复合材料1-概论
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• 赋予功能 电、磁、光、热、---
复合是自然界的基本规律-如天然纤维 复合是科学的基本思想-新材料发展趋势之一
Y. Lu
3
2007
内容
• 1 复合材料基础：四要素，一追求 • 2 功能复合材料：电、光、磁、热等 • 3 复合材料存在的问题与解：环境复合材料，
组合材料研究，梯度功能材料，智能复合材 料等 • 4 复合材料进展：仿生复合材料等
[ CH2 CH2 ]n
[ CH2 CH ]n
CH3
[ CH2 CH ]n
Cl [ CH2 C ]n
CH3
COOCH3
Y. Lu
24
2007
高分子材料的序列性
亲水-疏水，熔点
Y. Lu
25
2007
高分子材料的序列性
- 水溶性，结晶性
• 聚甲醛 聚氧化乙烯 聚氧化丙烯 • -CH2O- -CH2CH2O- -CH2CH2(CH3)O-
• 力学：梯度功能复合材料，摩擦材料（干和湿汽车摩擦材料， 自润滑复合材料, 阻尼复合材料），修饰（玻璃钢花盆）
• 生物：生物医用复合材料
• 仿生和智能复合材料
• 生态环境复合材料
• 化学：膜材料，催化剂
Y. Lu
19
2007
四要素：缺一不可
基体
增强体
复合材料
• 复合方式 • 三个内因 + 一个外因
Y. Lu
8
2007
复合原理
• 平均效应 1+1=2（加法）
Y. Lu
9
2007
乘法
• 1+1>2 （非线性） 如：导电复合材料
Y. Lu
10
2007
一追求：无中生有
• 0+0>0 如：纳米技术，反应加工
纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化 学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原 来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导 电。 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的 富贵光泽而呈黑色。
SiC
Y. Lu
Al2O3
38
MoS2
2007
填料的分类
• 无机、金属、碳、有机（晶体）和高分子 • 纳米填料 • 天然或合成 • 功能填料和填料的功能化
Y. Lu
39
2007
Y. Lu
40
2007
Y. Lu
41
2007
填料的重要特征 • 单个填料和团簇的形态和尺寸
Y. Lu
42
2007
填料的重要特征一
无机功能填料
• 导电：碳黑、炭纤维、金属粉、超导体 • 导热：BN, AlN, Si3N4 • 磁：铁氧体、稀土 • 吸波：氰酸酯晶须、羰基铁粉 • 阻燃：Al(OH)3, Mg(OH)2 • 阻尼：粗片石墨 • 负膨胀系数：PbTiO3 • 抗紫外线：ZnO, TiO2, CeO • 抗菌性 ---（需要总结）
• 内表面和外表面的表面特征：极性（润湿性，
表面能，反应性）
Y. Lu
43
2007
• 插层
内表面的修饰
Y. Lu
44
2007
填料的重要特征二
• 内表面和外表面的表面特征：电子态（电子给
体或受体）和表观形态
Y. Lu
45
2007
填料的重要特征三
• 拓扑性
废轮胎粉+硅石 碳黑/橡胶
Y. Lu
46
2007
Y. Lu
17
2007
分类-基体
• 金属基（MMC） • 陶瓷基（CMC） • 碳基（C/C） • 聚合物基（PMC）
Y. Lu
18
2007
功能复合材料
• 物理：导电复合材料, 导热复合材料, 磁性复合材料, 吸波（隐 身）复合材料, 光功能复合材料（聚合物分散液晶，聚合物稳 定液晶）, 光电功能复合材料（复合材料二极管，聚合物太阳 能电池）
Y. Lu
15
2007
分类-力学性能
• 常用复合材料：以玻璃纤维，短纤维和颗粒填料 为增强体
• 先进复合材料：比强度>4106 cm，比模量>4108 cm，以炭纤维，芳纶等高性能连续纤维或织物为 增强体
Y. Lu
16
2007
分类-增强体形态
• 颗粒填充复合材料 • 纤维复合材料 • 纺织复合材料 • 蜂窝复合材料 • 纳米复合材料 • ------
Y. Lu
11
2007
反应加工
新物质产生
Y. Lu
12
2007
发展
• 第一代：1940-1960 聚合物基常用复合 材料
• 第二代：1960-1980 聚合物基先进复合 材料
• 第三代：1980-1990 金属基复合材料 • 第四代：1990- 陶瓷基和功能复合材料 • 第五代：21世纪 环境和生物复合材料
Y. LU Y. Lu
28
2007
树枝聚合物
树枝聚合物结构 --- 芯 --- 支化单元 --- 表面基团
Y. LU Y. Lu
29
2007
源自文库
二、增强体（纤维和填料）
Y. Lu
30
2007
炭纤维 （无机）
Y. Lu
31
2007
炭纤维性能
Y. Lu
32
2007
炭纤维应用
Y. Lu
33
2007
芳纶和芳砜纶（有机）
Y. Lu
47
2007
有机功能填料
• 光：偶氮化合物，液晶，螺旋聚合物 • 电：共轭化合物 • 磁：手性聚合物 •光：螺吡喃、俘精酸酐 •防弹：芳纶、UHMW聚乙烯纤维 • ---（需要总结）
Y. Lu
48
2007
1、无机材料
笼状硅材料（POSS）
Y. Lu
49
2007
层状硅酸盐 - 插层复合材料
Y. Lu
26
2007
材料谱的概念
• 高分子材料的耐热性谱 • 高分子材料的强度谱 • 高分子材料的熔点谱 • 高分子材料的导电性谱 • 高分子材料的导热性谱 • ------
Y. Lu
27
2007
聚合物结构的进化
• 20世纪30年代：线性 • 20世纪40年代：交联 • 20世纪60年代：支化 • 20世纪70年代：树枝
Polymer: poly = many, mer = part polymer = many parts
Monomer: mono = single
Y. Lu
2
2007
Why Composites？
• 复合是一种方法：改善原有材料的某 些不足，创造新材料
• 增强 古代：稻草+黏土（坯）比黏土砖好
Y. Lu
4
2007
References
• 张佐光，《功能复合材料》，化工出版社，2004.
• 益小苏等，《复合材料手册》，化工出版社，2009. • 刘云圻等，《有机纳米与分子器件》科学出版社，
2010. • 黄丽，《高分子材料》化工出版社，2010.
Y. Lu
5
2007
第一章 复合材料基础：功能填 料和填料的功能化
Y. Lu
13
2007
分类-应用
• 结构复合材料（承载，力学性能和耐热性，工程应用）
国产碳纤维复合材料即将 装机猎鹰高教机。目前， 国产碳纤维复合材料已推 广至机头罩、方向舵等数 个大部件，这些也是即将 在猎鹰06架上实现装机的 部件。
Y. Lu
14
2007
分类-应用
• 功能复合材料（非承载，电，光，声，磁，生物医用，化学---） • 智能复合材料（信息）
1987年日本丰田公司
Y. Lu
50
2007
插层材料
• 膨胀石墨 • 黏土（蒙脱土、高岭土） • 层状金属氧化物（V2O5, MoO3, WO3) • ---（需要总结）
Y. Lu
51
2007
碳填料：富勒烯和碳纳米管
Y. Lu
52
2007
界面相
Y. Lu
20
2007
一、高分子基体
金属 陶瓷 高分子
熔点 高 中 低
强度 高 中 低
模量 高 中 低
伸长率 低 中 高
热膨胀系数 密度
低
中
中
高
高
低
Y. Lu
21
2007
高分子基体的类型和结构
Y. Lu
22
2007
高分子材料数据库
Y. Lu
23
2007
高分子材料的序列性
- 结晶性
• 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯
Functional Polymer Matrix Composites
聚合物基功能复合材料
Y. Lu
1
2007
What is Composite?
Composite: com = together, posite = to put or place composite = put together or made up of separate parts
（四要素，一追求）
Y. Lu
6
2007
复合材料定义
• 组成：2或多组分（基体、增强体） 形态：异相微结构 性能：与组成材料不同
• 与单一材料（高分子材料）不同：多组分、 多相和界面相
• 功能复合材料：除机械性能以外而提供其他 物理性能的复合材料
Y. Lu
7
2007
复合原理
• 正效应 1+1>2 （乘法）和 0+0>0 （无中生有） • 负效应 1+1<2 • 平均效应 1+1=2（加法）
防弹衣，头盔
Y. Lu
34
2007
天然纤维（纤维素、木质素）
Y. Lu
35
2007
纤维的表面处理
• 炭纤维：电解 • 芳纶纤维：等离子体 • 天然纤维：酸、碱
Y. Lu
36
2007
织物
Y. Lu
37
2007
填料的定义
• 一般在复合材料中的分散相，也可为连 续相（短纤维的缠结、织物、颗粒形成 网络结构）
复合是自然界的基本规律-如天然纤维 复合是科学的基本思想-新材料发展趋势之一
Y. Lu
3
2007
内容
• 1 复合材料基础：四要素，一追求 • 2 功能复合材料：电、光、磁、热等 • 3 复合材料存在的问题与解：环境复合材料，
组合材料研究，梯度功能材料，智能复合材 料等 • 4 复合材料进展：仿生复合材料等
[ CH2 CH2 ]n
[ CH2 CH ]n
CH3
[ CH2 CH ]n
Cl [ CH2 C ]n
CH3
COOCH3
Y. Lu
24
2007
高分子材料的序列性
亲水-疏水，熔点
Y. Lu
25
2007
高分子材料的序列性
- 水溶性，结晶性
• 聚甲醛 聚氧化乙烯 聚氧化丙烯 • -CH2O- -CH2CH2O- -CH2CH2(CH3)O-
• 力学：梯度功能复合材料，摩擦材料（干和湿汽车摩擦材料， 自润滑复合材料, 阻尼复合材料），修饰（玻璃钢花盆）
• 生物：生物医用复合材料
• 仿生和智能复合材料
• 生态环境复合材料
• 化学：膜材料，催化剂
Y. Lu
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2007
四要素：缺一不可
基体
增强体
复合材料
• 复合方式 • 三个内因 + 一个外因
Y. Lu
8
2007
复合原理
• 平均效应 1+1=2（加法）
Y. Lu
9
2007
乘法
• 1+1>2 （非线性） 如：导电复合材料
Y. Lu
10
2007
一追求：无中生有
• 0+0>0 如：纳米技术，反应加工
纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化 学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原 来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导 电。 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的 富贵光泽而呈黑色。
SiC
Y. Lu
Al2O3
38
MoS2
2007
填料的分类
• 无机、金属、碳、有机（晶体）和高分子 • 纳米填料 • 天然或合成 • 功能填料和填料的功能化
Y. Lu
39
2007
Y. Lu
40
2007
Y. Lu
41
2007
填料的重要特征 • 单个填料和团簇的形态和尺寸
Y. Lu
42
2007
填料的重要特征一
无机功能填料
• 导电：碳黑、炭纤维、金属粉、超导体 • 导热：BN, AlN, Si3N4 • 磁：铁氧体、稀土 • 吸波：氰酸酯晶须、羰基铁粉 • 阻燃：Al(OH)3, Mg(OH)2 • 阻尼：粗片石墨 • 负膨胀系数：PbTiO3 • 抗紫外线：ZnO, TiO2, CeO • 抗菌性 ---（需要总结）
• 内表面和外表面的表面特征：极性（润湿性，
表面能，反应性）
Y. Lu
43
2007
• 插层
内表面的修饰
Y. Lu
44
2007
填料的重要特征二
• 内表面和外表面的表面特征：电子态（电子给
体或受体）和表观形态
Y. Lu
45
2007
填料的重要特征三
• 拓扑性
废轮胎粉+硅石 碳黑/橡胶
Y. Lu
46
2007
Y. Lu
17
2007
分类-基体
• 金属基（MMC） • 陶瓷基（CMC） • 碳基（C/C） • 聚合物基（PMC）
Y. Lu
18
2007
功能复合材料
• 物理：导电复合材料, 导热复合材料, 磁性复合材料, 吸波（隐 身）复合材料, 光功能复合材料（聚合物分散液晶，聚合物稳 定液晶）, 光电功能复合材料（复合材料二极管，聚合物太阳 能电池）
Y. Lu
15
2007
分类-力学性能
• 常用复合材料：以玻璃纤维，短纤维和颗粒填料 为增强体
• 先进复合材料：比强度>4106 cm，比模量>4108 cm，以炭纤维，芳纶等高性能连续纤维或织物为 增强体
Y. Lu
16
2007
分类-增强体形态
• 颗粒填充复合材料 • 纤维复合材料 • 纺织复合材料 • 蜂窝复合材料 • 纳米复合材料 • ------
Y. Lu
11
2007
反应加工
新物质产生
Y. Lu
12
2007
发展
• 第一代：1940-1960 聚合物基常用复合 材料
• 第二代：1960-1980 聚合物基先进复合 材料
• 第三代：1980-1990 金属基复合材料 • 第四代：1990- 陶瓷基和功能复合材料 • 第五代：21世纪 环境和生物复合材料
Y. LU Y. Lu
28
2007
树枝聚合物
树枝聚合物结构 --- 芯 --- 支化单元 --- 表面基团
Y. LU Y. Lu
29
2007
源自文库
二、增强体（纤维和填料）
Y. Lu
30
2007
炭纤维 （无机）
Y. Lu
31
2007
炭纤维性能
Y. Lu
32
2007
炭纤维应用
Y. Lu
33
2007
芳纶和芳砜纶（有机）
Y. Lu
47
2007
有机功能填料
• 光：偶氮化合物，液晶，螺旋聚合物 • 电：共轭化合物 • 磁：手性聚合物 •光：螺吡喃、俘精酸酐 •防弹：芳纶、UHMW聚乙烯纤维 • ---（需要总结）
Y. Lu
48
2007
1、无机材料
笼状硅材料（POSS）
Y. Lu
49
2007
层状硅酸盐 - 插层复合材料
Y. Lu
26
2007
材料谱的概念
• 高分子材料的耐热性谱 • 高分子材料的强度谱 • 高分子材料的熔点谱 • 高分子材料的导电性谱 • 高分子材料的导热性谱 • ------
Y. Lu
27
2007
聚合物结构的进化
• 20世纪30年代：线性 • 20世纪40年代：交联 • 20世纪60年代：支化 • 20世纪70年代：树枝
Polymer: poly = many, mer = part polymer = many parts
Monomer: mono = single
Y. Lu
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2007
Why Composites？
• 复合是一种方法：改善原有材料的某 些不足，创造新材料
• 增强 古代：稻草+黏土（坯）比黏土砖好
Y. Lu
4
2007
References
• 张佐光，《功能复合材料》，化工出版社，2004.
• 益小苏等，《复合材料手册》，化工出版社，2009. • 刘云圻等，《有机纳米与分子器件》科学出版社，
2010. • 黄丽，《高分子材料》化工出版社，2010.
Y. Lu
5
2007
第一章 复合材料基础：功能填 料和填料的功能化
Y. Lu
13
2007
分类-应用
• 结构复合材料（承载，力学性能和耐热性，工程应用）
国产碳纤维复合材料即将 装机猎鹰高教机。目前， 国产碳纤维复合材料已推 广至机头罩、方向舵等数 个大部件，这些也是即将 在猎鹰06架上实现装机的 部件。
Y. Lu
14
2007
分类-应用
• 功能复合材料（非承载，电，光，声，磁，生物医用，化学---） • 智能复合材料（信息）
1987年日本丰田公司
Y. Lu
50
2007
插层材料
• 膨胀石墨 • 黏土（蒙脱土、高岭土） • 层状金属氧化物（V2O5, MoO3, WO3) • ---（需要总结）
Y. Lu
51
2007
碳填料：富勒烯和碳纳米管
Y. Lu
52
2007
界面相
Y. Lu
20
2007
一、高分子基体
金属 陶瓷 高分子
熔点 高 中 低
强度 高 中 低
模量 高 中 低
伸长率 低 中 高
热膨胀系数 密度
低
中
中
高
高
低
Y. Lu
21
2007
高分子基体的类型和结构
Y. Lu
22
2007
高分子材料数据库
Y. Lu
23
2007
高分子材料的序列性
- 结晶性
• 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯
Functional Polymer Matrix Composites
聚合物基功能复合材料
Y. Lu
1
2007
What is Composite?
Composite: com = together, posite = to put or place composite = put together or made up of separate parts
（四要素，一追求）
Y. Lu
6
2007
复合材料定义
• 组成：2或多组分（基体、增强体） 形态：异相微结构 性能：与组成材料不同
• 与单一材料（高分子材料）不同：多组分、 多相和界面相
• 功能复合材料：除机械性能以外而提供其他 物理性能的复合材料
Y. Lu
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2007
复合原理
• 正效应 1+1>2 （乘法）和 0+0>0 （无中生有） • 负效应 1+1<2 • 平均效应 1+1=2（加法）
防弹衣，头盔
Y. Lu
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2007
天然纤维（纤维素、木质素）
Y. Lu
35
2007
纤维的表面处理
• 炭纤维：电解 • 芳纶纤维：等离子体 • 天然纤维：酸、碱
Y. Lu
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织物
Y. Lu
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填料的定义
• 一般在复合材料中的分散相，也可为连 续相（短纤维的缠结、织物、颗粒形成 网络结构）