王國(guó)榮版復(fù)合材料概論的課件_第一章_總論

1、復(fù)合材料概論復(fù)合材料概論楊天武昆明理工大學(xué) 材料學(xué)院TEL：MAIL: OFFICE：重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室303教學(xué)教材復(fù)合材料概論復(fù)合材料概論王榮國(guó)王榮國(guó),武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004）參考資料 現(xiàn)代復(fù)合材料現(xiàn)代復(fù)合材料陳華輝陳華輝 ,鄧海金鄧海金,李李 明（中國(guó)物質(zhì)出版社明（中國(guó)物質(zhì)出版社,1998）2、復(fù)合材料、復(fù)合材料吳人潔（天津大學(xué)出版社吳人潔（天津大學(xué)出版社,2000）3、復(fù)合材料科學(xué)與工程、復(fù)合材料科學(xué)與工程倪禮忠倪禮忠,陳麒陳麒(科學(xué)出版社科學(xué)出版社,2002)4、復(fù)合材料及其應(yīng)用、復(fù)合材料及其應(yīng)用尹洪峰尹洪峰,任耘（

2、陜西科學(xué)技術(shù)出版社任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003）5、高性能復(fù)合材料學(xué)、高性能復(fù)合材料學(xué)郝元愷郝元愷,肖加余肖加余 (化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社,2004)6、新材料概論、新材料概論 譚毅譚毅, 李敬鋒李敬鋒(冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社,2004) 7、先進(jìn)復(fù)合材料、先進(jìn)復(fù)合材料 魯魯 云云 ,朱世杰朱世杰 ,馬鳴圖馬鳴圖 （機(jī)械工業(yè)出版社（機(jī)械工業(yè)出版社,2004） 總論 基體 增強(qiáng)材料 樹脂基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 C/C復(fù)合材料 主要以介紹性能、成型方法、應(yīng)用復(fù)合材料概論主要內(nèi)容復(fù)合材料概論主要內(nèi)容考核方式考核方式第一章第一章 總論總論 復(fù)合材料？ 簡(jiǎn)歷？ 復(fù)合

3、材料的那些類型？ 復(fù)合材料的特性？ 用途？61.1復(fù)合材料發(fā)展概況復(fù)合材料發(fā)展概況 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO（International Organization for Standardization)復(fù)合材料（復(fù)合材料（Composite material）定義：由）定義：由兩種或兩種以上兩種或兩種以上物理、化學(xué)物理、化學(xué)性質(zhì)不同性質(zhì)不同的物質(zhì)，的物質(zhì)，組合而成的組合而成的多相固體多相固體材料。材料。連續(xù)相連續(xù)相基體基體分散相分散相增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。1.1 復(fù)合材料發(fā)展概況復(fù)合材料發(fā)

4、展概況復(fù)合思想的產(chǎn)生：?jiǎn)我徊牧蠠o法滿足人們對(duì)結(jié)構(gòu)性能的要求 自古有之 近代復(fù)合材料 現(xiàn)代復(fù)合材料 我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀自古有之自古有之 距今7000年前的西安半坡村遺址中曾發(fā)現(xiàn)草拌泥制成的墻壁和磚坯，其性能優(yōu)于草和泥； 4000年以前的漆器是典型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它是用絲、麻及其織物為增強(qiáng)相，以生漆做粘結(jié)劑一層一層鋪敷在底胎（模具）上，待漆干后挖去底胎成型。近代復(fù)合材料近代復(fù)合材料學(xué)術(shù)界開始使用學(xué)術(shù)界開始使用“復(fù)合材料復(fù)合材料”（composite materials ）一詞大約是在一詞大約是在20世紀(jì)世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了玻璃纖維增玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯強(qiáng)不飽和聚酯，開辟了，開辟

5、了近代復(fù)合材料的新紀(jì)元。的新紀(jì)元。近代復(fù)合材料的發(fā)展主要從軍事上輕質(zhì)、高性能需求發(fā)展起來的。纖維增強(qiáng)橡膠纖維增強(qiáng)橡膠：輪胎是以簾子線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料；玻璃鋼玻璃鋼：1932年在美國(guó)出現(xiàn)，1940年制成了玻璃纖維增強(qiáng)聚酯的軍用飛機(jī)雷達(dá)罩，其后美國(guó)萊特空軍發(fā)展中心設(shè)計(jì)制造了GFRP為機(jī)身和機(jī)翼的飛機(jī)。二戰(zhàn)以后開始迅速擴(kuò)展到民用材料?，F(xiàn)代復(fù)合材料現(xiàn)代復(fù)合材料 從從20世紀(jì)世紀(jì)60年代開始，開發(fā)出多種年代開始，開發(fā)出多種。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代以后，由于人們豐富了年代以后，由于人們豐富了設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)、制造制造和和測(cè)試測(cè)試等方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，加上各類作為復(fù)合等方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，加上各類作為復(fù)合材料基體的材料

6、的使用和改進(jìn)，使材料基體的材料的使用和改進(jìn)，使的發(fā)展達(dá)到了更高的水平，即進(jìn)入的發(fā)展達(dá)到了更高的水平，即進(jìn)入的發(fā)展階段。的發(fā)展階段。 進(jìn)入20世紀(jì)70年代，GFRP比強(qiáng)度和比剛度還不夠理想，滿足不了對(duì)重量敏感、強(qiáng)度和剛度要求很高的尖端技術(shù)要求。因而開發(fā)了一批如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強(qiáng)材料，并以此增強(qiáng)高性能樹脂、金屬與陶瓷制成先進(jìn)復(fù)合材料（ACM）。用于飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛船等航天飛行器。三件值得一提的成果1、美國(guó)全部用碳纖維復(fù)合材料制成一架八座商用飛機(jī)-里爾芳2100號(hào)，并試飛成功，這架飛機(jī)僅重567kg，它以結(jié)構(gòu)小巧重量輕而稱奇于世。2、第

7、二件是采用大量先進(jìn)復(fù)合材料制成的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)，這架航天飛機(jī)用碳纖維/環(huán)氧樹脂制作長(zhǎng)18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器，用硼/鋁復(fù)合材料制造主機(jī)身隔框和翼梁，用碳/碳復(fù)合材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管和喉襯，發(fā)動(dòng)機(jī)組的傳力架全用硼纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料制成，被覆在整個(gè)機(jī)身上的防熱瓦片是耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料。在這架代表近代最尖端技術(shù)成果的航天收音機(jī)上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復(fù)合材料。3、是在波音-767大型客機(jī)上使用了先進(jìn)復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，這架可載80人的客運(yùn)飛機(jī)使用碳纖維、有機(jī)纖維、玻璃纖維增強(qiáng)樹脂以及各種混雜纖維的復(fù)合材料制造了機(jī)翼前緣、壓力容器、引擎

8、罩等構(gòu)件，不僅使收音機(jī)結(jié)構(gòu)重量減輕，還提高了飛機(jī)的各種飛行性能。 1) 樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料 是以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代是以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表，在表，在20世紀(jì)世紀(jì)50-60年代以年代以“玻璃鋼玻璃鋼”的名稱廣泛的名稱廣泛應(yīng)用于軍事、航天航空、兵器、船舶、化工、建應(yīng)用于軍事、航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、汽車、電子電氣等行業(yè)。后來逐步形成的筑、汽車、電子電氣等行業(yè)。后來逐步形成的“玻璃鋼玻璃鋼”制造技術(shù)是樹脂基復(fù)合材料的重大技術(shù)制造技術(shù)是樹脂基復(fù)合材料的重大技術(shù)進(jìn)步和歷史性變革，其產(chǎn)品質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，進(jìn)步和歷史性變革，其產(chǎn)品質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，產(chǎn)品由原來在附件上應(yīng)用而后來

9、逐步發(fā)展作為結(jié)產(chǎn)品由原來在附件上應(yīng)用而后來逐步發(fā)展作為結(jié)構(gòu)件或受力結(jié)構(gòu)件得到廣泛應(yīng)用。構(gòu)件或受力結(jié)構(gòu)件得到廣泛應(yīng)用。 美國(guó)美國(guó)S994玻璃纖維拉伸強(qiáng)度高達(dá)玻璃纖維拉伸強(qiáng)度高達(dá)4650 MPa，這種高強(qiáng)度高模量?jī)r(jià)格低廉的復(fù)合材料在武器這種高強(qiáng)度高模量?jī)r(jià)格低廉的復(fù)合材料在武器裝備、工業(yè)設(shè)備、車輛中廣泛應(yīng)用。國(guó)外發(fā)達(dá)裝備、工業(yè)設(shè)備、車輛中廣泛應(yīng)用。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和軍事強(qiáng)國(guó)也在高新技術(shù)領(lǐng)域、武器裝備、國(guó)家和軍事強(qiáng)國(guó)也在高新技術(shù)領(lǐng)域、武器裝備、航天航空和車輛中大量采用這類復(fù)合材料，以航天航空和車輛中大量采用這類復(fù)合材料，以減輕質(zhì)量、降低成本、增加裝置或設(shè)備的功能減輕質(zhì)量、降低成本、增加裝置或設(shè)備的功能特性

10、。是目前用量最大、技術(shù)最為成熟的低成特性。是目前用量最大、技術(shù)最為成熟的低成本復(fù)合材料之一。本復(fù)合材料之一。是以碳纖維增強(qiáng)復(fù)是以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表。它以卓越的比強(qiáng)度合材料為代表。它以卓越的比強(qiáng)度（12.8MPa）、比模量（）、比模量（12.8GPa）凌駕于當(dāng)）凌駕于當(dāng)時(shí)各種材料之首。由碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺時(shí)各種材料之首。由碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺具有在具有在300 以上長(zhǎng)期使用、低溫脆化以上長(zhǎng)期使用、低溫脆化(溫度溫度)點(diǎn)達(dá)點(diǎn)達(dá)-196的優(yōu)異性能，因此獲得了各國(guó)工的優(yōu)異性能，因此獲得了各國(guó)工業(yè)部門和軍方的高度重視，在工業(yè)領(lǐng)域、空業(yè)部門和軍方的高度重視，在工業(yè)領(lǐng)域、空間技術(shù)、航天航空、地面武器

11、裝備中被廣泛間技術(shù)、航天航空、地面武器裝備中被廣泛使用。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，成本的使用。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，成本的降低，在普通工業(yè)和常規(guī)兵器上的應(yīng)用將獲降低，在普通工業(yè)和常規(guī)兵器上的應(yīng)用將獲得新的突破。得新的突破。是有機(jī)纖維增強(qiáng)是有機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以美國(guó)杜邦公司的復(fù)合材料，以美國(guó)杜邦公司的Kevlar(芳綸芳綸)纖維復(fù)合材料為代表。這種熱熔性液晶聚纖維復(fù)合材料為代表。這種熱熔性液晶聚合物纖維比強(qiáng)度優(yōu)越，彈性模量是玻纖的合物纖維比強(qiáng)度優(yōu)越，彈性模量是玻纖的2倍，價(jià)格只有碳纖維的倍，價(jià)格只有碳纖維的13。加上其突出。加上其突出的韌性和回彈性是其他纖維所不具備的。的韌性和回彈性是其他

12、纖維所不具備的。故而問世不久就被各國(guó)工業(yè)部門和軍方采故而問世不久就被各國(guó)工業(yè)部門和軍方采用。是目前最有發(fā)展前途的增強(qiáng)材料之一。用。是目前最有發(fā)展前途的增強(qiáng)材料之一。是是20世紀(jì)世紀(jì)80年代末美國(guó)年代末美國(guó)Allied公司商品化的一種公司商品化的一種Spectra-900和和1000為代表的超高強(qiáng)度，為代表的超高強(qiáng)度，超高模量的高拉伸聚乙烯纖維超高模量的高拉伸聚乙烯纖維。相繼荷蘭。相繼荷蘭DSM研究所和日本東研究所和日本東洋紡織公司聯(lián)合開發(fā)了洋紡織公司聯(lián)合開發(fā)了Dyneema高拉伸聚乙烯纖維，并用其制造高拉伸聚乙烯纖維，并用其制造出環(huán)氧基復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度達(dá)出環(huán)氧基復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度達(dá)3.5

13、GPa、模量達(dá)、模量達(dá)125GPa、比、比強(qiáng)度比鋼大強(qiáng)度比鋼大10倍、比碳纖維大倍、比碳纖維大4倍、比芳纖大倍、比芳纖大50，20世紀(jì)世紀(jì)90年年代可稱為世界上強(qiáng)度最大的纖維，而且其密度最小代可稱為世界上強(qiáng)度最大的纖維，而且其密度最小(0.92kgm3)。 具有可透射雷達(dá)波、介電性極佳、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，經(jīng)具有可透射雷達(dá)波、介電性極佳、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，經(jīng)V50彈彈道實(shí)驗(yàn)表明該纖維屬道實(shí)驗(yàn)表明該纖維屬20世紀(jì)世紀(jì)90年代抗彈性最好的彈道材料，故而年代抗彈性最好的彈道材料，故而在兵器上獲得了較為廣泛的應(yīng)用，特別是裝甲防護(hù)領(lǐng)域更是這種在兵器上獲得了較為廣泛的應(yīng)用，特別是裝甲防護(hù)領(lǐng)域更是這種復(fù)合材料

14、發(fā)揮作用的一展身手的領(lǐng)域；另外，可作為超輕質(zhì)復(fù)合復(fù)合材料發(fā)揮作用的一展身手的領(lǐng)域；另外，可作為超輕質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料和超輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)材料加以應(yīng)用。結(jié)構(gòu)材料和超輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)材料加以應(yīng)用。 目前，這四代樹脂基復(fù)合材料已形成四代共用局面。其材料技目前，這四代樹脂基復(fù)合材料已形成四代共用局面。其材料技術(shù)和應(yīng)用研究也逐步深入，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，品種增多，為工術(shù)和應(yīng)用研究也逐步深入，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，品種增多，為工程設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研制提供了更為廣泛的選材余地。程設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研制提供了更為廣泛的選材余地。第五代為第五代為PBO纖維增纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)復(fù)合材料(商品名為柴隆商品名為柴隆Zylon)。美國(guó)

15、道化學(xué)公司和日本東洋。美國(guó)道化學(xué)公司和日本東洋紡織公司合作研制成功的聚苯并雙曙唑紡織公司合作研制成功的聚苯并雙曙唑(PBO)纖維及其復(fù)合材纖維及其復(fù)合材料被稱為料被稱為21世紀(jì)超級(jí)纖維復(fù)合材料。該纖維無熔點(diǎn)，高溫下不世紀(jì)超級(jí)纖維復(fù)合材料。該纖維無熔點(diǎn)，高溫下不熔融，在空氣中的熱分解溫度高達(dá)熔融，在空氣中的熱分解溫度高達(dá)650 ，比對(duì)位芳酰胺纖維，比對(duì)位芳酰胺纖維高高100 左右。極限氧指數(shù)為左右。極限氧指數(shù)為68，在有機(jī)纖維中，小于，在有機(jī)纖維中，小于PTFE纖纖維維(95)，而高于聚苯并瞇唑，而高于聚苯并瞇唑(PBl)纖維纖維(41)。 該纖維在與火焰接觸后不收縮，移去火焰后基本無殘焰，布料

16、該纖維在與火焰接觸后不收縮，移去火焰后基本無殘焰，布料質(zhì)地柔軟。其密度為質(zhì)地柔軟。其密度為1.54-1.56gcm3，拉伸強(qiáng)度為，拉伸強(qiáng)度為5.8GPa，拉，拉伸模量為伸模量為280GPa，斷裂伸長(zhǎng)率為，斷裂伸長(zhǎng)率為3.5?？芍瞥啥糖欣w維、織?？芍瞥啥糖欣w維、織物、氈等，與樹脂浸漬性亦佳，加工性能良好。是目前唯一將物、氈等，與樹脂浸漬性亦佳，加工性能良好。是目前唯一將優(yōu)越的力學(xué)性能、卓越的耐高溫性能和優(yōu)良的加工性能結(jié)合在優(yōu)越的力學(xué)性能、卓越的耐高溫性能和優(yōu)良的加工性能結(jié)合在一起的有機(jī)纖維。一起的有機(jī)纖維。1994年，日本東洋紡公司開始批量生產(chǎn)，是年，日本東洋紡公司開始批量生產(chǎn)，是21世紀(jì)集耐高

17、溫和力學(xué)特性為一身的超高性能復(fù)合材料。也是世紀(jì)集耐高溫和力學(xué)特性為一身的超高性能復(fù)合材料。也是一代更新?lián)Q代的材料品種。一代更新?lián)Q代的材料品種。2) C/C復(fù)合材料復(fù)合材料 20世紀(jì)世紀(jì)50年代以來，碳纖維技術(shù)的出現(xiàn)，年代以來，碳纖維技術(shù)的出現(xiàn)，為將石墨材料發(fā)展成為一種真正實(shí)用的結(jié)為將石墨材料發(fā)展成為一種真正實(shí)用的結(jié)構(gòu)材料提供了條件。構(gòu)材料提供了條件。20世紀(jì)世紀(jì)60年代，在美年代，在美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室支持下，一種新的材料國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室支持下，一種新的材料C/C復(fù)合材料試制成功。它具有優(yōu)異的比強(qiáng)復(fù)合材料試制成功。它具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和比彈性模量。今天度和比彈性模量。今天C/C復(fù)合材料已廣泛復(fù)合材

18、料已廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。 C/C復(fù)合材料的真正實(shí)用化得益于多向編復(fù)合材料的真正實(shí)用化得益于多向編織技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展?？椉夹g(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。20世紀(jì)世紀(jì)60年代末期年代末期出現(xiàn)了用于樹脂基和碳基復(fù)合材料制造的出現(xiàn)了用于樹脂基和碳基復(fù)合材料制造的編織技術(shù)，并成功地完成了圓輪、空心圓編織技術(shù)，并成功地完成了圓輪、空心圓柱、平錐體結(jié)構(gòu)的編織，此后，通過正確柱、平錐體結(jié)構(gòu)的編織，此后，通過正確選取和設(shè)計(jì)增強(qiáng)織物以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需選取和設(shè)計(jì)增強(qiáng)織物以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需要成為可能。今天要成為可能。今天C/C復(fù)合材料增強(qiáng)體可以復(fù)合材料增強(qiáng)體可以有二向、三向、

19、五向、七向、十一向等多有二向、三向、五向、七向、十一向等多種形式。特別是種形式。特別是20世紀(jì)世紀(jì)80年代，多維整體年代，多維整體編織技術(shù)的出現(xiàn)使得極大地發(fā)揮編織技術(shù)的出現(xiàn)使得極大地發(fā)揮C/C復(fù)合材復(fù)合材料潛力成為可能。料潛力成為可能。 C/C復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，迄今為止是用于復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，迄今為止是用于宇航工業(yè)、熱結(jié)構(gòu)和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的最理想的宇航工業(yè)、熱結(jié)構(gòu)和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的最理想的燒蝕結(jié)構(gòu)材料，但其過長(zhǎng)的工藝周期、過高的制造成燒蝕結(jié)構(gòu)材料，但其過長(zhǎng)的工藝周期、過高的制造成本在一定程度上限制了它的應(yīng)用。本在一定程度上限制了它的應(yīng)用。 C/C復(fù)合材料的改性方向主

20、要圍繞著提高性能和降低復(fù)合材料的改性方向主要圍繞著提高性能和降低成本而展開。在提高性能方面成本而展開。在提高性能方面,近年來提出的一項(xiàng)重要近年來提出的一項(xiàng)重要途徑是應(yīng)用難熔碳化物涂層來提高途徑是應(yīng)用難熔碳化物涂層來提高C/C復(fù)合材料的抗復(fù)合材料的抗氧化能力、降低燒蝕率、承受更高的燃?xì)鉁囟然蚋L(zhǎng)氧化能力、降低燒蝕率、承受更高的燃?xì)鉁囟然蚋L(zhǎng)的工作時(shí)間。所用的難熔碳化物有碳化硅的工作時(shí)間。所用的難熔碳化物有碳化硅(SiC)、碳化、碳化鉿鉿(HfC)、碳化鉭、碳化鉭(TaC)、碳化鈮、碳化鈮(NbC)、碳化鋯、碳化鋯(ZrC)等，美、俄、法等國(guó)家均已開展這方面的研究并已取等，美、俄、法等國(guó)家均已開展

21、這方面的研究并已取得階段性的成果，涂覆工藝多用化學(xué)氣相沉積得階段性的成果，涂覆工藝多用化學(xué)氣相沉積(CVD或或CVl)和化學(xué)氣相反應(yīng)和化學(xué)氣相反應(yīng)(CVR). 在降低成本方面，除編織技術(shù)外，更重要在降低成本方面，除編織技術(shù)外，更重要的是致密工藝的改進(jìn)，目前已著手研究的的是致密工藝的改進(jìn)，目前已著手研究的有強(qiáng)制熱梯度有強(qiáng)制熱梯度CVI工藝、快速致密工藝、等工藝、快速致密工藝、等離子氣相沉積工藝、使用新型高殘?zhí)悸是半x子氣相沉積工藝、使用新型高殘?zhí)悸是膀?qū)體驅(qū)體(如如PAA)及采用智能工藝控制系統(tǒng)來提及采用智能工藝控制系統(tǒng)來提高工藝質(zhì)量等。從目前的研究結(jié)果來看，高工藝質(zhì)量等。從目前的研究結(jié)果來看，使用

22、強(qiáng)制熱梯度使用強(qiáng)制熱梯度CVI工藝比均熱法可提高效工藝比均熱法可提高效率率10-30倍，而采用智能工藝控制系統(tǒng)可使倍，而采用智能工藝控制系統(tǒng)可使預(yù)制件的工藝時(shí)間縮短預(yù)制件的工藝時(shí)間縮短11、成本降低、成本降低15-20。26 3) 陶瓷基和金屬基復(fù)合材料陶瓷基和金屬基復(fù)合材料 尚處于研究階段，還未進(jìn)入批量生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。具有優(yōu)異的尚處于研究階段，還未進(jìn)入批量生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，目前是可用其制作摩擦結(jié)構(gòu)材料、固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管高溫強(qiáng)度，目前是可用其制作摩擦結(jié)構(gòu)材料、固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和燃燒室殼體之間的熱結(jié)構(gòu)連接件的理想材料，此外，還可用和燃燒室殼體之間的熱結(jié)構(gòu)連接件的理想材料，此外，還可

23、用作出口錐和延伸錐的一些部件作出口錐和延伸錐的一些部件(如噴管背壁防熱絕熱系統(tǒng)等如噴管背壁防熱絕熱系統(tǒng)等)。陶瓷基復(fù)合材料作為固體發(fā)動(dòng)機(jī)的熱結(jié)構(gòu)連接件，已進(jìn)行過發(fā)陶瓷基復(fù)合材料作為固體發(fā)動(dòng)機(jī)的熱結(jié)構(gòu)連接件，已進(jìn)行過發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車。動(dòng)機(jī)地面熱試車。 眾多陶瓷材料中，以氮化硅系高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料最引人眾多陶瓷材料中，以氮化硅系高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料最引人注目。其綜合性能較突出，具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱震、硬注目。其綜合性能較突出，具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱震、硬度高、韌性好、熱脹系數(shù)小、密度較低等特點(diǎn)，非常適于制作度高、韌性好、熱脹系數(shù)小、密度較低等特點(diǎn)，非常適于制作高溫承力部件。目前，先進(jìn)國(guó)

24、家已把氮化硅系陶瓷材料作為熱高溫承力部件。目前，先進(jìn)國(guó)家已把氮化硅系陶瓷材料作為熱結(jié)構(gòu)的首選陶瓷材料進(jìn)行廣泛、重點(diǎn)的研究與開發(fā)。結(jié)構(gòu)的首選陶瓷材料進(jìn)行廣泛、重點(diǎn)的研究與開發(fā)。Si3N4系系陶瓷材料在軍用和民用領(lǐng)域均有十分廣闊的應(yīng)用前景。陶瓷材料在軍用和民用領(lǐng)域均有十分廣闊的應(yīng)用前景。復(fù)合材料在中國(guó)復(fù)合材料在中國(guó) 始于軍品開發(fā)，1958年研制出玻璃鋼快艇、手提火箭發(fā)射管 60年代研制成用于遠(yuǎn)程火箭的GF-酚醛樹脂燒蝕防熱彈頭、 GFRP直升機(jī)螺旋槳 1970年制造出直徑44米的GFRP雷達(dá)罩 70年代以后GFRP逐漸轉(zhuǎn)入民用，如冷卻塔、化學(xué)儲(chǔ)罐、水箱、汽車部件、運(yùn)動(dòng)器材等 目前研發(fā)FRTP、MM

25、C和CMC復(fù)合材料的組成復(fù)合材料的組成1.2 復(fù)合材料的命名和分類復(fù)合材料的命名和分類 1）按材料作用分類 2）按增強(qiáng)材料形狀分類3) 按基體材料分類 按材料作用分類按材料作用分類按增強(qiáng)材料形狀分類按增強(qiáng)材料形狀分類按基體材料分類按基體材料分類1.3 復(fù)合材料的基本性能復(fù)合材料的基本性能 各有千秋各有千秋揚(yáng)長(zhǎng)避短揚(yáng)長(zhǎng)避短 克服單一材料的缺點(diǎn)克服單一材料的缺點(diǎn) 產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能1.3 復(fù)合材料的基本性能復(fù)合材料的基本性能 復(fù)合材料能構(gòu)保持原組分材料的部分特性和優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而可獲得比單一組分材料更為優(yōu)異的性能。 復(fù)合材料主要特性 1）多

26、性能性 2）性能可設(shè)計(jì)性 3）可制任意形狀 性能的可設(shè)計(jì)性是復(fù)合材料最大特點(diǎn)。 性能可設(shè)計(jì)性性能可設(shè)計(jì)性復(fù)合材料最顯著的特性是其性能（主要指力學(xué)性能、物理性能和工藝性能）在一定范圍內(nèi)具有可設(shè)計(jì)性。選擇基體、增強(qiáng)體的類型及其含量；選擇基體、增強(qiáng)體的類型及其含量；增強(qiáng)體在基體中的排列方式；增強(qiáng)體在基體中的排列方式；基體與增強(qiáng)體之間的界面性能。基體與增強(qiáng)體之間的界面性能。來獲得常規(guī)材料難以提供的某一性能或綜合性能 。例如：FRP 372、可設(shè)計(jì)性好、可設(shè)計(jì)性好 復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的根本特點(diǎn)之一復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的根本特點(diǎn)之一設(shè)計(jì)人員可根據(jù)所需制品對(duì)力學(xué)及其它性能的要設(shè)計(jì)人員可根據(jù)所需制品對(duì)力

27、學(xué)及其它性能的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)材料本身進(jìn)行設(shè)計(jì)。求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)材料本身進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面力學(xué)設(shè)計(jì)力學(xué)設(shè)計(jì)給制品一定的給制品一定的強(qiáng)度和剛度強(qiáng)度和剛度功能設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)給給制品除力學(xué)性能制品除力學(xué)性能外的其他性能外的其他性能力學(xué)性能力學(xué)性能與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料一般具有優(yōu)異與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料一般具有優(yōu)異的力學(xué)性能，主要表現(xiàn)在的力學(xué)性能，主要表現(xiàn)在比強(qiáng)度、比模量高；比強(qiáng)度、比模量高；耐磨性好（耐磨性好（MMCMMC、C/CC/C復(fù)合材料）；復(fù)合材料）；抗疲勞性能好，通常金屬材料的疲勞強(qiáng)度抗疲勞性能好，通常金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限極限/ /拉伸強(qiáng)度拉伸

28、強(qiáng)度=30-50%=30-50%，而，而CFRPCFRP的疲勞強(qiáng)度的疲勞強(qiáng)度極限極限/ /拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度=70-80%=70-80%；抗沖擊能力強(qiáng)（如：抗沖擊能力強(qiáng)（如：RMCRMC）；）；高溫性能好（如：高溫性能好（如：MMCMMC、C/CC/C復(fù)合材料）復(fù)合材料） 表表1-1 傳統(tǒng)金屬材料與復(fù)合材料性能比較傳統(tǒng)金屬材料與復(fù)合材料性能比較材料密度g/cm3抗拉強(qiáng)度 MPa拉伸模量 GPa比強(qiáng)度 *1e6/cm比模量*1e8/cm膨脹系數(shù)*1e-6/KC/環(huán)氧1.6180012811.380.2芳綸/環(huán)氧1.415008010.75.71.8B/環(huán)氧2.116002207.610.54.0碳

29、化硅/環(huán)氧2.015001307.56.52.6石墨纖維/鋁2.28002313.610.52.0鋼7.814002101.42.712鋁合金2.8500771.72.823鈦合金4.510001102.22.49.0物理性能物理性能 密度小密度?。罕葟?qiáng)度、比模量高； 低膨脹系數(shù)小低膨脹系數(shù)?。簾岱€(wěn)定性好,（如CFRP、KFRP可設(shè)計(jì)成零膨脹結(jié)構(gòu)）； 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：導(dǎo)電和超導(dǎo)材料、散熱結(jié)構(gòu)； 抗沖刷、耐燒蝕抗沖刷、耐燒蝕：CMC、C/C復(fù)合材料； 阻尼性能：阻尼性能：受力結(jié)構(gòu)的自振頻率除與形狀有關(guān)外，還同結(jié)構(gòu)材料的比模量平方根成正比。減振結(jié)構(gòu)材料（CFRP）、隱身材料；工藝特性工藝

30、特性不同復(fù)合材料成型及加工工藝差別很大，但各類復(fù)合材料相對(duì)于其所用的基體材料而言，成型與加工工藝并不復(fù)雜，有時(shí)很簡(jiǎn)單。如：RMC、MMC、CMC可整體成型，可大大減少結(jié)構(gòu)中的裝配零件數(shù)量，提高構(gòu)件的質(zhì)量和使用可靠性；短纖維或顆粒增強(qiáng)MMC，可采用傳統(tǒng)的金屬工藝進(jìn)行制備和二次加工。影響復(fù)合材料性能的主要因素影響復(fù)合材料性能的主要因素 增強(qiáng)材料的性能； 基體材料的性能； 含量及其分布狀況； 界面結(jié)合情況； 作為產(chǎn)品還與成型工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1.6 復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用目前復(fù)合材料已大量應(yīng)用在航空航天、國(guó)防、建筑、化工、能源、體育等國(guó)民經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。 1.6.1 航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用航空航天

31、領(lǐng)域中的應(yīng)用 復(fù)合材料的高比強(qiáng)度、高比模量、良好的抗疲勞損傷、獨(dú)特的可設(shè)計(jì)性，可使飛行器顯著提高結(jié)構(gòu)效率和壽命，減輕重量，改善氣動(dòng)力性能，同時(shí)在隱身、智能、結(jié)構(gòu)綜合等方面顯示巨大的潛力。 剛發(fā)明飛機(jī)時(shí)剛發(fā)明飛機(jī)時(shí), ,是用是用木質(zhì)和布料木質(zhì)和布料制造飛機(jī)的。制造飛機(jī)的。隨著飛行速度的不斷增快隨著飛行速度的不斷增快, ,木布結(jié)構(gòu)已無法木布結(jié)構(gòu)已無法承受顯著增大的載荷承受顯著增大的載荷, ,因而很快進(jìn)入了因而很快進(jìn)入了金屬金屬結(jié)構(gòu)時(shí)代結(jié)構(gòu)時(shí)代, ,前期以前期以鋁合金和鋼鋁合金和鋼為主為主, ,后期由后期由于于鈦合金鈦合金的興起而形成鋁合金、鈦合金和的興起而形成鋁合金、鈦合金和鋼三分天下的局面。鋼三

32、分天下的局面?！氨葟?qiáng)度比強(qiáng)度”高于上述高于上述金屬材料的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料問世金屬材料的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料問世后后, ,飛機(jī)開始進(jìn)入了飛機(jī)開始進(jìn)入了金屬金屬/ /復(fù)合材料復(fù)合材料混合結(jié)混合結(jié)構(gòu)的時(shí)代。構(gòu)的時(shí)代。 噴氣式飛機(jī)出現(xiàn)后噴氣式飛機(jī)出現(xiàn)后, ,飛機(jī)材料主要采用鋁合金飛機(jī)材料主要采用鋁合金, ,但但現(xiàn)在這種趨勢(shì)發(fā)生了變化?，F(xiàn)在這種趨勢(shì)發(fā)生了變化。鋁合金鋁合金在早期戰(zhàn)斗機(jī)在早期戰(zhàn)斗機(jī)上確實(shí)占有相當(dāng)大的份額上確實(shí)占有相當(dāng)大的份額, ,一般在一般在70%70%以上以上, ,其次其次是是鋼鋼, ,約占約占20%20%。不過鋁合金和鋼在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上。不過鋁合金和鋼在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上的用量已經(jīng)逐漸

33、縮小的用量已經(jīng)逐漸縮小, ,而而鈦合金鈦合金和和樹脂基復(fù)合材樹脂基復(fù)合材料料的用量則不斷爬升的用量則不斷爬升, , 美國(guó)美國(guó)F-22F-22飛機(jī)飛機(jī), ,鈦合金的鈦合金的用量已躍居首位用量已躍居首位(41%),(41%),樹脂基復(fù)合材料的用量樹脂基復(fù)合材料的用量24%,24%,而鋁合金和鋼的用量卻分別降至第三位而鋁合金和鋼的用量卻分別降至第三位(16%)(16%)和第四位和第四位(5%).(5%).再如美國(guó)研制的再如美國(guó)研制的JSFJSF飛機(jī)飛機(jī), ,波音公波音公司的司的X X3232方案，洛克希德方案，洛克希德馬丁公司的馬丁公司的X X3535方方案都將大量地采用鈦合金。案都將大量地采用鈦合

34、金。X X3535的復(fù)合材料計(jì)的復(fù)合材料計(jì)劃用量大致與劃用量大致與F F2222相當(dāng)相當(dāng), ,而而X X3232上復(fù)合材料的上復(fù)合材料的計(jì)劃用量竟高達(dá)計(jì)劃用量竟高達(dá)40%40%左右。左右。洛克希德洛克希德馬丁公司聯(lián)合了諾斯羅普馬丁公司聯(lián)合了諾斯羅普格魯格魯門公司和英國(guó)宇航公司，研制門公司和英國(guó)宇航公司，研制X-35。 鋁合金和鋼在飛機(jī)上的用量會(huì)逐漸減少鋁合金和鋼在飛機(jī)上的用量會(huì)逐漸減少, ,而鈦合金而鈦合金和復(fù)合材料的優(yōu)良性能恰恰適應(yīng)了先進(jìn)飛機(jī)發(fā)展和復(fù)合材料的優(yōu)良性能恰恰適應(yīng)了先進(jìn)飛機(jī)發(fā)展的客觀需要。鈦合金的強(qiáng)度和使用溫度上限與鋼的客觀需要。鈦合金的強(qiáng)度和使用溫度上限與鋼相近相近, ,密度卻只

35、有鋼的密度卻只有鋼的57%57%左右左右, ,減重效果顯而易見。減重效果顯而易見。鋁合金的密度雖小鋁合金的密度雖小, ,但由于強(qiáng)度顯著低于鈦合金但由于強(qiáng)度顯著低于鈦合金, ,其其“比強(qiáng)度比強(qiáng)度”仍不及鈦合金仍不及鈦合金, ,尤其當(dāng)零部件工作溫尤其當(dāng)零部件工作溫度較高時(shí)度較高時(shí), ,使用溫度上限較低的鋁合金更不得不讓使用溫度上限較低的鋁合金更不得不讓位給鈦合金。位給鈦合金。 當(dāng)零部件的工作溫度較低時(shí)當(dāng)零部件的工作溫度較低時(shí), ,鋁合金又遇到了比鈦鋁合金又遇到了比鈦合金更強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手合金更強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手復(fù)合材料復(fù)合材料, , 被被“比強(qiáng)度比強(qiáng)度”更優(yōu)越的復(fù)合材料所更優(yōu)越的復(fù)合材料所“侵占侵占”。

36、當(dāng)然，鋁合金和。當(dāng)然，鋁合金和鋼的成本要比鈦合金和復(fù)合材料低得多鋼的成本要比鈦合金和復(fù)合材料低得多, ,只要能滿只要能滿足飛機(jī)性能指標(biāo)足飛機(jī)性能指標(biāo), , 還會(huì)盡量選用鋁合金和鋼。還會(huì)盡量選用鋁合金和鋼。 國(guó)外軍用飛機(jī)上應(yīng)用情況 續(xù)表 國(guó)外民用飛機(jī)上復(fù)合材料的應(yīng)用 波音波音767用復(fù)合材料用復(fù)合材料 某飛機(jī)垂尾使用復(fù)合材料減輕的重量某飛機(jī)垂尾使用復(fù)合材料減輕的重量美國(guó)90年就計(jì)劃到20世紀(jì)末在先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)上復(fù)合材料的用量將占結(jié)構(gòu)總重量的26%65%。每架飛機(jī)平均使用2.4-4.5t，年增長(zhǎng)率8%-20%，到2000年先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量超過3萬t. 直升飛機(jī)上應(yīng)用金屬槳葉的壽命一般不超過

37、3000h，而復(fù)合材料槳葉的壽命可達(dá)10000h以上。1987年第一架全復(fù)合材料飛機(jī)波音公司的360直升機(jī)，被稱為直升機(jī)技術(shù)的第二次革命。 航天器結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求 發(fā)射時(shí)，航天器受到很大的加速度過載和強(qiáng)烈的振動(dòng)，要求材料有足夠的強(qiáng)度；為了避免航天器和發(fā)射系統(tǒng)共振，要求結(jié)構(gòu)有足夠的剛度；在軌運(yùn)行中航天器處于高低溫交變環(huán)境中，某些部件（如衛(wèi)星拋物線天線等）尺寸精度要求很高，必須有盡可能小的熱膨脹系數(shù)； 高真空及粒子、紫外輻射下具有足夠的穩(wěn)定性；返回式航天器結(jié)構(gòu)，還要求防熱、耐熱。 應(yīng)用例 衛(wèi)星天線：用石墨/環(huán)氧復(fù)合材料天線支撐桁架比鋁合金減重50%，可設(shè)計(jì)成零膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)； 太陽電池帆板：要求高比模量、低熱變形，采用碳/環(huán)氧材料； 空間平臺(tái)材料：石墨/鋁； 熱結(jié)構(gòu)材料：C/C、C/SiC、SiC/SiC； 隔熱材料：SiC/SiO2防熱瓦使用溫度高達(dá)1260 ，用于哥倫比亞和挑戰(zhàn)者，各用了31000塊； 低密度燒蝕材料、對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)、熱管結(jié)構(gòu)等 哥倫比亞航天飛機(jī)所用復(fù)合材料哥倫比亞航天飛機(jī)所用復(fù)合材料導(dǎo)彈 燒蝕材料 復(fù)合材料殼體 噴管材料：CMC、C/C 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的全復(fù)合材料化：美國(guó)飛馬座火箭的三級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用的復(fù)合材料已占其構(gòu)件質(zhì)量的94%，大富大降低了結(jié)構(gòu)重量。燒蝕材料 導(dǎo)彈運(yùn)行環(huán)境：飛行速度20馬赫、彈頭錐體表面溫度3500左右。 早期的宇