1、10/19/2022主要内容 第1章 绪论 2学时 第2章 复合材料的增强体 3学时 第3章 聚合物基复合材料 4学时 第4章 陶瓷基复合材料 3学时 第5章 生物材料与仿生材料 2学时 第6章 纳米复合材料 2学时10/19/2022成绩评定与参考资料 成绩评定成绩评定：平时（含考勤、课堂测验和提问、课后作业等）50%期末考试（闭卷）50%参考资料参考资料：1、顾书英，任杰编著，聚合物基复合材料，化 学工业出版社，2007年3月（普通高等教育“十一五”国家级规划教材）2、黄锐主编，塑料成型工艺学（第二版），中国轻工业出版社，2009年2月 3、鲁云，朱世杰等编著，先进复合材料，机械工业出版社
2、，2004年1月 4、瞿金平等，2002，聚合物成型原理与技术，北京：化学工业出版社 10/19/2022第1章 绪论 1.1 材料发展史 1.2 复合材料加工工艺发展史 1.3 复合材料定义与分类 1.4 复合材料的结构设计基础 1.5 复合材料的应用与发展现状10/19/20221.1 材料发展史10/19/2022Stone Age10/19/2022Pottery Age新石器时期新石器时期马家窑式水纹彩陶钵马家窑式水纹彩陶钵新石器时期新石器时期半山式菱形点纹壶半山式菱形点纹壶10/19/2022唐唐 三彩鸳鸯壶三彩鸳鸯壶 明明 掐丝珐琅掐丝珐琅 葫芦式扁瓶葫芦式扁瓶 橘皮釉橘皮釉 C
3、hina10/19/2022Bronze Age10/19/2022含锡量含锡量1/6 韧性好韧性好 制造钟鼎制造钟鼎含锡量含锡量2/5 硬度高硬度高 制造刀斧制造刀斧Cu Sn Pb Zn第一个合金材料：铜锡合金（青铜）第一个合金材料：铜锡合金（青铜）结构与性能的关系结构与性能的关系10/19/2022战国青铜编钟战国青铜编钟 中国古铜镜中国古铜镜10/19/2022吴王矛（上）、越王剑（中）与秦剑（下）吴王矛（上）、越王剑（中）与秦剑（下）10/19/202210/19/2022Iron Age10/19/2022铸铁铸铁锻铁锻铁钢铁钢铁依含碳量依含碳量和杂质多少和杂质多少铁和碳的合金铁和
4、碳的合金10/19/2022第八世纪的第八世纪的 Carolingian剑剑东方曲剑东方曲剑 Persian 土耳其的土耳其的 Damascus 剑剑日本剑的锋口部份日本剑的锋口部份10/19/202210/19/2022Composite Age10/19/2022泥坯墙泥坯墙(稻草、树枝等掺入泥稻草、树枝等掺入泥中中)、石墙、石墙(泥、石灰粘合石块泥、石灰粘合石块)。1.2 复合材料加工工艺发展史复合材料加工工艺发展史10/19/20221.2 复合材料加工工艺发展史复合材料加工工艺发展史1932年年 诞生于美国诞生于美国4245年年 手糊军用雷达罩，远航飞机油箱材料手糊军用雷达罩，远航飞
5、机油箱材料 玻纤增强聚酯树脂。玻纤增强聚酯树脂。44年年 飞机机身、机翼飞机机身、机翼 与上述改进：玻钢夹层结构与上述改进：玻钢夹层结构46年年 纤维缠绕成型纤维缠绕成型50年年 压制成型，直升机螺旋桨压制成型，直升机螺旋桨 49年年 玻纤预混，对模压制成型玻纤预混，对模压制成型10/19/2022手糊成型手糊成型又称接触成型又称接触成型Hand Lay UpHand Lay Up1.2 复合材料加工工艺发展史复合材料加工工艺发展史10/19/202260年代年代 机械式，计算机缠绕机械式，计算机缠绕 玻纤、聚酯树脂喷射成型玻纤、聚酯树脂喷射成型61年年 德国，片状模塑料（德国，片状模塑料（S
6、MC）问世）问世 63年年 FRP板材工业化生产，美、法、日板材工业化生产，美、法、日60年代中年代中 美、日美、日SMC汽车部件，浴盆，船上构件汽车部件，浴盆，船上构件60年代年代 棒材、细管、定型截面制品棒材、细管、定型截面制品70年代年代 拉挤，环向缠绕拉挤，环向缠绕 树脂反应注射成型（树脂反应注射成型（RIM）增强树脂反应注射成型（增强树脂反应注射成型（RRIM）卫生器具，汽车零件卫生器具，汽车零件1.2 复合材料加工工艺发展史复合材料加工工艺发展史10/19/202272年年 美国美国PPG公司，热塑性片状模塑料公司，热塑性片状模塑料 (SMTC)80年年 法国，湿法热塑性片状模塑料
7、法国，湿法热塑性片状模塑料(GMT)6080年代年代 离心浇铸成型，瑞士离心浇铸成型，瑞士 美国，大口负压管道美国，大口负压管道发展领域发展领域 军军民民 美国美国 民民军军 西欧西欧1.2 复合材料加工工艺发展史复合材料加工工艺发展史10/19/2022碳纤维/聚合物复合材料10/19/2022黄领才，刘秀芝，航空制造技术，10（2008）47复合材料在飞机中应用的概况10/19/2022Composites10/19/2022复合材料在飞机中的应用复合材料在飞机中的应用 10/19/2022B787材料分布材料分布10/19/2022玻璃钢建筑材料用于玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大
8、堂装潢上海东方明珠电视塔大堂装潢复合材料复合材料(玻璃钢玻璃钢)制作的渔船制作的渔船10/19/202210/19/2022建筑材料建筑材料 10/19/20221.2 复合材料的命名与分类 复合材料是由两种或两种以上物理和复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的组分材料通过适当的制备化学性质不同的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的多相固体材料。工艺复合在一起的多相固体材料。其既保留原组分材料的特性，又具有原其既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。10/19/2022特点特点保持各相的固有特性；保持各相的固有特
9、性；各相原有特性的强化（协同效应）；各相原有特性的强化（协同效应）；赋予单一材料所不具备的特殊性能。赋予单一材料所不具备的特殊性能。10/19/2022复合材料中复合材料中一相为连续相，称为基体一相为连续相，称为基体Matrix，占主要组分；，占主要组分；另一相为另一相为分散相，称为增强材料分散相，称为增强材料Reinforcement。分散相是以独立的形态分布在整分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相个连续相中的，两相之间存在着相界面；界面；分散相可以是增强纤维，也可以分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。是颗粒状或弥散的填料。10/19/2022各种类型的复
10、合材料中相的排列各种类型的复合材料中相的排列10/19/2022植物纤维增强树脂植物纤维增强树脂SiO2增强聚丙烯增强聚丙烯碳纤维增强聚碳酸酯碳纤维增强聚碳酸酯蒙脱土增强环氧树脂蒙脱土增强环氧树脂10/19/202210/19/2022金属基复金属基复合材料合材料非金属基非金属基复合材料复合材料复合材料复合材料高聚物基高聚物基复合材料复合材料陶瓷基复陶瓷基复合材料合材料树脂基复树脂基复合材料合材料橡胶基复橡胶基复合材料合材料热固性树脂热固性树脂基复合材料基复合材料热塑性树脂热塑性树脂基复合材料基复合材料10/19/20221.3 复合材料的结构设计基础1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念组
11、组元元组成材料最基本、组成材料最基本、独立的物质独立的物质相相材料中具有同一化材料中具有同一化学成分并且结构相学成分并且结构相同的均匀部分同的均匀部分组织组织材料内部的材料内部的微观形貌微观形貌10/19/2022phaseatom 组织是材料性能的组织是材料性能的决定性因素决定性因素Relation of component，phase and texturechemical elementchemical substancemoleculecomponenttexturesimplex texturemultiple texture10/19/20221.3.2 1.3.2 复合材料复合原
12、理复合材料复合原理复合复合材料材料界面界面粘结粘结方式方式 机械结合机械结合静电作用静电作用界面扩散界面扩散 界面反应界面反应10/19/2022蒙脱土增强尼龙蒙脱土增强尼龙6时基体与增强材料之时基体与增强材料之间的氢键作用间的氢键作用10/19/2022JSiCf/Ti的界面及界面反应层的界面及界面反应层10/19/2022碳纳米管表面被聚碳纳米管表面被聚合物基体覆盖合物基体覆盖10/19/2022 由于复合材料是由两种或两种以上不同的由于复合材料是由两种或两种以上不同的材料组分（组元）复合而成的，除工艺因素外，材料组分（组元）复合而成的，除工艺因素外，基体和增强材料的性能必然影响复合材料的
13、性基体和增强材料的性能必然影响复合材料的性能。此外增强材料的形状、含量、分布以及与能。此外增强材料的形状、含量、分布以及与基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性能。能。复合材料的复合原理，是反映上述因素对复合材料的复合原理，是反映上述因素对复合材料性能的影响规律。复合材料性能的影响规律。据此，可以对所需要研究和开发的复合材料的据此，可以对所需要研究和开发的复合材料的性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、预测和评估。预测和评估。10/19/2022混合法则混合法则 Rule of MixturesPc 表示复
14、合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；表示复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；Pi 表示各组分材料的对应复合材料的某性能；表示各组分材料的对应复合材料的某性能；V 表示组成复合材料各组分的体积百分比（表示组成复合材料各组分的体积百分比（vol.%）；）；下标下标 i表示组成复合材料的组分数。表示组成复合材料的组分数。在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（比
15、（vol.%）：）：NiVPP1iic10/19/2022颗粒增强复合材料的颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系弹性模量与颗粒体积分量的关系10/19/2022碳纳米管增强碳纳米管增强PA6复合材料的杨氏复合材料的杨氏模量与模量与CNTs质量质量分数的关系分数的关系粘土增强聚合物复粘土增强聚合物复合材料中粘土的质合材料中粘土的质量分数对材料力学量分数对材料力学性能的影响性能的影响10/19/2022化学组成化学组成组织结构组织结构材料性能材料性能合成合成与与加工加工10/19/2022材材料料性质和现象性质和现象赋予材料的价赋予材料的价值和应用性值和应用性使用性能使用性能是材料在使用
16、条件下是材料在使用条件下应用性能的量度应用性能的量度结构与成分结构与成分包括了决定材料性包括了决定材料性质和使用性能的原质和使用性能的原子类型和排列方式子类型和排列方式合成和加工合成和加工实现了特定的原子排列实现了特定的原子排列 可根据对材料的性能要求，在基体、增强材料的可根据对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量进行选择，并进行适当的制备与加工。类型和含量进行选择，并进行适当的制备与加工。10/19/2022Relation of Four EssentialsPropertyPerformanceStructure&CompositionSynthesis&Process(Engi
17、neering)(Chemistry)(Physics)10/19/2022可设计性好可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一复合材料区别于传统材料的根本特点之一设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。具体体现在两个方面具体体现在两个方面力学设计力学设计给制品一定的给制品一定的强度和刚度强度和刚度功能设计功能设计给给制品除力学性能制品除力学性能外的其他性能外的其他性能10/19/2022单层的种类单层的种类 (a)无纬单层无纬单层 (b)经纬交织单层经纬交织单层层
18、合结构复合材料层合结构复合材料由纤维与基体所组成的单由纤维与基体所组成的单层以不同方向层合而成层以不同方向层合而成10/19/20221.3.4 1.3.4 复合材料中的键合方式与结构复合材料中的键合方式与结构Metallic bondIonic bondCovalent bondHydrogen bondVan der Waals bond10/19/2022实际材料中的结合键实际材料中的结合键10/19/2022General Characters of Materials10/19/2022The Structure of Materials 宏观组织结构宏观组织结构 亚微观组织结构亚微
19、观组织结构 微观结构微观结构10/19/2022骨骼骨骼天然的纳米复合材料天然的纳米复合材料骨骼是天然的纳米骨骼是天然的纳米复合复合材料其中材料其中30%为胶原为胶原纤维，纤维，剩下的剩下的70%是纳米是纳米级级的磷酸的磷酸钙钙晶晶体体亚微观结构亚微观结构10/19/2022钻石薄膜在放大钻石薄膜在放大10001000倍下显示的亚微观结构倍下显示的亚微观结构10/19/2022钠玻璃钠玻璃石英玻璃石英玻璃石英晶体石英晶体微观结构微观结构10/19/2022复合材料机械性能的特点复合材料机械性能的特点(1)各向异性性能各向异性性能(2)非均质性非均质性(3)层间强度低层间强度低1.3.5 1.3
20、.5 复合材料的性能复合材料的性能10/19/2022 材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵向，用字母向，用字母L表示，与其垂直的另一主方向称为横向，表示，与其垂直的另一主方向称为横向，用字母用字母T表示。表示。(1)各向异性性能各向异性性能)1(2EG 通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独立的工程弹性常数有两个：立的工程弹性常数有两个：E(弹性模量弹性模量)和和(泊松比泊松比)或剪切弹性模量或剪切弹性模量G。10/19/2022(2)非均质性非均质性(3)层间强度低层间强度低层合结构复合材料在一种外力
21、作层合结构复合材料在一种外力作用下，除了引起本身的基本变形用下，除了引起本身的基本变形外，还可能引起其他基本变形。外，还可能引起其他基本变形。耦合变形：耦合变形：在结构设计时，应尽量在结构设计时，应尽量减小层间应力，或采取减小层间应力，或采取某些构造措施，以避免某些构造措施，以避免层间分层破坏。层间分层破坏。10/19/2022溶蚀性溶蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗渗透性抗氧化性抗氧化性材料抵抗各种介质作用的能力材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性化学稳定性1.3.5 1.3.5 复合材料的性能复合材料的性能10/19/2022无机非金属材料的化学稳定性无机非金属材料的化学稳定性耐酸材料耐酸材
22、料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2为主为主耐耐碱碱材材料料 含有大量碱性氧化物含有大量碱性氧化物如如CaO、MgO10/19/2022化学稳定性好，耐酸耐碱化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料的化学稳定性高分子材料的化学稳定性主链原子以共价键结合主链原子以共价键结合长分子链对反应基团的保护长分子链对反应基团的保护电绝缘性，无电化学腐蚀电绝缘性，无电化学腐蚀10/19/2022材料的机械性能测试材料的机械性能测试材料受材料受外力作外力作用时的用时的变形行变形行为及其为及其抵抗破抵抗破坏的能坏的能力力样品拉伸实验示意图样品拉伸实验示意图10/19/2022冲击实验装置冲击实验装置10/19/2022
23、硬度硬度断裂与韧性断裂与韧性脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂疲劳特性与耐磨性疲劳特性与耐磨性材料抵抗其他较硬物体材料抵抗其他较硬物体压入表面的能力压入表面的能力10/19/2022热传导热传导耐热性耐热性由材料熔由材料熔融或分解融或分解所需温度所需温度的高低反的高低反映出来映出来10/19/2022金属：金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：陶瓷：绝缘体、半导体绝缘体、半导体高分子材料：高分子材料：绝缘体、半导体、导体绝缘体、半导体、导体其它：其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）硅、锗（半导体），石墨（导体）电性能电性能 Electrical Pr
24、operty Electrical Property10/19/2022光性能光性能光的反射、吸收和透过的特征光的反射、吸收和透过的特征10/19/2022 1.4 复合材料的应用与发展与基体材料相比，复合材料的优异性能：与基体材料相比，复合材料的优异性能：比强度和比模量高；比强度和比模量高；抗疲劳性能好；抗疲劳性能好；高韧性和抗热冲击性；高韧性和抗热冲击性；耐热性高；耐热性高；减振性能好；减振性能好；耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热；耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热；特殊的光、电、磁性能等；特殊的光、电、磁性能等；10/19/202210/19/2022应用范围应用范围 建筑建筑 轻型房屋轻型房屋
25、装饰（雕塑、装饰件）装饰（雕塑、装饰件）卫生洁具（淋浴室）卫生洁具（淋浴室）冷却塔冷却塔 贮水箱贮水箱 波形瓦波形瓦 塑钢门窗塑钢门窗 落水系统（落水管、雨蓬）落水系统（落水管、雨蓬）地面，墙布，桌椅，卫生桶地面，墙布，桌椅，卫生桶10/19/2022化学工业化学工业 防腐管、泵、罐、槽、衬里、隔层架防腐管、泵、罐、槽、衬里、隔层架交通交通 汽车构件、铁路客车、通讯器材、汽车构件、铁路客车、通讯器材、高速公路格栅高速公路格栅造船造船 各种小艇、无磁性小艇、破障艇各种小艇、无磁性小艇、破障艇电器电器 元器件、灯具（杯）、绝缘工具元器件、灯具（杯）、绝缘工具军事航空军事航空 弹体件、雷达罩、飞机附
26、件弹体件、雷达罩、飞机附件体育体育 撑杆、弓箭、球拍、雪橇、赛车、撑杆、弓箭、球拍、雪橇、赛车、滑板、赛艇、滑板、赛艇、皮艇、划桨、渔杆、按摩舱皮艇、划桨、渔杆、按摩舱农业农业 温室（温室（FILONFILON板，透光率板，透光率99%99%）食品级设备食品级设备机械机械 机械零配件机械零配件应用范围应用范围 10/19/2022 复合材料综合了各种复合材料综合了各种材料如纤维（晶须）、树材料如纤维（晶须）、树脂、橡胶、金属、陶瓷等脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，可按需要设计、的优点，可按需要设计、复合成为综合性能优异的复合成为综合性能优异的各种新材料。各种新材料。生物陶瓷生物陶瓷记忆合金记忆合
27、金10/19/2022 材料、能源和信息构成现代文明的三大支柱。材料、能源和信息构成现代文明的三大支柱。新世纪对材料不仅功能上提出更高的要求，而且新世纪对材料不仅功能上提出更高的要求，而且必须考虑资源、能源、环境和安全等与可持续发必须考虑资源、能源、环境和安全等与可持续发展有关的问题。展有关的问题。对未来复合材料的发展趋势大致可以概括为对未来复合材料的发展趋势大致可以概括为“六化六化”：即：即智能化、仿生化，复合化、纳米智能化、仿生化，复合化、纳米化、轻量化和高功能化化、轻量化和高功能化。复合材料的发展方向复合材料的发展方向10/19/2022 智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而
28、智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而自动作出适时、灵敏和适当的响应，并能自动地调节、修饰和自动作出适时、灵敏和适当的响应，并能自动地调节、修饰和修复。例如，修复。例如，形状记忆合金形状记忆合金便是一种智能材料。便是一种智能材料。高分子属于高分子属于软物质软物质，其特点是对弱的外界影响作出相对显，其特点是对弱的外界影响作出相对显著的响应和变化。因此研究高分子的软物质特征，利用外场的著的响应和变化。因此研究高分子的软物质特征，利用外场的变化来调节高分子功能的变化，发掘高分子的自适应性，寻找变化来调节高分子功能的变化，发掘高分子的自适应性，寻找实现高分子复合材料智能化的途径，将是人们今后
29、的努力目标。实现高分子复合材料智能化的途径，将是人们今后的努力目标。智能化智能化10/19/2022 通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，学习制造新材料的思路和方法，并在材料的设计和制学习制造新材料的思路和方法，并在材料的设计和制造中加以模仿，称为造中加以模仿，称为仿生材料学仿生材料学。科学家找到了科学家找到了贝壳贝壳硬而摔不破的硬而摔不破的原因，于是模仿贝壳的结构设计原因，于是模仿贝壳的结构设计出一种出一种摔不破的陶瓷摔不破的陶瓷。将涂有石。将涂有石墨层的墨层的SiCSiC陶瓷片用热压法层层叠陶瓷片用热压法层层叠起来，抗冲击能力可提
30、高起来，抗冲击能力可提高100100倍。倍。英国科学家用其制造汽车陶瓷发英国科学家用其制造汽车陶瓷发动机，它耐高温，不需要水冷系动机，它耐高温，不需要水冷系统。统。仿生化仿生化10/19/2022既坚硬又柔韧的既坚硬又柔韧的仿生陶瓷仿生陶瓷是是航天航空理想的发动机材料，航天航空理想的发动机材料，也是制造装甲车、坦克和防也是制造装甲车、坦克和防弹车的理想材料。弹车的理想材料。蜘蛛丝蜘蛛丝是世界上最坚韧的纤维之一，美国投入是世界上最坚韧的纤维之一，美国投入很大力量研究天然蜘蛛丝的结构、性能及生长很大力量研究天然蜘蛛丝的结构、性能及生长机理，已研制出机理，已研制出仿生蛛丝仿生蛛丝。10/19/2022
