第一章 复合材料基础知识

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复合材料基本知识
（2）纤维处于基体中，表面受到基体的保护不易损伤，也 不易在受载过程中产生裂纹，承载能力增大； （3）当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断 裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。 裂纹扩展方向
纤维断裂
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复合材料基本知识 高性能炭/炭航空制动材料的制备技术
v 该项目涉及飞机用高性能炭/炭刹车材料。 v 它具有密度低、性能好、寿命长等特点，代表了当今 航空制动材料的发展方向。以前，炭/炭复合材料航空 刹车副只有美、英、法三国能生产，垄断了国际市 场，并实行严密的技术封锁。我国每年需进口数亿元 炭/炭刹车副。 v 该项目首次提出并采用了全炭纤维准三维针刺整体毡 预制体，创新设计、采用了热解炭和浸渍炭复合增密 技术，大大提高了产品性能。发明了系列的高温热处 理工艺技术。发明了自愈合抗氧化特种复合涂层技术。
复合材料基本知识
绪论（复合材料基础知识） n 聚合物合金 n 填充改性复合材料 n 纤维增强复合材料 n 复合材料的界面 n 聚合物基纳米复合材料 n 聚合物基复合材料的基本性能及结构设计
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复合材料基本知识
材料是人类社会发展的基石
人类社会发展历程
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★西北工业大学张立同院士等，以“耐高温长 寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术研究” 荣获国家技术发明一等奖。 ★中南工业大学黄伯云院士等，以“高性能炭/ 炭航空制动材料的制备技术”荣获国家技术 发明一等奖。
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复合材料基本知识 耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合 材料应用技术
胡锦涛总书记接见张立同院士
复合材料基本知识
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复合材料：由两种或两种以上不同性质的 或不同结构的材 料，以微观或宏观的形式结合在一起而形成的材料
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通常复合材料中至少有两相，其中一相在复合材料中是连续 的，称为基体，另一相被基体所包容，称为增强相（或增强材 料）。 基体相是一种连续相，它把改善性能 的增强相材料固结成一体，并起传递 应力的作用。 增强相起承受应力（结构复合材料） 和显示功能(功能复合材料)的作用。
复合材料基本知识 （四）纤维增强原则
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增 强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、 纤维的体积分数、尺寸和分布。 1.增强机制
（1）纤维具有高强度，而材料的纤维状较之块状强度高，是由于 它的原子排列即晶体排列的完善程度较高，或者是在生产纤维 过程中产生的微裂纹较块状材料少和裂纹方向大致沿着纤维轴 向的缘故 。
复合材料基本知识
1.比强度和比模量高 聚合物基复合材料的突出优点是比强度及比模量高。比强度 是材料的强度与密度之比值，比模量是材料的模量与密度之 比值，其量纲均为长度。复合材料的高比强度和高比模量来 源于增强纤维的高性能和低密度。玻璃纤维由于模量相对较 低、密度较高，其玻璃纤维树脂基复合材料的比模量略低于 金属材料。
（4）当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂 后 被 从 基体中 拔 出 ， 需 克服 基体 对纤维 的 粘 接 力， 使 材 料的断裂强度提高。
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（ 5） 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切 相关。 纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材 料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。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，可获得各方向力学性能均优的材 料。
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（一）概念
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，纤维类增强材 料为增强剂的复合材料。 纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。基 体材料由于其粘结性能好，把纤维牢固的粘结起来，同 时，基体又能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允 许纤维承受压缩和剪切载荷。纤维和基体之间的良好的复 合显示了各自的优点，并能实现最佳结构设计，具有很多 优良的特性。 是结构复合材料中发展最早、研究最多，应用最广、规模 最大的一类复合材料。
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C/SiC复合材料航天飞 机头锥
张立同课题组研制的新材料制品 C/SiC复合材料机翼前缘
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复合材料基本知识 高性能炭/炭航空制动材料的制备技术
黄伯云当选“感动中国·2005年度人物”
黄伯云所在的粉末冶金实验室
阅读资料2：《国家科技发明一等奖获得者黄伯云院士创新之路 》
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复合材料的分类
1 、 按 基体材料分类 ，可分为聚 合物基 、陶瓷基 和金属 基复 合材料。 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增 强复合材料和层状复合材料。
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金属基复合材料 热塑性树脂基复合材料 树脂基复合材料 热固性树脂基复合材料 高聚物复合材料 复合材料 非金属基复合材料 橡胶基复合材料 陶瓷基复合材料 碳及碳化物基复合材料 非碳基复合材料
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复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的 稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料 复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻 璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这 一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼 纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳 化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、 石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体 复合，构成各具特色的复合材料。
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复合材料作为一类重要的高技术新材料，是一门多学 科交叉的新型学科、是新材料开发应用的一个新型领域。 从学科发展和技术革新两方面均有其独特的重要性。
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复合材料基本知识 2005年国家科技部颁发了两项国家技术发明一等奖
v 国家技术发明一等奖，这个代表着我国原创性发明最高水准的奖 项，在连续6年的国家科技奖励中一直空缺。国人翘首以盼，科技界 望眼欲穿！2005年3月，6年的沉寂终于被打破！ v 这两项均是有关复合材料的项目。
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3.阻尼减震性好 复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振。同时，复 合材料基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料 的振动阻尼很高，一旦旅起来，在较短时间内也可停下来。 4.具有多种功能性
(1)瞬时耐高温性、耐烧蚀性好。玻璃钢的导热系数只有金属材料的1％，同 时可制成具有较高比热容、熔融热和气化热的材料，可用作导弹头锥的耐 烧烛防护材料。 (2)优异的电绝缘性能和高频介电性能。玻璃钢是性能优异的工频绝缘材料。 同时具有良好的高频介电性能，可用作雷达罩的高频透波材料。 (3)良好的摩擦性能。碳纤维的低摩擦系数和自润滑性，其复合材料具有良 好的摩阻特性和减摩特性。 (4)优良的耐腐蚀性。 (5)有特殊的光学、电学、磁学的特性。
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复合材料即保持了原材料的主要特点，又往往 具备原材料所没有的新的特性，通过形成复合材 料，可以对下列各种性能得以改善，如强度、刚度、 韧度、硬度、耐蚀、耐磨、质量、寿命、外观、耐 高低温、减振、导热或绝热等，由于复合后的性能 取决于原材料的种类、形态、比例、配置及复合工 艺条件等，通过人为因素可以控制这些因素，可望 获得不同性能的复合材料，因而复合材料是一类性 能可以设计的新型材料。
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5.良好的加工工艺性 (1)可以根据制品的使用条件、性能要求选择纤维、基体等原材 料，即材料具有可设计性。 (2)可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。 (3)可整体成型，减少装配果件的数量，节省工时，节省材料，减 轻 质量。 6.各向异性和性能的可设计性 纤维复合材料一个突出的特点是各向异性，与之相关的是性能 的可设计性。纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树 脂的种类和体积含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层次序 和层数密切相关。因此，可以根据工程结构的载荷分布及使用 条件的不问，选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。 利用这一特点，可以实现制件的优化设计，做到安全可靠，经 济合理。 22 材料工程学院高分子教研室
（三）聚合物基复合材料的特点
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2.耐疲劳性能好，破损安全性能高
金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。复 合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总 是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展或损伤逐步进行，时间 长，破坏前有明显的预兆。玻璃纤维复合材料的比例介中。 复合材料的破坏不像传统材料由于主裂纹的失稳扩展而突 然发生，而是经历基体开裂、界而脱粘、纤维拔出、断裂等一 系列损伤的发展过程。基体中有大量独立的纤维，当少数纤维 发生断裂时，其失支部分载荷又会通过基体的传递面迅速分散 到其他完好的纤维上去，复合材料在短期内不会冈此而丧失承 载能力。内部有缺陷、裂纹时，也不会突然发展而断裂。
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复合材料定义要点
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复合材料包含两种或两种以上物理上不同并可能 用机械方法分离的材料。一般其中一种为连续 相，另一种为功能增强相。
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几种材料通过某种方法混合在一起获得复合性能。 复合材料的总体性能优于各单独组分材料，并在 某些方面可能具有独特性能。
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张立同院士工作照
阅读资料1：《国家科技发明一等奖获得者张立同院士创新之路 》
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复合材料基本知识 耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合 材料应用技术
v 该项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料，在国际上被公 认为是反映一个国家先进航空航天器制造能力的战略性新型热结构 材料。 v 它比铝还轻、比钢还强、比碳化硅陶瓷更耐高温、抗氧化烧蚀，而 且克服了陶瓷的脆性，不会发生突发灾难性破坏，替代金属材料可 解决目前航空航天器燃料20%至30%浪费的问题，以满足其向高速 度、高精度、高搭载和长寿命发展的需求。 v 产品价格与传统金属相当，解决了用不起的问题 。 v 提出的“具有类似金属断裂行为的连续纤维增韧高温陶瓷基复合材 料”的思想具有很重要的学术意义 。 v 近二十种这种材料的构件应用于航空发动机、液体火箭发动机、冲 压发动机、固体火箭发动机和飞行器防热结构上。
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3 、 按 复合材料的性能分 类 ，可分为结构复合材料 和功能复 合材料。
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复合材料优点
结构与功能的可设计性 n 复合体系具有两种或两种以上的优越性 能，称为组合复合效应 n 施工方便 n 各向异性材料 n 比重小、热阻可调、无磁干扰 n 比强度高
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（二）发展简况 聚合物基复合材料发展史第一阶段：20世纪40年代初~20 世纪60年代。
聚合物基复合材料发展史第二阶段：20世纪60年代中期~20 世纪80年代初
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聚合物基复合材料发展史第二阶段：20世纪60年代中期 ~20世纪80年代初
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纤维增强复合条件
①纤维的强度和弹性模量应远高于基体； ②纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承 受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂； ③纤维的排列方向要与构件的受力方向一致； ④纤维与基体的热胀系数应匹配； ⑤纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应； ⑥纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足 一定要求。