復(fù)合材料原理專(zhuān)題培訓(xùn)課件

材料是現(xiàn)代文明的基石現(xiàn)代文明生物技術(shù)信息技術(shù)能源技術(shù)材料科學(xué)與工程材料是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類(lèi)進(jìn)步的里程碑。材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科技四大支柱，將人類(lèi)物質(zhì)文明推向新階段。石器時(shí)代青銅時(shí)代鐵器時(shí)代信息時(shí)代材料是文明的標(biāo)桿神奇的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是金屬、陶瓷、高分子等均質(zhì)材料發(fā)展的必然結(jié)果。按化學(xué)組成（或基本組成）分類(lèi)：1.金屬材料2.無(wú)機(jī)非金屬材料3.高分子材料（聚合物）4.復(fù)合材料金屬材料

金屬材料是由金屬元素組成的材料。分為由一種金屬元素組成的單質(zhì)（純金屬）；由兩種或以上金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。合金分為固溶體和金屬間化合物。無(wú)機(jī)非金屬材料

無(wú)機(jī)非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總稱(chēng)。與廣義的陶瓷材料含義等同。無(wú)機(jī)非金屬材料種類(lèi)繁多，用途各異，目前還沒(méi)有統(tǒng)一完善的分類(lèi)方法。一般分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類(lèi)。

熔點(diǎn)高有機(jī)高分子材料（高聚物）

高聚物是由一種或幾種簡(jiǎn)單低分子化合物聚合成的分子量很大的化合物。高聚物的種類(lèi)繁多，性能各異，分類(lèi)方法多樣。按來(lái)源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按性能和用途分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。4.復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。是多相材料，主要包括基體相和增強(qiáng)相?；w相是連續(xù)相材料，作用是把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并傳遞應(yīng)力；增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既保持原材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。碳纖維復(fù)合材料玻璃鋼游艇玻璃鋼游樂(lè)設(shè)備玻璃鋼產(chǎn)品在化工、石油、建筑、體育、國(guó)防、航空航天工業(yè)包括神州系列載人飛船等高端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用復(fù)合材料-隱形飛機(jī)上的特殊材料規(guī)劃綱要主題一：基礎(chǔ)（原）材料先進(jìn)制造技術(shù)綠色制造技術(shù)、低成本制造技術(shù)、催化與分離技術(shù)、通用材料高性能化制備技術(shù)主題二：超級(jí)結(jié)構(gòu)材料高性能金屬材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷、高性能工程塑料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主題三：先進(jìn)功能材料與器件光電子材料與器件、微電子材料與器件、信息功能材料與器件、超導(dǎo)材料與器件、智能材料與器件主題四：能源與生態(tài)環(huán)境材料新型能源材料、環(huán)境友好材料、生物與仿生材料主題五：納米材料與器件納電子材料與器件、納米生物醫(yī)用材料、納米能源材料、納米結(jié)構(gòu)材料、納米材料與器件評(píng)價(jià)與表征技術(shù)復(fù)合材料重要意義對(duì)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的需求航空航天能源工業(yè)交通運(yùn)輸業(yè)武器系統(tǒng)建筑業(yè)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重大工程先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料發(fā)展趨勢(shì)材料的復(fù)合化結(jié)構(gòu)材料的功能和多功能化傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的高性能化低成本技術(shù)特別受到重視簡(jiǎn)化材料體系,做到一材多用重視發(fā)展材料的先進(jìn)制備和加工技術(shù)提前安排重要新結(jié)構(gòu)材料的研制重視新材料的環(huán)境影響6000年前人類(lèi)就已經(jīng)會(huì)用稻草加粘土作為建筑復(fù)合材料?，F(xiàn)代意義復(fù)合材料最早出現(xiàn)于1839年美國(guó)人Goodyear發(fā)明的橡膠硫化法。４.１復(fù)合材料的發(fā)展第一代復(fù)合材料

玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料最早出現(xiàn)于1940年，輕質(zhì)高強(qiáng)、隔熱、不反射電磁波，用于軍工領(lǐng)域。目前用量最大、技術(shù)最成熟、低成本。第二代復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料由于碳纖維高比強(qiáng)度和比模量。主要用在航空航天，隨著碳纖維成本的降低，逐漸用于民用領(lǐng)域。第三代復(fù)合材料

有機(jī)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料美國(guó)杜邦公司kevlar纖維為代表。高比強(qiáng)度和比模量，低成本（碳纖維的1/3）。其他纖維如超高分子量聚乙烯纖維、聚苯并雙噁唑（PBO）纖維等。1970年代出現(xiàn)了金屬、陶瓷為基體的復(fù)合材料19９0年代出現(xiàn)了納米復(fù)合材料定義：由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的單一材料，通過(guò)不同復(fù)合方法得到的宏觀多相材料。區(qū)別于混合材料的特征是多相結(jié)構(gòu)，存在復(fù)合效應(yīng)。４.２復(fù)合材料的定義與分類(lèi)分類(lèi)

（1）基體種類(lèi)樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料。（2）增強(qiáng)材料形狀：顆粒、晶須、纖維、織物類(lèi)型:無(wú)機(jī)和有機(jī)材料（3）用途結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料。

樹(shù)脂基

基體材料金屬基

陶瓷基

粒子狀

增強(qiáng)劑纖維狀

層狀

聚脂樹(shù)脂飛機(jī)、汽車(chē)、

樹(shù)脂基(玻璃鋼)玻璃纖維船舶、建筑

結(jié)構(gòu)金屬

復(fù)合金屬基耐熱纖維航空、航天

復(fù)合方式基體陶瓷Al2O3、SiO2、SiC、…

陶瓷基增強(qiáng)纖維C、SiC、…航空航天

功能功能體換能、導(dǎo)電、導(dǎo)磁

復(fù)合基體屏蔽吸波材料

增強(qiáng)纖維

隱形飛機(jī)

（４）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如玻璃鋼；層迭復(fù)合材料，如鋁與塑料薄膜；顆粒復(fù)合材料，如電木粉；骨架復(fù)合材料，如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等，其中比較重要的是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。聚醚醚酮PEEK1977年由英國(guó)ICI公司開(kāi)發(fā)。結(jié)晶性樹(shù)脂/熱塑性樹(shù)脂，熔點(diǎn)334℃。短期耐熱：純樹(shù)脂耐熱160℃，玻璃纖維/碳纖維增強(qiáng)后300℃。韌性好；阻燃：可自熄，燃燒時(shí)發(fā)熱量最少。耐腐蝕：除了濃硫酸。）復(fù)合材料組成復(fù)合材料主要由基體和增強(qiáng)體（對(duì)功能材料稱(chēng)功能體）組成基體：連接增強(qiáng)體、傳遞載荷、分散載荷增強(qiáng)體：結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中主要起承受載荷的作用。功能體：賦予復(fù)合材料一定的物理、化學(xué)功能。樹(shù)脂基復(fù)合材料熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料不飽和聚酯基復(fù)合材料雙馬來(lái)酰亞胺基復(fù)合材料脲醛基復(fù)合材料聚氨酯基復(fù)合材料熱固型聚酰亞胺基復(fù)合材料三聚氰胺基復(fù)合材料有機(jī)硅基復(fù)合材料熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料聚苯硫醚基復(fù)合材料聚醚酮復(fù)合材料聚砜基復(fù)合材料熱塑性聚酰亞胺基復(fù)合材料聚醚酰亞胺基復(fù)合材料聚甲醛基復(fù)合材料聚丙烯基復(fù)合材料聚四氟乙烯基復(fù)合材料聚碳酸酯基復(fù)合材料聚苯并咪唑基復(fù)合材料聚喹惡啉基復(fù)合材料聚合物基體及其復(fù)合材料性能特點(diǎn)（1）密度低（2）耐腐蝕（3）易氧化，老化（4）耐熱性較差，易降解和氧化（5）易燃（6）摩擦系數(shù)低（7）低的導(dǎo)熱性和高的熱膨脹性（8）電絕緣性好，靜電積累（9）可整體著色（10）力學(xué)性能隨分子結(jié)構(gòu)變化乙烯基酯樹(shù)脂

雙酚Ａ環(huán)氧丙烯酸類(lèi)乙烯基酯樹(shù)脂結(jié)構(gòu)式

以不飽和酸（丙烯酸或甲基丙烯酸）和帶活性點(diǎn)的低分子量樹(shù)脂（環(huán)氧樹(shù)脂）為原料，在催化劑作用下，經(jīng)加熱反應(yīng)得到的端基或側(cè)基含不飽和雙鍵的樹(shù)脂。工業(yè)上是將乙烯基酯樹(shù)脂溶解在苯乙烯中制成液體樹(shù)脂。兼有不飽和聚酯和環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)：不飽和樹(shù)脂可常溫固化、施工方便；雙酚A骨架保留了環(huán)氧樹(shù)脂的基本特征。突出優(yōu)點(diǎn)：防腐蝕性良好、施工工藝性好。整體樹(shù)脂地面采用MFE-5樹(shù)脂溝縫的花崗巖耐腐蝕地面

玻璃剛拼狀式儲(chǔ)罐雙馬來(lái)酰亞胺-BMI由順丁烯二酸酐和二元胺在一定條件下反應(yīng)得到。綜合了聚酰亞胺和環(huán)氧樹(shù)脂的特點(diǎn)，具有較好的耐熱性和工藝性。缺點(diǎn)：脆性大，熔點(diǎn)高，難溶解，固化溫度高，需要改性。

分類(lèi)名稱(chēng)拉伸強(qiáng)度楊氏模量抗彎強(qiáng)度聚合物聚丙烯33~41MPa1.2-1.4GPa41.4~55.1MPa尼龍6681.3MPa3.1~3.2GPa98~107.8MPaABS16.6~62MPa0.7~2.8GPa24.8~93MPa聚碳酸酯65.7MPa2.2~2.4GPa96~103.9MPa金屬08碳素鋼325MPa210GPa鑄鐵HT15-33150MPa150~160GPa330MPa工業(yè)鋁L4140MPa69GPa陶瓷Al2O399.9%300MPa370GPa碳化鈦258MPa450GPa燒結(jié)SiC300MPa410GPa基體材料的性能增強(qiáng)體性能參數(shù)生產(chǎn)廠家商品名及牌號(hào)直徑μm密度g/cm3抗拉強(qiáng)度MPa彈性模量GPaE玻璃纖維9~152.6323272日本東麗T300碳纖維71.763500230日本東麗T一1000碳纖維51.827060294日本東麗M60J碳纖維519438205883M公司Nextel480A12O3纖維10-123.052275224日本碳(株)NicalonSiC纖維10~152.552450-2940167-176美AVCOSCS--6SiC纖維1403>4000400法SNPEB4C涂復(fù)鎢芯硼纖維1402.53700400美Kevlar49芳綸纖維121.44176062(原)蘇聯(lián)APMOC芳綸纖維1.435000150W絲1319.44020407鋼絲137.744120193β-SiC晶須0.1~13.85~70000>6000美杜邦公司α—A12O3晶須203.95379玻璃纖維直徑5-20μm

主要用在對(duì)使用性能要求不高的場(chǎng)合。優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度較高（可達(dá)2GPa），相對(duì)密度?。?.4-2.7g/cm3），化學(xué)穩(wěn)定性高，耐熱性好；缺點(diǎn)：脆性大，耐磨性差，纖維表面光滑不易與其它物質(zhì)結(jié)合。用途：可制成長(zhǎng)纖維和短纖維，或織成布和氈。玻璃纖維紗玻璃纖維短切紗玻璃纖維布玻璃纖維氈玻璃纖維帶碳纖維和石墨纖維有機(jī)纖維在惰性氣體中，經(jīng)高溫碳化制成。2000℃以下制得碳纖維，再經(jīng)2500℃以上處理得石墨纖維。機(jī)械性能受溫度的影響較小：彈性模量高，2500℃無(wú)氧氣氛中變化較小。石墨纖維的耐熱性和導(dǎo)電性比碳纖維高，并具有自潤(rùn)滑性。主要用在對(duì)使用性能要求較高的條件如碳/碳復(fù)合材料用在航空航天等領(lǐng)域。超高強(qiáng)聚乙烯纖維芳香族聚酰胺纖維聚苯并雙惡唑PBO液晶芳族雜環(huán)聚合物

……高性能有機(jī)纖維超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE、HTHMPE或UPS-PE）也稱(chēng)伸直鏈聚乙烯纖維或高強(qiáng)、高模量聚乙烯纖，以超高分子量聚乙烯為原料，經(jīng)溶膠紡絲-超倍拉伸技術(shù)制得。其特點(diǎn)是：相對(duì)分子量大于100萬(wàn)；密度低：0.96～0.97g/cm3,是最輕的纖維；強(qiáng)度高：3.5～6.3GPa，是鋼的10倍，碳纖維和芳綸纖維的2倍；耐熱性差：140℃熔融。主要用在纜繩和高技術(shù)軍備材料，如武器裝甲、防彈背心、頭盔等。UPS-PE芳香族聚酰胺纖維－凱芙拉Kevlar

由杜邦公司1972年開(kāi)發(fā)，對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺（PPTA），是液晶高分子，特點(diǎn)：（1）高比強(qiáng)度、高比模量比強(qiáng)度是鋼絲的3-4倍，比模量是鋼絲或玻璃纖維的2-3倍，而密度是鋼絲的1/5；（2）耐高低溫連續(xù)使用溫度為-196-204℃，在-45℃仍能保持相當(dāng)與室溫下的韌性。芳綸纖維及其織物聚苯并雙惡唑（PBO）纖維1995年由Dow化學(xué)公司和東洋紡織公司聯(lián)合研制成功。特點(diǎn)是：強(qiáng)度、模量、耐熱、阻燃優(yōu)于其他有機(jī)纖維，被稱(chēng)為面向21世紀(jì)的超纖維。晶須晶須是指以單晶形式生長(zhǎng)的形狀類(lèi)似于短纖維，而尺寸遠(yuǎn)小于短纖維的針狀單晶體。包括金屬晶須和陶瓷晶須。直徑為零點(diǎn)幾到幾微米，長(zhǎng)度為幾十到幾百微米，長(zhǎng)徑比大于10。由于在結(jié)晶時(shí)原子結(jié)構(gòu)高度有序排列，內(nèi)部缺陷較少，其強(qiáng)度和模量接近于完整晶體材料的理論值，是一種力學(xué)性能十分優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)增韌劑。金屬晶須中可批量生產(chǎn)的是鐵晶須，其最大特點(diǎn)是可在磁場(chǎng)中取向，可以很容易地制取定向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。陶瓷晶須比金屬須強(qiáng)度高，相對(duì)密度低，彈性模量高，耐熱性好。晶須主要用于金屬材料基和陶瓷基復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)增韌碳化硅晶須硫酸鈣晶須鈦酸鉀晶須功能填料：功能填料阻燃?xì)溲趸X、氫氧化鎂、三氧化二銻耐磨石墨、碳纖維導(dǎo)電碳黑、石墨、碳纖維、金屬粉或纖維磁性三氧化二鐵壓電鈦酸鉛、鈦酸鋇、鋯酸鉛４.３樹(shù)脂基復(fù)合材料的特點(diǎn)與性能特點(diǎn)（1）可設(shè)計(jì)性

復(fù)合材料的力學(xué)、熱、電、聲、光等物理化學(xué)性能都可通過(guò)組分材料的選擇、界面控制等設(shè)計(jì)手段達(dá)到。（2）材料與結(jié)構(gòu)的一致性復(fù)合材料的構(gòu)件與材料同時(shí)形成。（3）存在復(fù)合效應(yīng)區(qū)別于任意混雜材料復(fù)合材料的性能不是其組分材料性能的簡(jiǎn)單疊加，可以產(chǎn)生新的性能。優(yōu)點(diǎn)（1）密度低大多數(shù)聚合物的密度在1g/cm3左右，0.9-1.5cm3之間。（2）高比強(qiáng)度、高比模量比強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度與密度的比值。如碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鋼的6倍，比模量是鋼的4倍。（3）電絕緣性好，透波材料（4）耐疲勞性能好金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30-50％；碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的70-80％；能長(zhǎng)期承受交變載荷。（5）耐化學(xué)物質(zhì)腐蝕乙烯基酯樹(shù)脂

缺點(diǎn)：不耐高溫，不易回收利用幾種常用材料與復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量

材料名稱(chēng)密度g/cm3拉伸強(qiáng)度×10GPa彈性模量×106MPa比強(qiáng)度×106cm比模量×109cm鋼7.810120.590.130.27鋁2.8467.350.170.26鈦4.59411.180.210.25玻璃鋼2.01043.920.530.21碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂1.4514713.73

0.21碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂1.61049023.54

1.5芳綸纖維/環(huán)氧樹(shù)脂1.41377.85

0.57硼纖維/環(huán)氧樹(shù)脂2.113520.59

1.0硼纖維/鋁2.659819.61

0.75復(fù)合材料

玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

生產(chǎn)生活中常用的復(fù)合材料航空、航天領(lǐng)域中的復(fù)合材料纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料４.４樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)降低成本原材料、成型工藝、設(shè)計(jì)先進(jìn)復(fù)合材料的研制高強(qiáng)、高模量、耐高溫等性能，用于航空航天領(lǐng)域。功能復(fù)合材料燒蝕、摩阻、磁性、導(dǎo)電、吸聲、阻尼智能復(fù)合材料具有感知、識(shí)別及處理能力的復(fù)合材料。仿生復(fù)合材料參考生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)規(guī)律設(shè)計(jì)制造。環(huán)保復(fù)合材料復(fù)合材料的回收利用玻璃鋼防腐蝕產(chǎn)品本課程研究的范圍基體的結(jié)構(gòu)和性能增強(qiáng)體或功能體的結(jié)構(gòu)和性能界面結(jié)構(gòu)和界面效應(yīng)復(fù)合后材料的物理及力學(xué)性能的一般規(guī)律相共性復(fù)合過(guò)程的一般規(guī)律和共性材料功能化原理研究?jī)?nèi)容是整個(gè)復(fù)合材料工程學(xué)的理論基礎(chǔ)。除基體和增強(qiáng)休或功能體對(duì)復(fù)合材樹(shù)的性能有決定性影響外，界面的作用也有很大的影響。界面、界面效應(yīng)對(duì)復(fù)合材料性能的巨大影響正是復(fù)合材料區(qū)別于一般混合材料的重要標(biāo)志。界面、界面效應(yīng)影響焊接材料界面玻璃鋼絕緣產(chǎn)品相關(guān)網(wǎng)站1、國(guó)內(nèi)公司天原（集團(tuán)）上海樹(shù)脂廠有限公司岳陽(yáng)石化總廠環(huán)氧樹(shù)脂廠

華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司上緯(上海)精細(xì)化工有限公司重慶國(guó)際復(fù)合材料有限公司四川玻纖有限公司中鋼集團(tuán)吉林炭素股份有限公司北京科拉斯化工技術(shù)有限公司北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司上海玻璃鋼研究院2、國(guó)外公司與論壇Dow（陶氏）Shell（殼牌）

Novartis(諾華公司)中國(guó)玻璃鋼綜合信息網(wǎng)中國(guó)聚合物網(wǎng)環(huán)氧樹(shù)脂材料科學(xué)論壇小木蟲(chóng)論壇/bbs3、期刊1.復(fù)合材料學(xué)報(bào)2.高分子學(xué)報(bào)3.高分子材料科學(xué)與工程1.CompositesScienceandTechnology/wps/product/cws_home/405929

2.CompositesPartA/locate/compositesa

3.CompositesPartB:Engineering/locate/composite