復合材料第1次課課件

《復合材料》劉穎四川大學材料科學與工程學院1復合材料的概念及其基本特征和發(fā)展歷程第一節(jié)復合材料的概念與內(nèi)涵第二節(jié)復合材料發(fā)展的歷程第三節(jié)復合材料在2l世紀的作用第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題第一講2第一節(jié)復合材料的概念與內(nèi)涵材料的復合化是材料發(fā)展的必然規(guī)律。科技進步對材料提出更高性能要求。從單質(zhì)材料出發(fā)合成或制造一種高水平的綜合指標的材料是非常困難的。Ti(CN)優(yōu)異的刀具材料Co3第一節(jié)復合材料的概念與內(nèi)涵1、什么是復合材料？復合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復合形成的新型材料。例如：

Al/WAg/W……C/CuAl2O3/Al……C/C(碳纖維增強碳基復合材料)……4它的設計自由度很大，不僅可在組分選擇上調(diào)整，還可以改變各組分的體積百分數(shù)以滿足所需的性能要求；容易滿足輕質(zhì)高強以及其他的優(yōu)越的綜合性能特別是復合材料還具有復合效應，即經(jīng)過復合以后產(chǎn)生各原始組分所不具備的性能。第一節(jié)復合材料的概念與內(nèi)涵56第一節(jié)復合材料的概念與內(nèi)涵由于復合材料的上述特點所以在不少高技術領域如航天、航空、信息等產(chǎn)業(yè)中得重要的應用。目前已與金屬、無機非金屬、高分子并列為四大材料。

7Al/W復合材料Ag/W復合材料8Cu/C復合材料Al2O3/Al復合材料9C/C復合材料及其構件(飛機剎車片)102、復合材料的基本內(nèi)涵復合材料由基體組元與增強體或功能組元所組成。例如：

Al/WAg/W……Cu/CAl/Al2O3……C/C(碳纖維增強碳基復合材料)……

玻璃纖維增強樹脂基復合材料(印刷電路基板)第一節(jié)復合材料的概念與內(nèi)涵11第二節(jié)復合材料發(fā)展的歷程1、早在古代就出現(xiàn)了各種原始型形態(tài)的復合材料。

例如：人類早就學會的用稻草/竹竿等與泥土混合來制造作建筑材料，直到今天在一些鄉(xiāng)村還可看到這一現(xiàn)實的場景。粘土+稻草石粉+沙煤灰磚爐渣磚12使用了建筑復合材料的古代遺跡砂石和水泥復合成的混凝土也有很長歷史，在許多的歷史遺跡中就能見到建筑復合材料。13天然復合材料--貝殼自然界中本身就存在大量的天然復合材料,比如人和動物的牙齒，貝殼。……14第二節(jié)復合材料發(fā)展的歷程2、19世紀末復合材料開始進入工業(yè)化生產(chǎn)。3、20世紀60年代開始由于高技術的發(fā)展，對材料性能的要求日益提高，單質(zhì)材料很難滿足性能的綜合要求和高指標要求。因此，復合材料開始進人新的發(fā)展階段，復合材料已與金屬、陶瓷和高分子等并列為重要材料。4、21世紀將進入復合材料時代。今天的宇航技術、信息技術和國防軍工等快速發(fā)展已離不開先進復合材料(成為這些領域的首要關鍵材料)。材料的復合化是材料發(fā)展的必然趨勢之—。15第三節(jié)復合材料在2l世紀的作用

在討論復合材料征2l世紀應起的作用之前，首先分析和預測人類社會面臨的問題、社會的特點和重點需求，特別要涉及我國的客觀實際需求。16第三節(jié)復合材料在2l世紀的作用1、對信息技術提供服務2、對提高人類生活質(zhì)量做貢獻3、在解決資源短缺和能源危機有重要貢獻4、對治理環(huán)境污染可以起作用5、對現(xiàn)代國防建設的作用17第三節(jié)復合材料在2l世紀的作用1、對信息技術提供服務

在信息技術中的信息獲得、處理、存儲、傳輸和執(zhí)行幾部分中，復合材料均發(fā)揮重要作用。181)復合材料用于信息的獲得獲得信息主要依靠各敏感器件的檢測，而敏感器件則由各種換能復合材料組成。可利用復合效應特別是“乘積效應”來設計出高效的新型換能材料，進一步提高換能復合材料把對外界的感知通過物理量表現(xiàn)的信息(如光、熱、聲、磁、輻射等)轉(zhuǎn)換成電信號的能力。19第三節(jié)復合材料在2l世紀的作用2)復合材料用于信息處理信息處理主要依靠電子技術，隨著電子技術的進步，電子芯片的集成度將越來越高，而芯片的散熱問題將足成為發(fā)展的障礙，需要應用高導熱復合材料。

20例如：碳化硅顆粒增強鋁復合材料的導熱系數(shù)以及與集成電路芯片的熱膨脹匹配均能滿足要求。這是一種用于芯片封裝的廉價材料；電子設備的電路板是纖維增強聚合物復合材料，其用量可觀；信息處理的速度越來越快，因此研制具有高頻介電性能的復合材料是當前和今后的重要。碳化硅復合材料AlSiC散熱復合材料21第三節(jié)復合材料在2l世紀的作用3)復合材料用于信息存儲目前用于信息寫入、記錄、存儲和讀出的磁性材料如磁帶、磁盤等，大都是磁粉與聚合物基體制成的復合材料，并正在向高密度的磁記錄復合材料方向發(fā)展。22應用磁性復合材料的器件磁帶和磁盤23第三節(jié)復合材料在2l世紀的作用4)復合材料用于信息傳輸目前用于信息傳輸信息的光纜和微波和通訊衛(wèi)星系統(tǒng)均要使用復合材料。光纖及連接器微波通訊中拋屋面天線衛(wèi)星的天線和星體結(jié)構24光纖及其連接器25前饋拋物面天線人造衛(wèi)星星體復合材料26第三節(jié)復合材料在2l世紀的作用5)復合材料用于信息執(zhí)行信息執(zhí)行除使用聲、光和圖象外，還需要機械動作，這些機械動作的完成需要低密度、高剛度和高強度的復合材料。272、對提高人類生活質(zhì)量做貢獻1）改善舒適性復合材料具有輕質(zhì)高強、隔音隔熱和減振降噪的特點，正是提高舒適性所需要的。新一代飛機采用大量用碳纖維增強復合材料國外各種鐵路車輛和微型汽車均計劃采用復合材料，以保持車內(nèi)的溫度，降低噪聲和減少振動。28一種典型的結(jié)構復合材料例如：瑞土用玻璃纖維和碳纖維纏繞并鑲有泡沫塑料制成車體結(jié)構；日本也計劃用碳纖維—酚醛樹脂制造干線高速列車車廂。磁懸浮高速列車的車身結(jié)構為不受強磁場的影響必須采用復合材料。

292、對提高人類生活質(zhì)量做貢獻2)提高安全性

復合材料的特點之—是抗沖擊韌性好，能吸收沖擊能量、目前復合材料己用來制造汽車保險桿和轎車底板，主要是利用其無可比擬的抗撞擊性能和彈性回復性能。在車禍時能較大地減少人體受到的傷害。車用抗沖擊復合材料30在航空方面，空難事故一直困擾著人類。最近美國正嘗試將光導纖維埋入結(jié)構復合材料中制成具有自診斷功能的機敏復合材料，來監(jiān)視飛機各部分發(fā)生的異常應變和斷裂現(xiàn)象，從而給出預警。在高層建筑抗地震災害方面，復合材料具有損傷容限大的特點，被視為優(yōu)選材料。312、對提高人類生活質(zhì)量做貢獻3)提高人類健康水平人發(fā)生疾病和傷殘是個可避免的客觀事實．人們直期待在發(fā)生疾病或傷殘后對已損壞臟器與骨進行修復或更換的時機。植入型人造代用品。例如，修復骨的人工關節(jié)、釘、骨夾板等過去用金屬制造，由于金屬的強度和剛度等無法與骨相適配，產(chǎn)生應力遮擋效應，使新生骨質(zhì)萎縮疏松，而復合材料則可以用組分配比來調(diào)整到最佳狀態(tài)。32人造骨復合材料333、在解決資源短缺和能源危機貢獻目前人類使用的能源大部分是不可再生的石油、天然氣、煤和鈾等。最近的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，除煤以外的其他三種資源將枯竭；陸地上用作原材料的礦藏中有相當部分也會陸續(xù)短缺。這意味著人類必須大力開發(fā)新能源，盡可能能和資源，并且尋找陸地上尚未充分利用的資源并加以開發(fā)，更重要的是要設法大量開采海洋資源甚至中間資源。復合材料在這方面的作用和貢獻巨大。343、在解決資源短缺和能源危機貢獻1)在開發(fā)新能源和節(jié)約能源方面的具有重要作用

在新能源方面，太陽能是取之不竭的最干凈理想能源，目前利用尚不理想。近來各國均在努力提高各種光電池的轉(zhuǎn)換效率，其中包括功能復合材料的光電池。另外光電池的框架采用復合材料制造是最理想的，因為它輕質(zhì)高強，非常適合制造大面積的光電池結(jié)構板框和支架。

35太陽能電池36

風力也是一種來源于自然界的清潔能源。根據(jù)報道，1996年全世界風能利用容量達6000MW，美國居第一位。風力發(fā)電裝置的葉片和支柱均用復合材料制造。特別是大型化的發(fā)展趨勢更需要高性能結(jié)構復合材料，目前我國已有14個風力電場以及大量分散布在草原地區(qū)的小型風力單機組發(fā)電裝置。37風力發(fā)電機葉片復合材料38

此外，用于核燃料----鈾的離心分離機的轉(zhuǎn)子也是用先進復合材料制成的。另外，正在研設計中的潮汐發(fā)電裝置也采用復合材料，因為它既能滿足力學性能的要求又能耐海水腐蝕。39關于節(jié)約能源和資源方面，復合材料可充分發(fā)揮其生產(chǎn)工藝耗能少、能夠整體近終形成型(或凈形成型)，以及使運載工具輕量化(包括車輛、飛機和船舶)的優(yōu)勢達到節(jié)約能源的目的。此外用于貯藏能量以達到合理平衡能源輸出的大型飛輪，已選定用復合材料制造。這也是節(jié)能措施的重要部分。403、在解決資源短缺和能源危機貢獻2)復合材料在開發(fā)海洋和空間資源方面所具備優(yōu)勢人類尚未充分利用海底蘊藏的資源（主要是開采有難度），但受陸地資源即將出現(xiàn)短缺的形勢所迫，不能不把注意力轉(zhuǎn)向海洋。初步探明，海底有相當豐厚的貯量，而且以不同的形式存在(如錳結(jié)核)。但是勘探和開采海底資源需要用耐高壓和耐海水腐蝕的深潛裝置。由于復合材料具有輕質(zhì)高強且耐各種介質(zhì)腐蝕的特點，因此在開發(fā)海洋方面具備明顯優(yōu)勢。41錳結(jié)核及其采集裝置42

試驗表明，用碳纖維增強樹脂的深潛器已潛入近1000m的深海。海上石油平臺如果采用復合材料，不僅能有效降低建造成本．而且能大大節(jié)約鋼鐵平臺必需的油漆防護費用。這方面將會創(chuàng)造很大的產(chǎn)值和效益。對于未來開發(fā)空間資源，更需制造各式航天器和空間站，無疑需要采用復合材料作為主體材料。2)復合材料在開發(fā)海洋和空間資源方面所具備優(yōu)勢43

地球上資源的開采使用并不平衡，某些資源短缺而另一些則沒充分利用。例如鎂的貯藏豐富，目前僅少量作為合金成分加入其他金屬中(如鋁合金)；這是因為以鎂為主要成分的合金力學性能較差，但鎂具有質(zhì)量輕、阻尼性能好的特點，采用顆?；蛘呔ы氃鰪婃V則可顯著改善其力學性能，擴大其應用范圍：此外，許多野生植物和麥桿中的纖維具有一定強度，可以作為增強物增強水泥等基體．甚至一些無機礦土(高嶺土、蒙脫土等)也都可以作為增強體或填料使用。原則上可以通過復合的途徑把一些尚未利用或利用率不高資源變成有用之材。3)在挖掘尚未充分刊用的資源上將發(fā)揮作用44基礎設施的建設是體現(xiàn)社會進步的標志之一，我國基礎設施建設更是處于重要地位，基礎設施的建造要花費大量的材料(如鋼鐵和水泥)，而生產(chǎn)這些能耗很大的原材料要消耗很多能源。如果能延長基礎設施的使用壽命，即可節(jié)約能源和資源，又可減少環(huán)境污染。鋼筋水泥結(jié)構已經(jīng)使用了上百年，實踐表明，鋼在于堿性水泥和濕氣的條件下會發(fā)生銹蝕，不僅降低其原有性能而且鐵銹脹大會導致水泥開裂。為此，目前正致力于研究高性能的纖維增強混凝土以及聚合物水泥混凝土、復合材料代鋼筋等。4)使基礎設施延長存命45維尼綸纖維水泥電纜保護管46

隨著人類的極度膨脹，生活需求推動生產(chǎn)迅速增長，在創(chuàng)造的同時也排出大量的固體、液體和氣體廢物，造成嚴重的環(huán)境污染。從某種角度來看．目前某些材料確實難以回收、再生，似乎不利丁環(huán)境；人們從天然材料幾乎全是復合材料的事實來看，表明復合材料是最合理的組成方式，能夠接受自然界的長期考驗并與之相容。復合材料還具有改善環(huán)境的積極作用。4、復合材料對治理環(huán)境可起的作用471)復合材料在降低污染方面的作用通過合理設計并采用整體、凈形的成型方法，使用復合材料可以降低原材料的用量、節(jié)約加工能耗和降低廢棄邊角料；還可延長工件和設施的使用壽命，也起到減少廢棄物的效果。其次，很多治理污染措施需要用到復合材料，例如各種治理氣、水污染裝置中所采用的功能膜需要與支撐網(wǎng)格構成復合材料才能有效地使用。

4、復合材料對治理環(huán)境可起的作用48

例如降低污染的天然氣作為燃料，為此需要安全的高壓氣瓶與之配合使用。實踐表明：以碳纖維/環(huán)氧復合材料經(jīng)纏繞成型的氣瓶是最佳選擇，既輕又強，萬一出現(xiàn)車禍也不致爆炸傷人。廢水治理的容器、管道采用復合材料可避免腐蝕損壞等。4、復合材料對治理環(huán)境可起的作用492)利用廢棄物構成復合材料化害為利復合材料的特點是能充分發(fā)揮材料互補的優(yōu)勢。根據(jù)這個原則可以把許多廢棄物如礦渣、木屑、廢塑料、麥桿等復合成材，供某些低檔要求領域使用。麥桿復合材料50

3)開發(fā)自然降解的“綠色”復合材料為防使用后的遺棄物污染環(huán)境，正在努力尋找可自然降解的材料，用來制造日常消耗品。采用復合的形式對這類材料很有幫助。如果用植物纖維等天然材料來增強改善復合材料的性能的思路，可設計制造一批能生物降解的材料，如透明農(nóng)膜、一次性餐具等消耗品，并設法使這些材料降解后變成肥料或直接作為飼料，成為名副其實的綠色材料。515、復合材料對國防建設的作用本世紀中復合材料的發(fā)展是由于軍工的激勵，但下世紀中復合材料在國防中仍然是重要的材料。盡管當前和平是主流，但是局部戰(zhàn)爭仍然不斷發(fā)生。超級大國仍然沒有放棄獨霸全球的企圖，為此各個國家對國防絲毫沒有放松。未來的戰(zhàn)爭是高科技的戰(zhàn)爭。由于精確的探測技術和制導武器的進步使主要作戰(zhàn)武器（作戰(zhàn)飛機、坦克、軍艦、導彈等）自我生存能力受到極大的威脅。52第三節(jié)復合材料對國防建設的作用

海灣戰(zhàn)爭是一個極好的事例。然而矛與盾是不斷相對發(fā)展的，在這種形式下隱身技術就隨之誕生了，以美國為代表的發(fā)達國家已經(jīng)將其成功地用在軍用飛機上（如B-2、F-117等），使之幾乎完全逃避探測設備的發(fā)現(xiàn)和導彈的追擊。隱身技術主要使用具有隱身功能（吸收雷達波和紅外線）的復合材料，它主要是由具有吸波纖維材料（如碳化硅纖維、碳纖維）以及其他吸波填料和聚合物樹脂復合而成的，這種復合材料既是結(jié)構材料又是隱身吸波材料，適合于制造飛機機身和導彈殼體。53此外各種武器都要求盡量降低本身重量來增加用于戰(zhàn)斗的載荷，先進復合材料完全能夠滿足此要求，因此各種導彈和軍用飛機都大量采用（如直升飛機葉片），并且逐步向主承力結(jié)構上發(fā)展以代替重量大的金屬。此外碳基（碳-碳）復合材料的耐高溫抗燒蝕性是各種材料之冠，因此導彈的鼻錐和發(fā)動機噴管即以此為首選材料。

第三節(jié)復合材料對國防建設的作用

54又如坦克的裝甲已經(jīng)發(fā)展成復合裝甲，其中復合材料也是重要的部分，總之復合材料在軍事上的用途很多，甚至包括常規(guī)武器上也不難發(fā)現(xiàn)復合材料?？梢?，復合材料對鞏固國防起決定性作用。坦克裝甲復合材料55第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題一、復合材料發(fā)展趨勢與主要方向1、功能復合材料功能復合材料涉及面寬：電功能方面有導電、超導、絕緣、吸波(電磁波)、半導電、屏蔽或透過電磁波、壓電與電致仲縮等；磁功能方面有永磁、軟磁、磁屏蔽和磁致伸縮等；光功能方面有透光、選擇濾光、光致變色、光致發(fā)光、抗激光、x線屏蔽和透X光等；56電磁波屏蔽復合材料磁性復合材料57壓電復合材料58第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題聲學功能方向有吸聲、聲納、抗聲納等；熱功能方面有導熱、絕熱與防熱、耐燒蝕、阻燃、熱輻射等；機械功能方面則有阻尼減振、自潤滑、耐磨、密封、防彈裝甲等；化學功能方面有選擇吸附和分離，抗腐蝕等。59吸聲復合材料使用了防彈復合材料的防彈衣60第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題2、多功能復合材料復合材料具有多組分特點，因此必然會發(fā)展成多功能的復合材料，首先形成兼具功能和結(jié)構的復合材料。這一點在實際應用中得到證實。例如，美國的軍用飛機具有隱身功能，即飛機的蒙皮上應用吸收電磁波的功能復合材料來躲避雷達跟蹤，而這種復合材料又是高性能的結(jié)構復合材料。61第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題目前正在研制兼有吸收電磁波、紅外線并且可以作為結(jié)構的多功能復合材料。復合材料向多功能化方向發(fā)展必然趨勢。大量應用了隱身復合材料的B2戰(zhàn)略轟炸機價值約15-20億美元62第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題3、機敏復合材料人類一直期望著材料具有能感知外界作用而且作出適當反應的能力；目前已經(jīng)開始試將傳感功能材料和具有執(zhí)行功能的材料通過某種基體復合在一起，并連接外部信息處理系統(tǒng)，把傳感器給出的信息傳達給執(zhí)行材料，使之產(chǎn)生相應的動作。這樣就構成了機敏復合材料及其系統(tǒng)。63第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題它能感知外部環(huán)境變化，作出主動的響應，其作用表現(xiàn)在自診斷、自適應相自修復的能力上。預計機敏復合材料將會在國防尖端技術、建筑、交通、水利、醫(yī)療、海洋魚業(yè)等有很大的應用前景，同時也會在節(jié)能、減少污染和提高安全方面發(fā)揮很大的作用。649.11事件之后，人們更是渴求作為結(jié)構承重的水泥混凝土能夠?qū)崿F(xiàn)損傷自診斷，從而避免建筑結(jié)構由于突然斷裂而引發(fā)的災難性事故。機敏水泥基材料的提出和研究是適應上述研究背景的。普通的水泥混凝土材料已不能適應日新月異的多功能需要和新技術發(fā)展與應用。因此，對傳統(tǒng)結(jié)構材料水泥混凝土進行改性，研究和開發(fā)堅韌、具有感知能力的機敏混凝土，使其成為功能、結(jié)構材料一體化的新型材料。654、智能復合材料智能復合材料是功能類材料的最高形式。實際上它是在機敏復合材料基礎上向自決策能力上的發(fā)展，依靠在外部信息處理系統(tǒng)中增加的人工智能系統(tǒng)，對信息進行分析，給出決策，指揮執(zhí)行材料做出優(yōu)化動作。第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題66第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題智能復合材料這樣就對材料的傳感部分和執(zhí)行部分的靈敏煥、精確度和響應速度提出了更高的要求。智能復合材料的研究工作盡管難度很大但具有重要的意義，是21世紀追求的目標。一種醫(yī)用智能復合材料復合了高分子材料的形狀記憶合金67第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題5、納米復合材料當前在復合材料領域中已出現(xiàn)不少新的生長點，除提到的功能與多功能復合材料和智能與機敏復合材料外，納米復合材料也是有發(fā)展?jié)摿Φ?。因為增強體達到納米尺寸后，其表面性能大幅度提高，同時其表面積的驚人數(shù)值增加了增強體的有效體積分數(shù)。目前用有機高分子單體對層狀無機填料進行插層構成的納米復合材料已接近實用化階段。68納米復合紡織材料696、仿生復合材料仿生復合材料或生物復合材料與一般復合材料的最大區(qū)別是在生理環(huán)境下使用。移植在生物體內(nèi)的仿生復合材料，除了能達到功能目的以外，對周圍組織和血液不應該有不良的影響，即應具有生物相容性。另外，植入人體的仿生復合材料，應有足夠的力學性能，不能發(fā)生脆性破裂、疲勞斷裂及腐蝕破壞等，即應具有力學相容性。第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題70復合齒科材料71二、面臨的主要問題1.制備技術（設計與制備新方法）問題2.界面問題3.可靠性問題4.成本偏高第四節(jié)復合材料發(fā)展趨勢與面臨問題721、制備技術問題復合材料的加工工藝技術相對復雜和工藝周期長的問題也是導致成本高的關鍵，因此也是當前研究的熱門課題