第一章 復(fù)合材料課件概論

1、LOGO復(fù)合材料復(fù)合材料湖南科技大學(xué)湖南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系材料科學(xué)與工程系HNUSTCompany Logo主要參考資料主要參考資料HNUST1、復(fù)合材料概論、復(fù)合材料概論王榮國，王榮國， 武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999）2、復(fù)合材料、復(fù)合材料吳人潔（天津大學(xué)出版社，吳人潔（天津大學(xué)出版社，2000）3、復(fù)合材料、復(fù)合材料馮小明，張崇才馮小明，張崇才 (重慶大學(xué)出版社，重慶大學(xué)出版社，2007)4、現(xiàn)代復(fù)合材料、現(xiàn)代復(fù)合材料陳華輝，陳華輝， 鄧海金，鄧海金， 李李 明（中國物質(zhì)出版社，明（中國物質(zhì)出版社，1998）5、復(fù)合材料科學(xué)與工程、復(fù)合材料

2、科學(xué)與工程倪禮忠，陳麒倪禮忠，陳麒(科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，2002)6、復(fù)合材料及其應(yīng)用、復(fù)合材料及其應(yīng)用尹洪峰，任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社尹洪峰，任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003）7、新材料化學(xué)、新材料化學(xué)大衛(wèi)。大衛(wèi)。E。牛頓，吳娜等人譯。牛頓，吳娜等人譯(上?？萍嘉墨I出版社，上?？萍嘉墨I出版社，2008) 8、先進復(fù)合材料、先進復(fù)合材料魯魯 云，朱世杰，云，朱世杰， 馬鳴圖馬鳴圖 （機械工業(yè)已出版社，（機械工業(yè)已出版社，2004）Company Logo主要內(nèi)容主要內(nèi)容1234HNUST5678功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料Company Logo第一章第一章 概論概論材料的分類材料的分類HN

3、UST克服單一材料的缺點 產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能復(fù)合材料復(fù)合材料Company LogoCompany LogoCompany Logo(1) 復(fù)合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復(fù)合后的復(fù)合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復(fù)合后的應(yīng)超過應(yīng)超過組分材料，保留了所期望的性能組分材料，保留了所期望的性能(高強度、剛度、輕的重量高強度、剛度、輕的重量)，抑制了所不期望的，抑制了所不期望的特性特性(低延性低延性)。(2) 復(fù)合材料是多功能的材料系統(tǒng)，它們可提供任何單一材料所復(fù)合材料是多功能的材料系統(tǒng)，它們可提供任何單一材料所無法獲得的特性；它們是由兩種或多種無法獲得的特性；

4、它們是由兩種或多種成分不同成分不同，性質(zhì)不同性質(zhì)不同，有時有時形狀也不同形狀也不同的相容性材料，以的相容性材料，以物理形式物理形式結(jié)合而成的。結(jié)合而成的。HNUST1.1 1.1 復(fù)合材料的定義復(fù)合材料的定義Company LogoHNUST(1) 復(fù)合材料是兩種或多種材料復(fù)合材料是兩種或多種材料在宏觀尺度上在宏觀尺度上組合而成的一種有用的材料。組合而成的一種有用的材料。(2) 復(fù)合材料就是兩種或兩種以上的不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織相的物質(zhì)，復(fù)合材料就是兩種或兩種以上的不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織相的物質(zhì)，以以微觀或宏觀的形式微觀或宏觀的形式組合而成的材料。組合而成的材料。(3) 復(fù)合材料是不同于合金的

5、一種材料，在合金中，每一種組分都保留著它們復(fù)合材料是不同于合金的一種材料，在合金中，每一種組分都保留著它們獨立的特性，而構(gòu)成復(fù)合材料時，僅取它們的優(yōu)點而避開其缺點，從而獲得獨立的特性，而構(gòu)成復(fù)合材料時，僅取它們的優(yōu)點而避開其缺點，從而獲得一種改善了的材料。一種改善了的材料。Company LogoHNUSTFL. Matthews和和DRawlings認(rèn)為，復(fù)合材料是兩個或兩個以上認(rèn)為，復(fù)合材料是兩個或兩個以上，并應(yīng)滿足下面三個條件：，并應(yīng)滿足下面三個條件： (1) 組元含量大于組元含量大于5； (2) 復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能，復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能， (3) 通過

6、各種方法混合而成。通過各種方法混合而成。Company Logo鋼鐵及其合金不應(yīng)屬于復(fù)合材料，如鋼鐵及其合金不應(yīng)屬于復(fù)合材料，如CoCrMoSi合金不屬于復(fù)合材料，因合金不屬于復(fù)合材料，因為這種合金經(jīng)過為這種合金經(jīng)過過程；而僅有像過程；而僅有像SiC顆粒強化的顆粒強化的Al合金這種混合而成合金這種混合而成的材料才屬于復(fù)合材料。因此有人認(rèn)為可將復(fù)合材料劃分為的材料才屬于復(fù)合材料。因此有人認(rèn)為可將復(fù)合材料劃分為廣義復(fù)合材料和狹廣義復(fù)合材料和狹義復(fù)合材料義復(fù)合材料。HNUSTCompany Logo從廣義上講，復(fù)合材料是由從廣義上講，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同兩種或兩種以上不同的的組分組合而成的

7、組分組合而成的材料。但在現(xiàn)代材料學(xué)界中，復(fù)合材料專指由兩種或兩種以上材料。但在現(xiàn)代材料學(xué)界中，復(fù)合材料專指由兩種或兩種以上不同不同的組的組分所組成的材料。分所組成的材料。復(fù)合材料可定義為：用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分復(fù)合材料可定義為：用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過（或稱組元），通過人工復(fù)合人工復(fù)合、組成多相組成多相、三維結(jié)合三維結(jié)合且各相之間有明顯且各相之間有明顯界面界面的、具有的、具有特殊性能特殊性能的材料。的材料。HNUST復(fù)合材料應(yīng)不包括復(fù)合材料應(yīng)不包括自然形成的具有某些復(fù)合材料形態(tài)的物質(zhì)、化自然形成的具有某些復(fù)合材料形態(tài)的物質(zhì)、化

8、合物、單相合金和多相合金合物、單相合金和多相合金。Company LogoHNUST由兩種以上由兩種以上在物理和化學(xué)上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體多相固體材料材料。 復(fù)合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合復(fù)合工藝工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復(fù)組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計使各組分的性能合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計使各組分的性能互相補充

9、并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)越的性能，與一般材料的簡便混合互相補充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)越的性能，與一般材料的簡便混合有本質(zhì)區(qū)別。有本質(zhì)區(qū)別。Company Logo復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用的需要進行設(shè)計，把兩種以上的有機聚合物材料，或無復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用的需要進行設(shè)計，把兩種以上的有機聚合物材料，或無機非金屬材料，或金屬材料組合在一起，使之機非金屬材料，或金屬材料組合在一起，使之互補性能優(yōu)勢互補性能優(yōu)勢，從而制成的一，從而制成的一類新型材料。一般由基體組元與增強材料或功能體組元所組成，因此亦屬于類新型材料。一般由基體組元與增強材料或功能體組元所組成，因此亦屬于多相材料范疇。多相材料范疇。因此，復(fù)合材

10、料必須通過對因此，復(fù)合材料必須通過對原材料的選擇原材料的選擇，各組分分布的設(shè)計各組分分布的設(shè)計和和工藝條件的保證工藝條件的保證等，以使原組分材料的優(yōu)點互相補充，同時等，以使原組分材料的優(yōu)點互相補充，同時利用復(fù)合材料的利用復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢。優(yōu)勢。HNUSTCompany LogoHNUST 由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復(fù)合宏觀或微觀復(fù)合形成的一形成的一種新型材料，組元之間存在著種新型材料，組元之間存在著明顯的界面明顯的界面。 各組元不但保持各組元不但保持各自的固

11、有特性各自的固有特性而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。 具有具有可設(shè)計性可設(shè)計性。Company LogoHNUST復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相連續(xù)相，稱為，稱為；而另一相是以獨立的形；而另一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為會使材料的性能顯著增強，故常稱為 (也稱為增強材料、增強相等也稱為增強材

12、料、增強相等)。在大多數(shù)情況下，分散相較基體在大多數(shù)情況下，分散相較基體硬，強度和剛度硬，強度和剛度較基體大。分散相可以是纖較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體與增強體之間存在著維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體與增強體之間存在著界面。界面。Company LogoHNUST 強調(diào)基體時強調(diào)基體時以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。瓷基復(fù)合材料等。 強調(diào)增強體時強調(diào)增強體時以增強體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強復(fù)合材料、碳纖維以增強體材料的名稱為主。

13、如玻璃纖維增強復(fù)合材料、碳纖維增強復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強復(fù)合材料等。增強復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強復(fù)合材料等。 基體材料基體材料名稱與名稱與增強體材料增強體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)具體的復(fù)合材料合材料，習(xí)慣上把，習(xí)慣上把增強體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面增強體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。Company LogoHNUST例如：例如：“玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”，或簡稱為，或簡稱為“玻璃纖維玻璃纖維/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂復(fù)合材料復(fù)合材料或或玻璃纖維玻璃纖維/環(huán)氧環(huán)氧”。而我國則常把這類復(fù)

14、合材料通稱為。而我國則常把這類復(fù)合材料通稱為“玻璃鋼玻璃鋼”。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫“金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料”，也可寫為，也可寫為“碳碳金屬復(fù)合材料金屬復(fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳碳復(fù)合材料碳碳復(fù)合材料”。國外還常用國外還常用來表示，如來表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金屬基復(fù)合材料，表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP（Fiber Reinforced Plastics）表示纖維增表示纖維增強塑料。強塑料。Company LogoHNUST一、按一、按增強材料形態(tài)增強材料形態(tài)分為

15、四類分為四類1、連續(xù)纖維連續(xù)纖維復(fù)合材料復(fù)合材料2、短纖維短纖維復(fù)合材料復(fù)合材料3、粒狀填料粒狀填料復(fù)合材料復(fù)合材料4、紡織紡織復(fù)合材料復(fù)合材料Company LogoHNUST二、按二、按基體材料基體材料分為三類分為三類1、聚合物基聚合物基復(fù)合材料復(fù)合材料2、金屬基金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料3、無機非金屬基無機非金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料Company LogoHNUST三、按增強材料種類分類三、按增強材料種類分類1、玻璃纖維玻璃纖維復(fù)合材料復(fù)合材料2、碳纖維碳纖維復(fù)合材料復(fù)合材料3、有機纖維有機纖維復(fù)合材料復(fù)合材料(芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚

16、烯烴纖維等)4、金屬纖維金屬纖維復(fù)合材料復(fù)合材料(鎢絲、不銹鋼絲等鎢絲、不銹鋼絲等)5、陶瓷纖維陶瓷纖維復(fù)合材料復(fù)合材料6、混雜混雜復(fù)合材料復(fù)合材料Company LogoHNUST四、按四、按材料作用材料作用分為兩大類分為兩大類1、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：作為、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：作為使用的復(fù)合材料，它基本上是由使用的復(fù)合材料，它基本上是由能承能承受載荷的增強體受載荷的增強體組元與組元與能聯(lián)接增強體能聯(lián)接增強體成為整體承載，同時又起成為整體承載，同時又起分配與傳分配與傳遞載荷作用遞載荷作用的基體組元構(gòu)成。的基體組元構(gòu)成。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料復(fù)合材料又可按又可按和和來分類。來分類。Company LogoHNUS

17、T復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性樹脂基性樹脂基性樹脂基性樹脂基基基基基基基基基基基基基基基按按分類分類Company LogoHNUST按按分類分類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料復(fù)合材料Company LogoHNUST指具備各種指具備各種的材料。例如：的材料。例如：聲聲、光光、電電、磁磁、熱熱、耐腐蝕耐腐蝕、零膨脹零膨脹、阻尼阻尼、摩擦摩擦、屏蔽屏蔽或或換能換能等。等。功能復(fù)合材料中的功能復(fù)合材料中的又可稱為又可稱為，它分布于，它分布于中。中。功能復(fù)合材料中的功能復(fù)合

18、材料中的不僅起到不僅起到的作用，而且能夠產(chǎn)生的作用，而且能夠產(chǎn)生的作用。的作用。Company LogoHNUST(3) 陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等 尚處于研究階段尚處于研究階段 有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決(1) 玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料 非常成熟非常成熟 廣泛的應(yīng)用廣泛的應(yīng)用 (2) 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 開發(fā)階段開發(fā)階段 某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位Company LogoHNUST復(fù)合材料的復(fù)合材料的可表示為：可表示為：古代古代近代近代先進復(fù)合材料先進復(fù)合材料的復(fù)合體的復(fù)合體;50%Com

19、pany LogoHNUSTCompany Logo: 和和復(fù)合而成。復(fù)合而成。蛋白膠原質(zhì)蛋白膠原質(zhì)羥基磷灰石晶體羥基磷灰石晶體多縮氨基多縮氨基酸分子酸分子HNUSTCompany LogoHNUST歷史上的復(fù)合材料歷史上的復(fù)合材料磚：一萬年前，埃及磚：一萬年前，埃及羅馬橢圓形競技場羅馬橢圓形競技場都江堰都江堰西漢時期西漢時期越王勾踐劍越王勾踐劍西周時期西周時期Company Logo敦煌壁畫：泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆敦煌壁畫：泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆距今約距今約1500年年 Company LogoJoseph Monier鋼筋混凝土?xí)r代Henry Bessemer 鋼鐵

20、的發(fā)明波特蘭水泥(硅酸鹽水泥) J. Aspdin HNUST近代復(fù)合材料近代復(fù)合材料 Company LogoHNUST學(xué)術(shù)界開始使用學(xué)術(shù)界開始使用“復(fù)合材料復(fù)合材料”（composite materials ）一詞大約是在一詞大約是在20世世紀(jì)紀(jì)40年代，第二次世界大戰(zhàn)中，年代，第二次世界大戰(zhàn)中，復(fù)合材料被美國空軍復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機構(gòu)件開始算起，用于制造飛機構(gòu)件開始算起，50年代得到了迅速發(fā)展。開辟了年代得到了迅速發(fā)展。開辟了的新紀(jì)元。的新紀(jì)元。從從20世紀(jì)世紀(jì)60年代開始，開發(fā)出多種年代開始，開發(fā)出多種。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代以后，由于人年代以后，由于人們豐富了們豐富了設(shè)計設(shè)

21、計、制造制造和和測試測試等方面的知識和經(jīng)驗，加上各類作為復(fù)合材料基等方面的知識和經(jīng)驗，加上各類作為復(fù)合材料基體的材料的使用和改進，使體的材料的使用和改進，使的發(fā)展達到了更高的水平，即進入的發(fā)展達到了更高的水平，即進入的發(fā)展階段。的發(fā)展階段。Company Logo：1940年到年到1960年，玻璃纖維增強塑料；年，玻璃纖維增強塑料；1975年先進復(fù)合材料年先進復(fù)合材料“碳纖維增強、及碳纖維增強、及Kevler纖維增強環(huán)氧纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料樹脂復(fù)合材料”已用于飛機、火箭的主承力件上。已用于飛機、火箭的主承力件上。HNUST1960年到年到1980年，先進復(fù)合材料的發(fā)展時期年，先進復(fù)合材料的發(fā)展時期1965年英國科學(xué)家研制出碳纖維；年英國科學(xué)家研制出碳纖維；19