复合材料第1次课课件

《复合材料》刘颖四川大学材料科学与工程学院1复合材料的概念及其基本特征和发展历程第一节复合材料的概念与内涵第二节复合材料发展的历程第三节复合材料在2l世纪的作用第四节复合材料发展趋势与面临问题第一讲2第一节复合材料的概念与内涵材料的复合化是材料发展的必然规律。科技进步对材料提出更高性能要求。从单质材料出发合成或制造一种高水平的综合指标的材料是非常困难的。Ti(CN)优异的刀具材料Co3第一节复合材料的概念与内涵1、什么是复合材料？复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。例如：

Al/WAg/W……C/CuAl2O3/Al……C/C(碳纤维增强碳基复合材料)……4它的设计自由度很大，不仅可在组分选择上调整，还可以改变各组分的体积百分数以满足所需的性能要求；容易满足轻质高强以及其他的优越的综合性能特别是复合材料还具有复合效应，即经过复合以后产生各原始组分所不具备的性能。第一节复合材料的概念与内涵56第一节复合材料的概念与内涵由于复合材料的上述特点所以在不少高技术领域如航天、航空、信息等产业中得重要的应用。目前已与金属、无机非金属、高分子并列为四大材料。

7Al/W复合材料Ag/W复合材料8Cu/C复合材料Al2O3/Al复合材料9C/C复合材料及其构件(飞机刹车片)102、复合材料的基本内涵复合材料由基体组元与增强体或功能组元所组成。例如：

Al/WAg/W……Cu/CAl/Al2O3……C/C(碳纤维增强碳基复合材料)……

玻璃纤维增强树脂基复合材料(印刷电路基板)第一节复合材料的概念与内涵11第二节复合材料发展的历程1、早在古代就出现了各种原始型形态的复合材料。

例如：人类早就学会的用稻草/竹竿等与泥土混合来制造作建筑材料，直到今天在一些乡村还可看到这一现实的场景。粘土+稻草石粉+沙煤灰砖炉渣砖12使用了建筑复合材料的古代遗迹砂石和水泥复合成的混凝土也有很长历史，在许多的历史遗迹中就能见到建筑复合材料。13天然复合材料--贝壳自然界中本身就存在大量的天然复合材料,比如人和动物的牙齿，贝壳。……14第二节复合材料发展的历程2、19世纪末复合材料开始进入工业化生产。3、20世纪60年代开始由于高技术的发展，对材料性能的要求日益提高，单质材料很难满足性能的综合要求和高指标要求。因此，复合材料开始进人新的发展阶段，复合材料已与金属、陶瓷和高分子等并列为重要材料。4、21世纪将进入复合材料时代。今天的宇航技术、信息技术和国防军工等快速发展已离不开先进复合材料(成为这些领域的首要关键材料)。材料的复合化是材料发展的必然趋势之—。15第三节复合材料在2l世纪的作用

在讨论复合材料征2l世纪应起的作用之前，首先分析和预测人类社会面临的问题、社会的特点和重点需求，特别要涉及我国的客观实际需求。16第三节复合材料在2l世纪的作用1、对信息技术提供服务2、对提高人类生活质量做贡献3、在解决资源短缺和能源危机有重要贡献4、对治理环境污染可以起作用5、对现代国防建设的作用17第三节复合材料在2l世纪的作用1、对信息技术提供服务

在信息技术中的信息获得、处理、存储、传输和执行几部分中，复合材料均发挥重要作用。181)复合材料用于信息的获得获得信息主要依靠各敏感器件的检测，而敏感器件则由各种换能复合材料组成。可利用复合效应特别是“乘积效应”来设计出高效的新型换能材料，进一步提高换能复合材料把对外界的感知通过物理量表现的信息(如光、热、声、磁、辐射等)转换成电信号的能力。19第三节复合材料在2l世纪的作用2)复合材料用于信息处理信息处理主要依靠电子技术，随着电子技术的进步，电子芯片的集成度将越来越高，而芯片的散热问题将足成为发展的障碍，需要应用高导热复合材料。

20例如：碳化硅颗粒增强铝复合材料的导热系数以及与集成电路芯片的热膨胀匹配均能满足要求。这是一种用于芯片封装的廉价材料；电子设备的电路板是纤维增强聚合物复合材料，其用量可观；信息处理的速度越来越快，因此研制具有高频介电性能的复合材料是当前和今后的重要。碳化硅复合材料AlSiC散热复合材料21第三节复合材料在2l世纪的作用3)复合材料用于信息存储目前用于信息写入、记录、存储和读出的磁性材料如磁带、磁盘等，大都是磁粉与聚合物基体制成的复合材料，并正在向高密度的磁记录复合材料方向发展。22应用磁性复合材料的器件磁带和磁盘23第三节复合材料在2l世纪的作用4)复合材料用于信息传输目前用于信息传输信息的光缆和微波和通讯卫星系统均要使用复合材料。光纤及连接器微波通讯中抛屋面天线卫星的天线和星体结构24光纤及其连接器25前馈抛物面天线人造卫星星体复合材料26第三节复合材料在2l世纪的作用5)复合材料用于信息执行信息执行除使用声、光和图象外，还需要机械动作，这些机械动作的完成需要低密度、高刚度和高强度的复合材料。272、对提高人类生活质量做贡献1）改善舒适性复合材料具有轻质高强、隔音隔热和减振降噪的特点，正是提高舒适性所需要的。新一代飞机采用大量用碳纤维增强复合材料国外各种铁路车辆和微型汽车均计划采用复合材料，以保持车内的温度，降低噪声和减少振动。28一种典型的结构复合材料例如：瑞土用玻璃纤维和碳纤维缠绕并镶有泡沫塑料制成车体结构；日本也计划用碳纤维—酚醛树脂制造干线高速列车车厢。磁悬浮高速列车的车身结构为不受强磁场的影响必须采用复合材料。

292、对提高人类生活质量做贡献2)提高安全性

复合材料的特点之—是抗冲击韧性好，能吸收冲击能量、目前复合材料己用来制造汽车保险杆和轿车底板，主要是利用其无可比拟的抗撞击性能和弹性回复性能。在车祸时能较大地减少人体受到的伤害。车用抗冲击复合材料30在航空方面，空难事故一直困扰着人类。最近美国正尝试将光导纤维埋入结构复合材料中制成具有自诊断功能的机敏复合材料，来监视飞机各部分发生的异常应变和断裂现象，从而给出预警。在高层建筑抗地震灾害方面，复合材料具有损伤容限大的特点，被视为优选材料。312、对提高人类生活质量做贡献3)提高人类健康水平人发生疾病和伤残是个可避免的客观事实．人们直期待在发生疾病或伤残后对已损坏脏器与骨进行修复或更换的时机。植入型人造代用品。例如，修复骨的人工关节、钉、骨夹板等过去用金属制造，由于金属的强度和刚度等无法与骨相适配，产生应力遮挡效应，使新生骨质萎缩疏松，而复合材料则可以用组分配比来调整到最佳状态。32人造骨复合材料333、在解决资源短缺和能源危机贡献目前人类使用的能源大部分是不可再生的石油、天然气、煤和铀等。最近的调查发现，除煤以外的其他三种资源将枯竭；陆地上用作原材料的矿藏中有相当部分也会陆续短缺。这意味着人类必须大力开发新能源，尽可能能和资源，并且寻找陆地上尚未充分利用的资源并加以开发，更重要的是要设法大量开采海洋资源甚至中间资源。复合材料在这方面的作用和贡献巨大。343、在解决资源短缺和能源危机贡献1)在开发新能源和节约能源方面的具有重要作用

在新能源方面，太阳能是取之不竭的最干净理想能源，目前利用尚不理想。近来各国均在努力提高各种光电池的转换效率，其中包括功能复合材料的光电池。另外光电池的框架采用复合材料制造是最理想的，因为它轻质高强，非常适合制造大面积的光电池结构板框和支架。

35太阳能电池36

风力也是一种来源于自然界的清洁能源。根据报道，1996年全世界风能利用容量达6000MW，美国居第一位。风力发电装置的叶片和支柱均用复合材料制造。特别是大型化的发展趋势更需要高性能结构复合材料，目前我国已有14个风力电场以及大量分散布在草原地区的小型风力单机组发电装置。37风力发电机叶片复合材料38

此外，用于核燃料----铀的离心分离机的转子也是用先进复合材料制成的。另外，正在研设计中的潮汐发电装置也采用复合材料，因为它既能满足力学性能的要求又能耐海水腐蚀。39关于节约能源和资源方面，复合材料可充分发挥其生产工艺耗能少、能够整体近终形成型(或净形成型)，以及使运载工具轻量化(包括车辆、飞机和船舶)的优势达到节约能源的目的。此外用于贮藏能量以达到合理平衡能源输出的大型飞轮，已选定用复合材料制造。这也是节能措施的重要部分。403、在解决资源短缺和能源危机贡献2)复合材料在开发海洋和空间资源方面所具备优势人类尚未充分利用海底蕴藏的资源（主要是开采有难度），但受陆地资源即将出现短缺的形势所迫，不能不把注意力转向海洋。初步探明，海底有相当丰厚的贮量，而且以不同的形式存在(如锰结核)。但是勘探和开采海底资源需要用耐高压和耐海水腐蚀的深潜装置。由于复合材料具有轻质高强且耐各种介质腐蚀的特点，因此在开发海洋方面具备明显优势。41锰结核及其采集装置42

试验表明，用碳纤维增强树脂的深潜器已潜入近1000m的深海。海上石油平台如果采用复合材料，不仅能有效降低建造成本．而且能大大节约钢铁平台必需的油漆防护费用。这方面将会创造很大的产值和效益。对于未来开发空间资源，更需制造各式航天器和空间站，无疑需要采用复合材料作为主体材料。2)复合材料在开发海洋和空间资源方面所具备优势43

地球上资源的开采使用并不平衡，某些资源短缺而另一些则没充分利用。例如镁的贮藏丰富，目前仅少量作为合金成分加入其他金属中(如铝合金)；这是因为以镁为主要成分的合金力学性能较差，但镁具有质量轻、阻尼性能好的特点，采用颗粒或者晶须增强镁则可显著改善其力学性能，扩大其应用范围：此外，许多野生植物和麦杆中的纤维具有一定强度，可以作为增强物增强水泥等基体．甚至一些无机矿土(高岭土、蒙脱土等)也都可以作为增强体或填料使用。原则上可以通过复合的途径把一些尚未利用或利用率不高资源变成有用之材。3)在挖掘尚未充分刊用的资源上将发挥作用44基础设施的建设是体现社会进步的标志之一，我国基础设施建设更是处于重要地位，基础设施的建造要花费大量的材料(如钢铁和水泥)，而生产这些能耗很大的原材料要消耗很多能源。如果能延长基础设施的使用寿命，即可节约能源和资源，又可减少环境污染。钢筋水泥结构已经使用了上百年，实践表明，钢在于碱性水泥和湿气的条件下会发生锈蚀，不仅降低其原有性能而且铁锈胀大会导致水泥开裂。为此，目前正致力于研究高性能的纤维增强混凝土以及聚合物水泥混凝土、复合材料代钢筋等。4)使基础设施延长存命45维尼纶纤维水泥电缆保护管46

随着人类的极度膨胀，生活需求推动生产迅速增长，在创造的同时也排出大量的固体、液体和气体废物，造成严重的环境污染。从某种角度来看．目前某些材料确实难以回收、再生，似乎不利丁环境；人们从天然材料几乎全是复合材料的事实来看，表明复合材料是最合理的组成方式，能够接受自然界的长期考验并与之相容。复合材料还具有改善环境的积极作用。4、复合材料对治理环境可起的作用471)复合材料在降低污染方面的作用通过合理设计并采用整体、净形的成型方法，使用复合材料可以降低原材料的用量、节约加工能耗和降低废弃边角料；还可延长工件和设施的使用寿命，也起到减少废弃物的效果。其次，很多治理污染措施需要用到复合材料，例如各种治理气、水污染装置中所采用的功能膜需要与支撑网格构成复合材料才能有效地使用。

4、复合材料对治理环境可起的作用48

例如降低污染的天然气作为燃料，为此需要安全的高压气瓶与之配合使用。实践表明：以碳纤维/环氧复合材料经缠绕成型的气瓶是最佳选择，既轻又强，万一出现车祸也不致爆炸伤人。废水治理的容器、管道采用复合材料可避免腐蚀损坏等。4、复合材料对治理环境可起的作用492)利用废弃物构成复合材料化害为利复合材料的特点是能充分发挥材料互补的优势。根据这个原则可以把许多废弃物如矿渣、木屑、废塑料、麦杆等复合成材，供某些低档要求领域使用。麦杆复合材料50

3)开发自然降解的“绿色”复合材料为防使用后的遗弃物污染环境，正在努力寻找可自然降解的材料，用来制造日常消耗品。采用复合的形式对这类材料很有帮助。如果用植物纤维等天然材料来增强改善复合材料的性能的思路，可设计制造一批能生物降解的材料，如透明农膜、一次性餐具等消耗品，并设法使这些材料降解后变成肥料或直接作为饲料，成为名副其实的绿色材料。515、复合材料对国防建设的作用本世纪中复合材料的发展是由于军工的激励，但下世纪中复合材料在国防中仍然是重要的材料。尽管当前和平是主流，但是局部战争仍然不断发生。超级大国仍然没有放弃独霸全球的企图，为此各个国家对国防丝毫没有放松。未来的战争是高科技的战争。由于精确的探测技术和制导武器的进步使主要作战武器（作战飞机、坦克、军舰、导弹等）自我生存能力受到极大的威胁。52第三节复合材料对国防建设的作用

海湾战争是一个极好的事例。然而矛与盾是不断相对发展的，在这种形式下隐身技术就随之诞生了，以美国为代表的发达国家已经将其成功地用在军用飞机上（如B-2、F-117等），使之几乎完全逃避探测设备的发现和导弹的追击。隐身技术主要使用具有隐身功能（吸收雷达波和红外线）的复合材料，它主要是由具有吸波纤维材料（如碳化硅纤维、碳纤维）以及其他吸波填料和聚合物树脂复合而成的，这种复合材料既是结构材料又是隐身吸波材料，适合于制造飞机机身和导弹壳体。53此外各种武器都要求尽量降低本身重量来增加用于战斗的载荷，先进复合材料完全能够满足此要求，因此各种导弹和军用飞机都大量采用（如直升飞机叶片），并且逐步向主承力结构上发展以代替重量大的金属。此外碳基（碳-碳）复合材料的耐高温抗烧蚀性是各种材料之冠，因此导弹的鼻锥和发动机喷管即以此为首选材料。

第三节复合材料对国防建设的作用

54又如坦克的装甲已经发展成复合装甲，其中复合材料也是重要的部分，总之复合材料在军事上的用途很多，甚至包括常规武器上也不难发现复合材料。可见，复合材料对巩固国防起决定性作用。坦克装甲复合材料55第四节复合材料发展趋势与面临问题一、复合材料发展趋势与主要方向1、功能复合材料功能复合材料涉及面宽：电功能方面有导电、超导、绝缘、吸波(电磁波)、半导电、屏蔽或透过电磁波、压电与电致仲缩等；磁功能方面有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等；光功能方面有透光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、x线屏蔽和透X光等；56电磁波屏蔽复合材料磁性复合材料57压电复合材料58第四节复合材料发展趋势与面临问题声学功能方向有吸声、声纳、抗声纳等；热功能方面有导热、绝热与防热、耐烧蚀、阻燃、热辐射等；机械功能方面则有阻尼减振、自润滑、耐磨、密封、防弹装甲等；化学功能方面有选择吸附和分离，抗腐蚀等。59吸声复合材料使用了防弹复合材料的防弹衣60第四节复合材料发展趋势与面临问题2、多功能复合材料复合材料具有多组分特点，因此必然会发展成多功能的复合材料，首先形成兼具功能和结构的复合材料。这一点在实际应用中得到证实。例如，美国的军用飞机具有隐身功能，即飞机的蒙皮上应用吸收电磁波的功能复合材料来躲避雷达跟踪，而这种复合材料又是高性能的结构复合材料。61第四节复合材料发展趋势与面临问题目前正在研制兼有吸收电磁波、红外线并且可以作为结构的多功能复合材料。复合材料向多功能化方向发展必然趋势。大量应用了隐身复合材料的B2战略轰炸机价值约15-20亿美元62第四节复合材料发展趋势与面临问题3、机敏复合材料人类一直期望着材料具有能感知外界作用而且作出适当反应的能力；目前已经开始试将传感功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一起，并连接外部信息处理系统，把传感器给出的信息传达给执行材料，使之产生相应的动作。这样就构成了机敏复合材料及其系统。63第四节复合材料发展趋势与面临问题它能感知外部环境变化，作出主动的响应，其作用表现在自诊断、自适应相自修复的能力上。预计机敏复合材料将会在国防尖端技术、建筑、交通、水利、医疗、海洋鱼业等有很大的应用前景，同时也会在节能、减少污染和提高安全方面发挥很大的作用。649.11事件之后，人们更是渴求作为结构承重的水泥混凝土能够实现损伤自诊断，从而避免建筑结构由于突然断裂而引发的灾难性事故。机敏水泥基材料的提出和研究是适应上述研究背景的。普通的水泥混凝土材料已不能适应日新月异的多功能需要和新技术发展与应用。因此，对传统结构材料水泥混凝土进行改性，研究和开发坚韧、具有感知能力的机敏混凝土，使其成为功能、结构材料一体化的新型材料。654、智能复合材料智能复合材料是功能类材料的最高形式。实际上它是在机敏复合材料基础上向自决策能力上的发展，依靠在外部信息处理系统中增加的人工智能系统，对信息进行分析，给出决策，指挥执行材料做出优化动作。第四节复合材料发展趋势与面临问题66第四节复合材料发展趋势与面临问题智能复合材料这样就对材料的传感部分和执行部分的灵敏焕、精确度和响应速度提出了更高的要求。智能复合材料的研究工作尽管难度很大但具有重要的意义，是21世纪追求的目标。一种医用智能复合材料复合了高分子材料的形状记忆合金67第四节复合材料发展趋势与面临问题5、纳米复合材料当前在复合材料领域中已出现不少新的生长点，除提到的功能与多功能复合材料和智能与机敏复合材料外，纳米复合材料也是有发展潜力的。因为增强体达到纳米尺寸后，其表面性能大幅度提高，同时其表面积的惊人数值增加了增强体的有效体积分数。目前用有机高分子单体对层状无机填料进行插层构成的纳米复合材料已接近实用化阶段。68纳米复合纺织材料696、仿生复合材料仿生复合材料或生物复合材料与一般复合材料的最大区别是在生理环境下使用。移植在生物体内的仿生复合材料，除了能达到功能目的以外，对周围组织和血液不应该有不良的影响，即应具有生物相容性。另外，植入人体的仿生复合材料，应有足够的力学性能，不能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等，即应具有力学相容性。第四节复合材料发展趋势与面临问题70复合齿科材料71二、面临的主要问题1.制备技术（设计与制备新方法）问题2.界面问题3.可靠性问题4.成本偏高第四节复合材料发展趋势与面临问题721、制备技术问题复合材料的加工工艺技术相对复杂和工艺周期长的问题也是导致成本高的关键，因此也是当前研究的热门课题