复合材料应用
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四、复合材料的性能特点
1．比强度和比模量高 2．抗疲劳性能好 3．良好的减振性能 4．良好的高温性能 5．断裂安全性能好
减摩性、耐蚀性较好，并且成型工艺简单，可用 模具依次成型制成各种构件，材料利用率高
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1．比强度和比模量高
比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标。 比强度越高，同一零件的自重越小； 比模量越高，零件的刚性越大。
(2) 金属材料
• 铝、铜、钛、镁及高温合金等 • 铝基材料：研究最多、发展最快、技术较成熟、应用较广
(3) 陶瓷材料
• 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷 • 如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化钛等
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增强材料
• 在复合材料中，凡能提高基体力学性能的材料均可称 为增强材料，它是提高结构复合材料的关键组分
例6：商用波音757
视频
6
讲授内容
第一节 复合材料概述
一、复合材料的涵义 二、复合材料的分类 三、复合材料的命名 四、复合材料的性能特点
第二节 复合材料的复合理论
一、增强机制 二、增韧机制
第三节 常用复合材料
一、纤维增强型复合材料 二、颗粒增强型复合材料 三、叠层复合材料
第四节 功能复合材料
第五节 复合材料应用概况
原因
•碳纤维自身的疲劳抗力高 •环氧树脂基体的塑性好 •增强相与基体间的界面有效地减缓了疲劳裂 纹扩展
20
3．良好的减振性能
复合材料的比模量高， 可以较大程度地避免构 件在工作状态下产生共 振
纤维与基体界面有吸收 振动能量的作用，阻尼 特性好，使振动很快地 衰减下来
在精密控制和精密检测仪器方面得到广泛应用
增强材料、增强剂或分散相，以纤 维、颗粒或板片的形式分布于基体 相中承受应力，显示功能
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混凝土
基体相：水泥 增强相：沙子、卵石
பைடு நூலகம்玻璃钢
环氧树脂： 粘结 作用--基体相或 基体材料 玻璃纤维： 承受 载荷--增强相或 增强材料
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复合材料的优点
1）不仅保留了原组成材料的特色，而且通过各组分性能的 互相补充和关联可以获得原组分所没有的新的优越性能
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4．良好的高温性能
复合材料中增强材料的熔点都较高，其中增强纤维 的熔点一般都在2000℃以上，而且在高温条件下仍然 保持较高的强度，故用它们增强的复合材料具有较高 的高温强度和弹性模量。
高性能树脂基复合材料：200－300℃ 金属基复合材料：300－500℃ 陶瓷基复合材料：1000℃以上。
铝 合 金 在 4 0 0 ℃ 时 强 度 由 500MN/m2 降 到 3 0 － 5 MN/m2，弹性模量几乎为零，当用碳纤维或硼纤维增 强后，在此温度强度和弹性模量基本上与室温相同。
第六节 复合材料的发展趋势
7
第一节 复合材料概述
木质素＋纤维素
95%片状文石＋5%蛋白质一多糖
泥土＋树枝
胶原蛋白＋磷灰石
8
一、复合材料的涵义.flv
由两种或更多种物理和化学性质不同的物 质，经人工组合而成的一种多相固体材料
9
复合材料的相组成
复 基体相 合 材 料 增强相
基体材料或连续相，把改善性能的 增强相材料固结成一体并传递应力
22
5．断裂安全性能好
纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤 维，与塑韧性基体结合成一个整体。 当复合材料构件由于过载或其他原因而部分 纤维断裂时，载荷会重新分配到未断裂的增 强纤维上，避免结构在很短的时间内突然破 坏，从而使构件丧失承载能力的过程延长。 （藕断丝连）
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复合材料应用
例1：飞船宇宙飞行时，外壁温度为零下110℃，返回地面时 外表温度可达4000℃，合金钢2000℃即熔化，目前没有任一 种单一材料可抵抗此温度
美国航天飞机“哥伦比亚号”外表覆盖了可重复使用的聚合
物基复合材料隔热瓦片30757块，成功解决了此难题
例2：宇宙飞行器上的雷达天线，称为“飞行器眼睛”。为降 低信号损失，对其尺寸稳定性有严格要求：变形小于万分之
3）可以获得单一材料无法具备的电、声、磁等特殊的功 能
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二、复合材料的分类
按基体材料的种类
树脂基 金属基 陶瓷基
纤维增强
按增强材料的形态 颗粒增强
叠层(层状)增强
按复合材料的使用性能
结构 功能
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基体材料
(1) 树脂材料
• 以合成树脂为主：较高的力学性能、介电性能、耐热性能、耐老化性 能、良好的工艺性能 • 酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂 • 最近发展的新型的 热固性树脂（如邻二甲酸二丙烯酯树脂、聚二苯 醚树脂、聚酰亚胺树脂）和 热塑性树脂（如聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳 酸酯、 ABS等）
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2．抗疲劳性能好
复合材料对缺口、应力集中敏感性小，特别是纤维增 强的树脂基复合材料，基体良好的强韧性降低了裂纹 扩展速度，大量的增强纤维对裂纹又有阻隔作用，阻 止疲劳裂纹扩展并改变裂纹扩展方向，因此具有较高 的疲劳极限。
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尤其是碳纤维增强树脂复合 材料的疲劳性能更好。 （碳纤维增强树脂复合材料 的疲劳极限是其抗拉强度的 70%-80%，而金属材料只 有40%-50%）
例：在一些塑料中加入玻璃纤维及无机填料提高强度、 刚性、耐热性，同时又发挥塑料的轻质、易成型等特 性；添加碳黑使塑料具有导电性，添加铁氧体粉末使塑 料具有磁性
2）可按照构件的结构和受力要求，给出预定的、分布合 理的配套性能，进行材料的最佳设计
例：定向纤维复合材料若使构件的纤维与所受外力一 致时，便可使构件在此方向上的强度大大提高
一，重量轻、强度高，工作环境却非常恶劣：发射加速度冲
击与振动，-200℃~70℃
高模量碳纤维/环氧树脂复合材料几乎为唯一满足要求的 材料
例3：美国MX导弹发动机由碳纤维/环氧缠绕壳体取代钛合
金， CFWRP的比重仅为合金钢的1/5，导弹射程由1千公里
增至4千公里
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例5:AV-88 Harrier—世界上第一 种实用型垂直/短距起落飞机
• 按形态可分为纤维状、颗粒状和层状增强材料
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三、复合材料的命名
1．以基体材料为主命名：如金属基复合材料 2．以增强材料为主命名：如碳纤维增强复合 材料
3．基体和增强材料并用：常指某一具体复合 材料，一般增强材料名称在前，基体材料名 称在后。如碳纤维增强铝合金复合材料 （C/Al复合材料）
4．商业名称命名：如玻璃钢
四、复合材料的性能特点
1．比强度和比模量高 2．抗疲劳性能好 3．良好的减振性能 4．良好的高温性能 5．断裂安全性能好
减摩性、耐蚀性较好，并且成型工艺简单，可用 模具依次成型制成各种构件，材料利用率高
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1．比强度和比模量高
比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标。 比强度越高，同一零件的自重越小； 比模量越高，零件的刚性越大。
(2) 金属材料
• 铝、铜、钛、镁及高温合金等 • 铝基材料：研究最多、发展最快、技术较成熟、应用较广
(3) 陶瓷材料
• 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷 • 如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化钛等
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增强材料
• 在复合材料中，凡能提高基体力学性能的材料均可称 为增强材料，它是提高结构复合材料的关键组分
例6：商用波音757
视频
6
讲授内容
第一节 复合材料概述
一、复合材料的涵义 二、复合材料的分类 三、复合材料的命名 四、复合材料的性能特点
第二节 复合材料的复合理论
一、增强机制 二、增韧机制
第三节 常用复合材料
一、纤维增强型复合材料 二、颗粒增强型复合材料 三、叠层复合材料
第四节 功能复合材料
第五节 复合材料应用概况
原因
•碳纤维自身的疲劳抗力高 •环氧树脂基体的塑性好 •增强相与基体间的界面有效地减缓了疲劳裂 纹扩展
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3．良好的减振性能
复合材料的比模量高， 可以较大程度地避免构 件在工作状态下产生共 振
纤维与基体界面有吸收 振动能量的作用，阻尼 特性好，使振动很快地 衰减下来
在精密控制和精密检测仪器方面得到广泛应用
增强材料、增强剂或分散相，以纤 维、颗粒或板片的形式分布于基体 相中承受应力，显示功能
10
混凝土
基体相：水泥 增强相：沙子、卵石
பைடு நூலகம்玻璃钢
环氧树脂： 粘结 作用--基体相或 基体材料 玻璃纤维： 承受 载荷--增强相或 增强材料
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复合材料的优点
1）不仅保留了原组成材料的特色，而且通过各组分性能的 互相补充和关联可以获得原组分所没有的新的优越性能
21
4．良好的高温性能
复合材料中增强材料的熔点都较高，其中增强纤维 的熔点一般都在2000℃以上，而且在高温条件下仍然 保持较高的强度，故用它们增强的复合材料具有较高 的高温强度和弹性模量。
高性能树脂基复合材料：200－300℃ 金属基复合材料：300－500℃ 陶瓷基复合材料：1000℃以上。
铝 合 金 在 4 0 0 ℃ 时 强 度 由 500MN/m2 降 到 3 0 － 5 MN/m2，弹性模量几乎为零，当用碳纤维或硼纤维增 强后，在此温度强度和弹性模量基本上与室温相同。
第六节 复合材料的发展趋势
7
第一节 复合材料概述
木质素＋纤维素
95%片状文石＋5%蛋白质一多糖
泥土＋树枝
胶原蛋白＋磷灰石
8
一、复合材料的涵义.flv
由两种或更多种物理和化学性质不同的物 质，经人工组合而成的一种多相固体材料
9
复合材料的相组成
复 基体相 合 材 料 增强相
基体材料或连续相，把改善性能的 增强相材料固结成一体并传递应力
22
5．断裂安全性能好
纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤 维，与塑韧性基体结合成一个整体。 当复合材料构件由于过载或其他原因而部分 纤维断裂时，载荷会重新分配到未断裂的增 强纤维上，避免结构在很短的时间内突然破 坏，从而使构件丧失承载能力的过程延长。 （藕断丝连）
23
复合材料应用
例1：飞船宇宙飞行时，外壁温度为零下110℃，返回地面时 外表温度可达4000℃，合金钢2000℃即熔化，目前没有任一 种单一材料可抵抗此温度
美国航天飞机“哥伦比亚号”外表覆盖了可重复使用的聚合
物基复合材料隔热瓦片30757块，成功解决了此难题
例2：宇宙飞行器上的雷达天线，称为“飞行器眼睛”。为降 低信号损失，对其尺寸稳定性有严格要求：变形小于万分之
3）可以获得单一材料无法具备的电、声、磁等特殊的功 能
12
二、复合材料的分类
按基体材料的种类
树脂基 金属基 陶瓷基
纤维增强
按增强材料的形态 颗粒增强
叠层(层状)增强
按复合材料的使用性能
结构 功能
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基体材料
(1) 树脂材料
• 以合成树脂为主：较高的力学性能、介电性能、耐热性能、耐老化性 能、良好的工艺性能 • 酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂 • 最近发展的新型的 热固性树脂（如邻二甲酸二丙烯酯树脂、聚二苯 醚树脂、聚酰亚胺树脂）和 热塑性树脂（如聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳 酸酯、 ABS等）
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2．抗疲劳性能好
复合材料对缺口、应力集中敏感性小，特别是纤维增 强的树脂基复合材料，基体良好的强韧性降低了裂纹 扩展速度，大量的增强纤维对裂纹又有阻隔作用，阻 止疲劳裂纹扩展并改变裂纹扩展方向，因此具有较高 的疲劳极限。
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尤其是碳纤维增强树脂复合 材料的疲劳性能更好。 （碳纤维增强树脂复合材料 的疲劳极限是其抗拉强度的 70%-80%，而金属材料只 有40%-50%）
例：在一些塑料中加入玻璃纤维及无机填料提高强度、 刚性、耐热性，同时又发挥塑料的轻质、易成型等特 性；添加碳黑使塑料具有导电性，添加铁氧体粉末使塑 料具有磁性
2）可按照构件的结构和受力要求，给出预定的、分布合 理的配套性能，进行材料的最佳设计
例：定向纤维复合材料若使构件的纤维与所受外力一 致时，便可使构件在此方向上的强度大大提高
一，重量轻、强度高，工作环境却非常恶劣：发射加速度冲
击与振动，-200℃~70℃
高模量碳纤维/环氧树脂复合材料几乎为唯一满足要求的 材料
例3：美国MX导弹发动机由碳纤维/环氧缠绕壳体取代钛合
金， CFWRP的比重仅为合金钢的1/5，导弹射程由1千公里
增至4千公里
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例5:AV-88 Harrier—世界上第一 种实用型垂直/短距起落飞机
• 按形态可分为纤维状、颗粒状和层状增强材料
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三、复合材料的命名
1．以基体材料为主命名：如金属基复合材料 2．以增强材料为主命名：如碳纤维增强复合 材料
3．基体和增强材料并用：常指某一具体复合 材料，一般增强材料名称在前，基体材料名 称在后。如碳纤维增强铝合金复合材料 （C/Al复合材料）
4．商业名称命名：如玻璃钢