1.1 復(fù)合材料的定義、命名與分類

1復(fù)合材料

礦業(yè)學(xué)院成獎(jiǎng)國2主要參考資料1、復(fù)合材料概論----王榮國武衛(wèi)莉（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999）2、復(fù)合材料--------吳人潔（天津大學(xué)出版社,2000）3、復(fù)合材料科學(xué)與工程---倪禮忠,陳麒(科學(xué)出版社,2002)4、復(fù)合材料及其應(yīng)用—尹洪峰,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)---郝元愷,肖加余(化學(xué)工業(yè)出版社,2004)6、先進(jìn)復(fù)合材料----魯云朱世杰馬鳴圖（機(jī)械工業(yè)出版社,2004）7、復(fù)合材料--------尹洪峰、魏劍（冶金工業(yè)出版社,2010）8、復(fù)合材料---肖立光(化學(xué)工業(yè)出版社，2013)教材：復(fù)合材料，馮曉明，張崇才，重慶大學(xué)出版社，20183第1章概論（4學(xué)時(shí)）第2章

復(fù)合材料的復(fù)合原理及界面（5學(xué)時(shí)）第3章復(fù)合材料的增強(qiáng)材料（4學(xué)時(shí)）第4章

聚合物基復(fù)合材料（4學(xué)時(shí)）第5章金屬基復(fù)合材料（4學(xué)時(shí)）第6章

陶瓷基復(fù)合材料（5學(xué)時(shí)）第7章水泥基復(fù)合材料（2學(xué)時(shí)）第8章碳/碳合材料（2學(xué)時(shí)）第9章

功能復(fù)合材料（2學(xué)時(shí)）課程內(nèi)容教學(xué)及考核方式網(wǎng)絡(luò)授課、課堂講授與自學(xué)討論，課后作業(yè)與課堂測(cè)試相結(jié)合的教學(xué)方式及過程。教學(xué)要求：認(rèn)真上課，積極參與課堂互動(dòng)。課程結(jié)束，采取閉卷考試?？己思俺煽?jī)?cè)u(píng)定方式：按照總評(píng)成績(jī)=課程卷面成績(jī)×60%+平時(shí)成績(jī)×40%（包含網(wǎng)絡(luò)及課堂測(cè)試20%、作業(yè)10%及考勤10%）進(jìn)行綜合評(píng)定。

5第1章概論1.1復(fù)合材料的定義、命名與分類6傳統(tǒng)材料：金屬（金銀銅鐵）、無機(jī)非金屬（陶瓷、水泥）、新材料：高分子材料（橡膠、塑料）

三大合成材料：

塑料、合成橡膠、合成纖維（均屬于高聚物）各有千秋、揚(yáng)長(zhǎng)避短

克服單一材料的缺點(diǎn)

產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能復(fù)合材料第1章概論710000BC各種材料在各個(gè)歷史時(shí)期相對(duì)重要性5000BC015001900196019801990200020102020金銅鐵鋼合金鋼高溫合金高分子木材皮膚纖維動(dòng)物膠橡膠電木尼龍PEPCPSPPPAN聚酯高模聚合物導(dǎo)電高分子復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料石材陶瓷陶器玻璃水泥耐火材料熔融硅耐濕陶瓷韌性機(jī)械陶瓷8

91.1復(fù)合材料的定義、命名和分類1.1.1復(fù)合材料的定義

CompositionMaterials,Composite

教材上的概念：由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。要給復(fù)合材料下一個(gè)嚴(yán)格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點(diǎn)，有關(guān)復(fù)合材料的定義或偏重于考慮復(fù)合后材料的性能，或偏重于考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

。10（１）復(fù)合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復(fù)合后的整體性能應(yīng)超過組分材料，保留了所期望的性能(高強(qiáng)度、剛度、輕的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。（２）復(fù)合材料是多功能的材料系統(tǒng)，它們可提供任何單一材料所無法獲得的特性；它們是由兩種或多種成分不同，性質(zhì)不同，有時(shí)形狀也不同的相容性材料，以物理形式結(jié)合而成的。偏重于考慮復(fù)合后材料的性能：11偏重于考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，諸如：

（１）復(fù)合材料是兩種或多種材料在宏觀尺度上組合而成的一種有用的材料。

（２）復(fù)合材料就是兩種或兩種以上的不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織相的物質(zhì)，以微觀或宏觀的形式組合而成的材料。（３）復(fù)合材料是不同于合金的一種材料，在合金中，每一種組分都保留著它們獨(dú)立的特性，而構(gòu)成復(fù)合材料時(shí)，僅取它們的優(yōu)點(diǎn)而避開其缺點(diǎn)，從而獲得一種改善了的材料。

12

F．L.Matthews和Ｒ．D．Rawlings認(rèn)為，復(fù)合材料是兩個(gè)或兩個(gè)以上組元或相組成的混合物，并應(yīng)滿足下面三個(gè)條件：(1)組元含量大于5％；(2)復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能，(3)通過各種方法混合而成。13有人認(rèn)為可將復(fù)合材料劃分為廣義復(fù)合材料和狹義復(fù)合材料。從廣義上講，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)的組分組合而成的材料。狹義復(fù)合材料：用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過人工復(fù)合、組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。14狹義復(fù)合材料的定義較易被普遍接受，它不僅明確指出復(fù)合材料是“通過人工復(fù)合的”和“有特殊性能的”材料，而且還指明了復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與其他種材料（如簡(jiǎn)單混合物、化合物、合金）的特征區(qū)別。綜上所述，復(fù)合材料定義所闡述的主要有兩點(diǎn)，即組成規(guī)律和性能持征。15《材料大辭典》中關(guān)于復(fù)合材料的定義為：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上的有機(jī)聚合物材料，或無機(jī)非金屬材料，或金屬材料組合在一起，使之互補(bǔ)性能優(yōu)勢(shì)，從而制成的一類新型材料。一般由基體組元與增強(qiáng)材料或功能體組元所組成。因此復(fù)合材料必須通過對(duì)原材料的選擇，各組分分布的設(shè)計(jì)和工藝條件的保證等，以使原組分材料的優(yōu)點(diǎn)互相補(bǔ)充，同時(shí)利用復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。16以下面五點(diǎn)概括了復(fù)合材料的特點(diǎn)：1、可設(shè)計(jì)性：復(fù)合材料的組元選材的可設(shè)計(jì)性、復(fù)合結(jié)構(gòu)（及增強(qiáng)體的比例、分布、排列和取向）等的設(shè)計(jì)；2、復(fù)合材料是以人工制造而非天然形成的（區(qū)別于具有某些復(fù)合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)）；3、組成復(fù)合材料的某些組分在復(fù)合后仍然保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）；4、復(fù)合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同。復(fù)合材料具有新的、獨(dú)特的和可用的性能，這種性能是單個(gè)組分材料性能所不及或不同的；5、復(fù)合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。17復(fù)合材料的組分材料然然保持其相對(duì)獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性能卻不是組份材料性能的簡(jiǎn)單加和，是有著重要的改進(jìn)，即賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的分散相，常稱為增強(qiáng)體(也稱為增強(qiáng)材料、增強(qiáng)相等)。分散相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中，兩相之間存在著相界面。分散相可為增強(qiáng)纖維、顆粒狀或彌散的填料。18從上述定義中可以看出，復(fù)合材料可以是一個(gè)連續(xù)物理相與一個(gè)連續(xù)分散相的復(fù)合，也可以是兩個(gè)或者多個(gè)連續(xù)相與一個(gè)或多個(gè)分散相在連續(xù)相中的復(fù)合，復(fù)合后的產(chǎn)物為固體時(shí)才稱為復(fù)合材料。若復(fù)合后的產(chǎn)物為液體或氣體，則不能稱為復(fù)合材料。復(fù)合材料既可以保持原材料的某些特定，又能發(fā)揮組合后的新特征，可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而最合理地達(dá)到使用所要求的性能。19

復(fù)合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，比較共同的趨勢(shì)是根據(jù)增強(qiáng)體和基體的名稱來命名，通常有以下三種情況：1）強(qiáng)調(diào)基體時(shí)以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)以增強(qiáng)體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。1.1.2復(fù)合材料的命名203）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。如：玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或玻璃纖維/環(huán)氧）我國將該類復(fù)合材料稱為“玻璃鋼”。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫“金屬基復(fù)合材料”，也可寫為“碳／金屬復(fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳／碳復(fù)合材料”。21國外還常用英文編號(hào)來表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強(qiáng)塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)221.1.3復(fù)合材料的分類材料的分類方法：按材料的化學(xué)性質(zhì)分類，有金屬材料、非金屬材料之分。按物理性質(zhì)分類，有絕緣材料、磁性材料、遠(yuǎn)光材料、半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料等。按用途分類，有航空材料、建筑材料、包裝材料等。23復(fù)合材料的分類方法也很多，常見的分類方法有：1）按基體材料類型分：樹脂基：聚酯、環(huán)氧、聚碳酸酯、聚酰亞胺等60年代金屬基：Al、Ti、Ni、Mg、Zn、Co及其合金70年代

無機(jī)非金屬基（陶瓷基）：Al2O3及非氧化物

80年代2）按增強(qiáng)相形狀分：顆粒均布、各向同性纖維（長(zhǎng)、短纖維和晶須）各向異性或同性☆層片各向異性2425①顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中；②纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長(zhǎng)纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處；按空間維數(shù)可細(xì)分。

b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；26③疊層式（編織）復(fù)合材料和片材增強(qiáng)復(fù)合材料：骨架、涂層、人工晶片和天然片狀物增強(qiáng)體等。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

a)層疊復(fù)合b)連續(xù)纖維復(fù)合c)細(xì)粒復(fù)合d)短切纖維復(fù)合混雜復(fù)合材料：兩種或兩種以上增強(qiáng)體同一種基體制成的復(fù)合材料?？梢钥闯墒莾煞N或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。273）按照增強(qiáng)（纖維）材料種類分纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為以下五種：①玻璃纖維復(fù)合材料；②碳纖維復(fù)合材料；③有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；④金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料；⑤陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復(fù)合材料。28①玻璃纖維復(fù)合材料

用玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料的復(fù)合材料，即玻璃鋼。玻璃鋼分為兩種，即熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼。

Ａ、熱塑性玻璃鋼：熱塑性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)劑和以熱塑性樹脂為粘結(jié)劑制成的復(fù)合材料。

Ｂ、熱固性玻璃鋼：熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)劑和以熱固性樹脂為粘結(jié)劑制成的復(fù)合材料。29②

碳纖維復(fù)合材料Ａ、碳纖維復(fù)合材料：作基體的樹脂，目前應(yīng)用最多的是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯。Ｂ、碳纖維碳復(fù)合材料：用有機(jī)基體浸漬纖維坯塊，固化后再進(jìn)行熱解，或纖維坯型經(jīng)化學(xué)氣相沉積，直接填入碳。Ｃ、碳纖維金屬復(fù)合材料：主要用于熔點(diǎn)較低的金屬或合金，如在碳纖維表面鍍金屬，制成了碳纖維金屬復(fù)合材料。Ｄ、碳纖維陶瓷復(fù)合材料：我國研制了一種碳纖維石英玻璃復(fù)合材料。30③硼纖維復(fù)合材料：硼纖維是由硼氣相沉積在鎢絲上來制取的。有兩大類：硼纖維樹脂復(fù)合材料（基體主要為環(huán)氧樹脂、聚苯并咪唑和聚酰亞胺樹脂等）和硼纖維金屬復(fù)合材料（基體為鋁、鎂及其合金、鈦及其合金等）。④金屬纖維復(fù)合材料：作增強(qiáng)纖維的金屬主要是強(qiáng)度較高的高熔點(diǎn)金屬鎢、鉬、鋼、不銹鋼、鈦、鈹?shù)龋鼈兡鼙换w金屬潤濕，也能增強(qiáng)陶瓷。主要有金屬纖維金屬復(fù)合材料和金屬纖維陶瓷復(fù)合材料兩類，是利用金屬纖維的韌性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。31①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：主要用于制造受力構(gòu)件；結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要是作為承力結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料，它基本上是由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能聯(lián)接增強(qiáng)體成為整體承載同時(shí)又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構(gòu)成。其特點(diǎn)是可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材和增強(qiáng)體排布設(shè)計(jì)，從而充分發(fā)揮各組元的效能。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料可按基體材料類型和增強(qiáng)體材料類型來分類。4）按材料功能分兩類32聚合物基復(fù)合材料（＜250℃）金屬基復(fù)合材料（＜600℃）陶瓷基復(fù)合材料（＜1500℃）水泥基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料：C/C復(fù)合材料（~3000℃）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料注重力學(xué)性能熱固性樹脂基熱塑性樹脂基橡膠基高溫陶瓷基玻璃基玻璃陶瓷基輕金屬基高熔點(diǎn)金屬基金屬間化合物基按基體類型分類33結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按增強(qiáng)體類型分類疊層式復(fù)合材料片材增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料人工晶片天然片狀物微米顆粒納米顆粒不連續(xù)纖維復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料二維織物增強(qiáng)復(fù)合材料三維織物增強(qiáng)復(fù)合材料34②

功能復(fù)合材料

指具備各種特殊物理與化學(xué)性能的材料。例如：聲、光、電、磁、熱、耐腐蝕、零膨脹、阻尼、摩擦、屏蔽或換能等。功能復(fù)合材料中的增強(qiáng)體又可稱為功能體組元，它分布于基體組元中?；w不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能夠產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用。35除了上面的各種各樣的復(fù)合材料以外，還有同質(zhì)復(fù)合材料和異質(zhì)復(fù)合材料。

同質(zhì)復(fù)合材料是指增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料；前面提及的復(fù)合材料多屬異質(zhì)復(fù)合材料。361.1.4復(fù)合材料發(fā)展概況復(fù)合材料發(fā)展簡(jiǎn)史：學(xué)術(shù)界開始使用“復(fù)合材料”（compositematerials）一詞大約是在20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯，開辟了現(xiàn)代復(fù)合材料的新紀(jì)元。

復(fù)合材料的整個(gè)發(fā)展過程可表示為：古代近代先進(jìn)復(fù)合材料37從20世紀(jì)60年代開始，開發(fā)出多種高性能纖維。20世紀(jì)80年代以后，由于人們豐富了設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試等方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，加上各類作為復(fù)合材料基體的材料的使用和改進(jìn)，使現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展達(dá)到了更高的水平，即進(jìn)入高性能復(fù)合材料的發(fā)展階段。38天然復(fù)合材料

自然界中存在許許多多的天然復(fù)合材料。例如，樹木和竹子是纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；動(dòng)物的骨骼則由無機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。人類很早就接觸和使用各種天然復(fù)合材料，并仿效自然界制作各種各樣的復(fù)合材料。例如，陜西半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今；由麻纖維和土漆復(fù)合而成的漆器，至今已四千多年，貴州大方至今還流傳著制作漆器的古老工藝。39近代，復(fù)合材料的發(fā)展始于20世紀(jì)40年代，第二次世界大戰(zhàn)中，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開始算起。50年代得到了迅速發(fā)展。我國從1958年開始發(fā)展復(fù)合材料。

現(xiàn)代復(fù)合材料的制作成功則要從1942年