1、复合材料复合材料 工程材料科学与设计工程材料科学与设计（James P. SchafferJames P. Schaffer等著）等著）余永宁等翻译余永宁等翻译机械工业出版社机械工业出版社材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义2Only has compared to the others early, diligently diligently, can feel the successful taste. 只有比别人更早、更勤奋地努只有比别人更早、更勤奋地努力，才能尝到成功的滋味力，才能尝到成功的滋味. . 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义31. 引言引言三大材料：三大材
2、料： 金属金属 无机非金属无机非金属 有机高分子有机高分子复合材料复合材料 取长补短取长补短 协同作用协同作用 产生原来单一材料没有本身所没有的新性能产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义4复合材料的定义复合材料的定义国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料的物质组合起来而得到的一种多相固体材料 材料大词典材料大词典 ：复合材料是根据应用进行设计，：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或把
3、两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。一类新型材料。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义51 1） 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；组元之间存在着明显的界面；2 2） 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，
4、并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；3 3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。而极大地提高工程结构的效能。 复合材料的特点：复合材料的特点： 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义6基体和增强材料基体和增强材料 Matrix and Reinforcement基体基体连续相连续相增强材料增强材料分散相分散相 也称为增强体、增强剂、增强相等也称为增强体、增强剂、增强相等 显著增强材料的性能显著
5、增强材料的性能 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体和增强体之间存在着界面。在基体和增强体之间存在着界面。6材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义7Schematic illustration of composite constituents材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义8 2. 复合材料的历史与分类复合材料的历史与分类古代近代先进复合材料古代近代先进复合材料天然复合材料天然复合材料竹、贝壳、树木和竹子：纤
6、维素和木质素的复合体竹、贝壳、树木和竹子：纤维素和木质素的复合体 动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 古代：使用、效仿古代：使用、效仿 半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义9第一代：第一代：19401940年到年到19601960年，玻璃纤维增强塑料年，玻璃纤维增强塑料第二代：第二代：19601960年到年到198019
7、80年，先进复合材料；年，先进复合材料；19651965年英国科学家研制年英国科学家研制出碳纤维；出碳纤维；19711971年美国杜邦公司开发出开芙拉年美国杜邦公司开发出开芙拉-49-49；19751975年先进复年先进复合材料合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料” 用用于飞机、火箭的主承力件上。于飞机、火箭的主承力件上。第三代：第三代：19801980年到年到19901990年，碳纤维增强金属基复合材料，以铝基复年，碳纤维增强金属基复合材料，以铝基复合材料的应用最为广泛。合材料的应用最为广泛。第四代：第四代：19901990年以后，
8、主要发展多功能复合材料，如智能复合材料年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。和梯度功能材料等。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义10陶瓷基复合材料（陶瓷基复合材料（CMCCMC） 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义11CMCCMC的应用的应用材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义12C/CC/C在航天领域中的应用在航天领域中的应用C/CC/C作为刹车盘作为刹车盘碳碳/ /碳复合材料（碳复合材料（C/CC/C） 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义13复合材料的比强度和比模量复合材料的比强度和比模量玻璃纤维/环氧树脂芳纶纤维/环氧树脂石
9、墨纤维/环氧树脂硼纤维/环氧树脂石墨纤维/环氧树脂铍石墨纤维/环氧树脂比拉伸模量=弹性模量/密度（任意单位）比拉伸强度=拉伸强度/密度（任意单位）材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义141).1).纤维增强体的强化作用纤维增强体的强化作用 临界纤维长度：为了达到有效强化所需要的临界纤维长度临界纤维长度：为了达到有效强化所需要的临界纤维长度 临界长径比临界长径比 典型值为典型值为20-150.20-150.在大多数实际的例子中，纤维的长度都是大在大多数实际的例子中，纤维的长度都是大于其临界长度的。于其临界长度的。3. 基本概念基本概念材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义15224
10、cmyfuldd2fucmyld基体的剪切基体的剪切模量模量纤维的抗拉纤维的抗拉强度强度材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义162).2).纤维材料的特性纤维材料的特性脆性材料的强度与其最大裂纹尺寸的平方根呈脆性材料的强度与其最大裂纹尺寸的平方根呈反比，而且在给定纤维长度的条件下，发生大反比，而且在给定纤维长度的条件下，发生大裂纹的几率随截面积的减少而减少。裂纹的几率随截面积的减少而减少。用于强化复合材料的纤维必须具有高的强度与弹性模量。用于强化复合材料的纤维必须具有高的强度与弹性模量。 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义17硼纤维硼纤维 通常用来强化铝基材料。通常用来强化铝
11、基材料。玻璃纤维玻璃纤维氧化铝纤维氧化铝纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳纤维碳纤维材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义18碳纤维结构：碳纤维结构：碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物、碳化历程不同，形成的产物结构也不同。碳化为三维碳化合物、碳化历程不同，形成的产物结构也不同。碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同。碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含其结构不同。碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约碳量约75759595
12、；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98989999，杂质相当少。碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石，杂质相当少。碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。墨化过程有关。碳化过程：碳化过程：有机化合物在惰性气体中加热到有机化合物在惰性气体中加热到10001000一一15001500度时，所度时，所有非碳原子有非碳原子( (氮、氢、氧等氮、氢、氧等) )将逐步被驱除，碳含量逐步增加，随将逐步被驱除，碳含量逐步增加，随着非碳原子的排除，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚着非碳原子的排除，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，形成
13、碳纤维。等化学反应，形成碳纤维。石墨化过程：石墨化过程：温度升高到温度升高到20002000一一30003000度时，残留的非碳原子继续度时，残留的非碳原子继续排除，进一步反应形成的芳环平面逐步增加，排列也较规整，取排除，进一步反应形成的芳环平面逐步增加，排列也较规整，取向性显著提高，并由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化，形向性显著提高，并由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化，形成的石墨纤维，其弹性棋量大大提高。成的石墨纤维，其弹性棋量大大提高。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义19(2)CFRP碳纤维增强聚合物基复合材料（碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRPCFRP） CFRPC
14、FRP在民用飞机中的应用在民用飞机中的应用CFRPCFRP在空间站大型结构在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用以及太阳能电池支架中的应用材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义203).3).基体材料的特性基体材料的特性基体材料可以是聚合物、陶瓷、或者金属。基体材料可以是聚合物、陶瓷、或者金属。基体的主要作用是对纤维提供横向的支持以及基体的主要作用是对纤维提供横向的支持以及传递载荷传递载荷 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义214).4).界面的作用界面的作用界面粘结强度是衡量复合材料中增强体与基体间界面结合状态界面粘结强度是衡量复合材料中增强体与基体间界面结合状态的一个指
15、标。的一个指标。（1 1）热膨胀系数）热膨胀系数（2 2）如何改善增强材料与基体间的浸润性。）如何改善增强材料与基体间的浸润性。浸润不良将会在界面产生空隙，易使应力集中而使复合材料发浸润不良将会在界面产生空隙，易使应力集中而使复合材料发生开裂。另外，选择合适的偶联剂也很重要，所选处理增强材生开裂。另外，选择合适的偶联剂也很重要，所选处理增强材料表面的偶联剂应既含有能与增强材料起化学作用的官能团，料表面的偶联剂应既含有能与增强材料起化学作用的官能团，又含有与聚合物基体起化学作用的官能团。又含有与聚合物基体起化学作用的官能团。 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义225).5).纤维体系结
16、构纤维体系结构纤维、基体、界面特征、纤维体系结构影响纤维、基体、界面特征、纤维体系结构影响复合材料性能。复合材料性能。纤维体系结构：纤维的排列纤维体系结构：纤维的排列 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义236).6).团集复合材料的强化团集复合材料的强化混凝土混凝土颗粒复合材料颗粒复合材料 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义241).1).金属基复合材料金属基复合材料 2).2).聚合物复合材料聚合物复合材料3).3).陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料4).4).碳碳- -碳复合材料碳复合材料4. 实际的复合材料体系实际的复合材料体系材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义
17、25增韧机制增韧机制复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。纹扩展的能力。 以纤维增强复合材料为例，以纤维增强复合材料为例，主要有纤维的拔出、主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。纤维搭桥等增韧机制。25材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义26复合密度复合密度弹性模量与强度弹性模量与强度热膨胀系数热膨胀系数复合材料的断裂行为复合材料的断裂行为复合材料的疲劳特性复合材料的疲劳特性 5. 复合材料性能的预测复合材料性能的预测材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义27 6. 复合材料的其他应用复合材料的其他应用超导电缆超导电缆电子封装外壳电子封装外壳微波放大器中低压场发射的排列阴极微波放大器中低压场发射的排列阴极 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义28
