搜索
1复合材料概论Composites2教材：《复合材料概论》作者：王荣国等哈尔滨工业大学出版社，第3版(2011年2月1日)复合材料的基体材料复合材料的增强材料复合材料的界面聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳/碳复合材料混杂纤维复合材料3A.土砖房子4B.钢筋水泥房子史上最牛的钉子户5我们住在复合材料里6C.燕子窝：泥土-草复合材料7树木也是一种复合材料木质素纤维素D.自然界的复合材料竹、木、骨、贝壳、象牙和龟壳……8复合概念a+ba+b+ca+b+c+………复合材料：由两种以上在物理和化学性质上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料9这么简单的组合，通过简单的共混得到，能有科学与技术的含量吗？？贝壳被称为摔不坏的陶瓷，达到了强、韧的最佳配合，是纯文石的3000倍。10•小到生活应用旅行箱、洗脸盆、水管、电插板•航空航天哥伦比亚号航天飞机的失事11世界上最轻的自行车整车重量仅有1.25公斤12海鳗的发电器瞬间可以发出800伏的电压，足以电死一头大象，但是它的发电器不是金属等导电器材，而是蛋白质的分子集合体。仿生复合材料13一般材料的强硬度与塑韧性是相互矛盾的！！！但是贝壳却达到了强、韧的最佳配合，它又被称为摔不坏的陶瓷与其独特的微观结构密切相关。贝壳中：珍珠层的叠层结构是其高断裂韧性的根源。研究表明珍珠层是由高强、硬度的纹石片叠层累积组成，但纹石片间存在韧性非常好的有机质层文石层碳酸钙含量为99%，以蛋白质为主的有机质不到1%.14复合材料的使用目的：结构复合材料功能复合材料性能应用组成与微结构以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应用，主要用于结构承力或维持结构外形。以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、磁的功能要求。15什么是材料？对材料的认知？材料和化学与物理之间的关系？材料涉及的科学与技术？16参考书目《复合材料学》周祖福主编出版社：武汉理工大学出版社《先进复合材料》鲁云主编出版社：机械工业出版社《复合材料结构设计基础》李顺林王兴业主编出版社：武汉工业大学出版社17学习目的了解复合材料的微结构与性能之间的关系了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机制和界面作用了解常用的复合材料的组成、制备、结构等18如何学习这门课程？讲授和自学两种方式考核方式(1)期末闭卷考试（60%）(2)自学写一篇有关“复合材料”的小综述、学习心得、读书报告或自己想设计一种什么样的复合材料；“五一”黄金周之后上交（30%）。(3)考勤（10%）19一、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性质上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料《材料大词典》：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。20定义：由两种或两种以上，物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料。它既保留原组成材料的重要特色，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，从而获得更优秀的性能。21复合材料22天然木材----纤维素纤维+木质素钢筋混凝土----砂、石、钢筋+水泥玻璃钢----玻璃纤维+热固性树脂C/C复合材料----石墨碳纤维+热解碳或树脂碳（耐烧蚀）经常使用的复合材料23复合材料的组成相：增强相----纤维、晶须、颗粒。（不连续相）基体相----金属、陶瓷、聚合物。（连续相）24增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。25Schematicillustrationofcompositeconstituents26二、复合材料种类•三大材料：–金属–无机非金属–有机高分子•复合材料–取长补短–协同作用–产生原来单一材料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27三、复合材料的特点1）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，组元之间存在着明显的界面；2）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，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；3）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，从而极大地提高工程结构的效能。28现代社会信息生命材料社会29四、材料的发展世界是由物质组成的吃穿住行生产与生活资料“只要知道物质的结构，人类在现在或未来能合成所有的东西。”30人造肉类31材料是人类生存和发展的物质基础钢铁时代高分子时代多种材料并存的时代生产力获得了极大地解放，推动着人类社会的进步！旧石器时代新时期时代青铜时代铁器时代3220世纪60年代以来，材料种类得到拓展，性能上得到极大的扩展与深度挖掘：光、声、磁、力、超导、高塑、超强、超硬、耐高温等功能化复合化智能化生态化高分子的发展德国化学家H.Staudiger,20世纪30年代提出大分子概念Ziegler和Natta的定向聚合理论的诞生促进PP、PECarothers的缩合聚合理论，尼龙面世33五、复合材料历史古代－近代－先进复合材料天然复合材料竹、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古代：使用、效仿半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆十九世纪末期出现由纤维增强橡胶制成的轮胎、橡胶布。3420世纪40年代初，美国首先用玻璃纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之后，玻纤增强塑料（我国俗称玻璃钢）广泛用于航空、造船、汽车、化工、电器等国防和国民经济各部门。我国先进复合材料的应用和研究是从20世纪60年代末期开始的。35近现代：•第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料•第二代：1960年到1980年，先进复合材料1965年英国科学家研制出碳纤维1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-491975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。•第三代：1980年到1990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。•第四代：1990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。36(1)强调基体即强调了基体材料的种类和特征(2)强调增强体即强调增强材料的种类和性质酚醛树脂基复合材料、铝合金基复合材料等碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等六、复合材料的分类37金属基复合材料非金属基复合材料复合材料高聚物基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料橡胶基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料六、复合材料的分类（1）38颗粒增强复合材料纤维增强复合材料复合材料连续纤维复合材料不连续纤维复合材料层合结构复合材料缠绕结构复合材料颗粒强化复合材料弥散强化复合材料多向编织复合材料短切纤维复合材料晶须复合材料颗粒直径范围1~50μm，颗粒体积含量25％~70%，增强颗粒之间的距离一般大于1μm。颗粒的作用：由于颗粒本身的刚硬阻止基体变形而起到增强作用。颗粒直径范围0.01~0.1μm，颗粒体积含量1％~15％。颗粒的作用：阻止基体材料的位错运动而起到增强作用。由无纬布或纤维织物铺叠而成由纤维粗纱缠绕或纤维织物带按一定缠绕规律卷绕而成由纤维在三维多方向编织而成六、复合材料的分类（2）39Classesofcomposites40纤维增强复合材料种类①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。混杂复合材料：•两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料•可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。41按基体材料分类①聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；②金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；③无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。42按材料作用分类①结构复合材料：用于制造受力构件；②功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）异质复合材料（复合材料多属此类）。43复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属材料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机高分子材料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶44各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料非常成熟广泛的应用金属基复合材料开发阶段某些结构件的关键部位陶瓷基复合材料及功能复合材料等尚处于研究阶段有不少科学技术问题有待解决45复合材料的设计－－从常规设计向仿生设计发展仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40％。仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。46性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是它们的结合界面、成型工艺等。1、主要取决于增强相的性能⑴.比强度、比刚度高⑵.冲击韧性和断裂韧性高⑶.耐疲劳性好⑷.减震性⑸.热膨胀系数小复合材料的性能比较裂纹扩展示意图47材料密度g/cm3抗拉强度103MPa弹性模量105MPa比强度比模量钢7.81.032.10.130.27铝合金2.80.470.750.170.26钛合金4.50.961.140.210.25玻璃钢2.01.060.40.530.20碳纤维/环氧1.451.501.41.030.97有机纤维/环氧1.41.40.81.00.57硼纤维/环氧2.11.382.10.661.0硼纤维/铝2.651.02.00.380.57各种材料的比强度和比模量48⑴、硬度陶瓷基金属基树脂基⑵、耐热性树脂基:60～250℃金属基:400～600℃陶瓷基:1000～1500℃⑶、耐自然老化陶瓷基金属基树脂基2、取决于基体相的性能49⑷、导热导电性金属基陶瓷基树脂基⑸、耐蚀性陶瓷基和树脂基金属基⑹、工艺性及生产成本陶瓷基金属基树脂基50粒子增强复合材料•粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。•这种复合材料是各向同性的。卫星用颗粒增强铝基复合材料零件复合材料介绍51•聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料。•陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。粒子增强SiC陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶52•金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。•碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合