復(fù)合材料及其力學(xué)基礎(chǔ)教材(共61頁).ppt

1、復(fù)合材料及其力學(xué)根底復(fù)合材料及其力學(xué)根底第一章第一章 緒論緒論 1-1 1-1 復(fù)合材料的定義及分類復(fù)合材料的定義及分類 一、復(fù)合材料的定義一、復(fù)合材料的定義廣義：由兩相或多項(xiàng)組分構(gòu)成的材料包括自然的和人工廣義：由兩相或多項(xiàng)組分構(gòu)成的材料包括自然的和人工 的。的。 狹義：狹義：由兩相或多相組分構(gòu)成的、人造的先進(jìn)材料。由兩相或多相組分構(gòu)成的、人造的先進(jìn)材料。1、定義、定義 復(fù)合材料應(yīng)具有如下復(fù)合材料應(yīng)具有如下三個特點(diǎn)三個特點(diǎn)：由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復(fù)由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元間存在著明顯的界面；合形成的一種新型材料，組元

2、間存在著明顯的界面；各組元不但保持各自的固有特性，而且還最大限度發(fā)揮各各組元不但保持各自的固有特性，而且還最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；特殊性能；復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。2、特點(diǎn)、特點(diǎn)3、基體和增強(qiáng)體、基體和增強(qiáng)體 基基 體：復(fù)合材料中比較連續(xù)的相；體：復(fù)合材料中比較連續(xù)的相；增強(qiáng)相：其它一些以獨(dú)立形態(tài)分布于整個連續(xù)相中的分散增強(qiáng)相：其它一些以獨(dú)立形態(tài)分布于整個連續(xù)相中的分散 相；相；界界 面：兩者之間的結(jié)合部稱為界面。面：兩者之間的結(jié)合部稱為界面。 二、復(fù)合材料的分類二、復(fù)合材料

3、的分類 1、按來源分：、按來源分：天然竹、木材、麻等；天然竹、木材、麻等；人工人工 2、按基體材料的種類分：、按基體材料的種類分：聚合物基復(fù)合材料：熱固性、熱塑性、橡膠；聚合物基復(fù)合材料：熱固性、熱塑性、橡膠；金屬基復(fù)合材料：鋁，鈦合金；金屬基復(fù)合材料：鋁，鈦合金；陶瓷基復(fù)合材料；陶瓷基復(fù)合材料；石墨基復(fù)合材料：石墨基復(fù)合材料：C-C；混凝土基復(fù)合材料混凝土基復(fù)合材料 3、按增強(qiáng)相分類：、按增強(qiáng)相分類：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：長纖維，短纖維；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：長纖維，短纖維；晶須增強(qiáng)復(fù)合材料；晶須增強(qiáng)復(fù)合材料；顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；混合增強(qiáng)復(fù)合材料：不同形態(tài)的增強(qiáng)相共同增強(qiáng)的復(fù)合混合增

4、強(qiáng)復(fù)合材料：不同形態(tài)的增強(qiáng)相共同增強(qiáng)的復(fù)合材料。材料。4、按用途分類：、按用途分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；功能復(fù)合材料：電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)及摩擦、阻功能復(fù)合材料：電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)及摩擦、阻尼材料；尼材料； 智能復(fù)合材料：自適應(yīng)環(huán)境。智能復(fù)合材料：自適應(yīng)環(huán)境。 1-2 復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能 一、材料性能的可設(shè)計(jì)性一、材料性能的可設(shè)計(jì)性 其宏觀性能可根據(jù)人們的需要通過細(xì)觀性能來設(shè)計(jì)，因此其宏觀性能可根據(jù)人們的需要通過細(xì)觀性能來設(shè)計(jì)，因此可充分發(fā)揮材料的潛力?？沙浞职l(fā)揮材料的潛力。 二、疲勞性能好二、疲勞性能好容傷性好。容傷性好。三、減振性能好三、減振性能好自振頻率甚高，

5、內(nèi)阻大。自振頻率甚高，內(nèi)阻大。四、比強(qiáng)度，比剛度高四、比強(qiáng)度，比剛度高 材料材料密度密度模量模量(GPa)強(qiáng)度強(qiáng)度(MPa)比剛度比剛度比強(qiáng)度比強(qiáng)度連續(xù)連續(xù)S-玻璃纖玻璃纖維維/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂1.9960175030.287925%SiCw/氧氧化鋁化鋁3.7390900（彎曲（彎曲強(qiáng)度）強(qiáng)度）105243.2GRP(GF/EP)1.838.615002104833.3CRP(CF/EP)1.6181.01062113.1663.850%Al2O3f/Al2.913090049310高強(qiáng)高強(qiáng)Al合金合金2.46840028.8166.7A3鋼鋼7.862104602759七、其它的特殊性能：

6、七、其它的特殊性能： 五、高、低溫性能好，膨脹系數(shù)小五、高、低溫性能好，膨脹系數(shù)小六、耐磨、減摩，自潤性好六、耐磨、減摩，自潤性好 化學(xué)穩(wěn)定性高，具有耐燒蝕性，耐輻射性，耐蠕變性化學(xué)穩(wěn)定性高，具有耐燒蝕性，耐輻射性，耐蠕變性以及特殊的光，電，磁性能。以及特殊的光，電，磁性能。 1-3 復(fù)合材料的用途復(fù)合材料的用途 一、機(jī)械工業(yè)一、機(jī)械工業(yè) 主要用于閥、泵、齒輪、風(fēng)機(jī)、風(fēng)片、軸及密封件等。主要用于閥、泵、齒輪、風(fēng)機(jī)、風(fēng)片、軸及密封件等。二、汽車工業(yè)及交通運(yùn)輸行業(yè)二、汽車工業(yè)及交通運(yùn)輸行業(yè) 主要用于整車重量的降低，是復(fù)合材料應(yīng)用最活潑的主要用于整車重量的降低，是復(fù)合材料應(yīng)用最活潑的行業(yè)之一。行業(yè)之

7、一。三、化學(xué)工業(yè)三、化學(xué)工業(yè)耐蝕件，各種容器。耐蝕件，各種容器。 船舶業(yè)，生物醫(yī)學(xué)，運(yùn)動器械，食品工業(yè)等。船舶業(yè)，生物醫(yī)學(xué)，運(yùn)動器械，食品工業(yè)等。四、航空航天領(lǐng)域四、航空航天領(lǐng)域 飛機(jī)、火箭、航天飛機(jī)的零部件：如發(fā)動機(jī)、剎車片、飛機(jī)、火箭、航天飛機(jī)的零部件：如發(fā)動機(jī)、剎車片、機(jī)翼等。應(yīng)用最為廣泛。機(jī)翼等。應(yīng)用最為廣泛。五、建筑領(lǐng)域五、建筑領(lǐng)域玻璃纖維增強(qiáng)水泥，玻璃鋼等。玻璃纖維增強(qiáng)水泥，玻璃鋼等。六、其他領(lǐng)域六、其他領(lǐng)域復(fù)合材料的應(yīng)用實(shí)例復(fù)合材料的應(yīng)用實(shí)例 碳纖維碳纖維/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 碳纖維碳纖維/芳綸芳綸/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 玻璃纖維增強(qiáng)塑料玻璃纖維增強(qiáng)塑料 芳綸芳綸/杜邦聚酰胺杜邦聚酰胺

8、 芳綸芳綸/泡沫芯板泡沫芯板 碳纖維碳纖維/杜邦聚酰胺杜邦聚酰胺GLARE蒙皮用于蒙皮用于A380飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮B-2隱形轟炸機(jī)隱形轟炸機(jī) 除主體結(jié)構(gòu)是鈦復(fù)合材料外，其它局部均由碳纖維和石墨除主體結(jié)構(gòu)是鈦復(fù)合材料外，其它局部均由碳纖維和石墨等復(fù)合材料構(gòu)成，不易反射。等復(fù)合材料構(gòu)成，不易反射。輕巧的碳輕巧的碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料全復(fù)合材料機(jī)身：輕型機(jī)的價格，中型機(jī)的寬敞客艙，客全復(fù)合材料機(jī)身：輕型機(jī)的價格，中型機(jī)的寬敞客艙，客艙內(nèi)站立高度為艙內(nèi)站立高度為1.65米。米。目前商用飛機(jī)上復(fù)合材料僅占全機(jī)重量的目前商用飛機(jī)上復(fù)合材料僅占全機(jī)重量的50%，而，而某些直升機(jī)早已到達(dá)某些

9、直升機(jī)早已到達(dá)90%荷蘭方案研發(fā)新型綠色環(huán)保飛機(jī)荷蘭方案研發(fā)新型綠色環(huán)保飛機(jī) 外形將酷似飛碟，另一個設(shè)想就是使用復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)外形將酷似飛碟，另一個設(shè)想就是使用復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)塑料。這種復(fù)合材料強(qiáng)度可與金屬媲美，而重量卻比金屬輕得塑料。這種復(fù)合材料強(qiáng)度可與金屬媲美，而重量卻比金屬輕得多，因此可以節(jié)省燃油。多，因此可以節(jié)省燃油。復(fù)合材料軍用吉普車復(fù)合材料軍用吉普車玻璃纖維玻璃纖維/碳纖維碳纖維/增強(qiáng)樹脂增強(qiáng)樹脂美洲輕木美洲輕木泡沫泡沫超級跑車超級跑車車身大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料車身大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)充氣船及其膠布制品，采用國際上先進(jìn)的生產(chǎn)充氣船及其膠布制品，采用國際上先進(jìn)的A級級

10、RTP復(fù)合材料復(fù)合材料新型日光溫室復(fù)合材料新型日光溫室復(fù)合材料溫室骨架和縱拉桿全部采用復(fù)合材料制成溫室骨架和縱拉桿全部采用復(fù)合材料制成綠可木，生態(tài)木塑復(fù)合材料，綠可木，生態(tài)木塑復(fù)合材料，木塑復(fù)合材料吸音板木塑復(fù)合材料吸音板復(fù)合材料玻璃鋼制品復(fù)合材料玻璃鋼制品碳纖維碳纖維/樹脂復(fù)合材料樹脂復(fù)合材料碳碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料生物醫(yī)學(xué)制品和體育運(yùn)動生物醫(yī)學(xué)制品和體育運(yùn)動復(fù)合材料被用來預(yù)防受傷，矯正生理復(fù)合材料被用來預(yù)防受傷，矯正生理機(jī)能，和幫助病人復(fù)原。機(jī)能，和幫助病人復(fù)原。生物醫(yī)學(xué)制品和以體育運(yùn)動器材為主生物醫(yī)學(xué)制品和以體育運(yùn)動器材為主的碳纖維復(fù)合材料制品的碳纖維復(fù)合材料制品熱塑性復(fù)合材料在近熱塑

11、性復(fù)合材料在近20年中，增長速率持續(xù)較快，年中，增長速率持續(xù)較快，是熱固性的是熱固性的3倍。倍。聚合物納米復(fù)合材料聚合物納米復(fù)合材料聚合物聚合物層狀粘土層狀粘土傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的復(fù)合材料復(fù)合材料插入的插入的納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料片狀剝離的片狀剝離的納米復(fù)合材納米復(fù)合材料料新型的納米黏土新型的納米黏土片層越小，分散得越好，那么復(fù)合材料的性能越好片層越小，分散得越好，那么復(fù)合材料的性能越好1-4 復(fù)合材料的組分復(fù)合材料的組分 1-4-1 樹脂基復(fù)合材料的組分樹脂基復(fù)合材料的組分 一、纖維增強(qiáng)體一、纖維增強(qiáng)體 1、對纖維的根本要求、對纖維的根本要求 1力學(xué)性能：一般要求要高力學(xué)性能：一般要求要高2外表狀

12、態(tài)：應(yīng)易于與樹脂浸潤外表狀態(tài)：應(yīng)易于與樹脂浸潤3長度、根數(shù)及捻度：長度應(yīng)滿足長度、根數(shù)及捻度：長度應(yīng)滿足FRC的要求；纖維束絲的要求；纖維束絲 中單絲根數(shù)應(yīng)能符合中單絲根數(shù)應(yīng)能符合FRC每層壓厚的要求。每層壓厚的要求。6環(huán)扣強(qiáng)度：是衡量纖維柔韌性的一個指標(biāo)，可用來說明纖環(huán)扣強(qiáng)度：是衡量纖維柔韌性的一個指標(biāo)，可用來說明纖 維工藝性能的好壞。維工藝性能的好壞。 4細(xì)度和均勻度：細(xì)度是指單絲直徑；均勻度是指直徑的均細(xì)度和均勻度：細(xì)度是指單絲直徑；均勻度是指直徑的均 勻程度，須滿足一定的規(guī)定。勻程度，須滿足一定的規(guī)定。5毛絲，毛團(tuán)：為纖維束中的雜質(zhì)，在一定纖維束長度上不毛絲，毛團(tuán)：為纖維束中的雜質(zhì)，在

13、一定纖維束長度上不 允許超過一定數(shù)目。允許超過一定數(shù)目。2、纖維的分類：、纖維的分類： 無機(jī)纖維：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維及氧化硅、氧化鋁無機(jī)纖維：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維及氧化硅、氧化鋁 纖維等；纖維等；有機(jī)纖維：芳綸纖維、尼龍纖維及聚烯烴纖維等。有機(jī)纖維：芳綸纖維、尼龍纖維及聚烯烴纖維等。1玻璃纖維玻璃纖維 3、幾種常用的纖維、幾種常用的纖維 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度2.54.58GPa；密度；密度2.142.55g/cm3；拉伸模量；拉伸模量 5586GPa；延伸率；延伸率 3.375.2% 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度1.7GPa；拉伸模量；拉伸模量200400GPa；耐高溫：；耐高溫：2000 。2碳纖

14、維碳纖維 3芳綸芳綸 拉伸強(qiáng)度高，約為鋁合金的拉伸強(qiáng)度高，約為鋁合金的5倍；彈性模量高，比玻璃纖維高倍；彈性模量高，比玻璃纖維高1倍；密度小；韌性好倍；密度??；韌性好 。 4硼纖維硼纖維 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度3.45GPa；密度；密度2.42.6g/cm3；拉伸模量；拉伸模量 400GPa5氧化鋁纖維氧化鋁纖維 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度1.72.0GPa；密度；密度3.95g/cm3；拉伸模量；拉伸模量 380GPa6碳化硅纖維碳化硅纖維 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度3.35GPa；密度；密度3.05g/cm3；拉伸模量；拉伸模量400GPa二、樹脂基體二、樹脂基體1、FRC樹脂基體的根本要求樹脂基體的根本要求 1分

15、子量及其分布：分子量要適中，其分布范圍應(yīng)盡量小分子量及其分布：分子量要適中，其分布范圍應(yīng)盡量小2粘度和流動性：假設(shè)樹脂粘度小，那么易于浸漬纖維，并粘度和流動性：假設(shè)樹脂粘度小，那么易于浸漬纖維，并且且 流動性好。流動性好。3揮發(fā)分揮發(fā)分 ：樹脂揮發(fā)分應(yīng)盡量?。簶渲瑩]發(fā)分應(yīng)盡量小4固化特性：要求固化溫度盡可能低，固化壓力盡可能固化特性：要求固化溫度盡可能低，固化壓力盡可能 小，固化時間盡可能短。小，固化時間盡可能短。5力學(xué)性能：具有一定的強(qiáng)度，模量，延伸率，壓縮性能力學(xué)性能：具有一定的強(qiáng)度，模量，延伸率，壓縮性能6與纖維的相容性：要好。與纖維的相容性：要好。7耐熱性能：包含耐溫性和耐熱老化性。耐

16、熱性能：包含耐溫性和耐熱老化性。8有耐腐蝕性能，介電性能，阻燃性，自熄性等。有耐腐蝕性能，介電性能，阻燃性，自熄性等。2、樹脂的分類、樹脂的分類分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩類。分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩類。 熱固性：熱固性：加溫和加壓固化，不溶不熔，不可再利用。如聚酯，加溫和加壓固化，不溶不熔，不可再利用。如聚酯， 環(huán)氧，聚酰亞胺，酚醛等。環(huán)氧，聚酰亞胺，酚醛等。熱塑性：熱塑性：加熱液化，可溶可熔，結(jié)晶態(tài)有固定熔點(diǎn)，可再利加熱液化，可溶可熔，結(jié)晶態(tài)有固定熔點(diǎn)，可再利 用。如聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯等。用。如聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯等。1、MMC對增強(qiáng)體的根本要求對增強(qiáng)體的根本要求1-4-2

17、金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料一、增強(qiáng)體一、增強(qiáng)體1應(yīng)具有能明顯提高金屬基體所需特性的性能；應(yīng)具有能明顯提高金屬基體所需特性的性能；2應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在金屬基復(fù)合材料制備和使應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在金屬基復(fù)合材料制備和使 用過程中基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面用過程中基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面 反響；反響；3與金屬有良好的浸潤性或通過外表處理能與金屬良好浸與金屬有良好的浸潤性或通過外表處理能與金屬良好浸 潤，以保證增強(qiáng)物與金屬基體良好的復(fù)合和均勻分布。潤，以保證增強(qiáng)物與金屬基體良好的復(fù)合和均勻分布。2、分類、分類 按形態(tài)可分為長纖維、短纖維、晶須和顆粒增強(qiáng)體；從按形態(tài)可分為長纖維、短纖維、晶須和顆粒增強(qiáng)體；從材質(zhì)來看有碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、石墨纖維、材質(zhì)來看有碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、石墨纖維、碳化鈦纖維、氮化硼纖維等。碳化鈦纖維、氮化硼纖維等。二、基體二、基體 1、選擇基體應(yīng)注意的事項(xiàng)、選擇基體應(yīng)注意的事項(xiàng) 1滿足金屬基復(fù)合材料的不同使用要求滿足金屬基復(fù)合材料的不同使用要求 飛行器和衛(wèi)星構(gòu)件飛行器和衛(wèi)星構(gòu)件密度小的輕金屬合金，如密度小的輕金屬合金，如Mg、Al合合 金；金；高性能發(fā)動機(jī)高性能發(fā)動機(jī)耐