第一章 復合材料概論

1、復合材料學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室（EPM) 朱慶豐 電話E-mail: QQ:9726044 學習目的 n掌握復合材料的特點； n了解復合材料中基體和增強相的種類、 特點和要求； n理解復合材料的復合原理，包括混合法 則、增韌機制和界面作用； n了解復合材料的成型工藝。 Chapter 9 Composites2 上課要求和考試 n1要求：記一些筆記（重要知識點） n2 考試：開卷（40%）+一篇綜述30% n3 平時：30 1.復合材料成型技術(shù)黃家康主編， 化學工業(yè)出版社。 2. 先進復合材料魯云、朱世杰主編， 機械工業(yè)出版社。 3.復合材料學周祖福主編

2、，武漢理 工大學出版社 4. 復合材料聚合物基體趙玉庭等主 編，復合材料聚合物基體，武漢理工大 學出版社 目 錄 n1 1 復合材料概論復合材料概論 n2 2 復合材料的基體復合材料的基體 n3 3 復合材料的增強材料復合材料的增強材料 n4 4 復合材料的界面復合材料的界面 n5 5 復合材料的成型工藝復合材料的成型工藝 n6 6 復合理論復合理論 1.復合材料概述 n三大材料：三大材料： 金屬金屬 無機非金屬無機非金屬 有機高分子有機高分子 n復合材料復合材料 取長補短取長補短 協(xié)同作用協(xié)同作用 產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能 無機 非金屬 材

3、料 有機 高分子 材料 金屬 材料 復合 材 料 6Chapter 9 Composites The Materials Science Tetrahedron 材料科學四面體 結(jié)構(gòu) 固有特性 制作方法 測定性能 使用性能 性能價格比Cost(price)performance 1.1復合材料的定義復合材料的定義 國際標準化組織國際標準化組織：由兩種以上在物理和化學上不同的：由兩種以上在物理和化學上不同的 物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料 材料科學技術(shù)百科全書材料科學技術(shù)百科全書 ：復合材料是由有機高分：復合材料是由有機高分 子、無機非金屬或金屬等幾類不

4、同材料通過復合工藝子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝 組合而成的新型材料。組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特它既保留原組成材料的重要特 色，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能。色，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能。可可 以通過材料設計使各組分的性能互相補充并彼此關聯(lián)，以通過材料設計使各組分的性能互相補充并彼此關聯(lián)， 從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡單混合有本從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡單混合有本 質(zhì)區(qū)別。質(zhì)區(qū)別。 材料大詞典材料大詞典 復合材料是根據(jù)應用進行設計，把兩種以上的有機聚復合材料是根據(jù)應用進行設計，把兩種以上的有機聚 合物材料或無機非金屬

5、材料或金屬材料組合在一起，合物材料或無機非金屬材料或金屬材料組合在一起， 使其性能互補，從而制成的一類新型材料。使其性能互補，從而制成的一類新型材料。 復合材料的特點之一復合材料的特點之一：是不僅保持原組分的部分優(yōu)點，：是不僅保持原組分的部分優(yōu)點， 而且產(chǎn)生原組分所不具備的新性能；而且產(chǎn)生原組分所不具備的新性能； 特點之二特點之二：是它的可設計性，通過對原材料的選擇、：是它的可設計性，通過對原材料的選擇、 各組分分布的設計和工藝條件的保證等，使原組分材各組分分布的設計和工藝條件的保證等，使原組分材 料的優(yōu)點互相補充，同時利用復合材料的復合效應使料的優(yōu)點互相補充，同時利用復合材料的復合效應使 之

6、出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢。之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢。 對各種定義解釋總結(jié)對各種定義解釋總結(jié)， 復合材料應包括復合材料應包括： 組元是人們根據(jù)材料設計的基本原則組元是人們根據(jù)材料設計的基本原則有意識地選擇有意識地選擇， 至少包括兩種至少包括兩種物理和力學性能不同的物理和力學性能不同的獨立組元獨立組元，其中，其中 一組元的體積分數(shù)一般不低于一組元的體積分數(shù)一般不低于20，第二組元通常為，第二組元通常為 纖維、晶須或顆粒；纖維、晶須或顆粒； 復合材料是復合材料是人工制造人工制造的，而非天然形成的。的，而非天然形成的。 復合材料的性質(zhì)取決于組元性質(zhì)的優(yōu)化組合，它應復合材料的性質(zhì)取決于

7、組元性質(zhì)的優(yōu)化組合，它應優(yōu)優(yōu) 于獨立組元的性質(zhì)于獨立組元的性質(zhì)，特別是強度、剛度、韌性和高溫，特別是強度、剛度、韌性和高溫 性能。性能。 1.2 復合材料應具備以下三個特點復合材料應具備以下三個特點： 1） 復合材料是由復合材料是由兩種或兩種兩種或兩種以上不同性能的材料組以上不同性能的材料組 元通過宏觀或微觀復合形成的一種新型材料，組元之元通過宏觀或微觀復合形成的一種新型材料，組元之 間存在著明顯的間存在著明顯的界面界面； 2） 復合材料中各組元不但復合材料中各組元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性，而，而 且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并

8、賦予單一單一 材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能； 3）復合材料具有）復合材料具有可設計性可設計性?？梢愿鶕?jù)使用條件要求進?？梢愿鶕?jù)使用條件要求進 行設計和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提行設計和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提 高工程結(jié)構(gòu)的效能。高工程結(jié)構(gòu)的效能。 1.3 復合材料的復合材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 通常是一個相為連續(xù)相，成為通常是一個相為連續(xù)相，成為基體基體；而另外一相是以；而另外一相是以 獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，它顯著增獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，它顯著增 強材料的性能，故常稱為強材料的性能，故常稱為增強材料增強材料（增強體

9、、增強劑、（增強體、增強劑、 增強相等）。增強相等）。 多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強度較基體大。多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強度較基體大。 分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌 散的填料。散的填料。 在基體和增強體之間存在著界面。在基體和增強體之間存在著界面。 1.4 典型復合材料纖維增強復合材料典型復合材料纖維增強復合材料 n1） 比強度、比模量高： n強度和彈性模量與密度的比值，它們是衡量材料承載能力的一個重要指標。 材料比強度cm比模量cm 鋼0.13E60.27E9 鋁合金0.17E60.26E9 高強碳纖維/ 環(huán)氧

10、樹脂 1.03E60.21E9 高模量碳纖 維/環(huán)氧樹脂 1.05E60.67E9 n2 抗疲勞性能好：疲勞破壞是材料在交變載荷作用下由裂 紋的產(chǎn)生和擴展而形成的低應力破壞。大多數(shù)金屬材料的 疲勞極限是抗拉強度的4050，而纖維增強復合材料的 疲勞極限是抗拉強度的7080。 n3 破損安全性好：纖維增強復合材料內(nèi)有大量的獨立纖維， 當這種材料的構(gòu)件超載并有少量纖維斷裂時，其載荷會重 新分配在未斷裂的纖維上。這樣，不會在短期內(nèi)喪失承載 能力。 n4 能組成各種功能材料：如銅包鋼線、鋼絲鋁絞線等 1.4 復合材料歷史 n古代近代先進復合材料古代近代先進復合材料 n天然復合材料 竹、貝殼，樹木和竹子

11、： 纖維素和木質(zhì)素的復合體 動物骨骼： 無機磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復合而成 n古代：使用 、效仿 半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今 漆器麻纖維和土漆復合而成，至今已四千多年 敦煌壁畫泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆 近現(xiàn)代： n第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纖維增強塑料年，玻璃纖維增強塑料 n第二代：第二代：1960年到年到1980年，先進復合材料年，先進復合材料 1965年英國科學家研制出碳纖維年英國科學家研制出碳纖維 1971年美國杜邦公司開發(fā)出開芙拉年美國杜邦公司開發(fā)出開芙拉-49 1975年先進復合材料年先進復合材料“碳纖維增強、及開芙拉纖維增強碳纖維增強、及開芙拉纖維增

12、強 環(huán)氧樹脂復合材料環(huán)氧樹脂復合材料” 用于飛機、火箭的主承力件上。用于飛機、火箭的主承力件上。 n第三代：第三代：1980年到年到1990年，碳纖維增強金屬基復合材料年，碳纖維增強金屬基復合材料 以鋁基復合材料的應用最為廣泛。以鋁基復合材料的應用最為廣泛。 n第四代：第四代：1990年以后，主要發(fā)展多功能復合材料，年以后，主要發(fā)展多功能復合材料， 如智能復合材料和梯度功能材料等。如智能復合材料和梯度功能材料等。 1.5 復合材料分類 熱固性熱塑性 樹脂基 金屬基 碳基玻璃基水泥基 陶瓷基 復合材料 聚合物基聚合物基復合材料復合材料:以有機聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠以有機聚合物（熱固

13、性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠 等）為基體；等）為基體； 金屬基金屬基復合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體；復合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體； 無機非金屬無機非金屬基復合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體基復合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體 按基體分類 復合材料按功能分類 力 結(jié) 構(gòu) 復 合 材 料 電 、 磁 、 光 、 熱 、 放 射 性 耐 腐 蝕 、 耐 燒 蝕 、 生 物 相 容 性 、 隱 身 等 功 能 復 合 材 料 復 合 材 料 按按增強材料形態(tài)增強材料形態(tài)分類分類 1、纖維纖維增強復合材料：增強復合材料： a.連續(xù)連續(xù)纖維復合材料：作為分散相的長纖維

14、的兩個端點纖維復合材料：作為分散相的長纖維的兩個端點 都位于復合材料的邊界處；都位于復合材料的邊界處； b.非連續(xù)非連續(xù)纖維復合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在纖維復合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在 基體材料中；基體材料中； 2、顆粒顆粒增強復合材料：增強復合材料：微小顆粒狀增強材料分散在基體微小顆粒狀增強材料分散在基體 中；中； 3、板狀板狀增強體、增強體、編織復合材料：編織復合材料：以平面二維或立體三維以平面二維或立體三維 物為增強材料與基體復合而成。物為增強材料與基體復合而成。 其它增強體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強體其它增強體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強體 圖圖2 復合材

15、料結(jié)構(gòu)示意圖復合材料結(jié)構(gòu)示意圖 a)層疊復合層疊復合 b)連續(xù)纖維復合連續(xù)纖維復合 c)細粒復合細粒復合 d)短切纖維復合短切纖維復合 纖維增強復合材料分類纖維增強復合材料分類 玻璃玻璃纖維復合材料；纖維復合材料； 碳纖維碳纖維復合材料；復合材料； 有機纖維有機纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚 烯烴纖維等）復合材料；烯烴纖維等）復合材料； 金屬纖維金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料；（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料； 陶瓷纖維陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等） 復合材料。復合材料。 混雜混雜復合

16、材料：復合材料： 兩種或兩種以上增強體兩種或兩種以上增強體同一基體制成的復合材料稱為，同一基體制成的復合材料稱為， 可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復合材料的可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復合材料的 相互復合，即復合材料的相互復合，即復合材料的“復合材料復合材料”。 復合材料應用于體育器材復合材料應用于體育器材 復合材料應用于商用飛機復合材料應用于商用飛機 1.6 復合材料的用途 碳纖維/樹脂復合材料 玻璃鋼管道玻璃鋼管道 儲存罐儲存罐 復合材料的用途 超級跑車車身大量應用碳纖維復合材料 陶瓷基復合材料（CMC） Chapter 9 Composites26 復合材料用于建筑構(gòu)復合材料用

17、于建筑構(gòu) 件件 復合材料用于城市雕塑復合材料用于城市雕塑 復合材料的用途 復合材料用于家用設備復合材料用于家用設備 玻璃鋼花盆玻璃鋼花盆 復合材料的用途 飛機上用的復合材料 碳纖維/環(huán)氧樹脂 碳纖維/芳綸/環(huán)氧樹脂 玻璃纖維增強塑料 芳綸/杜邦聚酰胺 芳綸/泡沫芯板 碳纖維/杜邦聚酰胺 飛機上用的復合材料 增韌石墨 石墨 混雜復合材料 玻璃纖維 GLARE蒙皮用于A380飛機的上機身蒙皮 中國自研大飛機面臨發(fā)動機與復合材料兩大難題 大推力、高涵道比渦扇發(fā)動機大量運用了復 合材料或鈦合金空心寬弦葉片、整體葉盤。 B-2隱形轟炸機 除主體結(jié)構(gòu)是鈦復合材料外，其它部分均由 碳纖維和石墨等復合材料構(gòu)成

18、，不易反射。 全復合材料機身：輕型機的價格，中型機 的寬敞客艙，客艙內(nèi)站立高度為1.65米。 目前商用飛機上復合材料僅占全機重 量的50%，而某些直升機早已達到90% 生產(chǎn)充氣船及其膠布制品，采用 國際上先進的A級RTP復合材料 新型日光溫室復合材料 溫室骨架和縱拉桿全部采用復合材料制成 綠可木，生態(tài)木塑復合材 料，木塑復合材料吸音板 復合材料（玻璃鋼）制品 采用高分子復合材料制作浮雕和雕塑 碳/碳復合材料 生物醫(yī)學制品和體育運動 復合材料被用來預防受傷，矯 正生理機能，和幫助病人復原。 生物醫(yī)學制品和以體育運動器 材為主的碳纖維復合材料制品 熱塑性復合材料再近20年中，增長 速率持續(xù)較快，是

19、熱固性的3倍。 JS系列自潤滑復合材料與部件 三維紡織預成型技術(shù)和RTM技術(shù)是研制和開發(fā)高性能復 合材料結(jié)構(gòu)件的關鍵技術(shù)。RTM成型的復合材料頭盔。 n鋰/復合材料聚合物電解質(zhì)-熱電池 1.7 金屬基復合材料 n1） 金屬基復合材料的發(fā)展史 n1920年貴金屬包覆的電接點材料 n二次大戰(zhàn)：出現(xiàn)了Al/Fe/Al代替Ni作真空管陽極， 后出現(xiàn)了 Al/Fe/Cu, Al/Fe/Cu/Al等層壓板。 n50年代：出現(xiàn)了黃銅/鋼/黃銅的硬幣、銅包鋼線、鋁包鋼線 n70年代：銅包鋁線 n1923年用粉末冶金燒結(jié)出WC-6Co的硬質(zhì)合金：由于WC、TiC等 顆粒硬度高，顆粒平均直徑在1微米以上，容積比高（可達90）， 主要利用顆粒本身的硬度和強度，基體是起把顆粒結(jié)合在一起的作 用，因此稱為顆粒增強金屬基復合材料。 n1946年發(fā)明了：氧化鋁等增強的復合材料，強化相的平均直徑小于 0.1微米，體積比僅占百分之幾，由于強化相組織基體中位錯運動 而強化基體，因此稱為分散強化金屬基復合材料。 纖維增強復合材料 n1948年認識到晶須的強度接近物質(zhì)的理論強度，