第1章 復(fù)合材料緒論

CompositeProcessing&Application

復(fù)合材料及加工應(yīng)用2/1/20231ChemistryofMaterials2004,Chapter7主要內(nèi)容第1章緒論2學(xué)時(shí)第2章復(fù)合材料的增強(qiáng)體3學(xué)時(shí)第3章聚合物基復(fù)合材料4學(xué)時(shí)第4章陶瓷基復(fù)合材料3學(xué)時(shí)第5章生物材料與仿生材料2學(xué)時(shí)第6章納米復(fù)合材料2學(xué)時(shí)2/1/20232ChemistryofMaterials2004,Chapter7成績(jī)?cè)u(píng)定與參考資料成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)（含考勤、課堂測(cè)驗(yàn)和提問、課后作業(yè)等）50%期末考試（閉卷）50%參考資料：

1、顧書英，任杰編著，聚合物基復(fù)合材料，化學(xué)工業(yè)出版社，2007年3月（普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材）2、黃銳主編，塑料成型工藝學(xué)（第二版），中國(guó)輕工業(yè)出版社，2009年2月3、魯云，朱世杰等編著，先進(jìn)復(fù)合材料，機(jī)械工業(yè)出版社，2004年1月4、瞿金平等，2002，聚合物成型原理與技術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社2/1/20233ChemistryofMaterials2004,Chapter7第1章緒論1.1材料發(fā)展史1.2復(fù)合材料加工工藝發(fā)展史1.3復(fù)合材料定義與分類1.4復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.5復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀2/1/20234ChemistryofMaterials2004,Chapter71.1材料發(fā)展史2/1/20235ChemistryofMaterials2004,Chapter7StoneAge2/1/20236ChemistryofMaterials2004,Chapter7PotteryAge新石器時(shí)期馬家窯式水紋彩陶缽新石器時(shí)期半山式菱形點(diǎn)紋壺2/1/20237ChemistryofMaterials2004,Chapter7唐三彩鴛鴦壺

明掐絲琺瑯葫蘆式扁瓶

橘皮釉

China2/1/20238ChemistryofMaterials2004,Chapter7BronzeAge2/1/20239ChemistryofMaterials2004,Chapter7含錫量1/6——韌性好——制造鐘鼎含錫量2/5——硬度高——制造刀斧CuSnPbZn第一個(gè)合金材料：銅錫合金（青銅）

結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系2/1/202310ChemistryofMaterials2004,Chapter7戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘

中國(guó)古銅鏡2/1/202311ChemistryofMaterials2004,Chapter7吳王矛（上）、越王劍（中）與秦劍（下）2/1/202312ChemistryofMaterials2004,Chapter72/1/202313ChemistryofMaterials2004,Chapter7IronAge2/1/202314ChemistryofMaterials2004,Chapter7鑄鐵鍛鐵鋼鐵依含碳量和雜質(zhì)多少鐵和碳的合金2/1/202315ChemistryofMaterials2004,Chapter7第八世紀(jì)的"Carolingian"劍東方曲劍"Persian"土耳其的"Damascus"劍日本劍的鋒口部份2/1/202316ChemistryofMaterials2004,Chapter72/1/202317ChemistryofMaterials2004,Chapter7CompositeAge2/1/202318ChemistryofMaterials2004,Chapter7古代泥坯墻(稻草、樹枝等摻入泥中)、石墻(泥、石灰粘合石塊)。1.2復(fù)合材料加工工藝發(fā)展史2/1/202319ChemistryofMaterials2004,Chapter71.2復(fù)合材料加工工藝發(fā)展史1932年誕生于美國(guó)42~45年手糊軍用雷達(dá)罩，遠(yuǎn)航飛機(jī)油箱材料玻纖增強(qiáng)聚酯樹脂。44年 飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼與上述改進(jìn)：玻鋼夾層結(jié)構(gòu)46年 纖維纏繞成型50年壓制成型，直升機(jī)螺旋槳49年 玻纖預(yù)混，對(duì)模壓制成型2/1/202320ChemistryofMaterials2004,Chapter7手糊成型——又稱接觸成型HandLayUp1.2復(fù)合材料加工工藝發(fā)展史2/1/202321ChemistryofMaterials2004,Chapter760年代機(jī)械式，計(jì)算機(jī)纏繞玻纖、聚酯樹脂噴射成型61年 德國(guó)，片狀模塑料（SMC）問世63年FRP板材工業(yè)化生產(chǎn)，美、法、日60年代中美、日SMC汽車部件，浴盆，船上構(gòu)件60年代棒材、細(xì)管、定型截面制品70年代拉擠，環(huán)向纏繞樹脂反應(yīng)注射成型（RIM）增強(qiáng)樹脂反應(yīng)注射成型（RRIM）衛(wèi)生器具，汽車零件1.2復(fù)合材料加工工藝發(fā)展史2/1/202322ChemistryofMaterials2004,Chapter772年美國(guó)PPG公司，熱塑性片狀模塑料(SMTC)80年法國(guó)，濕法熱塑性片狀模塑料(GMT)60~80年代離心澆鑄成型，瑞士 美國(guó)，大口負(fù)壓管道發(fā)展領(lǐng)域軍→民美國(guó) 民→軍西歐1.2復(fù)合材料加工工藝發(fā)展史2/1/202323ChemistryofMaterials2004,Chapter7碳纖維/聚合物復(fù)合材料改性的韌性環(huán)氧樹脂/高強(qiáng)碳纖維優(yōu)點(diǎn)：重量輕：1.6g/cm3，比鋁合金輕25－30％比強(qiáng)度高、高模量、耐腐蝕、耐磨損抗疲勞：比鋁合金壽命提高10－15倍成型性好、可設(shè)計(jì)、成本低用于：機(jī)身、機(jī)翼、艙門、機(jī)尾、。。。衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo),用量＞50％除作為結(jié)構(gòu)材料外，通過復(fù)合材料的選擇，還可具有一定的功能。2/1/202324ChemistryofMaterials2004,Chapter7黃領(lǐng)才，劉秀芝，航空制造技術(shù)，10（2008）47復(fù)合材料在飛機(jī)中應(yīng)用的概況2/1/202325ChemistryofMaterials2004,Chapter7A380B787Composites2/1/202326ChemistryofMaterials2004,Chapter7復(fù)合材料在飛機(jī)中的應(yīng)用

2/1/202327ChemistryofMaterials2004,Chapter7B787材料分布2/1/202328ChemistryofMaterials2004,Chapter7玻璃鋼建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢復(fù)合材料(玻璃鋼)制作的漁船2/1/202329ChemistryofMaterials2004,Chapter72/1/202330ChemistryofMaterials2004,Chapter7建筑材料2/1/202331ChemistryofMaterials2004,Chapter71.2復(fù)合材料的命名與分類

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的組分材料通過適當(dāng)?shù)闹苽涔に噺?fù)合在一起的多相固體材料。

其既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所無法獲得的或更優(yōu)異的特性。2/1/202332ChemistryofMaterials2004,Chapter7特點(diǎn)保持各相的固有特性；各相原有特性的強(qiáng)化（協(xié)同效應(yīng)）；賦予單一材料所不具備的特殊性能。2/1/202333ChemistryofMaterials2004,Chapter7復(fù)合材料中一相為連續(xù)相，稱為基體Matrix，占主要組分；另一相為分散相，稱為增強(qiáng)材料Reinforcement。分散相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的，兩相之間存在著相界面；分散相可以是增強(qiáng)纖維，也可以是顆粒狀或彌散的填料。2/1/202334ChemistryofMaterials2004,Chapter7各種類型的復(fù)合材料中相的排列2/1/202335ChemistryofMaterials2004,Chapter7植物纖維增強(qiáng)樹脂SiO2增強(qiáng)聚丙烯碳纖維增強(qiáng)聚碳酸酯蒙脫土增強(qiáng)環(huán)氧樹脂2/1/202336ChemistryofMaterials2004,Chapter72/1/202337ChemistryofMaterials2004,Chapter7金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料高聚物基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料熱固性樹脂基復(fù)合材料熱塑性樹脂基復(fù)合材料2/1/202338ChemistryofMaterials2004,Chapter71.3復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.3.1基本概念組元組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì)

相材料中具有同一化學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分組織材料內(nèi)部的微觀形貌2/1/202339ChemistryofMaterials2004,Chapter7phaseatom

組織是材料性能的決定性因素Relationofcomponent，phaseandtexturechemicalelementchemicalsubstancemoleculecomponenttexturesimplex

texturemultiple

texture2/1/202340ChemistryofMaterials2004,Chapter71.3.2復(fù)合材料復(fù)合原理復(fù)合材料界面粘結(jié)方式

機(jī)械結(jié)合靜電作用界面擴(kuò)散界面反應(yīng)2/1/202341ChemistryofMaterials2004,Chapter7蒙脫土增強(qiáng)尼龍6時(shí)基體與增強(qiáng)材料之間的氫鍵作用2/1/202342ChemistryofMaterials2004,Chapter7JSiCf/Ti的界面及界面反應(yīng)層2/1/202343ChemistryofMaterials2004,Chapter7碳納米管表面被聚合物基體覆蓋2/1/202344ChemistryofMaterials2004,Chapter7由于復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同的材料組分（組元）復(fù)合而成的，除工藝因素外，基體和增強(qiáng)材料的性能必然影響復(fù)合材料的性能。此外增強(qiáng)材料的形狀、含量、分布以及與基體的界面結(jié)合、結(jié)構(gòu)也會(huì)影響復(fù)合材料的性能。復(fù)合材料的復(fù)合原理，是反映上述因素對(duì)復(fù)合材料性能的影響規(guī)律。據(jù)此，可以對(duì)所需要研究和開發(fā)的復(fù)合材料的性能，包括力學(xué)、物理、化學(xué)性能等進(jìn)行設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)和評(píng)估。2/1/202345ChemistryofMaterials2004,Chapter7混合法則RuleofMixturesPc表示復(fù)合材料的某性能，如強(qiáng)度、彈性模量、熱導(dǎo)率等；Pi表示各組分材料的對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的某性能；V表示組成復(fù)合材料各組分的體積百分比（vol.%）；下標(biāo)i表示組成復(fù)合材料的組分?jǐn)?shù)。在復(fù)合材料中，在已知各組分材料的力學(xué)性能、物理性能的情況下，復(fù)合材料的力學(xué)性能和物理性能主要取決于組成復(fù)合材料的材料組分的體積百分比（vol.%）：2/1/202346ChemistryofMaterials2004,Chapter7顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量與顆粒體積分量的關(guān)系2/1/202347ChemistryofMaterials2004,Chapter7碳納米管增強(qiáng)PA6復(fù)合材料的楊氏模量與CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系粘土增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料中粘土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)材料力學(xué)性能的影響2/1/202348ChemistryofMaterials2004,Chapter71.3.3復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能化學(xué)組成組織結(jié)構(gòu)材料性能材料應(yīng)用合成與加工2/1/202349ChemistryofMaterials2004,Chapter7材料性質(zhì)和現(xiàn)象賦予材料的價(jià)值和應(yīng)用性使用性能是材料在使用條件下應(yīng)用性能的量度結(jié)構(gòu)與成分包括了決定材料性質(zhì)和使用性能的原子類型和排列方式合成和加工實(shí)現(xiàn)了特定的原子排列可根據(jù)對(duì)材料的性能要求，在基體、增強(qiáng)材料的類型和含量進(jìn)行選擇，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹苽渑c加工。2/1/202350ChemistryofMaterials2004,Chapter7RelationofFourEssentialsPropertyPerformanceStructure&CompositionSynthesis&Process(Engineering)(Chemistry)(Physics)2/1/202351ChemistryofMaterials2004,Chapter7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)方面力學(xué)設(shè)計(jì)——給制品一定的強(qiáng)度和剛度功能設(shè)計(jì)——給制品除力學(xué)性能外的其他性能2/1/202352ChemistryofMaterials2004,Chapter7單層的種類(a)無緯單層(b)經(jīng)緯交織單層層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由纖維與基體所組成的單層以不同方向?qū)雍隙?/1/202353ChemistryofMaterials2004,Chapter71.3.4復(fù)合材料中的鍵合方式與結(jié)構(gòu)MetallicbondIonicbondCovalentbondHydrogenbondVanderWaalsbond2/1/202354ChemistryofMaterials2004,Chapter7實(shí)際材料中的結(jié)合鍵2/1/202355ChemistryofMaterials2004,Chapter7GeneralCharactersofMaterials2/1/202356ChemistryofMaterials2004,Chapter7TheStructureofMaterials宏觀組織結(jié)構(gòu)亞微觀組織結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)2/1/202357ChemistryofMaterials2004,Chapter7骨骼——天然的納米復(fù)合材料骨骼是天然的納米復(fù)合材料其中30%為膠原纖維，剩下的70%是納米級(jí)的磷酸鈣晶體亞微觀結(jié)構(gòu)2/1/202358ChemistryofMaterials2004,Chapter7鉆石薄膜在放大1000倍下顯示的亞微觀結(jié)構(gòu)2/1/202359ChemistryofMaterials2004,Chapter7鈉玻璃石英玻璃石英晶體微觀結(jié)構(gòu)2/1/202360ChemistryofMaterials2004,Chapter7復(fù)合材料機(jī)械性能的特點(diǎn)(1)各向異性性能(2)非均質(zhì)性(3)層間強(qiáng)度低1.3.5復(fù)合材料的性能2/1/202361ChemistryofMaterials2004,Chapter7材料彈性主方向：模量較大的一個(gè)主方向稱為縱向，用字母L表示，與其垂直的另一主方向稱為橫向，用字母T表示。(1)各向異性性能通常的各向同性材料中，表達(dá)材料彈性性能獨(dú)立的工程彈性常數(shù)有兩個(gè)：E(彈性模量)和ν(泊松比)或剪切彈性模量G。2/1/202362ChemistryofMaterials2004,Chapter7(2)非均質(zhì)性(3)層間強(qiáng)度低層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在一種外力作用下，除了引起本身的基本變形外，還可能引起其他基本變形。耦合變形：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小層間應(yīng)力，或采取某些構(gòu)造措施，以避免層間分層破壞。2/1/202363ChemistryofMaterials2004,Chapter7溶蝕性耐腐蝕性抗?jié)B透性抗氧化性材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力化學(xué)穩(wěn)定性1.3.5復(fù)合材料的性能2/1/202364ChemistryofMaterials2004,Chapter7無機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性耐酸材料

以酸性氧化物SiO2為主耐堿材料

含有大量堿性氧化物如CaO、MgO2/1/202365ChemistryofMaterials2004,Chapter7化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合長(zhǎng)分子鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù)電絕緣性，無電化學(xué)腐蝕2/1/202366ChemistryofMaterials2004,Chapter7材料的機(jī)械性能測(cè)試材料受外力作用時(shí)的變形行為及其抵抗破壞的能力樣品拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖2/1/202367ChemistryofMaterials2004,Chapter7沖擊實(shí)驗(yàn)裝置2/1/202368ChemistryofMaterials2004,Chapter7硬度斷裂與韌性脆性斷裂和韌性斷裂疲勞特性與耐磨性材料抵抗其他較硬物體壓入表面的能力2/1/202369ChemistryofMaterials2004,Chapter7熱傳導(dǎo)耐熱性由材料熔融或分解所需溫度的高低反映出來2/1/202370ChemistryofMaterials2004,Chapter7金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體高分子材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）電性能ElectricalProperty2/1/202371ChemistryofMaterials2004,Chapter7光性能光的反射、吸收和透過的特征2/1/202372ChemistryofMaterials2004,Chapter7

1.4復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展與基體材料相比，復(fù)合材料的優(yōu)異性能：比強(qiáng)度和比模量高；抗疲勞性能好；高韌性和抗熱沖擊性；耐熱性高；減振性能好；耐燒蝕性、耐磨損、導(dǎo)電和導(dǎo)熱；特殊的光、電、磁性能等；2/1/202373ChemistryofMaterials2004,Chapter72/1/202374ChemistryofMaterials2004,Chapter7應(yīng)用范圍

建筑輕型房屋裝飾（雕塑、裝飾件） 衛(wèi)生潔具（淋浴室） 冷卻塔 貯水箱 波形瓦 塑鋼門窗 落水系統(tǒng)（落水管、雨蓬） 地面，墻布，桌椅，衛(wèi)生桶2/1/202375ChemistryofMaterials2004,Chapter7化學(xué)工業(yè)防腐管、泵、罐、槽、襯里、隔層架交通汽車構(gòu)件、鐵路客車、通訊器材、高速公路格柵造船各種小艇、無磁性小艇、破障艇電器元器件、燈具（杯）、絕緣工具軍事航空彈體件、雷達(dá)罩、飛機(jī)附件體育撐桿、弓箭、球拍、雪橇、賽車、滑板、賽艇、皮艇、劃槳、漁桿、按摩艙農(nóng)業(yè)溫室（FILON板，透光率99%）食品級(jí)設(shè)備機(jī)械機(jī)械零配件