复合材料的定义、命名与分类

复合材料

1第一页，共64页。主要(zhǔyào)参考资料1、现代复合材料----陈华辉邓海金李明（中国物质出版社,1998）2、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000）3、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002)4、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003）5、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余(化学工业出版社,2004)6、新材料概论(gàilùn)---谭毅,李敬锋(冶金工业出版社,2004)7、先进复合材料----鲁云朱世杰马鸣图（机械工业已出版社,2004）建议教材：复合材料概论(gàilùn)--------王荣国武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，1999）2第二页，共64页。第一章总论第二章复合材料的基体材料第三章复合材料的增强材料第四章复合材料的界面第五章复合材料的成型工艺第六章金属基复合材料第七章陶瓷基复合材料第八章复合材料基本(jīběn)特性、应用及其研究现状第九章功能复合材料目录3第三页，共64页。第一章总论(zǒnɡlùn)4第四页，共64页。材料分类(fēnlèi)：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料各有千秋扬长避短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复合材料5第五页，共64页。10000BC各种(ɡèzhǒnɡ)材料在各个历史时期相对重要性5000BC015001900196019801990200020102020金铜铁钢合金钢高温合金高分子木材皮肤纤维动物胶橡胶电木尼龙PEPCPSPPPAN聚酯高模聚合物导电高分子复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料石材陶瓷陶器玻璃水泥耐火材料熔融硅耐湿陶瓷韧性机械陶瓷36第六页，共64页。１、复合材料(fùhécáiliào)的定义什么是复合材料(CompositionMaterials,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的。概括前人的观点，有关(yǒuguān)复合材料的定义或偏重于考虑复合后材料的性能，或偏重于考虑复合材料的结构。7第七页，共64页。诸如（１）复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的整体性能应超过组分材料，保留了所期望的性能(高强度、刚度(ɡānɡdù)、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。偏重于考虑复合(fùhé)后材料的性能8第八页，共64页。（２）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成分不同，性质不同，有时形状(xíngzhuàn)也不同的相容性材料，以物理形式结合而成的。9第九页，共64页。偏重于考虑复合材料的结构，诸如：（１）复合材料是两种或多种材料在宏观尺度上组合而成的一种有用的材料。（２）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，以微观或宏观的形式组合而成的材料。（３）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(tāmen)独立的特性，而构成复合材料时，仅取它们(tāmen)的优点而避开其缺点，从而获得一种改善了的材料。

10第十页，共64页。F．L.Matthews和Ｒ．D．Rawlings认为，复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件：(1)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，(3)通过各种方法(fāngfǎ)混合而成。11第十一页，共64页。按这Matthews和Rawlings给出的定义，钢铁及其合金不应属于复合材料，如Co—Cr—Mo—Si合金不属于复合材料，因为这种合金经过(jīngguò)熔化和凝固过程；而仅有像SiC颗粒强化的Al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广义复合材料和狭义复合材料。12第十二页，共64页。从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成(zǔchénɡ)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或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成(zǔchénɡ)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。13第十三页，共64页。上述复合材料(fùhécáiliào)的定义较易被普遍接受，它不仅明确指出复合材料(fùhécáiliào)是“通过人工复合的”和“有特殊性能的”材料，而且还指明了复合材料(fùhécáiliào)的组分、结构特点及与其他种材料（如简单混合物、化合物、合金）的特征区别。根据上述复合材料(fùhécáiliào)的定义，复合材料(fùhécáiliào)应不包括自然形成的具有某些复合材料(fùhécáiliào)形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。14第十四页，共64页。以下面五点概括了复合材料的特点(tèdiǎn)：1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；15第十五页，共64页。3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、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；5、复合材料是各组分之间被明显界面区分(qūfēn)的多相材料。16第十六页，共64页。吴人洁教授“在复合材料的未来发展”一文中指出：复合材料将由宏观复合形式向微观(细观)复合形式发展。微观复合材料包括：均质材料在加工过程中内部析出的增强(zēngqiáng)相和剩余的基体相构成的原位复合材料或纤维增强(zēngqiáng)复合材料，也包括用纳米级增强(zēngqiáng)体的复合材料以及刚强棒状分子增强(zēngqiáng)的分子复合材料等。综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能持征。17第十七页，共64页。国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同(bùtónɡ)的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。《材料科学技术百科全书》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(bùtónɡ)材料通过复合工艺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。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。18第十八页，共64页。《材料大辞典》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，使之互补性能优势，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(duōxiānɡ)材料范畴。19第十九页，共64页。根据《材料大辞典》中关于复合材料的定义可以看出,复合材料具有两个鲜明的特点:１、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生(chǎnshēng)原组分所不具备的新性能。２、复合材料具有可设计性。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。20第二十页，共64页。材料(cáiliào)的优缺点组合示意图21第二十一页，共64页。因此复合材料必须通过对原材料的选择，各组分分布的设计和工艺条件的保证等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现(chūxiàn)新的性能，最大限度地发挥优势。22第二十二页，共64页。综上所述，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，并赋予单一材料组元所不具备(jùbèi)的优良持殊性能。23第二十三页，共64页。(3)复合材料具有可设计性。复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比(xiānɡbǐ)，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)。在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体与增强体之间存在着界面。24第二十四页，共64页。通过对各种定义、解释加以总结，复合材料(cáiliào)应包括：组元是人们根据材料(cáiliào)设计的基本原则有意识地选择，至少包括两种物理和力学性能不同的独立组元，其中一组元的体积分数一般不低于20％，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；复合材料(cáiliào)是人工制造的，而非天然形成的。复合材料(cáiliào)的性质取决于组元性质的优化组合，它应优于独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。25第二十五页，共64页。复合材料在世界(shìjiè)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增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：2、复合材料(fùhécáiliào)的命名26第二十六页，共64页。（1）强调基体时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。（2）强调增强(zēngqiáng)体时以增强(zēngqiáng)体材料的名称为主。如玻璃纤维增强(zēngqiáng)复合材料、碳纤维增强(zēngqiáng)复合材料、陶瓷颗粒增强(zēngqiáng)复合材料等。27第二十七页，共64页。（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面(qiánmian)，基体材料的名称放在后面。28第二十八页，共64页。例如：“玻璃纤维增强(zēngqiáng)环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧”。而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也可写为“碳／金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳／碳复合材料”。29第二十九页，共64页。国外还常用英文编号来表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金属基复合材料(fùhécáiliào)，FRP（FiberReinforcedPlastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)30第三十页，共64页。３、复合材料(fùhécáiliào)的分类随着材料品种不断增加，人们为了(wèile)更好地研究和使用材料，需要对材料进行分类。材料的分类，历史上有许多方法：31第三十一页，共64页。（１）按材料的化学性质分类，有金属材料、非金属材料之分。（２）按物理性质(wùlǐxìngzhì)分类，有绝缘材料、磁性材料、远光材料、半导体材料、导电材料等。（３）按用途分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。材料(cáiliào)的分类32第三十二页，共64页。复合材料的分类方法也很多，常见的分类方法有以下几种：一、按增强(zēngqiáng)材料形态分为以下三类1、纤维增强(zēngqiáng)复合材料：a.连续纤维复合材料：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；b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；33第三十三页，共64页。2、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3、板状增强体、编织复合材料：以平面(píngmiàn)二维或立体三维物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34第三十四页，共64页。复合材料(fùhécáiliào)结构示意图

a)层叠复合b)连续纤维复合c)细粒复合d)短切纤维复合35第三十五页，共64页。纤维增强复合材料纤维增强复合材料分为(fēnwéi)以下五种：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维（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；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。36第三十六页，共64页。混杂复合材料：两种或两种以上(yǐshàng)增强体同一种基体制成的复合材料。可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。37第三十七页，共64页。①玻璃纤维复合材料用玻璃纤维增强工程塑料(ɡōnɡchénɡsùliào)的复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分为两种，即热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。38第三十八页，共64页。Ａ、热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢是以玻璃纤维(bōlixiānwéi)为增强剂和以热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料。Ｂ、热固性玻璃钢热固性玻璃钢是以玻璃纤维(bōlixiānwéi)为增强剂和以热固性树脂为粘结剂制成的复合材料。39第三十九页，共64页。②碳纤维复合材料Ａ、碳纤维复合材料：作基体的树脂，目前应用最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。Ｂ、碳纤维碳复合材料：用有机基体浸渍纤维坯块，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。Ｃ、碳纤维金属(jīnshǔ)复合材料：主要用于熔点较低的金属(jīnshǔ)或合金，如在碳纤维表面镀金属(jīnshǔ)，制成了碳纤维金属(jīnshǔ)复合材料。Ｄ、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。40第四十页，共64页。③硼纤维(xiānwéi)复合材料硼纤维(xiānwéi)是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。Ａ、硼纤维(xiānwéi)树脂复合材料：基体主要为环氧树脂、聚苯并咪唑和聚酰亚胺树脂等。Ｂ、硼纤维(xiānwéi)金属复合材料：常用的基体为铝、镁及其合金，还有钛及其合金等。41第四十一页，共64页。④金属纤维复合材料作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属钨、钼、钢、不锈钢、钛、铍等，它们能被基体金属润湿(rùnshī)，也能增强陶瓷。Ａ、金属纤维金属复合材料：研究较多的增强剂为钨钼丝，基体为镍合金和钛合金。Ｂ、金属纤维陶瓷复合材料：利用金属纤维的韧性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。42第四十二页，共64页。二、按材料作用分两类①结构复合材料(fùhécáiliào)；②功能复合材料(fùhécáiliào)。43第四十三页，共64页。①结构复合材料主要用于制造受力构件(gòujiàn)；结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。44第四十四页，共64页。结构复合材料(cáiliào)又可按基体材料(cáiliào)类型和增强体材料(cáiliào)类型来分类见下图所示：45第四十五页，共64页。聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳基复合材料结构复合材料热固性树脂基热塑性树脂基橡胶基高温陶瓷基玻璃基玻璃陶瓷基轻金属基高熔点金属基金属间化合物基Ａ、按基体(jītǐ)类型分类46第四十六页，共64页。B、按增强体类型(lèixíng)分类结构复合材料叠层式复合材料片材增强复合材料颗粒增强复合材料纤维增强复合材料人工晶片天然片状物微米颗粒纳米颗粒不连续纤维复合材料连续纤维增强复合材料晶须增强复合材料短切纤维增强复合材料单向纤维增强复合材料二维织物增强复合材料三维织物增强复合材料47第四十七页，共64页。结构复合材料的特点(tèdiǎn)可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材和增强体排布设计，从而充分发挥各组元的效能。48第四十八页，共64页。②功能复合材料指具备(jùbèi)各种特殊物理与化学性能的材料。例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。49第四十九页，共64页。功能复合材料中的增强体又可称为功能体组元，它分布于基体组元中。功能复合材料中的基体不仅起到构成(gòuchéng)整体的作用，而且能够产生协同或加强功能的作用。50第五十页，共64页。除了上面的各种各样的复合材料以外，还有同质复合材料和异质复合材料。同质复合材料（增强(zēngqiáng)材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）异质复合材料（前面提及的复合材料多属此类）。51第五十一页，共64页。复合材料目前状况（１）玻璃钢和树脂基复合材料非常成熟广泛的应用（２）金属基复合材料开发阶段(jiēduàn)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研究阶段(jiēduàn)有不少科学技术问题有待解决52第五十二页，共64页。４、复合材料发展概况复合材料发展简史：学术界开始使用“复合材料”（compositematerials）一词大约是在20世纪40年代，当时出现了玻璃纤维(bōlixiānwéi)增强不饱和聚酯，开辟了现代复合材料的新纪元。53第五十三页，共64页。从20世纪60年代开始，开发出多种高性能纤维。20世纪80年代以后，由于人们丰富(fēngfù)了设计、制造和测试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，使现代复合材料的发展达到了更高的水平，即进入高性能复合材料的发展阶段。54第五十四页，共64页。复合材料的整个发展(fāzhǎn)过程可表示为：古代(gǔdài)近代(jìndài)先进复合材料55第五十五页，共64页。天然复合材料自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，树木和竹子是纤维素和木质素的复合体；动物的骨骼则由无机(wújī)磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。56第五十六页，共64页。人类很早就接触和使用各种天然复合材料，并仿效自然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；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(gōngdiàn)建筑里园木表面的