第七章 复合材料 增强材料

1、非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料材料分类：材料分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料金属材料、无机非金属材料、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复合材料复合材料复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料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，

2、开辟了的新纪元。的新纪元。复 合 材 料 饱和聚酯玻璃纤维增强团状模塑料其具有优良的电气性能，机械性能，耐热性，耐化学腐蚀性，又适应各种成型工艺，即可满足各种产品对性能的要求。非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料从从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，加上各类作为复合材料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，使基体的材料的使用和改进，使的发展的发展达到了更高的水平，即进入达到了更高的水平，即进入的发展的发展阶段。阶段。复

3、合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料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。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料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。

4、敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料近代近代，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复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料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

5、。料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料材料科学家们认为，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；复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 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年美国杜邦公司开发出Kevler-49 （开芙拉（开芙拉-49 ）；1975年

6、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复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料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。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料1990年以后则被认为是年以后则

7、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、医疗和体育等各个部门都得到应用。得到应用。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料F22在机体上广泛使用含热塑(12%)和热作用(10%)的聚合复合材料(KM)。在批生产的飞机上使用复合材料(KM)的比例(按重量)将达35%。 战斗损耗率在十年后仅为F15的二十分之

8、一，维护人员将减半，一个中队20年中的维持成本将比F15少5亿美元。 复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料这种新型直升机采用全复合材料机体，在它们的结构和设计上具有独特性。这种全复合材料机体对于垂直起落无人机尚属首次。复合材料结构使该无人直升机具有极轻的重量和极高的强度，从而使它们性能先进、有效载荷大和耐航性长。 复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料运载火箭的构造中推进剂贮箱段用材要求越轻越好，还要有尽可能高的强度，不易破裂，一般多采用高强度铝基复合材料制成。 复 合 材 料 液体火箭发动机主要由燃烧室和喷管、涡轮泵和活门自动器等三大部分组成

9、。燃烧室和喷管可使推进剂在室内燃烧，产生3000摄氏度以上的高温和30200个大气压的高压气体，高速从喷管喷出，形成强大的推力。这些结构要承受如此的高温、高压必须采用高强度的耐热复合材料，并附有强冷却系统。 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料15 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。复 合 材 料 非金

10、属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料、复合材料的定义、复合材料的定义 什么是复合材料什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ? 要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑，或偏重于考虑，或偏重于考虑 。 复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料诸如诸如 复合材料是由两种或更多的组分材料结合在复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的一起，复合后的应超过组分材

11、料，保留了所期应超过组分材料，保留了所期望的性能望的性能(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，抑制了所不期望的特性的特性(低延性低延性)。偏重于考虑偏重于考虑复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料 复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何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单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分成分不同不同，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，以结合而成的。结合而成的。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复

12、合材料偏重于考虑偏重于考虑，诸如：，诸如： （）（）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组合而成的一种有用的材料。一种有用的材料。 （）（）复合材料就是两种或两种以上的不同化学性质或不同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，组织相的物质，以微观或宏观的形式以微观或宏观的形式组合而成的材料。组合而成的材料。 （）（）复合材料是不同于合金的一种材料，在合金中，每一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

13、缺点，从而获得一种改善了的材料。们的优点而避开其缺点，从而获得一种改善了的材料。 复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料 FL. Matthews和和DRawlings认为，复合材料认为，复合材料是两个或两个以上是两个或两个以上，并应满足下面，并应满足下面三个条件：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)通过各种方法混合而成。通过各种方法混合而成。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料 按这按这Matthews和和Rawlings给出的定义，钢铁及其

14、合给出的定义，钢铁及其合金不应属于复合材料，如金不应属于复合材料，如CoCrMoSi合金不属于合金不属于复合材料，因为这种合金经过复合材料，因为这种合金经过过程；而仅有过程；而仅有像像SiC颗粒强化的颗粒强化的Al合金这种混合而成的材料才属于复合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材料。因此有人认为可将复合材料划分为广义复合材料广义复合材料和和狭义复合材料狭义复合材料。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料从广义上讲，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组分的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复

15、合材料专指组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由由两种或两种以上不同两种或两种以上不同的组分的组分所组成的材料。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），通过人工复合、组成多相、或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明

16、确指出复合材料是出复合材料是“”和和“”材材料，而且还指明了复合材料的料，而且还指明了复合材料的及及（如简单混合物、化合物、合金）（如简单混合物、化合物、合金）。根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括自然形自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。多相合金。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料以下面五点概括了以下面五点概括了：1、复合材料的、复合材料的组分和相对含量组分和相对含量是由是由人工选择和设计人工选择和设计的；的；2、复合材料是以、复合材料是以人

17、工制造人工制造而非天然形成的（区别于具有而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；某些复合材料形态特征的天然物质）；复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有保持其固有的物理和化学性质的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；（区别于化合物和合金）；4、复合材料的、复合材料的性能性能取决于取决于各组成相性能的协同各组成相性能的协同。复合。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；组分材料性能

18、所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间、复合材料是各组分之间被明显界面区分被明显界面区分的多相材料。的多相材料。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料吴人洁教授吴人洁教授“在复合材料的未来发展在复合材料的未来发展”一文中指出：复一文中指出：复合材料将由合材料将由宏观复合形式宏观复合形式向向微观微观(细观细观)复合形式复合形式发展。发展。微观微观复合材料复合材料包括：均质材料在加工过程中内部析出的增强相和包括：均质材料在加工过程中内部析出的增强相和剩余的基体相构成的剩余的基体相构成的原位复合材料原位复合材料或或纤维增强复合材料纤维增强复合材料，也，也包括用纳米级增强体的

19、复合材料以及刚强棒状分子增强的分包括用纳米级增强体的复合材料以及刚强棒状分子增强的分子复合材料等。子复合材料等。 综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即和和。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料：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不同的物质组合起来而得到的一种合起来而得到的一种多相固体材料多相固体材料。 中关于复合材料的定义如下：中关于复合材料的定义如下：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料通过复合工艺通过复合工艺组合而

20、成的新型材料。它既保留原组成材料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。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互相补充并彼此关联，从可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料中关于复合材料的定义为：中关于复合材料的定义为：复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机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

21、料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之使之互补性能优势互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一般由基，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，因此亦属于多相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。材料范畴。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料根据根据中关于复合材料的定义可以看出中关于复合材料的定义可以看出,复复合材料具有两个鲜明的特点合材料具有两个鲜明的特点:、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分

22、所不具备的分所不具备的。、复合材料具有、复合材料具有。由于各种原材料都具有各自的。由于各种原材料都具有各自的优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所示的结果。优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所示的结果。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料材料的优缺点组合示意图材料的优缺点组合示意图复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料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，各组分分各组分分布的设计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等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的互相补充，同时

23、利用复合材料的使之出现新的使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。性能，最大限度地发挥优势。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料 综上所述，综上所述，复合材料应具有以下三个特征复合材料应具有以下三个特征： (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通通过宏观或微观复合过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着形成的一种新型材料，组元之间存在着明明显的界面显的界面。(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且可而且可最最大限度发挥各种材料组元的特性大限度发挥各种材料组元的

24、特性，并赋予单一材料组元所不，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。具备的优良持殊性能。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料(3)复合材料具有复合材料具有。 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；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，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，故常称为强，故常称为 (也称为增强材料、增强相等也称为增强材料、增强相等)。在大多数情况下，在大多数情况下，分散

25、相分散相较基体较基体硬硬，强度和刚度强度和刚度较基体较基体大。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界面。的填料。在基体与增强体之间存在着界面。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料复 合 材 料 分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属材料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料

26、颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机高分子材料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料 复合材料在世界各国还没有统一的名称和复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据命名方法，比较共同的趋势是根据来命名，通常有以下三种情况：来命名，通常有以下三种情况：2、复合材料的命名复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材

27、料（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。这种命名方法并用。这种命名方法常用来表示某一种常用来表示某一种性能的性能的具体的复合材料具体的复合材料，习惯上把，习惯上把增增强体材料的名称放在前面，

28、基体材料的名称放在后面强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料例如：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，或简称为简称为“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”。碳纤维碳纤维和金属基体构成的复合材料叫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，也可写为可写为“碳金属复合材料碳金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合。碳纤维和碳构成的复合材料叫材料叫“碳碳复

29、合材料碳碳复合材料”。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 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/环环氧则表示为氧则表示为GF/Epoxy, 或或G/Ep(G-Ep)复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料通常通常增强材料形态可增强材料形态可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

30、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；复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料2、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

31、其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料复合材料的结构 无规分散（弥散）增强结构 （含颗粒、晶须、 短纤维）(randomly oriented) 连续长纤单向增强结构（单向板）(aligned) 层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层，每层 不同)(laminate) 三维编织体增强结构(braided fabric or filament winding) 夹 层 结 构 （ 蜂 窝 夹 层 等 ） ( s a n d w i c h constructure) 混杂结构(hybrid constructure)复 合

32、材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分为 0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料三维编织纤维结构 三维正交非织造的纤维结构 (种柔性结构 管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型 复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料各种玻璃夹层结构 复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料单向及准各向同性板的铺层铺层结构复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料混杂复合材料的混杂类型 复 合 材 料 非金

33、属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料复合材料的复合效应 1. 复合材料各组元（相）相互作用 基体： 将增强材料粘合成整体并使增强材料的位置固定。 增强材料间传递载荷，并使载荷均匀，自身承受一定载荷。 保护增强体免受各种损伤。 很大程度上决定成型工艺方法及工艺参数选择。 决定部分性能。 增强体：主要承受绝大部分载荷、增强、增韧 功能体：赋予一定功能 界面相层：复合材料产生组合力学及其它性能，复合效应产生的根源复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料复合效应 复合效应表现形式多种多样大致可分为：混合效应：线性加合固有性质，如密度、 模量、 比热 非固有性质，如强度、泊松

34、比等 协同效应：非线性综合、转递性质复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料混合效应：平均效应或组份效应， 是组份材料性能取长补短共同作用的结果，是组份材料性能比较稳定的总体反应，局部的挠动、薄弱环节、界面、工艺因素等通常对混合效应没有明显的作用，表现为各种形式的混合律。协同效应： 复合材料的本质特征， 使复合材料的性能与组份材料相比，发生飞跃式提高，甚至具有组份材料没有的性能，这些潜在性能是研制开发新材料的源泉。复合材料追求的就是这种协同效应。 对微观非均匀性、薄弱环节、界面、制备工艺，甚至某些偶然因素都十分敏感。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复

35、合材料 混合律 Xc = XmVm + Xf1V1 + Xf2V2 + 复合材料性能与各组元性能及分量的关系（线性关系）。 组份效应：各组元性能确定，相对组成作为变量，不考虑组份的几何形状、分布状态和尺度等影响。相对组成通常用体积分数和质量分数来表达。 复合材料的固有性质是指各相之间不相互作用所表现出来的材料性质，如密度C和比热容Cc等，属于固有性质的物理量，都应服从混合律。 复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料协同效应：界面效应、尺寸效应、量子尺寸效应、乘积效应、系统效应、混杂效应、诱导效应等。纳米量子尺寸效应：固体物理研究表明，固体颗粒尺寸减少到某一临界值时（一般

36、为0.1m或100nm），颗粒的某些性质（如光、电、磁、热、化学特性等）会发生质的变化，呈现与物体宏观状态下差异很大的特性。具有显著的量子尺寸效应。 纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于102nm量级的复合材料。由于其纳米量子尺寸效应，大的比表面积及强的界面相互作用，使纳米复合材料的性能远优于相同组份常规复合材料的物理力学性能。纳米复合材料是获得高性能复合材料的重要途径之一。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料协同效应：界面效应、尺寸效应、量子尺寸效应、乘积效应、系统效应、混杂效应、诱导效应等。界面效应(interface effect) 复合材料的绝大部分性能很

37、大程度上取决于界面层的状态和性质，材料的破坏与失效机制往往是从界面破坏与失效开始的。 复合材料的力学性能，对界面层的状态和性质，界面缺陷都十分敏感，并很大程度上取决于界面层的状态和性质。 几乎所有协同效应（复合效应的本质特征）都是由界面层的存在带来的，这就是所谓界面效应的内涵。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料纳米量子尺寸效应：固体物理研究表明，固体颗粒尺寸减少到某一临界值时（一般为0.1m或100nm），颗粒的某些性质（如光、电、磁、热、化学特性等）会发生质的变化，呈现与物体宏观状态下差异很大的特性。具有显著的量子尺寸效应。 纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小

38、于102nm量级的复合材料。由于其纳米量子尺寸效应，大的比表面积及强的界面相互作用，使纳米复合材料的性能远优于相同组份常规复合材料的物理力学性能。纳米复合材料是获得高性能复合材料的重要途径之一。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料复合材料的性能特点 1、高比强度、比弹性模量；复 合 材 料 2、抗疲劳性能好； 3、破损安全性好； 4、减振性能好； 5、可设计性强。非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料构成复合材料的结构组元 CM = 增强材料 (F)+ 基体(M)+界面相(I) 增强材料不同有颗粒增强CM、片状增强CM、纤维增强CM（连续纤维增强复合材料和短纤

39、维增强复合材料 基体材料不同有金属基MMC、聚合物基PMC、无机非金属基CMC F、M、I三相的结构与性质，它们的配置方式和相互作用及相对含量决定着复合材料的性能复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料混杂混杂复合材料：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种基体制成的复合材料。可以看成是两种同一种基体制成的复合材料。可以看成是两种或多种或多种单一纤维或颗粒复合材料单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，的相互复合，即复合材料的即复合材料的“复合材料复合材料”。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料纤维增强复合材料分为以下五种：纤维增强复

40、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。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料纤维用作高性能工程材料是基于三个重要的特征：（1）小直径 纤维的直径很小，所以纤维比块状物达到理论强度的百分率要高得多。这是尺寸效应的直接结果，即纤维直径越小，含有缺陷的可能性越小。（2）

41、高的长径比 纤维增强材料的效果，主要取决于纤维的性能，而基体仅起传递应力的作用。纤维具有高的长径比，就为基体传递载荷的百分率的提供创造了有利条件。（3）很高度的柔软性 这种柔软性允许用各种技术来制备这些纤维的复合材料。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料纤维增强复合材料： 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。 纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。 纤维在基体中的不同分布方式复 合 材 料 非金属材料 华中农业大

42、学工学院第七章 复合材料玻璃纤维（Glass Fibre, GF或Gt）由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。由于质地柔软，因此可以纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。价格便宜，品种多，适于编织各种玻璃布，作为增强材料广泛用于航空航天、建筑领域及日常用品。缺点是不耐磨，易折断，易受机械损伤，长期放置强度下降。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料种类：按用途高强度纤维、低介电纤维、耐化学药品纤维、耐电腐蚀纤维、耐碱纤维；按化学成分碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维；按单丝直径可分为：粗纤维、初级纤维、中级纤维、高级纤维。复 合 材

43、料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料63用玻璃纤维增强用玻璃纤维增强的复合材料，即的复合材料，即。玻璃钢分为两种，即玻璃钢分为两种，即和和。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料64 热塑性玻璃钢是以热塑性玻璃钢是以玻璃纤维玻璃纤维为增强剂和以为增强剂和以为为粘结剂制成的复合材料。粘结剂制成的复合材料。 热固性玻璃钢是以热固性玻璃钢是以玻璃纤维玻璃纤维为增强剂和以为增强剂和以为为粘结剂制成的复合材料。粘结剂制成的复合材料。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料玻璃钢天线反射面玻璃钢天线反射面玻璃钢建筑材料用于玻璃钢建筑材料用于上海东

44、方明珠电视塔大堂装潢上海东方明珠电视塔大堂装潢复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料玻璃钢应用于体育用品玻璃钢应用于体育用品复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。生产碳纤维的原料主要为人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯烃和沥青三种，其中以聚丙烯烃最为主要。按力学性能可将碳纤维分成高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型Polymer Matrix Co

45、mposites，PMC 普通型普通型 高强度型高强度型 高弹性模量型高弹性模量型 68复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料碳纤维片材（复合材料）碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固用于建筑物补强加固69Chapter 9 Composites复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料碳纤维的特点：强度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900以上才呈现出永久塑性变形。摩擦系数小、润滑性好、导电性高。碳纤维的缺点：价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二

46、氧化碳。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料、碳纤维碳纤维复合材料：作基体的复合材料：作基体的树脂树脂，目前应用最多的是，目前应用最多的是环环氧树脂氧树脂、酚醛树脂酚醛树脂和和聚四氟乙烯聚四氟乙烯。、碳纤维碳碳纤维碳复合材料：用复合材料：用浸渍纤维坯块，固化后浸渍纤维坯块，固化后再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。、碳纤维金属碳纤维金属复合材料：主要用于熔点较低的金属或合金，复合材料：主要用于熔点较低的金属或合金，如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材料。如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材

47、料。、碳纤维陶瓷碳纤维陶瓷复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料。复合材料。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP） CFRP在民用在民用飞机中的应用飞机中的应用CFRP在空间站大型结构在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用以及太阳能电池支架中的应用复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料硼纤维（Boron Fibre，BF或Bf）通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100m、140m、200m几种。硼纤维的特点硼纤维具有很高的弹性

48、模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.42.65g/cm3，拉伸强度为3.25.2GPa，弹性模量为350400GPa。硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料74、硼纤维、硼纤维树脂树脂复合材料：基体主要为复合材料：基体主要为、和和等。等。、硼纤维、硼纤维金属金属复合材料：常用的基体为复合材料：常用的基体为，还有还有等。等。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱复 合 材 料 非金属材料 华中农业大

49、学工学院第七章 复合材料硼纤维的缺点工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料氧化铝纤维Aluminia Fibre，AF多晶连续纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。优点：具有优良的耐热性和抗氧化性，直到370强度仍下降不大。缺点：在所有纤维中密度最

50、大。用途：主要用于金属基复合材料。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料碳化硅纤维Silicon Carbide Fibre，SF目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两种。特点：高强度高模量有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。具有半导体性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料 作增强纤维的金属主要是作增强纤维的金属主要是钨钨、钼钼、钢钢、不锈钢不锈钢、钛钛、铍铍等，它们能被基体金属等，它们能被基体金属润湿润湿，也，也能能增强增强陶瓷。陶瓷。、金属纤

51、维金属纤维金属金属复合材料复合材料：研究较多的增强剂为：研究较多的增强剂为，基体为基体为和和。、金属纤维金属纤维陶瓷陶瓷复合材料复合材料：利用金属纤维的：利用金属纤维的和和改善陶瓷的改善陶瓷的。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料晶须（Wisker）：具有一定长径比（一般大于10）和截面积小于5210-5cm2的单晶纤维材料。具有实用价值的晶须直径约为110m，长度与直径比在51000之间。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料颗粒增强体：用以改善基体材料性能的颗粒状材料颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。颗粒增强体成本低，易于批量生产。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒 如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。复 合 材 料 非金属材料 华中农业大学工学院第七章 复合材料颗粒增强体以很细的粉末（一般在10m以下）加入到金属基和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用 在Al合金中加入体积为30%，粒径为