复合材料的定义和分类

复合材料基础李勇[e-mail]对学习的态度：知识就是力量；对工作的态度：既来之，则安之；对机会的态度：时刻准备着。考虑问题要一分为二：在顺利的时候想到问题，在取得成绩的时候看到不足，在逆境遇挫的时候看到未来的前景。内容提要•第一章绪论•第二章基体材料•第三章增强材料•第四章复合材料界面理论与处理技术•第五章复合材料性能及其复合原理•第六章复合材料各论引言我们知道，人类发展的历史和材料发展的历史息息相关，历史学家把人类发展史按石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代等来划分。也可以说，人们往往以人类的使用工具以及制造工具的材料进步情况作为作为人类文明进步的一种标志。长期以来，人类为了生产和科学技术的进步，一直不断的开发新材料。从材料的角度来看，任何一种单一材料都有其若干突出的优点，但也存在一些明显的缺点，而且这些缺点的改善有时又是非常的困难的。尤其是近三十年来科学技术发展迅速，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料的性能提出了越来越高的要求。因此单一材料已经不能满足这种需求。研究发现，将两种或两种以上的材料采用某种方式复合后，可以制成一种新的材料（我们称之为复合材料）。这些新材料常常保留了原有单一组分的优点，同时克服或弥补了它的缺点，显示出一些新的特性。人类使用各类材料的历史与发展态势第一章绪论1.1.复合材料的定义和分类•复合材料的定义基体材料和增强材料界面•复合材料的分类按形态分类按基体分类按材料作用分类其它1.1.1.复合材料的定义•关于复合材料的定义人们说法不同。有人说“复合材料是由两种或者两种以上单一材料构成的具有一些新性能的材料”，这种解释虽容易被人理解，但从科学的角度来看，尚不完善，也不够确切。•最具有说服力的定义是ISO（InternationalOrganizationforStandandization），即“复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。”国防科技大学胡振渭教授在80年代初期曾对复合材料做过较为简明的定义。他指出：“复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的一种材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没有的新性能的一种多相材料”。各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”1.1.1.复合材料的定义复合材料是材料中的君子——和而不同上述所列复合材料的定义都忽略了作为复合材料的重要特点——可设计性。1994年出版的由师昌绪主编的《材料大辞典》对复合材料给出了比较全面完整的定义，这个定义的描述是：“复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别”。基体材料和增强材料复合材料中存在两种或者两种以上的物理相，可以是连续的，也可以是不连续的。其中连续的物理相称之为基体材料，而不连续的物理相以独立的形式分散在连续的基体中，即分散相。如果它对材料起到增强作用，则称增强材料。现代增强材料也有连续的情况，例如三维编织用于复合材料的增强材料。引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分为0-3型、1-3型、2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构。界面•在复合材料的两种组成部分中，即在基体和增强材料存在着一个界面，界面则对复合材料的性质起到非常重要的作用。•在纤维复合材料中，纤维起增强作用，承受大部分载荷。基体和纤维通过界面连接在一起，基体将载荷经界面传递给纤维，不仅能够充分发挥纤维的抗张性能优异的特点，还能起到使载荷均匀分布和保护纤维免遭外界损伤的作用。按材料作用分类结构复合材料特点：具有良好的力学性能，用于建造和构造结构的材料功能复合材料特点：以功能性为主导，如电学、磁学、光学、热学、放射等性能1.1.2.复合材料的分类按增强材料的形态分类短纤维复合材料粒状填充复合材料片状填充复合材料编织复合材料连续纤维复合材料缠绕复合材料按基体分类高分子CM金属CM陶瓷CM同质物质CM依据增强材料的种类，则可分•玻璃纤维复合材料•碳纤维复合材料•有机纤维增强复合材料：Kevlar、PBO…•金属纤维复合材料（不锈钢）•陶瓷纤维复合材料——氧化铝、碳化硅、硼纤维……1.2.复合材料的发展和应用公元前5000年，中东人用沥青和芦苇复合在一起用来造船公元前3000年前，印度人用虫胶树脂制作复合板我国在封建时代故宫的建造中所使用了粘合剂茅草和泥土的复合－建造房子复合材料的发展有三个过程复合材料作为一门学科，作为一种新兴的材料工业，直到本世纪末40年代才出现。1940—1960称为第一代。Glassfibers增强塑料即玻璃钢，同时出现了硼纤维和CFRP。1960—1980称为第二代。出现了KFRP、SiC纤维增强塑料、Al2O3金属纤维增强塑料。此间是先进复合材料的开发时期。1942年，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。1980—是先进复合材料得到充分发展的时期，称为第三代。在航空航天各领域得到了迅速的发展，并在各个领域得到应用，同时出现了纤维增强金属、纳米材料作为分散相等复合材料。复合材料的发展的三个过程建筑工业上的应用交通运输业船舶和近海工程防腐工程电子/电气工业航天航空和国防工业1.3.复合材料的应用ApplicationsofCompositesAstronauticsAeronauticsAutomobilesNationaldefenceEntertainmentBiomedicalComputerSportinggoods民用工业民用工业复合材料补强民用工业由于复合材料高耐腐蚀性的特点，在沿海油气田领域有广泛的应用前景抛物面天线轻型民航机直升机航空发动机战斗机干线飞机近地轨道卫星同步轨道卫星飞船、空间站600100045004500450020000200000300000减轻重量、降低成本各种飞行器减重的经济效益，元/公斤航空航天航空航天0%10%20%30%40%50%60%19701980199020002010CompositeUsageMirageF18CDC17AV8BRafaleF18E/FUCAVEuroFighterF35F/A22B2A-380A-320A-340A-330F15787PremierHorizonA-350航空航天F162%用量成为军机先进性重要标志F2224%F/A1812%阵风30%F3535%EF-2000高至40%复合材料在阵风上的应用（黑体部位）EF2000飞机结构示图F-22战斗机上复合材料的应用B-2飞机的整个机身，除主梁和发动机机舱使用的是钛复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成，不易反射雷达波。并且这些不同的复合材料经共固化而成。B-2战斗机上复合材料的应用X-45复合材料用量提高到90%以上复合材料在无人机上的应用RQ-4B“全球鹰”复合材料机翼长39.9米，重约1814千克RAH-66“Kamanche”攻击/侦察直升机，复合材料占整个直升机结构重量的51%复合材料在直升机上的应用V-22“鱼鹰”偏转翼直升机，59%的机体为复合材料，只有454Kg是金属材料。航空航天FloorBeamsforupperDeck:CFRP,continuousProcessRearPressureBulkhead:CFRP,RFI,NCFHorizontalTailPlane:IMFiber,ATLforTorsionBoxandElevatorsVerticalTailPlane:IMFiber,ATLforTorsionBoxandRuddersWing:GlassThermoplasticJ-noseCFRPOuterFlaps:CFRP,ATLCenterWingBox:HT&IMFiber,ATLUn-pressurizedFuselage:solidlaminatedCFRP,AFPFlapTrackPanels:CFRP航空航天A380压力仓盖舱盖A380机身上盖板纵梁支撑Glare层板A380平尾A380中央翼盒航空航天787复合材料占结构重量的50%航空航天A400M占结构重量的40%左右A350飞机将复合材料用量由39%、三次提高到52%与B787飞机竞争。航空航天航空航天卫星主承力筒航天器燃料贮箱太阳帆板基板导弹鼻锥我国航空航天应用航空航天15%65%5%15%复合材料铝合金钛钢2000202015%15%5%65%铝合金钛复合材料钢航空航天结构材料武器装备1.3纤维复合材料的特点•比强度和比模量高•抗疲劳性好•减振能力好•破损安全性好•性能的各向异性及可设计性强•整体成型、材料结构一体化1.4纤维复合材料的特点（1）比强度和比模量高•比强度和比模量的定义–比强度和比模量是指材料强度和模量与材料密度之比值.•为什么高分子纤维的比强度高，ρ较小，注意单位•如钢、铅、玻璃钢、CF/环氧树脂、kevlar、硼纤维比强度和比模量越大，这种结构材料制成同样强度构件的质量越小，这对航空航天工业有着特别重要的意义。如宇宙飞船的质量减轻1kg，就可以使推送它的火箭减轻500kg的质量。材料密度/g/cm3抗拉强度/GPa弹性模量/GPa比强度比模量钢7.81.012060.1326铝2.80.46740.1726钛4.50.941120.2125玻璃钢2.01.04390.5220CFII/Epoxy1.451.471371.0295CFI/Epoxy1.61.052350.66147Kevlar/Epoxy1.41.37780.9856硼纤维/Epoxy2.11.342060.6498硼纤维/铝2.650.981960.3774材料力学性能比较1.4纤维复合材料的特点（2）抗疲劳性好•疲劳破坏：材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。•金属材料：抗疲劳性差，没有明显的预兆的突发性破坏。裂纹一旦达到临界尺寸就突然断裂，其疲劳强度极限是其抗拉强度的30－50％。•纤维复合材料：其抗疲劳破坏是从纤维的薄弱环节开始，逐步扩展到界面上，纤维复合材料中存在着难于计数的纤维/树脂界面，这些界面能阻止裂纹进一步扩展，从而推迟疲劳破坏的发生。破坏前有明显的前兆。纤维复合材料的拉／压疲劳极限值达到静载荷的70－80%。1.4纤维复合材料的特点（3）减振能力好•受力构件的自振频率正比于比模量的平方根。•因此，纤维复合材料的比模量大，自振频率高，在通常加载速度或频率下不容易因共振而快速脆断。•同时，复合材料中的界面对振动产生的能量有反射和吸收作用，故复合材料振动阻尼强。•例如，在同样条件下产生的振动，轻合金需9秒才停止，而碳纤维复合材料只需2－3秒停下。1.4纤维复合材料的特点（4）破损安全性好纤维复合材料的横截面是大量的纤维，即使部分断裂，也能承受一段时间。载荷会迅速分配到未被破坏的纤维上，不致于造成构件在瞬间完全失去承载能力而断裂。仍能安全地使用或安全使用一定期限。这种安全地承受一定损伤的能力即破损安全性，纤维复合材料具有较好的破损安全性。（5）性能的各向异性及可设计性强根据需求设计制造，不需焊、铆、切割等二次加工。各向异性（如力学性能）可根据载荷分别及使用条件的不同选择相应的铺层设计，可以突破指导的优化设计，做到安全可靠、经济合理。（6）整体成型、材料结构一体化JSF的垂尾及平尾原来采用铝合金蜂窝芯/复合材料蒙皮结构，为减轻结构重量采用全复合材料结构的垂尾，使零件数从原来13个减至1个，紧固件取消了1000个，制造费相应减少60%以上。纤维复合材料的缺点⑴纤维与基体组成的复合材料，微观结构不均匀，易在薄弱处发生破坏；⑵层间剪切强度和横向强度低⑶抗冲击性差；⑷长期耐高温及耐老化性能差；⑸工艺质量不够稳定，材料性能的分散性大。材料科学设计理论工艺技术复合