复合材料概论绪论
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复合材料概论绪论
• 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料
以铝基复合材料的应用最为广泛。
• 第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，
如智能复合材料和梯度功能材料等。
复合材料概论绪论
35
六、复合材料的分类
(1) 强调基体
即强调了基体材 料的种类和特征
酚醛树脂基复合材料、 铝合金基复合材料等
晶须/陶瓷基复合材料
粒子填充塑料
金 玻 纤维
属 材
璃 颗粒
纤维/树脂基复合材料
料
纤维 碳纤维/金属基复合材料 碳纤维/陶瓷基复合材料 碳纤维/树脂基复合材料
碳
炭黑
颗粒/橡胶；颗粒/树脂基
有机 高分 子材
料
有机纤维 塑料 橡胶
金属/塑料
复合材料概论绪论
纤维/树脂基复合材料
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各种材料的发展状况
玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟
复合材料概论绪论
45
复合材料的性能比较
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
复合材料概论绪论
裂纹扩展示意图 46
各种材料的比强度和比模量
分散相
金属材料
连续相 无机非金属材料
有机高分子材料
金 金属纤维 纤维/金属基复合材料
属 材
金属晶须
晶须/金属基复合材料
料 金属片材
钢丝/水泥复合材料 晶须/陶瓷基复合材料
增强橡胶 金属/塑料板
纤维 纤维/金属基复合材料 纤维/陶瓷基复合材料
无 机 非
复合材料概论总论
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1.5.4 工艺特性
不同复合材料成型及加工工艺差别很大， 但各类复合材料相对于其所用的基体材料而 言，成型与加工工艺并不复杂，有时很简单。 如：
RMC、MMC、CMC可整体成型，可大大 减少结构中的装配零件数量，提高构件的质 量和使用可靠性；
短纤维或颗粒增强MMC，可采用传统的 金属工艺进行制备和二次加工。
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1.6.1 航空航天领域中的应用
复合材料的高比强度、高比模量、良好 的抗疲劳损伤、独特的可设计性，可使飞行 器显著提高结构效率和寿命，减轻重量，改 善气动力性能，同时在隐身、智能、结构综 合等方面显示巨大的潜力。
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国外军用飞机上应用情况
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1.5.5 影响复合材料性能的主要因 素
增强材料的性能； 基体材料的性能； 含量及其分布状况； 界面结合情况； 作为产品还与成型工艺和结构设计。
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1.6 复合材料的应用
目前复合材料已大量应用在航空航天、 国防、建筑、化工、能源、体育等国民经济 经济各领域。
比强度、比模量高；
耐磨性好（MMC、C/C复合材料）；
抗疲劳性能好，通常金属材料的疲劳强度 极限/拉伸强度=30-50%，而CFRP的疲劳强度 极限/拉伸强度=70-80%；
抗冲击能力强（如：RMC）； 高温性能好（如：MMC、C/C复合材料）
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表1-1 传统金属材料与复合材料性能比较
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续 表
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国外民用飞机上复合材料的应用
复合材料第一章-绪论
5
第一章 绪论
1.1 前言 1.1.1 材料、材料分类及材料与社会文明 1.1.2 材料科学的形成及现状 1.1.3 复合材料的提出及发展简史 1.2 复合材料的定义、特点、基本性能及分类 1.2.1 复合材料的定义、特点及构成 1.2.2 复合材料的构成模式及分类 1.2.3 复合材料的命名 1.2.4 结构复合材料的性能简介、应用实例 1.3 复合材料在二十一世纪中应起的作用 1.4 复合材料的新生长点和有待于深入研究、开拓的问题
复合材料学 Composite Materials
第一章 绪论 Introduction
1
教学目的:通过本章的学习，全面理解和掌握复合材 料的定义、分类、特点、基本组成及在各领域中的 应用；了解复合材料研究的重点和难点。
重点内容: 1、材料按使用性能的分类及各自性能。 2、复合材料的定义、分类、特点、组成及作用。 3、按基体和增强体对复合材料进行分类。 4、复合材料研究重点和难点。
迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料中取 得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属 、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。
9
类别 classifications
材料可以根据化学组成、状态、作用和使用 领域分类。
化学组成分类 components
金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料
6
1
1.1 前言
1.1.1 材料、材料分类及材料与社会文明
• 材料(Materials)是国民经济的物质基础。 • 广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)。
• 材料无处不在，无处不有。⎧工农业生产
⎪⎪国防 ⎨⎪科学技术 ⎪⎩人民生活
第一章 绪论
1.1 前言 1.1.1 材料、材料分类及材料与社会文明 1.1.2 材料科学的形成及现状 1.1.3 复合材料的提出及发展简史 1.2 复合材料的定义、特点、基本性能及分类 1.2.1 复合材料的定义、特点及构成 1.2.2 复合材料的构成模式及分类 1.2.3 复合材料的命名 1.2.4 结构复合材料的性能简介、应用实例 1.3 复合材料在二十一世纪中应起的作用 1.4 复合材料的新生长点和有待于深入研究、开拓的问题
复合材料学 Composite Materials
第一章 绪论 Introduction
1
教学目的:通过本章的学习，全面理解和掌握复合材 料的定义、分类、特点、基本组成及在各领域中的 应用；了解复合材料研究的重点和难点。
重点内容: 1、材料按使用性能的分类及各自性能。 2、复合材料的定义、分类、特点、组成及作用。 3、按基体和增强体对复合材料进行分类。 4、复合材料研究重点和难点。
迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料中取 得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属 、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。
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类别 classifications
材料可以根据化学组成、状态、作用和使用 领域分类。
化学组成分类 components
金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料
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1.1 前言
1.1.1 材料、材料分类及材料与社会文明
• 材料(Materials)是国民经济的物质基础。 • 广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)。
• 材料无处不在，无处不有。⎧工农业生产
⎪⎪国防 ⎨⎪科学技术 ⎪⎩人民生活
复合材料概论
复合材料概论第一章总论1.复合材料的定义答：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的不同性能、不同形态的组分（或称组元）材料通过人工复合组合而成的多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
它既保持了原组分的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。
2.复合材料的发展进程(四代的发展)答：第一代复合材料（玻璃纤维增强塑料）第二代复合材料(碳纤维增强塑料)第三代复合材料（纤维增强金属基复合材料）第四代复合材料（多功能复合材料）3.复合材料的特点答：a.复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的b.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）c.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）.d.复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料e.复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。
复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的。
4.复合材料结构及分类答：(1)复合材料是由基体相、增强相和界面组成。
这三相的结构与性质、它们的配置方式和相互作用以及相对含量决定了复合材料的性能。
(2)5.相关符号的代表意义答：MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增强塑料GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep) 表示玻璃纤维/环氧第二章1.复合材料中基体的作用答：1.将纤维粘合为整体并使纤维固定，在纤维间传递载荷，并是载荷均衡；2.决定复合材料的一些性能，如高温使用性能、层间剪切性能、耐介质性能（耐水、耐化学性能）等；3.决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择；4.保护纤维免受各种损伤。
2.金属基体选择遵循原则答:（1）金属基复合材料的使用要求（2）金属基复合材料组成特点（3）基体金属与增强物的相容性3.常见金属基体的类型答:（1）结构用金属基复合材料的基体a.用于450 ︒C以下的轻金属基体b.用于450-700 ︒C的复合材料的金属基体c.用于1000 ︒C以上的高温复合材料的金属基体（2）功能用金属基复合材料的基体。
1复合材料-绪论58页PPT
A12O3f /Al复合材料性能特点
二、汽车驱动轴
20％Al2O3颗粒／ Al合金，其优点为：
(1)刚度高； (2)密度低， (3)韧性满足要求。
汽车驱动轴
汽车驱动轴是简单的管材，它将动力传输到差动器处，然后 分配到轮上。这就要求轴要有极高的动力稳定性和很高的抗 扭曲能力。发生动力学不稳定性时的临界速率(w’)取决于轴 长(L)、内径与外径(R1，R0)以及管子材料的刚度与密度。
八、微电子器件的基座
20-65％SiC颗粒／Al合金，其： (1)热膨胀匹配(8×10-6K-1)； (2)导热系数高； (3)适于钎焊； (4)密度低； (5)导电； (6)尺寸稳定性好。
微电子器件的基座－要求
九、飞机发动机部件
40% SiC单片纤维／钛基合金，其： (1)高温性能好； (2) 强度提高； (3)密度 低； (4)部件简化； (5) 刚度提高。
很有希望的替代材料，但其抗点蚀、擦伤磨 损、流蚀磨损及热疲劳的性能等均较欠缺。 使用以铸铁作为垫圈的铝基缸体时，可以改 善气缸功率与其重量之比。作为这一方向的 逻辑性发展，Honda 公司制造并测试了以铝 基MMC作垫圈的铝缸体。Honda “preluda” 发动机的16阀门、2升缸体就是用Al-Si过共 晶合金铸造的，在该合金中加入了碳及氧化 铝纤维的混合坯件。测试表明，这些发动机 的效能比使用铸铁垫圈的缸体又有显著的提 高。
引言（1）
金属基复合材料学科是一门相对较新的材料科学，涉及材料表面、界面、 相变、凝固、塑性形变、断裂力学等，仅有40余年的发展历史。
金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关， 特别是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提 出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要 具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。如航天 技术和先进武器系统的迅速发展，对轻质高强结构材料的需求十分强烈。
第一章复合材料概论
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：
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。
复合材料绪论
复合材料（玻璃钢）成型工艺绪论一、复合材料（玻璃钢）概述：玻璃钢其实是一种复合材料，在咱国内俗称为“玻璃钢”实际称为玻璃纤维增强塑料：它是一种由两种或两种以上的材料（树脂为基体，以玻纤为增强材料）经一定成型工艺复合成的一种复合材料。
复合材料也可以这么讲：用两种或两种上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。
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，它既能保留原组分材料的主要特性，又通过复合效应而获得原组分所不具备的特性。
可以通过设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料简单混合不可相比的。
复合材料的组成分两大部分：基体与增强材料。
复合材料中的树脂就是基体，玻璃纤维是增强材料。
玻璃钢：英文名称FRP F 纤维Class Fibre R增强Reinforced P塑料Plastic 玻璃钢三大因素及作用：三大因素合成树脂、增强材料、界面a、合成树脂作用：把松散的增强材料粘接成整体，起传递功的作用，对玻璃钢起防腐性能、耐老化性等都有直接或间接影响。
b、增强材料作用：玻纤制品承受力的作用，不仅能够提高其制品强度和弹性模量，而且还能够减少收缩变形，提高其热变性温度。
C、界面作用：两者之间的分界面。
玻璃钢性能不仅与增强材料和基体树脂有关，而且与两者之间界面处粘接的好坏及耐久性有很大的关系。
复合材料中的基体与增强材料之间的相互作用是通过所形成界面的性质和强度而表现出来的。
基体与增强材料之间的结合可分为以下几种：1、机械结合基体与增强材料之间没有发生化学反应，纯粹是机械连接，这种复合是靠粗糙的纤维表面与基体产生磨擦力而实现的，只能在平行纤维方向上承受载荷。
2、润湿与扩散复合过程中液态的基体在增强材料的表面铺展、润湿，然后发生相互原子或分子的扩散、渗透从而形成界面。
3、反应结合基体与增强材料间发生化学反应，在界面形成新的化合物。
复合材料概论
σy －复合材料屈服强度；Gm －基体的切变模量； b － 为柏氏矢量； d － 颗粒直径；C － 常数
VP － 颗粒体积分数； Gp －颗粒的切变模量。
2、 弥散增强复合材料增强机制 基体是承受外来载荷的主要相；颗粒起着
阻碍基体位错运动的作用，从而降低了位错的流 动性。另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒 前受阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转， 同样可以消耗较多的断裂能，提高材料的强度。
三、复合材料的发展历史和意义
1、复合材料的发展历史 6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复
合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河 堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用；
20世纪40年代，美国用碎布酚醛树脂制备枪托、 代替木材，发展成为玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这 种广泛应用的较现代化复合材料。
TiB2纤维表面涂层SiCF / Ti复合材料界面SEM（黄线为连续线扫描）
3、界面残余应力及其表征 （1）界面残余应力
复合材料成型后，由于基体的固化或凝固发生 体积收缩或膨胀（通常为收缩），而增强体则体积 相对稳定使界面产生内应力，同时又因增强体与基 体之间存在热膨胀系数的差异，在不同环境温度下 界面产生热应力。这两种应力的加和总称为界面残 余应力。
三、复合材料的界面理论
1、界面润湿理论 界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润
亲和，即物理和化学吸附作用。 浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和
应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润可使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
根据力的合成 ： L cos = S - SL 粘合功可表示为：WA = S + L - SL= L（1+ cos ） 粘合功WA最大时： cos =1，即 = 0，
第一章 复合材料绪论
良好的功能性能
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
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
5.1 复合材料绪论
由两种以上不同的原材料组成，并使原材料的性 能得到充分发挥，通过复合化而得到单一材料所 不具备的性能——村昭治. 未来を拓く尖端材料 工业调查会，1982。
把一些个体典型或基本的特性组合，而得到的物 质——余永宁 等 译. 金属基复合材料导论，北 京，冶金工业出版社，1996 。
由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成 的新型材料——吴人洁，复合材料，天津大学 出版社，2000。 经过一定的操作，将复数个原材料合体，或者 是由复数个相生成，且具有比原材料优异的性 能——香川 丰，八田博志. セラミックス基复 合材料，アグネ承风社，1990 ）
定义细节有所不同，但要点共同： 含两种或以上不同的化学相； 具有每个组分所不具备的优良性能。
《材料大辞典》中关于复合材料的定义为：
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。 属于多相材料范畴。
综上所述，复合材料应具有以下三个特点： (1) 由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微 观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。 (2) 各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥 各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良 性能。
金 属
陶 瓷 石 墨
扩散接合 表面处理 CVD(化学气相沉积) CVI(化学气相渗透) CIP, HIP
5.2.3 复合材料目前状况
（１）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟
广泛的应用
（２）金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位 （３）陶瓷基复合材料及功能复合材料 尚处于研究阶段 很多科学技术问题有待解决
复合材料的定义、性能与分类.pptx
第一章 绪论
主要内容：
➢掌握复合材料的定义、组成、特点； ➢了解复合材料的发展史； ➢掌握复合材料的命名方法； ➢掌握复合材料的分类； ➢掌握复合材料结构设计基础 ➢了解复合材料的应用； ➢了解复合材料的发展趋势
材料是人类社会进步的物质基础
石器时代；青铜器时代；钢铁时代－材料的发展推动生 产力的发展，也推动社会的前进
橡胶基
按基体材料分
金属基复合材料
轻金属基 高熔点金属基 金属间化合物基
高温陶瓷基 陶瓷基复合材料 玻璃基
玻璃陶瓷基
水泥基复合材料
碳基复合材料
复合材料分类（2）
按增强材料形态分为以下三类
1、纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料 b.非连续纤维复合材料
2、颗粒增强复合材料：包括微米颗粒和纳米颗粒； 3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体 三维物 为增强材料与基体复合而成。 4、层叠复合材料
三、复合材料的构成
复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基 体；而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，功能复合材料 中也称功能体)。
在大多数情况下，分散相的硬度，强度和刚 度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也 可以是颗粒状或弥散的填料。在基体与增强体之 间存在着界面。
1.4
1.4
0.8
1.0
57
SiC纤维 -环氧
2.2
1.09
1.02
0.5
46
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
王国荣版复合材料概论的课件第一章总论
王国荣版复合材料概论的课件第一 章总论
• C/C复合材料的真正实用化得益于多向编 织技术的出现和发展。20世纪60年代末期 出现了用于树脂基和碳基复合材料制造的 编织技术，并成功地完成了圆轮、空心圆 柱、平锥体结构的编织，此后，通过正确 选取和设计增强织物以满足复杂结构的需 要成为可能。今天C/C复合材料增强体可以 有二向、三向、五向、七向、十一向等多 种形式。特别是20世纪80年代，多维整体 编织技术的出现使得极大地发挥C/C复合材 料潜力成为可能。
章总论
• 第一代复合材料
• 美国S—994玻璃纤维拉伸强度高达4650 MPa， 这种高强度高模量价格低廉的复合材料在武器 装备、工业设备、车辆中广泛应用。国外发达 国家和军事强国也在高新技术领域、武器装备、 航天航空和车辆中大量采用这类复合材料，以 减轻质量、降低成本、增加装置或设备的功能 特性。是目前用量最大、技术最为成熟的低成 本复合材料之一。 王国荣版复合材料概论的课件第一
王国荣版复合材料概论的课件第一 章总论
复合材料概论主要内容
• 总论 • 基体 • 增强材料 • 树脂基复合材料 • 金属基复合材料 • 陶瓷基复合材料 • C/C复合材料
主要以介绍性能、成型方法、应 用
王国荣版复合材料概论的课件第一 章总论
考核方式
平时成绩占总成绩的30％ 理论部分考试，占总成绩的70％
王国荣版复合材料概论的课件第一 章总论
王国荣版复合材料概论的课件第一 章总论
1) 树脂基复合材料
• 第一代复合材料是以玻璃纤维增强复合材料为代 表，在20世纪50-60年代以“玻璃钢”的名称广泛应 用于军事、航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、 汽车、电子电气等行业。后来逐步形成的“玻璃 钢”制造技术是树脂基复合材料的重大技术进步 和历史性变革，其产品质量有了质的飞跃，产品 由原来在附件上应用而后来逐步发展作为结构件 或受力结构件得王到国荣广版复泛合材料应概论用的课。件第一
• C/C复合材料的真正实用化得益于多向编 织技术的出现和发展。20世纪60年代末期 出现了用于树脂基和碳基复合材料制造的 编织技术，并成功地完成了圆轮、空心圆 柱、平锥体结构的编织，此后，通过正确 选取和设计增强织物以满足复杂结构的需 要成为可能。今天C/C复合材料增强体可以 有二向、三向、五向、七向、十一向等多 种形式。特别是20世纪80年代，多维整体 编织技术的出现使得极大地发挥C/C复合材 料潜力成为可能。
章总论
• 第一代复合材料
• 美国S—994玻璃纤维拉伸强度高达4650 MPa， 这种高强度高模量价格低廉的复合材料在武器 装备、工业设备、车辆中广泛应用。国外发达 国家和军事强国也在高新技术领域、武器装备、 航天航空和车辆中大量采用这类复合材料，以 减轻质量、降低成本、增加装置或设备的功能 特性。是目前用量最大、技术最为成熟的低成 本复合材料之一。 王国荣版复合材料概论的课件第一
王国荣版复合材料概论的课件第一 章总论
复合材料概论主要内容
• 总论 • 基体 • 增强材料 • 树脂基复合材料 • 金属基复合材料 • 陶瓷基复合材料 • C/C复合材料
主要以介绍性能、成型方法、应 用
王国荣版复合材料概论的课件第一 章总论
考核方式
平时成绩占总成绩的30％ 理论部分考试，占总成绩的70％
王国荣版复合材料概论的课件第一 章总论
王国荣版复合材料概论的课件第一 章总论
1) 树脂基复合材料
• 第一代复合材料是以玻璃纤维增强复合材料为代 表，在20世纪50-60年代以“玻璃钢”的名称广泛应 用于军事、航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、 汽车、电子电气等行业。后来逐步形成的“玻璃 钢”制造技术是树脂基复合材料的重大技术进步 和历史性变革，其产品质量有了质的飞跃，产品 由原来在附件上应用而后来逐步发展作为结构件 或受力结构件得王到国荣广版复泛合材料应概论用的课。件第一
聚合物基复合材料-1-2章
5.石棉纤维 天然矿产，比玻璃纤维便宜。不耐热。对 人体有害。许多国家选择了全面禁用。
石棉板
6.碳化硅纤维 连续纤维、直径10-15µ m.
碳化硅包覆在钨丝或碳纤维等芯丝上而形成的 连续丝或纺丝和热解而得到纯碳化硅长丝。
① 制备：聚硅烷在400℃以上,发生热转位反应， 使侧链上的甲基以亚甲基的形式，导入主链的 硅-硅间，形成聚碳硅烷（ PCS）,再以PCS为 先驱体经熔融纺丝、不熔化处理及高温烧成而 制得。
2.聚合物基复合材料的制备方法 主要包括以下过程: 预浸料的制备、制件的铺层、固化、制 品的后处理与机械加工。
生产流程图 P148
看 P118 页 表2-1-1 各种玻璃钢与金属性能的 比较。
②玻璃纤维增强热塑性塑料（FR-TP）
玻璃纤维（短切纤维或长纤维 ）作为增强材料，热塑 性塑料为基体的纤维增强塑料。
特点是具有更轻的密度1.1-1.6 g/cm3 ，比强度 高，蠕变性大大改善。 对于短切纤维、其含量可加到30%-40%，制品 的冲击强度及尺寸稳定性提高。
陶瓷纤维毡
陶瓷纤维纸
不锈钢丝
不锈钢微丝
8. 混杂纤维 玻璃纤维混碳纤维 玻璃纤维混芳纶纤维 等
2.2 纤维增强复合材料的制备方法
1.聚合物基复合材料的工艺特点
材料的形成与制品的成型是同时完成的。 工艺水平直接影响制品的性能
如：界面性质、固化工艺、纤维的预处理及排 布方式、驱除气泡情况等。 成型比较方便 树脂在固化前有流动性、纤维柔软、依靠模具 易制得具有一定形状和尺寸要求的制品。 尤其是在制备单件和小批量制品时较方便。
以玻璃纤维作为增强材料，热固性塑料为基 体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢。 特点：密度小（1.6-2.0 g/cm3 比铝轻、)、比 强度高（比合金钢高），耐腐蚀、电绝缘。
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天然木材 ---- 纤维素纤维 + 木质素 钢筋混凝土---- 砂、石、钢筋 + 水泥 玻璃钢 ---- 玻璃纤维 + 热固性树脂 C/C复合材料 ---- 石墨碳纤维 + 热解碳或树脂碳
（耐烧蚀）
复合材料概论绪论
22
复合材料的组成相： 增强相 ---- 纤维、晶须、颗粒。（不连续相） 基体相 ---- 金属、陶瓷、聚合物。（连续相）
复合材料概论绪论
19
定义： 由两种或两种以上，物理化学性质不同的
物质组合而成的多相固体材料。
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，从而获得更优秀的性能。
复合材料概论绪论
20
复合材料
复合材料概论绪论
21
经常使用的复合材料
9
• 小到生活应用 旅行箱、洗脸盆、水管、电插板
• 航空航天 哥伦比亚号航天飞机的失事
复合材料概论绪论
10
世界上最轻的自行车 整车重量仅有1.25公斤
复合材料概论绪论
11
仿生复合材料
海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压，足以电 死一头大象，但是它的发电器不是金属等导电器材， 而是蛋白质的分子集合体。
(2) 自学写一篇有关“复合材料”的小综述、学习 心得、读书报告或自己想设计一种什么样的复合材 料；“五一”黄金周之后上交（30%）。
(3)考勤（10%）
复合材料概论绪论
18
一、复合材料的定义
国际标准化组织：由两种以上在物理和化学性质 上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材 料
《材料大词典》 ：复合材料是根据应用进行设 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，使其性能互补，从 而制成的一类新型材料。
31
20世纪60年代以来，材料种类得到拓展，性能上得到极大的扩展与 深度挖掘：光、声、磁、力、超导、高塑、超强、超硬、耐高温等
复合材料概论
Composites
复合材料概论绪论
1
教材： 《复合材料概论》 作者：王荣国 等
哈尔滨工业大学出版社，第3版 (2011年2月1日)
复合材料的基体材料
复合材料的增强材料
复合材料的界面
聚合物基复合材料
金属基复合材料
陶瓷基复合材料
水泥基复合材料
碳/碳复合材料
混杂纤维复合材料
复合材料概论绪论
16
学习目的
了解复合材料的微结构与性能之间的关系 了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求 理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机
制和界面作用 了解常用的复合材料的组成、制备、结构等
复合材料概论绪论
17
如何学习这门课程？
➢ 讲授和自学两种方式
➢ 考核方式
(1) 期末闭卷考试（60%）
复合材料概论绪论
2
A.土砖房子
复合材料概论绪论
3
B. 钢筋水泥房子
史上最牛的钉子户
复合材料概论绪论
4
我们住在复合材料里
复合材料概论绪论
5
C. 燕子窝：泥土-草复合材料Biblioteka 复合材料概论绪论6
D. 自然界的复合材料
树木也是一种复合材料
木质素 纤维素
竹、木、骨、贝壳复合、材料概象论绪牙论 和龟壳…… 7
13
文石层碳酸钙含量为99%，以蛋白质为主的有机质不到1%.
复合材料的使用目的：
结构复合材料
以其力学性能如强度、刚 度、形变等特性为工程所应 用，主要用于结构承力或维 持结构外形。
功能复合材料
以其声、光、电、热、磁 等物理特性为工程所应用，用于 如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、 减振或热变形等热、声、光、电、
2） 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可 最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料 组元所不具备的优良特殊性能；
3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行 设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高 工程结构的效能。
复合材料概论绪论
27
现代社会
信息
社会
生命
材料
复合材料概论绪论
复合材料概论绪论
12
一般材料的强硬度与塑韧性是相互矛盾的！！！ 但是贝壳却达到了强、韧的最佳配合，它又被称为摔不
坏的陶瓷 与其独特的微观结构密切相
关。 贝壳中：珍珠层的叠层结构是
其高断裂韧性的根源。研究表明 珍珠层是由高强、硬度的纹石片 叠层累积组成，但纹石片间存在 韧性非常好的有机质层
复合材料概论绪论
复合概念
a+b a+b+c a+b+c+…
……
复合材料：由两种以上在物理和化学性质上不同的 物质组合起来而得到的一种多相固体材料
复合材料概论绪论
8
这么简单的组合，通过简单的共混 得到，能有科学与技术的含量吗？？
贝壳被称为摔不坏的陶瓷，达到了 强、韧的最佳配合，是纯文石的3000倍。
复合材料概论绪论
28
四、材料的发展
世界是由物质组成的
吃
穿
生产与生活资料
住
行
“只要知道物质的结构，人类在现在或未来能合成所有的东西。”
复合材料概论绪论
29
人造肉类
复合材料概论绪论
30
材料是人类生存和发展的物质基础
旧石器时代
新时期时代
青铜时代
铁器时代
钢铁时代 高分子时代 多种材料并存的时代
复合材料概论绪论
生产 力获 得了 极大 地解 放， 推动 着人 类社 会的 进步！
复合材料概论绪论
23
增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性 模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载 荷或显示功能。
基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、 耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体， 起传递和均衡应力的作用。
复合材料概论绪论
24
Schematic illustration of composite constituents
磁的功能要求。
组成与微结构
性能
复合材料概论绪论
应用
14
➢什么是材料？ ➢对材料的认知？ ➢材料和化学与物理之间的关系？ ➢材料涉及的科学与技术？
复合材料概论绪论
15
参考书目
《复合材料学》周祖福 主编 出 版 社：武汉理工大学出版社
《先进复合材料》鲁云 主编 出版社：机械工业出版社
《复合材料结构设计基础》李顺林 王兴业主编 出版社：武汉工业大学出版社
复合材料概论绪论
25
二、复合材料种类
• 三大材料：
金属
–金属
材料
–无机非金属 –有机高分子
• 复合材料
–取长补短
复合
材
无机
有机
非金属 料 高分子
材料
材料
–协同作用
–产生原来单一材料本身所没有的新性能
复合材料概论绪论
26
三、复合材料的特点
1） 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通 过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存 在着明显的界面；
（耐烧蚀）
复合材料概论绪论
22
复合材料的组成相： 增强相 ---- 纤维、晶须、颗粒。（不连续相） 基体相 ---- 金属、陶瓷、聚合物。（连续相）
复合材料概论绪论
19
定义： 由两种或两种以上，物理化学性质不同的
物质组合而成的多相固体材料。
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，从而获得更优秀的性能。
复合材料概论绪论
20
复合材料
复合材料概论绪论
21
经常使用的复合材料
9
• 小到生活应用 旅行箱、洗脸盆、水管、电插板
• 航空航天 哥伦比亚号航天飞机的失事
复合材料概论绪论
10
世界上最轻的自行车 整车重量仅有1.25公斤
复合材料概论绪论
11
仿生复合材料
海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压，足以电 死一头大象，但是它的发电器不是金属等导电器材， 而是蛋白质的分子集合体。
(2) 自学写一篇有关“复合材料”的小综述、学习 心得、读书报告或自己想设计一种什么样的复合材 料；“五一”黄金周之后上交（30%）。
(3)考勤（10%）
复合材料概论绪论
18
一、复合材料的定义
国际标准化组织：由两种以上在物理和化学性质 上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材 料
《材料大词典》 ：复合材料是根据应用进行设 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，使其性能互补，从 而制成的一类新型材料。
31
20世纪60年代以来，材料种类得到拓展，性能上得到极大的扩展与 深度挖掘：光、声、磁、力、超导、高塑、超强、超硬、耐高温等
复合材料概论
Composites
复合材料概论绪论
1
教材： 《复合材料概论》 作者：王荣国 等
哈尔滨工业大学出版社，第3版 (2011年2月1日)
复合材料的基体材料
复合材料的增强材料
复合材料的界面
聚合物基复合材料
金属基复合材料
陶瓷基复合材料
水泥基复合材料
碳/碳复合材料
混杂纤维复合材料
复合材料概论绪论
16
学习目的
了解复合材料的微结构与性能之间的关系 了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求 理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机
制和界面作用 了解常用的复合材料的组成、制备、结构等
复合材料概论绪论
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如何学习这门课程？
➢ 讲授和自学两种方式
➢ 考核方式
(1) 期末闭卷考试（60%）
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2
A.土砖房子
复合材料概论绪论
3
B. 钢筋水泥房子
史上最牛的钉子户
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4
我们住在复合材料里
复合材料概论绪论
5
C. 燕子窝：泥土-草复合材料Biblioteka 复合材料概论绪论6
D. 自然界的复合材料
树木也是一种复合材料
木质素 纤维素
竹、木、骨、贝壳复合、材料概象论绪牙论 和龟壳…… 7
13
文石层碳酸钙含量为99%，以蛋白质为主的有机质不到1%.
复合材料的使用目的：
结构复合材料
以其力学性能如强度、刚 度、形变等特性为工程所应 用，主要用于结构承力或维 持结构外形。
功能复合材料
以其声、光、电、热、磁 等物理特性为工程所应用，用于 如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、 减振或热变形等热、声、光、电、
2） 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可 最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料 组元所不具备的优良特殊性能；
3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行 设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高 工程结构的效能。
复合材料概论绪论
27
现代社会
信息
社会
生命
材料
复合材料概论绪论
复合材料概论绪论
12
一般材料的强硬度与塑韧性是相互矛盾的！！！ 但是贝壳却达到了强、韧的最佳配合，它又被称为摔不
坏的陶瓷 与其独特的微观结构密切相
关。 贝壳中：珍珠层的叠层结构是
其高断裂韧性的根源。研究表明 珍珠层是由高强、硬度的纹石片 叠层累积组成，但纹石片间存在 韧性非常好的有机质层
复合材料概论绪论
复合概念
a+b a+b+c a+b+c+…
……
复合材料：由两种以上在物理和化学性质上不同的 物质组合起来而得到的一种多相固体材料
复合材料概论绪论
8
这么简单的组合，通过简单的共混 得到，能有科学与技术的含量吗？？
贝壳被称为摔不坏的陶瓷，达到了 强、韧的最佳配合，是纯文石的3000倍。
复合材料概论绪论
28
四、材料的发展
世界是由物质组成的
吃
穿
生产与生活资料
住
行
“只要知道物质的结构，人类在现在或未来能合成所有的东西。”
复合材料概论绪论
29
人造肉类
复合材料概论绪论
30
材料是人类生存和发展的物质基础
旧石器时代
新时期时代
青铜时代
铁器时代
钢铁时代 高分子时代 多种材料并存的时代
复合材料概论绪论
生产 力获 得了 极大 地解 放， 推动 着人 类社 会的 进步！
复合材料概论绪论
23
增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性 模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载 荷或显示功能。
基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、 耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体， 起传递和均衡应力的作用。
复合材料概论绪论
24
Schematic illustration of composite constituents
磁的功能要求。
组成与微结构
性能
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应用
14
➢什么是材料？ ➢对材料的认知？ ➢材料和化学与物理之间的关系？ ➢材料涉及的科学与技术？
复合材料概论绪论
15
参考书目
《复合材料学》周祖福 主编 出 版 社：武汉理工大学出版社
《先进复合材料》鲁云 主编 出版社：机械工业出版社
《复合材料结构设计基础》李顺林 王兴业主编 出版社：武汉工业大学出版社
复合材料概论绪论
25
二、复合材料种类
• 三大材料：
金属
–金属
材料
–无机非金属 –有机高分子
• 复合材料
–取长补短
复合
材
无机
有机
非金属 料 高分子
材料
材料
–协同作用
–产生原来单一材料本身所没有的新性能
复合材料概论绪论
26
三、复合材料的特点
1） 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通 过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存 在着明显的界面；