第一章 复合材料概述
复合材料概论
复合材料概论1.复合材料的定义：复合材料是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或者多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。
2.复合材料的结构：三个“结构层次”：一次结构（由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何和界面区的性能）；二次结构（单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何）；三次结构（工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何）。
3、复合材料与传统材料的不同：复合材料既能保持原组分材料的重要特性，又可通过复合效应使各组分的性能相互补充，获得传统材料不具备的许多优良性能。
4.金属基复合材料组成特点：非连续增强金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响。
因此要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体。
5.无机凝胶材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。
6.聚合物基体的种类：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。
7.聚合物基体的组分：主要组分是聚合物，其他组分油固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等。
8.聚合物基体的作用：基体材料通过与增强材料界面间的粘接成为一个整体，并以剪应力的形式向增强材料传递载荷，保护增强材料免受外界环境的作用和物理损伤。
9.不饱和树脂聚酯的固化特点：不饱和聚酯树脂的固化是一个放热反应，其过程可以分三个阶段：a.胶凝阶段：从加入促进剂到树脂变成凝胶状态的一段时间，影响凝胶时间的因素有很多，如阻聚剂、引发剂和促进剂的量，环境温度和湿度、树脂的体积、交联剂蒸发损失等。
b.硬化阶段：硬化阶段是从树脂开始凝胶到一定硬度，能把制品从模具上取下为之的一段时间。
c.完全固化阶段：通常在室温下进行，并用后处理的方法来加速，这段时间越长，制品吸水率越小，性能越好。
10.玻璃纤维的结构：玻璃纤维的结构假说有“微晶结构假说”和“网络结构假说”。
《复合材料》课程笔记
《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。
然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。
此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。
70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。
这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。
1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。
复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。
例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。
- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。
例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。
- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。
这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。
- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。
例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。
- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。
例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。
1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。
主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。
复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。
复合材料力学课程设计
复合材料力学课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解复合材料的定义、分类和基本性质，掌握复合材料的基本力学原理；2. 使学生掌握复合材料力学性能的表征方法，了解影响复合材料力学性能的因素；3. 引导学生运用所学知识，分析复合材料在工程实际中的应用，并能解决简单问题。
技能目标：1. 培养学生运用数学和力学知识分析复合材料力学问题的能力；2. 提高学生设计复合材料结构的能力，能根据实际需求选择合适的复合材料和结构；3. 培养学生通过实验和计算等方法，对复合材料力学性能进行测试和评估的能力。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对复合材料及其力学性能的兴趣，培养学生对材料科学的热爱；2. 培养学生的创新意识和团队协作精神，让学生在探讨问题中学会尊重他人意见；3. 使学生认识到复合材料在现代科技发展中的重要性，增强学生的社会责任感和使命感。
课程性质：本课程为高二年级选修课程，旨在让学生在掌握力学基础知识的基础上，进一步学习复合材料的力学性质及其应用。
学生特点：高二学生在知识结构、思维能力和实践能力方面有一定基础，具备一定的自主学习能力和合作探究精神。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高学生的创新能力和实践操作能力。
在教学过程中，注重目标导向，分解课程目标为具体学习成果，以便教学设计和评估。
二、教学内容1. 复合材料概述- 复合材料的定义、分类及特点- 复合材料的应用领域2. 复合材料基本力学原理- 弹性力学基础理论- 复合材料的应力-应变关系- 复合材料的强度理论3. 复合材料力学性能表征- 弹性模量、泊松比等力学性能参数- 力学性能测试方法及设备- 影响复合材料力学性能的因素4. 复合材料设计与应用- 复合材料结构设计原则- 复合材料选材及结构优化- 复合材料在工程实际中的应用案例5. 复合材料力学问题分析- 简单复合材料结构的力学分析- 复合材料力学问题的求解方法- 复合材料力学问题的实验研究教学大纲安排：第一周：复合材料概述第二周：复合材料基本力学原理第三周：复合材料力学性能表征第四周：复合材料设计与应用第五周：复合材料力学问题分析教材章节：第一章：复合材料概述第二章：复合材料基本力学原理第三章：复合材料力学性能表征第四章：复合材料设计与应用第五章：复合材料力学问题分析教学内容与课程目标紧密关联，旨在确保学生掌握复合材料力学的基本知识和实践应用，注重内容的科学性和系统性。
复合材料ppt
疲劳性能与寿命预测
疲劳性能
复合材料的疲劳性能是指它们在周期性载荷下的抗断裂能力 。通过优化材料组合和结构设计，可以显著提高复合材料的 疲劳性能。例如，使用高强度纤维和优化基体树脂可以显著 提高复合材料的疲劳性能。
寿命预测
通过实验测试和分析，可以预测复合材料的使用寿命。这些 测试包括疲劳测试、环境因素测试和物理测试等。通过这些 测试和分析，可以评估复合材料在不同条件下的使用寿命， 并提供设计建议以延长其使用寿命。
复合材料ppt
2023-10-30
目录
• 复合材料概述 • 复合材料的力学性能 • 复合材料的热学性能 • 复合材料的应用领域 • 复合材料的未来发展趋势 • 复合材料的相关研究与文献综述
01
复合材料概述
定义与分类
复合材料定义
由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合成的新型材料 。
复合材料分类
根据组合成分的性质和比例，复合材料可分为金属基复合材料、非金属基复 合材料和纳米复合材料等。
复合材料的性能特点
性能可设计性
可以根据使用要求设计复合材料的性能，如强度、刚度、耐腐 蚀性等。
性能优势
可以发挥不同材料的优点，实现单一材料无法达到的性能。
性能可调整性
可以通过调整各组分材料的比例和制备工艺来调整复合材料的 性能。
连接器
复合材料也被用于制造连接器，如USB连接器等。
电池外壳
复合材料还可以用于制造电池的外壳，如锂离子电池的外壳等。
05
复合材料的未来发展趋势
高性能复合材料的研发
01
研发具有更高强度、韧性和耐 高温性能的高性能复合材料， 以满足现代工程和工业制造的 需求。
02
《复合材料概论》课件
航天器结构材料
在卫星、火箭和空间站等航天器中， 复合材料用于制造结构件，如太阳能 电池板、卫星天线和推进器等。
汽车工业领域
汽车车身
复合材料可以减轻车身重量，提高燃油经济性和 降低排放，广泛应用于汽车车身制造。
汽车零部件
复合材料也可用于制造汽车零部件，如发动机罩 、车门和座椅骨架等。
汽车功能材料
复合材料在汽车功能件中也有广泛应用，如电池 外壳、传感器和油箱等。
THANKS
感谢观看
冷却凝固。
金属基复合材料的制备方法 主要包括
02
01
03
粉末冶金法：将增强材料与 金属粉末混合，然后进行热
压或烧结。
喷射沉积法：将增强材料与 金属熔体一起喷射并沉积在
冷却表面上。
04
05
这些方法的选择取决于所需 的复合材料的性能和用途。
陶瓷基复合材料的制备
陶瓷基复合材料的制备方法 主要包括
04
晶须增强法：将陶瓷晶须与 陶瓷基体混合，然后进行烧 结或热压。
体育器材领域
高性能运动器材
复合材料具有高强度、轻质和抗 冲击等特点，广泛应用于制造高 性能运动器材，如网球拍、滑雪 板和自行车等。
休闲运动器材
在休闲运动器材中，复合材料也 用于制造轻便、舒适和耐用的运 动装备，如泳镜、潜水服和滑水 板等。
建筑领域
建筑材料
复合材料可以用于制造轻质、高强度 的建筑材料，如复合板、玻璃纤维增 强水泥和碳纤维增强混凝土等。
良好的热性能和化学稳定性
复合材料在高温和恶劣环境下仍能保持较好 的性能。
抗腐蚀性
某些复合材料具有较好的耐腐蚀性能，能够 延长使用寿命。
易于加工和制造
复合材料的加工和制造相对简单，能够快速 成型，降低生产成本。
第一章复合材料的概念分类及其发展历程
第一章复合材料的概念分类及其发展历程复合材料是由两种或两种以上不同的成分构成的材料体系。
它以其各成分的优点相互补充、相互作用，达到材料性能的综合优良，被广泛应用于各个领域。
复合材料的分类主要依据是其增强相的特征，一般可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状结构复合材料。
颗粒增强复合材料是将颗粒状的增强相与基体相结合而形成的材料。
增强相可以是金属颗粒、陶瓷颗粒、碳纳米管等。
颗粒增强复合材料具有良好的抗磨损性能、高硬度等特点，常用于制造耐磨材料、陶瓷刀具等。
纤维增强复合材料是以纤维为增强相的复合材料。
纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、腈纶纤维等。
纤维增强复合材料具有高强度、高模量、低密度等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
层状结构复合材料是通过将两种或两种以上的不同材料叠加起来形成的复合材料。
层状结构复合材料具有多种性能，如强度、刚度、导热性、耐磨性等，常用于制造电路板、涂层等。
复合材料的发展历程可以追溯到古代，但真正的发展始于20世纪。
20世纪50年代，随着塑料和树脂材料的应用，复合材料的发展进入了一个新阶段。
20世纪60年代，纤维增强塑料的出现推动了复合材料的应用。
20世纪70年代，碳纤维复合材料的出现使复合材料的强度和刚度得到了进一步提高。
20世纪90年代以后，复合材料的应用领域不断扩大，涉及到各个行业。
复合材料的发展主要受到科学技术的推动。
随着纳米技术、材料科学等领域的不断发展，复合材料的性能和应用范围将会有更大的突破。
预计未来的复合材料将更加轻量化、高强度、高性能，可以满足更多领域的需求。
综上所述，复合材料是由两种或两种以上不同的成分构成的材料体系，根据增强相的特征可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状结构复合材料。
复合材料的发展历程起源于古代，但真正的发展始于20世纪，受到科学技术的不断推动。
未来的复合材料将更加轻量化、高强度、高性能，满足更多领域的需求。
第一章复合材料概论
1、航空航天、武器方面的应用
波音787“梦幻客 机”半成机身材料 为轻型复合材料， 而波音777型客 机机身轻型复合 材料比例仅为12 ％。由此，“梦幻 客机”更轻更省油。
第一章复合材料概论
第一章复合材料概论
2、信息电子、生物方面的应用
光导纤维，电子设备的电路板，磁带磁 盘，机壳和屏蔽
1.4
1.4
0.8
1.0
57
SiC纤维 -环氧
2.2
1.09
1.02
0.5
46
第一章复合材料概论
硼纤维-铝 2.65
1.0
2.0
0.38
75
复合材料和金属的疲劳破坏性能
第一章复合材料概论
六、复合材料的命名
复合材料在世界各国还没有统一的名称和 命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基 体的名称来命名，通常有以下三种情况：
第一章复合材料概论
（1） 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，最后加上“复合材料”
（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、 陶瓷颗粒增强复合材料等。
复合材料概论
2011.Hale Waihona Puke 2.11第一章复合材料概论
注意事项
迟到5次或旷课3次、早退3次及以上，平时成 绩为0分；
勤作笔记，课后做作业，常思考，多查资料 考核办法：平时(出勤率，课堂提问）20%，
期终考查，闭卷 80%。 联系方式:Emai:
Tel:
第一章复合材料概论
第一章 绪论
主要内容：
第一章 复合材料绪论
第一章绪论1.1复合材料的发展概况一、材料的发展与人类社会的进步从人类发展的历史来看，材料是社会进步的物质基础。
综观人类发展和材料发展的历史，可以看到，每一种重要材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。
材料的发展与人类进步和发展息息相关。
一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。
7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品广泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。
同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。
5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。
十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。
随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。
随之核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。
二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材1料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命。
当前材料、能源、信息是现代科技的三大支柱，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。
二、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；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。
在现代高技术迅速发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而对材料提出了越来越苛刻的要求。
另外对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。
如现代武器系统的发展对新材料提出了高比强高比模；吸波、隐身；抗穿甲性；减振、降噪，抗激光等。
很显然，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、聚合物等材料虽然仍在不断发展，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。
《复合材料》PPT课件
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
03
良好的减震性能
复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
良好的电绝缘性能
模压成型
缠绕成型
将预浸料或预混料放入模具中，在加热和加 压的条件下使其固化成型。
将浸渍过树脂的连续纤维或布带按照一定规 律缠绕到芯模上，然后固化脱模。
后处理与加工技术
热处理
通过加热或冷却的方式改善复合 材料的性能，如消除内应力、提
高强度等。
表面处理
对复合材料表面进行打磨、喷涂 等处理，以提高其外观质量和耐 腐蚀性。
原材料的预处理
对增强材料和基体材料进行清洗、干燥、筛分等 预处理，以确保原材料的质量和性能。
成型工艺方法
手糊成型
喷射成型
在模具上涂刷脱模剂，然后铺贴一层基体材 料，再涂刷一层树脂，如此反复直至达到所 需厚度，最后固化脱模。
将树脂和增强材料分别通过喷嘴喷射到模具 上，通过调整喷射参数控制复合材料的厚度 和性能。
大多数复合材料具有优异的电绝缘性能，可用于电气设备和电子器 件的绝缘材料。
多样化的热性能
通过调整复合材料的组分和结构设计，可以实现不同的热性能要求， 如耐热性、隔热性或导热性等。
化学性能
耐腐蚀性
复合材料能够抵抗多种化学物质 的侵蚀，包括酸、碱、盐等，适 用于腐蚀性环境下的应用。
耐候性
复合材料能够抵抗紫外线、氧化、 潮湿等自然环境因素的影响，长 期保持稳定的性能。
第一章复合材料概述课件
第一章复合材料概述课件一、教学内容本节课我们将学习教材中第一章“复合材料概述”的内容。
具体包括：1.1节复合材料的定义与分类，详细探讨复合材料的组成、结构特点及其分类方法；1.2节复合材料的基本性能，介绍复合材料的力学、热学、电学等性能及其影响因素；1.3节复合材料的应用领域，分析复合材料在航空、航天、汽车、建筑等行业的应用实例。
二、教学目标1. 了解复合材料的定义、分类及其基本性能；2. 掌握复合材料的应用领域，培养学生的创新意识；3. 提高学生对复合材料结构与性能关系的认识，培养学生的科学素养。
三、教学难点与重点难点：复合材料的基本性能及其影响因素，复合材料的应用领域。
重点：复合材料的定义与分类，复合材料的结构与性能关系。
四、教具与学具准备1. 教具：复合材料样品、PPT课件、投影仪；五、教学过程1. 导入：展示复合材料样品，让学生观察并思考：什么是复合材料？它们有什么特点？2. 讲解：通过PPT课件，讲解复合材料的定义、分类、基本性能及应用领域。
3. 实践情景引入：介绍复合材料在生活中的应用实例，如碳纤维自行车、玻璃钢船舶等。
4. 例题讲解：讲解复合材料力学性能的计算方法，并进行随堂练习。
5. 课堂讨论：分析复合材料在航空、航天等领域的应用优势，引导学生探讨其未来发展方向。
六、板书设计1. 复合材料的定义与分类2. 复合材料的基本性能3. 复合材料的应用领域七、作业设计1. 作业题目：请简述复合材料的定义、分类及其应用领域。
2. 作业题目：请举例说明复合材料的基本性能及其影响因素。
答案：复合材料的基本性能包括力学性能、热学性能、电学性能等。
影响因素包括：基体材料、增强材料、界面结合、制备工艺等。
例如，碳纤维增强树脂基复合材料具有较高的强度和模量，其性能受碳纤维的排列方式、含量、界面结合等因素影响。
八、课后反思及拓展延伸本节课通过讲解复合材料的基本概念、性能和应用，使学生了解复合材料的优势和特点。
2024年第一章复合材料概述课件
2024年第一章复合材料概述课件一、教学内容本节课主要依据教材《复合材料》第一章“复合材料概述”部分，详细内容如下：1. 复合材料的定义及分类；2. 复合材料的性能特点；3. 复合材料的应用领域；4. 我国复合材料的发展现状及趋势。
二、教学目标1. 让学生掌握复合材料的定义、分类及性能特点；2. 使学生了解复合材料的应用领域及我国复合材料的发展现状；3. 培养学生运用复合材料知识解决实际问题的能力。
三、教学难点与重点教学难点：复合材料的性能特点及其应用领域。
教学重点：复合材料的定义、分类及我国复合材料的发展趋势。
四、教具与学具准备1. 教具：多媒体课件、实物样品；2. 学具：教材、笔记本、文具。
五、教学过程1. 导入：通过展示复合材料实物样品，引发学生对复合材料的兴趣，提出问题：“什么是复合材料？它有哪些独特的性能和应用？”2. 讲解：（1）复合材料的定义及分类；（2）复合材料的性能特点；（3）复合材料的应用领域；（4）我国复合材料的发展现状及趋势。
3. 例题讲解：讲解一道与复合材料性能特点相关的例题，引导学生运用所学知识解决实际问题。
4. 随堂练习：布置一道与复合材料应用领域相关的练习题，检验学生对课堂所学内容的掌握程度。
5. 小组讨论：分组讨论复合材料在日常生活、工程领域的应用，培养学生团队协作和解决问题的能力。
六、板书设计1. 复合材料定义2. 复合材料分类3. 复合材料性能特点4. 复合材料应用领域5. 我国复合材料发展现状及趋势七、作业设计1. 作业题目：简述复合材料的定义、分类及性能特点，并举例说明其在实际应用中的优势。
2. 答案：参照课堂所学内容，结合实例进行解答。
八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课学生对复合材料的定义、分类及性能特点掌握较好，但在应用领域方面的理解还需加强，今后教学中需注重实际案例的讲解。
2. 拓展延伸：鼓励学生课后查阅资料，了解复合材料在其他领域的应用，如航空航天、建筑、医疗等，拓宽知识面。
第一章 复合材料绪论
第一章
1-3 复合材料的特性
复合材料的缺点: ➢材料价格高 ➢劳动强度大 ➢抗挤压和抗分层能力差 ➢力学性能受温度/湿度影响 ➢不易检查 ➢对铝会产生电化学腐蚀 ➢固化时间长
第一章
1-3 复合材料的特性
性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是 它们的结合界面、成型工艺等。 1、主要取决于增强相的性能 ⑴.比强度,比刚度高 ⑵.冲击韧性和断裂韧性高 ⑶.耐疲劳性好 ⑷.减震性 ⑸.热膨胀系数小
70年代民用飞机开始用复合材料做调整片,口盖等. 美国的ACEE计划.从舵面过渡到尾翼.
80-90年代,美国NASA的ACM计划.重点发展ＤＦＭ－设计制造一体化．
第一章
1-4 复合材料在民用飞机结构上的应用
目前研究低成本的复合材料设计与制造技术 ＣＡＩ大量的仿真技术.设计，制造，生产一体化仿真实
现异地设计异地制造．80-90年代实现了复合材料向主承力 结构应用的过渡．
金属基复合材料MMC
复合 材料
有机材料基复 合材料
无机非金属基 复合材料
木质基复合材料
聚合物基复 合材料PMC
橡胶基 树脂基
水泥或混凝土基 复合材料
陶瓷基复合材料CMC
热塑性树脂 热固性树脂
第一章
1-2 复合材料的定义与分类
根据第二相（增强体）形态分。 分散强化复合材料
颗粒状分散 相复合材料
颗粒增强复合材料
Ａ３８０，Ｂ７８７的出现．
第一章
1-4 复合材料在民用飞机结构上的应用
第一章
1-4复合材料在民用飞机结构上的应用
先进树脂基复合材料是民用飞机的主要复合材料.
复合材料在民用飞机的应用出现的几个特征:
➢小型/简单次承力结构
《复合材料概论》课件
化学反应法：通过化学反 应将增强材料与聚合物结 合，形成复合材料。
金属基复合材料的制备
金属基复合材料的制备方法主要包括
这些制备方法的选择取决于所需的金属 基复合材料的性能和用途。
喷射沉积法：将增强材料与金属熔体一 起喷射并沉积在基体上，形成复合材料 。
《复合材料概论》课件
• 复合材料的定义与分类 • 复合材料的组成与结构 • 复合材料的制备方法 • 复合材料的性能与应用 • 复合材料的发展趋势与挑战
01
复合材料的定义与分类
定义
总结词
复合材料的定义是指由两种或两种以上材料组成的新材料，各组分之间具有显著的相界 面。
详细描述
复合材料是通过物理或化学的方法将两种或两种以上的材料结合在一起，形成一个新的 材料。这些原始组分在复合材料中保持相对独立，并能够共同发挥作用，以满足特定的
智能复合材料是指具有感知、响应和 自适应能力的复合材料，是未来复合 材料发展的重要方向之一。
纳米复合材料的研究
纳米技术的应用为复合材料的发展带 来了新的机遇，纳米复合材料在提高 材料性能、增强材料功能等方面具有 显著优势。
环保与可持续发展
绿色复合材料的推广
随着环保意识的提高，绿色复合材料在生产和使用过程中对环境的 影响越来越受到关注，推广绿色复合材料是可持续发展的必然要求。
改善界面性能是提高复合材料 性能的关键手段之一，可以通 过表面处理、偶联剂等方法来
实现。
03
复合材料的制备方法
聚合物基复合材料的制备
聚合物基复合材料的制备 方法主要包括
聚合物溶液法：将增强材 料浸渍在聚合物溶液中， 然后去除溶剂，形成复合 材料。
复合材料概述
二、复合材料的分类
结构复合材料是作为承力结构使用的材料，基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体材 料同时又起传递力作用的基体组元构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、 织物、晶须、片材和颗粒等，基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增强体和 不同基体即可组成名目繁多的结构复合材料，并以所用的基体来命名，如高聚物(树脂)基复合材料等。 结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计，更重要是还可进行复合结构设 计，即增强体排布设计，能合理地满足需要并节约用材。
二、复合材料的分类
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、 钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料 主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、 金属丝和硬质细粒等。 复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属 与非金属复合材料。
二、复合材料的分类
为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶 纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。 为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。它们的性能虽然优 良，但价格相对较高，主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品 等。
二、复合材料的分类
功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强 功能的作用。功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如：梯度复合材料(材料 的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和 执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。复合材料也可分为常用 和先进两类。 常用复合材料如玻璃钢，便是用玻璃纤维等性能较低的增强体与普通高聚物(树脂)构成。由于它的价格低廉， 得以大量发展，已广泛用于船舶、车辆、化工管道和贮罐、建筑结构、体育用品等方面。
复合材料基础知识培训
第一部分 复合材料的基本概念和 基础知识
表1-1—几种典型碳纤维性能数据
纤维类型
纤维性能
密度（Kg/m3） 纤维直径(μm) 拉伸弹性模量(GPa) 抗拉强度(Gpa) 断裂延伸率(%) 电阻率(μΩ/m) 线胀系数(×10-6/℃)
高强度Ⅰ型 1700~1800 7~8 220~250 2.5~3.5 1.2~1.4 15~18 — 0.5
第一部分 复合材料的基本概念和 基础知识
△ 蜂窝结构的作用 蜂窝结构其作用主要是减轻结构重量，提高 结构的抗弯刚度。 △ 蜂窝夹芯的材质及类型 蜂窝夹芯是夹层复合材料中最常用的夹芯结 构，形状有六角形、菱形、矩形等。按制造 材料不同，有铝蜂窝、芳纶纸蜂窝和玻璃布 蜂窝等。
第一部分 复合材料的基本概念和 基础知识
第一部分 复合材料的基本概念和 基础知识
▲ 玻璃纤维的性质
玻璃纤维弹性模量比较低，价格低廉。 玻璃纤维最常用的有 “E‖ 型和 “S‖ 型，前者主要用 于“电子仪表板” ，后者主要用于高强度结构。S— 玻纤比E—玻纤相比，其抗压强度，抗拉强度，弹性模 量略高，密度降低， 更耐强酸，但成本较高。 其它如 “A‖、―C‖、―D‖ 型玻璃纤维，因其强度太低不 适合飞机结构使用。
第一部分 复合材料的基本概念和 基础知识
七、碳/碳（C/C）基复合材料 所谓碳/碳复合材料，就是用碳纤维增强基 体碳的复合材料。该材料是当今能承受温度最 高的材料，同时具有很好的高温强 度和尺寸稳 定性。在极高的温度下，不仅能保持，甚至还 能 提高结构的性能。归纳起来碳/碳复合材料 主要有下列特点与优点：
第一部分 复合材料的基本概念和 基础知识
极高的耐温性（可达3500~5000oF）（1930~2760℃）。 高温下3500oF（1930 ℃）强度实际有增加，而一般金 属和其它复合材料都将遭到破坏。 强度和刚度高。 形状不随温度变化而变化，高温下尺寸稳定性好。 抗烧蚀，烧蚀质量好，烧蚀中能保持结构特性。 良好的机械特性和良好的耐热冲击性。 碳纤维用目前的二维（平面）或三维（空间） 编织技术可得到优异的增强材料。
Ansys复合材料结构分析操作指导书
Ansys复合材料结构分析操作指导书Ansys10.0 复合材料结构分析操作指导书第⼀章概述复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在⼀起⽽形成的⼀种多相固体材料，具有很⾼的⽐刚度和⽐强度（刚度和强度与密度的⽐值），因⽽应⽤相当⼴泛，其应⽤即涉及航空、航天等⾼科技领域，也包括游艇、风电叶⽚等诸多民⽤领域。
由于复合材料结构复杂，材料性质特殊，对其结构进⾏分析需要借助数值模拟的⽅法，众多数值模拟软件中Ansys是个不错的选择。
Ansys软件由美国ANSYS公司开发，是⽬前世界上唯⼀⼀款通过ISO9001质量体系认证的分析设计软件，有着近40年的发展历史，经过多次升级和收购其它CAE(Computer Aided Engineering )软件，⽬前已经发展成集结构⼒学、流体⼒学、电磁学、声学和热学分析于⼀体的⼤型通⽤有限元分析软件，是⼀款不可多得的⼯程分析软件。
Ansys在做复合材料结构分析⽅⾯也有不俗的表现，此书将介绍如何使⽤该款软件进⾏复合材料结构分析。
在开始之前有以下⼏点需要说明，希望⼤家能对有限元法有⼤体的认识，以及Ansys软件有哪些改进，最后给出⼀些学习Ansys软件的建议。
1、有限元分析⽅法应⽤简介有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是建⽴在严格数学分析理论上的⼀种数值分析⽅法。
该⽅法的基本思想是离散化模型，将求解⽬标离散成有限个单元(Element)，并在每个单元上指定有限个节点(Node)，单元通过节点相连构成整个有限元模型，⽤该模型代替实际结构进⾏结构分析。
在对结构离散后，要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys中称之为DOF(Degree Of Freedom)，试想⼀下，节点的位移包括沿x,y,z轴的平动和转动，也就是节点的⾃由度)，节点位移通过求解⼀系列代数⽅程组得到，在求得节点位移后，利⽤节点位移和应⼒、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应⼒、应变，应⽤线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应⼒、应变等信息。
第一章 复合材料概述
学术界开始使用“复合材料”（composite materials ）一词大约 是在20世纪40年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯，开辟了现代 复合材料的新纪元。
从20世纪60年代开始，开发出多种高性能纤维。 20世纪80年代 以后，由于人们丰富了设计、制造和测试等方面的知识和经验，加上各 类作为复合材料基体的材料的使用和改进，使现代复合材料的发展达到 了更高的水平，即进入高性能复合材料的发展阶段。
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 (也称为增强材料、增强相等)。
11
2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具 有某些复合材料形态特征的天然物质）；
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。
15
（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、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。
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
1
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
复合材料
2
各种材料在各个历史时期相对重要性
金 铜 铁
Байду номын сангаас
《复合材料力学》2复合材料的基体材料(标准版)
行复合，如碳化硅/铝，碳纤维/铝，氧化铝/铝等 复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。
20
工业集成电路： 高导热、低膨胀 如：银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀
的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒 复合，用作散热元件和基板。
21
2 金属基复合材料组成特点
针对不同的增强体系，应充分分析和考虑 增强物的特点来正确选择基体合金材料。
强材料与基体复合而成的复合材料。
4
复合材料性能的综合比较
使用温度 ℃
强度 耐老化
导热性 W/(mK)
耐化学 腐蚀
树脂基复 合材料
60~250
可设计
最差
0.35~0.45
最好
金属基复 合材料
400~600
可设计
一般
50~65
一般
陶瓷基复 1000~150
可设计
合材料
0
5
最好
0.7~3.5
最好
工艺 成熟 一般 复杂
氮化硅陶瓷(Si3N4)
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高 纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反 应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的 方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约 1350℃）。后者是将加适当的助烧剂 (MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
复合材料概述
复合材料概述复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的新材料。
它具有多种优良性能，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程、电子通信等领域。
本文将从复合材料的定义、组成、制备方法、应用领域以及未来发展趋势等方面进行概述。
一、复合材料的定义复合材料是由两种或两种以上具有不同化学成分和物理性质的材料经过一定方式组合而成的新材料。
它通常由增强相和基体相组成，其中增强相起到增强材料强度和刚度的作用，而基体相则起到固定增强相的作用。
二、复合材料的组成复合材料的组成主要包括增强相和基体相两部分。
增强相可以是纤维、颗粒或片层等形式，常见的有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等；基体相则可以是金属、陶瓷或聚合物等，常见的有环氧树脂、聚酰亚胺等。
通过选择不同的增强相和基体相组合，可以得到具有不同性能和应用领域的复合材料。
三、复合材料的制备方法复合材料的制备方法主要包括预浸法、纺织法、注塑法、层压法等。
预浸法是将增强相浸渍在基体相中，然后通过固化使其固定；纺织法是将纤维交织在一起形成纺织品，再通过浸渍固化形成复合材料；注塑法是将增强相和基体相混合后注入模具中，通过固化形成复合材料；层压法是将增强相和基体相交替层叠，然后通过高温高压使其固化。
不同的制备方法适用于不同的复合材料类型和应用需求。
四、复合材料的应用领域复合材料由于其优异的性能，在各个领域都有广泛的应用。
在航空航天领域，复合材料被广泛应用于飞机机身、翼面、推进器等部件，以提高飞机的性能和降低重量；在汽车制造领域，复合材料被用于制造车身、发动机罩等部件，以提高汽车的燃油经济性和安全性；在建筑工程领域，复合材料被应用于加固和修复混凝土结构、制造新型建筑材料等；在电子通信领域，复合材料被用于制造印刷电路板、光纤等部件，以提高电子设备的性能和可靠性。
五、复合材料的未来发展趋势随着科技的不断进步，复合材料的研究和应用也在不断发展。
未来，复合材料将更加注重环保和可持续发展，研究和开发新型的高性能、低成本复合材料；同时，随着3D打印技术的发展，将有望实现复合材料的定制化制造，提高生产效率和产品质量；此外，纳米复合材料、生物可降解复合材料等新型复合材料的研究也将成为未来的热点领域。
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6
Sliding against copper disk under 0.8 MPa
4 Cu/Carbon 2 Al/Ti3SiC2
0 10 20 30 40 50 60 70 Sliding speed (m/s)
Al/Ti3SiC2和Cu/carbon的磨损
网线材料（铜导线）的磨损
四、典型的复合材料及其应用
玻璃钢石化管道
大口径玻璃钢输水管道
玻璃钢化工管道
玻璃钢输油、气管道
玻璃钢建筑材料用于 上海东方明珠电视塔大堂装潢
玻璃钢容器（200m3水箱）
玻璃钢捕鱼船体
玻璃钢天线反射面
各种玻璃钢型材制品
风力发电机玻璃钢叶片
耐烧蚀玻璃纤维复合材料喷管
玻璃钢雷达罩
玻璃钢应用于体育用品
碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)
复合材料中界面层的厚度通常在亚微米以下，但 界面层的总面积在复合材料中很大，且复合材料的界 面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很 大影响。 所以，人们以极大的注意力开展对复合材料界 面的研究--------表面和界面工程（surface and interface engineering）。
密度 g/cm3
拉伸强度 GPa 比强度 106cm 拉伸模量 GPa 比模量108cm 热导率KJ/mhK CTE 10－6/K
GFRP
CFRP
KFRP
BFRP
AFRP
SFRP
钢
铝
钛
2.0
1.2 6.0 42 2.1 21 8.0
1.6
1.8 11.2 130 8.1 180 0.2
1.4
1.5 11.5 80 5.7 10 1.8
聚合物基复合材料(PMC)
• 玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP) • 碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）
金属基复合材料(MMC) 陶瓷基复合材料（CMC） 碳/碳复合材料（C/C）
玻璃钢（GFRP）：
GFRP的突出特点是密度低、比强度高。其密度为1.6～2.0g/cm3， 比轻金属铝还低；而比强度要比最高强度的合金钢还高3倍，“玻璃 钢”的名称就是由此而来。此外，玻璃钢还具有良好的耐腐蚀性能， 在酸、碱、海水，甚至有机溶剂等介质中都很稳定，耐腐蚀性超过 了不锈钢。 应用领域： 航空航天工业 在现代汽车工业中 在石油化工工业中 在体育用品方面 ……
3、复合材料具有可设计性
复合材料的性能取决于组分材料的种类、性能、 含量和分布。主要包括：增强体的性能和它的表面 物理、化学状态；基体的结构和性能；增强体的配 置、分布和体积含量。
组分设计：
材料A 材料B
优点
缺点
优点
缺点
组合 I
组合 II
组合 III
组合 IV
最佳组合
最差组合
复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺 条件、复合方法、零件几何形状和使用环境条件。
第一章
复合材料概述
复合材料的概念
复合材料的分类 复合材料的特性 复合材料的用途 复合材料的发展方向
主要内容
一、复合材料的概念
1、定义
复合材料：composite materials; composites
广义上讲：由两种或两种以上的物质组成的材料。 狭义上讲：由两种或两种以上的材料通过复合工艺组 合而成的新型材料。 三个要点：（1）材料组元——两种或以上不同组元
金属基复合材料主要由金属基体（Al、Ti、Mg、Superalloy等 合金）与增强纤维（如Cf、SiCf、Al2O3f等)、颗粒（如SiCp、Al2O3p、 B4Cp等)以及晶须（如SiCw）等复合制备而成。 金属基复合材料主要应用在以下领域：
空间和宇航中的应用
在军事领域应用 航空工业（飞机）应用
（matrix phase）。
复合材料的各种形态示意于下图中：
纤维状
颗粒状
层状
片状
填充状
复合材料及其增强相的各种形态
复合材料在制造前，基体材料的形状可以是薄片、粉 末、块体或无定形的流体，它的状态可以是固态、气态、
熔融态或半固—半液态。
基体材料在与增强相固结后，基体相在复合材料中就
成为包裹增强相的连续体。因此，基体相也叫做连续相。
铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理性的
安排，该层次决定层合板的性能； 结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。 上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。
因此，复合材料及其结构的设计打破了材料研 究和结构研究的传统界限。设计人员必须把材料性
能和结构性能统一考虑，换言之，材料设计和结构
设计必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方
疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复
合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。
3、高韧性和抗热冲击性
高韧性和抗热冲击性在PMC和CMC中尤
为重要。
25 20
断裂韧性
mபைடு நூலகம்/2 KIC /MPa·
15 10 5 0
Si3N4
SiCw/Si3N4
Cf /Si3N4
层状Si3N4/BN
4、减振性能好
在实际使用过程中，振动问题十分突出。 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；
基体相具有支撑和保护增强相的作用，在复合材料承 受外加载荷时，基体相主要以剪切变形的方式起着向增强 相分配和传递载荷的作用。
在复合材料中，增强相和基体相之间还存
在着明显的结合面。
位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连
的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区
别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域， 称为复合材料的界面（interface）。
复合材料既能保留原组分材料的主要特色，并 通过复合效应获得组分材料所不具备的性能，还可 以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关 联，从而获得新的性能。
复合材料设计：选择复合材料的组分、增强体 分布和复合材料制造工艺、使其具有使用所要求的 性能过程。
复合材料设计可分为三个层次：单层材料设计、
铺层设计、结构设计。 单层材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及 其配比，该层次决定单层板的性能；
CFRP密度更低，具有比玻璃钢更高的比强度和比模量，比强
度是高强度钢和钛合金的5～6倍，是玻璃钢的2倍，比模量是这些
材料的3～4倍。
应用领域：
空间和宇航中的应用 航空工业（飞机）应用 在军事领域的应用 在建筑工业的应用 在汽车工业中的应用 ……
CFRP在航天飞机中的应用
CFRP在民用飞机中的应用
（2）制备工艺——人工复合
（3）新型材料——具有原组元所不具备的新性能
2、复合材料的结构
复合材料的结构通常是一个相为连续相，成为基体；
而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相， 它显著增强材料的性能，故常称为增强体。 多数情况下，增强体较基体硬，刚度和强度较基体大。 增强相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的
填料。
在基体和增强体之间存在着界面。
因此，复合材料是由两种以上组分以及它们之
间的界面构成。
组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为
复合材料的增强相和基体相。增强相与基体相之间
的界面区域因为其特殊的结构组成也被视作复合材
料中的“相”，即界面相。
增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在 最终复合材料中的形态来区分的。
透波性能，被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷 达罩。 复合材料通过原材料的选择和适当的成型工艺 可以制得导电复合材料。这是一种功能复合材料， 在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应 用前景。
7、良好的耐烧蚀性、耐磨损、导电和导 热性
Ti3SiC2/M复合材料在高速列车受电弓滑板上的应用
8
Weight less of blocks (mg)
其中一个组分是纤维（连续的或短切的）、薄片或颗粒
状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受 外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体（reinforcing phase or reinforcement）。 增强相或增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔 离包围，因此也称作分散相；
复合材料中的另一个组分是包围增强相并 相对较软和韧的贯连材料，称为基体相
案中。
4、复合材料的特点
与单质材料相比，现代复合材料具有以下一些特点：
复合材料是一种多相材料，其中的组分的类型和相对含 量是人们有意识选择与设计的； 复合材料本身是人工制造的，而不是天然的（区别天然 材料）；
复合材料中至少有一固相为连续体，称为基体，其它固
相可为分散相或连续相，称为增强相（或增强体、增强 材料），可为一维、二维、三维或多维状态； 复合材料具有各单个组分所没有的综合的优良性能。
（２）复合材料的可设计性
如结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进
行组元选材设计，更重要的是还可进行复合结构设计，即增
强体的比例、分布、排列和取向等的设计。对于结构复合材 料来说，是由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体又起 传递力作用的基体组元构成。由不同的增强体和不同的基体 即可组成名目繁多的结构复合材料。
在核反应工程中应用
在汽车工业中的应用
典型的铝基和钛基复合材料及其性能
复合材料 Bf /Al CVD SiCf / Al Nicalon SiCf / Al Cf / Al Al2O3f / Al Al2O3f / Al SiCw / Al SiCp / Al CVD SiCf / Ti Bf / Ti 纤维含量 vol％ 50 50 35～40 35 50 50 18～20 20 35 45 抗拉强度 MPa 1200～1500 1300～1500 700～900 500～800 650 900 500～620 400～510 1500～1750 1300～1500 拉伸模量 GPa 200～220 210～230 95～110 100～150 220 130 96～138 ～100 210～230 220 密度 g/cm3 2.6 2.85～3.0 2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7