性、性能最优越的塑料最有代表性、性能最优越的塑料(即树脂

20、即树脂)基基 复合材料复合材料 优点碳纤维的强度比钢大四倍，重量只有钢的优点碳纤维的强度比钢大四倍，重量只有钢的14，比铝还，比铝还 轻。碳纤维复合材料广泛应用在航空工业中。与玻璃钢相比，轻。碳纤维复合材料广泛应用在航空工业中。与玻璃钢相比， 强度高强度高0.51倍，弹性模量高倍，弹性模量高24倍，同时还具有多种功倍，同时还具有多种功 能。包括：很高的耐腐蚀性；优良的热特性能。包括：很高的耐腐蚀性；优良的热特性(绝热性，隔绝热性，隔 热性和尺寸稳定性等热性和尺寸稳定性等)；一定的电性能；一定的电性能(通电发热，防静电通电发热，防静电 干扰，导电性等干扰，导电性等)；滑动特性；滑动特性(耐磨性，

21、润滑性耐磨性，润滑性)；减振；减振 性能性能(减振防噪等减振防噪等)；放射线特性；放射线特性(X射线透过性射线透过性)等。它的等。它的 优异性能是其它纤维增强塑料无法比拟的。优异性能是其它纤维增强塑料无法比拟的。 19 原生态撑杆开创历史原生态撑杆开创历史 17891789年，德国人普茨跳过了年，德国人普茨跳过了1.831.83米，这或许是历史上第一个有案可查的撑杆跳米，这或许是历史上第一个有案可查的撑杆跳 纪录。然而两百多年后，只一个年纪轻轻的姑娘便可以轻而易举地越过纪录。然而两百多年后，只一个年纪轻轻的姑娘便可以轻而易举地越过5 5米的高度。米的高度。 长久以来，人们不断地尝试让自己的身体

22、更接近天空，同时我们所借助的撑杆也长久以来，人们不断地尝试让自己的身体更接近天空，同时我们所借助的撑杆也 经历了一段漫长的演变。经历了一段漫长的演变。 18961896年第一届奥运会，美国运动员威廉年第一届奥运会，美国运动员威廉霍亚特靠着笨重、坚硬的山胡桃木创霍亚特靠着笨重、坚硬的山胡桃木创 造了造了3.33.3米的世界纪录。米的世界纪录。1212年后的伦敦奥运会是撑杆跳高历史上的一个里程碑，美年后的伦敦奥运会是撑杆跳高历史上的一个里程碑，美 国耶鲁大学学生吉尔伯特第一次使用竹竿跳过国耶鲁大学学生吉尔伯特第一次使用竹竿跳过3.713.71米获得冠军。中国第一位进入米获得冠军。中国第一位进入 奥

23、运会决赛的选手符保卢在奥运会决赛的选手符保卢在19361936年柏林奥运会撑杆跳比赛中使用的就是竹竿。竹年柏林奥运会撑杆跳比赛中使用的就是竹竿。竹 竿相比于木杆更富弹性，天然的中空结构使撑杆的重量减轻，有利于运动员快速竿相比于木杆更富弹性，天然的中空结构使撑杆的重量减轻，有利于运动员快速 助跑。助跑。“竹竿时代竹竿时代”的世界纪录也随之上升到了的世界纪录也随之上升到了4.77米。米。 玻璃纤维撑杆辉煌一时玻璃纤维撑杆辉煌一时 瑞典钢和铝合金制成的空心撑杆和尼龙竿一度取代了竹竿的垄断地位，瑞典钢和铝合金制成的空心撑杆和尼龙竿一度取代了竹竿的垄断地位， 但是当玻璃纤维撑杆在但是当玻璃纤维撑杆在19

24、52年的赫尔辛基奥运会上亮相后，撑杆跳就此进入年的赫尔辛基奥运会上亮相后，撑杆跳就此进入 一个新的时代。一个新的时代。 玻璃纤维撑杆又称之为玻璃纤维撑杆又称之为“玻璃钢撑杆玻璃钢撑杆”，它之所以能够带来，它之所以能够带来“立竿见影立竿见影” 的效果，就在于它较轻的自重和极强的柔韧性。由于杆重大大减轻，运动员的效果，就在于它较轻的自重和极强的柔韧性。由于杆重大大减轻，运动员 持杆助跑的速度得以猛增。另外相比于持杆助跑的速度得以猛增。另外相比于“刚性刚性”撑杆和地面撑杆和地面“硬碰硬硬碰硬”的接的接 触，触，“柔性柔性”的纤维杆落地后更像是压缩了的弹簧。纤维撑杆被压弯后便积的纤维杆落地后更像是压缩

25、了的弹簧。纤维撑杆被压弯后便积 蓄了变形势能，从而可以将运动员蓄了变形势能，从而可以将运动员“弹弹”向空中。如此一来便使得运动员在向空中。如此一来便使得运动员在 垂直上升和跨越横杆时可以充分利用自己水平助跑时积攒的动能。垂直上升和跨越横杆时可以充分利用自己水平助跑时积攒的动能。 20 碳素纤维撑杆另辟蹊径碳素纤维撑杆另辟蹊径 今天竞技场上的撑杆经过不断更新换代，玻璃今天竞技场上的撑杆经过不断更新换代，玻璃 纤维撑杆已不大被人采用。玻璃纤维被碳纤维代替；纤维撑杆已不大被人采用。玻璃纤维被碳纤维代替； 不饱和聚酯也被环氧树脂取代。这种碳纤维复合材不饱和聚酯也被环氧树脂取代。这种碳纤维复合材 料的性

26、能比玻璃钢有了大幅度的提高，因而现在的料的性能比玻璃钢有了大幅度的提高，因而现在的 撑杆更轻、强度更好。撑杆更轻、强度更好。 现代的撑杆制作工艺日臻完善和成熟，甚至可以现代的撑杆制作工艺日臻完善和成熟，甚至可以 通过精密的实验和计算，根据撑杆从上到下受力的通过精密的实验和计算，根据撑杆从上到下受力的 差异和弯曲的弧度来设计不同部位最合理的强度。差异和弯曲的弧度来设计不同部位最合理的强度。 虽然对于撑杆材料革命的疑虑和抱怨一直未曾停止，虽然对于撑杆材料革命的疑虑和抱怨一直未曾停止， 但是如果没有这种进化，我们又怎么能够看到伊辛但是如果没有这种进化，我们又怎么能够看到伊辛 巴耶娃巴耶娃“百尺竿头，

27、更进一步百尺竿头，更进一步”呢？呢？ 21 1.5.5 良好的加工工艺性良好的加工工艺性 （1）可以根据制品的使用条件、性能要求选择）可以根据制品的使用条件、性能要求选择 原材料，即材料有可设计性；原材料，即材料有可设计性； （2）可以根据制品的形状、大小、数量选择加）可以根据制品的形状、大小、数量选择加 工成型方法；工成型方法； （3）可整体成型，减少装配零件的数量，节省）可整体成型，减少装配零件的数量，节省 工时，节省材料，减轻质量。工时，节省材料，减轻质量。 22 1.5.6各向异性和可设计性：各向异性和可设计性： 可以根据可以根据工程结构的载荷分布工程结构的载荷分布及及使用条使用条 件

28、的不同，件的不同，选取相应的选取相应的材料材料及及铺层设计铺层设计满足满足 既定的要求。这一特点可以实现制件的优化既定的要求。这一特点可以实现制件的优化 设计，做到安全可靠、经济合理。设计，做到安全可靠、经济合理。 23 聚合物基复合材料存在的缺点：聚合物基复合材料存在的缺点： 材料工艺的稳定性差材料工艺的稳定性差 材料性能的分散性差材料性能的分散性差 长期耐高温与环境老化性能不好长期耐高温与环境老化性能不好 抗冲击性能低抗冲击性能低 横向强度和层间剪切强度不够好横向强度和层间剪切强度不够好 这些问题也正是需要研究解决，从而推动复这些问题也正是需要研究解决，从而推动复 合材料的发展，使之日益成

29、熟。合材料的发展，使之日益成熟。 24 复合材料与金属等材料比较，显示出较大的优越性。复合材料与金属等材料比较，显示出较大的优越性。 25 26 复合材料结构在火箭中的应用复合材料结构在火箭中的应用 1.6 复合材料的应用复合材料的应用 27 复合材料结构在人造卫星中的应用复合材料结构在人造卫星中的应用 28 东方红一号卫星是我国于东方红一号卫星是我国于 1970年年4月月24日发射的第一颗日发射的第一颗 人造地球卫星。按当时时间先人造地球卫星。按当时时间先 后后,我国是继苏、美、法、日之我国是继苏、美、法、日之 后后,世界上第五个用自制火箭发世界上第五个用自制火箭发 射国产卫星的国家射国产卫

30、星的国家 29 人造地球卫星与空间探测器的结构材料人造地球卫星与空间探测器的结构材料大多采用铝合金和镁合金，要求高强大多采用铝合金和镁合金，要求高强 度的零部件则采用钛合金和不锈钢。为了提高刚度和减轻重量，已开始采用高模量石度的零部件则采用钛合金和不锈钢。为了提高刚度和减轻重量，已开始采用高模量石 墨纤维增强的新型复合材料。墨纤维增强的新型复合材料。 卫星体和仪器设备表面卫星体和仪器设备表面常覆有温控涂层，利用热辐射或热吸收特性来调节温度。常覆有温控涂层，利用热辐射或热吸收特性来调节温度。 航天器上的大面积太阳翼航天器上的大面积太阳翼初期为铝合金加筋板或夹层板结构，后来改用石墨纤初期为铝合金加

31、筋板或夹层板结构，后来改用石墨纤 维复合材料作面板的铝蜂窝夹芯结构，更先进的轻型太阳翼则以石墨纤维复合材料作维复合材料作面板的铝蜂窝夹芯结构，更先进的轻型太阳翼则以石墨纤维复合材料作 框架，蒙上聚酰胺薄膜。框架，蒙上聚酰胺薄膜。面积更大的柔性太阳翼面积更大的柔性太阳翼全部由薄膜材料制成。全部由薄膜材料制成。 大型抛物面天线大型抛物面天线是现代卫星的重要组成部分，原来多采用铝合金或玻璃钢制造，是现代卫星的重要组成部分，原来多采用铝合金或玻璃钢制造， 但随着天线指向精度的提高，已改用热膨胀系数极小的轻质材料。石墨和芳纶在一定但随着天线指向精度的提高，已改用热膨胀系数极小的轻质材料。石墨和芳纶在一定

32、 的温度范围内具有负膨胀系数，可通过材料的铺层设计制造出膨胀系数接近于零的复的温度范围内具有负膨胀系数，可通过材料的铺层设计制造出膨胀系数接近于零的复 合材料，从而成为制造天线的基本材料。超大型天线需制成可展开的伞状，其骨架由合材料，从而成为制造天线的基本材料。超大型天线需制成可展开的伞状，其骨架由 铝合金或复合材料制成，反射面为涂有特殊涂层的聚酯纤维网或镍铝合金或复合材料制成，反射面为涂有特殊涂层的聚酯纤维网或镍-铬金属丝网。铬金属丝网。 卫星体内还使用多层材料、工程塑料、玻璃钢等作为卫星体内还使用多层材料、工程塑料、玻璃钢等作为隔热材料隔热材料，用二硫化钼固体，用二硫化钼固体 润滑剂等作为

33、运动部件的润滑材料，用硅橡胶等作为舱室的润滑剂等作为运动部件的润滑材料，用硅橡胶等作为舱室的密封材料密封材料。 30 蜜蜂的蜂窝构造非常精巧、适用蜜蜂的蜂窝构造非常精巧、适用 而且节省材料。蜂房由无数个大小相而且节省材料。蜂房由无数个大小相 同的房孔组成，房孔都是正六角形，同的房孔组成，房孔都是正六角形， 每个房孔都被其它房孔包围，两个房每个房孔都被其它房孔包围，两个房 孔之间只隔着一堵蜡制的墙。令人惊孔之间只隔着一堵蜡制的墙。令人惊 讶的是，房孔的底既不是平的，也不讶的是，房孔的底既不是平的，也不 是圆的，而是尖的。这个底是由三个是圆的，而是尖的。这个底是由三个 完全相同的菱形组成。有人测量

34、过菱完全相同的菱形组成。有人测量过菱 形的角度，两个钝角都是形的角度，两个钝角都是109109而两而两 个锐角都是个锐角都是7070。令人叫绝的是，世。令人叫绝的是，世 界上所有蜜蜂的蜂窝都是按照这个统界上所有蜜蜂的蜂窝都是按照这个统 一的角度和模式建造的。一的角度和模式建造的。 成了蜂窝结构。这种蜂窝结构强成了蜂窝结构。这种蜂窝结构强 度很高，重量又很轻，还有益于隔音度很高，重量又很轻，还有益于隔音 和隔热。因此，现在的航天飞机、人和隔热。因此，现在的航天飞机、人 造卫星、宇宙飞船在内部大量采用蜂造卫星、宇宙飞船在内部大量采用蜂 窝结构，卫星的外壳也几乎全部是蜂窝结构，卫星的外壳也几乎全部是

35、蜂 窝结构。因此，这些航天器又统称为窝结构。因此，这些航天器又统称为 “蜂窝式航天器蜂窝式航天器”。 31 2009年年8月月25日当地时间日当地时间17时，时， 韩国首枚运载火箭韩国首枚运载火箭“罗老号罗老号”发射上发射上 天，但其所搭载的卫星并未进入预定天，但其所搭载的卫星并未进入预定 轨道，尽管韩联社引述韩、俄两国相轨道，尽管韩联社引述韩、俄两国相 关专家的话称，因为关专家的话称，因为“火箭发射本身火箭发射本身 是成功的是成功的”，所以，所以“此次发射算是成此次发射算是成 功了一半功了一半”，但站在客观立场上评论，但站在客观立场上评论 ，这应该算是一次失败。，这应该算是一次失败。 道理是

36、明摆着的，火箭发射的目道理是明摆着的，火箭发射的目 的是把卫星送进预定轨道，按照韩国的是把卫星送进预定轨道，按照韩国 教育科技部此前的说法，是借此次成教育科技部此前的说法，是借此次成 功，令韩国功，令韩国“成为第成为第10个用本土技术个用本土技术 、从本国国土上发射卫星入轨、从本国国土上发射卫星入轨”的国的国 家，而这个目的显然业已落空。家，而这个目的显然业已落空。 罗老号：拿来主义的苦辣酸甜罗老号：拿来主义的苦辣酸甜 发射失败发射失败 32 哥伦比亚号所用的复合材料哥伦比亚号所用的复合材料 1981年年4月月12日，美国第日，美国第 一架航天飞机一架航天飞机“哥伦比亚哥伦比亚” 号在肯尼迪航

37、天中心首次号在肯尼迪航天中心首次 升空。升空。 2003年年2月月1日，美国日，美国 “哥伦比亚哥伦比亚”号航天号航天 飞机在返回地面时在飞机在返回地面时在 得克萨斯州中北部地得克萨斯州中北部地 区上空解体并坠毁，区上空解体并坠毁， 机上名宇航员全部机上名宇航员全部 遇难。遇难。 33 载人飞船各舱段的结构材料载人飞船各舱段的结构材料大多是铝合金、镁合金和钛合金。大多是铝合金、镁合金和钛合金。 再入舱段的侧壁采取辐射防热措施，外蒙皮为耐高温的镍基合金，再入舱段的侧壁采取辐射防热措施，外蒙皮为耐高温的镍基合金， 内部结构为耐热钛合金。外蒙皮与内部结构之间填以石英纤维等各内部结构为耐热钛合金。外蒙

38、皮与内部结构之间填以石英纤维等各 种隔热材料。再入舱靠外蒙皮的高辐射特性和隔热层的良好的隔热种隔热材料。再入舱靠外蒙皮的高辐射特性和隔热层的良好的隔热 特性，保持舱内有适宜的工作温度。再入舱的头部经受的热流高，特性，保持舱内有适宜的工作温度。再入舱的头部经受的热流高， 须采用与导弹头部相似的烧蚀材料。须采用与导弹头部相似的烧蚀材料。 航天飞机的轨道器航天飞机的轨道器大部分用铝合金制造。大部分用铝合金制造。 支承主发动机的推力结构支承主发动机的推力结构用钛合金制造；用钛合金制造；中机身的部分主框中机身的部分主框采采 用以硼纤维增强铝合金的金属基复合材料；用以硼纤维增强铝合金的金属基复合材料；货舱

39、舱门货舱舱门用石墨纤维增用石墨纤维增 强环氧树脂复合材料作面板的特制纸蜂窝夹层结构。强环氧树脂复合材料作面板的特制纸蜂窝夹层结构。 航天飞机使用百次左右，再入大气层时的防热是一个重要的问航天飞机使用百次左右，再入大气层时的防热是一个重要的问 题，因此使用了各类表面隔热材料，其中主要是题，因此使用了各类表面隔热材料，其中主要是新型陶瓷隔热瓦新型陶瓷隔热瓦。 34 哥伦比亚号航天飞机（哥伦比亚号航天飞机（STS Columbia OV-102）是美国的太空梭机队中第一架正式服役的，它在）是美国的太空梭机队中第一架正式服役的，它在 1981年年4月月12日首次执行代号日首次执行代号STS-1的任务，

40、正式开启了的任务，正式开启了NASA的太空运输系统计划（的太空运输系统计划（Space Transportation System program，STS）之序章。）之序章。 然而很不幸的，哥伦比亚号在然而很不幸的，哥伦比亚号在2003年年2月月1日，在代号日，在代号STS-107的第的第28次任务重返大气层的阶段中与次任务重返大气层的阶段中与 控制中心失去联系，并且在不久后被发现在控制中心失去联系，并且在不久后被发现在德克萨斯州德克萨斯州上空爆炸解体，机上上空爆炸解体，机上7名太空人全数罹难。名太空人全数罹难。 1981年年4月月12日，在卡纳维拉尔角日，在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心肯尼迪航

41、天中心聚集着上百万人，参观第一架航天飞机哥伦比亚聚集着上百万人，参观第一架航天飞机哥伦比亚 号航天飞机发射。宇航员翰号航天飞机发射。宇航员翰杨（杨（John WYoung）和克里平（）和克里平（Robert LCrippen）揭开了航天史上新的）揭开了航天史上新的 一页。这架航天飞机总长约一页。这架航天飞机总长约56米，翼展约米，翼展约24米，起飞重量约米，起飞重量约2040吨，起飞总推力达吨，起飞总推力达2800吨，最大有效载吨，最大有效载 荷荷29.5吨。它的核心部分轨道器长吨。它的核心部分轨道器长37.2米，大体上与一架米，大体上与一架DC9客机的大小相仿。每次飞行最多可载客机的大小相仿

42、。每次飞行最多可载8名名 宇航员，飞行时间宇航员，飞行时间7至至30天，轨道器可重复使用天，轨道器可重复使用100次。次。 航天飞机集火箭，卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像航天飞机集火箭，卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像 卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。 1981年初，经过十年的研制开发，年初，经过十年的研制开发，“哥伦比亚哥伦比亚”号终于建造成功，它是第一架用于在太空和地面之号终

43、于建造成功，它是第一架用于在太空和地面之 间往返运送宇航员和设备的航天飞机。它第一次飞行的任务只是测试它的轨道飞行和着陆能力。在太空间往返运送宇航员和设备的航天飞机。它第一次飞行的任务只是测试它的轨道飞行和着陆能力。在太空 飞行飞行54小时，环绕地球飞行小时，环绕地球飞行36周之后航天飞机安全着陆。周之后航天飞机安全着陆。 “哥伦比亚哥伦比亚”号是以号是以18世纪初第一艘环绕地球航行的美国轮船的名字命名的，在下一架航天飞机，世纪初第一艘环绕地球航行的美国轮船的名字命名的，在下一架航天飞机， “挑战者挑战者”号建成之前，号建成之前，“哥伦比亚哥伦比亚”号又进行了四次飞行。号又进行了四次飞行。 哥

44、伦比亚号航天飞机失事哥伦比亚号航天飞机失事 35 美国宇航局确认，美国美国宇航局确认，美国“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷，号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷， 是造成整起事故的祸首。是造成整起事故的祸首。“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会去年公布的调查报告称，外部燃料号航天飞机事故调查委员会去年公布的调查报告称，外部燃料 箱表面脱落的一块箱表面脱落的一块泡沫材料泡沫材料击中航天飞机热保护系统，是导致事故发生的主要原因。击中航天飞机热保护系统，是导致事故发生的主要原因。 事故发生后，由于无法迅速找回事发时的泡沫材料和燃料箱进行

45、检验，宇航局和事故调查委员会事故发生后，由于无法迅速找回事发时的泡沫材料和燃料箱进行检验，宇航局和事故调查委员会 一直没对事故原因作出最终定论。目前，一直没对事故原因作出最终定论。目前，“哥伦比亚哥伦比亚”号外部燃料箱约号外部燃料箱约50万块碎片已被找到并重新拼万块碎片已被找到并重新拼 在一起。宇航局负责在一起。宇航局负责“哥伦比亚哥伦比亚”号外部燃料箱工程的首席工程师尼尔号外部燃料箱工程的首席工程师尼尔奥特说，宇航局经多次试验确奥特说，宇航局经多次试验确 定，定，泡沫材料安装过程有缺陷泡沫材料安装过程有缺陷是造成事故的主要原因。是造成事故的主要原因。 奥特说，泡沫材料本身的化学成分没有问题，

46、问题在于用喷枪在燃料箱外敷设泡沫材料的过程。奥特说，泡沫材料本身的化学成分没有问题，问题在于用喷枪在燃料箱外敷设泡沫材料的过程。 试验表明，目前的敷设工艺会在各块泡沫材料之间留下缝隙，液态氢能够渗入其间。航天飞机起飞后，试验表明，目前的敷设工艺会在各块泡沫材料之间留下缝隙，液态氢能够渗入其间。航天飞机起飞后， 氢气受热膨胀，最终导致大块泡沫材料脱落。撞击氢气受热膨胀，最终导致大块泡沫材料脱落。撞击“哥伦比亚哥伦比亚”号的泡沫材料有手提箱大小，重约号的泡沫材料有手提箱大小，重约 0.75公斤。它几乎是被整块公斤。它几乎是被整块“撕下撕下”后，高速撞击到航天飞机左翼前缘的热保护系统，并形成裂隙。后

47、，高速撞击到航天飞机左翼前缘的热保护系统，并形成裂隙。 航天飞机重返大气层时，超高温气体得以从裂隙处进入航天飞机重返大气层时，超高温气体得以从裂隙处进入“哥伦比亚哥伦比亚”号机体，造成航天飞机解体。号机体，造成航天飞机解体。 奥特说，根据新标准对燃料箱进行检测是目前摆在美国宇航局面前的最大障碍。新标准要求，不奥特说，根据新标准对燃料箱进行检测是目前摆在美国宇航局面前的最大障碍。新标准要求，不 允许有允许有0.5盎司（盎司（14.17克）以上的克）以上的燃料箱外泡沫材料燃料箱外泡沫材料脱落。美国宇航局目前准备对所有航天飞机的脱落。美国宇航局目前准备对所有航天飞机的 11个燃料箱进行检测，检查每个

48、燃料箱需要个燃料箱进行检测，检查每个燃料箱需要4千万美元。千万美元。 哥伦比亚号航天飞机失事哥伦比亚号航天飞机失事 36 300km动车组动车组动车组车头动车组车头 司机台内饰司机台内饰 动车组车头动车组车头 300km/h动车组动车组 动车组卫生间动车组卫生间 37 38 波音波音-767用复合材料用复合材料中国大飞机总装中心挂牌中国大飞机总装中心挂牌 39 目前，国外新一代军机和民用运输机已普遍采用高性能树脂基碳纤维复目前，国外新一代军机和民用运输机已普遍采用高性能树脂基碳纤维复 合材料，第四代战机复合材料用量占飞机结构重量的合材料，第四代战机复合材料用量占飞机结构重量的2050，干线客机

49、，干线客机 约为约为10%50。 以波音以波音777为例，在其机体结构中，铝合金占为例，在其机体结构中，铝合金占70%、钢、钢11%、钛、钛7%，复，复 合材料仅占到合材料仅占到11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音787时，复时，复 合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%，不仅数量激，不仅数量激 增，而且已用于飞机的主承力构件。增，而且已用于飞机的主承力构件。 我国复合材料制造技术经过我国复合材料制造技术经过30多年的研究和发展，已形成了一定的规多年的研究和发展，已形成了一定的

50、规 模，达到了一定的水平。各主机生产厂均已建设了生产手段，完成了相应模，达到了一定的水平。各主机生产厂均已建设了生产手段，完成了相应 的设备改造和技术改造。各研究院所及重点高校培养了大量人才。国内从的设备改造和技术改造。各研究院所及重点高校培养了大量人才。国内从 设计、材料到工艺有了一支配套的研发队伍。但与国外相比，还存在应用设计、材料到工艺有了一支配套的研发队伍。但与国外相比，还存在应用 规模和水平、材料基础、制造工艺、设计方法与手段严重落后等问题，且规模和水平、材料基础、制造工艺、设计方法与手段严重落后等问题，且 差距有进一步拉开的趋势。差距有进一步拉开的趋势。 40 各种风格的玻璃钢建筑

51、各种风格的玻璃钢建筑 41 42 玻璃钢轴流风机玻璃钢轴流风机 屋顶离心风机屋顶离心风机 酚醛玻璃钢管道泵酚醛玻璃钢管道泵 玻璃钢管道玻璃钢管道 玻璃钢贮罐玻璃钢贮罐 玻璃钢耐腐蚀设备玻璃钢耐腐蚀设备 43 雪橇探险车雪橇探险车 休闲船休闲船 复合材料运动与娱乐器件复合材料运动与娱乐器件 44 渔船渔船 敞开式机动救生艇敞开式机动救生艇 海洋应用海洋应用 6m敞开艇敞开艇 摩托艇摩托艇 45 图图1-17 风力发电机叶片风力发电机叶片 46 层压板层压板 覆铜板覆铜板 47 复合材料复合材料 学术界开始使用学术界开始使用“复合材料复合材料”（composite materials ） 一词大约

52、是在一词大约是在20世纪世纪40年代，当时出现了年代，当时出现了玻璃纤维增强不玻璃纤维增强不 饱和聚酯饱和聚酯，开辟了，开辟了的新纪元。的新纪元。 1.7 复合材料的进展复合材料的进展 48 从从20世纪世纪60年代开始，开发出多种年代开始，开发出多种 。 20世纪世纪80年代以后，由于人们丰富了年代以后，由于人们丰富了设计设计、 制造制造和和测试测试等方面的知识和经验，加上各类作为等方面的知识和经验，加上各类作为 复合材料基体的材料的使用和改进，使复合材料基体的材料的使用和改进，使 的发展达到了更高的水平，即进入的发展达到了更高的水平，即进入 的发展阶段。的发展阶段。 49 复合材料的复合材

53、料的可表示为：可表示为： 古代古代近代近代 先进复合材料先进复合材料 50 自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如， 和和是是和和的复合体；的复合体； 则由则由和和复合而成。复合而成。 51 人类很早就人类很早就各种天然复合材料，并各种天然复合材料，并自自 然界制作各种各样的复合材料。例如然界制作各种各样的复合材料。例如 陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今；陕西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；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。敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木

54、表面的披麻覆漆。 52 近代近代，复合材料的发展始于，复合材料的发展始于20世纪世纪40年代，年代， 第二次世界大战中，第二次世界大战中，复合复合 材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。50 年代得到了迅速发展。年代得到了迅速发展。 我国我国从从1958年开始发展复合材料年开始发展复合材料 53 的制作成功则要从的制作成功则要从1942年，第年，第 二次世界大战中，二次世界大战中，复合材复合材 料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。 材料科学家们认为，就世界范围而论，从材料科学家们认为，就世界范围而论，从1940

55、年到年到1960年这年这20年间，是玻璃纤维增强塑料时代，年间，是玻璃纤维增强塑料时代， 可以称为可以称为。 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； 54 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年美国杜邦公司开发出Kevler-49 （凯芙拉（凯芙拉-49 ）；）； 1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及碳纤维增强、及Kevler纤维增纤维增 强环氧树脂复合材料强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。已用于飞机、火箭的主承力件上。 这一时期被称为这一时期被称为 第二代：第二

56、代：1960年到年到1980年，先进复合材料的发展时期年，先进复合材料的发展时期 55 1980年到年到1990年间，是年间，是 的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广 泛，这一时期是泛，这一时期是。 56 1990年以后则被认为是年以后则被认为是，主要，主要 发展发展，如，如和和 。 随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在 导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造 船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都船、建筑、电子、桥梁、机械、

57、医疗和体育等各个部门都 得到应用。得到应用。 57 纵观复合材料的发展过程，可以看到：纵观复合材料的发展过程，可以看到： 早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产 量大，使用面广，可称之为量大，使用面广，可称之为。 后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能 高的高的。 58 60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制 和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维

58、、芳纶纤维、碳化硅纤维 等）为增强材料的复合材料，其比强度大于等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4106厘米（厘米（cm），比模），比模 量大于量大于108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别， 将这种复合材料称为先进复合材料。将这种复合材料称为先进复合材料。 按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复 合材料。其使用温度分别达合材料。其使用温度分别达250350、3501200和和1200以上。以上。 先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材

59、先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材 料料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复 合材料合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变 化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。 先进复合材料先进复合材料 59 中国新型远程战略导弹使中国新型远程战略导弹使 用先进复合材料用先进复合材料 正六边形的天然蜂窝是蜂正六边形的天然蜂窝是蜂 族的杰作，以蜂窝结构作族的杰作，以

60、蜂窝结构作 为夹层结构的芯材是人类为夹层结构的芯材是人类 仿生学应用的一大成果。仿生学应用的一大成果。 隐身飞机隐身飞机 60 前苏联暴风雨号前苏联暴风雨号美挑战者号美挑战者号 美国美国正式使用的第二架正式使用的第二架航天飞机航天飞机。 并于并于1983年年4月月4日日正式进行任务首航。正式进行任务首航。 然而很不幸的，挑战者号在然而很不幸的，挑战者号在1986年年1月月 28日进行代号日进行代号STS-51-L的第的第10次太空次太空 任务时，因为右侧固态火箭推进器上任务时，因为右侧固态火箭推进器上 面的一个面的一个O形环失效，导致一连串的形环失效，导致一连串的 连锁反应连锁反应，并且在升空