聚合物基复合材料绪论
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复合材料
3
树木也是一种复合材料
木质素 纤维素
4
进化的复合材料-海胆牙齿
5
进化的复合材料-贝壳
6
燕子窝：泥土-草复合材料
7
１.2 复合材料的定义
什么是复合材料 (Composition Materials ) ?
复合材料是指将两种或两种以上的不同材料,用 适当的方法复合成的一种新材料,其性能比单一材料 性能优越。
聚合物 基 复合材料
复合 材料的 应用
1
第一章 绪 论
二战时期,巧克力被用作美军的应急军 粮,但其主要缺点是高温下融化,不能适应北 非和东南亚一带的气候条件,怎么解决这一 问题?
2
1.1 引言
材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料
各有千秋 扬长避短
克服单一材料的缺点 产生原来单一材料本身所没有的新性能
具有优异的耐烧蚀性、轻量性和强度特性等，玻璃钢的 用途很广，涉及国防、航空、宇航、机械、交通运输和人民 生活的许多方面。由于它的导热系数只有金属材料的1%， 同时可制成具有高比热容，熔融热和汽化热的材料，被用来 制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。
5.7
2.1
6.6
10
2.0
3.8
7.5
20
1.4.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高
疲劳破坏的种类不同： 金属
突发性破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50% 碳纤维/聚酯复合材料 有预兆破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的70%~80%
原因：
复合材料的破坏经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出，断裂等 一系列损伤的发展过程。
③片状材料 增强
复合材料
④短纤维 或晶须增 强复合材料
③有机纤维 复合材料
②玻璃纤维 复合材料
④陶瓷纤维 复合材料
近代 复合材料
先进 复合材料等
⑤ 颗粒增强 复合材料
16
结构复合材料
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。
拉伸强度 （GPa） 1.03 0.47 0.96 1.06 1.50 1.07 1.40 1.38 1.0
弹性模量 比强度
比模量
（102GPa）（106cm） （106cm）
2.1
1.3
2.7
0.75
1.7
2.6
1.14
2.1
2.5
0.4
5.3
2.0
1.4
10.3
9.7
2.4
6.7
15
0.8
1.0
19
表1-1 一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量
材料 钢 铝合金 钛合金 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/铝基复合材料
密度 （g/cm) 7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65
8
１.2 复合材料的定义
因此复合材料必须通过对原材料的选择，各 组分分布的设计和工艺条件的保证等，以使原组 分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复 合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。
9
⑴微观上是非均 相材料,组分间有
明显的界面
⑵组分材料 性能差异很大
复合材料 的特征
⑷组分材料的 体积分数
15
1.3.2 复合材料的分类
复合材料的 分类方法
⑴按使用性能 不同
⑵按基体材料 类型
⑶按分散相的 形态
⑷按增强纤维 分类
⑸某些范围的 名称
①结构 复合材料
②功能 复合材料
①树脂基 复合材料
②金属基 复合材料
③无机 非金属基 复合材料
①连续纤维 增强
复合材料
②纤维织物、 编织体增强 复合材料
①碳纤维 复合材料
(3)保护作用 (5)性能的影响
(4)定型作用 (6)破坏模式的影响
13
1.3.1 复合材料的命名
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。
14
1.3.1 复合材料的命名
例如：“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”。而我国则常把这类复合材料通 称为“玻璃钢”。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”。
基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生断裂时，其失去部 分载荷又会通过基体传递而迅速分散到其他完好的纤维上去，复合 材料在短期内不会因此而丧失承载能力。
故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比较高。
21
1.4.3 阻尼减振性好
阻尼减振性好的原因：
① 复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不
容易发生共振而快速脆断； 受力结构的自振频率有关因素： 结Biblioteka Baidu形状
③界面相：增强相和基体相之间有一交界面 称为复合材料界面，称为界面相。
11
脆性断口，基体断裂面平滑，个别纤维拔出后留下 12 空洞。有些碳纤维内部有长条形和圆形空洞缺陷。
复合材料各组成的作用
纤维 的作用
树脂基体的作用
(1)承担 载荷
(1)粘接作用
(2)隔离作用
(2)提供 力学性能
(3)提供 其它性能
应大于10%
⑶组成复合材料 后,性能有较大
的改进
10
复合材料的三种基本物理相：
①基体相：连续的物理相可以是一个、两个或 两个以上，这种连续的物理相在复合材料中 又称作基体相；
②增强相：不连续的物理相分散于连续的物理 相中，所以也称为分散相，又因为它们多数 能对基体材料起一定的增强作用，所以又成 为增强相。
比模量的平方根
②复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的振动
阻尼很高，一旦振起来，在较短的时间内也可以停下来。
22
1.4.4 具有多种功能性
（1）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；
例如：玻璃纤维增强塑料(glass-fiber reinforced plastics，GFRP)——1942年问世，是应用最广的复合 材料，强度可与钢媲美，俗称玻璃钢，是复合材料的鼻祖。
17
功能复合材料
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。
18
1.4 复合材料的特性
聚合物基复合材料是复合材料中发展最迅速、应 用最广泛的一类复合材料。
1.4.1 比强度、比模量（刚度）高 比强度是材料强度与密度之比值即：
比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）—— 质量相等的前提下，衡量材料承载能力； 比模量是材料模量与密度之比值即： 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。— 质量相等的前提下，刚度特性指标
复合材料
3
树木也是一种复合材料
木质素 纤维素
4
进化的复合材料-海胆牙齿
5
进化的复合材料-贝壳
6
燕子窝：泥土-草复合材料
7
１.2 复合材料的定义
什么是复合材料 (Composition Materials ) ?
复合材料是指将两种或两种以上的不同材料,用 适当的方法复合成的一种新材料,其性能比单一材料 性能优越。
聚合物 基 复合材料
复合 材料的 应用
1
第一章 绪 论
二战时期,巧克力被用作美军的应急军 粮,但其主要缺点是高温下融化,不能适应北 非和东南亚一带的气候条件,怎么解决这一 问题?
2
1.1 引言
材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料
各有千秋 扬长避短
克服单一材料的缺点 产生原来单一材料本身所没有的新性能
具有优异的耐烧蚀性、轻量性和强度特性等，玻璃钢的 用途很广，涉及国防、航空、宇航、机械、交通运输和人民 生活的许多方面。由于它的导热系数只有金属材料的1%， 同时可制成具有高比热容，熔融热和汽化热的材料，被用来 制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。
5.7
2.1
6.6
10
2.0
3.8
7.5
20
1.4.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高
疲劳破坏的种类不同： 金属
突发性破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50% 碳纤维/聚酯复合材料 有预兆破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的70%~80%
原因：
复合材料的破坏经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出，断裂等 一系列损伤的发展过程。
③片状材料 增强
复合材料
④短纤维 或晶须增 强复合材料
③有机纤维 复合材料
②玻璃纤维 复合材料
④陶瓷纤维 复合材料
近代 复合材料
先进 复合材料等
⑤ 颗粒增强 复合材料
16
结构复合材料
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。
拉伸强度 （GPa） 1.03 0.47 0.96 1.06 1.50 1.07 1.40 1.38 1.0
弹性模量 比强度
比模量
（102GPa）（106cm） （106cm）
2.1
1.3
2.7
0.75
1.7
2.6
1.14
2.1
2.5
0.4
5.3
2.0
1.4
10.3
9.7
2.4
6.7
15
0.8
1.0
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表1-1 一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量
材料 钢 铝合金 钛合金 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/铝基复合材料
密度 （g/cm) 7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65
8
１.2 复合材料的定义
因此复合材料必须通过对原材料的选择，各 组分分布的设计和工艺条件的保证等，以使原组 分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复 合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。
9
⑴微观上是非均 相材料,组分间有
明显的界面
⑵组分材料 性能差异很大
复合材料 的特征
⑷组分材料的 体积分数
15
1.3.2 复合材料的分类
复合材料的 分类方法
⑴按使用性能 不同
⑵按基体材料 类型
⑶按分散相的 形态
⑷按增强纤维 分类
⑸某些范围的 名称
①结构 复合材料
②功能 复合材料
①树脂基 复合材料
②金属基 复合材料
③无机 非金属基 复合材料
①连续纤维 增强
复合材料
②纤维织物、 编织体增强 复合材料
①碳纤维 复合材料
(3)保护作用 (5)性能的影响
(4)定型作用 (6)破坏模式的影响
13
1.3.1 复合材料的命名
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。
14
1.3.1 复合材料的命名
例如：“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”。而我国则常把这类复合材料通 称为“玻璃钢”。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”。
基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生断裂时，其失去部 分载荷又会通过基体传递而迅速分散到其他完好的纤维上去，复合 材料在短期内不会因此而丧失承载能力。
故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比较高。
21
1.4.3 阻尼减振性好
阻尼减振性好的原因：
① 复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不
容易发生共振而快速脆断； 受力结构的自振频率有关因素： 结Biblioteka Baidu形状
③界面相：增强相和基体相之间有一交界面 称为复合材料界面，称为界面相。
11
脆性断口，基体断裂面平滑，个别纤维拔出后留下 12 空洞。有些碳纤维内部有长条形和圆形空洞缺陷。
复合材料各组成的作用
纤维 的作用
树脂基体的作用
(1)承担 载荷
(1)粘接作用
(2)隔离作用
(2)提供 力学性能
(3)提供 其它性能
应大于10%
⑶组成复合材料 后,性能有较大
的改进
10
复合材料的三种基本物理相：
①基体相：连续的物理相可以是一个、两个或 两个以上，这种连续的物理相在复合材料中 又称作基体相；
②增强相：不连续的物理相分散于连续的物理 相中，所以也称为分散相，又因为它们多数 能对基体材料起一定的增强作用，所以又成 为增强相。
比模量的平方根
②复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的振动
阻尼很高，一旦振起来，在较短的时间内也可以停下来。
22
1.4.4 具有多种功能性
（1）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；
例如：玻璃纤维增强塑料(glass-fiber reinforced plastics，GFRP)——1942年问世，是应用最广的复合 材料，强度可与钢媲美，俗称玻璃钢，是复合材料的鼻祖。
17
功能复合材料
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。
18
1.4 复合材料的特性
聚合物基复合材料是复合材料中发展最迅速、应 用最广泛的一类复合材料。
1.4.1 比强度、比模量（刚度）高 比强度是材料强度与密度之比值即：
比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）—— 质量相等的前提下，衡量材料承载能力； 比模量是材料模量与密度之比值即： 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。— 质量相等的前提下，刚度特性指标