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1、总论基体增强材料树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料C/C复合材料 主要以介绍性能、成型方法、应用复合材料概论复合材料概论第一章第一章 总论总论 复合材料？简历？复合材料的那些类型？复合材料的特性？用途？1.1 复合材料定义复合材料定义 复合材料（复合材料（Composite material）定定义义：由由两两种种或或两两种种以以上上物物理理化化学学性性质质不不同同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。的物质，经人工组合而成的多相固体材料。1.2 复合材料发展概况复合材料发展概况复合思想的产生：单一材料无法满足人们对结构性能的要求自古有之近代复合材料现代复合材料我国发展现状自古有之自古
2、有之距今7000年前的西安半坡村遗址中曾发现草拌泥制成的墙壁和砖坯，其性能优于草和泥；4000年以前的漆器是典型的纤维增强复合材料，它是用丝、麻及其织物为增强相，以生漆做粘结剂一层一层铺敷在底胎（模具）上，待漆干后挖去底胎成型。近代复合材料近代复合材料 近代复合材料的发展主要从军事上轻质、高性能需求发展起来的。纤维增强橡胶纤维增强橡胶：轮胎是以帘子线增强橡胶复合材料；玻璃钢玻璃钢：1932年在美国出现，1940年制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机雷达罩，其后美国莱特空军发展中心设计制造了GFRP为机身和机翼的飞机。二战以后开始迅速扩展到民用材料。现代复合材料现代复合材料进入20世纪70年代，GF
3、RP比强度和比刚度还不够理想，满足不了对重量敏感、强度和刚度要求很高的尖端技术要求。因而开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并以此增强高性能树脂、金属与陶瓷制成先进复合材料（ACM）。用于飞机、火箭、卫星、飞船等航天飞行器。复合材料在中国复合材料在中国始于军品开发，1958年研制出玻璃钢快艇、手提火箭发射管60年代研制成用于远程火箭的GF-酚醛树脂烧蚀防热弹头、GFRP直升机螺旋桨1970年制造出直径44米的GFRP雷达罩70年代以后GFRP逐渐转入民用，如冷却塔、化学储罐、水箱、汽车部件、运动器材等目前研发FRTP、MMC和CMC1
4、.3 复合材料的组成复合材料的组成1.4 复合材料的命名和分复合材料的命名和分类类 1）按材料作用分类 2）按增强材料形状分类3)按基体材料分类 按材料作用分类按材料作用分类按增强材料形状分类按增强材料形状分类按基体材料分类按基体材料分类1.5 复合材料的特性复合材料的特性 复合材料能构保持原组分材料的部分特性和优点的同时取长补短，从而可获得比单一组分材料更为优异的性能。复合材料主要特性 1）性能可设计性 2）力学性能 3）物理性能 4）工艺特性 性能的可设计性是复合材料最大特点。1.5.1 性能可性能可设计设计性性复合材料最显著的特性是其性能（主要指力学性能、物理性能和工艺性能）在一定范围内
5、具有可设计性。选择基体、增强体的类型及其含量；选择基体、增强体的类型及其含量；增强体在基体中的排列方式；增强体在基体中的排列方式；基体与增强体之间的界面性能。基体与增强体之间的界面性能。来获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能。例如：FRP 1.5.2 力学性能力学性能与与传统传统材料相比，复合材料一般具有材料相比，复合材料一般具有优优异异的力学性能，主要表的力学性能，主要表现现在在比比强强度、比模量高；度、比模量高；耐磨性好（耐磨性好（MMCMMC、C/CC/C复合材料）；复合材料）；抗疲抗疲劳劳性能好，通常金属材料的疲性能好，通常金属材料的疲劳劳强强度度极限极限/拉伸拉伸强强度度=30-
6、50%=30-50%，而，而CFRPCFRP的疲的疲劳劳强强度极度极限限/拉伸拉伸强强度度=70-80%=70-80%；抗冲抗冲击击能力能力强强（如：（如：RMCRMC）；）；高温性能好（如：高温性能好（如：MMCMMC、C/CC/C复合材料）复合材料）表表1-1 传统金属材料与复合材料性能比较传统金属材料与复合材料性能比较材料密度g/cm3抗拉强度 MPa拉伸模量 GPa比强度*1e6/cm比模量*1e8/cm膨胀系数*1e-6/KC/环氧1.6180012811.380.2芳纶/环氧1.415008010.75.71.8B/环氧2.116002207.610.54.0碳化硅/环氧2.015
7、001307.56.52.6石墨纤维/铝2.28002313.610.52.0钢7.814002101.42.712铝合金2.8500771.72.823钛合金4.510001102.22.49.0 1.5.3 物理性能物理性能密度小密度小：比强度、比模量高；低膨胀系数小低膨胀系数小：热稳定性好,（如CFRP、KFRP可设计成零膨胀结构）；导电、导热性导电、导热性：导电和超导材料、散热结构；抗冲刷、耐烧蚀抗冲刷、耐烧蚀：CMC、C/C复合材料；阻尼性能：阻尼性能：受力结构的自振频率除与形状有关外，还同结构材料的比模量平方根成正比。减振结构材料（CFRP）、隐身材料；1.5.4 工工艺艺特性特性
8、不同复合材料成型及加工工艺差别很大，但各类复合材料相对于其所用的基体材料而言，成型与加工工艺并不复杂，有时很简单。如：RMC、MMC、CMC可整体成型，可大大减少结构中的装配零件数量，提高构件的质量和使用可靠性；短纤维或颗粒增强MMC，可采用传统的金属工艺进行制备和二次加工。1.5.5 影响复合材料性能的主要因影响复合材料性能的主要因素素 增强材料的性能；基体材料的性能；含量及其分布状况；界面结合情况；作为产品还与成型工艺和结构设计。1.6 复合材料的复合材料的应应用用目前复合材料已大量应用在航空航天、国防、建筑、化工、能源、体育等国民经济经济各领域。1.6.1 航空航天航空航天领领域中的域中
9、的应应用用 复合材料的高比强度、高比模量、良好的抗疲劳损伤、独特的可设计性，可使飞行器显著提高结构效率和寿命，减轻重量，改善气动力性能，同时在隐身、智能、结构综合等方面显示巨大的潜力。国外军用飞机上应用情况 续表 国外民用飞机上复合材料的应用 波音波音767用复合材料用复合材料 某飞机垂尾使用复合材料减轻的重量某飞机垂尾使用复合材料减轻的重量美国90年就计划到20世纪末在先进作战飞机上复合材料的用量将占结构总重量的26%65%。每架飞机平均使用2.4-4.5t，年增长率8%-20%，到2000年先进复合材料在飞机上的用量超过3万t.直升飞机上应用金属桨叶的寿命一般不超过3000h，而复合材料桨
10、叶的寿命可达10000h以上。1987年第一架全复合材料飞机波音公司的360直升机，被称为直升机技术的第二次革命。航天器结构对材料的要求 发射时，航天器受到很大的加速度过载和强烈的振动，要求材料有足够的强度；为了避免航天器和发射系统共振，要求结构有足够的刚度；在轨运行中航天器处于高低温交变环境中，某些部件（如卫星抛物线天线等）尺寸精度要求很高，必须有尽可能小的热膨胀系数；高真空及粒子、紫外辐射下具有足够的稳定性；返回式航天器结构，还要求防热、耐热。应用例卫星天线：用石墨/环氧复合材料天线支撑桁架比铝合金减重50%，可设计成零膨胀系数结构；太阳电池帆板：要求高比模量、低热变形，采用碳/环氧材料；
11、空间平台材料：石墨/铝；热结构材料：C/C、C/SiC、SiC/SiC；隔热材料：SiC/SiO2防热瓦使用温度高达1260，用于哥伦比亚和挑战者，各用了31000块；低密度烧蚀材料、对流冷却结构、热管结构等 哥伦比亚航天飞机所用复合材料哥伦比亚航天飞机所用复合材料导弹烧蚀材料复合材料壳体喷管材料：CMC、C/C固体火箭发动机的全复合材料化：美国飞马座火箭的三级固体火箭发动机采用的复合材料已占其构件质量的94%，大富大降低了结构重量。烧蚀材料 导弹运行环境：飞行速度20马赫、弹头锥体表面温度3500左右。早期的宇宙神、大力神、雷神导弹弹头采用热容量大、比热容高的金属如钨、钼、铜制作弹头的锥部，
12、以吸收大量的气动热量而防止熔化，但材料密度大，使弹头结构笨重、吸热量不够大。烧蚀式防热材料：在热流作用下能发生分解、熔化、蒸发、升华等多种物理和化学变化，借材料自身的质量消耗带走大量的热量，以防止热流传入弹头内部的目的。应用例复合材料壳体主要指标：在满足强度和刚度的前提下减重，比铝合金减重30%以上应用图片 1.6.2 交通与能源工交通与能源工业业中的中的应应用用机场路面：钢纤维混凝土；汽车：壳体、保险杠、板簧（GFRP板簧疲劳寿命钢板弹簧，而重量仅为钢板弹簧的20%）、发动机进气歧管（GF/尼龙）、活塞（Al2O3/铝硅合金）；发电：风力发电机叶片；船舶：渔船、游艇、救生艇、军用舰艇承载/隐
13、身一体化结构目前最大的复合材料猎扫雷舰为美国的复仇者（avenger）级猎扫雷舰，全船船体为木层-玻璃钢混合结构。其骨架为夹层木板所制，其船体外板为4层厚木板，外层包玻璃钢 扫雷舰法国海军生产的“拉菲特”级护卫舰上层建筑后半部包括机库主要采用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）夹层板 护卫舰 1.6.3 医医疗疗、体育、体育、娱乐娱乐方面方面应应用用 医疗器具：X射线透光板，采用CFRP是铝的8倍；玻璃钢轮椅；体育、娱乐器械：FRP赛艇、FRP皮艇、CFRP桨、CFRP高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、弓箭、钓鱼竿；GFRP水上滑道，儿童滑梯等1.64 复合材料在电子工业中的应用电子功能材料是电子元器件
14、和电子装备的基础和支撑。复合材料可赋予电子产品以轻质、高强度、高刚度、高尺寸精度等特性。例如：印刷线路板、天馈系统、电磁屏蔽系统、计算机壳体等1)印刷线路板玻璃布基敷铜箔板具有高耐潮湿性、绝缘强度及绝缘电阻大，已大量取代纸基板而广泛应用于彩电、计算机、雷达等的印刷线路板；美国杜邦公司Kevlar复合材料印刷线路板，其抗拉强度高、尺寸稳定性好、有效抑制了树脂基体与铜因受热膨胀引起的分层，尺寸稳定性好。2)天馈系统天线：美国“海盗号”火星宇宙飞船的抛物面天线反射体采用CFRP为正反面蒙皮，正面贴敷铝箔，中间为铝蜂窝夹心结构。整个天线重量是铝制天线的1/3，且在空间环境下的热稳定性好。我国也在199
15、1年研制成功CFRP天线用于直升机反潜雷达。馈源：1987年我国研制出CFRP战场雷达天线用馈源重量只有0.88kg，而铜馈源是4.04kg。1.6.4 其他其他应应用用建筑工业：建筑雕塑、卫生洁具、冷却塔、建筑补强，水处理设备等化学工业：防腐蚀设施、容器、管道；机电工业：齿轮、轴承、飞轮、永磁体；1.7 复合材料知复合材料知识识体系体系复合材料力学复合材料结构力学复合材料结构数值分析复合材料结构设计方法复合材料成型工艺复合材料机械复合材料测试技术小结小结 本章重点掌握内容：1.复合材料定义；2.复合材料的组成和各组分的作用；3.复合材料的分类方法；4.复合材料的主要特性；5.复合材料应用领域。