先进复合材料概述
《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ppt课件
第三章 例：
连续纤维单向增强复合材料，当只采用一种纤维增强时，复合材料 沿纤维方向的拉伸强度可以表示为：
除其优异性能外，复合材料还具有可设计性，可以根据 对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量上 进行选择，并进行适当的制备与加工。
第三章 3.5.2 复合材料复合原理
由于复合材料是由两种或两种以上不同的材料组分复合而 成的，除工艺因素外，基体和增强材料的性能必然影响复 合材料的性能。此外增强材料的形状、含量、分布以及与 基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性能。
第三章
第三章
在民用工业如机械工业、交通运输、建筑工业以及生物医 学、体育等领域，由于3-73 玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢(左) 复合材料(玻璃钢)制作的渔船 （右）
第三章
复合材料与基体材料相比具有以下优异的性能：
（1）比强度（强度/密度）和比模量（弹性模量/密度）高； （2）抗疲劳性能好； （3）高韧性和抗热冲击性，在PMC和CMC中尤为重要； （4）耐热性高； （5）减振性能好； （6）耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热； （7）特殊的光、电、磁性能等。
第三章
颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系
第三章
混合法则简明表达了复合材料的性能与基体、增强材料性能之间的 关系，但在应用混合法则对复合材料性能进行估算时，由于增强材 料的形状、长径比、分布以及基体与增强材料的结合等因素，还需 要对此进行一定的修正。
复合材料技术
航空预浸料- 热压罐工艺复合材料技术应用概况发布时间：2011-11-23 15:34:27先进复合材料自问世以来，由于其轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀等诸多优势，一直在航空材料领域得到重视。
随着近几十年来的发展，尤其是最近10年在大型飞机上井喷式的应用，先进复材料已经证明了其在未来航空领域的重要地位，它在飞机上的用量和应用部位也已经成为衡量飞结构先进性的重要标志之一[1] 如目前代表世界最先进战机的美国F-22 和F-35，其复合材料占机结构重量达到了26%（F-22 机身、机翼、襟翼、垂尾、副翼、口盖、起落架舱门；F-35 机身翼进气道、操纵面、副翼、垂尾），欧洲EF-2000 战机更是达到了35%~40%（机翼、垂尾、方向舵[2] ；民机领域的两大巨头波音和空客，在其最新型的大型客机波音787、A350XWB 机型中，大幅使用复合材料，分别达到50% 和52%[3],在机身主承力结构中，除一些特殊需要外，基本上实现了全复合材料化。
从当前的复合材料应用来看，航空复合材料具备以下几个方面的特点：在材料方面，飞主承力结构应用高韧性复合材料；在工艺方面，呈现出以预浸料- 热压罐工艺为主，积极开发液体成型工艺及其他低成本成型工艺的态势，对复合材料构件的制造综合考虑性能/ 成本因机[4]设计理念的广泛认知，复合材料已逐渐在主承力结构上站稳了脚跟，而且，为了进一步将复合材料的优点充分发挥，飞机结构设计越来越趋向于整体化和大型化。
复合材料在主承力结构上的应用技术是体现航空复合材料水平及应用程度的重要标志。
目前复合材料主承力构件仍是以预浸料- 热压罐工艺为主。
基于此，本文旨在介绍目前与航空预浸料- 热压罐工艺相关的复合材料技术。
主承力结构用预浸料1 高性能复合材料体系“计是主导，材料是基础，工艺是关键”[5]复合材料的制造技术与材料的发展息息相关。
航空预浸料-热压罐工艺高性能复合材料到目前已经历了3个阶段。
第一阶段的复合材料采用通用T300 级碳纤维和未增韧热固性树脂，具有明显的脆性材料特征，主要用于飞机承力较小的结构件。
复合材料基础
芳酯
1.45 1.44 0.96 1.56
2.80 3.40 3.43 5.80
109 96.6 98.0 280
2.5
3.3 4.0 2.5
19.3
24 36.5 37.2
7.7
6.8 10.4 18.0
聚芳 酯
1.41 3.27 74.5 3.9 24.0 5.4
碳纤维
无机系
PAN基碳纤维
标准 T300
东丽 CF 性能
Tensile Fiber Type Strength
(MPa)
T300 T400HB T700SC T800HB T1000GB T1000 M40 M50 M35JB M55JB
3530 4410 4900 5490 6370 7060 2740 2450 4510 4020
Tensile Modulus
评价 保障 无损检测与评价技术
第二章 新型增强材料
引言——力学作用
?
?
?
界面
纤维 + 树脂
复合材料
纤维与树脂的宏观力学匹配，即纤维的强度、模量、 延伸率与树脂的强度、模量、韧性等性能关系影响 复合材料力学性能，包括拉伸、压缩、弯曲、剪切 等。
引言——物理/化学作用
• 增强材料与基体的物理/化学相容性主 要反映在界面作用及影响。
6
1.91
1.3
10
1.75
0.8
8
1.91
1.碳纤维 ——性能的发展
① 高性能CF的断裂伸长率有极大提高，脆性得 到一定改善。例如T1000（2.4%）比T300 （1.5%）提高60%左右；
② CF拉伸强度、弹性模量、纤度等性能分散性 （批内和批间CV值）减小。
碳纤维复合材料的成型工艺
碳纤维复合材料的成型工艺一、碳纤维复合材料概述碳纤维复合材料是一种由碳纤维增强体和树脂基体组成的新型高性能材料。
它以其轻质、高强度、高刚度、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，在航空航天、汽车制造、体育器材、建筑结构等领域得到了广泛的应用。
本文将探讨碳纤维复合材料的成型工艺，分析其重要性、挑战以及实现途径。
1.1 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料的特点主要包括以下几个方面：- 轻质高强：碳纤维具有很高的比强度和比模量，使得复合材料在保持轻质的同时，具有很高的承载能力。
- 高刚度：碳纤维复合材料的刚度远高于传统材料，可以提供更好的结构稳定性。
- 耐疲劳：碳纤维复合材料具有优异的耐疲劳性能，适用于承受反复循环载荷的应用。
- 耐腐蚀：碳纤维复合材料对多种腐蚀性介质具有很好的抵抗力，适用于恶劣环境。
1.2 碳纤维复合材料的应用领域碳纤维复合材料的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 航空航天：用于飞机结构、发动机部件等，以减轻重量、提高性能。
- 汽车制造：用于车身、底盘等部件，以提高燃油效率和车辆性能。
- 体育器材：用于自行车、网球拍、高尔夫球杆等，以提供更好的运动性能。
- 建筑结构：用于桥梁、高层建筑等，以提高结构的承载能力和耐久性。
二、碳纤维复合材料的成型工艺碳纤维复合材料的成型工艺是实现其优异性能的关键环节。
不同的成型工艺会影响材料的性能和应用范围。
2.1 预浸料成型工艺预浸料成型工艺是一种常用的碳纤维复合材料成型方法。
该工艺首先将碳纤维与树脂基体预先混合，形成预浸料，然后在模具上铺设预浸料，通过热压或真空袋压等方法固化成型。
预浸料成型工艺具有成型效率高、产品质量好等优点。
2.2 树脂传递模塑成型工艺树脂传递模塑（RTM）成型工艺是一种先进的复合材料成型技术。
该工艺通过将树脂注入闭合模具中，使树脂在模具内流动并浸润碳纤维，最终固化成型。
RTM工艺可以实现复杂形状的制品成型，且具有较低的生产成本。
高分子液晶及复合材料新概念
这种分子复合材料的概念已被用以通过加入少量的刚 性分子来显著提高普通柔性的热塑性和热固性聚合物， 甚至橡胶一类弹性体的力学性能。
二、分子复合材料
(一)新概念提出的背景
1979：Husman etal. 美国空军材料研究室首先提出了“分子复
合材料”的构想。 所谓分子复合材料是指将刚性棒状分子分
散到柔性链分子基体中，使它们尽可能达到分 子分散的水平。
提出“分子复合材料”的构想基本基于以下考虑：
1.孤立伸直链分子的强度要比同种聚合体纺制的纤维 强度高一个甚至几个数量级。原因是我们很难制得完 全取向和无疵点的纤维。
I + H2N
+
ClCO
NH2 COCl
N6 PPTA N6
2)无规共聚
O
(N
O
NC
H
H
O
C )x ( N H
O NC H
O PPOT
C )y (x:y=50:50)
[O
O NC H
OH
] C N
[ C OH
Cure
O
O
O NC H
O
] C N
C
n
O
MC制备：
PPOT NMP+ CaCl2 溶解
两相体系中分散相形态是如何形变的? 分散相液滴的形变和破裂是分散相粘度和介质粘
度 比 （ λ ＝ μα/μm ） 及 Weber 准 数 或 表 面 张 力 数 （capillary number）的函数。Weber准数是作用在液 滴上的粘性应力和两相间的界面应力之比，即
航空航天材料概论
航空航天材料概论概述：航空航天材料是一类非常特殊的材料，它与军事应用密切相关。
与此同时，航空航天材料的进步又对现代工业产生了深远的影响。
推动航空航天领域新材料新工艺的发展，能够引领和带动相关技术进步和产业发展，衍生出更为广泛的、军民两用的新材料和新工艺。
本文根据公开出版物的资料进行了摘录和汇总，使读者可以对航空航天材料有一个基本的认识。
一、航空航天材料的分类航空航天材料既是研制生产航空航天产品的物质保障，又是推动航空航天产品更新换代的技术基础。
从材料本身的性质划分，航空航天材料分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和先进复合材料 4大类；按使用功能，又可分为结构材料和功能材料两大类。
对于结构材料而言，最关键的要求是质轻高强和高温耐蚀；功能材料则包括微电子和光电子材料、传感器敏感元材料、功能陶瓷材料、光纤材料、信息显示与存储材料、隐身材料以及智能材料。
对于航空材料来说，包括三大类材料，飞机机体材料、发动机材料、机载设备材料。
而航天材料则包括运载火箭箭体材料、火箭发动机材料、航天飞行器材料、航天功能材料等。
具体到材料的层面，航空航天材料涉及范围较广，包括铝合金、钛合金、镁合金等轻合金，超高强度钢，高温钛合金、镍基高温合金、金属间化合物（钛铝系、铌铝系、钼硅系）、难熔金属及其合金等高温金属结构材料，玻璃纤维、碳纤维、芳酰胺纤维、芳杂环纤维、超高分子量聚乙烯纤维等复合材料增强体材料，环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、聚芳基乙炔树脂等复合材料基体材料，先进金属基及无机非金属基复合材料，先进金属间化合物基复合材料，先进陶瓷材料，先进碳/碳复合材料以及先进功能材料。
二、航空航天材料简介1.铝合金飞机机身结构材料应用构成比例预测表明，21世纪初期占主导地位的材料是铝合金。
开发航空航天技术用铝合金时首先要解决的课题，是如何在保证高使用可靠性及良好工艺性的前提下减轻结构质量。
目前急待解决的问题是开发具有良好焊接性能的高强铝合金，并将其用于制造整体焊接结构。
磷酸钙骨水泥复合材料
目录
• 磷酸钙骨水泥复合材料概述 • 磷酸钙骨水泥的组成与制备 • 磷酸钙骨水泥的生物相容性与骨传导性 • 磷酸钙骨水泥复合材料的改性与优化 • 磷酸钙骨水泥复合材料的挑战与前景 • 案例研究：磷酸钙骨水泥在骨缺损修复中
的应用
01 磷酸钙骨水泥复合材料概 述
定义与特性
定义
磷酸钙骨水泥（CPC）是一种由磷酸 钙盐为主要成分的骨水泥，具有良好 的生物相容性和生物活性。
未来展望
随着生物技术的发展和临床需求的不断提高，磷酸钙骨水泥在未来有望在更多领域得到 应用，如个性化医疗、组织工程和药物传递等。
应用领域
骨骼缺损修复
磷酸钙骨水泥可用于骨骼缺损 的填充和修复，如椎体成形术
、髋关节置换术等。
牙科修复
磷酸钙骨水泥在牙科修复领域 也有广泛应用，如牙齿种植、 牙槽嵴增高术等。
关节外科应用
在关节外科中，磷酸钙骨水泥可用于人工关节置换术中的骨水泥固 定技术，提高人工关节的稳定性和使用寿命。
04 磷酸钙骨水泥复合材料的 改性与优化
添加药物或生长因子
药物负载
磷酸钙骨水泥复合材料可以用于药物负载，将具有治疗作用的物质如抗生素、 抗炎药等与材料结合，以实现局部药物释放，提高治疗效果并降低全身副作用。
促进骨整合
磷酸钙骨水泥与骨组织之 间能够实现良好的骨整合， 提高材料的固定效果和长 期稳定性。
在骨缺损修复中的应用
颅颌面骨缺损修复
磷酸钙骨水泥可用于颅颌面骨缺损的修复，如上颌窦提升、牙槽 嵴增高、眶壁骨折修复等。
脊柱外科应用
磷酸钙骨水泥在脊柱外科中可用于椎体成形、椎间盘置换等手术， 以缓解疼痛和恢复脊柱稳定性。
表面改性与修饰
复合材料及其在飞机结构中的应用
Resin Transfer Molding
Advantages
• Complex Structures • Near Net Molding • Excellent Surfaces
设计技术
采用共固化、共胶接等形成的整体化结构
CC22643020.ppt
Pressure Application- Integrally Cocured Structure
Pinned Ramp Block
Autoclave Pressure
Silicone Rubber
Composite Skin Composite Substructure
最大空重/座 轮档燃油/座 现金使用成本/座 目前所获订单（架）
242 7900 +2% +6% +8% 900
波音787
波音787的竞争机型
A350
迫于商业竞争压力不断修改设计方案，提高复合材料用量
2006年底
2006
复合材料用量飙升到52％
2004
拟定复合材料用量增加到45％称为“A350XW B”方案
复合材料在飞机结构中的应用
直升机上复合材料的用量已达结构重量的60%～80%，如美国的 武装直升机RAH-66，其复合材料用量达结构重量的50%以上。 美国的垂直起落、倾转旋翼后又可高速巡航的V-22“鱼鹰”，几乎 是一个全复合材料飞机。
世界上已有许多小型的全复合材料飞机问世，其中著名的“星舟 一号”客货两用机已通过适航鉴定；举世闻名的“旅游者”曾创 下不加油、不着陆，连续9天环球飞行的世界纪录。
abaqus碳纤维复合材料结构
Abaqus碳纤维复合材料结构1. 概述碳纤维复合材料是一种具有优异性能的先进材料，它在航空航天、汽车工业、体育器材等领域得到了广泛应用。
在工程设计中，对碳纤维复合材料结构的性能和可靠性进行准确的评估至关重要。
Abaqus是一种常用的有限元分析软件，能够对复材结构进行准确的模拟和分析，因此对于碳纤维复合材料结构的研究至关重要。
2. 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料由高强度的碳纤维和塑料基体组成，具有重量轻、强度高、刚性大、耐腐蚀、抗疲劳等优点。
然而，碳纤维复合材料的非均匀性和复杂的结构使得其性能表现和预测变得更加复杂。
需要借助有限元分析等方法进行深入研究。
3. Abaqus对碳纤维复合材料结构的模拟Abaqus作为有限元分析软件，具有强大的建模和分析能力，能够对碳纤维复合材料的结构进行准确的模拟。
通过Abaqus可以建立复材层合板、复材蜂窝结构、复材夹芯板等常见的复材结构模型，并进行受力性能、疲劳寿命、断裂行为等方面的分析和预测。
4. Abaqus在碳纤维复合材料结构中的应用Abaqus在碳纤维复合材料结构领域有着广泛的应用，例如在航空航天领域，可以利用Abaqus对飞机机翼、机身等结构的复材部件进行受力和疲劳寿命分析；在汽车工业领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料车身、悬挂系统等部件进行强度和刚度分析；在体育器材制造领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料网球拍、高尔夫球杆等产品的性能进行模拟和预测。
这些实际应用表明Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的重要性和价值。
5. Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的挑战和展望尽管Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中取得了显著的成果，但仍然面临一些挑战，如对复材材料本身非线性、破坏行为、界面效应等方面的准确建模和模拟；另外，随着复材结构的复杂化和应用领域的拓展，需要Abaqus不断更新和完善其建模和分析能力，以满足不断增长的复材结构仿真需求。
《先进复合材料及其应用》(全套课件97P)
14
2 氧化物陶瓷
应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石
（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高硬度、耐高温
、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。
主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。
15
3 非氧化物陶瓷
指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。
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。
17
氮化硼和氮化钛陶瓷
氮化硼陶瓷
BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此
有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的 陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6~9×103MPa ）下可 转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金刚石，是极 好的耐磨材料。
《先进复合材料及其应用》
1
上海大学材料学院电子信息材料系
目
陶瓷基复合材料 金属基复合材料
录
聚合物基复合材料 水泥基复合材料
混杂纤维复合材料
2
§2. 基体材料—概述
基体的作用:
固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。
选材原则：
强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。
传统陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、 搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。主要由含二 氧化硅的天然硅酸盐矿物质制成。
现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、
硼化物、氮化物等。
5
§2.3 基体材料 — 陶瓷基材料
目的：增韧
先进树脂基复合材料技术发展及应用现状
先进树脂基复合材料技术发展及应用现状一、本文概述随着科技的不断进步和工业的快速发展，先进树脂基复合材料作为一种高性能、轻质、高强度的材料，已经在航空航天、汽车制造、建筑、体育器材等众多领域得到了广泛应用。
本文旨在对先进树脂基复合材料技术的发展历程进行深入剖析，并探讨其在各个领域的应用现状。
通过对国内外相关研究的综述，本文将总结先进树脂基复合材料技术的发展趋势，以及面临的挑战和机遇，以期为推动该领域的技术进步和产业发展提供参考。
在文章的结构上，本文首先将对先进树脂基复合材料的定义、分类及特点进行阐述，为后续的研究奠定理论基础。
接着，文章将回顾先进树脂基复合材料技术的发展历程，分析其在不同历史阶段的主要特点和成就。
在此基础上，文章将重点探讨先进树脂基复合材料在各个领域的应用现状，包括航空航天、汽车制造、建筑、体育器材等。
文章还将关注先进树脂基复合材料技术在实际应用中面临的挑战，如成本、性能优化、环保等问题，并提出相应的解决方案。
文章将展望先进树脂基复合材料技术的发展前景，探讨其在未来可能的发展趋势和创新点。
通过对先进树脂基复合材料技术的深入研究和分析，本文旨在为相关领域的科研人员、工程师和管理者提供有益的参考和启示，推动先进树脂基复合材料技术的持续发展和创新。
二、先进树脂基复合材料技术的发展先进树脂基复合材料技术的发展经历了从简单的层压复合材料到高性能、多功能复合材料的演变。
近年来，随着科技的不断进步，该领域取得了显著的突破和进展。
树脂体系的创新：树脂作为复合材料的基体，其性能直接影响着复合材料的整体性能。
传统的树脂体系如环氧树脂、酚醛树脂等，虽然在很多领域有广泛应用，但随着性能要求的提升，新型树脂体系如聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂等逐渐崭露头角。
这些新型树脂具有更高的热稳定性、更低的介电常数和介电损耗，以及更好的机械性能，为先进树脂基复合材料的发展提供了强大的支撑。
增强材料的多样化：增强材料是复合材料中的关键组成部分，其种类和性能直接影响着复合材料的力学性能和功能特性。
复合材料概论教学课件电子教案全套课件(1)
复合材料概论教学课件电子教案全套课件一、教学内容本节课我们将学习复合材料的相关知识。
具体教学内容为教材第三章“复合材料”的第一节“复合材料概述”，包括复合材料的定义、分类、性能特点及应用领域等方面的内容。
二、教学目标1. 理解复合材料的定义，掌握复合材料的分类及性能特点。
2. 了解复合材料的应用领域，提高学生对材料科学的兴趣。
3. 培养学生的实践操作能力，学会分析复合材料的性能与应用。
三、教学难点与重点难点：复合材料的性能特点及其在实际应用中的优势。
重点：复合材料的定义、分类及其在实际应用中的案例分析。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT课件、实物样品、视频资料等。
2. 学具：笔记本、笔、计算器等。
五、教学过程1. 导入：通过展示一些日常生活中的复合材料制品，引导学生思考复合材料的特点与应用。
2. 知识讲解：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。
3. 实践操作：1) 分组讨论：分析复合材料在实际应用中的优势。
2) 观看视频：了解复合材料的制备工艺。
4. 例题讲解：以碳纤维增强复合材料为例，讲解其制备过程、性能特点及应用领域。
5. 随堂练习：1) 判断题：复合材料的性能是否完全取决于基体材料？六、板书设计1. 复合材料的定义2. 复合材料的分类3. 复合材料的性能特点4. 复合材料的应用领域七、作业设计1. 作业题目：1) 解释复合材料的定义，并举例说明。
2) 分析复合材料在实际应用中的优势，至少列举三点。
3) 简述碳纤维增强复合材料的制备过程及其性能特点。
2. 答案：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、性能特点及应用领域，使学生初步了解了复合材料的内涵。
课后，教师应关注学生对复合材料知识的掌握程度，及时进行辅导。
拓展延伸：1. 了解其他类型的复合材料，如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
2. 研究复合材料在航空航天、汽车制造等领域的应用案例。
航空复合材料技术
航空复合材料技术航空先进复合材料及工艺技术发展航空先进复合材料及工艺技术发展【摘要】随着先进复合材料技术和工艺技术的迅速发展，复合材料在飞机上的应用比例稳步增长，应用部位从非承力、次承力结构向主承力和核心部件扩展，本文总结了近年来推动复合材料发展的先进材料技术和制造工艺技术。
【关键词】航空先进复合材料；材料技术；工艺技术0.引言航空复合材料是一种由高强度、高刚度增强材料构成的新型材料，具有良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点。
复合材料是综合权衡飞机减重、性能、成本三方面因素的理想材料，在飞机上大量应用可以明显减轻飞机的结构重量，提高飞机的性能[1]。
受益于近二十年来复合材料技术和制造工艺技术的进展，复合材料在飞机上的用量大幅增长，显著提高了飞机的综合性能和燃油经济性。
经初步统计，预浸料成本目前已降到120～190美元/kg，结构制造成本已从上世纪90年代初1100美元/kg，降到目前275～330美元/kg。
复合材料原材料成本和结构件制造成本的大幅度降低，经进一步扩大了复合材料的减重、性能和成本优势。
1.航空先进复合材料发展分析复合材料原材料方面，航空用各种树脂基复合材料水平有大幅度提高。
在碳纤维材料方面，大丝束12k、24k已逐渐代替3k及6k，高强度的T700S及T800S已开始广泛生产。
以977-3/IM7和3900/T800S为代表的环氧树脂复合材料已发展到第二代，其CAI 达到245～315MPa，堪称首屈一指。
以5250-4/IM7为代表的双马基高温复合材料已发展到第二代，工作温度达到177℃，广泛用于飞机高温部位。
聚酰亚胺复合材料广泛用于发动机高温部位，缺点是含甲撑替二苯胺（MDA）有毒，美国研究出无MDA的预浸带可用于发动机及飞机；因钛合金稀缺，聚酰亚胺预浸带正研究用来代替500℃以下的钛合金。
美国Amber公司开发的C740阻燃氰酸乙酯树脂与碳纤维组成的材料固化后工作温度可达344℃，可用作无人机S-100的尾喷管及发动机。
复合材料概述
（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。
6
2、复合材料的特点： 1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观 复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。 2）各组分保持各自固有特性的同时可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
19
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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2、按基体材料分类： 聚合物复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
碳碳复合材料
水泥基复合材料
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3、按用途分类
结构复合材料 功能复合材料
结构 / 功能一体化复合材料
4、按增强剂分类 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料
连续纤维增强复合材料
混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料
木材，发展成为玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这种种广泛
应用的较现代化复合材料。
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2、复合材料的意义
现代高科技的发展更是离不开复合材料。 例如：火箭壳体材料对射程的影响， 航空发动机材料发展预测如下
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1 复合材料概述
1.1 复合材料的定义和特点：
1、复合材料的定义： ISO定义为是：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。 复合材料应满足下面三个条件：
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2 复合材料界面
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结构材料减轻 效益 • 发动机减轻 • 起落架
引擎装备 约20%
收益负重 15~20%
• 燃料
一架总重170吨的飞机，若减重1%， 一年可节约300~600万美元
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*
*
新型金属材料：交通运输用轻质高强材料，能源动
力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控
制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术。
*
1、复合材料是一个需要长期科学研究的重要领域 1）天然复合材料伴随着自然界的生存与发展 天然材料几乎都是复合材料 树----纤维素纤维+木质素及半纤维素
复合采用了自然规律
骨----胶原纤维的有机物+磷酸钙的无机物
特点: 按照需要自然地生长 受了伤自己能够恢复—再生能力
非常强韧的结构
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生命体是多层次意义上的复合体系：
组成：SiO2 + Metal Oxides(Al2O3、CaO、MgO、
Na2O、BeO 、B2O3 ）。
分 类：
有碱玻璃纤维，碱性氧化物 含量>12%，也称为A玻 璃纤维 中碱玻璃纤维，碱性氧化物含量6~12% 低碱玻璃纤维，碱性氧化物含量2~6% 无碱玻璃纤维，碱性氧化物含量<2%， 也称为E玻璃纤维
机身构架的要求
复合 材料 在 A380 上的 应用
冲力
纵向静应力/残 余强度裂纹扩展
上部机壳： 压缩机/稳定 下部机壳： 张力/裂纹扩展 环向应力和 纵向应力
扭曲 冲力 弯曲
冲力 躲避扭转和横切 应力产生的应力
冲力 环向应 力影响
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弯曲压力，稳定性 静态强度，耐腐蚀性 高局部载荷
飞机的重量构成 结构部件 约30% 燃料 30~35%
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木质素
纤维素
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。
燕子窝：泥土-草复合材料
我们住在复合材料里
2）传统复合材料与人民生活密切相关 草茎与泥土的复合 玻璃纤维增强塑料
生活中提炼 解决初级水平的装备问题
展都离不开航空材料的相应发展。飞机对结构材料的
性能要求是多方面的,首先是“比强度”,即强度与密
度之比,同时综合考虑其他性能,例如“比刚度”、断 裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性等。对于功能材 料,主要是要求良好的功能特性,例如隐形性能。
“哥伦比亚”航天飞机起 飞时隔热片曾被撞击
“哥伦比亚” 穿越大气层解体时的图像
交通运输业
汽车车身、底盘、结构 梁、驱动轴、方向盘、 操纵杆、发动机罩、散 热器罩等等－－聚合物 基复合材料 集装箱、火车车厢、冷 藏车－－金属基复合材 料 天然气瓶－－玻璃钢
超塑铝合金制造 的汽车模型
建筑工业
轻型结构房、卫生洁具、冷却塔、储水箱－ －玻璃钢 外墙、结构梁－－水泥基复合材料
*商务部降低 2011 年首批稀土配额 11.4%, 部分企
*国务院关税税则委员会关于 2011 年关税实施方
案的通知》（金属钕的出口关税税率由15%提高 至25%
纳米材料：主要是纳米材料制备与应用关键技术，
固态量子器件制备及纳米加工与组装技术。
Space elevator
Carbon Nanotubes
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增强体是结构复合材料中能提高材料 力学性能的组分，在复合材料中起着增加 强度、改善性能的作用。 增强体的基本特征：
能明显提高材料的一种或几种性能 具有良好的化学稳定性 具有良好的润湿性
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按形态分类： 颗粒状 （零维） 纤维、晶须状（一维） 片状 （二维） 立体编织物 （三维）
无机非金属类(共价键) 按化学特征分类： 有机聚合物类(共价键、高分子链) 金属类(金属键)。
*
一、玻璃纤维 （Glass Fibers）
一种性能优异的无机非金属材料 具有不燃、耐高温、电绝然、拉伸强度高、 化学稳定性好等优良性能 是将熔融的玻璃液，以极快的速度拉成细丝 而成 无普通玻璃的脆性，质地柔软而有弹性，可 并股、加捻、纺织成各种玻璃布、玻璃带等 织物。
玻璃纤维的制造方法 主要有玻璃球法(也 称为坩埚拉丝法)和 直接熔融法(也称为 池窑拉丝法)。
神奇玻璃能自洁
TiO2, 光触媒，在受到 大于二氧化钛能隙宽度 的光线照射时（例如紫 外光），内部电子会被 激发，与空气的氧气和 水分子发生作用，产生 负氧离子和氢氧自由基。 透明度，价格 超薄二氧化钛镀膜(40 nm) 能够分解有机污垢
防皮肤癌的化妆品
奥兊斯尼卡公司推 出一款产品，因为 它含有钛氧化物纳 米粒子，可以在长 达8小时的时间内 有效地抵挡UVA和 UVB
造船业
交通艇、摩托艇、赛艇、救生艇－－纤维增强复合材料
其他行业
风机叶片、各种管道、撑杆、高尔夫球棒、网球拍、 钓鱼杆、微波炉餐具等等－－碳纤维增强聚合物复 合材料
碳纤维环氧树脂 复合材料
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降低纤维价格及开发新型纤维 扩大复合材料的应用范围 发展新的设计、制备方法和新的复合
技术 发展混杂纤维复合材料 发展功能、多功能、机敏、智能复合 材料 纳米和仿生复合材料
稀土提纯样品
“中东有石油，中国有稀土”。稀土曾是让国 人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由 于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开 采出来的稀土资源降到“白菜价”。
AIM-9“响尾蛇”系列导弹的红外引导头关键 部分使用锑化铟材料制造 稀土是制造“灵巧炸弹”精密制导武器、雷达夜 视镜等武器装备不可缺少的元素
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*
复合材料(composite materials): 由两种或两种以上不同性能、不 同形态的组分通过复合工艺组合 而成的一种多相材料，它既保持 了原组分材料的主要特点又显示 了原组分材料所没有的新性能。
复合材料一词，国外起源于20世纪 50年底，国内60年代；
复合材料是一类成分复杂的多元多 相体系，很难准确地予以定义；
*
命名：
复合材料可根据增强材料和基体材 料的名称来命名，通常将增强材料 放在前面，基体材料放在后面，再 加上“复合材料”而构成。
玻璃纤维/环氧树脂复合材料 玻璃/环氧复合材料 环氧玻璃钢（俗称） 玻璃纤维复合材料（强调增 强材料） • 环氧树脂复合材料（强调基 体材料） • C/C复合材料 • • • •
*
*美国NanoHorizons公司，
SmartSilver
*抵抗微生物和细菌侵蚀
*防菌绷带
*自动清洁和消毒的洗衣机、
电冰箱和பைடு நூலகம்调
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*能看电影的衣服 －OLED *定点杀死癌细胞的纳米药物 *轻巧结实的材料 *不会被刮花的汽车 －纳米瓷透明
涂料 （奔驰汽车）
材料的设计、制备与评价技术：
材料智能合成与制备技术 材料表面改性技术的低成本化途径与批量 生产技术 原位复合技术、仿生技术、原子尺度上的 设计与排布技术 材料微观结构的模型化技术、智能化控制 及动态实时监测分析技术 不同层次的材料设计、性能预测和评价表 征新技术。
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3） 人类在材料制造方面的局限性也促使复合材料的不
断发展 限定在很小的特定性能及机能上 人类已迚入了能够制造超天然物质的复合材料阶段 综合性角度，要制造像天然物质那样精巧的复合材料 人类的能力多少显得有些不够
仿生复合材料发展的源泉
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2、复合材料的特性决定了其巨大的发展潜力 1） 单一成分物质,有其来自自身性质的界限 高分子材料老化与耐温性
复合材料的分类：
按基体材料分类
① 聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树 脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体； ② 金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等） 为基体； ③ 无机非金属基复合材料：包括陶瓷基、碳基 和水泥基复合材料。
按增强材料形态分类：
①纤维增强复合材料：
a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维 的两个端点都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规 则地分散在基体材料中； ②颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分 散在基体中； 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。 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然 增强体
此项目研制的连续纤维增韧碳化硅 陶瓷基复合材料是国际上公认的反 映一个国家先迚航空航天器制造能 力的新型热结构材料，这也使我国 成为继法国和美国之后第三个掌握 此技术的国家。
西北工业大学 张立同院士
稀土金属
稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈 （Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、 钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、 镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两 个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元 素，简称稀土。
按含碱量可 分为：
按单丝直径 可分为：
粗纤维，单丝直径30μm 初级纤维，单丝直径30μm 中级纤维，单丝直径10~20μm 高级纤维，单丝直径3~10μm
金属材料的比重与加工性
陶瓷材料的脆性 轻质高强（高性能）
多功能（特显功能）
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新的成型方法和 技术不断开发
2）复合材料发展趋势
第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料 第二代：1960年到1980年，先迚复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先迚复合材料“碳纤维增强及开芙拉纤维 增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力 件上。 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。