复合材料绪论

1、复合材料，书籍作者：周光亚出版社：化学工业出版社，第一章绪论，人类为谋求生存与发展，希望用理想材料制作新工具的愿望总是与历史的发展同步探索。 因此，人类的发展历史与材料的发展历史密切相关。 研究人类历史的人清楚知道，人类历史上的各个方面进步都离不开新材料的发现、制造、应用。 历史学家将人类的发展史划分为石器时代、陶器时代、青铜时代和铁元素器时代。 后来人们发明了高分子材料、先进的复合材料、智能材料。 人类从天然物质中提取利用人类生活所需的物质。 制造这些个物质有两种方法。 一种是利用化学反应的物质合成。另一种是通过组合两种以上的物质，使其成为更高性能的材料。 用后一种方法制造的物质称为复合材料

2、。The Materials Science Tetrahedron材料科学四面体片、结构、固有特性、制作方法、测量性能、使用性能、性价比(price )性能、复合材料按基材分类。 玻璃钢(GFRP )复合材料发展的第一代60世纪80年代，先进复合材料复合材料发展的第二代80年代，先进复合材料复合材料发展的第三代，复合材料的定义，复合材料的性能特点，是强度、比刚性(比模量)大于性能可修订、易形成结构的各向异性现象， 以不均匀性聚合物系复合材料为例，可以列举出比刚度、比刚性(比模量)大、耐疲劳性能好、减振性过负荷时安全性好、具有多种功能性的加工工艺性、复合材料的组成、复合材料的命名、现代复合材料

3、学科、增强材料、基材、界面粘接， 包括结构修订在内的复合材料的结构和性能复合材料的结构，通常一个相是连续相，是基体，另一个相是在整个连续相中以独立形态分布的分散相，为了显着增强材料的性能，多称为增强体。 分散往往比沉积基质硬，刚性和强度大于沉积基质。 分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或分散的填料。 在基体和增强体之间存在界面。 因此，复合材料由两种以上的成分和它们的界面构成。 成分材料主要指增强体和沉积基质，这些个又称为复合材料的增强相和沉积基质相。 强化相和沉积基质相的界面区域，由于其特殊的结构组成，也可以看作复合材料中的“相”，即界面相。 强化相和沉积基质相根据这些成分的物理化学

4、性质和最终复合材料的形态来区分。 其中的一种成分为丝状体(连续或短切)、薄片或颗粒状，具有高强度、弹性模数、硬度和脆性，是复合材料承受外载荷时的主要载体相，称为增强相或增强体(reinforced phase or reinforcement )。 增强相或增强体呈分散在复合材料中的形式，被沉积基质隔离包围，因此也称为分散相的复合材料的另一种成分是包围增强相的比较柔软且固件的贯连材料，称为沉积基质相(matrix phase )。 复合材料的各种形态如图所示：复合材料及其强化相的各种形态、纤维状、颗粒状、层状、片状、填充状、复合材料在制造前基材的形状可以是薄片、粉末、封摇滾乐或不定形的流体，其

5、状态可以是固体、气体、熔融状态或半固半液状的基材与强化相固着时，基材相与复合材料的因此，沉积基质相也被称为连续相。沉积基质相具有支撑和保护增强相的作用，在复合材料受到施加载荷时，沉积基质相主要以剪切变形的方式向增强相分配载荷并进行传递。 在复合材料中，增强相和沉积基质相之间也存在明显的接合面。 位于强化相和沉积基质相之间，将两相相互连接，化学成分和力学性质明显区别于邻接的两相，是发挥在邻接的两相间传递负荷的作用的区域，被称为复合材料的界面(interface )。 复合材料中界面层的厚度通常在次微米以下，但界面层的总面积在复合材料中较大，复合材料的界面特性对复合材料的性能、破坏行为及应用性能有

6、很大影响。 因此，人们正在大力开展复合材料界面的研究表面和界面工程科学(surface and interface engineering )。 复合材料的性能取决于成分材料的种类、性能、含量和分布。 主要包括强化体的性能及其表面物理化学状态在内的沉积基质结构和性能增强体的配置、分布、体积含量。 复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、零配件几何和使用环境条件。 复合材料可以保持原成分材料的主要特色，并通过复合效应获得成分材料所没有的性能。 并且，可以通过材料设定补正相互补充各成分的性能，使其相互关联，获得新的性能。 复合材料的设定修订：选择复合材料的成分、增强体分布和复合材料

7、的制造工艺，使其具有使用所需的性能工艺。 复合材料设定修订分为单层材料设定修订、铺设修订、结构设定修订三个层次。 单层材料的设置修订包括准确地选择补强材料、基材及共配合比，该层决定单层板性能的铺砌修订包括对铺砌材料的铺砌方案合理的金钱安全安排，该层决定层合板性能的构造修订最终决定产品结构的形状和尺寸。 三个这些个的设定修订水平是相互前提，相互影响，相互依赖。 因此，复合材料及其结构的修订打破了材料研究和结构研究的传统界限。 修订者必须统一考虑材料性能和结构性能。 换句话说，必须进行材料设定修订和构造设定修订，将它们统一为相同的设定修订案。 复合材料是由多相材料复合而成，其共同特点主要有三个：

8、()综合发挥各种构成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。 例如，纤维玻璃增强环氧类复合材料具有钢材一样的强度、塑料的介电性能和耐腐蚀性两方面。 (2)可根据材料性能的需要进行材料的设定和制造。 例如，对方向性材料强度的设定修正、对某介质的耐腐蚀性能的设定修正等。 (3)能够制作必要的任意形状的产品，能够避免多次的加工工序。 例如，可以避免金属制品的铸造模型、切削、打磨等工序。 影响复合材料性能的因素主要取决于强化材料的性能、含量及分布情况、基材的性能、含量及它们之间的界面结合情况，作为产品也与成型技术和结构修订有关。 因此，对于任何种类的复合材料，同种类的复合材料的性

9、能都不一定，只能给出主要的性能。 一般材料的简单混合和复合材料的两个本质区别： ()复合材料不仅保留了原始构成材料的特征，而且通过各成分的相互补充和关联可以获得原始成分所没有的新的优异性能() 复合材料的设计性例如结构复合材料不仅可以根据材料在使用中受到的力的要求来选择构成要素进行设计，更重要的是可以进行复合结构的设计，即增强体的比例、分布、排列和取向等的设计。 结构复合材料由能够承受负荷的增强体构成要素和能够传递连结增强体的力的基体构成要素构成。 由不同的增强体和不同的基体可以构成名目繁多的结构复合材料。复合材料的特性复合材料由多种成分的材料组成，多种性能优于单一成分的材料。 例如，纤维增强

10、的树脂类复合材料具有重量轻、强度高、设计性好、耐药性、介电性能好、耐磨损及成形加工容易等优点。 ()轻量高强度，比刚度和比刚性高，增强剂或基体是比重小的物质，或者两者的比重不高，完全不致密的增强剂，强度高的纤维多。 比刚度(指强度和密度之比)和比模量是各材料中最高的。 例如，普通碳钢的密度为7.8 g/cm3。 纤维玻璃增强树脂基复合材料的密度为1.52.0 g/cm3，仅为普通碳钢的1/41/5，比铝合金轻1/左右，但机械强度可超过普通碳钢的水平。 按比刚度计算，纤维玻璃增强树脂基复合材料不仅可以超过碳钢，还可以超过特殊的合金绳。 碳纤维布复合材料、有机纤维复合材料比纤维玻璃复合材料密度低、

11、强度高，因此比刚度高。 (2)设定修订性优异的复合材料能够根据用途的要求灵活地进行产品设定修订，具有优异的设定修订性。 对于结构材料，可以根据受力情况合理配置补强材料，可以节约材料，减轻质量。 对于要求耐腐蚀性能的产品，为了能够选择耐腐蚀性能良好的沉积基质树脂和补强材料而进行了修订。对于介电性能、耐热性能等其他性能要求，也可以通过选择适当的材料容易地满足要求。 复合材料的良好的设定改正性，其弹性模数、层间剪切强度等缺点也能够最大限度地克服。 (3)电性能好的复合材料具有优异的电性能，通过选择不同的树脂沉积基质、补强材料及辅助材料，可以制成绝缘材料或导电材料。 例如，纤维玻璃强化树脂类复合材料具

12、有优异的电绝缘性能，并且在射频波也能维持良好的介电性能，因此可以作为高性能电动机、电器的绝缘材料。 纤维玻璃增强的树脂基复合材料具有良好的透射性能，广泛用于机载、舰载、地面雷达罩的制造。 复合材料可以通过材料的选择和适当的成形工艺得到导电性复合材料。 它是一种功能复合材料，在冶金、化工和电池制造等工业领域有着广泛的应用前景。 (4)耐腐蚀性优异的聚合物系复合材料，耐酸性、海水耐受力优异，也能够耐碱、盐、有机溶剂。 因此，它是一种优良的耐腐蚀材料，使用它制造的化工管道、储罐、塔等具有长寿命、极低的维护费用。 (5)热性能良好的纤维玻璃增强聚合物基复合材料导热率低，是一种优良的绝热材料。 通过选择

13、合适的基体材料和补强材料，可制成耐烧结材料和热防护材料，有效保护火箭、导弹和宇宙航行体在2000以上的温度、高速气流冲刷作用。 (6)过程性能优异的纤维增强聚合物类复合材料具有优异的过程性能，可以满足各种产品的制造需求，特别适用于大型产品、形状复杂且数量少的产品的制造；(7)弹性模数金属化学基和陶瓷类复合材料可以在较高的温度下长期使用，但聚合物类复合材料的弹性模数低。 因此，制作的产品容易变形。 通过将碳纤维布等高模量纤维作为补强材料使用，能够提高复合材料的弹性模数，另外，通过结构设定修正也能够克服其弹性模数差的缺点。 比模量是指在温度232和相对大气湿度505的条件下测量的弹性杨氏模量(单位

14、：N.m-2 )除以比重(单位：N.m-3 )。 所谓弹性杨氏模量，是表示物体变形时所受到的应力和应变的关系的比例常数。 在弹性范围内许多材料遵循虎克定律，即变形与受力成比例。 纵向应力和纵向应变的比例常数是材料的弹性模数e，也称为弹性杨氏模量。横应变和纵应变之比也被称为泊松比，是反映材料横变形的弹性常数。 复合材料的突出优点是高于强度和比模量(即强度、模量和密度之比)。 比刚度和比模量是测量材料承载能力的一个指标，比刚度越高，同一零配件的比重越小，比模量越高，零配件的刚性越大。 (8)长期耐热性金属化学基和陶瓷化学基的复合材料可以在较高的温度下长时间使用，而聚合物化学基的复合材料不能在高温下

15、长时间使用，即使是耐高温的聚酰亚胺化学基的复合材料，其长期使用温度也只有300左右。 (9)老化现象在白天条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的作用，复合材料的性能恶化，发生所谓的老化现象。 复合材料使用中牛老化现象的程度与其组成、结构及场所环境有关。 (10 )抗疲劳性强，缺陷少的纤维抗疲劳性强，其次，基体塑性好，能够消除或减少应力集中区域的大小和数量。 (11 )由于减振能力强的复合材料的比模量高，其自激振荡频率高，不易引起共振，且快脆，而且复合材料是非均质多相系，复合材料的振动衰减快。 复合材料与金属、木材、水泥等传统材料相比，是一种新材料。 具有很多优异的性能，其成本逐渐下降，

16、成形工艺机械化、白动化程度也在提高。 由此，复合材料的应用领域越来越广泛。 3、复合材料的应用、氮化硅元素结构陶瓷、航天飞机挡热瓦、硼纤维金属基复合材料制火箭轴的管道输送零配件、美国B-2隐形轰炸机表面由具有良好吸波性能的碳纤维布复合材料、光纤制成的光缆、先进橡胶轮胎让汽车成为交通的主宰， 赛车专用轮胎、人造的合成的金刚石高分子分离膜已用于制造高效家庭水过滤器、人工肾脏、生物陶人工关节、可调节太阳眼镜、耐高温纤维消防员的服装，在航空航天中的应用由于复合材料的轻量高强度保持性，在航空航天领域得到广泛应用。 在航空方面，主要用作作战飞机的机冀表皮、飞机机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔

17、板、翼肋和加强筋等主受力部件。 应用于交通运输复合材料汽车质量得到减轻，相同条件下的燃油消耗率只有钢制汽车14种，而且碰撞时复合材料可以大幅度吸收冲击能量，保护人的安全。 用复合材料制造的汽车零部件较多，如车身、驾驶室、翼子板、汽车保险杠、发动机罩、修正器盘、驱动轴、板黄等。 随着动车组速度的提高，用复合材料制造动车组零配件是最好的选择。 复合材料常用于高速动车组齿轮箱、内饰材料、厕所整体、门窗、水箱等的制造。 在应用化学工业中的应用，复合材料主要用于防腐产品的制造。 聚合物基复合材料具有优良的耐腐蚀性能。 例如，在酸性介质中，与不锈钢相比，聚合物类复合材料的耐腐蚀性优异得多。 (4)聚合物复

18、合材料在电气工业中的应用是一种优良的电绝缘材料，广泛应用于绝缘板、绝缘管、印刷线路板、马达保护件、槽挖起杆、高压绝缘体、带电操作手工工具等马达、电气设备的制造。 建筑工业应用纤维玻璃增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优良、绝热、隔音性能好、吸水率低、耐腐蚀性能好、装饰性能好的特点，是理想的建筑材料。 在建筑上，玻璃钢被用作受力构造、围护结构、冷水塔、水箱、卫生器具、门窗等。应用于机械工业的复合材料在机械制造工业中用于制造各种刀片、风扇、齿轮、皮带轮、防护罩等各种机械零件。 用复合材料制造，具有制造容易、重量轻、耐腐蚀等优点，各种风力发电机的叶片是用复合材料制造的。 在运动用品的应用运动用品中的应用，在赛车、小船、独木舟、桨、支柱、球拍、弓箭、雪橇等的制造上应用复合材料