第1章 复合材料概论

1、1复复 合合 材材 料料 2主要参考资料主要参考资料1、复合材料大全、复合材料大全-沃丁柱，科学出版社，沃丁柱，科学出版社，2001；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、先进复合材料、先进复合材料-鲁鲁 云云 朱世杰朱世杰 马鸣图马鸣图 （机械工业已出（机械工业已出版社版社,2004）使用教材：使用教材：复合材料概论复合材料概论-王荣国王荣国 武卫莉等（哈尔滨工武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，业大学出版社，2008）3v常思考，教学互动，多查资料常思考，教学互动，多查资料;v考核办法：平时考核办法：平时30%，期终考试，期终考试70%;v基础基础

2、70，点名，点名+5，缺席，缺席-10；v奖励：回答问题奖励：回答问题+1，专题报告，专题报告+30；v课代表（课代表（+10分）；分）；41.1 复合材料的发展概况复合材料的发展概况假舆马者，非利足也，而致千里。假舟辑者，非能水也，而假舆马者，非利足也，而致千里。假舟辑者，非能水也，而绝江河。君子生非异也，绝江河。君子生非异也，善假于物也善假于物也。-荀子荀子.劝学劝学工欲善其事，必先利其器。工欲善其事，必先利其器。-论语论语卫灵公卫灵公 材料是社会进步的基础材料是社会进步的基础石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代信息时代信息时代5渐渐地，人们发现传统的单相材料已经不能满足实

3、际需求，渐渐地，人们发现传统的单相材料已经不能满足实际需求，于是出现了多相材料的复合化，即复合材料：于是出现了多相材料的复合化，即复合材料：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质由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。组合而成的一种多相固体材料。定义：定义：特征：特征：微观上是非均相材料，组分间有明显的界面；微观上是非均相材料，组分间有明显的界面；组分材料性能差距很大；组分材料性能差距很大；组分复合后材料的性能有较大改进。组分复合后材料的性能有较大改进。6材料的优缺点组合示意图材料的优缺点组合示意图7泥土和草的复合泥土和草的复合钢筋混凝土的钢筋混凝土的发明发明复合

4、材料无所不在！复合材料无所不在！混凝土抗拉不抗压，混凝土抗拉不抗压，1/108树木树木贝壳贝壳9同学们还能举出哪些复合同学们还能举出哪些复合材料的例子？材料的例子？10玻璃纤维绳玻璃纤维绳碳碳纤纤维维绳绳陶瓷刀具陶瓷刀具坦克坦克导弹导弹11（1）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。材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）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、陶瓷颗粒增强维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒

5、增强复合材料等。复合材料等。（3）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。这种命名方法常并用。这种命名方法常用来表示某一种用来表示某一种具体的复合材料具体的复合材料，习惯上把，习惯上把增强体材料增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。1.2 复合材料的命名复合材料的命名12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/环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料或或玻璃纤维玻璃纤维/环氧环氧”。而我国则常。而我国则常把这类复合材料通称为把这类复合材料通称为“玻璃钢玻璃钢”。碳纤维

6、和金属基体构成的碳纤维和金属基体构成的复合材料叫复合材料叫“金属基复合材料金属基复合材料”，也可写为，也可写为“碳金属复合材碳金属复合材料料”。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）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为环氧则表示为GF/Epoxy, 或或G/Ep(G-Ep)13复合材料常见的复合材料常见的有以下几种：有以下

7、几种：一、按一、按增强材料形态增强材料形态分为以下三类分为以下三类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的两个端点都纤维复合材料：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；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基纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；体材料中；1.3 复合材料的分类复合材料的分类142、颗粒颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3、板状板状增强体、编织复合材料：以增强体、编织复合材料：以平面二维平面二维或或立

8、体三维物立体三维物为增强材料与基体复合而成。为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 15复合材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16增强复合材料增强复合材料纤维增强复合材料分为以下五种：纤维增强复合材料分为以下五种： 复合材料；复合材料； 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（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；纤维等）复合材料； （如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如钨

9、丝、不锈钢丝等）复合材料； （如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。材料。17 结构结构复合材料；复合材料； 功能功能复合材料。复合材料。18主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为使用的复合材料，它基本上是由使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体能承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递载荷分配与传递载荷作用作用的基体组元构成。的基体组元构成。特点：特点： 可根据材料在使用中受力的要求进行可根据材料在使用中受力的要求进行和和，

10、从而充分发挥各组元的效能。，从而充分发挥各组元的效能。19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20B、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21指具备各种指具备各种的材料。的材料。例如：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不仅起到不仅起到的作的作用，而且能够产生用，而且能够产生的作用

11、的作用22（）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 （）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231.4 复合材料发展概况复合材料发展概况24自然界中存在许许多多的天然复合材料。例自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，如，和和是是和和的复合体；的复合体；则由则由和和复复合而成。合而成。25人类很早就人类很早就各种天然复合材料，并各种天

12、然复合材料，并自然自然界制作各种各样的复合材料。例如界制作各种各样的复合材料。例如陕西半坡人草梗和泥筑墙，且延用至今；陕西半坡人草梗和泥筑墙，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、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。26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；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 ；1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及

13、碳纤维增强、及Kevler纤维增强纤维增强环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料”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27 第三代：第三代：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泛。的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广泛。 第四代：第四代： 1990年以后则被认为是年以后则被认为是，主要发展，主要发展，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

14、、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、医疗和体育等各个部门都得到应用。得到应用。281.5 复合材料的设计原理复合材料的设计原理 复合材料的可设计性复合材料的可设计性复合材料的可设计性是其区别传统材料的最大特点。复合材料的可设计性是其区别传统材料的最大特点。弹性常数弹性常数、热膨胀系数热膨胀系数、材料强度材料强度和和刚度刚度等存在各等存在各向异性。向异性。29复合材料的设计过程复合材料的设计过程对外部环境与对外部环境与载荷的要求载荷的要求机械载荷机械载荷热载荷热载荷

15、潮湿环境潮湿环境选材选材基体材料基体材料增强材料增强材料几何形状几何形状成型方法工艺成型方法工艺及工艺过程优及工艺过程优化的设计化的设计代表性单元的代表性单元的性能考察性能考察有限元有限元实验力学实验力学宏观性能宏观性能复合材料的响应复合材料的响应应力场应力场温度场温度场损伤及破坏分析损伤及破坏分析强度准则强度准则损伤机理损伤机理破坏过程破坏过程30复合材料的设计条件复合材料的设计条件1） 结构性能要求结构性能要求 结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内安结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内安全；全； 提供装置各种配件仪器等附件的空间；提供装置各种配件仪器等附件的空间； 隔绝外界的环境状态而保护内部物体：隔绝外界的环境状态而保护内部物体：汽车汽车结构性能与质量有关；结构性能与质量有关；与功能有关；与功能有关；312） 载荷情况载荷情况静载荷：结构梁、自重静载荷：结构梁、自重动载荷（瞬时作用载荷、冲击载荷、交变载荷）动载荷（瞬时作用载荷、冲击载荷、交变载荷）火车启动、打桩机、曲轴连杆火车启动、打桩机、曲轴连杆323） 环境条件环境条件 力学条件力学条件