第十一章复合材料
第十一章 复合材料
碳素（纤维， 粒料）
碳纤维增强 金属
增强陶瓷
陶瓷增玻 璃
增强水泥
碳纤维增强 碳复合材料
无
碳纤维增强 塑料
碳纤炭黑增 强橡胶
玻璃（纤维， 粒料） 木材 有 机 材 料
无
无
无
增强水泥
无
无
玻璃纤维增 强塑料 纤维板
玻璃纤维增 强橡胶 无
无
无
无
水泥木板 丝 增强水泥 无
无
无
高聚物纤维 橡胶胶粒
无 无
无 无
无 无
二、复合材料的性能特点
1、比强度和比模量高
比强度 材料的强度与其密度之比。
比模量 材料的模量与其密度之比。 材料的比强度或比模量越高，构件的自重就小，或者体积会 越小。通常，复合材料的复合结果是密度大大减小，高的比强 度和比模量是复合材料的突出性能特点。
气瓶
质 量 轻
玻璃钢充气船
小飞守角制作
头盔
玻璃纤维的特点是强度高，弹性模量低，密度小，比强度、 比模量高；化学稳定性好；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、 吸声、绝缘等。缺点是脆性较大，耐热性低，250℃以上开始软化。 由于价格便宜，制作方便，是目前应用最多的增强纤维。
(2)碳纤维 碳纤维是人造纤维(粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等)在200～300℃ 空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下， 在1000～1500℃的高温下进行碳化处理而制得。其含碳量可达 85%～95%。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称Ⅱ型 碳纤维。 如果将碳纤维在2000～3000℃高温的氩气中进行石墨化处理， 就可获得含碳量为98%以上的碳纤维。这种碳纤维中的石墨晶体的 层面有规则地沿纤维方向排列，具有高的弹性模量，又称石墨纤维 或高模量碳纤维，也称Ⅰ型碳纤维。
复合材料的力学性能
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3
三、复合材料的性能特点
1、高比强度、比弹性模量； 2、各向异性； 3、抗疲劳性能好； 4、减振性能好； 5、可设计性强。
4
四、结构设计原理
1、层次结构 一次结构（单层），不产生新相； 二次结构（铺层）有新相产生；能较好地过 渡； 三次结构（多层）形成多个铺层。 2、连续纤维与非连续纤维增强 连续纤维增强 方向性明显，性能受纤维的 粗细、数量、排列的影响。 非连续纤维增强 纤维的长度与直径之比 L/d，提高剪切强度。 返回
1 Vf Vm I: 1 Gc G f Gm (式11 - 20) 上限 下限
II II： GC G f Vf G m Vm (式11 - 26) II 合 成：G c (1 c )G 1 CG c C (式11 - 27)
9
4、泊松比υ
纵向泊松比
LT
横向泊松比
2
二、材料复合的物理冶金基础
1、界面与界面反应
界面上反应热力学与动力学： 相应温度下反应的可能性；反应常数；反应速度常数。 固溶与化合反应： 原子扩散，形成浓度不同的固溶体；新化合物。 过渡层的出现：
2、强化理论
第二相强化、弥散强化；形变带强化。 断裂及其机理： 裂纹的萌生及扩展；断裂。 聚合强度的作用。
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二、弹性模量
弹性模量计算公式(式11-61）（式11-62）（式11-63）
三、强度
按混合定律计算。 用纤维的平均应力代替（11-39）中的纤维抗拉强度。 返回
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§11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
一、断裂
1、损伤累积机理 裂纹萌生：缺陷处 扩展： 2、非累积损伤机理 ①接力破坏 ②脆性粘接断裂机理 ③最薄弱环节破坏机理 3、复合材料的破坏形式 ①纤维断裂 ②基体变形和开裂 ③纤维脱胶 ④纤维拨出
复合材料概述PPT课件
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2、高温力学性能 室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模
量提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然 后强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随着温度升 高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化显然与 材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
其中一个组分是细丝（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。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。
1、室温力学性能
对陶瓷基复合材料来说，陶瓷基体的失效应变低于纤维的 失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起 的开裂。 材料的拉伸失效有两种：
第一：突然失效。如纤维强度较低，界面结合强度高，基 体较裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。
第二：如果纤维较强，界面结合较弱，基体裂纹沿着纤维 扩展。纤维失效前纤维/基体界面在基体的裂纹尖端和尾 部脱粘。
.
复合材料是由多相材料复合而成，共同特点主要有三个：
(１)综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能， 具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料， 既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。如，针对方向性 材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。 (3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可 避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨 制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料 已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件 、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制 造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意 的使用效果。
复合材料管理制度范文
复合材料管理制度范文复合材料管理制度范第一章总则第一条为了加强对复合材料的管理，促进复合材料产业健康发展，根据相关法律法规，制定本制度。
第二条本制度适用于企事业单位、科研机构等使用、生产、销售、储存、运输复合材料的各个环节。
第三条复合材料指由两种或两种以上的不同物质，按一定方式组合形成的材料。
第二章复合材料管理的基本原则第四条复合材料管理应遵循以下原则：1. 安全原则：确保复合材料的使用、生产、销售、储存、运输过程中的安全。
2. 环保原则：注重复合材料的环保性能，减少对环境的污染。
3. 资源原则：合理利用资源，提高复合材料的利用率。
4. 创新原则：鼓励技术创新，促进复合材料产业的发展。
5. 公平原则：确保复合材料管理的公正和公平，维护各方的利益。
6. 法律原则：遵守法律法规，执行国家有关政策，保护知识产权。
第三章复合材料分类和标识第五条复合材料按照结构、成分、用途等分类，制定相应的标识和管理规范。
第六条复合材料应标注以下内容：1. 原材料成分；2. 结构和组成方式；3. 技术指标和性能参数；4. 生产日期和批次号码；5. 生产厂商名称和联系方式；6. 其他必要的标识信息。
第七条复合材料的标识应明显、清晰，不得有误导性的内容或标识。
第四章复合材料使用管理第八条复合材料的使用应符合以下要求：1. 根据复合材料的特性和用途，选择合适的材料；2. 确保复合材料的正确使用和安全性；3. 遵守使用规范，不得超负荷使用；4. 定期检查和维护复合材料，确保使用效果。
第九条复合材料的使用应有相应的记录，包括使用情况、使用者、使用时间等。
第十条复合材料的使用过程中，如发现问题或存在安全隐患，应立即停止使用，并及时报告相关部门。
第五章复合材料生产管理第十一条复合材料的生产应符合以下要求：1. 依法取得相关生产许可证；2. 严格按照生产流程和工艺标准进行生产；3. 采用合理的原材料、设备和工艺，确保生产质量；4. 做好产品质量控制，确保产品达到技术要求。
复合材料
• 硬质合金 硬度极高，且热硬性、耐磨性好, 用硬质合金做刀具，切削速度比高速钢高 4～5倍。 • 一般做成刀片，镶在刀体上使用。 • 硬质合金的牌号由类别号和组别号01、10、 20、30· · · 组成。 • 切削刀具用硬质合金(其类别号为P、M、K) 的牌号、基本组成、力学性能和作业条件见 表11－2所示。
11.3.1
纤维增强符合原则
• 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维的 方向密切相关。 • 当纤维无规排列时，能获得基本各向同性 的复合材料，但力学性能不是最佳； • 均一方向的纤维使材料具有明显的各向异 性，沿纤维轴向刚性和强度最高，垂直方 向最差； • 当纤维采用正交编织，相互垂直的方向均 具有好的性能； • 纤维采用三维编织方法,可获得各方向力学 性能均优的复合材料。
11.3.4 纤维增强金属基复合材料
11.3.4 纤维增强金属基复合材料
• 纤维增强金属基复合材料的制备方法，可 望成为工业化生产的方法有物理-化学预处 理方法、高温高压的焊合法及熔浸法。
11.3.4 纤维增强金属基复合材料
• 1. 纤维增强铝基复合材料 • (1)硼纤维增强铝基复合材料(B/Al) • 硼纤维的高温强度好，1500℃时的蠕变性 能比W还低，但纤维处于500℃以上氧化后 强度降低，若预先在硼纤维表面涂覆一层 SiN(称硼矽克)或B4C，能防止表面氧化， 可用于制作涡轮发动机风扇叶片和飞机机 翼等。
11.3.3 纤维增强聚合物基复合材料
• 3. 聚合物分子复合材料 • 分子复合材料是增强剂在基体分子中分散程 度接近分子水平的复合材料,简称MC(Molecular-Composites)。 • 增强剂是刚性高分子链或微纤,基体为柔性聚 合物。 • 理想的分子复合状态是纤维直径从微米级降 到刚性分子链的直径(纳米级),由于两相接触 面大大增加,可获得高模量,高强度的聚合物。
课程设计复合材料
课程设计复合材料一、教学目标本章节的教学目标旨在让学生掌握复合材料的基本概念、性质和应用。
知识目标要求学生能够描述复合材料的定义、组成及特点；技能目标要求学生能够分析复合材料的性能和应用；情感态度价值观目标则在于培养学生对新材料研究的兴趣和责任感。
通过本章节的学习，学生应能理解并应用复合材料的相关知识，提高科学素养，培养创新精神和实践能力，形成积极的学习态度和可持续发展的观念。
二、教学内容本章节的教学内容主要包括复合材料的基本概念、组成、性能、应用等方面的知识。
具体包括：1.复合材料的定义及分类；2.复合材料的组成及制备方法；3.复合材料的性能及其影响因素；4.复合材料在日常生活和工业中的应用。
教学内容将按照教材的章节安排进行讲解和讨论，结合实例分析，使学生能够更好地理解和掌握复合材料的相关知识。
三、教学方法为了提高教学效果，本章节将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
具体包括：1.讲授法：系统地传授复合材料的基本概念、性质和应用；2.案例分析法：分析实际案例，使学生更好地理解复合材料的性能和应用；3.实验法：学生进行实验，观察复合材料的性质，增强学生的实践能力。
通过多样化的教学方法，激发学生的学习兴趣，提高学生的主动性和积极性。
四、教学资源为了支持本章节的教学工作，我们将准备以下教学资源：1.教材：提供权威、系统的复合材料知识，作为学生学习的主要参考资料；2.参考书：为学生提供更多的学习资源，拓宽知识视野；3.多媒体资料：制作PPT、视频等多媒体资料，帮助学生形象地理解复合材料的相关知识；4.实验设备：准备实验器材，让学生能够亲自动手，观察复合材料的性质。
以上教学资源将有助于提高本章节的教学质量，丰富学生的学习体验。
五、教学评估本章节的评估方式包括平时表现、作业、考试等多个方面，以确保评估的客观性和公正性。
具体包括：1.平时表现：通过课堂参与、提问、小组讨论等环节，评估学生的学习态度和积极性；2.作业：布置相关的习题和案例分析，评估学生的理解和应用能力；3.考试：设置选择题、填空题、简答题和综合分析题等，全面考察学生的知识掌握和运用能力。
第11章复合材料层合板的强度分析
第11章 复合材料层合板的强度力分析复合材料层合板中单层板的铺叠方式有多种，每一种方式对应一种新的结构形式与材料性能。
层合板的应力状态也可以是无数种，因此各种不同应力状态下层合板的强度不可能靠实验来确定．只能通过建立一定的强度理论，将层合板的应力和基本强度联系起来。
由于层合板中各层应力不同，应力高的单层板先发生破坏，于是可以通过逐层破坏的方式确定层合板的强度。
因此，复合材料层合板的强度是建立在单层板强度理论基础上的。
另外，由层合板的刚度特性和内力可以计算出层合板各单层板的材料主方向上的应力。
这样就可以采取和研究各向同性材料强度相同的方法，根据单层板的应力状态和破坏模式，建立单层板在材料主方向坐标系下的强度准则。
本章主要介绍单层板的基本力学性能、单层板的强度失效准则，以及层合板的强度分析方法。
§11.1单层板的力学性能由层合板的结构可知，层合板是若干单向纤维增强的单层板按一定规律组合而成的。
当纤维和基体的性质、体积含量确定后，单层板材料主方向的强度与和其工程弹性常数一样，是可以通过实验唯一确定的。
11.1.1单层板的基本刚度与强度材料主方向坐标系下的正交各向异性单层板，具有4个独立的工程弹性常数，分别表示为：纤维方向（方向1）的杨氏模量1E ，垂直纤维方向（方向2）的杨氏模量2E ，面内剪切模量12G ；另外，还有两个泊松比2112,νν，但它们两个 不是独立的。
这4个独立弹性常数表示正交各向异性单层板的刚度。
单层板的基本强度也具有各向异性，沿纤维方向的拉伸强度比垂直于纤维方向的强度要高。
另外，同一主方向的拉伸和压缩的破坏模式不同，强度也往往不同，所以单层板在材料主方向坐标系下的强度指标共有5个，称为单层板的基本强度指标，分别表示为：纵向拉伸强度X t (沿纤维方向)，纵向压缩强度X c (沿纤维方向)，横向拉伸强度Y t (垂直纤维方向)，横向压缩强度Y c (垂直纤维方向)，面内剪切强度S (在板平面内)。
复合材料完整版
第一章总论1.复合材料：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。
2.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，称为增强材料。
分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。
分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。
3.复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。
将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上“复合材料”。
4.简述复合材料的分类：⑪按增强材料形态分类：①连续纤维复合材料；②短纤维复合材料；③粒状填料复合材料；④编织复合材料。
⑫按增强纤维种类分类：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维复合材料；④金属纤维复合材料；⑤陶瓷纤维复合材料。
⑬按基体材料分类：①聚合物基复合材料；②金属基复合材料；③无机非金属基复合材料。
⑭按材料作用分类：①结构复合材料；②功能复合材料。
5.论述复合材料的共同特点，并举例说明。
复合材料是由多相材料复合而成，其共同特点是：①可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
②可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。
、③可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。
例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
④性能的可设计性是复合材料的最大特点。
第二章复合材料的基体材料1.简述选择基体的原则：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。
2.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。
3.聚合物基体的作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。
4.不饱和聚酯树脂：是指有线型结构的，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。
汽车机械基础课件 第11章 非金属材料
2024/9/2
汽车机械基础
a ) 方向盘及仪表盘图
2024/9/2
b )汽车内饰
汽车机械基础
c )汽车前保险杠罩
d)车灯
2024/9/2
汽车机械基础
• 11.1.2 橡胶
• 橡胶是具有高弹性的有机高分子材料。 • 具有高的弹性，优良有伸缩性能，优异的吸振性和绝缘
性，以及良好的耐磨性、隔音性和电绝缘能力，所以用 途极广；橡胶的主要缺点是易于老化。 • 橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类。 • 在机械工业和汽车工业中，橡胶的用途有： （1）动、静密封件，如旋转轴密封、管道接口密封； （2）减振防振件，如机座减振垫片、汽车底盘橡胶弹簧； （3）传动件，如三角皮带； （4）运输胶带、管道； （5）电线、电缆和电工绝缘材料； （6）各种轮胎。
本低广泛用于日用品和农用的塑料。主要品种有聚乙烯、 聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、ABS塑料、酚醛塑料等。 它们的产量约占塑料总产量的3/4以上。 • 工程塑料是工程结构和设备中应用的塑料。一般强度、 刚度和韧性较好，且耐高温、耐辐射、耐腐蚀，绝缘性 能良好，因而能代替金属制作某些机械结构件。这类塑 料主要有聚甲醛、聚酰胺（尼龙）、聚碳酸脂、ABS塑 料等四种。在实际应用中，工程塑料和通用塑料并没有 严格的界限。
2024/9/2
汽车机械基础
2024/9/2
a)车用皮带
b)车用密封圈
汽车机械基础
11.2 陶瓷材料
• 11.2.1 陶瓷的分类 • 11.2.2 陶瓷的性能及用途
2024/9/2
汽车机械基础
• 11.2.1 陶瓷的分类
• 陶瓷按成分和用途，可分为普通陶瓷、特种陶瓷和金属 陶瓷三大类。
第十一章复合材料的力学性能.
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在第I阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合 材料也处于弹性变形状态，且
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复合材料进入变形第II阶段时，纤维仍处于弹性状态， 但基体已产生塑性变形，此时复合材料的应力为：
由于载荷主要由纤维承担，所以随着变形的增加，纤 维载荷增加较快，当达到纤维抗拉强度时，纤维破断， 此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之 破坏。
（2）剪切型 纤维之间同向弯曲，基体
主要产生剪切变形，这种 屈曲模式较为常见。
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复合材料沿纤维方向受压时，可以认为纤维在基体内的 承力形式像弹性杆。
假设基体仅提供横向支持，载荷由纤维均摊，复合材料 的抗压强度由纤维在基体内的微屈曲临界应力控制。
将单向纤维复合材料简化成纤维和基体薄片相间粘接的 纵向受压杆件，当外载荷增至一定值后，纤维开始失稳， 产生屈曲。
纤维复合材料的比模量大，因而它的自振频率很高，在加载 速率下不容易出现因共振而快速断裂的现象。
同时复合材料中存在大量纤维，与基体的界面，由于界面对 振动有反射和吸收作用，所以复合材料的振动阻尼强，即使 激起振动也会很快衰减。
(5) 可设计性强
通过改变纤维、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排 布方式等可满足复合材料结构和性能的设计要求。
第十一章 复合材料的力学性能
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20世纪60年代以来，航天、航空、电子、汽车等高技术领 域的迅速发展，对材料性能的要求日益提高，单一的金属、 陶瓷、高分子材料已难以满足迅速增长的性能要求。
为了克服单一材料性能上的局限性，人们越来越多的根据 构件的性能要求和工况条件，选择两种或两种以上化学、 物理性质不同的材料，按一定的方式、比例、分布组合成 复合材料，使其具有单一材料所无法达到的特殊性能或综 合性能。
C-C复合材料
第十一章碳/碳复合材料（C/C）11.1 碳/碳复合材料概述碳/碳(C/C) 复合材料是由碳纤维及其（碳毡或碳布）增强的碳基复合材料，其组成元素只有一个，即碳元素。
如表1 所示，C/C 具有许多优异的性能。
如密度低、高热导性、低热膨胀系数以及对热冲击不敏感等。
特别是高温下的高强度和模量，其强度随着温度的升高而升高以及高断裂韧性、低蠕变等性能，使C/C 成为目前唯一可用于高温达2800 °C 的高温复合材料。
碳/碳复合材料具有碳元素所特有的耐烧蚀、抗热震、高导热率和低膨胀系数等性能。
其导热性在常温下可与铝合金比拟；热膨胀系数远比金属低；同时具有最好的生物相容性。
碳/碳复合材料另一重要性能是其优异的摩擦磨损性能。
碳/碳复合材料中的碳纤维微观结构为乱层石墨结构，其摩擦系数比石墨高，因而提高了复合材料的摩擦系数。
石墨因其层状结构而具有固体润滑能力，可降低摩擦副的摩擦系数。
通过改变基体碳的石墨化程度就可以获得摩擦系数适中而又有足够强度和刚度的碳/碳复合材料。
11.2 碳/碳复合材料的的制备工艺11.2.1 碳/碳复合材料的预成型体和基体碳预成型体：预成型体是一个多孔体系，含有大量空隙。
如三维碳/碳复合材料中常用的2-2-3 结构的预成型体中的纤维含量仅有40%，也就是说其中空隙就占60%。
•碳/碳复合材料的预成型体可分为单向、二维和三维，甚至可以是多维方式（图11–3），大多采用编织方法制备。
在制备圆桶、圆锥或圆柱等预成型体时需要采用计算机控制来进行编织。
基体碳：典型的基体碳有热解碳（CVD 碳）和浸渍碳化碳。
前者是由烃类气体的气相沉积而成；后者是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得。
11.2.2 碳/碳复合材料的制备工艺1）CVD（CVI）工艺原理CVD（CVI）经历以下过程：1）反应气体通过层流向沉积基体的边界层扩散；2）沉积基体表面吸附反应气体，反应气体产生反应并形成固态和气体产物；3）所产生的气体产物解吸附，并沿边界层区域扩散；4）产生的气体产物排除。
Ch11复合材料
§11.3 常用复合材料
“金龟子”轿车的碳纤维车架
2020/2/6
一、树脂基复合材料
§11.3 常用复合材料
碳纤维轮毂
2020/2/6
碳纤维自行车架
一、树脂基复合材料
§11.3 常用复合材料
碳纤维复合材料高速列车刹车片
2020/2/6
碳纤维齿轮
一、树脂基复合材料
§11.3 常用复合材料
荷兰世界最长碳纤维复合材料桥，长24.5米，宽5米
第十一章 复合材料
§11.1 复合材料概述 §11.2 增强材料及复合增强原理 §11.3 常用复合材料
2020/2/6
复 合 材 料 船 体
2020/2/6
2020/2/6
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管接头（宇宙飞船上用）
用Beralcast363复合材料，刚度比铝材高3倍以上， 零件减轻22％，与石墨等匹配很好，减少了焊接应力。
2020/2/6
三、复合材料的性能
§11.1 复合材料概述
2020/2/6
三、复合材料的性能
§11.1 复合材料概述
2020/2/6
三种材料的疲劳强度
三、复合材料的性能
§11.1 复合材料概述
2020/2/6
两种材料的振动衰减特性
三、复合材料的性能
§11.1 复合材料概述
2020/2/6
§11.2 增强材料及复合增强原理
一、树脂基复合材料
§11.3 常用复合材料
2020/2/6
酚醛树脂玻璃钢齿轮
BMW汽车车门内衬
一、树脂基复合材料
§11.3 常用复合材料
玻璃钢复合材料是指玻璃纤维增强塑料及其它纤维和填料或改性 的树脂基复合材料，玻璃钢/复合材料管道和容器逐渐取代普通钢材、 不锈钢和稀有贵重金属等传统材料。
材料科学-第十一章 常用非金属材料简介
4．常用高分子材料 • • • • • 4.1塑料 4.2橡胶 合成纤维 胶粘剂 涂料
4.1工程塑料 • 塑料是以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，它通常 可在加热、加压条件下塑制成型，故称为塑料。 • 塑料的组成 塑料是以有机合成树脂为基础，再加入添加剂所组成 的。 1.合成树脂 是由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合 成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等，是塑料的主 要组成，也起粘接剂作用。 2.添加剂 为改善塑料的性能而加入的其它组成，主要 有： (1)填料或增强材料 填料在塑料中主要起增强作用。 (2)固化剂 可使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和 稳定的塑料制品。 (3)增塑剂 用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。 (4)稳定剂 用以防止受热、光等的作用使塑料过早老化。
• ④ 优良的高温强度和低的抗热震性 • 陶瓷的熔点高于金属，具有优于金属的高温强度。 • 陶瓷的熔点高于金属，具有优于金属的高温强度。大多数 金属在1000℃以上就丧失强度，而陶瓷在高温下不仅保持 高硬度，而且基本保持其室温下的强度，具有高的蠕变抗 力，同时抗氧化的性能好，广泛用作高温材料。 • 但陶瓷承受温度急剧变化的能力差（热震性差）当温度剧 烈变化时易裂。
3．分类 • (1) 普通陶瓷（传统陶瓷） 普通日用陶瓷 普通工业陶瓷 1).建筑卫生瓷 2).化学化工瓷 3).电工瓷 (2) 特种陶瓷 压电陶瓷 磁性陶瓷 电容器陶瓷 高温陶瓷 1).氧化物陶瓷 2).硼化物陶瓷 3).氮化物陶瓷 4).碳化物陶瓷
普通陶瓷的特点与应用
• 普通陶瓷的组分构成原料为粘土、石英和长石。其特点是 坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、 成本低廉，用量大。 • 普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透明度， 热稳定性和机械强度较高。 • 普通工业陶瓷有炻器和精陶，有建筑卫生瓷（装饰板、卫 生间装置及器具等）、电工瓷（电器绝缘用瓷，也叫高压 陶瓷）、化学化工瓷（化工、制药、食品等工业及实验室 中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿）等。
复合材料修理设计
4、修理分析初步结论
1）修理后结构不对称性对结构刚度影响大（可能提前破坏或影响结构传 力） 2）双面贴补：对蜂窝结构，强度恢复100%（母板损伤小且补片加强母板）
对层压板结构，强度恢复70%～80% 3）挖补：因无工艺通路而无法双面贴补时采用，可恢复80% 4）修理不改变复合材料结构受载时呈脆性破坏的特点（载荷同应变无非 线性过渡），具有突然性 5）修理工艺、材料、工具、环境、操作人员等很多因素会对修理效果有 影响 6）温湿环境对修理后结构有影响（结构因修理造成的非对称引起附加变 形和多种修理材料具有不同热膨胀率等）
挖补修理主要参数：
1）斜接式挖补角度 最佳契形角随粘结剂抗剪强度增大而增大
建议挖补角度为6O（实际应用的粘结剂）
胶接模型分析结论：挖补斜度1:15～1:18
2）阶梯式挖补每层阶差
建议：每层阶差不小于13mm 去除层数不超过6层（单面挖补） 去除层数超过6层（若条件允许，双面挖补） 施工相对困难，工艺要求较高（每个铺层要有阶差）
3）施工通路 机械修理适用于两面可达，采用相同的内外补强片 若只能单面施工，充分考虑工艺要求
蜂窝夹层结构修理设计
损伤：可忽视、可修、不可修（按严重程度） 可修损伤：面板、复合、穿透
1、修理方法：
➢ 刮涂打磨法 ➢ 贴补法 ➢ 挖补法 ➢ 加衬挖补法
修理方法选择建议
贴补法：恢复到原静强度和刚度的100%，增重略多 挖补和加衬挖补法：80～90%
3、机械修理设计：
通常作为应急修理，300飞行小时内更换为复合材料补片 的永久性修理 不用于气动要求高的外表面
注意问题：
1）应力集中 ➢ 加金属衬套（降低应力集中，提高压缩强度）（比未修
理件提高70%，比不加衬套提高30%）
(最新整理)第11章填料
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第三节 云 母
云母含钾、铝、镁、铁、锂等元素的层状含水铝硅酸盐矿物。 种类:白云母KAl2[Si3A1O10](0H,F)2、金云母KMg3[Si3AlO10](OH，F)2 、 黑云母K(Mg,Fe)3[Si3AlO10](0H,F)2 、 锂云母 KLil.5All.5[Si3A1O10](OH,F)2 等。 云母都属单斜晶系，呈假六方片状晶形，具有极完全解理，能剥离成具 有弹性和绕曲性的薄片。 物理性能:莫氏硬度为2～3，呈珍珠光泽，密度为2.7～3.18g/cm3，良 好的电绝缘性能，1mm厚的云母片可耐10万V以上的高压。具有耐高温性 能，如白云母能耐550℃高温，而金云母则可耐1000℃以上的高温。 具有强的抗酸、碱和抗压性能。 云母粉填充热塑性塑料，填充后，可大大提高塑料制品的拉伸弹性模量 和弯曲弹性模量，这就是把云母作为增强填料的理由。
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在聚酯中可调节树脂的粘度及成型加工性能，提高耐磨性。 在聚苯乙烯中添加质量20％～60％的云母，剪切模量可提高 8倍。 在环氧树脂中添加质量50％的云母，弹性模量提高。 在树脂中的添加量一般为10％～40％，云母的细度为100目 ～325目，应根据制品性能要求而选择合适的目数。 其成型加工工艺基本上与碳酸钙填充工艺相同。 云母粉为无毒品,可用于与食品接触的制品。
MPa
焊接强度
MPa
35
23.3
9.5
弹性模量
MPa
1.2×103
抗冲击强度
J/m2
1.76×104
5.76×103
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含石墨50% 3.02
5.65×10-5 20.9 12.3
复合材料
环氧树脂
69
6.9
环氧树脂 / E级 玻璃纤维 1020
45
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性） 1240
145
环氧树脂 / 芳纶纤维（49） 1380
76
环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100
210-280
聚合物基纤维增强复合材料零件
碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空 发动机高温构件
芳纶刹车片
复合材料在航空中 的应用
美UH－60A型直升飞机
美国F/A-18歼击机
l 四、纤维增强金属基复合材料
l 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合 材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。
l 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。
l 作为增强体的连续纤
维主要有硼纤维、
SiC和C纤 维；Al2O3 纤维通常以短纤维的
l 4、金属纤维：成丝容易、 弹性模量高。
l 5、陶瓷纤维：用于高温、 高强复合材料。
玻璃纤维 SiC纤维
l 6、芳香族聚酰胺纤维: 强度、弹 性模量高，耐热。
l 7、聚乙烯纤维: 韧性极好，密度 非常小 。
l 8、晶须：是直径小于30m，长 度只有几毫米的针状单晶体，断 面呈多角形, 是一种高强度材料。
运输及包装等。
有TiN涂层的 高金 蜂 窝 夹 层
板
第三节 纤维增强复合材料
l 纤维增强复合材料是指以各种金属和非金属作为基
体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。
l 一、纤维增强复合原则
l 在纤维增强复合材料中，纤维是材料
主要承载组分，其增强效果主要取决 碳
于纤维的特征、纤维与基体间的结合
第11章 复合材料结构设计
NUDT 12.6
第十一章 复合材料结构设计
Chap.04
11.2 结构设计 许用值的确定 1,使用许用值
② 压缩时使用许用值的确定 压缩时使用许用值取下述三种情况中的较小值: 压缩时使用许用值取下述三种情况中的较小值: 第一,对低速冲击后的试样,在使用环境条件下进行单轴压缩试验,测 第一,对低速冲击后的试样,在使用环境条件下进行单轴压缩试验, 定其破坏应变,并除以安全系数,经统计分析得出使用许用值. 定其破坏应变,并除以安全系数,经统计分析得出使用许用值. 第二,对开孔试样,在使用环境条件下进行单轴压缩试验,测定其破坏 第二,对开孔试样,在使用环境条件下进行单轴压缩试验, 应变,并除以安全系数,经统计分析得出使用许用值. 应变,并除以安全系数,经统计分析得出使用许用值. 第三,对低速冲击后的试样,在环境条件下进行压缩两倍疲劳寿命试验, 第三,对低速冲击后的试样,在环境条件下进行压缩两倍疲劳寿命试验, 测定其所能达到的最大应变值,经统计分析得出使用许用值. 测定其所能达到的最大应变值,经统计分析得出使用许用值.
NUDT 12.6
Chap.04
第十一章 复合材料结构设计
NUDT 12.6
第十一章 复合材料结构设计
Chap.04
11.1 概述 复合材料结构设计综合: 复合材料结构设计综合: 1)层合板设计 2)典型结构件设计 3)连接设计 考虑的因素: 考虑的因素: 1)设计条件 2)结构质量 3)研制成本 4)创造工艺 5)质量控制
NUDT 12.6
第十一章 复合材料结构设计
Chap.04
11.2 结构设计 结构设计的一般原则 (3) 复合材料失效准则只适用于复合材料的单层.在未规定 复合材料失效准则只适用于复合材料的单层. 使用某一失效准则时,一般采用蔡---吴失效准则,且正则 吴失效准则, 使用某一失效准则时,一般采用蔡---吴失效准则 化相互作用系数F 在未作专门规定时采用-0.5. 化相互作用系数F12*在未作专门规定时采用-0.5. (4) 有刚度要求的一般部位,材料弹性常数的数据可采用试 有刚度要求的一般部位, 验数据的平均值,对有刚度要求的重要部位要选择B基准值. 验数据的平均值,对有刚度要求的重要部位要选择B基准值.
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(2)各组分保持各自固有特性的同时可最大限 度地挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备 的优良特殊性能。
(3)复合材料具有可设计性。
第十一章复合材料
3、复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成复合材料的连续相；
第十一章复合材料
复合材料在撑杆上的应用
Pole-vaulting
轻质、高强、高弹性、较低成本、 低密度及屈服强度
Longitudinal carbon fibers/epoxy
Glass fiber web/epoxy
Glass fiber rings
第十一章复合材料
复合材料特别是先进复合材料就是为了满 足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先 进材料。复合材料是应现代科学技术而发展出 来的具有极大生命力的材料。
引言：无处不在的复合材料
土房---草增强泥基复合材料
钢筋混凝土建筑框架
玻璃钢撑杆
复合材料在航天领域中的应用
“哥伦比亚号” 航天飞机
主货舱门---碳纤维/环氧树脂
压力容器---凯芙拉纤维/环氧树脂 主机隔框和翼梁---
硼/铝复合材料
发动机的喷管---碳/碳复合材料
发动机组传力架--钛基复合材料
机身防热瓦---陶瓷基复合材料
6、良好的功能性能
第十一章复合材料
应用 聚 合 物 基 复 合 材 料 （ Polymer Matrix
Composites，简称PMC） 在结构复合材料中发展最早、研究最多、应 用最广和用量最大。 包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、 碳化硅纤维等增强复合材料
第十一章复合材料
玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP)
第十一章复合材料
复合材料在航天领域中的应用
国家技术发明一等奖（2004年）
“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”
黄伯云研制的飞机刹车片
第十一章复合材料
复合材料在航空领域的应用 国家技术发明一等奖（2004年）
“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料”
攻克航天飞机隔热瓦技术难关
第十一章复合材料
复合材料在航空领域的应用
第十一章复合材料
12.1 复合材料概述
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： （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。
第十一章复合材料
2、复合材料的特点：
第十一章复合材料
2、良好的高温性能：
目前： 聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能， 其使用温度在350 1100 C范围内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。
第十一章复合材料
3、良好的尺寸稳定性：
第十一章复合材料
2、按性能分类 ： 普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通
聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。 先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝 SiC
纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨） 等复合材料。
第十一章复合材料
3、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
目前：四类共存、树脂基复合材料5代共用。
第一代：“玻璃钢”，玻璃纤维增强； 第二代：碳纤维增强； 第三代：金属基、陶瓷基和C/C基复合材料； 第四代：聚乙烯纤维增强（美国、荷兰、日本） 第五代：PBO（聚苯并双恶唑）纤维
第十一章复合材料
12.2 复合材料的组成、分类、性能和应用
1、组成 ➢基体 ➢增强体
第十二章 复合材料
第十一章复合材料
§12.1 概述
金属材料：力学性能和可加工性好 多数不耐高温 耐磨和耐蚀性差
陶瓷材料：强度高、熔点高、耐磨、耐蚀性 强度、刚度、耐热性有限
第十一章复合材料
引言：无处不在的复合材料
土房---草增强泥基复合材料
钢筋混凝土建筑框架
复合材料在日常生活中的应用
第十一章复合材料
复合材料在体育用品中的应用
第十一章复合材料
复合材料在网球拍上的应用
球拍颈部融合 智能压电纤维
第十一章复合材料
复合材料在滑雪板上的应用
滑雪板在雪上滑行时，雪会产生轻微溶化，因水 的“粘性”增加摩擦力。采用疏水性强的复合材料 制成的滑雪板，可提高滑行性能。理想的材料是 超高分子聚乙烯。
复合材料使A380减重15吨
(1) 机翼
(2) 垂直尾翼和水平尾翼 (3) 地板梁和后承压框
(4) 固定机翼前缘
(5) 机翼后缘处的襟翼,副翼
法国 “空中客车” 公司生产的 A380双层四引擎大型客机，最 大可载客量550人
(6) 机身蒙皮壁板
第十一章复合材料
复合材料在化工领域中的应用
第十一章复合材料
增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态 分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会 使材料的性能显著改善和增强。
增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。
增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
第十一章复合材料
先进复合材料：树脂基复合材料、C/C复合材料 陶瓷和金属基复合材料和纳米复合材料。
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。
第十一章复合材料
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
第十一章复合材料
4、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
5、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
第十一章复合材料
复合材料的基本性能（优点）：
1、高比强度、高比模量（刚度）：
比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。