复合材料课件第1章 绪论

2.《复合材料大全》
主编：沃丁柱, 化学工业出版社
3.《先进复合材料》
主编：鲁云 朱世杰，机械工业出版社
前言
• 考试：
1. 考试形式：闭卷考试
2. 最终成绩：
= 期末考试成绩（80%）+ 平时成绩（20%）
3. 平时成绩：
= 点名（15分）+ 一次随堂测试（5分）
主要内容
1、绪论（2学时）
2、复合材料的复合效应（4学时）
1. Why?
1.1 自然界的启示
• 竹子、木材、龟壳和鲍鱼壳等自然界生成的天然 复合材料： 天然复合材料 • 混凝土、土墙：原始复合材料 • 漆器：复合材料 (胶为粘结剂，麻为增强体)
1. Why?
1.2 材料发展的启示
广义地讲，天然材料均处于复合状态(自然复合) 原始复合，性能不能充分发挥（第一阶段） 提纯合成，挖掘材料潜能（第二阶段） 不 同 尺 度 材 料 的 复 合
区别于共混材料
• 复合材料性能取决于各 组分相性能的协同
2. What?
2.2 复合材料的特点
高分子共聚物，接枝和嵌段聚合物？
复合材料相区尺寸的界定：
相区尺寸大于1μm的宏观多相材料，不包括相区尺寸 在0.01—1μm之间的微观分相材料，但随着科学技术 的发展，这一概念在逐步淡化，并出现纳米复合材料、 分子复合材料。
基体 成形、防护、传递载荷
作用三个方面： • 成形 • 传递载荷到增强体上 • 保护增强体不受环境的有害影响
2. What?
2.5 复合材料的三大要素
界面 传力
• 载荷只能施加在基体上，只有通过界面才能传递到 增强体上，发挥纤维的承载能力。所以界面是传递 载荷的桥梁 • 界面性质与界面结合强度对复合材料性能影响很大 。增强体与基体必然发生某种作用关系，以结合强 度表现出来，所以复合原理重点是界面设计。
基体 Matrix
分散相 Dispersed phase
界面 Interface
2. What?
2.5 复合材料的三大要素
分散相 承载/赋予功能
• 这就是现代复合材料的最大特点
• 增强体承受90%以上的载荷
• 纤维束增大，3k, 12k, 24k, 36k, 48k
2. What?
2.5 复合材料的三大要素
维断裂和基体开裂等一系列微结构变化，最终导致复
合材料性能，特别是环境性能的变化。
化学稳定性：各种界面之间的化学反应
4. 小结
• 复合材料的材料学基础就是通常的材料学基础。 • 复合材料与传统材料无严格划分，是传统材料优化设 计的结果。复合材料原理主要不是研究材料而是研究 复合技术。 • 复合原理主要研究界面和微结构设计及相应的复合技 术，但由于复合技术必须与构件的结构及构件的服役
4. 本课程关注的四大问题 2．复杂微结构设计
为满足界面的性能及环境的要求，界面可能是梯度 的或多层的；
基体中可能存在不同的组元，甚至复合材料的表面
具有与基体性能不同的涂层或梯度层，所有这些使
复合材料中存在许多微结构单元，将这些微结构单
元统一考虑进行设计就是微结构设计。
4. 本课程关注的四大问题
• 复合材料----典型的多尺度材料
3. How?
与复合材料强韧化相关的尺度范围
尺寸跨度1010
结构单元 界面厚度 Interface 界面相厚度 Interphase 纤维直径 纤维长度 典型实验室试件 典型结构部件
尺度 2Å (0. 2 nm) 10 100nm 10m 100m 1cm 10cm 10cmm
2. What?
• 第五代复合材料（90年代至今） 智能复合材料 如机敏复合材料、自修复复合材料、梯度功能复合材料
2. What?
• 第五代复合材料（90年代至今） 智能复合材料
•智能服装:随光线起伏而变色
2. What?
• 第五代复合材料（90年代至今） 智能复合材料
•新型的可变色的聚合物基 复合材料 •（聚丁二炔脂质体/两亲 性聚合物 )
• 高分子材料：低密度、易成型和连接；热稳定性差 、力学性能一般 • 陶瓷：低密度、热稳定性好、耐腐蚀、磨蚀、磨损 性能好；脆；成型、加工难 • 金属：良好热稳定性、高力学性能和韧性、好成型 和连接性；高温持久性差；高密度；低模量 。
2. What?
2.1 复合材料的定义
• 确切地下定义很难：
a. 由基体和增强体复合而成的材料
2. What?
2.3.3 结构效应
不同的结构设计产生的系统综合效应
图 5
图
2. What?
2.4 复合材料的分类
2.4.1 按照发展历史分类
6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。
原始复合材料
现代意义复合材料最早出现于1839年美国人Goodyear发 明的橡胶硫化法。
现代复合材料
材料复合原理
第 1章
绪 论
孙举涛
复合材料与工程教研室
2013-3-06
前言
• 32学时
• 先修课：复合材料学
• 教材及参考书：
1复合材料原理
闻荻江 武汉理工大学出版社,1998.11
2复合材料原理
朱和国、张爱文编著 国防工业出版社，2013.7
前言
• 课外读物：
1.《复合材料》
主编：吴人洁,天津大学出版社
•
2. What?
2.2 复合材料的特点
2. 复合后各组分物理化学性质不变
区别于化合
物和合金
3. 人工制造
区别于天然 复合材料
可设计性
2. What?
2.3 复合效应
• • • •
尺寸效应（热力学缺陷控制） 界面效应（界面区结构变化） 尺度效应（多尺寸效应协同） 结构效应（材料结构一体化）
复合原理：效应协同：和谐
2. What?
2.2 复合材料的特点
• 纳米复合材料包括两种以上纳米尺寸的晶粒进行复合 或两种以上纳米厚度的薄膜交替叠层或纳米粒子和薄膜复 合的复合材料。这些复合材料由于存在纳米尺寸效应可望 明显改善复合材料的韧性和耐温性。 分子复合材料是指刚性棒状高分子为增强相，在分子水 平上与柔性高聚物基体复合而成的复合材料。这种复合材 料的界面是超微观的，基本上不存在界面相容性和界面应 力集中问题，界面粘接性极好；同时有很好的加工性和设 计自由度。
3. How?
3. How?
3.1 复合材料的多尺度制造
• 材料复合过程与制品成型同时完成（材料结构统一性）
• 成型工艺主要取决于基体材料。（工艺依赖性）
• 根据不同的基体和组分，复合材料的制备工艺和方法不 同。（可设计性）
4. 本课程关注的四大问题 1.复杂的环境响应
天然复合材料是经过千百万年的演变选择形成的 ，界面的形成与环境是关联的(龟壳等)，具有特 别的优异性能。现代复合材料的界面设计首先考 虑的是性能但没有考虑环境，但逐渐在考虑对环 境的适应性。
3．结构不均匀性
均质材料追求均匀性，不均匀因素对性能影响 极大，如孔隙、裂纹等。 复合材料追求不均匀性，不均匀因素对性能影 响不大，甚至有利，如孔隙、裂纹等。
4. 本课程关注的四大问题
4．界面稳定性
物理稳定性：组成复合材料的结构单元具有不同的 热膨胀系数,使用过程中温度变化导致界面结合强度 和界面应力的变化，从而引起复合材料界面滑移、纤
人为复合，发挥联合优势 （第三阶段）
自然法则：周而复始、螺旋上升
1. Why?
1.2 材料发展的启示
复合材料是金 属、陶瓷、高 分子等均质材 料发展的必然
结果。
1. Why?
1.3 技术发展的需要
• wk.baidu.com种材料在某一方面的性能可能是优异的。
• 很多材料的性能已经得到了充分的发展，继续提高只 能是通过复合。 • 单一材料追求高性能价格很高，复合可以降低成本。
2. What?
机械 结合 物理 结合 摩擦力，与摩擦系数及热膨胀失配引起的纤 维径向压应力有关
界 面 结 合 强 度
分子间力，与组成界面两相分子的体积及 晶格间距差等有关 反应结合力，与化学反应程度及所生成界 面相的特性有关
化学 结合
3. How?
3.1 复合材料的多尺度制造
• 多尺度科学：研究不同长度尺度或时间尺度相互 耦合现象的跨学科科学。
b. 人工制造，两种以上的物理和化学区域，具有明
显的界面，与基体及增强体具有完全不同的特性。
2. What?
2.1 复合材料的定义
ISO（国际标准化组织）的定义：
a 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。
b 复合材料各个组分相之间不是简单的加和，而是
在总体性能和结构上有着重要的改进。
2. What?
2.3.1 尺寸效应
尺寸越小，材料中存在缺陷的可能性越低。
纳米 微米
碳纤维在约1%变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才会断裂。
2. What?
2.3.2 界面效应
界面区结构变化引起的性能变化。
基体 界面区（无序结构） 增强体
2. What?
2.3.3 尺度效应
不同尺寸的材料复合产生的不同尺寸效应的叠加
2.4.4 按材料作用分
智能复合 材料
2. What?
2.4.5 按界面结构分
根据界面可以分为： •弹性界面弹性界面
• 脆性基体（陶瓷或聚合物） • 基体和纤维都可能直到断裂始 终保持弹性
•弹性界面塑性界面
• 塑性基体（金属或聚合物） • 基体塑性变形而纤维弹性变形
2. What?
2.5 复合材料的三大要素
复合效应＝ 纳米 ＋ 微米
钢筋混凝土＝水泥＋沙子＋石块＋钢筋
2. What?
2.3.3 尺度效应 • 多尺度复合效应实质上是不同尺度的材料及其所形 成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。 • Al/SiCp复合材料的流动应力主要取决于微结构尺度 效应。若增强相尺寸，基体晶粒尺寸以及增强相间 距三者大小相当，则复合材料的流动应力取决于增 强相的分散程度和位错密度；若增强相尺寸及其间 距大小相当，但比基体晶粒大得多，那复合材料的 流动应力主要取决于增强相的分散度。
3、复合材料的界面状态解析（6学时） 4、复合体系的界面结合特性（8学时） 5、复合体系的界面处理技术及典型界面反应（8学时） 6、复合材料物理和化学性能的复合规律（4学时）
第1章 绪论
• 1.材料为什么要复合？（原因）Why？ • 2.材料根据什么复合？（原理）What？ • 3.材料怎样进行复合？（工艺）How？
复合技术是获得高性能低成本材料的必由之路， 发挥各自组元的性能优势获得良好的综合性能
1. Why?
1.3 技术发展的需要
复合材料-隐形飞
机上的特殊材料
1. Why?
1.3 技术发展的需要
•目前，复 合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构 重量 的 70%-80% ，在先 进战 斗机上的用量大 约 是 结构 重量的 30%-40% 。复 合材料所占机体结构 重量的比例已成为 衡量 飞机先进与否的重要标志。
2. What?
2.4.2 按增强体形态分类
2. What?
按照增强纤维种类又可分为：
或颗粒
2. What?
2.4.3 按基体材料分类
• •
无机非金属基复合材料（ 陶瓷、水泥，等） 聚合物基复合材料（树脂、橡胶，等） 金属基复合材料（铝、镁、铜、钛及其合金，等）
•
碳炭复合材料
2. What?
2. What?
2.1 复合材料的定义
是指由两种或两种以上不同性质的材料， 通过一定的工艺方法人工合成的，各组分间有 明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。 ——贾成厂，《陶瓷基复合材料导论》，2002
2. What?
2.2 复合材料的特点
1. 多相结构存在着复合效应
• 复合材料是组分间被明 显界面区分的多相材料
•美国战斗机复合材料用量
型号 CM用量%
F4 0.8
F15 2.0
F16 2.5
F18 10
F117 42
B2 38
F22 25
1. Why?
1.3 技术发展的需要
中国第四代战机机体结构： 1. 38％碳纤维复合材料 2. 16％钢结构材料
3. 17％铝合金
4. 25％钛合金
1. Why?
1.4 传统材料及其局限性
2. What?
第一代复合材料（40-60年代） 玻璃纤维增强树脂基复合材料 最早出现于1940年，轻质高强、隔热、不反射电磁波，用于军工领域 。目前用量最大、技术最成熟、低成本。 第二代复合材料（70-80年代） 碳纤维增强树脂基复合材料 由于碳纤维高比强度和比模量。主要用在航空航天，随着碳纤维成本的 降低，逐渐用于民用领域。 第三代复合材料（80年代末） 有机纤维增强树脂基复合材料 美国杜邦公司kevlar纤维为代表。高比强度和比模量，低成本（碳纤维 的1/3）。其他纤维如超高分子量聚乙烯纤维、聚苯并双噁唑（PBO） 纤维等。 第四代复合材料（80-90年代） 金属、陶瓷为基体的复合材料 19９0年代出现了纳米复合材料