第1章_聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展_

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复合材料发展的第二代
先进复合材料的开发时期 复合材料的种类不断增加 基体材料主要为热固性树脂
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年代以后） 第三代复合材料 （80年代以后） 年代以后
1982出现了先进热塑性复合材料； 出现了先进热塑性复合材料； 出现了先进热塑性复合材料 现代复合材料的成熟应用时期： 现代复合材料的成熟应用时期：复合材料不仅在航空 航天领域，而且在几乎所有工业和民用领域得到应用； 航天领域，而且在几乎所有工业和民用领域得到应用； 以金属或陶瓷为基体的先端复合材料也得以应用； 以金属或陶瓷为基体的先端复合材料也得以应用； 多功能复合材料得到 多功能复合材料得到发展 。 得到发展
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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， 生命体基本单位 细胞，是细胞 细胞 细胞基质、细胞核的复合体， 膜、细胞基质、细胞核的复合体， 各自担任营养、 各自担任营养、信息表达和力学 支撑的作用。 支撑的作用。即使细胞膜也是有 磷脂双分子层， 磷脂双分子层，蛋白质组成的复 合功能体系。 合功能体系。
架 金属 金属 合金 架 9
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复合材料
金 属 基 复 合 材 料
陶 瓷 基 复 合 材 料
材料 合金 架
1.1.2 复合材料的提出
现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展； 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时 也对材料提出了更高、更苛刻的要求。 也对材料提出了更高、更苛刻的要求。现代高技术的迅猛发 展，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展对材料提出了 特别是航空、 越来越苛刻的要求。例如，航天飞机等空间飞行器， 越来越苛刻的要求。例如，航天飞机等空间飞行器，空间飞 行器的发动机，现代武器系统，要求材料质轻、高强、高韧、 行器的发动机，现代武器系统，要求材料质轻、高强、高韧、 耐热、抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀、吸波、隐身、 耐热、抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀、吸波、隐身、抗穿甲性等 特性。 特性。 很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求， 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、 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 固有的局限性而不 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。 能满足现代科学技术发展的需要。
倪礼忠，陈麒。 聚合物基复合材料 倪礼忠，陈麒。华东理 出版) 工大学出版社 (2007-02出版 出版 复合材料吴人洁主编，天津大学出版社， 复合材料吴人洁主编，天津大学出版社， 吴人洁主编 出版） （2000.12出版） 出版
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网站
http://www.salspolymer.com （赛思高分子科学） 赛思高分子科学） http://www.polymer.cn/Resource/ （中国聚合网） 中国聚合网） http://www.polymercn.net/bbs/（高分子材料论坛） （高分子材料论坛） http://www.bylm.net/index.html（博研联盟 ） （ http://www.kaoyan.com/ （考研加油站） 考研加油站）
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人类很早就接触和使用各种天然复合材料， 仿效自然 接触和使用各种天然复合材料 人类很早就接触和使用各种天然复合材料，并仿效自然 界制作各种各样的复合材料。 界制作各种各样的复合材料。 陕西半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今（ 陕西半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今（6000年）； －－草梗合泥筑墙 年 垛泥墙——土坯墙 土坯墙——混凝土建筑复合材料） 混凝土建筑复合材料） （夯土墙——垛泥墙 夯土墙 垛泥墙 土坯墙 混凝土建筑复合材料 漆器－－麻纤维和生漆复合而成，至今已四千多年； 漆器－－麻纤维和生漆复合而成，至今已四千多年； －－麻纤维和生漆复合而成
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玻璃纤维绳
碳 纤 维 绳
迮
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1.1.3 复合材料的发展历史
天然复合材料 实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。 实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。例 如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强 如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强 植物竹子 复合材料； 骨骼结构也是复合材料结构原理 也是复合材料结构原理。 复合材料；人类肌肉 / 骨骼结构也是复合材料结构原理。 稻草加粘土（非连续纤维增强复合材料） 稻草加粘土（非连续纤维增强复合材料）作为建筑材料 砌建房屋墙壁。 砌建房屋墙壁。 在现代，复合材料的应用更比目皆是， 在现代，复合材料的应用更比目皆是，与日常生活 和国民经济密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的水 和国民经济密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的水 泥复合材料；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢） 泥复合材料；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）。
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第二代 第一代 玻璃纤维 金属纤维 ↑ 高韧性 轻量 硼纤维 高弹性 氧化铝纤维 耐热性 环境扩大 泡沫材料 工程塑料 聚酰亚 硝胺 金 属 定向凝固 共晶 自增强 塑料
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第三代
芳族聚酰胺 晶 须 β-SiC α-Al2O3 Si3N4 石墨
+
聚 酯
碳纤维 石墨纤维 延伸与 韧性 功能化 功能 复合材料 氧化铝纤维 碳化硅纤维
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1.1复合材料的发展历史和意义 复合材料的发展历史和意义 1.1.1 材料的发展与人类社会的进步
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； 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； 材料反应人类认识自然和改造自然的能力， 材料反应人类认识自然和改造自然的能力，人类获得和使用材料 有着几千年的历史； 有着几千年的历史； 每当出现一种划时代的新材料，生产力会获得一次巨大的发展， 每当出现一种划时代的新材料，生产力会获得一次巨大的发展， 人类社会会出现一次飞跃。 人类社会会出现一次飞跃。
当前材料科学、能源技术、信息科学是现代科技的三大 当前材料科学、能源技术、信息科学是现代科技的三大 材料科学 支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。 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。 纪将是一个新材料时代。
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新材料
金属材料 非金属材料 高分子 材料 材料
金 属 结 构 材 料 金 特 属 种 功 玻 能 璃 材 料 料 材 瓷 陶 新 磁 记 录 材 料 集 成 电 路 材 料 人 工 单 晶 材 料 树 脂 基 复 合 材 料
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1.1.3 复合材料的发展历史
天然复合材料 天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合 天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合 植物竹子 材料。 材料。
树木和竹子是纤维素和木质素的复合体。 树木和竹子是纤维素和木质素的复合体。 的复合体
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骨骼结构也是复合材料结构原理 也是复合材料结构原理。 动物肌肉 / 骨骼结构也是复合材料结构原理。 动物的骨骼则由无机磷酸盐 蛋白质胶原复合而成。 动物的骨骼则由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。 则由无机磷酸盐和 复合而成
聚合物基复合材料
Polymer Matrix Composites
主讲教师： 主讲教师：张高文 zhgw2003@163.com 湖北工业大学化学与环境工程学院
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教材
郑亚萍。 聚合物基复合材料及工艺 ，王汝敏 郑水蓉 郑亚萍。 科学 出版) 出版社 (2004-06出版 出版 参考教材： 参考教材： 顾书英，任杰。化学工业出版社 聚合物基复合材料 顾书英，任杰。化学工业出版社 (2007-03 出版)。 出版 。
石器时代
青铜器时代 钢铁时代
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二十世纪中后期以来，高分子、 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，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼 材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命， 房可以越盖越高、飞机越飞越快， 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。 梦想成为了现实。
古代人们用钢铁层压法制成刀剑等。 古代人们用钢铁层压法制成刀剑等。
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鉴真和尚塑像
日本东京大唐招提寺 距今一千二百年
我国寺庙造像方法：雕刻法、 我国寺庙造像方法：雕刻法、 泥塑法、 泥塑法、绘画堆砌法和夹兰 法。 夹兰造像工艺非常复杂。 夹兰造像工艺非常复杂。它 先用泥将塑像捏塑成型， 先用泥将塑像捏塑成型，然 后加上木框， 后加上木框，蒙上红麻进行 烫漆。 烫漆。 烫漆干燥凝固后再除去里面 的胎坯才能完成。 的胎坯才能完成。
混凝土 石 膏
陶 瓷 石 墨
扩散接合 表面处理 CVD(化学气相沉积 化学气相沉积) CVD(化学气相沉积) CVI(化学气相渗透 化学气相渗透) CVI(化学气相渗透) 等
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近代的复合材料的发展——20世纪 年代 世纪40年代 近代的复合材料的发展 世纪
第二次世界大战中，美国用碎布酚醛树脂 碎布酚醛树脂代替木材制 第二次世界大战中，美国用碎布酚醛树脂代替木材制 备枪托； 备枪托； 采用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂 玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料被美国空 采用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料被美国空 军用于制造飞机构件（如雷达罩、油箱） 军用于制造飞机构件（如雷达罩、油箱）。 年到1960年这 年间，是玻璃纤维增强塑料时 年这20年间 从1940年到 年到 年这 年间， 复合材料发展的第一代。 可以称为复合材料发展的第一代 代，可以称为复合材料发展的第一代。
http://www.chinweb.com.cn/ListPageC/L100.shtml （化学信息网） 化学信息网）
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3来自百度文库
课程的重点和要求
学习重点是使学生能够较全面和系统地理解复合材料 及其力学的重要基本概念和理论，各类复合材料的性能、 及其力学的重要基本概念和理论，各类复合材料的性能、 成型工艺、界面特征和结构设计， 成型工艺、界面特征和结构设计，同时具有初步的复合材 料设计能力。 料设计能力。为学生今后在材料领域的学习和研究奠定较 坚实的基础。 坚实的基础。
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教学内容及安排
聚合物基复合材料的概念、特性、 第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 学时） （2学时） 学时 学时） 第二章 增强材料 （8学时） 学时 学时） 第三章 基体材料 （4学时） 学时 第四章 聚合物基复合材料的界面 （4学时） 学时） 学时 学时） 第五章 聚合物基复合材料成型用半成品的制备 （4学时） 学时 学时） 第六章 聚合物基复合材料的成型工艺 （8学时） 学时 第七章复合材料的力学性能 学时） 第七章复合材料的力学性能 （4学时） 学时 第八章纳米复合材料的制备 学时） 第八章纳米复合材料的制备 （4学时） 学时
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第1章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展 聚合物基复合材料的概念、特性、
1.1复合材料的发展历史和意义 复合材料的发展历史和意义 1.2 复合材料的定义 1.3复合材料的命名和分类 复合材料的命名和分类 1.4复合材料的成型方法 1.4复合材料的成型方法 1.5复合材料的特性 复合材料的特性 1.6 复合材料的进展
玻璃钢的缺点：质量较大、模量较低， 玻璃钢的缺点：质量较大、模量较低，不能满足航空航 天飞行器对高比模量和高比强度的要求。 天飞行器对高比模量和高比强度的要求。
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第二代复合材料——1960年到 年到1980年 第二代复合材料 年到 年
1965年英国科学家研制出碳纤维 年英国科学家研制出碳纤维——高比模量、高比强度； 高比模量、 年英国科学家研制出碳纤维 高比模量 高比强度； 1971年美国杜邦公司开发出 年美国杜邦公司开发出Kevler-49 ； 年美国杜邦公司开发出 1975年先进复合材料（ACM）“碳纤维增强、硼纤维及 年先进复合材料（ ） 碳纤维增强、硼纤维及 Kevler纤维增强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力 纤维增强环氧树脂复合材料” 纤维增强环氧树脂复合材料 已用于飞机、 件上。 件上。 20世纪 年代后战斗机的机翼、尾翼等部件都基本采用 世纪80年代后战斗机的机翼、 世纪 年代后战斗机的机翼 ACM，ACM用量占到机体质量 ， 用量占到机体质量20~30%。 。 用量占到机体质量