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1、复合材料复合材料(f h ci lio)概论概论第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)张春霞张春霞第一页，共48页。注意事项注意事项l迟到迟到5 5次或旷课次或旷课3 3次、早退次、早退3 3次及以上，平时次及以上，平时(pngsh)(pngsh)成绩为成绩为0 0分；分；l勤作笔记，课后做作业，常思考，多查资料勤作笔记，课后做作业，常思考，多查资料l考核办法：平时考核办法：平时(pngsh)(pngsh)(出勤率，课堂提问）出勤率，课堂提问）20%20%，期终考查，闭卷期终考查，闭卷80%80%。l联系方式联系方式:l 第二页，共48页。主要内容主要内容(nirng)：掌握复合材料的定义
2、、组成、特点；掌握复合材料的定义、组成、特点；了解复合材料的发展史；了解复合材料的发展史；掌握复合材料的命名方法；掌握复合材料的命名方法；掌握复合材料的分类；掌握复合材料的分类；掌握复合材料结构设计基础掌握复合材料结构设计基础了解复合材料的应用；了解复合材料的应用；了解复合材料的发展趋势了解复合材料的发展趋势第一章第一章 绪论绪论(xln)第三页，共48页。材料是人类社会进步的物质基础材料是人类社会进步的物质基础石器时代；青铜器时代；钢铁时代材料的发展推动生产石器时代；青铜器时代；钢铁时代材料的发展推动生产力的发展，也推动社会的前进力的发展，也推动社会的前进二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料
3、崛起以及复合材二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，新的料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，新的技术进而也推动了新材料的出现。技术进而也推动了新材料的出现。当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明它会将人类物质文明(w zh wn mn)推向新的阶段。推向新的阶段。二十一世纪将是一个新材料时代。二十一世纪将是一个新材料时代。第四页，共48页。现代高科技的发展对材料提出现代高科技的发展对材料提出(t ch)了更高、更苛刻的了更高、更苛刻的要求。航空、航
4、天和海洋开发领域的发展、现代武器系统，要求。航空、航天和海洋开发领域的发展、现代武器系统，要求材料质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化、抗腐要求材料质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀、吸波、隐身等特点。蚀、吸波、隐身等特点。很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，不能很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，不能满足现代科学技术发展的需要。满足现代科学技术发展的需要。一、复合材料一、复合材料(f h ci lio)出现的必然性出现的必然性第五页，共48页。二、复合材料二、复合材料(f h ci lio)的定义的定义 用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以用经过选择的、含一
5、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、组成多上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相相(du xin)、且各相之间有明显界面的、具有、且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的固体材料。特殊性能的固体材料。第六页，共48页。复合材料复合材料(f h ci lio)的特点的特点两种或两种以上的化学相两种或两种以上的化学相具有两种材料所不具备的优良具有两种材料所不具备的优良(yuling)性能性能人工设计出来的，具有可设计性人工设计出来的，具有可设计性第七页，共48页。三、复合材料三、复合材料(f h ci lio)的构的构成成复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；复合
6、材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体料的性能显著增强，故常称为增强体(也称为增强材也称为增强材料、增强相等，功能复合材料中也称功能体料、增强相等，功能复合材料中也称功能体)。在大多数情况下，分散相的硬度，强度和刚度较在大多数情况下，分散相的硬度，强度和刚度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体与增
7、强体之间存在粒状或弥散的填料。在基体与增强体之间存在(cnzi)(cnzi)着界面。着界面。第八页，共48页。复合材料复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)结构示意图结构示意图a)a)层叠复合层叠复合 b)b)连续纤维复合连续纤维复合 c)c)细粒复合细粒复合 d)d)短切纤短切纤维复合维复合第九页，共48页。四四、复合材料的性能、复合材料的性能比强度、比模量高比强度、比模量高良好的抗疲劳性能良好的抗疲劳性能纤维复合材料，对缺口、应力集中敏感纤维复合材料，对缺口、应力集中敏感性小，且纤维与基体界面能够阻止疲劳裂纹扩散，改变裂纹扩性小，且纤维与基体界面能够阻止疲劳裂纹扩散，改变
8、裂纹扩展方向。展方向。优良的高温性能优良的高温性能 铝合金在铝合金在300时，强度由室温的时，强度由室温的500MN/m2降到降到3050MN/m2，而用碳纤维或硼纤维增强后，而用碳纤维或硼纤维增强后，300的强度与室温基本相同。的强度与室温基本相同。减震性好减震性好 试验表明，冲击能量的消耗除了用于纤维的断裂试验表明，冲击能量的消耗除了用于纤维的断裂功外，层板的分层、纤维与基体界面脱粘以及纤维拔出等都消功外，层板的分层、纤维与基体界面脱粘以及纤维拔出等都消耗较多的能量。耗较多的能量。破断安全性好破断安全性好 纤维复合材料中，当纤维断裂时，载荷就纤维复合材料中，当纤维断裂时，载荷就会重新分配到
9、其他未破裂的纤维上，因而构件不致在短期内突会重新分配到其他未破裂的纤维上，因而构件不致在短期内突然断裂。然断裂。第十页，共48页。密度密度g/cm3抗拉强度抗拉强度103MN/m2拉伸模量拉伸模量105MN/m2比强度比强度106MNm/kg比模量比模量108MNm/kg钢钢7.81.032.10.1327铝铝2.80.470.750.1727钛钛4.50.961.140.2125玻璃钢玻璃钢2.01.060.40.5320高强度碳高强度碳纤维纤维-环氧环氧1.451.51.41.0397高模量碳高模量碳纤维纤维-环氧环氧1.61.072.40.67150硼纤维硼纤维-环氧环氧2.11.382
10、.10.66100有机纤维有机纤维PRD-环氧环氧1.41.40.81.057SiC纤维纤维-环氧环氧2.21.091.020.546硼纤维硼纤维-铝铝2.651.02.00.3875第十一页，共48页。复合材料和金属的疲劳破坏复合材料和金属的疲劳破坏(phui)性能性能 第十二页，共48页。五、复合材料五、复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)发展史（发展史（1 1）l几乎所有的生物材料都是复合材料几乎所有的生物材料都是复合材料竹子、骨骼、贝壳等等竹子、骨骼、贝壳等等l古代古代(gdi)(gdi)人们用草梗和泥造墙，人们用草梗和泥造墙，用稻草和泥做屋顶用稻草和泥做屋顶 第十
11、三页，共48页。第十四页，共48页。复合材料复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)发展史（发展史（2 2）19401960年之间的年之间的20年是玻璃纤维增强塑料年是玻璃纤维增强塑料(zn qin s lio)的时代，称为复合材料发展的第一代的时代，称为复合材料发展的第一代19601965年英国研制出碳纤维，年英国研制出碳纤维，1971年美国杜邦公司开发年美国杜邦公司开发出出Kevlar49，1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强环氧树脂碳纤维增强环氧树脂复合材料及复合材料及Kevlar纤维增强树脂复合材料纤维增强树脂复合材料”已应用于飞机、已应用于飞机、火箭的主承
12、力件上，火箭的主承力件上，19601980年为复合材料的第二代，是年为复合材料的第二代，是复合材料的发展时代；复合材料的发展时代；1980年年1990年，是纤维增强金属基复合材料的时代，其中年，是纤维增强金属基复合材料的时代，其中铝基金属复合材料应用最为广泛，称为复合材料发展的第三铝基金属复合材料应用最为广泛，称为复合材料发展的第三代；代；1990年以后称为复合材料的第四代，多发展功能复合材料，年以后称为复合材料的第四代，多发展功能复合材料，如光学、磁学、机敏和智能复合材料。如光学、磁学、机敏和智能复合材料。第十五页，共48页。复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名复合材料在世界各国还没有统
13、一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下来命名，通常有以下(yxi)三种情况：三种情况：六、复合材料六、复合材料(f h ci lio)的命名的命名第十六页，共48页。（1）基体材料名称与增强体材料并用。这种命基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯(xgun)上把增强体材料的名称放在前面，基体上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，最后加上材料的名称放在后面，最后加上“复合材料复合材料”（2）强调增强体时以增强体材料的名
14、称为主。）强调增强体时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、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。陶瓷颗粒增强复合材料等。（3）强调基体时以基体材料的名称为主。如树）强调基体时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、陶瓷基复合材脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。料等。第十七页，共48页。国外还常用国外还常用(chn yn)(chn yn)英文编号来表示，英文编号来表示，如如MMCMMC（Metal Matrix CompositeMetal Matrix Composite）表示金）表示金属基复合材料，属
15、基复合材料，FRPFRP（Fiber Reinforced Fiber Reinforced PlasticsPlastics）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,GF/Epoxy,或或G/Ep(G-Ep)G/Ep(G-Ep)第十八页，共48页。聚合物基聚合物基聚合物基聚合物基复合材料复合材料金属基金属基金属基金属基复合材料复合材料陶瓷基陶瓷基陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料水泥基水泥基水泥基水泥基复合材料复合材料碳基碳基碳基碳基复合材料复合材料按基体材料分按基体材料分热固热固热固热固性树脂基性树脂基热塑热塑热塑热塑性树脂基性树脂基
16、橡胶橡胶橡胶橡胶基基高温陶瓷高温陶瓷高温陶瓷高温陶瓷基基玻璃玻璃玻璃玻璃基基玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷基基轻金属轻金属轻金属轻金属基基高熔点金属高熔点金属高熔点金属高熔点金属基基金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物基基七、复合材料七、复合材料(f h(f h ci lio)ci lio)分类（分类（1 1）第十九页，共48页。按增强材料形态分为以下三类按增强材料形态分为以下三类1、纤维增强复合材料：、纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料连续纤维复合材料 b.非连续纤维复合材料非连续纤维复合材料2、颗粒、颗粒(kl)增强复合材料：包括微米颗粒增强复合材料：包括微米颗粒(kl)
17、和纳米和纳米颗粒颗粒(kl)；3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体 三维物三维物 为增强材料与基体复合而成。为增强材料与基体复合而成。4、层叠复合材料、层叠复合材料复合材料复合材料(f h ci(f h ci lio)lio)分类（分类（2 2）第二十页，共48页。第二十一页，共48页。按材料作用分两类按材料作用分两类功能复合材料：使用功能复合材料：使用(shyng)的是材料的光、的是材料的光、电、磁、热、声等非力学性能电、磁、热、声等非力学性能结构复合材料：应用的材料的力学性能。结构复合材料：应用的材料的力学性能。复合材料复合材料(f h
18、(f h ci lio)ci lio)分类分类（3 3）其他的分类方法如宏观复合其他的分类方法如宏观复合(fh)和微观复合和微观复合(fh)第二十二页，共48页。八、复合材料八、复合材料(f h ci lio)的结构设计基础的结构设计基础 复合材料从结构上可以分为复合材料从结构上可以分为3 3个结构层次：个结构层次：一次结构，是由基体和增强材料复合而成的单层复合材料，其一次结构，是由基体和增强材料复合而成的单层复合材料，其力学性能取决于组分材料的性能，各相的形态、分布和含量以力学性能取决于组分材料的性能，各相的形态、分布和含量以及及(yj)(yj)界面的性质；界面的性质；二次结构，由单层材料层
19、合而成的，其力学性能取决于单层材二次结构，由单层材料层合而成的，其力学性能取决于单层材料的力学性能合铺层集合（各层的厚度、铺设方向、铺层次序）料的力学性能合铺层集合（各层的厚度、铺设方向、铺层次序）；三次结构，指工程结构或产品结构，其力学性能取决于层合体三次结构，指工程结构或产品结构，其力学性能取决于层合体的力学性能合结构几何。的力学性能合结构几何。第二十三页，共48页。复合材料的设计也包括三个层次：复合材料的设计也包括三个层次：1 1、单层材料设计、单层材料设计 增强材料、基体材料及其增强材料、基体材料及其配比，各相的形态、分布、含量以及界面决定配比，各相的形态、分布、含量以及界面决定单层力
20、学性能单层力学性能2 2、铺层设计、铺层设计 安排铺层材料（包括层厚度、安排铺层材料（包括层厚度、铺设方向、铺层次序）铺设方向、铺层次序）3 3、结构、结构(jigu)(jigu)设计设计 确定产品结构确定产品结构(jigu)(jigu)的形状尺寸的形状尺寸 三个层次互相影响、互相依赖。必须把材料性能三个层次互相影响、互相依赖。必须把材料性能和结构性能一起和结构性能一起(yq)(yq)考虑，并将其统一在设计考虑，并将其统一在设计方案中。方案中。第二十四页，共48页。复合材料复合材料(f h ci lio)设计步骤设计步骤第二十五页，共48页。复合材料结构设计选材时就必须同时考虑材复合材料结构设
21、计选材时就必须同时考虑材料的机械性能、使用环境和工艺性（如树脂体系料的机械性能、使用环境和工艺性（如树脂体系的固化温度、固化时间和工艺方法）等因素的固化温度、固化时间和工艺方法）等因素(yn s)。复合材料是结构设计与材料设计同时进行，复合材料是结构设计与材料设计同时进行，材料与结构一次成形，所以在设计时既要对组成材料与结构一次成形，所以在设计时既要对组成构件各部分的层合板参数进行设计，还要选择构构件各部分的层合板参数进行设计，还要选择构件的构造形式和几何尺寸。在初步设计阶段就应件的构造形式和几何尺寸。在初步设计阶段就应对结构的可维护性、可修理性和维修的费用进行对结构的可维护性、可修理性和维修
22、的费用进行考虑与评估。考虑与评估。第二十六页，共48页。九、复合材料九、复合材料(f h ci lio)的应用的应用l航空航天、武器航空航天、武器在力学耐高温方面满足要求，同时减在力学耐高温方面满足要求，同时减轻重量，节省能源轻重量，节省能源l信息电子、生物方面光、磁、电性能、生物相容性信息电子、生物方面光、磁、电性能、生物相容性 l生活方面，提高安全性合和舒适度生活方面，提高安全性合和舒适度隔音，绝热、抗振隔音，绝热、抗振l节约能源、开发能源方面节约能源、开发能源方面重量轻、耐腐蚀性好，寿命重量轻、耐腐蚀性好，寿命长长l海洋资源海洋资源(hi yn z yun)(hi yn z yun)开发
23、方面开发方面耐腐蚀好，力耐腐蚀好，力学性能好学性能好 l环境方面耐腐蚀性好，可以变废为宝环境方面耐腐蚀性好，可以变废为宝战车战车导弹陶瓷刀具第二十七页，共48页。1 1、航空航天、武器、航空航天、武器(wq)(wq)方面的方面的应用应用波音波音787“梦幻客梦幻客机机”半成机身材料半成机身材料(cilio)为轻型复为轻型复合材料合材料(cilio)，而波音而波音777型客机型客机机身轻型复合材料机身轻型复合材料(cilio)比例仅为比例仅为12。由此，。由此，“梦梦幻客机幻客机”更轻更省更轻更省油。油。第二十八页，共48页。第二十九页，共48页。2、信息电子、信息电子(dinz)、生物方面的应
24、、生物方面的应用用l光导纤维，电子设备的电路板，磁带磁盘，光导纤维，电子设备的电路板，磁带磁盘，机壳和屏蔽机壳和屏蔽l修复和更换脏器修复和更换脏器(zn q)、人造骨、人造骨 第三十页，共48页。3、人类生活、人类生活(shnghu)方面的应用方面的应用l建筑上，复合门窗建筑上，复合门窗l交通交通(jiotng)(jiotng)上，汽车保险杠和轿车底板上，汽车保险杠和轿车底板l体育娱乐方面，羽毛球拍、钓鱼竿、自行车中的体育娱乐方面，羽毛球拍、钓鱼竿、自行车中的车架等车架等 第三十一页，共48页。铝木复合铝木复合(fh)门窗门窗汽车汽车(qch)保险杠和底板、发动机保险杠和底板、发动机罩等，甚至
25、全复合材料汽车罩等，甚至全复合材料汽车(qch)第三十二页，共48页。第三十三页，共48页。材料材料牌号牌号密度密度/(g/cm3)弹弹性模量性模量/(Gpa)抗拉抗拉强强度度/(Mpa)伸伸长长率率/%铬钼钢铬钼钢低合金低合金钢钢7.920020783416铝铝合金合金6001/T62.62.9697910024612钛钛纯钛纯钛4.510548062018碳碳纤维纤维CFRP1.51.67020010002镁镁合金合金AM601.740452208第三十四页，共48页。跳高跳高(tiogo)撑杆撑杆第三十五页，共48页。4、节约能源、开发能源方面、节约能源、开发能源方面(fngmin)应用
26、应用l航天器、卫星上的太阳能帆板、太阳能电池、航天器、卫星上的太阳能帆板、太阳能电池、太阳能采暖设备、发电设备、空调制冷设备，太阳能采暖设备、发电设备、空调制冷设备，特别是太空太阳能发电站的大部分构件特别是太空太阳能发电站的大部分构件(gujin)l风力发电设备中风力发动机的叶片和支杆风力发电设备中风力发动机的叶片和支杆l核电站浓缩铀核电站浓缩铀253的离心机转筒的离心机转筒第三十六页，共48页。第三十七页，共48页。5 5、海洋资源开发、海洋资源开发(kif)(kif)方面的方面的应用应用第三十八页，共48页。6、环境、环境(hunjng)方方面应用面应用l通过设计，合理利用材料，节约加工能
27、耗，降低废通过设计，合理利用材料，节约加工能耗，降低废弃边角料，延长工件和设施的使用寿命；用废弃物弃边角料，延长工件和设施的使用寿命；用废弃物如矿渣、木屑、废塑料、麦秆等制造复合材料如矿渣、木屑、废塑料、麦秆等制造复合材料(f(f h ci lio)h ci lio)l废水治理厂的容器和管道、处理汽车尾气的高压气废水治理厂的容器和管道、处理汽车尾气的高压气瓶瓶 第三十九页，共48页。复合地板复合地板玻璃钢管道玻璃钢管道(gundo)第四十页，共48页。十、复合材料十、复合材料(f h ci lio)的发展趋势的发展趋势l发展发展(fzhn)(fzhn)功能、多功能、机敏、功能、多功能、机敏、智
28、能复合材料智能复合材料 l发展发展(fzhn)(fzhn)纳米复合材料纳米复合材料l发展发展(fzhn)(fzhn)仿生复合材料仿生复合材料第四十一页，共48页。复合材料具有可设计性，可以根据需要添加必要复合材料具有可设计性，可以根据需要添加必要的组分来达到需要的性能，的组分来达到需要的性能，如电、磁、光、声、如电、磁、光、声、热、阻尼、化学热、阻尼、化学(huxu)(huxu)等等许多方面。无人飞等等许多方面。无人飞船上到某个星球，经有机器人感知环境（如温度、船上到某个星球，经有机器人感知环境（如温度、湿度、光等）、对机敏材料作出的反应进行分析湿度、光等）、对机敏材料作出的反应进行分析然后拍
29、照，并把采集到的信息返会地球信息接收然后拍照，并把采集到的信息返会地球信息接收处。这需要材料的传感部分和执行部分有很高的处。这需要材料的传感部分和执行部分有很高的灵敏度、精确度和反应速度。灵敏度、精确度和反应速度。第四十二页，共48页。纳米复合材料近年来发展很快，世界纳米复合材料近年来发展很快，世界(shji)发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。料、纳米钨铜复合材料。第四
30、十三页，共48页。根据毛竹外密内疏的结构特性，用连续电镀的镀根据毛竹外密内疏的结构特性，用连续电镀的镀Cu-FeCu-Fe、Cu-NiCu-Ni碳纤碳纤维分别制备维分别制备CF/Cu-FeCF/Cu-Fe、CF/Cu-NiCF/Cu-Ni复合材料，与复合度相近的复合材料，与复合度相近的CF/CuCF/Cu复合材复合材料相比，弯曲强度和导电性都有显著的提高。料相比，弯曲强度和导电性都有显著的提高。理论计算得到球端半径和纤维长度的最佳理论计算得到球端半径和纤维长度的最佳(zu ji)(zu ji)比，理论分析这比，理论分析这种短纤维的增强效果比平直纤维的增强效果好，而且被实验证实种短纤维的增强效果
31、比平直纤维的增强效果好，而且被实验证实 根部网络结构已被广泛应用于堤坝、建筑业等工程领域应用根部网络结构已被广泛应用于堤坝、建筑业等工程领域应用 第四十四页，共48页。参考书参考书复合材料学复合材料学 周祖福周祖福 武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社复合材料复合材料 吴人洁吴人洁 天津大学出版社天津大学出版社复合材料及其应用复合材料及其应用 汤佩钊重庆大学出版社汤佩钊重庆大学出版社功能功能(gngnng)(gngnng)复合材料复合材料 张佐光张佐光 化学工业出化学工业出版社版社第四十五页，共48页。作业：作业：1、复合材料的定义、复合材料的定义(dngy)、分类、分类、命名命名 2、复合材
32、料的应用领域、复合材料的应用领域 思考题思考题 1.复合材料与合金、化合物有什么区复合材料与合金、化合物有什么区别？别？2.找找周围的复合材料，都是哪一类找找周围的复合材料，都是哪一类的？的？第四十六页，共48页。必备必备(b bi)的基础知识的基础知识材料科学基础材料科学基础材料力学材料力学(ci lio l xu)知知识识材料成型知识材料成型知识有机高分子材料有机高分子材料第四十七页，共48页。本课程主要本课程主要(zhyo)内容内容l绪论绪论l复合材料的复合原理复合材料的复合原理(yunl)l复合材料的界面复合材料的界面l复合材料的增强体复合材料的增强体l聚合物基体复合材料聚合物基体复合材料l金属基体复合材料金属基体复合材料l陶瓷基体复合材料陶瓷基体复合材料l复合材料制备新方法复合材料制备新方法l复合材料可靠性复合材料可靠性第四十八页，共48页。