第一章 复合材料概论PPT课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
8
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
9
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。
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；
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。
13
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。
7
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
复合材料制品与各要素关系图
10
1.4 复合材料的特性
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。
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。
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）
5
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。
2
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）
3
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。
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。
12
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：
11
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
学习内容
1、三大热固性树脂及其常Hale Waihona Puke Baidu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
1
必读与参考书目
例：玻璃钢、砂浆、混凝土、篱笆等都是复合材料。
6
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
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）。
4
产量（104吨）
200 180 160 140 120 100
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。
14
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）。
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
9
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。
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；
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。
13
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。
7
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
复合材料制品与各要素关系图
10
1.4 复合材料的特性
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。
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。
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）
5
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。
2
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）
3
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。
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。
12
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：
11
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
学习内容
1、三大热固性树脂及其常Hale Waihona Puke Baidu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
1
必读与参考书目
例：玻璃钢、砂浆、混凝土、篱笆等都是复合材料。
6
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
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）。
4
产量（104吨）
200 180 160 140 120 100
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。
14
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）。