1.复合材料概论绪论-2014课件

存在着明显的界面；
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。
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现代社会
信息 社会
生命
材料
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四、材料的发展
吃 世界是由物质组成的
穿
住 行
生产与生活资料
“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。”
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人造肉类
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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
钢铁时代 高分子时代 多种材料并存的时代
铁器时代
生产 力获 得了 极大 地解 放， 推动 着人 类社 会的 进步！
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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
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二、复合材料种类
• 三大材料：
–金属 –无机非金属 –有机高分子
金属 材料
复
无机 非金属 材料
材
合
有机 高分子 材料
• 复合材料
–取长补短 –协同作用 –产生原来单一材料本身所没有的新性能
料
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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
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。
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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。
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复合材料
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复合材料的设计－－从常规设计向仿生设计发展
仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制 备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合 材料。 仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、 铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的 层状复合材料比其原材料坚固40％。
纤维 炭黑
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 颗粒/橡胶；颗粒/树脂基 纤维/树脂基复合材料
有机 有机纤维 高分 塑料 子材 料 橡胶
金属/塑料
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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 广泛的应用 金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决
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。
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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
(2) 强调增强体 即强调增强材料 的种类和性质
碳纤维复合材料、金 属纤维复合材料、玻 璃纤维复合材料等
古代：使用 、效仿
半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今 漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆
十九世纪末期出现 由纤维增强橡胶制成的轮胎、橡胶布。
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20世纪40年代初，美国首先用玻璃 纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之 后，玻纤增强塑料（我国俗称玻璃钢） 广泛用于航空、造船、汽车、化工、电 器等国防和国民经济各部门。 我国先进复合材料的应用和研究是 从20世纪60年代末期开始的。
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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%） (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%）
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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
经常使用的复合材料
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）
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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
Composites
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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
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六、复合材料的分类 （1）
复合材料 金属基复 合材料 非金属基 复合材料 高聚物基 复合材料 树脂基复 合材料 热固性树脂 基复合材料 陶瓷基复 合材料 橡胶基复 合材料 热塑性树脂 基复合材料
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六、复合Leabharlann Baidu料的分类 （2）
复合材料 颗粒直径范围0.01~0.1 μm， 颗粒体积含量1％~15％。颗 颗粒增强 粒的作用：阻止基体材料的 复合材料 位错运动而起到增强作用。 颗粒强化 复合材料
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A.土砖房子
3
B. 钢筋水泥房子
史上最牛的钉子户
4
我们住在复合材料里
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C. 燕子窝：泥土-草复合材料
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、象牙和龟壳……
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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
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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。
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• 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
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世界上最轻的自行车 整车重量仅有1.25公斤
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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。
由纤维粗纱缠 短切 晶须 绕或纤维织物 纤维 复合 带按一定缠绕 复合 材料 规律卷绕而成 材料
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Classes of composites
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纤维增强复合材料种类
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、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；
材料涉及的科学与技术？
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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


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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
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近现代：
• 第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料 • 第二代：1960年到1980年，先进复合材料 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年先进复合材料“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
仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和 直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料， 中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。
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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
纤维增强 复合材料 不连续纤维 复合材料
弥散强化 连续纤维 由纤维在三维多 复合材料 复合材料 方向编织而成 多向 编织 复合 材料 缠绕 结构 复合 材料
颗粒直径范围1~50μm，颗 粒体积含量25％~70%，增强颗 层合 粒之间的距离一般大于 m。 由无纬布或纤维 1μ结构 颗粒的作用：由于颗粒本身的 织物铺叠而成 复合 刚硬阻止基体变形而起到增强 材料 作用。
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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。
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Schematic illustration of composite constituents
⑤ 陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。
混杂复合材料：
•两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料 •可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合， 即复合材料的“复合材料”。
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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；
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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
文石层碳酸钙含量为99%，以蛋白质为主的有机质不到1%.
0.96
1.06 1.50 1.4 1.38
1.14
0.4 1.4 0.8 2.1
0.21
0.53 1.03 1.0 0.66
0.25
0.20 0.97 0.57 1.0
硼纤维/铝
2.65
1.0
2.0
0.38
0.57
功能化
复合化
智能化
生态化
德国化学家H. Staudiger, 20世纪30年代提出大分子概念 Ziegler和Natta的定向聚合理论的诞生促进PP、PE
高分子的发展
Carothers的缩合聚合理论，尼龙面世
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五、复合材料历史
古代－近代－先进复合材料 天然复合材料
竹、贝壳，树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
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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、 磁的功能要求。
组成与微结构
性能
应用
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什么是材料？ 对材料的认知？ 材料和化学与物理之间的关系？
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复合材料系统组合
分散相 金 属 材 料 金属纤维 金属晶须 金属片材 纤维 无 机 非 金 属 材 料 陶 晶须 瓷 颗粒 玻 纤维 璃 颗粒 碳 纤维/金属基复合材料 晶须/金属基复合材料 弥散强化合金材料 纤维/陶瓷基复合材料 晶须/陶瓷基复合材料 粒子填充塑料 纤维/树脂基复合材料 连续相 金属材料 纤维/金属基复合材料 晶须/金属基复合材料 无机非金属材料 钢丝/水泥复合材料 晶须/陶瓷基复合材料 金属/塑料板 有机高分子材料 增强橡胶
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。
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按材料作用分类
① 结构复合材料：用于制造受力构件； ② 功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、 导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。 同质复合材料（增强材料和基体材料属于同 种物质，如碳/碳复合材料） 异质复合材料（复合材料多属此类）。
⑸.热膨胀系数小
裂纹扩展示意图
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各种材料的比强度和比模量
材料
钢 铝合金
密度 g/cm3 7.8
2.8
抗拉强度 弹性模量 103MPa 105MPa 1.03 2.1
0.47 0.75
比强度
0.13 0.17
比模量
0.27 0.26
钛合金
玻璃钢 碳纤维/环氧 有机纤维/环氧 硼纤维/环氧
4.5
2.0 1.45 1.4 2.1