复合材料知识

复合--材--料-知-识

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复合材料

、学习本课程的目的和意义

通过本课程的教学，使学生获得复合材料开发和应用的基本知识

,拓宽学生的知识面。

二、本课程的性质、任务和教学内容

1、本课程的性质：专业选修课。

2、本课程的任务

使学生了解复合材料的原材料、种类、性能特点、应用领域，基本掌握其基本原理、生产工艺。

3、教学内容

《复合材料》1 ~5章，补充一点水泥其复合材料

三、课程的有关情况

1、学时:32学时(第1~17周，12周金工实习)

2、教学参考书(TB类):

(1)冯小明，张崇才.复合材料.重庆:重庆大学出版社，2 007

(2)王荣国，武卫莉，谷万里.复合材料概论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001

(3)陈华辉，邓海金，李明，林小松编著.现代复合材料.北京：中国物资出版社，1 9 9 8

(4)吴人杰.复合材料.天津：天津大学出版社，2000

(5)王汝敏，郑水蓉，郑亚萍.聚合物基复合材料及工艺.北京:科学出版社，2 004 1复合材料基础

1.1 复合材料发展概况

1.1 . 1复合材料发展历史

第一代，1940~1960,玻璃纤维增强塑料

第二代，196 0〜1 980,发明了碳纤维和芳纶，发展高性能树脂基(环氧树脂和聚酰亚胺树

脂)复合材料。

第三代，1980〜1990，纤维增强金属基复合材料

第四代,1990年以后，多功能复合材料如智能材料、 1.1.2复合材料的性能特点

聚合物基复合材料:

(1)比强度、比模量大。比强度相当于钛合金的3 (2)耐疲劳性好。疲劳极限强度是抗张强度的7

(3 )减震性好。比模量高，具有高的自振频率 复合材料2 .5s 。 (4)过载时安全性好。

(5 )具有多种功能。耐烧蚀性，减摩性能 ，电绝缘性能，耐腐蚀性，特殊的光学、电学、磁

学性质。

(6 )良好的加工性能。

缺点：耐高温、耐老化、强度一致性较差。 金属基复合材料比强度、比模量大 ，热膨胀系数小，尺寸稳定性好 ，良好的抗疲劳性和断裂

韧性等。

陶瓷基复合材料提高抗弯强度、断裂韧性。

1.1 .3 主要用途

1. 航空航天：飞机的垂直尾翼、水平安定面、方向舵、副翼、机身、机翼蒙皮等

机壳体等。

2 •交通运输：鱼雷快艇、扫雷艇、救生艇、游船等，汽车的车身、仪表盘、车门、座椅 等,火车

的车箱、车门窗、座椅等。

3 •房屋建筑：卫生洁具、冷却塔、波形瓦、通风管道等。 4. 电子工业：绝缘线路板、绝缘器材等。

5 .机械工业：各种机械部件等。风力发动机叶片。

6 •化工设备：管道、泵、风机、容器、反应釜等。

7.体育器材：撑杆、弓箭、赛车、赛艇、滑板、球拍、钓鱼杆等。

飞机

在波音777飞机上复合材料只占重量的 9%,而在波音787上复合材料占到重量的5 0%，所

采用的碳纤维增强塑料达到 35吨。在波音7 87上大面积使用碳/环氧树脂复合材料，减轻了

飞机重量并使创新理念得以实现。 机身、机翼等主承力构件都采用复合材料。

与其他同类飞

机相比：

(1)更轻。飞机重量大大减轻，运行成本也大幅下降；

，陶瓷基复合材料。

梯度功能材料、新型复合材料等。

4倍。

〜

5倍，比模量相当于金属的 0~80%，金属仅为 20~50%。

，很高的吸振能力。轻合金梁9 s 停止振动, ，火箭发动

1.2.1 定义

复合材料：是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料。

三个特点:1.组分之间存在明显的界面。

2 .各组元保持各自固有的特性 ，并产生原组分所不具备的特性。 3. 具有可设计性。

12 2命名

(1 )强调基体，以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料。 (2)强调增强材料，以增强材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合

(2)更节能。节省20%的燃料，同时释放更少的温室气体；

(3)噪音更低。起飞和降落时的噪音要比其他飞机低

6 0%;

(4)更耐用。使用期更长，检修率要低 30%。

A380约25%由复合材料制造，其中2 2%由各种不同的增强型塑料复合材料制成, 是碳纤维增强环氧树脂(CFR P )。

大部分

波音787飞机

空客380飞机及使用的新复合材料

风力发电

至20 10年底，中国全年风力发电新增装机达 160 0万千瓦,累计装机容量达到

4182.7万千 瓦，首次超过美国，跃居世界第一。按照规划，2 2 0年将达2亿千瓦，相当于11个三峡电站。 015年中国风电规模将达到

1亿千瓦,20

整个风电制造业可以分为

:叶片、齿轮箱、发电机、塔架、控制系统等主要零部件的生产

体系。风电机组成本结构中 罩9%,控制系统8%,其他 ，叶片20%,齿轮箱15%，电机1 2 %，轴承8%,塔架13%,机舱 1 5 %。 叶片长几十米，6M W 海上风力发电机组叶片长 66.5m 。

1.2

复合材料的定义、 命名和分类

材

料。

(3)基体材料名称与增强材料名称并用，增强材料在前、基体材料在后，中间用“分

开。

如玻璃纤维/环氧树脂复合材料、碳/碳复合材料、碳/铝复合材料等。

1 • 2.3 复合材料的分类

(1)按基体材料分：聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，石墨基复合材

料

(碳-碳复合)，混凝土基复合材料。

(2)按增强纤维种类分：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属

纤维复合材料、陶瓷纤维复合材

料。

(3)按增强材料形状分：连续纤维复合材料、短纤维复合材料、粒状填料复合材料、编织复

合材料

等。

(4)按用途分类：结构复合材料、功能复合材料,智能复合材料。

1.3复合材料的组成

1.3.1复合材料基体

1.3 .1.1 聚合物基体

1 •热固性树脂

由某些低分子的合成树脂，在加热、固化剂或紫外光等作用下，发生交联反应，并经过凝胶化阶段和固化阶段形成不溶、不熔的固体。受热后不再软化，高温分解破坏。一般是网状

体型结构。

(1)不饱和聚酯树脂(UP)

主链上同时具有重复酯键及不饱和双键(-C=C-)的聚合物。按化学结构分为顺酐型、丙稀

酸型、丙稀酸环氧酯型和丙烯酸型聚酯树脂等。由二元醇与不饱和二元酸或酸酐、饱和二元酸或酸酐经缩聚反应合成的低聚物，溶于苯乙烯等单体中得到低粘度树脂，在引发剂作用下，聚酯中的双键与固化剂苯乙烯共聚形成三维网络结构。

工艺性能好，力学性能较好，价格低，用量大，约占60%,可适合各种工艺。但体积收缩率较大，成型时气味和毒性大，耐热性、强度和模量较低，易变形。

⑵环氧树脂(EP)

分子中含有两个或两个以上活性环氧基团的低聚物统称为环氧树脂

按分子结构分为缩水甘油醚、缩水甘油酯、缩水甘油胺、线性脂肪族和环型脂肪族五

类。

适合作复合材料的是双酚A、多官能团、酚醛环氧树脂。

工艺性能好，力学性能优异，良好的电学性能，耐热性较好(1 20〜18 0C ),优良的化学稳

定性,突出的尺寸稳定性和耐久性，但较脆，需增韧，价格较贵。使用范围最广结构和耐腐蚀结构。，用于主承力

(3)酚醛树脂(PF)