复合材料概述(大学课件)

复合材料的结构
三大要素:基体 增强体(reinforcement)和界面（Interface）。 和界面（ 三大要素 基体(Matrix)增强体 基体 增强体 和界面 ）。
复合材料的结构
• 基体 基体(Matrix)：一般而言，复合材料结构中 ： 的连续相称之为基体，基体的作用是将增 强材料粘接成固态整体，保护增强材料， 传递荷载，阻止裂纹扩展，如聚酯树脂、 乙烯基树脂等 • 增强体 增强体(reinforcement)：以独立形态分布 ： 于基体中的分散相，由于其具有显著增强 材料性能的特点，故称之为增强体，如玻 璃纤维、晶须等 flv
• 增强体为连续长纤维，纤维方向可谓单一 方向如图1-5，或双向正交如图1-6，或多方 向如图1-7；当纤维方向为单一或双向正交， 该复合材料可视为具正交性，若排成多方 向，则将复合材料视为类等向性。
图1-5 unidirectional
图1-7 multidirectional
按基体材料的种类可分为4类 按基体材料的种类可分为 类
碳基复合材料 carbon matrix composites
• 基体为碳或石墨。 • 增强材料为石墨纤维及其织物(fabric)。 • 此类复合材料具高强度，且在高温时具低 密度及低热膨胀性，可适用于超高温约 2600℃。如碳纤维增强碳基体（C/C复合材 料）。FLV
复合材料
Composite Materials，简称 ，简称CM
复合材料的发展
• 1980年至1990年间，出现了纤维增强金属基复 合材料，即第三代复合材料 • 1990年后，第四代复合材料开始出现，主要是 功能性复合材料，如机敏复合材料、仿生复合 材料、隐身复合材料等
我国发展怎样？ 我国发展怎样？
我国复合材料的发展
我国的复合材料开始发展于1958年，主要引进前苏 联的玻璃纤维增强不饱和聚酯技术。首先用于军 工制品，而后逐渐扩展到民用。1958年以手糊工 艺研制了玻璃钢艇，以层压和卷制工艺研制玻璃 钢板和火箭弹，1961年研制成用于远程火箭的玻 璃纤维-酚醛树脂烧蚀防热弹头，1962年引进不饱 和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术， 并制造了玻璃钢的直升机螺旋桨叶和风洞叶片， 同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批氧气瓶 等压力容器。1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造 了一座直径44m的雷达罩。自70年代以后玻璃钢 复合材料逐渐转向民用
• • • • • 复合材料的1发展 复合材料的2定义 复合材料的3特点 复合材料的4结构 复合材料的5分类 复合材料的6命名 复合材料的 命名————理解 理解 命名 • 复合材料的7优点 • 复合材料的8应用
复合材料的命名
• 根据基体材料来命名，强调基体时以基体材料的 根据基体材料来命名， 名字来命名，如树脂基复合材料、陶瓷基复合材
• • • • 树脂基复合材料（polymer matrix composites） 金属基复合材料（metal matrix composites） 陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites） 碳基复合材料(carbon matrix composites)
树脂基复合材料 polymer matrix composites
复合材料
Composite Materials，简称 ，简称CM
• 复合材料的1发展 • 复合材料的2定义 复合材料的3特点 特点————掌握 复合材料的 特点 掌握 • 复合材料的4结构 • 复合材料的5分类 • 复合材料的6命名 • 复合材料的7优点 • 复合材料的8应用
复合材料的特点
• • 1复合材料的组分和相对含量是由人工选 择和设计的 ——可设计性 可设计性 2复合材料是以人工制造而非天然形成的 （区别于具有某些复合材料形态特征的天 然物质） 3组成复合材料的某些组分在复合后仍保 持其固有的物理和化学性质（区别于化合 物和合金）
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的物质组合起来而得到 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。 的一种多相固体材料。” 《材料科学技术百科全书》：“复合材料是由有机高分子、无机非金属或金 材料科学技术百科全书》 复合材料是由有机高分子、 属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。 属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料 几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料 的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。 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，从而获得更优越的性能， 计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材 性能互相补充并彼此关联 料的简便混合有本质区别。 料的简便混合有本质区别。” • 《材料大辞典》：“复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有 材料大辞典》 复合材料是根据应用的需要进行设计， 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，使之互补性能 机聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能 优势，从而制成的一类新型材料。 优势，从而制成的一类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元 所组成，因此亦属于多相材料范畴。 所组成一定数量比（质量 份不低于5%）的两种或两种以上的组 分（或称组元），通过人工复合、组 成多相、三维结合且各相之间有明显 界限的、具有特殊性能的材料。
注意：复合材料的各个组分在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料 的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
粒状复合材料 particulate composites
图1-2 顆粒复合材料
• 其增强体是由不同尺寸、形状的颗粒，随 机散布在基体中，如图1-2；由于增强体随 机分布，此类复合材料可视为类均质 (quasi- homogeneous)、类等向(quasiisotropic)。颗粒复合材料的增强体可为金 属或非金属。最具代表性者为混凝土，其 中石子为增强体，水泥砂浆为基体。
料、金属基复合材料等。
• 根据增强材料来命名 根据增强材料来命名，强调增强材料是以增强材 料的名字来命名，如玻璃纤维增强复合材料、碳
纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。
• 基体材料的名称与增强材料的名称共用 基体材料的名称与增强材料的名称共用，此种命 名方法一般用来表示某一具体的复合材料 习惯 用来表示某一具体的复合材料，习惯 用来表示某一具体的复合材料 做法是增强材料的名称在前， 做法是增强材料的名称在前，基体材料的名称在 后，如玻璃纤维/环氧树脂复合材料、碳纤维/金属 基复合材料、碳/碳复合材料等。
• 增强体为短纤维，方向可为单一方向，图13；或自由分布，如图1-4。前者为非等向 性(anisotropic)，但具正交性(orthotropic)， 后者可视为类等向性。
不连续或短切纤维复合材料 discontinuous or short-fiber composites
图1-3
图1-4
连续纤维复合材料 continuous fiber composites
复合材料
Composite Materials，简称 ，简称CM
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复合材料的定义
两种以上不同的原材料组成 并使原 原材料组成， 由两种以上不同的原材料组成，并使原 材料的性能得到充分发挥 能得到充分发挥， 材料的性能得到充分发挥，通过复合化 而得到单一材料所不具备的性能。 而得到单一材料所不具备的性能。 ”（ 岛 村
未来を 先端材料，工业调查会， 昭治 . 未来を拓く先端材料，工业调查会，1982 ）
复合材料
Composite Materials，简称 ，简称CM
• • • • • • • 复合材料的1发展 复合材料的 发展————了解 发展 了解 复合材料的2定义 复合材料的3特点 复合材料的4结构 复合材料的5分类 复合材料的6命名 复合材料的7优点 复合材料的8应用
复合材料的发展
• 近代最早的复合材料是1909年出现的用酚醛树脂 混合木粉热压成型的电木 • 1932年在美国出现了第一块玻璃纤维增强聚酯复 合材料 • 1940年至1960年间，玻璃纤维增强聚酯复合材料 迅速发展，可称为第一代复合材料 • 1960年至1980年间，随着碳纤维、石墨纤维和芳 纶纤维等高强度、高模量增强纤维的出现，先进 复合材料开始发展，称之为第二代复合材料
• 基体树脂包括环氧树脂(epoxy)、酚醛树脂 （phenolic resin）、乙烯基树脂（vinyl resin）、 不饱和聚酯树脂(unsaturated polyester resin)、 热固性树脂（thermosetting resin）及热塑性树脂 (thermoplastics resins)，以不饱和聚酯树脂使用 最多。 • 增强材料多为玻璃纤维（glass fiber）及其织物、 碳纤维(carbon fiber)或石墨(graphite fiber)及其织 物、芳纶纤维（aramid fiber）及硼(boron)纤维等。
复合材料
Composite Materials，简称 ，简称CM
• • • • 复合材料的1发展 复合材料的2定义 复合材料的3特点 复合材料的4结构 复合材料的5分类 分类————理解 复合材料的 分类 理解 • 复合材料的6命名 • 复合材料的7优点 • 复合材料的8应用
复合材料的分类
• 按增强材料的形态、几何形状及方向可分 按增强材料的形态、 为3类 类 一 粒状复合材料（particulate composites） 粒状复合材料（ ） 二 不连续或短切纤维复合材料 （discontinuous or short-fiber composites） ） 连续纤维复合材料（ 三 连续纤维复合材料（continuous fiber composites） ）