复合材料-第一章绪论

制造的产品分别具有 压电、铁电、导电、半导 体、磁性等或具有高强、 PTC陶瓷与压电陶瓷元件 高韧，高硬、耐磨。耐腐 蚀、耐高温、高热导、绝 热或良好生物相容性等优 异性能。
研究热点包括陶瓷材料的强韧化技术、纳 米陶瓷材料的制备合成技术、先进结构陶 瓷材料体系的设计以及电子陶瓷材料的高 匀、超细技术。
新型金属材料：交通运输用轻质高强材料，
能源动力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化 合物的脆性控制与韧化技术、高可靠性生产制 备技术。
终结者
金属玻璃(Metallic Glasses)
金属玻璃比钢强度高3倍，弹性大10倍。
先进陶瓷材料
先进陶瓷材料是指采 用精制的高纯、超细的无 机化合物为原料及先进的 制备工艺技术制造出的性 能优异的材料。
第一章 复合材料的发展概况及趋势
材料的发展与人类社会的进步息息相关
材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进
步的里程碑。
石器时代；青铜器时代；钢铁时代
二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及
复合材料的发展，给人类带来了新的材料和技术革 命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类 进入太空的梦想成为了现实。
飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度
图1 火箭壳体材料对射程的影响
航空发动机材料发展预测如下：
先进复合材料
• 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-49 1975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。
复合材料＝基体+增强相
基体：构成复合材料的连续相；
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。
增强相：复合材料中以独立的形态分布在整个基 体中的分散相，这种分散相的性能越优越，会使 材料的性能显著改善和增强。
•一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），
复合材料的分类：
性能高低
基体材料
增强材料的形式
• 《复合材料》 吴人洁主编，天津大学出版社，2000。 • 《现代复合材料》陈华辉 等 编著，中国物资出版社，1998。 • 《聚合物基复合材料及工艺》，王汝敏，郑水蓉，郑亚萍 编 著，科学出版社，2004。 • 《先进复合材料》，鲁云等主编，机械工业出版社，2004 。 • 《复合材料科学与工程》 倪礼忠等编著，科学出版社，2002 • 《复合材料》,冯小明主编，重庆大学出版社。 • 《复合材料》，尹洪峰主编，冶金工业出版社，2011。
【读书报告4月20号之前交】 作业： 查阅一篇英文文献 【2015年及以后】
要求：关于纳米复合材料、仿生复合材料等研究领域 的文献。从以下期刊选取文献 Advanced Materials; Advanced Functional Materials; Small;ACS Nano; Nano Letters; Biomaterials; Nature Nanotechnology; Nature Materials; ACS applied materials & interfaces
“哥伦比亚”航天飞机起飞 时隔热片曾被撞击
“哥伦比亚” 穿越大气层解体时的图像
“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会公布的调查报告称，外 部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的名为 “增强碳碳”（即增强碳-碳隔热板）的材料。 当航天飞机返回时，经过大气层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏 1400度的空气在冲入左机翼后融化了内部结构，致使机翼和机体 融化，导致了悲剧的发生。
用关键技术，及纳米加工与组装技术。
Space elevator
新型功能材料
研究热点包括：纳米功能材料、纳 米晶稀土永磁和稀土储氢合金材料、大 块非晶材料、高温超导材料、磁性形状 记忆合金材料、磁性高分子材料等。
石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如 果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度 的薄膜（厚度约100 万纳米），那么它将能承受大约 两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是 世界上导电性最好的材料。

天然复合材料
生命体是多层次意义上的复合体系
该完美的特性就来 源于复合与自修复
生命体基本单位—细胞，是细胞 膜、细胞基质、细胞核的复合体， 各自担任营养、信息表达和力学 支撑的作用。 即使细胞膜也是由磷脂双分子层， 蛋白质组成的复合功能体系。
现代高科技的发展更是离不开复合材料。
例如：火箭壳体材料对射程的影响，
生物医用材料
生物医用材料是一类用于诊断、治疗或替 换人体组织、器官或增进其功能的新型高技术 材料。 发展方向主要为：（1） 改进和发展生物 医用材料的生物相容性评价；（2） 研究新的 降解材料；（3） 研究具有全面生理功能的人 工器官和组织材料；（4） 研究新的药物载体 材料；（5） 材料表面改性的研究。
复合材料
任课教师：刘想梅
2017年春季
课程介绍
一、该课程的性质和任务：
专业选修课。 介绍材料领域国际前沿的研究进展，系统地 讲授复合材料的基础理论和发展概况; 展示21世纪复合材料领域的新概念、新理论、 新技术和正在开拓中的研究领域； 主要介绍复合材料，及其设计、制备方法和 复合技术。
二、本课程的基本要求：
• 通过本课程的学习，使学生了解复合材料 的发展趋势和技术前沿; • 掌握现代先进复合材料的种类、制备技术 及各种加工工艺; • 为发展新型复合材料及其制备技术，解决 复合材料加工过程中的技术问题开拓新思 路，奠定基础。
三、考核方法 课堂出勤率20％， 读书报告20％， 期末考试60％ 四、参考教材：
当前的研究热点和技术前沿包括高能储氢材料、 聚合物电池材料、中温固体氧化物燃料电池电解 质材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。
生态环境材料
特点：消耗的资源和能源少，对生态和环 境污染小，再生利用率高，而且从材料制造、 使用、废弃直到再生循环利用的整个寿命过程， 都与生态环境相协调。 发展方向：再生聚合物（塑料）的设计、材料 环境协调性评价的理论体系、降低材料环境负 荷的新工艺、新技术和新方法等。
当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的支
柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。 二十一世 纪将是一个新材料时代。
先进复合材料：未来复合材料的研究方向主要
集中在纳米复合材料、仿生复合材料和发展多 功能、机敏、智能复合材料等领域。
§1-1 新材料发展的若干技术前沿
“环球飞行者 (Global Flyer)” 飞机的结构件采用了环氧碳纤维材料，其中飞 机的狭长机翼采用了最硬的碳纤维，而表层是 由环氧碳纤维和芳纶蜂窝组成的三明治结构。
组分材料性能差异很大； 组成复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现新 性能。
§1-4 复合材料的命名与分类 命名：
复合材料可根据增强材料和基体材料的 名称来命名，通常将增强材料放在前面， 基体材料放在后面，再加上“复合材料” 而构成。
玻璃纤维/环氧树脂复合材料 玻璃/环氧复合材料
环氧玻璃钢（俗称） 玻璃纤维复合材料（强调增强材料） 环氧树脂复合材料（强调基体材料） C/C复合材料
瓷高 电性 容能 器低 温 烧 结 陶
耐高温长寿命抗氧化陶瓷基 复合材料
此项目研制的连续纤维增韧碳 化硅陶瓷基复合材料是国际上 公认的反映一个国家先进航空 航天器制造能力的新型热结构 材料，这也使我国成为继法国 和美国之后第三个掌握此技术 的国家。
西北工业大学 张立同院士
纳米材料：主要是纳米材料制备与应
研究重点：
（1） 智能材料概念设计的仿生学理论研究 （2） 材料智能内禀特性及智商评价体系的研究 （3） 耗散结构理论应用于智能材料的研究 （4） 机敏材料的复合-集成原理及设计理论 （5） 智能结构集成的非线性理论 （6） 仿人智能控制理论。
材料的设计、制备与评价技术：

材料智能合成与制备技术； 材料表面改性技术的低成本化途径与批量生产技术； 原位复合技术、仿生技术、原子尺度上的设计与排 布技术； 材料微观结构的模型化技术、智能化控制及动态实 时监测分析技术； 不同层次的材料设计、性能预测和评价表征新技术。
很明显，传统的单一材料无法满足以上 综合要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚 合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展， 但是以上这些材料由于其各自固有的局限性 而不能满足现代科学技术发展的需要。

• 3.1 复合材料概论
• 发展过程：古代－近代－先进复合材料
天然复合材料 －树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 －动物骨骼： 人类：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， 近代，复合材料的发展始于20世纪40年代，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。50年代得到了迅速发展。 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
神奇玻璃能自洁
TiO2, 光触媒，在受 到大于二氧化钛能隙 宽度的光线照射时 （例如紫外光），内 部电子会被激发，与 空气的氧气和水分子 发生作用，产生负氧 离子和氢氧自由基。 超薄二氧化钛镀膜(40 nm) 能够分解有机污垢
新能源材料
硅 太 阳 能 电 池 微型燃料电池模型
新能源材料主要包括镍氢电池材料、锂离子电池 材料、太阳能电池材料以及反应堆核能材料等。
及特殊的功能性。
•其主要作用是承受载荷或显示功能。