第一章 复合材料课件概论

1、LOGO复合材料复合材料湖南科技大学湖南科技大学材料科学与工程系材料科学与工程系HNUSTCompany Logo主要参考资料主要参考资料HNUST1、复合材料概论、复合材料概论王荣国，王荣国， 武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，1999）2、复合材料、复合材料吴人洁（天津大学出版社，吴人洁（天津大学出版社，2000）3、复合材料、复合材料冯小明，张崇才冯小明，张崇才 (重庆大学出版社，重庆大学出版社，2007)4、现代复合材料、现代复合材料陈华辉，陈华辉， 邓海金，邓海金， 李李 明（中国物质出版社，明（中国物质出版社，1998）5、复合材料科学与工程、复合材料

2、科学与工程倪礼忠，陈麒倪礼忠，陈麒(科学出版社，科学出版社，2002)6、复合材料及其应用、复合材料及其应用尹洪峰，任耘（陕西科学技术出版社尹洪峰，任耘（陕西科学技术出版社,2003）7、新材料化学、新材料化学大卫。大卫。E。牛顿，吴娜等人译。牛顿，吴娜等人译(上海科技文献出版社，上海科技文献出版社，2008) 8、先进复合材料、先进复合材料鲁鲁 云，朱世杰，云，朱世杰， 马鸣图马鸣图 （机械工业已出版社，（机械工业已出版社，2004）Company Logo主要内容主要内容1234HNUST5678功能复合材料功能复合材料Company Logo第一章第一章 概论概论材料的分类材料的分类HN

3、UST克服单一材料的缺点 产生原来单一材料本身所没有的新性能复合材料复合材料Company LogoCompany LogoCompany Logo(1) 复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的应超过应超过组分材料，保留了所期望的性能组分材料，保留了所期望的性能(高强度、刚度、轻的重量高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的，抑制了所不期望的特性特性(低延性低延性)。(2) 复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种无法获得的特性；

4、它们是由两种或多种成分不同成分不同，性质不同性质不同，有时有时形状也不同形状也不同的相容性材料，以的相容性材料，以物理形式物理形式结合而成的。结合而成的。HNUST1.1 1.1 复合材料的定义复合材料的定义Company LogoHNUST(1) 复合材料是两种或多种材料复合材料是两种或多种材料在宏观尺度上在宏观尺度上组合而成的一种有用的材料。组合而成的一种有用的材料。(2) 复合材料就是两种或两种以上的不同化学性质或不同组织相的物质，复合材料就是两种或两种以上的不同化学性质或不同组织相的物质，以以微观或宏观的形式微观或宏观的形式组合而成的材料。组合而成的材料。(3) 复合材料是不同于合金的

5、一种材料，在合金中，每一种组分都保留着它们复合材料是不同于合金的一种材料，在合金中，每一种组分都保留着它们独立的特性，而构成复合材料时，仅取它们的优点而避开其缺点，从而获得独立的特性，而构成复合材料时，仅取它们的优点而避开其缺点，从而获得一种改善了的材料。一种改善了的材料。Company LogoHNUSTFL. Matthews和和DRawlings认为，复合材料是两个或两个以上认为，复合材料是两个或两个以上，并应满足下面三个条件：，并应满足下面三个条件： (1) 组元含量大于组元含量大于5； (2) 复合材料的性能显著不同于各组元的性能，复合材料的性能显著不同于各组元的性能， (3) 通过

6、各种方法混合而成。通过各种方法混合而成。Company Logo钢铁及其合金不应属于复合材料，如钢铁及其合金不应属于复合材料，如CoCrMoSi合金不属于复合材料，因合金不属于复合材料，因为这种合金经过为这种合金经过过程；而仅有像过程；而仅有像SiC颗粒强化的颗粒强化的Al合金这种混合而成合金这种混合而成的材料才属于复合材料。因此有人认为可将复合材料划分为的材料才属于复合材料。因此有人认为可将复合材料划分为广义复合材料和狭广义复合材料和狭义复合材料义复合材料。HNUSTCompany Logo从广义上讲，复合材料是由从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同两种或两种以上不同的的组分组合而成的

7、组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同不同的组的组分所组成的材料。分所组成的材料。复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过（或称组元），通过人工复合人工复合、组成多相组成多相、三维结合三维结合且各相之间有明显且各相之间有明显界面界面的、具有的、具有特殊性能特殊性能的材料。的材料。HNUST复合材料应不包括复合材料应不包括自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化

8、合物、单相合金和多相合金合物、单相合金和多相合金。Company LogoHNUST由两种以上由两种以上在物理和化学上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种不同的物质组合起来而得到的一种多相固体多相固体材料材料。 复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合复合工艺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，又通过复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

9、并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。有本质区别。Company Logo复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机聚合物材料，或无复合材料是根据应用的需要进行设计，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，使之机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能优势互补性能优势，从而制成的一，从而制成的一类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相材料范畴。多相材料范畴。因此，复合材

10、料必须通过对因此，复合材料必须通过对原材料的选择原材料的选择，各组分分布的设计各组分分布的设计和和工艺条件的保证工艺条件的保证等，以使原组分材料的优点互相补充，同时等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的利用复合材料的复合效应复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。优势。HNUSTCompany LogoHNUST 由两种或两种以上不同性能的材料组元通过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宏观或微观复合形成的一形成的一种新型材料，组元之间存在着种新型材料，组元之间存在着明显的界面明显的界面。 各组元不但保持各组元不但保持各自的固

11、有特性各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特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持殊性能。性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。 具有具有可设计性可设计性。Company LogoHNUST复合材料的结构通常是一个相为复合材料的结构通常是一个相为连续相连续相，称为，称为；而另一相是以独立的形；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的态分布在整个连续相中的分散相分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为会使材料的性能显著增强，故常称为 (也称为增强材料、增强相等也称为增强材

12、料、增强相等)。在大多数情况下，分散相较基体在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度硬，强度和刚度较基体大。分散相可以是纤较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体与增强体之间存在着维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体与增强体之间存在着界面。界面。Company LogoHNUST 强调基体时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。瓷基复合材料等。 强调增强体时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、碳纤维以增强体材料的名称为主。

13、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。增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。 基体材料基体材料名称与名称与增强体材料增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复具体的复合材料合材料，习惯上把，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增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。Company LogoHNUST例如：例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为，或简称为“玻璃纤维玻璃纤维/环氧树脂环氧树脂复合材料复合材料或或玻璃纤维玻璃纤维/环氧环氧”。而我国则常把这类复

14、合材料通称为。而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢玻璃钢”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料金属基复合材料”，也可写为，也可写为“碳碳金属复合材料金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳碳复合材料碳碳复合材料”。国外还常用国外还常用来表示，如来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材料，表示金属基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增表示纤维增强塑料。强塑料。Company LogoHNUST一、按一、按增强材料形态增强材料形态分为

15、四类分为四类1、连续纤维连续纤维复合材料复合材料2、短纤维短纤维复合材料复合材料3、粒状填料粒状填料复合材料复合材料4、纺织纺织复合材料复合材料Company LogoHNUST二、按二、按基体材料基体材料分为三类分为三类1、聚合物基聚合物基复合材料复合材料2、金属基金属基复合材料复合材料3、无机非金属基无机非金属基复合材料复合材料Company LogoHNUST三、按增强材料种类分类三、按增强材料种类分类1、玻璃纤维玻璃纤维复合材料复合材料2、碳纤维碳纤维复合材料复合材料3、有机纤维有机纤维复合材料复合材料(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚

16、烯烃纤维等)4、金属纤维金属纤维复合材料复合材料(钨丝、不锈钢丝等钨丝、不锈钢丝等)5、陶瓷纤维陶瓷纤维复合材料复合材料6、混杂混杂复合材料复合材料Company LogoHNUST四、按四、按材料作用材料作用分为两大类分为两大类1、结构复合材料：作为、结构复合材料：作为使用的复合材料，它基本上是由使用的复合材料，它基本上是由能承能承受载荷的增强体受载荷的增强体组元与组元与能联接增强体能联接增强体成为整体承载，同时又起成为整体承载，同时又起分配与传分配与传递载荷作用递载荷作用的基体组元构成。的基体组元构成。结构结构复合材料复合材料又可按又可按和和来分类。来分类。Company LogoHNUS

17、T复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料结构复合材料结构复合材料性树脂基性树脂基性树脂基性树脂基基基基基基基基基基基基基基基按按分类分类Company LogoHNUST按按分类分类结构复合材料结构复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料Company LogoHNUST指具备各种指具备各种的材料。例如：的材料。例如：声声、光光、电电、磁磁、热热、耐腐蚀耐腐蚀、零膨胀零膨胀、阻尼阻尼、摩擦摩擦、屏蔽屏蔽或或换能换能等。等。功能复合材料中的功能复合材料中的又可称为又可称为，它分布于，它分布于中。中。功能复合材料中的功能复合

18、材料中的不仅起到不仅起到的作用，而且能够产生的作用，而且能够产生的作用。的作用。Company LogoHNUST(3) 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(1) 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 广泛的应用广泛的应用 (2) 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Company LogoHNUST复合材料的复合材料的可表示为：可表示为：古代古代近代近代先进复合材料先进复合材料的复合体的复合体;50%Com

19、pany LogoHNUSTCompany Logo: 和和复合而成。复合而成。蛋白胶原质蛋白胶原质羟基磷灰石晶体羟基磷灰石晶体多缩氨基多缩氨基酸分子酸分子HNUSTCompany LogoHNUST历史上的复合材料历史上的复合材料砖：一万年前，埃及砖：一万年前，埃及罗马椭圆形竞技场罗马椭圆形竞技场都江堰都江堰西汉时期西汉时期越王勾践剑越王勾践剑西周时期西周时期Company Logo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、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆距今约距今约1500年年 Company LogoJoseph Monier钢筋混凝土时代Henry Bessemer 钢铁

20、的发明波特兰水泥(硅酸盐水泥) J. Aspdin HNUST近代复合材料近代复合材料 Company LogoHNUST学术界开始使用学术界开始使用“复合材料复合材料”（composite materials ）一词大约是在一词大约是在20世世纪纪40年代，第二次世界大战中，年代，第二次世界大战中，复合材料被美国空军复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起，用于制造飞机构件开始算起，50年代得到了迅速发展。开辟了年代得到了迅速发展。开辟了的新纪元。的新纪元。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，由于人年代以后，由于人们丰富了们丰富了设计设

21、计、制造制造和和测试测试等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料基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。Company Logo：1940年到年到1960年，玻璃纤维增强塑料；年，玻璃纤维增强塑料；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纤维增强环氧纤维增强环氧树脂复合材料树脂复合材料”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。HNUST1960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；19