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1、复合材料总论1第一页，讲稿共四十二页哦主要参考资料主要参考资料1、现代复合材料现代复合材料-陈华辉陈华辉 邓海金邓海金 李李 明明（中国物质出版社（中国物质出版社,1998）2、复合材料、复合材料-吴人洁（天津大学出版社吴人洁（天津大学出版社,2000）3、复合材料科学与工程、复合材料科学与工程-倪礼忠倪礼忠,陈麒陈麒(科学出版社科学出版社,2002)4、复合材料及其应用、复合材料及其应用尹洪峰尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社任耘（陕西科学技术出版社,2003）5、高性能复合材料学、高性能复合材料学-郝元恺郝元恺,肖加余肖加余(化学工业出版社化学工业出版社,2004)6、新材料概论、新材料概论
2、-谭毅谭毅,李敬锋李敬锋(冶金工业出版社冶金工业出版社,2004)7、先进复合材料、先进复合材料-鲁鲁 云云 朱世杰朱世杰 马鸣图马鸣图 （机械工业已出版社（机械工业已出版社,2004）建议教材：建议教材：复合材料概论复合材料概论-王荣国王荣国 武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，1999）2第二页，讲稿共四十二页哦3第三页，讲稿共四十二页哦复合材料复合材料学术界开始使用学术界开始使用“复合材料复合材料”（composite materials）一词大一词大约是在约是在20世纪世纪40年代，当时出现了年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯玻璃纤维增强不饱和聚酯，开辟
3、，开辟了了的新纪元。的新纪元。4第四页，讲稿共四十二页哦从从20世纪世纪60年代开始，开发出多种年代开始，开发出多种。20世纪世纪80年代以后，由于人们丰富了年代以后，由于人们丰富了设计设计、制造制造和和测试测试等方面等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料基体的材料的使用和的知识和经验，加上各类作为复合材料基体的材料的使用和改进，使改进，使的发展达到了更高的水平，即进入的发展达到了更高的水平，即进入的发展阶段。的发展阶段。5第五页，讲稿共四十二页哦材料分类：材料分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料 各有千秋各有千秋扬长避短扬长避短 克服单一材
4、料的缺点克服单一材料的缺点 产生原来单一材料本身所没有的新性能产生原来单一材料本身所没有的新性能复合材料复合材料6第六页，讲稿共四十二页哦、复合材料的定义、复合材料的定义 什么是复合材料什么是复合材料(Composition Materials,Composite)?要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑，或偏重于考虑，或偏重于考虑。7第七页，讲稿共四十二页哦诸如诸如 复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起复合材料是由两种或更多的组分
5、材料结合在一起，复合后的，复合后的应超过组分材料，保留了所期望的性能应超过组分材料，保留了所期望的性能(高强高强度、刚度、轻的重量度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性，抑制了所不期望的特性(低延性低延性)。偏重于考虑偏重于考虑8第八页，讲稿共四十二页哦 复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分不同成分不同，性质不同性质不同，有时，有时形状也不同形状也不同的相容性材料，以的相容性材料，以结合而结合而成的。成的。9第九页，讲稿共四十二页哦从广义上讲，复合材料
6、是由从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同两种或两种以上不同的组分的组分组组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上两种或两种以上不同不同的组分的组分所组成的材料。所组成的材料。复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。间有明显界面的、具有特殊性能的材料。10第十页，讲稿共四十二页哦上述复合
7、材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指出复上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指出复合材料是合材料是“”和和“”材料，而且还材料，而且还指明了复合材料的指明了复合材料的及及（如简单混合物（如简单混合物、化合物、合金）、化合物、合金）。根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括自然形成的具自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。11第十一页，讲稿共四十二页哦以下面五点概括了以下面五点概括了：1、复合材料的、复合材料的组分和相对含量组分和相对含量是由是由人工选择和设计人工选
8、择和设计的；的；2、复合材料是以、复合材料是以人工制造人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；形态特征的天然物质）；12第十二页，讲稿共四十二页哦3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化保持其固有的物理和化学性质学性质（区别于化合物和合金）；（区别于化合物和合金）；4、复合材料的、复合材料的性能性能取决于取决于各组成相性能的协同各组成相性能的协同。复合材料具有。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料
9、性能所不及或不同的；及或不同的；5、复合材料是各组分之间、复合材料是各组分之间被明显界面区分被明显界面区分的多相材料。的多相材料。13第十三页，讲稿共四十二页哦材料的优缺点组合示意图材料的优缺点组合示意图14第十四页，讲稿共四十二页哦因此复合材料必须通过对因此复合材料必须通过对原材料的选择原材料的选择，各组分分布的设计各组分分布的设计和和工艺条件的保证工艺条件的保证等，以使原组分材料的优点互相补充，同等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的时利用复合材料的使之出现新的性能，最大限度地使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。发挥优势。15第十五页，讲稿共四十二页哦(3)复合材料具有复合
10、材料具有。16第十六页，讲稿共四十二页哦 通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：组元是人们根据材料设计的基本原则组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择，至少包括两有意识地选择，至少包括两种种物理和力学性能不同的物理和力学性能不同的独立组元独立组元，其中一组元的体积分数一般不，其中一组元的体积分数一般不低于低于20，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；复合材料是复合材料是人工制造人工制造的，而非天然形成的。的，而非天然形成的。复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应复合材料的性质取决于组元性质的优化组合
11、，它应优于独立组元优于独立组元的性质的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。17第十七页，讲稿共四十二页哦 复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据法，比较共同的趋势是根据来命来命名，通常有以下三种情况：名，通常有以下三种情况：2、复合材料的命名、复合材料的命名18第十八页，讲稿共四十二页哦（1）强调基体时强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时强调增强体
12、时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。19第十九页，讲稿共四十二页哦（3）基体材料基体材料名称与名称与增强体材料增强体材料并用。这种命名方法常用来表并用。这种命名方法常用来表示某一种示某一种具体的复合材料具体的复合材料，习惯上把，习惯上把增强体材料的名称放在前面增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，基体材料的名称放在后面。20第二十页，讲稿共四十二页哦例如：例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为，或
13、简称为“玻玻璃纤维璃纤维/环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料或或玻璃纤维玻璃纤维/环氧环氧”。而我国则常把这。而我国则常把这类复合材料通称为类复合材料通称为“玻璃钢玻璃钢”。碳纤维和金属基体构成的复合碳纤维和金属基体构成的复合材料叫材料叫“金属基复合材料金属基复合材料”，也可写为，也可写为“碳金属复合材料碳金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳碳复合材料碳碳复合材料”。21第二十一页，讲稿共四十二页哦 国外还常用国外还常用来表示，如来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材料，表示金属基复合材料，FRP（Fiber Rein
14、forced Plastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为环氧则表示为GF/Epoxy,或或G/Ep(G-Ep)22第二十二页，讲稿共四十二页哦、复合材料的分类复合材料的分类 随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材料，随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材料，需要对材料进行分类。需要对材料进行分类。，历史上有许多方法：，历史上有许多方法：23第二十三页，讲稿共四十二页哦（）（）按材料的按材料的化学性质化学性质分类分类，有金属材料、非金属材料之分。，有金属材料、非金属材料之分。（）（）按按物理性质物理性质分类分类，有绝缘材料、磁性材
15、料、远光材料、半导体材料，有绝缘材料、磁性材料、远光材料、半导体材料、导电材料等。、导电材料等。（）（）按按用途用途分类分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。24第二十四页，讲稿共四十二页哦分类方法也很多，常见的分类方法也很多，常见的有以下几种：有以下几种：一、按基体材料类型分为以下三类一、按基体材料类型分为以下三类1、树脂基树脂基复合材料复合材料2、金属基复合材料、金属基复合材料3、非金属基复合材料、非金属基复合材料 25第二十五页，讲稿共四十二页哦1、颗粒颗粒增强复合材料增强复合材料2、连续纤维连续纤维增强复合材料增强复合材料3、纤
16、维、编织体纤维、编织体增强复合材料增强复合材料4、短纤维或晶须短纤维或晶须增强复合材料增强复合材料5、颗粒颗粒增强复合材料增强复合材料6、纳米纳米复合材料复合材料按分散相形态26第二十六页，讲稿共四十二页哦复合材料结构示意图复合材料结构示意图a)层叠复合层叠复合 b)连续纤维复合连续纤维复合 c)细粒复合细粒复合 d)短切纤维复合短切纤维复合27第二十七页，讲稿共四十二页哦增强纤维类型分为以下五种：增强纤维类型分为以下五种：复合材料；复合材料；复合材料；复合材料；（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；复合材料；（如钨丝、不
17、锈钢丝等）复合材料；（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。28第二十八页，讲稿共四十二页哦 结构结构复合材料；复合材料；功能功能复合材料。复合材料。29第二十九页，讲稿共四十二页哦主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为使用的复合材料，它基本上是由使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强能承受载荷的增强体体组元与组元与能联接增强体能联接增强体成为整体承载同时又起成为整体承载同时又起分配与传递载分配与传递载荷作用荷作用的基体组元构成。的基体组元构成。30第
18、三十页，讲稿共四十二页哦复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料结构复合材料结构复合材料性树脂基性树脂基性树脂基性树脂基基基基基基基基基基基基基基基、按按分类分类31第三十一页，讲稿共四十二页哦B、按按分类分类结构复合材料结构复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料32第三十二页，讲稿共四十二页哦可根据材料在使用中受力的要求进行可根据材料在使用中受力的要求进行和和，从而充分发挥各组元的效能。，从而充分发挥各组元的效能。33第三十三页，讲稿共四十二页哦指具备各种指具备各种的材料。的材料。例如：例如：声声、光光、电电、磁磁、热
19、热、耐腐蚀耐腐蚀、零膨胀零膨胀、阻尼阻尼、摩擦摩擦、屏蔽屏蔽或或换能换能等。等。34第三十四页，讲稿共四十二页哦功能复合材料中的功能复合材料中的又可称为又可称为，它分布，它分布于于中。中。功能复合材料中的功能复合材料中的不仅起到不仅起到的作用，而的作用，而且能够产生且能够产生的作用的作用。35第三十五页，讲稿共四十二页哦1、轻质高强、轻质高强 CM最突出、重要的特点。用比强度，比模量。最突出、重要的特点。用比强度，比模量。材料名称材料名称比强度比强度比模量比模量钢钢0.130.27铝铝0.170.26玻纤玻纤/聚酯聚酯CM0.530.21碳纤碳纤/环氧环氧CM1.030.21强度与密强度与密度
20、之比度之比模量与密模量与密度之比度之比36第三十六页，讲稿共四十二页哦v优异的化学物理性能37第三十七页，讲稿共四十二页哦vGlass fiber reinforced compositesvCarbon fiber reinforced compositesvBoron fiber reinforced composites38第三十八页，讲稿共四十二页哦材料材料密度密度(g/cm3)拉伸强度拉伸强度(GPa)弹性模量弹性模量(102GPa)比强度比强度(105cm)比模量比模量(105cm)钢钢7.81.032.10.130.27铝合金铝合金2.80.470.750.170.26钛合金钛合
21、金4.50.961.140.210.25玻璃纤维复合玻璃纤维复合材料材料2.01.060.40.530.20碳纤维碳纤维II/环氧环氧1.451.51.41.030.97碳纤维碳纤维I/环氧环氧1.61.072.40.671.5有机纤维有机纤维/环氧环氧1.41.40.81.00.57硼纤维硼纤维/环氧环氧2.11.382.10.661.0硼纤维硼纤维/铝铝2.651.02.00.380.5739第三十九页，讲稿共四十二页哦由表由表1-2可见：可见：FRC的密度约为钢的的密度约为钢的1/5，铝的，铝的1/2 比模量：高模量碳纤维比模量：高模量碳纤维/环氧复合材料为钢的环氧复合材料为钢的5倍，倍
22、，铝合金的铝合金的4倍，钛合金的倍，钛合金的3.5倍倍作用：在强度和刚度相同的情况下，结构质量可以减轻，作用：在强度和刚度相同的情况下，结构质量可以减轻，或尺寸减小。这在节省能源，提高构件的使用性能方面或尺寸减小。这在节省能源，提高构件的使用性能方面，是现有其他材料所不能比拟的。，是现有其他材料所不能比拟的。另外：其他基体的复合材料，凡是用作结构材料的，其另外：其他基体的复合材料，凡是用作结构材料的，其比强度，比模量大都比原来单一的基体材料高得多。比强度，比模量大都比原来单一的基体材料高得多。40第四十页，讲稿共四十二页哦2、可设计性好、可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一复合材料
23、区别于传统材料的根本特点之一设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。，对结构设计的同时对材料本身进行设计。具体体现在两个方面具体体现在两个方面力学设计力学设计给给制品一定的强度制品一定的强度和刚度和刚度功能设计功能设计给制给制品除力学性能外的其品除力学性能外的其他性能他性能41第四十一页，讲稿共四十二页哦 复合材料的工艺性能十分优越，其成型方法多种复合材料的工艺性能十分优越，其成型方法多种多样，成型条件机动灵活。多样，成型条件机动灵活。3、工艺性能好、工艺性能好具体到玻璃纤维增强树脂基复合材料特性：具体到玻璃
24、纤维增强树脂基复合材料特性：热性能好、耐腐蚀性能好、电性能好、耐候性、耐疲劳性热性能好、耐腐蚀性能好、电性能好、耐候性、耐疲劳性、耐冲击性、耐蠕变性，透光性等。、耐冲击性、耐蠕变性，透光性等。导热系数小，是金属材料导热系数小，是金属材料1/1001/1000；特殊类型的；特殊类型的玻璃钢可耐瞬时高温。玻璃钢可耐瞬时高温。可以耐酸、碱、盐的腐蚀、海水、可以耐酸、碱、盐的腐蚀、海水、微生物腐蚀，适合于制作化工管道微生物腐蚀，适合于制作化工管道、储罐、船舶等。、储罐、船舶等。a、电绝缘性能好，不受、电绝缘性能好，不受电磁作用；电磁作用；b、微波穿透性好；、微波穿透性好；c、可制作成不带静电的、可制作成不带静电的制品。制品。42第四十二页，讲稿共四十二页哦