第一章 复合材料学-基本概念

1 复合材料基础
1.1 复合材料概况(Overview of Composites) 1.2 定义、命名和分类
(Definition, Name and Classification) 1.2.1 Definition
Definition1 : 由物理或化学性质不同的有机高 分子、金属或无机非金属等两种或两种以上材 料经一定的复合工艺制造出来的一种新型材料。
Engineering/index.htm
复合材料网站和网页
• 中国复合材料网/ • 中国复合材料学会/ • 西安航天复合材料研究所--复合材料专家 / • 材料复合新技术信息门户 / • 中国玻璃纤维复合材料信息网 • /pd/bx/index.php • 武汉理工大学复合材料系—复合材料技术网 • / • 北京航空航天大学材料科学与工程学院 • /lab.php?id=1
耐碱玻璃纤维或碳纤维与树脂基体结合，还 能用于强碱介质中使用。
5. 绝缘、导电和导热性
玻璃纤维增强塑料——优良的电气绝缘材料
金属基复合材料——良好的导电和导热性能
6.耐热性好
碳纤维增强树脂复合材料的耐热性比树脂基体 有明显提高，而陶瓷基复合材料在耐热性方面 更显示优越性
1.4.2 Engergy Efficiency
a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端 点都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散 在基体材料中；
2、颗粒增强复合材料 (Particles reinforced 颗粒增强particle reinforced composites)：；
弥散增强 dispersion strengthened
1) Composites are more expensive than conventional materials on a cost basis
2) The chances of formation of defects at the interface are high
3) Most of FRCs are anisotropic in nature. 4) Production rate of composites is generally low 5) The database on the properties of composites is not available 6) Recycling is another hurdle for the wide usage of composites.
钢
钛合金
铝合金 玻璃纤维复合材料 碳纤维Ⅱ/环氧复合材料 碳纤维Ⅰ/环氧复合材料 有机纤维/环氧复合材料 硼纤维/环氧复合材料 硼纤维/铝复合材料
4.5
2.8 2.0 1.45 1.6 1.4 2.15 1.07 1.4 1.38 1.0
1.14
0.75 0.4 1.4 2.4 0.8 2.1 2.0
1.3 复合材料的分类(Classfication)
复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种：
一、按增强材料形态类
Classification by morphology of reinforment materials
1、纤维增强复合材料(Fiber reinforced composites)：
Question for you:
From view of definition, could you tell me what kinds of factors will affect the properties of composites?
①原材料组分的性能和质量；
②原材料组分比例及复合工艺；
陶瓷颗粒增强复合材料等。
（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名 方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上 把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称 放在后面。
For examples：
“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻
璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧”。 碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材 料”，也可写为“碳／金属复合材料”。 碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳／碳复合材料”。
1.4.1 优异的物化性能
1.比强度、 比模量高
图1-2 各种工程材料的比强度及比模量
(UD)——单向； （W)——织物；（R）——乱纤维； Ⅰ——高模量纤维；Ⅱ——高强度纤维；Ⅲ——普通纤维
表1.2 各种材料的力学性能
材料 密度 g/cm3 7.8 拉伸强 度 GPa 1.03 弹性模量 ×102GPa 2.1 比强度 ×105cm 0.13 比模量 ×105cm 0.27
除了上面的各种各样的复合材料分类以外，
还可分为同质复合材料（Homogeneous
composites）和异质复合材料（Heterogeneous
composites)
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（前面提及的复合材料多属此类）。
1.4 复合材料的性能特性
复合材料学
Science of Composites
主要参考资料
1、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998） 2、复合材料概论----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999） 3、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000） 4、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002) 5、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003）
b) Scanning electron micrograph of an aluminum alloy
1.2 命名Name
（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树
脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材
料等。
（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。 如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、
composites1现代复合材料陈华辉明中国物质出版社19982复合材料概论王荣国武卫莉哈尔滨工业大学出版社19993复合材料吴人洁天津大学出版社20004复合材料科学与工程倪礼忠陈麒科学出版社20025复合材料及其应用尹洪峰任耘陕西科学技术出版社20036高性能复合材料学郝元恺肖加余化学工业出版社20047工程复合材料张宝艳译化学工业出版社20048先进复合材料鲁马鸣图机械工业已出版社20049先进复合材料低成本技术陈祥宝编著化学工业出版社200410复合材料及其工程应用车剑飞等机械工业已出版社2006复合材料网站和网页http
3、板状复合材料、层叠式复合材料 Laminated composite 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体
Classification by type of reinforcement materials
复合材料结构示意图
颗粒增强
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复 合 材 料
层压复合 材料
长纤维 增强 定向排布
Questions：
有一种材料其组分为634号环氧树脂80份，300号 环氧树脂15份，内次甲基四氢邻苯二甲酸酐40份，
请问该材料是否为复合材料？
如在上述材料制备工程中加入50%（质量分数）
的短切玻璃纤维，形成的材料是否可称为复合材
料，为什么？
a) Micrograph of a cast CoCr-Mo-Si alloy with a multiphase microstructure
3. 减震性好
材料比模量的平方根成正比
自振频率
结构形状
材料 轻金属合金梁 碳纤维复合材料梁 2.5s 停止振动时间 9s
4. 耐化学腐蚀 Generally polymers have better weather resistance than metallic materials.
玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料在氯离子的 酸性介质中能长期使用，用于制造耐强酸、 盐和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、 搅拌器等设备；
1.4.3 It is possible to make composites with desired properties
1.4.4 Complex shapes can be made very easily with composites
1.4.5材料与结构的统一性
Disadvantages of Composites
复合材料网站和网页
• /topic/composite-material • / • /~rusmeeha/labNotes/composites.html • /researchgroups/composites/links.html • /details.asp?ArticleID=962 • /what-are-composite-materials.htm • /OCW_CN/Materials-Science-and-
国外还常用英文编号来表示，如MMC （Metal Matrix Composite）表示金属基复
合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）
表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示 为GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep) Questions: 利用所学专业外语知识，谈谈陶瓷 基复合材料与聚合物基复合材料的缩写分别 如何写？
主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是
作为承力结构使用的复合材料，它基本上是由能承 受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载 同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。
② 功能复合材料 Functional Composites
指具备各种特殊物理与化学性能的材料。 例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、 阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。 功能复合材料中的增强体又可称为功能体组元，它 分布于基体组元中。
6、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004)
7、工程复合材料--- 陈祥宝 张宝艳 译（化学工业出版社,2004) 8、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004） 9、 先进复合材料低成本技术-----陈祥宝 编著（化学工业出版社,2004) 10、复合材料及其工程应用-----车剑飞等（机械工业已出版社,2006）
0.21
0.17 0.53 1.03 0.67 1.0 0.66 0.38
0.25
0.26 0.20 0.97 1.5 0.57 1.0 0.57
突出优点是比强度及比模量高。这在节省能源、提 高构件的使用性能方面，是现有其他任何材料所不 能比拟的。
2. 耐疲劳性能好
疲劳强度
金属材料：是拉伸强度的 30%~50% 碳纤维/聚酯复合材料：是 拉伸强度的70%~80%
③复合材料的界面粘接及处理。
复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体 (Matrix)；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中 的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使 材料的性能显著增强，故常称为增强体(reinforment) (也称 为增强材料、增强相等)。 在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度较基 体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或 弥散的填料。在基体与增强体之间存在着界面。
纤维增强复合材料 短纤维 增强
混乱排 布 取向性排布
Classes of composites
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二、按基体类型分 Classification by type of matrix
三、按用途分
Classification by end-use
① 结构复合材料； ② 功能复合材料。
① 结构复合材料 Structural Composites
Definition2 :由两个或两个以上独立的物理相，包 含粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所 组成的固体材料。 Definition3 :A composite is commonly defined as a
combination of two or more distinct materials, each of which retains its own distinctive properties, to create a new material with properties that cannot be achieved by any of the components acting alone.