复合材料PPT课件(Composites Outline)
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热缩聚或氧化
各向同性沥青
熔融纺丝 各向同性沥青纤维
热缩聚或催化齐聚 各向异性沥青 熔融纺丝 中间相沥青纤维
氧化稳定化 不熔化纤维 炭化
通用级沥青炭纤维
中间相沥青炭纤维 （高性能沥青炭纤维）
石墨化
石墨纤维
2.2.3 芳纶纤维
（ Aromatic Polymide Fibre, Kevlar ）
高强度、高模量，比强度极高；
环氧树脂
定义：含有两个以上环氧基的高聚物 分类：双酚A型环氧树脂，非双酚A型环 氧树脂，脂肪族环氧树脂和酯环族环氧 等
酚醛树脂
含炭量高，可用于制造耐烧蚀材料
价格便宜，吸附性不好，收缩率高，成 型压力高，制品空隙含量高。
热塑性树脂
PE、PP、PVC、PS等
聚酰胺、聚碳酸酯及聚砜等
具有自润滑性； 热膨胀系数小，热导率高，导电性好…… 价格较高； 脆性大； 抗氧化能力差……
沥青炭纤维的特性
✤高强度 ✤高模量 ✤低密度 ✤耐高温 ✤耐腐蚀 ✤生理相容性
✤耐磨耗 ✤导电性 ✤导热性 ✤可加工性
✤催化特性
✤低热膨胀
沥青炭纤维的制备
重油或沥青
纯化除固体不溶物
净化料
SBS/硅藻土复合改性沥青热台偏光显微镜相形态图
思考题
复合材料性能的决定因素有哪些？
2 基体和增强材料
复合材料组成：
连续相
（基体）
界面相
传递作用 阻断作用 诱导效应 ……
分散相
（增强体) 增加强度 改善性能
粘接和固定增强相
分配增强体的载荷 保护增强体免受环 境影响
2.1 基体和增强纤维的分类
64.7 8.5
11.4 14.0 63.5 112.0
4.7 0.8
5.6 7.2 13.0 3.9
5.3 复合材料的性能
5.3 复合材料的性能
1.3 复合材料的分类
按增强材料的形态、配置：
颗粒状分散相
复合材料
复 合 材 料
弥散强化复合材料 颗粒增强复合材料 薄片增强复合材料
纤维状分散相 连续纤维复合材料 复合材料 不连续纤维复合材料 层板状复合材料 板状复合材料 夹心复合材料
按复合效果： 结构复合材料、功能复合材料
1.4 复合材料主要性能
功能用金属基复合材料基体
要求具有优良的综合物理性能，如高力 学性能、高导热、导电、低膨胀、高抗 电弧烧蚀、高摩擦系数、耐磨性等 目前应用主要在于微电子技术的电子封 装（如高碳化硅颗粒含量的铝、铜，高 模、超高模石墨纤维增强铝、铜等） 用于耐磨零部件，如碳化硅、氧化铝、 石墨颗粒等增强铝、镁、铜、锌及铅等
1 绪论
郝家坪出土文物 战国漆器
新型结构复合材料
Boeing 787 Dreamliner, first flight 2007, 200-300 seats
787 - 50 percent composites - 20 percent aluminum 777 - 12 percent composites - 50 percent aluminum How much lighter is 787 from A330-200 30,000 - 40,000 lbs. More fuel efficient 20 percent more fuel efficient than similarly sized airplanes Produces fewer emissions 20 percent fewer than similarly sized airplanes
•颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选 用不同的颗粒增强体。
•颗粒增强体成本低，易于批量生产
表5-1 几种增强材料的性能
Specific Density Tensile Modulus of Specific Material (g/cm3) Strength Elasticity Modulus Strength (ksi) (×106psi ) (×107 in. ) (×106 in. ) Polymers: Kevlar 1.44 650 18.0 34.7 12.5 0.97 480 25.0 13.7 71.0
蚀、光电等）
加工性能 但耐高温、耐老化、材料强度一致性差
1.4.2 金属基复合材料主要性能
高比模、高比强 导热导电 热膨胀系数低、尺寸稳定性好 良好高温性能 耐磨性能好 疲劳性能和断裂性能好 不吸潮、不老化、气密性好
1.4.3 陶瓷基复合材料主要性能
强度高、硬度大 耐高温 抗氧化 高温抗磨损、耐化学腐蚀 热膨胀系数小 抗弯强渡不高 断裂韧性低
韧性好；
低的导电性； 自熄性纤维； 化学稳定性好…… 具有吸湿性； 与基体结合较差……
2.2.3 芳纶纤维
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
基体材料
金属 铝与铝合金、铜与铜合金、 锰合金、钛合金、镍合金…… 陶瓷 玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷 聚合物 不饱和聚酯、环氧树脂、
酚醛树脂、聚酰亚胺树脂……
、非氧化物陶瓷
增强材料
纤维
晶须
颗粒
2.1.1金属：结构用金属基复合材 料基体
要求：高比强度、比模量 研究较成熟：铝、镁基复合材料 燃气轮机发动机要求：650-1200度下， 安全工作，良好的抗氧化、抗蠕变、耐 疲劳和高温力学性能 铝、镁-450，钛-650，镍、钴复合-1200
颗粒增强物
•颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐 高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒， •如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金 刚石等。 用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体 （Particle Reinforcement）。 •颗粒增强体也称为刚性颗粒增强体
1.2 传统材料及其局限性
对材料的要求：越来越高、越来越严、越来越多 传统材料：金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋 复合材料： 扬长避短 协同效应
克服单一材料的缺点，产生新性能。
1.3 复合材料的分类
分类 按基体材料性质：
复 金属基复合材料（MMC） 塑料基 合 聚合物基 材 (PMC) 橡胶基 料 非金属基复合材料 碳及碳化物基 陶瓷基 (CMC) 非碳基 玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材 按纤维材料种类： 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
基础 复合材料的主要优、缺点： 可设计性； 高比强度，比模量； 各向异性； 抗疲劳性能好； 高韧性和高减振性 …… 制备工艺复杂，性能离散性较大；
增强体、基体可供选择种类有限；
成本较高。
1.4.1聚合物基复合材料主要性能
比强度、比模量大 耐疲劳性能好 减震性好 过载时安全性能好 具有多种功能性（如耐烧蚀、磨擦、绝缘、腐
The structure of KevlarTM. The fibers are joined by secondary bonds between oxygen and hydrogen atoms on adjoining chains.
芳纶纤维用途
轮胎帘子线（43%） 复合材料（31%） 绳索、防弹衣（5%） 其它（8.5%）
•（Ragid Particle Reinforcement）或陶瓷颗粒增强体。
延性颗粒增强体（Ductile Particle Reinforcement）
主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其 韧性，如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金属颗粒的加 入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。
玻璃的主要成分是氧化矽，玻璃中氧化矽是 (SiO2)n的聚合体，没有熔点，但在2000度开 始软化，高于这温度开始分解。故玻璃的结 构包含(SiO4)基团，具有网状结构，结构如下
2.2.2 碳纤维（Carbon Fibre）
高强度碳纤维（HS）
高模量碳纤维（HM）
比强度和比模量高；
耐热性、耐寒性好，化学稳定性高；
思考题
界面相在复合材料中的作用有哪些？
2.2 增强纤维
玻璃纤维（Glass Fibre）
价格低廉，品种多；
E- 无碱玻璃纤维 S- 高强度玻璃纤维
冲击性能较好； 低的导电性； 化学稳定性较好…… 弹性模量低； 易受机械损伤； 不耐磨……
2.2.1 玻璃纤维结构
Metal hydrides Complex hydrides Carbon nanotubes Other new materials
1.1 什么是复合材料
定义：用经过选择的、含一定数量比的两种或两
种以上的组分（或组元），通过人工复合而成的，
具有特殊性能的多相固体材料。
具有可设计性 ； 特 人工制造而非天然形成的； 点 性能取决于各组分性能及协同效应； 组元间有明显界面或呈梯度变化的多相材料。
Polyethylen e
Metals: Boron W Glass: E-glass S-glass Carbon: HS HM Ceramics:
2.36 19.40
2.55 2.50 1.75 1.90
500 580
500 650 820 270
55.0 59
10.5 12.6 40.0 77.0
1.5 复合材料的应用和发展
复合材料的应用领域：
航天航空、军工
；
汽车工业、化工、纺织、精密仪器、造船、 建筑、电子、桥梁、医疗、体育器材；
我国：被列为“国家高技术研究发展计划”纲要重要
内容。
发展高技术领域的关键新材料
复合材料的应用实例
分 散
20μ m
SEM照片 硅藻土
连 续 相
20μ m
博采众长
巧夺天工
1+1＞2
1 绪论
发展历程：古代 — 近代 — 先进复合材料 古代：草梗合泥筑墙、漆器（麻纤维+土漆） 近代：玻璃纤维增强塑料（1940年～1960年） 先进复合材料（1960年～） ： 碳纤维、Kevlar增强环氧树脂
碳纤维增强金属基复合材料
陶瓷基复合材料、功能复合材料、智能复合 材料
2.1.3 聚合物基体材料
种类：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂及
各种热塑性聚合物 组分：还有辅助材料，如固化剂、增韧剂、 稀释剂、催化剂等 作用：粘结纤维；分配纤维载荷；保护纤维不受环
境影响
不饱和聚酯
定义：线型结构，主链上同时具有重复 酯键及不饱和双键 按化学结构分类：顺酐型、丙烯酸型、 丙烯酸环氧型等 交联剂、引发剂、促进剂
2007 order: 528 flights, $1.26 billion
Air China at 15; Shanghai Airlines at 9; China Eastern Airlines
能源用材料
Hydrogen storage materials
Microporous materials
Байду номын сангаас
2.2.4 晶须及颗粒增强物
晶须（Whisker） 晶须：含缺陷很少的单晶纤维材料。
直径 0.1～10μm，长径比 5～1000 金属晶须（Ni、Fe、Cu、Ag、Ti、Cd……） 氧化物晶须（MgO、ZnO、Al2O3、TiO2、Cr2O3……） 陶瓷晶须（SiC、TiC、WC、TiB2、ZrB2……） 无机盐类晶须（K2Ti6O13、Al18B4O33）
金属基复合材料
2.1.2 陶瓷材料
传统陶瓷—陶器和瓷 现代陶瓷-碳化物、 器，包括玻璃、水泥、 硼化物、氮化物 搪瓷、砖瓦等 组成：含二氧化硅的 天然硅酸盐矿物质原 料， 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物
陶瓷基体
玻璃：无机材料高温烧结而成。熔体状态后 不经结晶而冷却而成，特征：具有非晶态结 构 玻璃陶瓷：无机玻璃通过热处理，由非晶态转变为晶态， 即反玻璃化。反玻璃化过程中，会产生内应力。反玻璃化 过程可以控制，最后得到无残余应力的微晶 玻璃，即玻璃陶瓷 氧化物陶瓷：氧化铝、氧化镁、二氧化硅、 氧化锆等 非氧化物陶瓷：不含氧的氮化物、碳化物、硼化物 和硅化物。如氮化硼，耐热温度高达2000度
各向同性沥青
熔融纺丝 各向同性沥青纤维
热缩聚或催化齐聚 各向异性沥青 熔融纺丝 中间相沥青纤维
氧化稳定化 不熔化纤维 炭化
通用级沥青炭纤维
中间相沥青炭纤维 （高性能沥青炭纤维）
石墨化
石墨纤维
2.2.3 芳纶纤维
（ Aromatic Polymide Fibre, Kevlar ）
高强度、高模量，比强度极高；
环氧树脂
定义：含有两个以上环氧基的高聚物 分类：双酚A型环氧树脂，非双酚A型环 氧树脂，脂肪族环氧树脂和酯环族环氧 等
酚醛树脂
含炭量高，可用于制造耐烧蚀材料
价格便宜，吸附性不好，收缩率高，成 型压力高，制品空隙含量高。
热塑性树脂
PE、PP、PVC、PS等
聚酰胺、聚碳酸酯及聚砜等
具有自润滑性； 热膨胀系数小，热导率高，导电性好…… 价格较高； 脆性大； 抗氧化能力差……
沥青炭纤维的特性
✤高强度 ✤高模量 ✤低密度 ✤耐高温 ✤耐腐蚀 ✤生理相容性
✤耐磨耗 ✤导电性 ✤导热性 ✤可加工性
✤催化特性
✤低热膨胀
沥青炭纤维的制备
重油或沥青
纯化除固体不溶物
净化料
SBS/硅藻土复合改性沥青热台偏光显微镜相形态图
思考题
复合材料性能的决定因素有哪些？
2 基体和增强材料
复合材料组成：
连续相
（基体）
界面相
传递作用 阻断作用 诱导效应 ……
分散相
（增强体) 增加强度 改善性能
粘接和固定增强相
分配增强体的载荷 保护增强体免受环 境影响
2.1 基体和增强纤维的分类
64.7 8.5
11.4 14.0 63.5 112.0
4.7 0.8
5.6 7.2 13.0 3.9
5.3 复合材料的性能
5.3 复合材料的性能
1.3 复合材料的分类
按增强材料的形态、配置：
颗粒状分散相
复合材料
复 合 材 料
弥散强化复合材料 颗粒增强复合材料 薄片增强复合材料
纤维状分散相 连续纤维复合材料 复合材料 不连续纤维复合材料 层板状复合材料 板状复合材料 夹心复合材料
按复合效果： 结构复合材料、功能复合材料
1.4 复合材料主要性能
功能用金属基复合材料基体
要求具有优良的综合物理性能，如高力 学性能、高导热、导电、低膨胀、高抗 电弧烧蚀、高摩擦系数、耐磨性等 目前应用主要在于微电子技术的电子封 装（如高碳化硅颗粒含量的铝、铜，高 模、超高模石墨纤维增强铝、铜等） 用于耐磨零部件，如碳化硅、氧化铝、 石墨颗粒等增强铝、镁、铜、锌及铅等
1 绪论
郝家坪出土文物 战国漆器
新型结构复合材料
Boeing 787 Dreamliner, first flight 2007, 200-300 seats
787 - 50 percent composites - 20 percent aluminum 777 - 12 percent composites - 50 percent aluminum How much lighter is 787 from A330-200 30,000 - 40,000 lbs. More fuel efficient 20 percent more fuel efficient than similarly sized airplanes Produces fewer emissions 20 percent fewer than similarly sized airplanes
•颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选 用不同的颗粒增强体。
•颗粒增强体成本低，易于批量生产
表5-1 几种增强材料的性能
Specific Density Tensile Modulus of Specific Material (g/cm3) Strength Elasticity Modulus Strength (ksi) (×106psi ) (×107 in. ) (×106 in. ) Polymers: Kevlar 1.44 650 18.0 34.7 12.5 0.97 480 25.0 13.7 71.0
蚀、光电等）
加工性能 但耐高温、耐老化、材料强度一致性差
1.4.2 金属基复合材料主要性能
高比模、高比强 导热导电 热膨胀系数低、尺寸稳定性好 良好高温性能 耐磨性能好 疲劳性能和断裂性能好 不吸潮、不老化、气密性好
1.4.3 陶瓷基复合材料主要性能
强度高、硬度大 耐高温 抗氧化 高温抗磨损、耐化学腐蚀 热膨胀系数小 抗弯强渡不高 断裂韧性低
韧性好；
低的导电性； 自熄性纤维； 化学稳定性好…… 具有吸湿性； 与基体结合较差……
2.2.3 芳纶纤维
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
基体材料
金属 铝与铝合金、铜与铜合金、 锰合金、钛合金、镍合金…… 陶瓷 玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷 聚合物 不饱和聚酯、环氧树脂、
酚醛树脂、聚酰亚胺树脂……
、非氧化物陶瓷
增强材料
纤维
晶须
颗粒
2.1.1金属：结构用金属基复合材 料基体
要求：高比强度、比模量 研究较成熟：铝、镁基复合材料 燃气轮机发动机要求：650-1200度下， 安全工作，良好的抗氧化、抗蠕变、耐 疲劳和高温力学性能 铝、镁-450，钛-650，镍、钴复合-1200
颗粒增强物
•颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐 高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒， •如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金 刚石等。 用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体 （Particle Reinforcement）。 •颗粒增强体也称为刚性颗粒增强体
1.2 传统材料及其局限性
对材料的要求：越来越高、越来越严、越来越多 传统材料：金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋 复合材料： 扬长避短 协同效应
克服单一材料的缺点，产生新性能。
1.3 复合材料的分类
分类 按基体材料性质：
复 金属基复合材料（MMC） 塑料基 合 聚合物基 材 (PMC) 橡胶基 料 非金属基复合材料 碳及碳化物基 陶瓷基 (CMC) 非碳基 玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材 按纤维材料种类： 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
基础 复合材料的主要优、缺点： 可设计性； 高比强度，比模量； 各向异性； 抗疲劳性能好； 高韧性和高减振性 …… 制备工艺复杂，性能离散性较大；
增强体、基体可供选择种类有限；
成本较高。
1.4.1聚合物基复合材料主要性能
比强度、比模量大 耐疲劳性能好 减震性好 过载时安全性能好 具有多种功能性（如耐烧蚀、磨擦、绝缘、腐
The structure of KevlarTM. The fibers are joined by secondary bonds between oxygen and hydrogen atoms on adjoining chains.
芳纶纤维用途
轮胎帘子线（43%） 复合材料（31%） 绳索、防弹衣（5%） 其它（8.5%）
•（Ragid Particle Reinforcement）或陶瓷颗粒增强体。
延性颗粒增强体（Ductile Particle Reinforcement）
主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其 韧性，如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金属颗粒的加 入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。
玻璃的主要成分是氧化矽，玻璃中氧化矽是 (SiO2)n的聚合体，没有熔点，但在2000度开 始软化，高于这温度开始分解。故玻璃的结 构包含(SiO4)基团，具有网状结构，结构如下
2.2.2 碳纤维（Carbon Fibre）
高强度碳纤维（HS）
高模量碳纤维（HM）
比强度和比模量高；
耐热性、耐寒性好，化学稳定性高；
思考题
界面相在复合材料中的作用有哪些？
2.2 增强纤维
玻璃纤维（Glass Fibre）
价格低廉，品种多；
E- 无碱玻璃纤维 S- 高强度玻璃纤维
冲击性能较好； 低的导电性； 化学稳定性较好…… 弹性模量低； 易受机械损伤； 不耐磨……
2.2.1 玻璃纤维结构
Metal hydrides Complex hydrides Carbon nanotubes Other new materials
1.1 什么是复合材料
定义：用经过选择的、含一定数量比的两种或两
种以上的组分（或组元），通过人工复合而成的，
具有特殊性能的多相固体材料。
具有可设计性 ； 特 人工制造而非天然形成的； 点 性能取决于各组分性能及协同效应； 组元间有明显界面或呈梯度变化的多相材料。
Polyethylen e
Metals: Boron W Glass: E-glass S-glass Carbon: HS HM Ceramics:
2.36 19.40
2.55 2.50 1.75 1.90
500 580
500 650 820 270
55.0 59
10.5 12.6 40.0 77.0
1.5 复合材料的应用和发展
复合材料的应用领域：
航天航空、军工
；
汽车工业、化工、纺织、精密仪器、造船、 建筑、电子、桥梁、医疗、体育器材；
我国：被列为“国家高技术研究发展计划”纲要重要
内容。
发展高技术领域的关键新材料
复合材料的应用实例
分 散
20μ m
SEM照片 硅藻土
连 续 相
20μ m
博采众长
巧夺天工
1+1＞2
1 绪论
发展历程：古代 — 近代 — 先进复合材料 古代：草梗合泥筑墙、漆器（麻纤维+土漆） 近代：玻璃纤维增强塑料（1940年～1960年） 先进复合材料（1960年～） ： 碳纤维、Kevlar增强环氧树脂
碳纤维增强金属基复合材料
陶瓷基复合材料、功能复合材料、智能复合 材料
2.1.3 聚合物基体材料
种类：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂及
各种热塑性聚合物 组分：还有辅助材料，如固化剂、增韧剂、 稀释剂、催化剂等 作用：粘结纤维；分配纤维载荷；保护纤维不受环
境影响
不饱和聚酯
定义：线型结构，主链上同时具有重复 酯键及不饱和双键 按化学结构分类：顺酐型、丙烯酸型、 丙烯酸环氧型等 交联剂、引发剂、促进剂
2007 order: 528 flights, $1.26 billion
Air China at 15; Shanghai Airlines at 9; China Eastern Airlines
能源用材料
Hydrogen storage materials
Microporous materials
Байду номын сангаас
2.2.4 晶须及颗粒增强物
晶须（Whisker） 晶须：含缺陷很少的单晶纤维材料。
直径 0.1～10μm，长径比 5～1000 金属晶须（Ni、Fe、Cu、Ag、Ti、Cd……） 氧化物晶须（MgO、ZnO、Al2O3、TiO2、Cr2O3……） 陶瓷晶须（SiC、TiC、WC、TiB2、ZrB2……） 无机盐类晶须（K2Ti6O13、Al18B4O33）
金属基复合材料
2.1.2 陶瓷材料
传统陶瓷—陶器和瓷 现代陶瓷-碳化物、 器，包括玻璃、水泥、 硼化物、氮化物 搪瓷、砖瓦等 组成：含二氧化硅的 天然硅酸盐矿物质原 料， 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物
陶瓷基体
玻璃：无机材料高温烧结而成。熔体状态后 不经结晶而冷却而成，特征：具有非晶态结 构 玻璃陶瓷：无机玻璃通过热处理，由非晶态转变为晶态， 即反玻璃化。反玻璃化过程中，会产生内应力。反玻璃化 过程可以控制，最后得到无残余应力的微晶 玻璃，即玻璃陶瓷 氧化物陶瓷：氧化铝、氧化镁、二氧化硅、 氧化锆等 非氧化物陶瓷：不含氧的氮化物、碳化物、硼化物 和硅化物。如氮化硼，耐热温度高达2000度