第一章 复合材料概论PPT课件

必读教材：《聚合物基复合材料及工艺》
王汝敏等主编，科学出版社，2004年6月
参考书目： 1、《聚合物基复合材料》
黄丽 主编，中国轻工业出版社，2001年6月
2、《不饱和聚酯树脂及其应用》
沈开猷 主编，化学工业出版社，2001年1月；
3、《环氧树脂生产与应用》
王德中 主编，化学工业出版社，2001年6月；
学习内容
1、三大热固性树脂及其常用固化剂（重点）
不饱和聚酯树脂（UP）、环氧树脂（EP）、酚醛树 脂（PH）
2、常用纤维类增强材料（重点）
GF、CF、kevlar、UHMW-PE
3、主要成型工艺
手糊、RTM、模压、缠绕、真空辅助树脂灌注
4、复合材料界面（自学）
界面作用机理、纤维表面处理
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必读与参考书目
基体开裂－界面脱粘－ 纤维拔出－ 断裂等一系 列损伤发展过程。
当少数纤维发生断裂时，其失去部分的载荷又 会通过基体的传递分散到其他纤维上去，复合材料 在短期内不会因此而丧失承载能力。
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3、阻尼减振性好
受力材料的自振频率正比于模量的方根。
E/
故复合材料的自振频率高，其结构一般不易产生 共振。
同时，复合材料的界面对振动有反射和吸收作用， 故其振动阻尼性强，即使能激起振动，也能很快衰 减。
1986-2006，我国玻璃钢（热固性）增长51倍。总量在 上世纪90年代末期超过德国，本世纪初超过日本，热固性 玻璃钢已超过欧洲总和。我国玻璃钢/复合材料的总产量 现仅次于美国（美国2005年热固性玻璃钢186万吨，热塑 性玻璃钢140万吨）。
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产量（104吨）
200 180 160 140 120 100
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PMC（材料与制品）组成关系
基体材料 增强材料 辅助材料
产品及结构设计 制品
加工工艺
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与传统材料相比，复合材料既是一种材料，也是一种 结构，而且材料、结构、功能具有一致性。这种材料和结 构特性，只能通过具体的制品才能得以体现，因此无论是 从事复合材料理论研究，还是工程技术研究的目标都是研 制出更能发挥材料特性与效率的制品及制备方法。
如对相同形状和尺寸的梁进行振动试验，轻合金 梁需9秒才能停止振动，而CFRP梁只需2~3秒就停止 相同大小的振动。
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4、具有多种功能特性 （1）瞬时耐高温、耐烧蚀
GFRP的导热系数只有金属材料的1%，同时可 制成具有高比热容、熔融热和气化热的材料，可用 作导弹头锥的耐烧蚀防护材料。
一般金属铝在400~500℃以后就完全丧失强度， 但用连续硼纤维或碳化硅纤维增强的铝基复合材料 （MMC），在此温度下仍具有很高强度；连续纤 维增强的CMC可以承受1200~1400 ℃的高温，而 C/C复合材料的耐热温度可达3000 ℃左右（真空或 惰性气体保护下）。
比模量
（GPa） （106cm） （108cm）
210
1.3
2.7
2.7
0.47
75
1.7
2.6
2.0
1.06
40
5.3
2.0
1.5
1.50
140
10.3
9.7
这也说明：PMC强度有余，模量不足。
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2、抗疲劳性能好
金属材料破坏时：突发性强，无明显预兆；由 于主裂纹的失稳扩展而突然发生。
PMC破坏时：裂纹扩展或损伤逐步进行，时间 长，破坏前有明显预兆。因为界面能阻止裂纹的扩 展。其破坏时经历：
例：玻璃钢、砂浆、混凝土、篱笆等都是复合材料。
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1.2 复合材料的分类
1、按基体材料类型分为 聚合物基复合材料（PMC） 金属基复合材料（MMC） 无机非金属基复合材料，包括陶瓷基复合材料 和水泥基复合材料（CMC）等 2、按增强材料类型分为 玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料； 芳纶（Kevlar）纤维增强复合材料； UHMW-PE纤维增强复合材料等 3、按用途分为 结构复合材料、功能复合材料、 结构功能一体化复合材料
材料界资深专家、两院院士师昌绪在《材料大词典》 中给出比较全面完整的定义：复合材料是由有机高分子、 无机非金属或金属等几类不同的材料通过复合工艺组合而 成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通 过复合效应获得原组分所不具备的特殊性能。可以通过材 料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联。从而获得新 的优越性能，与一般材料简单混合有本质的区别。
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比强度强 密度 度gM /cPm a3 10310160NN//m 1026m3 102m104cm
比模量模 密量 度gG/Pcm a3
103106N/m2 10310N/106m3
105m107cm
材料 钢 铝合金 GFRP CFRP
密度 （g/cm3）
7.8
拉伸强度 （GPa）
1.03
弹性模量 比强度
80 60 40 20
0
103.4
27.1 2.7
1986
146
47.9 24
1996
181 140
美国 日本 中国
35.9 2006
年代
1986－2006年中、美、日热固性玻璃钢产量（万吨）
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1.1 复合材料的定义
简而言之，复合材料是指将两种或两种以上不同性能 的材料，用适当的方法复合而成的一种新材料，其性能比 单一材料性能优越。
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第一章 复合材料概论
1.1 复合材料的定义 1.2 复合材料的分类 1.3 复合材料的构成 1.4 复合材料的特性（重点） 1.5 聚合物基复合材料的应用（重点）
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神舟飞船主承力结构、低密度模塑料等FRP件荣获国家 科技进步二等奖，标志着我国复合材料科学技术已达到世 界先进水平；历经20年，我国玻璃钢/复合材料年产量已 超过日本、欧洲，大幅度提升，显示了当今我国FRP行业 的活力。
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1.3 复合材料的构成
复合材料是一种多相材料。 包含三种基本的物理 相：
基体相：连续相材料。粘接、成型、保护； 增强相：分散相材料。承载（增强、增韧）； 界面相：增强相与基体相之间的交界面。
均衡载荷、传递载荷。 连续相与分散相复合的实质：产生独立的新相， 即界面相。界面相由基体与增强材料相互作用形成， 其性能优劣成为评价复合效果的内在指标。 仿生系统：肉、骨、筋、皮（外保护层）
材料
测试
制品
结构
工艺
复合材料制品与材料的特性
1、比强度、比模量高
这是复合材料的突出优点。
（问：比强度与比模量的定义，强度与模量表征的 物理意义；其量纲是什么？）
结构材料的减重，就是用最轻的重量获得最大的 强度或刚度。这对航空航天与汽车等运载工具的结 构材料部件具有重要意义。