复合材料导论

第一章绪论

复合材料的定义：复合材料（Compositematerials）,是由界面分明、物理化学性质不同的组

分材料，通过物理或化学的方法构成的性能优越的多相材料。各种材料在性能上相互取长补

短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满意各种不同的要求。

复合材料应具有以下三个特点：

（1）复合材料是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形成的一种新

型材料，组元之间存在着明显的界面。

（2）复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，

并给予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。

（3）复合材料具有可设计性。

复合材料的进呈现状

（1）玻璃钢和树脂基复合材料特别成熟广泛的应用

（2）金属基复合材料开发阶段某些结构件的关键部位

（3）陶瓷基复合材料及功能复合材料等尚处于讨论阶段有不少科学技术问题有待解决

复合材料的组成结构特点和分类

*细观复合：一种或几种制成微小外形的材料匀称分散于另一种连续材料中

宏观复合；两层以上不同材料的叠合，层合复合材料可以是几种单成分材料，也可以细观复合

材料

细观复合材料的组成结构特点：

1基体相（连续相）：C。包围增加相并相对较软和韧的贯连材料，作用是粘结爱护分散相材

料和传递应力

2界面：位于增加相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有

明显区分、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域

3增加相（分散相）：被基体相包裹分隔，具有比基体相岛的模量和强度，起到反抗变形和

破坏的作用

细观复合材料的分类

按连续相分类

非金属基复合材料金属基复合材料

聚合物基复合材料~陶瓷基复合材料碳基复合材$斗

—热固性树脂

热塑性树脂

细观复合材料的分类（按分散相分类）

1纤维增加复合材料（包括连续纤维增加:“纤维的两端达到制成的复合材料构件的边界”和

短纤维增加:“将长纤维或纤维束切断分散于基体中”）

2颗粒增加复合材料3品须增加复合材料

第二章复合材料增加体（1.纤维2.颗粒3.晶须）

一纤维

增加纤维的分类：

有机纤维：芳纶纤维聚乙烯纤维尼龙纤维

无机纤维：玻璃纤维玻纤维硼纤维氧化铝纤维碳化硅纤维氮化硼纤维

纤维增加体的形态

复合材料中的纤维连续是合成纤维，是上万跟纤维组成f勺基木无捻的长丝束/纱，称为粗纱。

将长纤维或纤维束切断分散于基体中

纤维织物，由纱线编织成为二维或三维织物。

玻璃纤维的制造

1）坨烟拉丝法（玻璃球法）

2）窑池拉丝法（直接熔融法）

3）吹制法（短纤维）

4）玻璃纤维制品璃纤维的制造

方法1）用烟拉丝法（玻璃球法）

①制球：砂岩、石灰石、蜡石、硼酸及粘土等化工原料按比例计量、调配、混合后送入熔窑

内制成玻璃液，玻璃也自熔窑中流出，制成直径1.8cm的玻璃球，作为拉丝的原料

步骤：玻璃原料---混合----熔炼炉1260℃------造球机----玻璃球（直径15-18mm）

②拉丝工艺参数：钳金用锅玻璃液温度：约为1300℃

漏丝板孔数：102,204,408个，国外3500个左右孔直径：1.5~2mm

流出玻璃液温度：1190℃集束轮转速：10（）0~3000m/min拉丝直径：3~2（）um

方法2池窑拉丝法（直接熔融法）

将玻璃原料投入熔窑熔化后直接拉制成连续玻璃纤维

坊丝炉

.漏嘴

，单丝

,涂敷集束剂装置

-丝束

直接熔融法

旋转筒管

卷线机

优点：

①省去制球工艺；

②池窑容量大，生产力量高；

③对窑温、液压、流量和漏板温度可以自动化集中掌握：

④适用于多孔大漏板生产粗玻璃纤维；

⑤废产品易于回炉

方法3吹制法

在熔融的玻璃液从熔炉中流出时，马上受到喷射空气流或蒸汽流冲击，将玻璃吹拉成短纤维,

将飞散的短纤维收集在一-起，匀称喷涂粘结剂，可以得到玻璃棉或玻璃毡。

连续纤维原”

《纺织型浸泅剂）《塔赖组浸润剂）

Im、并、句连续纤维毡1退［并।

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碳纤维的制造

碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料,采纳间接方法来制造。

碳元素的各种同素异形体!金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳）,依据形态的不同，在空

气中在350℃以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中（常压下），元素

碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。

碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。

1）气相法

在惰性气氛中，小分子有机物（如煌或芳煌等）在高温下沉积成纤维。

用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝

2）有机纤维碳化法制迨连续长纤维：

①将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维：

②在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成

以碳为主要成分的纤维状物。

有机纤维碳化法

制作碳纤维的主要原材料有三种：

①人造丝（粘胶纤维）；②聚丙烯胎（PNN）纤维；③沥青。

无论用哪一种原丝纤维来制造碳纤维，都要经过五个阶段：

拉丝一一牵伸一一稳定一一碳化一一石墨化

二颗粒

具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石瞿等非金属颗粒，加入到基体材料中

起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。其成本低，易于批量生产

三晶须

1晶须定义：

是指具有肯定长径比和截面积小于5210-5cm2的单晶纤维材料。其直径为01到几个微

米，长度为数十到数千微米.但具有有用价值的晶须的直径约为1-10微米，长径比在5-

100之间。晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。

2晶须的种类有：

碳化物品须：SiC、TiC、ZrC、WC、B4C；氮化物晶须：Si3N4、TiN、BN、AIN；氧化物

晶须：MgO、ZnO、BeO.A12O3、TiO2；金属晶须：Ni、Fe、Cu>Si、Ag、Ti；硼化物

晶须：TiB2、ZrB2>TaB2；无机盐晶须：K2Ti6O13、AI18B4O33等。

第三章复合材料基体

1.聚合物热固性聚合物热塑性聚合物

2.金属铝、镁及其合金钛及其合金其它金属

3..陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷玻璃陶瓷

4碳（石墨）

5冰泥

第四章树脂基复合材料

***树脂基复合材料的性能优势有•哪些？

*比强度：材料的强度与其密度之比

比刚度：材料的弹性模量与其密度的比值

（是结构设计，特殊是航空、航天结构设计对材料的重要要求之一。比刚度/强度较高说明

相同刚度/强度下材料重量更轻，或相同质量下刚度/强度更大“）

辛耐疲惫辛耐腐蚀性能好*可设计型好*尺寸稳定性好

***什么是玻璃钢，举例说明其用途？

玻璃钢：工业用树脂基复合材料，玻璃纤维增加热固性树脂（主要是聚酯树脂）复合材料

用途：交通、建筑、化工、体育用品等领域都有应用

如：喷气式飞机上用它作油箱和管道，可减轻飞机的重量。登上月球的宇航员们玻璃

钢储罐，他们身上背着的微型氧气瓶，也是用玻璃钢制成的。各种小型汽艇、救生艇、游

艇，以及汽车制造业等

***什么是先进树脂基复合材料？

航空航天用先进树脂基匆:合材料：碳、硼纤维增加热固性树脂（主要是环氧树脂等）

树脂基复合材料的主要制备方法有哪些？你认为选择制备方法的依据有哪些？

喷射成型缠绕成型拉挤成型树脂传递模成型等

喷射成型工艺喷射成型工艺是采用喷枪将短纤维及树脂同时喷到模具上,压实固化成制件

的工艺方法。

方法：将分别混有促进剂和引发剂的树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）喷出，同时将玻璃

纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起匀称沉积到模具上。

当树脂与玻璃纤维无捻粗纱混合沉积到肯定厚度时.，用手辑滚压，使纤维浸透树脂、压实并

除去气泡，最终固化成制品。

优点：喷射法使用的模具与手糊法类似，而生产效率可提高数倍，劳动强度降低，能够制作

大尺寸制品。

缺点:用喷射成型方法虽然可以制成简单外形的制品，但其厚度和纤维含量都较难精确掌握,

树脂含量一般在60%以上，孔隙率较高，制品强度较低.施工现场污染和铺张较大。

用途：采用喷射法可以制作大蓬车车身、船体、广告模型、舞台道具、贮藏箱、建筑构件、

机器外罩、容器、平安帽等。

拉挤成型工艺

方法：首先将浸渍过树脂狡液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定

型；在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面外形和长度不受限制的复合材料，如管材、

棒材、槽型材、工字型材、方型材等。

优点：

①生产效率高，易于实现自动化；②制品中增加材料的含量一般为40%-80%能够充分发挥

增加材料的作用制品性能稳定牢靠；

③不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中树脂损耗少；

④制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可依据需要定长

切割。

缠绕成型

将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，依据肯定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增加塑

料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。主要用于制备回转体制品。

常用纤维：玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维等

常用树脂：热固性环氧和聚酯树脂

1、干法缠绕

预浸纱带（布带），加热将流后缠绕。

特点：严格掌握纱带含胶量和尺寸，质量稳定，

速度快，劳卫条件好，投资大。

2、湿法缠绕

浸渍无捻粗纱直接缠绕。

特点：材料经济，质量不稳。

3、半干法缠绕

预浸渍粗纱（或布带）随即缠绕到芯模上。

特点：无需整套设施，烘干快，室温操作。

缠绕规律

1）纤维既不重叠也不离缝，匀称联系布满芯模表面（2）纤维在芯模上位置稳定，不打滑

纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计算机掌握。

连续纤维缠绕技术的优点

纤维铺放具有高度精确性和重复性、能制造小到几十亳米、大到几十米的眄I转体,

制品纤维含量高（70-75%）、原材料消耗小、无废料，可以制备球形容器、弯管等。

应用：

（1）压力容器：用于储存燃料和高压气体的容器，一般有球形、圆筒形和环形

（2）非压力容器缠绕结构制品：锥壳形、圆柱形等

（3）工业管道和储罐

树脂传递成型：先将增加剂置于模具中形成肯定外形，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化

的一种复合材料生产工艺，是FRP（纤维增加塑料）的主要成型工艺之一。

制备方法的选择

材料组元选择后，就要考虑所采纳的复合工艺路线，即详细的制备方法。

制备方法的选择主要应考虑以下四个方面：

（1）所选的工艺方法对材料组元的损伤最小，尤其是纤维或晶须掺入基体之中时，一些机械

的混合方法往往造成纤维或晶须的损伤；

（2）能使任何形式的增加材料（纤维、颗粒、晶须）匀称分布或按预设计要求规章排列；

（3）使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避短，而且各

组元仍保留着固有的特性，

（4）在制备方法的选择上还应考虑性能/价格比，在能达到复合材料使用要求的状况下，

尽可能选择简便易行的工艺以降低制备成本。

针对不同的增加材料和基体特性应采纳不同的制备方法，

第五章金属基复合材料

I）金属基复合材料的性能优势有哪些？

金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；而与树脂基复

合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性；与陶注基材料相比，它又具有高韧性和高

冲击性能。

2）•金属基复合材料的基体材料有哪些？

用于450℃以下的轻金属基体

（1）铝和铝合金（2）镁和镁合金

（2）用于450-700C的复合材料的金属基体

（1）钛及其合金用于1000°C以上的金属基体

（1）银和锲合金（2）金属间化合物

3）金属基复合材料的制备方法

1固态法（粉末冶金），液态法（压铸，一般和预制体压铸）

2粉末冷金将固态金属粉末与增加体混合后在加压加温条件下合成金属基复合材料的方法

长纤维增加：将纤维和金属粉末按比例混合，密封在容器中，然后进行热等静压

适用范围：主要应用于短纤维、颗粒或晶须增加，也可以应用于长纤维增加。

3压铸：压铸成型是指在压力作用下将液态或半液态金属基复合材料或金属以肯定速度充

填压铸模型腔或增加材料预制体的孔隙中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料。

详细方法：首先将包含有增加材料的金属熔体倒入预热摸具中后，快速加压，压力约为

70~100MPa,使液态金属基复合材料在压力下凝固。待复合材料完全固化后顶出，即制得所

需外形及尺寸的金属基复合材料的坏料或压铸件。将熔融金属注入装有增加材料（长、短纤

维，颗粒或晶须）的预制件模具中，并在压力卜.使之渗入预制件的间隙，在高压卜快速凝固

成金属基复合材料

压铸工艺中，影响金属基且合材料性能的工艺因素主要有四个：

①熔融金属的温度、②模具预热温度③使用的最大压力、④加压速度。

适用范围：短纤维、连续纤维、晶须增加复合材料

第六章C/C