聚合物基复合材料绪论

1、1 聚合物聚合物复合材料复合材料基基2 二战时期,巧克力被用作美军的应急军粮,但其主要缺点是高温下融化,不能适应北非和东南亚一带的气候条件,怎么解决这一问题?第一章第一章 绪绪 论论3 材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋各有千秋扬长避短扬长避短 克服单一材料的缺点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产生原来单一材料本身所没有的新性能取长补短取长补短复合材料复合材料1.1 引言引言4树木也是一种复合材料木质素纤维素5进化的复合材料-海胆牙齿6进化的复合材料-贝壳7燕子窝：泥土-草复合材料8.2 复合材料的定义复合材料的

2、定义什么是什么是复合材料复合材料 (Composition Materials ) ? 复合材料是指将复合材料是指将两种或两种以上的不同材料两种或两种以上的不同材料, ,用用适当的方法复合适当的方法复合成的一种新材料成的一种新材料, ,其其性能比单一材料性能比单一材料性能优越性能优越。 9因此复合材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，各各组分分布的设计组分分布的设计和和工艺条件的保证工艺条件的保证等，以使原组等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。使之出现新的性能，最大限度地发挥优

3、势。.2 复合材料的定义复合材料的定义10微观上是非均微观上是非均相材料相材料,组分间有组分间有明显的界面明显的界面组分材料的组分材料的体积分数体积分数应大于应大于10% 组成复合材料组成复合材料后后,性能有较大性能有较大的改进的改进组分材料组分材料性能差异很大性能差异很大复合材料复合材料的特征的特征11复合材料的三种基本物理相：复合材料的三种基本物理相： 基体相：基体相：连续的物理相可以是一个、两个或连续的物理相可以是一个、两个或两个以上，这种连续的物理相在复合材料中两个以上，这种连续的物理相在复合材料中又称作基体相；又称作基体相； 增强相：增强相：不连续的物理相分散于连续的物理不连续的物理

4、相分散于连续的物理相中，所以也称为分散相，又因为它们多数相中，所以也称为分散相，又因为它们多数能对基体材料起一定的增强作用，所以又成能对基体材料起一定的增强作用，所以又成为增强相。为增强相。界面相：界面相：增强相和基体相之间有一交界面增强相和基体相之间有一交界面称为复合材料界面，称为界面相。称为复合材料界面，称为界面相。12脆性断口，基体断裂面平滑，个别纤维拔出后留下脆性断口，基体断裂面平滑，个别纤维拔出后留下空洞。有些碳纤维内部有长条形和圆形空洞缺陷。空洞。有些碳纤维内部有长条形和圆形空洞缺陷。13树脂基体的作用树脂基体的作用(1)粘接作用粘接作用(2)隔离作用隔离作用(3)保护作用保护作用

5、(6)破坏模式的影响破坏模式的影响(5)性能的影响性能的影响(4)定型作用定型作用纤维纤维的作用的作用(1)承担承担载荷载荷(2)提供提供力学性能力学性能(3)提供提供其它性能其它性能复合材料各组成的作用复合材料各组成的作用14 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。这种命并用。这种命名方法常用来表示某一种名方法常用来表示某一种具体的复合材料具体的复合材料，习，习惯上把惯上把增强体材料的名称放在前面，基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。的名称放在后面。1.3.1 复合材料的命名复合材料的命名15例如：例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材玻璃纤维增强环氧树脂复

6、合材料料”，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”。而我国则常把这类复合材料通而我国则常把这类复合材料通称为称为“玻璃钢玻璃钢”。碳纤维和金属基体构成的复合碳纤维和金属基体构成的复合材料叫材料叫“金属基复合材料金属基复合材料”，也可写为，也可写为“碳金碳金属复合材料属复合材料”。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”。1.3.1 复合材料的命名复合材料的命名16复合材料的复合材料的分类方法分类方法按使用性能按使用性能不同不同按基体材料按基体材料类型类型按分散相的按分散相的形态形态按增强纤维

7、按增强纤维分类分类某些范围的某些范围的名称名称结构结构复合材料复合材料功能功能复合材料复合材料树脂基树脂基复合材料复合材料金属基金属基复合材料复合材料无机无机非金属基非金属基复合材料复合材料连续纤维连续纤维增强增强复合材料复合材料纤维织物、纤维织物、编织体增强编织体增强复合材料复合材料片状材料片状材料增强增强复合材料复合材料短纤维短纤维或晶须增或晶须增强复合材料强复合材料 颗粒增强颗粒增强复合材料复合材料碳纤维碳纤维复合材料复合材料玻璃纤维玻璃纤维复合材料复合材料有机纤维有机纤维复合材料复合材料陶瓷纤维陶瓷纤维复合材料复合材料近代近代复合材料复合材料先进先进复合材料等复合材料等1.3.2 复合

8、材料的分类复合材料的分类17主要用于制造受力构件；结构复合材料主主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为要是作为使用的复合材料，它基本上使用的复合材料，它基本上是由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作用分配与传递载荷作用的的基体组元构成。基体组元构成。18指具备各种指具备各种的材料。的材料。例如：例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。等。191.4 复合材料的特性复合材料的特性聚合物基复合材料是复合材料中发展

9、最迅速、应聚合物基复合材料是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料。用最广泛的一类复合材料。1.4.1 比强度、比模量（刚度）高比强度、比模量（刚度）高o 比强度是材料强度与密度之比值即：比强度是材料强度与密度之比值即： 比强度比强度 = 强度强度/密度密度 MPa /（g/cm3）质量相等的前提下，质量相等的前提下，衡量材料承载能力；衡量材料承载能力；o 比模量是材料模量与密度之比值即：比模量是材料模量与密度之比值即： 比模量比模量 = 模量模量/密度密度 GPa /（g/cm3）。）。质量相等的前提下，质量相等的前提下，刚度特性指标刚度特性指标 20 材料材料 密度密度（g/cm)

10、 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7.82.84.52.01.451.61.42.12.651.030.470.961.061.501.071.401.381.02.10.751.140.41.42.40.82.12.01.31.72.15.310.36.71.06.

11、63.82.72.62.52.09.7155.7107.5 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21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/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

12、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。1.4.2 1.4.2 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22 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

13、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。1.4.3 阻尼减振性好阻尼减振性好23（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

14、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（

15、耐烧蚀层）。1.4.4 1.4.4 具有多种功能性具有多种功能性24 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；）优异的电绝缘性能和高频介电性能； 25（3）良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性；有特殊

16、的光良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性；有特殊的光学、电学、磁学性能。学、电学、磁学性能。例如：碳纤维增强塑料例如：碳纤维增强塑料(carbon-fiber reinforced plastics，CFRP) 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，比铝还轻。碳纤维复合材料广泛应用在航空工业中。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，强度高与玻璃钢相比，强度高0.51倍，弹性模量高倍，弹性模量高24倍，同时还具有多种功能。包括：倍，同时还具有多种功能。包括：很高的耐腐很高的耐腐蚀性；蚀性；优良的热特性优良的热特性(绝热性，隔热性和尺

17、寸稳绝热性，隔热性和尺寸稳定性等定性等)；一定的电性能一定的电性能(通电发热，防静电干扰，通电发热，防静电干扰，导电性等导电性等)；滑动特性滑动特性(耐磨性，润滑性耐磨性，润滑性)；减减振性能振性能(减振防噪等减振防噪等)；放射线特性放射线特性(X射线透过射线透过性性)等。等。261.4.5 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，

18、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。271.4.6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。28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

19、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，使之日益成熟。合材料的发展，使之日益成熟。29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1.5 复合材料的应用复合材料的应用30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31 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

20、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

21、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