第1章復(fù)合材料概論

1復(fù)合材料

材料學(xué)院2主要參考資料1、復(fù)合材料大全--------沃丁柱，科學(xué)出版社，2001；2、復(fù)合材料--------吳人潔（天津大學(xué)出版社,2000）3、先進(jìn)復(fù)合材料----魯云朱世杰馬鳴圖（機(jī)械工業(yè)已出版社,2004）使用教材：復(fù)合材料概論--------王榮國武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008）3注意事項(xiàng)常思考，教學(xué)互動，多查資料;考核辦法：平時30%，期終考試70%;基礎(chǔ)70，點(diǎn)名+5，缺席-10；獎勵：回答問題+1，專題報(bào)告+30；課代表（+10分）；41.1復(fù)合材料的發(fā)展概況假輿馬者，非利足也，而致千里。假舟輯者，非能水也，而絕江河。君子生非異也，善假于物也。--《荀子.勸學(xué)》工欲善其事，必先利其器。--《論語·衛(wèi)靈公》材料是社會進(jìn)步的基礎(chǔ)……石器時代青銅器時代鐵器時代信息時代5漸漸地，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的單相材料已經(jīng)不能滿足實(shí)際需求，于是出現(xiàn)了多相材料的復(fù)合化，即復(fù)合材料：由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。定義：特征：微觀上是非均相材料，組分間有明顯的界面；組分材料性能差距很大；組分復(fù)合后材料的性能有較大改進(jìn)。6材料的優(yōu)缺點(diǎn)組合示意圖7泥土和草的復(fù)合鋼筋混凝土的發(fā)明復(fù)合材料無所不在！混凝土抗拉不抗壓，1/108樹木貝殼9同學(xué)們還能舉出哪些復(fù)合材料的例子？？10玻璃纖維繩碳纖維繩陶瓷刀具坦克導(dǎo)彈11（1）強(qiáng)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、陶瓷基復(fù)合材料等。（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時以增強(qiáng)體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。（3）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。1.2復(fù)合材料的命名12例如：“玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”，或簡稱為“玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或玻璃纖維/環(huán)氧”。而我國則常把這類復(fù)合材料通稱為“玻璃鋼”。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”，也可寫為“碳／金屬復(fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳／碳復(fù)合材料”。國外還常用英文編號來表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強(qiáng)塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)13復(fù)合材料常見的分類方法有以下幾種：一、按增強(qiáng)材料形態(tài)分為以下三類1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長纖維的兩個端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處；

b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；1.3復(fù)合材料的分類142、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中；3、板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。其他增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體

15復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

a)層疊復(fù)合b)連續(xù)纖維復(fù)合c)細(xì)粒復(fù)合d)短切纖維復(fù)合16纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為以下五種：①玻璃纖維復(fù)合材料；②碳纖維復(fù)合材料；③有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；④金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料；⑤陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復(fù)合材料。17二、按材料作用分兩類:①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；②功能復(fù)合材料。18①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

主要用于制造受力構(gòu)件；結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要是作為承力結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料，它基本上是由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能聯(lián)接增強(qiáng)體成為整體承載同時又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構(gòu)成。

特點(diǎn)：可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材和增強(qiáng)體排布設(shè)計(jì)，從而充分發(fā)揮各組元的效能。19聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱固性樹脂基熱塑性樹脂基橡膠基高溫陶瓷基玻璃基玻璃陶瓷基輕金屬基高熔點(diǎn)金屬基金屬間化合物基Ａ、按基體類型分類20B、按增強(qiáng)體類型分類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料疊層式復(fù)合材料片材增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料人工晶片天然片狀物微米顆粒納米顆粒不連續(xù)纖維復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料二維織物增強(qiáng)復(fù)合材料三維織物增強(qiáng)復(fù)合材料21②功能復(fù)合材料

指具備各種特殊物理與化學(xué)性能的材料。例如：聲、光、電、磁、熱、耐腐蝕、零膨脹、阻尼、摩擦、屏蔽或換能等。功能復(fù)合材料中的基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能夠產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用22復(fù)合材料目前狀況（１）玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料

非常成熟廣泛的應(yīng)用

（２）金屬基復(fù)合材料

開發(fā)階段某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位

（３）陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等

尚處于研究階段有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決231.4復(fù)合材料發(fā)展概況

24天然復(fù)合材料自然界中存在許許多多的天然復(fù)合材料。例如，樹木和竹子是纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；

動物的骨骼則由無機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。25人類很早就接觸和使用各種天然復(fù)合材料，并仿效自然界制作各種各樣的復(fù)合材料。例如陜西半坡人－－草梗和泥筑墻，且延用至今；漆器－－麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年；敦煌壁畫－－泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆。26

復(fù)合材料時代

第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料；1965年英國科學(xué)家研制出碳纖維；1971年美國杜邦公司開發(fā)出Kevler-49；1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、及Kevler纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”已用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。這一時期被稱為復(fù)合材料發(fā)展的第二代。第二代：1960年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展時期27

第三代：1980年到1990年間，是纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的時代，其中以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。

第四代：1990年以后則被認(rèn)為是復(fù)合材料發(fā)展的第四代，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如機(jī)敏（智能）復(fù)合材料和梯度功能材料等。隨著新型復(fù)合材料的不斷涌現(xiàn)，復(fù)合材料不僅應(yīng)用在導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等尖端工業(yè)中，在航空、汽車、造船、建筑、電子、橋梁、機(jī)械、醫(yī)療和體育等各個部門都得到應(yīng)用。281.5復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原理復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性是其區(qū)別傳統(tǒng)材料的最大特點(diǎn)。彈性常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、材料強(qiáng)度和剛度等存在各向異性。29復(fù)合材料的設(shè)計(jì)過程對外部環(huán)境與載荷的要求機(jī)械載荷熱載荷潮濕環(huán)境選材基體材料增強(qiáng)材料幾何形狀成型方法工藝及工藝過程優(yōu)化的設(shè)計(jì)代表性單元的性能考察有限元實(shí)驗(yàn)力學(xué)宏觀性能復(fù)合材料的響應(yīng)應(yīng)力場溫度場……損傷及破壞分析強(qiáng)度準(zhǔn)則損傷機(jī)理破壞過程30復(fù)合材料的設(shè)計(jì)條件1）結(jié)構(gòu)性能要求①結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)安全；②提供裝置各種配件儀器等附件的空間；③隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護(hù)內(nèi)部物體：汽車結(jié)構(gòu)性能與質(zhì)量有關(guān)；與功能有關(guān)；312）載荷情況靜載荷：結(jié)構(gòu)梁、自重動載荷（瞬時作用載荷、沖擊載荷、交變載荷）火車啟