第一章复合材料的概念、分类及其发展历程
最新第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
目录
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
第二章 复合材料基本特性、应用及其研究现状
第三章 复合材料的基体材料
第四章 复合材料的增强材料
第五章 复合材料的成型工艺
第六章 复合材料的复合原子及界面
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１、复合材料的定义
什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ? 要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难 的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑复 合后材料的性能，或偏重于考虑复合材料的结构
第七章 聚合物基复合材料
第八章 金属基复合材料
第九章 陶瓷基复合材料
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第十章 金属间化合物基复合材料
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
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F．L. Matthews和Ｒ．D．Rawlings认为，复合材料 是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面 三个条件：
(1)组元含量大于5％； (2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能， (3)通过各种方法混合而成。
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复合材料的历史和发展
复合材料的历史和发展随着科技的发展，复合材料作为一种新型的材料被广泛应用于工业、军事、航空等领域。
然而，复合材料的历史并不长，本文将从其起源、发展到现代应用进行探讨，以介绍复合材料在人类社会发展中的地位和作用。
一、复合材料的起源从人类最早使用材料的时期开始，就存在着使用多种材料进行复合制造的情况。
例如，在埃及金字塔的建造过程中，当地人用泥和其他物质混合在一起制成了一种强度更高的材料。
然而，在更早的时代，就有使用石头和木头制作拼花地板、石板屋顶的情况。
这些都是最早的复合材料。
在现代意义下，复合材料的起源可以追溯到二战期间。
当时，军方认识到金属在高空作战时的缺陷，而对于实验性的树脂和玻璃纤维组合材料却给予了极高的评价。
通过不断试验和改进，金属的替代品这一概念逐渐形成，种类越来越多，从而形成了复合材料这一新型材料的概念。
二、复合材料的发展二战期间的复合材料制造与发展，为现代复合材料的制造和应用打下了基础。
20世纪50年代，斯派里公司首开先河，大规模生产树脂和玻璃纤维复合材料（简称GFRP）。
这种材料在航空业、汽车制造业、建筑业等领域的应用逐渐普及。
根据统计数据，GFRP的用量在过去几十年中增长了至少20倍。
20世纪60年代，出现了碳纤维复合材料（简称CFRP），这种材料是当前复合材料中强度最高、刚度最大的一种材料。
其应用范围相对较窄，大多用于制造高强度轻质材料，如现代高速列车和航空航天等领域。
除了CFRP外，先进的Kevlar纤维强度也很高，但相对而言其成本相对较高，在多领域的应用也相对较少。
20世纪70年代以后，为制作出高性能的复合材料而进行的研究和试验越来越多，包括增强难熔的陶瓷、制造蜂窝结构材料等等。
三、现代复合材料的应用当前，复合材料在许多领域得到广泛应用，其性能和应用领域也越来越广，例如：1. 航空和航天领域：复合材料制造的飞机、卫星、导弹等，能够有效提高飞行器的运载能力和更换周期，从而为人们的生产和生活带来了方便。
复合材料
一、复合材料的发展复合材料使用的历史可以追溯到古代。
从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。
20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。
50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。
70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。
这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。
现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料[1]对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。
复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。
进入21世纪以来，全球复合材料市场快速增长，亚洲尤其中国市场增长较快。
2003～2008年间中国年均增速为15%，印度为9.5%，而欧洲和北美年均增幅仅为4%。
二、复合材料的定义和分类1、复合材料的定义复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强相（增强体）。
分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相接口。
分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。
2、复合材料的分类（1）按基体材料类型分类①聚合物基复合材料以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体制成的复合材料②金属基复合材料以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等。
③无机非金属基复合材料以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体制成的复合材料。
（2）按增强材料种类分类①玻璃纤维复合材料。
②碳纤维复合材料。
③有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等）复合材料。
④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料。
⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。
复合材料的发展历程及其应用
350MPa以上， 弯曲强度为260MPa以 上， 为铝合金的2倍、 塑钢的4～ 5倍， 从而弥补了塑钢窗框强度低、 易变形的缺点。 玻璃钢窗框的热绝 缘系数为9.96㎡•K/W， 远大于塑钢 窗框和隔热断桥铝合金窗框的热绝 缘系数。 优质玻璃钢窗框的保温性 能优于国家标准(GB8484-1987)中 规定的保温性能一级指标。 玻璃钢 窗框尺寸稳定、 隔音性好。 玻璃钢 型材热变形温度为200℃， 线胀系 数与建筑物和玻璃相当， 在冷热温 差变化较大环境下， 不易与建筑物 及玻璃之间产生缝隙， 可大大提高 玻璃钢窗框的密封性能。 据有关部 门检测， 优质玻璃钢窗框型材符合 GB-18584-2001 《建筑材料放射性 核素限量》 规定的各项有害物质限 量指标。 我国建筑窗框行业形成了以塑 钢窗为主的产品结构体系， 也是建 筑窗框产量最多的国家。 目前全国 城镇建筑市场的窗框需求量已经达 到2亿平方米， 由于玻璃钢窗框特有 的保温、 节能等优点， 目前已得到社 会各界的认可和国家有关部门的重 视和支持。 随着我国城镇化进程的加快， 建筑业投资越来越多， 我国 “十一 五” 规划中明确指出， 从2005年起， 新建采暖居住建筑应在此前国家节 能要求的基础上再提高30%， 住房 和城乡建设部在节能专项规划中 指出， “十一五” 期间25%既有建筑 要进行改造。 建筑节能改造和供热 系统的改造巨大工作量， 带来玻璃 钢的市场前景广阔， 绿色环保、 阻 燃、 节能型的新型建筑材料必将大 有作为。
二、 复合材料的发展历程
材料科学的发展经历了天然材 料、 无机非金属材料、 金属材料、 有 机合成材料、 复合材料这5个阶段。 其中， 无机非金属材料主要包括陶 瓷材料、 玻璃材料、 无机非金属涂层 材料等。 此类材料一般耐高温、 抗腐 蚀， 有些材料还有独特的光电特性。 硅酸盐材料主要指水泥、 玻璃、 陶瓷 等， 是传统的无机非金属材料。 而半 导体材料、 超硬耐高温材料、 发光材 料等是新型无机非金属材料。 复合 材料最早的原型， 可追溯到2000多年 前中国祖先， 曾采用黏性泥浆中加入 稻草做成土坯建造房子这一实例。 这实际上表明祖先们已使用稻草纤 维增强黏土的复合材料。 自然界中， 许多天然材料都可 看作是复合材料。 树木、 竹子是由 纤维素和木质素复合而成的。 纤维 素抗拉强度大， 但刚性小， 比较柔 软， 而木质素则把众多的纤维素粘 结成刚性体。 动物的骨骼是由硬而 脆的磷酸盐和软而韧的蛋白质骨胶 组成的复合材料。 人类很早就仿效 天然复合材料， 在生活和生产中制 成了初期复合材料。 例如在建筑房 屋时， 人们将麦秸或稻草掺入泥浆 中以增强泥土的强度； 在现代建筑 上大量使用的混凝土， 特别是钢筋 混凝土制成的复合材料等等。 近 代 复合 材 料 的 发 展 是 从 1932年玻璃纤维增强塑料问世开 始的。 上世纪30年代末期， 美国因
复合材料PPT课件
随着科技的不断进步和环保意识的提高，未来复合材料将 更加注重环保、可再生、高性能等方向的发展，同时其在 智能制造、新能源等领域的应用也将不断拓展。
02
CATALOGUE
复合材料的组成与结构
基体材料
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定义
基体材料是复合材料中连 续相，起粘结、保护增强 材料并传递载荷到增强材 料上的作用。
生物相容性
某些复合材料具有良好的生物相容性 ，可用于医疗器械、人体植入物等领 域。
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CATALOGUE
复合材料的应用实例
航空航天领域应用
飞机结构
复合材料用于制造飞机机翼、机身和尾翼等结构部件，具 有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，可提高飞行器的性 能和燃油经济性。
航天器结构
复合材料在航天器结构中也有广泛应用，如卫星、火箭和 空间站等，其轻质高强的特性有助于减轻发射重量和提高 有效载荷。
美观、舒适、环保等特点。
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动力系统
复合材料可用于制造汽车发动机罩、进气歧管等动力系统部件，具有优
异的耐高温性能和力学性能。
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建筑结构中的梁、板、柱等承重部件，具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲 劳等优点，有助于提高建筑物的抗震性能和耐久性。
建筑装饰
复合材料也可用于制造建筑装饰材料，如墙板、吊顶、隔断等，具有美观、环保、易安装 等特点。
某些复合材料在受到冲击时能 够吸收大量能量，表现出良好
的抗冲击性能。
物理性能
低密度
相对于金属材料，复合材料通常具有较低的 密度，有利于实现轻量化设计。
优异的电绝缘性
某些复合材料具有极佳的电绝缘性能，适用 于电气和电子设备。
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。
复合材料的概念、分类及其发展历程
复合材料的发展阶段
20世纪初
随着工业革命的发展，人们开始研究复合材料的制备和应用。在这个阶段，人们开始使用 玻璃纤维和有机树脂制造复合材料，这些复合材料具有更高的强度和刚度，被广泛应用于 航空、航天、军事等领域。
20世纪中叶
随着科技的不断进步，复合材料的种类和应用范围不断扩大。在这个阶段，人们开始使用 碳纤维、硼纤维等高性能纤维制造复合材料，这些复合材料具有更高的强度、刚度和耐高 温性能，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
复合材料能够提供高性能的运动 器材，如碳纤维自行车、高尔夫 球杆等，提高运动员的成绩和表
现。
轻量化体育器材
复合材料能够实现体育器材的轻 量化，如羽毛球拍、网球拍等， 提高运动员的灵活性和机动性。
安全防护器材
复合材料具有较好的抗冲击和抗 碰撞性能，能够提供安全防护器 材，如头盔、护具等，保护运动
员的安全。
用等方面。
提高性能与功能
未来复合材料将朝着更高性能、更多功能 的方向发展，以满足更加严苛的工程要求。
智能化与多功能化
随着智能化和多功能化需求的增加，复合 材料将进一步融合传感器、功能器件等， 实现一体化、智能化的应用。
THANKS
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抗疲劳性能
复合材料具有较好的抗疲劳性能， 能够承受反复的载荷变化，适用于 飞机和航天器的关键结构部件。
汽车工业领域的应用
汽车轻量化
定制化设计
复合材料能够显著减轻汽车重量，提 高燃油经济性和动力性能，降低排放。
复合材料具有Βιβλιοθήκη 好的可塑性和可设计 性，能够实现汽车定制化设计和制造。
安全性能
复合材料具有较好的抗冲击和抗碰撞 性能，能够提高汽车的安全性能。
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。
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
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１-1 复合材料的定义 复合材料(Composite materials)， 是由界面分明、物理化学性质不同的组 分材料，通过物理或化学的方法构成的 性能优越的多相材料。各种材料在性能 上互相取长补短，产生协同效应，使复 合材料的综合性能优于原组成材料而满 足各种不同的要求。
4
相（Phase）
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细观复合材料的分类
按连续相分类 非金属基复合材料 聚合物基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 碳基复合材料
热固性树脂 热塑性树脂
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细观复合材料的分类
按分散相分类
纤维增强 复合材料
颗粒增强 复合材料
晶须增强 复合材料
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纤维增强 复合材料
连续纤维增强
短纤维增强
纺织复合材料
纤维的两端达到制成的 复合材料构件的边界
复合材料导论
Introduction to Composite Materials
轻型产业学院 吴玲
1
第一章 绪论 0 1 2 3 4 材料科学简介 复合材料的定义 复合材料的发展简史 复合材料的组成结构特点和分类 复合材料的性能
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复合材料导论
第一章 绪论
1-1 1-2 1-3 1-4 复合材料的定义和分类 复合材料的发展简史 复合材料的组成结构特点和分类 复合材料的性能
复合材料的命名
•强调基体材料：树脂基复合材料 •强调增强体材料：碳纤维增强复合材料 •基体与增强体材料共用：玻璃纤维增强 环氧树脂，玻璃纤维/环氧树脂，
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复合材料的命名
• • • • • • MMC (metal matrix composite) FRP (Fiber Reinforced composite) GF/Epoxy SiCf /Al SiCp /Al SiCw/Al
复合材料的定义、性能与分类.pptx
复合材料结构示意图
a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切纤维复合
四、复合材料的性能
○比强度、比模量高 ○良好的抗疲劳性能 纤维复合材料，对缺口、应力集中敏感
性小，且纤维与基体界面能够阻止疲劳裂纹扩散，改变裂纹扩 展方向。
○ 优良的高温性能 铝合金在300℃时，强度由室温的
500MN/m2降到30～50MN/m2，而用碳纤维或硼纤维增强后， 300℃的强度与室温基本相同。
很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求， 不能满足现代科学技术发展的需要。
二、复合材料的定义
用经过选择的、含一定数量比的两种 或两种以上的组分（或称组元），通过 人工复合、组成多相、且各相之间有明 显界面的、具有特殊性能的固体材料。
复合材料的特点
➢两种或两种以上的化学相 ➢具有两种材料所不具备的优良性能 ➢人工设计出来的，具有可设计性
建筑上，复合门窗 交通上，汽车保险杠和轿车底板 体育娱乐方面，羽毛球拍、钓鱼竿、自行车中
的车架等
铝木复合门窗
汽车保险杠和底板、发动机 罩等，甚至全复合材料汽车
材料
牌号
铬钼钢 铝合金
钛 碳纤维 镁合金
低合金钢 6001/T6
纯钛 CFRP AM60
密度 /(g/cm3)
7.9 2.6~2.9
风力发电设备中风力发动机的叶片和支杆 核电站浓缩铀253的离心机转筒
5、海洋资源开发方面的应用
6、环境方面应用
通过设计，合理利用材料，节约加工能耗，降低 废弃边角料，延长工件和设施的使用寿命；用废 弃物如矿渣、木屑、废塑料、麦秆等制造复合材 料
废水治理厂的容器和管道、处理汽车尾气的高压 气瓶
（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”
【材料课件】第一章复合材料的概念、分类及其发展历程.pptx
偏重于考虑复合后材料的性能 诸如（１） 复合材料是由两种或更多的组分材料结合在 一起，复合后的整体性能应超过组分材料，保留了所期 望的性能(高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望 的特性(低延性)。
8
（２） 复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何 单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分 不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料，以物 理形式结合而成的。
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偏重于考虑复合材料的结构，诸如： （１）复合材料是两种或多种材料在宏观尺度上组合而成的
一种有用的材料。 （２）复合材料就是两种或两种以上的不同化学性质或不同
组织相的物质，以微观或宏观的形式组合而成的材料。 （３）复合材料是不同于合金的一种材料，在合金中，每一
种组分都保留着它们独立的特性，而构成复合材料时，仅取它 们的优点而避开其缺点，从而获得一种改善了的材料。
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吴人洁教授“在复合材料的未来发展”一文中指出：复 合材料将由宏观复合形式向微观(细观)复合形式发展。微观 复合材料包括：均质材料在加工过程中内部析出的增强相和 剩余的基体相构成的原位复合材料或纤维增强复合材料，也 包括用纳米级增强体的复合材料以及刚强棒状分子增强的分 子复合材料等。
综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规 律和性能持征。
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从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质 的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指 由两种或两种以上不同相态用经过选择的、含一定数量比的两种 或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、 三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
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国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组 合起来而得到的一种多相固体材料。 《材料科学技术百科全书》中关于复合材料的定义如下： 复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材 料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料 的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。 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 而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。
2024版《复合材料》PPT课件
如环氧树脂、聚酰胺、聚酯等，具有良好的粘结性、耐腐蚀性等 特点。
原材料预处理
包括清洗、干燥、剪裁、浸润等步骤，以确保原材料的质量和性 能。
成型工艺方法介绍
手糊成型
喷射成型
将纤维增强材料和基体材料手工逐层铺设在 模具上，通过手工涂刷或喷涂基体材料，形 成复合材料制品。
利用喷枪将基体材料和短切纤维同时喷向模 具表面，形成复合材料层。
复合材料可用于制造汽车发动机罩、底盘护板等部件，具 有减振、降噪和提高耐久性等优点。
建筑领域应用
结构构件
复合材料用于制造建筑结构如梁、板、柱等，具有轻质高强、耐腐蚀和耐候性等优点，如纤 维增强混凝土（FRC）在建筑中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
内饰部件 复合材料可用于制造汽车座椅、仪表盘、门板等内饰部件， 提高舒适性和美观度，如玻璃纤维增强塑料（GFRP）在 内饰中的应用。
发动机和底盘部件
光子复合材料
能够调控光的传播路径和性质， 具有隐身、光学存储等智能特性， 在光通信、光计算等领域具有重 要应用价值。
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《复合材料》PPT课件
目录
contents
• 复合材料概述 • 复合材料的组成与结构 • 复合材料的制备工艺 • 复合材料的性能特点 • 复合材料的应用实例分析 • 复合材料的未来发展趋势
01
复合材料概述
定义与分类
定义
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)。
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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。
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（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 课件
02
手糊成型是一种手工操作工艺，将增 强材料浸渍在树脂中，然后将其铺放 在模具上，通过刮刀或刷子去除多余 的树脂，最后进行固化。该工艺简单 易行，适用于小批量生产，但生产效 率较低。
03
喷射成型是一种半机械化或全自动化 工艺，将树脂和增强材料通过混合器 混合后，通过喷嘴喷涂在模具或制品 表面，形成一定厚度的层，然后进行 固化。该工艺生产效率高，适用于大 型制品的生产。
化学性能
耐腐蚀性
复合材料通常具有较好的耐腐蚀性，能够抵抗酸、碱、盐等化学 物质的侵蚀。
环境适应性
某些复合材料能够适应极端环境，如高湿度、紫外线暴露等。
阻燃性
一些复合材料具有阻燃性，能够有效地阻止火焰的蔓延。
03
复合材料的制备工艺
聚合物基复合材料的制备工艺
01
聚合物基复合材料是由聚合物基体和 增强材料组成的复合材料。其制备工 艺主要包括手糊成型、喷射成型、模 压成型和树脂传递模塑等。这些工艺 通常需要使用树脂、填料、增强材料 和其他添加剂，通过混合、涂布、浸 渍和固化等步骤来制备聚合物基复合 材料。
聚合物基复合材料的制备工艺
模压成型是一种半自动或全自动的工艺，将预浸料或干纤维 增强材料放在模具中，加热加压固化后得到制品。该工艺生 产效率高，制品尺寸精度高，适用于中小型制品的生产。
树脂传递模塑是一种全自动化或半自动化的工艺，将预浸料 或干纤维增强材料放在模具中，通过注射器将树脂注入模具 中，浸渍纤维后进行固化。该工艺生产效率高，适用于大型 制品的生产。
建筑领域
桥梁和高层建筑
复合材料用于制造桥梁和高层建筑的 承重结构，以减轻重量并提高结构的 稳定性。
建筑材料
复合材料用于制造建筑材料，如钢筋 混凝土的替代品，以提高建筑物的耐 久性和性能。
复合材料的定义和分类
Wing: Glass Thermoplastic J-nose
CFRP Outer Flaps: CFRP, ATL
Center Wing Box: HT & IM Fiber, ATL
1.1.2.复合材料的分类
功能复合材料
特点：以功能性为主导，如电学、 磁学、光学、热学、放射等性能
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结构复合材料
特点：具有良好的力学性能， 用于建造和构造结构的材料
01
按材料 作用分类
按增强材料
01.
的形态分类
01.
短纤维
01.
复合材料
01.
粒状填充
01.
复合材料
01.
片状填充
01.
材 料
密度/ g/cm3
抗拉强度/GPa
弹性模量/GPa
比强度
比模量
钢
7.8
1.01
206
0.13
26
铝
2.8
0.46
74
0.17
26
钛
4.5
0.94
112
0.21
25
玻璃钢
2.0
1.04
39
0.52
20
CFII/Epoxy
1.45
1.47
137
1.02
95
CFI /Epoxy
1.6
1.05
235
X-45复合材料用量提高到90%以上
RQ-4B“全球鹰” 复合材料机翼长 39.9米，重约1814千克
复合材料在直升机上的应用
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。
复合材料
PA
PE
PC
• 3.橡胶基体 • 加工后制成的具有弹性、绝缘性、不透水 和空气的材料。高弹性的高分子化合物。
• 1.天然橡胶：天然橡胶是从橡胶树、橡胶 草等植物中提取胶质后加工制成 • 2.合成橡胶；合成橡胶则由各种单体经聚合 反应而得。
丁腈橡胶
丁苯橡胶
陶瓷基体 • 可用于陶瓷基复合材料的基体主要有： 1.氧化物陶瓷 2.非氧化物陶瓷 3.微晶玻璃
六、化学稳定性好。
钢材不耐酸，但很大复合材料能耐酸碱腐蚀。玻璃纤维 增强塑料不仅可在含氯离子的酸性介质中长期使用，还 能在强碱介质中使用。
七、断裂安全性高。
纤维增强复合材料中含有大量的独立纤维。当构件过 载后即使有少量的纤维断裂，载荷也会迅速重新分配到 为破坏的纤维上，使整个构件不致在极短的时间内完全 丧失承载能力而整体破坏，因而工作安全性高。
74
350 180 430 490 380
3.3
7.1 3.5 11 19 12 30
碳 纤 维 短 纤
玻璃纤维
碳化硅纤维
晶须
硼纤维
复合原理
颗粒 增强 纤维 增强
1.粒子增强型复合材料增强机制
• ① 弥散强化复合材料，其粒子直径0.1~0.01μm、 体积分数约1%~15%，增强强度。 • ② 颗粒增强复合材料，粒子直径为1~50μm、 体积分数大于20%，改善耐磨性或提高综合力 学性能。
八、成型工艺性好。
复合材料构件制造工艺简单，适合整体成型，即一次 成型。在制备复合材料的同时，也获得了构件，减少了 后续工序。
复合材料性能不足之处
1、横向拉伸强度和层间剪切强度低。 2、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。 3、制造是产品性能不稳定，分散性大，质检 困难。 4、老化性能不好。 5、机械连接困难。 6、成本太高。
复合材料概述
35
（A）界面残余应力可以通过对复合材料进行热处理，
使界面松弛而降低，但受界面结合强度的控制，
在界面结合很强的情况下效果不明显。 （B）界面残余应力的存在对复合材料的力学性能有 影响，其利弊与加载方向和复合材料残余应力的 状态有关。已经发现，由于复合材料界面存在残
1、界面效应
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳
为以下几种效应： （1）传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受 的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间 的桥梁作用。
（2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界
面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。 （3）不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续 性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应 性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。
碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。
14
3、良好的尺寸稳定性：
加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度
和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变 复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀 系数。
4、良好的化学稳定性：
聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。 5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性： 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 6、良好的功能性能
也降低了复合材料的整体性能。界面最佳态的衡量是 当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步 界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定 的韧性。
结合状态和强度影响因素
20
2.2 复合材料组分的相容性
1、物理相容性：
（1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷 均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续 现象。 （2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力
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5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。
第一章复合材料的概念、分类及其
15
发展历程
国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组 合起来而得到的一种多相固体材料。 《材料科学技术百科全书》中关于复合材料的定义如下： 复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材 料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料 的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。 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 而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。
高分子 木材 皮肤 动物胶 纤维
钢 合金钢
导电高分子
高温合金
复合材料
石材 陶器
陶瓷 玻璃
橡胶
电木
尼龙
PE PS PC
高模聚合物
聚酯
金属基复合材料
PAN PP
陶瓷基复合材料
水泥 耐火材料
熔融硅
耐湿陶瓷
韧性机械陶瓷
10000BC 5000BC
0
第一章复合材料的概念、分类及其
1500
1900 发展历程1960
第一章复合材料的概念、分类及其
12
发展历程
上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指 出复合材料是“通过人工复合的”和“有特殊性能的”材料，而 且还指明了复合材料的组分、结构特点及与其他种材料 （如简单混合物、化合物、合金）的特征区别。
根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括自然形 成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和 多相合金。
第一章复合材料的概念、分类及其
16
发展历程
《材料大辞典》中关于复合材料的定义为：
复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机 聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起， 使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一般由基 体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相 材料范畴。
第一章复合材料的概念、分类及其
9
发展历程
F．L. Matthews和Ｒ．D．Rawlings认为，复合材料 是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面 三个条件：
(1)组元含量大于5％； (2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能， (3)通过各种方法混合而成。
第一章复合材料的概念、分类及其
第一章复合材料的概念、分类及其
17
发展历程
根据《材料大辞典》中关于复合材料的定义可以看出,复 合材料具有两个鲜明的特点:
１、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组 分所不具备的新性能。
1980
3
6
1990
2000 2010 2020
１、复合材料的定义
什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ? 要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难 的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑复 合后材料的性能，或偏重于考虑复合材料的结构
第一章复合材料的概念、分类及其
11
发展历程
从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质 的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指 由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。
复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种 或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、 三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
第一章复合材料的概念、分类及其
2
发展历程
目录
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
第二章 复合材料基本特性、应用及其研究现状
第三章 复合材料的基体材料
第四章 复合材料的增强材料
第五章 复合材料的成型工艺
第六章 功能复合材料
第七章 复合材料的复合原则及界面
第八章 陶瓷基复合材料
第九章 金属基复合材料第一章复合材料的概念、分类及其
10
发展历程
按这Matthews和Rawlings给出的定义，钢铁及其合 金不应属于复合材料，如Co—Cr—Mo—Si合金不属于 复合材料，因为这种合金经过熔化和凝固过程；而仅有 像SiC颗粒强化的Al合金这种混合而成的材料才属于复合 材料。因此有人认为可将复合材料划分为广义复合材料 和狭义复合材料。
第一章复合材料的概念、分类及其
7
发展历程
偏重于考虑复合后材料的性能
诸如（１） 复合材料是由两种或更多的组分材料结合在 一起，复合后的整体性能应超过组分材料，保留了所期 望的性能(高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望 的特性(低延性)。
第一章复合材料的概念、分类及其
8
发展历程
（２） 复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何 单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分 不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料，以物 理形式结合而成的。
3
发展历程
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
4
发展历程
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 产生原来单一材料没有本身所没有的新性能
复合材料
第一章复合材料的概念、分类及其
发展历程
各种材料在各个历史时期相对重要性
金 铜 铁
复合材料
第一章复合材料的概念、分类及其
1
发展历程
主要参考资料
1、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998） 2、复合材料概论----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999） 3、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000） 5、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003） 6、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 7、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004） 8、复合材料--------周曦亚（化学工业出版社,2005）
第一章复合材料的概念、分类及其
13
发展历程
以下面五点概括了复合材料的特点： 1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的； 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）；
第一章复合材料的概念、分类及其
14
发展历程
3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有 的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；