聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展2

復(fù)合材料課程簡(jiǎn)介一、課程性質(zhì)與地位

單一聚合物材料往往難以滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)聚合物材料愈來(lái)愈高的要求，多相復(fù)合材料成為當(dāng)前材料研究的重要對(duì)象。聚合物基復(fù)合材料是目前研究最為深入、工藝最為成熟、品種最為齊全、應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)復(fù)合材料。它已經(jīng)成為航空、航天、兵器等領(lǐng)域的骨干材料之一，其在化工、船舶、橋梁、體育用品、建筑等領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。2二、課程教學(xué)目標(biāo)

本課程是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)擴(kuò)大知識(shí)面的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，它為以后從事復(fù)合材料生產(chǎn)、研發(fā)等工作奠定了一定的根底。本課程的主要任務(wù)是讓學(xué)生能夠?qū)酆衔锘鶑?fù)合材料的根本概念、組分材料、界面特征及復(fù)合材料的成型工藝有所了解和掌握。能夠?qū)酆衔飶?fù)合材料的根本知識(shí)及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的用途有全面的了解，同時(shí)具有初步的復(fù)合材料設(shè)計(jì)能力，為學(xué)生今后在復(fù)合材料領(lǐng)域的深造和專(zhuān)門(mén)研究奠定較堅(jiān)實(shí)的根底。課程簡(jiǎn)介3課程簡(jiǎn)介教材：王汝敏等編，《聚合物基復(fù)合材料〔第二版〕》，科學(xué)出版社，2023年教學(xué)參考書(shū)：黃麗等編，《聚合物復(fù)合材料》，中國(guó)輕工業(yè)出版社吳人潔等編，《復(fù)合材料》，天津大學(xué)出版社沃丁柱等編，《復(fù)合材料大全》，化學(xué)工業(yè)出版社陳祥寶等編，《高性能樹(shù)脂基體》，化學(xué)工業(yè)出版社

課程教學(xué)形式:以課堂講授為主，作業(yè):習(xí)題和查閱資料?？荚囌n程，考試形式是閉卷，考試成績(jī)按平時(shí)成績(jī)(30%)和卷面成績(jī)(70%)綜合計(jì)算。4第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展1.1前言：一、材料的開(kāi)展與人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步材料是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)根底和先導(dǎo)，是人類(lèi)進(jìn)步的里程碑。當(dāng)前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科技的四大支柱，它會(huì)將人類(lèi)物質(zhì)文明推向新的階段。20世紀(jì)出現(xiàn)的高性能塑料和復(fù)合材料，以歷史上少有的開(kāi)展速度滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為傳統(tǒng)材料的替代品，并顯示出奇特的優(yōu)異性能。二十一世紀(jì)將是一個(gè)新材料時(shí)代。5第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展二、復(fù)合材料的提出現(xiàn)代高科技的開(kāi)展更緊密地依賴(lài)于新材料的開(kāi)展；同時(shí)也對(duì)材料提出了更高、更苛刻的要求。很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無(wú)法滿(mǎn)足以上綜合要求，當(dāng)前作為單一的金屬、陶瓷、聚合物等材料雖然仍在不斷日新月異地開(kāi)展，但是以上這些材料由于其各自固有的局限性而不能滿(mǎn)足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開(kāi)展的需要。復(fù)合材料，特別是先進(jìn)復(fù)合材料就是為了滿(mǎn)足以上高技術(shù)開(kāi)展的需求而開(kāi)發(fā)的高性能的先進(jìn)材料。復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而開(kāi)展出來(lái)的具有極大生命力的材料。1.1前言：6第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展三、復(fù)合材料的開(kāi)展歷史和意義1、復(fù)合材料的開(kāi)展歷史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。水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用；20世紀(jì)40年代，美國(guó)用碎布酚醛樹(shù)脂制備槍托、代替木材，開(kāi)展成為玻璃纖維增強(qiáng)塑料〔玻璃鋼〕這種廣泛應(yīng)用的比較現(xiàn)代化復(fù)合材料。1.1前言：7第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展2、復(fù)合材料的意義現(xiàn)代高科技的開(kāi)展更是離不開(kāi)復(fù)合材料。例如：火箭殼體材料對(duì)射程的影響:1.1前言：8第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展碳/碳復(fù)合材料以碳纖維或碳化硅纖維(或織物)為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料的總稱(chēng)。碳基復(fù)合材料有兩種制備方法：一是浸漬法，即用增強(qiáng)體浸漬熔融的石油或?yàn)r青，再經(jīng)碳化和石墨處理，它的基體是石墨碳，呈層狀條帶結(jié)構(gòu)，性能是各向異性的。還有用增強(qiáng)體浸漬糠醇(呋喃甲醇)或酚醛等熱固性樹(shù)脂，只經(jīng)碳化處理，它的基體是玻璃碳，即無(wú)定型碳結(jié)構(gòu)，性能是各向同性的；另一是CVD法，即把烴類(lèi)化合物的熱解碳沉積在增強(qiáng)體上來(lái)進(jìn)行復(fù)合，這種方法的碳基體是類(lèi)似玻璃碳的熱解碳。碳/碳復(fù)合材料不耐氧化，所以有時(shí)需要加抗氧化涂層。

9第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展印刷電路板(玻璃鋼)，輪胎〔纖維增強(qiáng)橡膠〕雷達(dá)罩〔玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂〕火箭外殼〔碳纖維/樹(shù)脂〕〔碳/碳復(fù)合材料〕人造衛(wèi)星天線〔碳纖維/鎂合金〕航天飛機(jī)框架〔硼纖維/鋁合金〕網(wǎng)球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿、釣魚(yú)桿、雪橇→休閑汽車(chē)活塞、連桿、自行車(chē)飛輪等→民用工業(yè)3、復(fù)合材料舉例面廣尖端1.1前言：10第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展人類(lèi)第一架全復(fù)合材料飛機(jī)1.1前言：11第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展復(fù)合材料制品羽毛球拍高爾夫球桿機(jī)器零件1.1前言：12第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展1.2復(fù)合材料簡(jiǎn)介compositematerial：定義由兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的組分材料〔通常是增強(qiáng)材料和基體材料〕通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的一種多相材料，它既保持了原組分材料的主要特點(diǎn)，又顯示了原組分材料所沒(méi)有的新性能。13第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展特征：〔1〕微觀上是非均相材料，組分材料間有明顯的界面；〔2〕組分材料性能差異很大；〔3〕組成復(fù)合材料后性能有較大的改進(jìn)；〔4〕組分材料的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)大于10%。三種根本的物理相：〔1〕基體相：連續(xù)的〔2〕增強(qiáng)相：分散的、被基體所包容〔3〕界面相：增強(qiáng)相與基體相之間的交界面1.2復(fù)合材料簡(jiǎn)介14第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展1.3復(fù)合材料的命名及分類(lèi)按基體材料類(lèi)型命名：金屬基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料以增強(qiáng)纖維的類(lèi)型來(lái)命名：玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、混雜復(fù)合材料例：玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料：玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料〔環(huán)氧玻璃鋼〕碳/金屬?gòu)?fù)合材料：碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料〔C/C復(fù)合材料〕：碳纖維和碳基體構(gòu)成的復(fù)合材料15第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展1.3復(fù)合材料的命名及分類(lèi)

分散相形態(tài)(1)連續(xù)纖維增強(qiáng)(2)纖維織物增強(qiáng)(3)片狀材料增強(qiáng)(4)短纖維增強(qiáng)(5)顆粒增強(qiáng)(6)納米增強(qiáng)基體材料類(lèi)型(1)金屬基(2)無(wú)機(jī)非金屬基★陶瓷基★碳基(3)聚合物基★熱固性樹(shù)脂基

★熱塑性樹(shù)脂基

增強(qiáng)纖維的類(lèi)型(1)碳纖維(2)玻璃纖維(3)有機(jī)纖維(4)硼纖維(5)碳化硅(5)混雜纖維13216以玻璃纖維或其制品作增強(qiáng)材料的增強(qiáng)塑料，稱(chēng)為玻璃纖維增強(qiáng)塑料，或稱(chēng)為玻璃鋼。(國(guó)際公認(rèn)的縮寫(xiě)符號(hào)為GFRP)由于所使用的樹(shù)脂品種不同，因此有聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼之稱(chēng)。玻璃鋼是一種品種繁多，性能各別用途廣泛的復(fù)合材料。它是由合成樹(shù)脂和玻璃纖維經(jīng)復(fù)合工藝，制作而成的一種功能型的新型材料。玻璃鋼簡(jiǎn)介17玻璃鋼用玻璃纖維作筋骨用合成樹(shù)脂〔酚醛塑料、環(huán)氧樹(shù)脂及聚酯樹(shù)脂〕作肌肉鋼筋混凝土用鋼材作筋骨(鋼材耐拉)水泥砂石作肌肉(水泥塊耐壓)玻璃鋼簡(jiǎn)介18目前生產(chǎn)的玻璃鋼主要指熱固性而言。熱塑性熱固性樹(shù)脂塑料熱塑性熱固性如果用玻璃纖維去增強(qiáng)熱塑性塑料，可稱(chēng)為熱塑性玻璃鋼如果用玻璃纖維去增強(qiáng)熱固性塑料，就叫做熱固性玻璃鋼返回玻璃鋼簡(jiǎn)介19〔1〕輕質(zhì)高強(qiáng)

相對(duì)密度在1.5~2.0之間，只有碳鋼的1/4~1/5，可是拉伸強(qiáng)度卻接近，而比強(qiáng)度可以與高級(jí)合金鋼相比。

玻璃鋼簡(jiǎn)介20〔2〕耐腐蝕性能好

FRP是良好的耐腐材料，對(duì)大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類(lèi)和溶劑都有較好的抵抗能力〔3〕電性能好是優(yōu)良的絕緣材料，用來(lái)制造絕緣體。已廣泛用于雷達(dá)天線罩。

〔4〕熱性能良好

FRP熱導(dǎo)率低，只有金屬的1/100~1/1000，是優(yōu)良的絕熱材料。在瞬時(shí)超高溫情況下，是理想的熱防護(hù)和耐燒蝕材料，能保護(hù)宇宙飛行器在2000℃以上承受高速氣流的沖刷。玻璃鋼簡(jiǎn)介211.玻璃鋼材料是一種具有可設(shè)計(jì)性的材料品種:可以根據(jù)不同的使用環(huán)境及特殊的性能要求，自行設(shè)計(jì)復(fù)合制作而成，因此只要選擇適宜的原材料品種，根本上可以滿(mǎn)足各種不同用途對(duì)于產(chǎn)品使用時(shí)的性能要求。2.玻璃鋼產(chǎn)品，制作成型時(shí)的一次性:只要根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，選擇適宜的原材料鋪設(shè)方法和排列程序，就可以將玻璃鋼材料和結(jié)構(gòu)一次性地完成，防止了金屬材料通常所需要的二次加工，從而可以大大降低產(chǎn)品的物質(zhì)消耗，減少了人力和物力的浪費(fèi)。與常用的金屬材料相比，它還具有如下三個(gè)特點(diǎn)：玻璃鋼簡(jiǎn)介223.玻璃鋼材料，還是一種節(jié)能型材料:假設(shè)采用手工糊制的方法，其成型時(shí)的溫度一般在室溫下，或者在100℃以下進(jìn)行，因此它的成型制作能耗很低。返回玻璃鋼簡(jiǎn)介23缺乏之處〔1〕彈性模量低

FRP的彈性模量比木材大兩倍，但比鋼〔E=2.1×106〕小10倍，因此在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中常感到剛性缺乏，容易變形。

可以做成薄殼結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)，也可通過(guò)高模量纖維或者做加強(qiáng)筋等形式來(lái)彌補(bǔ)?！?〕長(zhǎng)期耐溫性差

一般FRP不能在高溫下長(zhǎng)期使用，通用聚酯FRP在50℃以上強(qiáng)度就明顯下降，一般只在100℃以下使用；通用型環(huán)氧FRP在60℃以上，強(qiáng)度有明顯下降。但可以選擇耐高溫樹(shù)脂，使長(zhǎng)期工作溫度在200~300℃是可能的。

〔3〕老化現(xiàn)象

老化現(xiàn)象是塑料的共同缺陷，F(xiàn)RP也不例外，在紫外線、風(fēng)紗雨雪、化學(xué)介質(zhì)、機(jī)械應(yīng)力等作用下容易導(dǎo)致性能下降。

〔4〕層間剪切強(qiáng)度低

層間剪切強(qiáng)度是靠樹(shù)脂來(lái)承擔(dān)的，所以很低?？梢酝ㄟ^(guò)選擇工藝、使用偶聯(lián)劑等方法來(lái)提高層間粘結(jié)力，最主要的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，盡量防止使層間受剪。

玻璃鋼簡(jiǎn)介24生產(chǎn)方法如按工藝特點(diǎn)來(lái)分，有手糊成型、層壓成型、RTM法(樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù))、擠拉法、模壓成型、纏繞成型等。目前世界上使用最多的成型方法有以下四種。

①手糊法：主要使用國(guó)家有挪威、日本、英國(guó)、丹麥等。

②噴射法：主要使用國(guó)家有瑞典、美國(guó)、挪威等。

③模壓法：主要使用國(guó)家有德國(guó)等。

④RTM法：主要使用國(guó)家有歐美各國(guó)、日本。玻璃鋼簡(jiǎn)介25玻璃鋼的應(yīng)用它的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，主要有以下應(yīng)用領(lǐng)域：1.化工、制藥、石油等行業(yè)2.船舶行業(yè)3.汽車(chē)、摩托車(chē)及自行車(chē)行業(yè)4.航空航天、軍工業(yè)5.運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)制品及設(shè)施6.電氣、電子、電器、通信行業(yè)7.交通、物流行業(yè)8.工藝品9.建筑行業(yè)10.暖通、空調(diào)及水工程11.其他262728玻璃鋼制的花盆29可視罩殼格柵垃圾筒30玻璃鋼游艇31玻璃鋼在汽車(chē)中的應(yīng)用32板材玻璃鋼門(mén)電表箱33管道冷卻塔容器34玻璃鋼制的浮雕工藝品高壓電纜護(hù)罩35在軌道交通車(chē)輛中的應(yīng)用1、機(jī)車(chē)導(dǎo)流罩

2、司機(jī)室

3、外頂板

4、上頂板和下層地板

5、內(nèi)墻板

6、通過(guò)臺(tái)

7、衛(wèi)生間

8、外部門(mén)板

9、設(shè)備保護(hù)外殼

10、內(nèi)板家具和座椅

11、行李箱

12、內(nèi)板隔板和門(mén)板36第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展1.4復(fù)合材料的成型方法37第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展1.5復(fù)合材料的特性比強(qiáng)度、比模量高

比強(qiáng)度=強(qiáng)度/密度；比模量=模量/密度。碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料：較高的比模量和比強(qiáng)度玻璃纖維由于模量相對(duì)較低、密度較高，其玻璃纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的比模量略低于金屬材料38第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展1.5復(fù)合材料的特性耐疲勞性能好、破損平安性能高金屬材料的疲勞破壞：沒(méi)有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞；復(fù)合材料：纖維與基體的界面能阻止裂紋的擴(kuò)展，其疲勞破壞總是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始，裂紋擴(kuò)展逐步進(jìn)行，時(shí)間長(zhǎng)，破壞沒(méi)有明顯的預(yù)兆。金屬材料的疲勞極限多為靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的30-50%，聚合物基復(fù)合材料的疲勞極限多為靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的70-80%39第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展1.5復(fù)合材料的特性阻尼減振性好復(fù)合材料有較高的自振頻率，不易產(chǎn)生共振?；w與纖維的界面有較大的吸收振動(dòng)能量的能力。具有多種功能性〔1〕瞬時(shí)耐高溫性、耐燒蝕性好〔2〕優(yōu)異的電絕緣性能和高頻介電性能〔3〕良好的摩擦性能〔碳纖維：低摩擦系數(shù)和自潤(rùn)滑性〕〔4〕良好的耐腐蝕性〔5〕有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)的特性40第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展良好的加工工藝性〔1〕材料具有可設(shè)計(jì)性〔2〕根據(jù)制品的形狀、大小、數(shù)量選擇加工成型方法〔3〕可整體成型，減少裝配零件的數(shù)量，節(jié)省工時(shí)、材料、質(zhì)量1.5.6各向異性和性能的可設(shè)計(jì)性纖維復(fù)合材料的力學(xué)、物理性能除了由纖維、樹(shù)脂的種類(lèi)和體積含量而定外，還與纖維的排列方向、鋪層次序和層數(shù)密切相關(guān)。1.5復(fù)合材料的特性41缺點(diǎn)和問(wèn)題：工藝方法的自動(dòng)化、機(jī)械化程度低材料性能的一致性和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性差質(zhì)量檢測(cè)方法不完善長(zhǎng)期耐高溫和環(huán)境老化性能不好1.5復(fù)合材料的特性第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展421.6復(fù)合材料的應(yīng)用1.6.1在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展增韌石墨石墨混雜復(fù)合材料玻璃纖維43芳綸/杜邦聚酰胺芳綸/泡沫芯板碳纖維/杜邦聚酰胺碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維/芳綸/環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維增強(qiáng)塑料第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展44第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展45第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展46GLARE蒙皮用于A380飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展47大推力、高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)大量運(yùn)用了復(fù)合材料或鈦合金空心寬弦葉片、整體葉盤(pán)。第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展48B-2隱形轟炸機(jī)

除主體結(jié)構(gòu)是鈦復(fù)合材料外，其它局部均由碳纖維和石墨等復(fù)合材料構(gòu)成，不易反射。第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展49輕巧的碳/碳復(fù)合材料第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展50全復(fù)合材料機(jī)身：輕型機(jī)的價(jià)格，中型機(jī)的寬敞客艙，客艙內(nèi)站立高度為1.65米。第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展51目前商用飛機(jī)上復(fù)合材料僅占全機(jī)重量的50%，而某些直升機(jī)早已到達(dá)90%第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展52荷蘭方案研發(fā)新型綠色環(huán)保飛機(jī)

外形將酷似飛碟，另一個(gè)設(shè)想就是使用復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)塑料。這種復(fù)合材料強(qiáng)度可與金屬媲美，而重量卻比金屬輕得多，可以節(jié)省燃油。第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展531.6.2復(fù)合材料在其他行業(yè)上的應(yīng)用復(fù)合材料軍用吉普車(chē)第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展54超級(jí)跑車(chē)

車(chē)身大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展55生產(chǎn)充氣船及其膠布制品，采用國(guó)際上先進(jìn)的A級(jí)RTP復(fù)合材料第一章聚合物基復(fù)合材料的概念、特性、應(yīng)用與進(jìn)展56新型日光溫室復(fù)合