第四章 先进复合材料概述
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展都离不开航空材料的相应发展。飞机对结构材料的
性能要求是多方面的,首先是“比强度”,即强度与密
度之比,同时综合考虑其他性能,例如“比刚度”、断 裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性等。对于功能材 料,主要是要求良好的功能特性,例如隐形性能。
“哥伦比亚”航天飞机起 飞时隔热片曾被撞击
“哥伦比亚” 穿越大气层解体时的图像
机身构架的要求
复合 材料 在 A380 上的 应用
冲力
纵向静应力/残 余强度裂纹扩展 上部机壳： 压缩机/温度 下部机壳： 张力/裂纹扩展 环向应力和 纵向应力
扭曲 冲力 弯曲
冲力
躲避扭转和横切 应力产生的压力
冲力 环向应 力影响
6
弯曲压力,稳定性 静态强度,耐腐蚀性 高局部载荷
飞机的重量构成
37
*
复合材料(composite materials):
由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通
过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持 了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所
没有的新性能。
复合材料的特征：
可设计性。即通过对原材料的选择、各组分分布设 计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补， 因而呈现了出色的综合性能； 由基体组元与增强体或功能组元所组成； 非均相材料。组分材料间有明显的界面； 有三种基本的物理相（基体相、增强相和界面相）； 组分材料性能差异很大 组成复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现 新性能；
*
*美国NanoHorizons公司，
SmartSilver
*抵抗微生物和细菌ຫໍສະໝຸດ Baidu蚀
*防菌绷带
*自动清洁和消毒的洗衣机、
电冰箱和空调
*
*能看电影的衣服 －OLED *定点杀死癌细胞的纳米药物 *轻巧结实的材料 *不会被刮花的汽车 －纳米瓷透明
涂料 （奔驰汽车）
材料的设计、制备与评价技术：
材料智能合成与制备技术 材料表面改性技术的低成本化途径与批量 生产技术 原位复合技术、仿生技术、原子尺度上的 设计与排布技术 材料微观结构的模型化技术、智能化控制 及动态实时监测分析技术 不同层次的材料设计、性能预测和评价表 征新技术。
① 聚合物基复合材料 : 以有机聚合物（热固性树 脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；
② 金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为 基体； ③ 无机非金属基复合材料：包括陶瓷基、碳基和 水泥基复合材料。
按增强材料形态分类：
①纤维增强复合材料：
a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维 的两个端点都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规 则地分散在基体材料中； ②颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分 散在基体中； ③板状增强体、编织复合材料：以平面二维或 立体三维物为增强材料与基体复合而成。 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然 增强体
*
*
木质素
纤维素
6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑 复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦 和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。
燕子窝：泥土-草复合材料
我们住在复合材料里
2）传统复合材料与人民生活密切相关
生活中提炼 解决初级水平的装备问题
34
3） 人类在材料制造方面的局限性也促使复合材料的不
终结者
金属玻璃(Metallic Glasses)
金属玻璃比钢强度高3倍，弹性大10倍。
研究前沿：信息功能陶瓷的新制备技术和多功能化及
系统集成技术，高性能陶瓷薄膜、异质薄膜的制备、 集成与微加工技术，结构陶瓷以及复合材料的补强、 韧化技术，先进陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制 备技术。
耐高温长寿命抗氧化陶瓷基 复合材料
*
命名：
复合材料可根据增强材料和基体材料的名称
来命名，通常将增强材料放在前面，基体材
料放在后面，再加上“复合材料”而构成。
• • • • • • 环氧玻璃钢（俗称） 玻璃纤维复合材料（强调增强材料） 环氧树脂复合材料（强调基体材料） 玻璃纤维/环氧树脂复合材料 玻璃/环氧复合材料 C/C复合材料
复合材料的分类： 按基体材料分类
结构材料减轻 效益 引擎减轻 机翼 起落架 燃料 引擎装备 约20% 收益负重 15~20% 结构部件 约30% 燃料 30~35%
一架总重170吨的飞机，若减重1%，
8 一年可节约300~600 万美元
*
*
新型金属材料：交通运输用轻质高强材料，能源动
力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控 制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术。
断发展 限定在很小的特定性能及机能上 人类已进入了能够制造超天然物质的复合材料阶段 综合性角度，要制造像天然物质那样精巧的复合材料 人类的能力多少显得有些不够
仿生复合材料发展的源泉
35
2、复合材料的特性决定了其巨大的发展潜力 1） 单一成分物质,有其来自自身性质的界限 高分子材料老化与耐温性
金属材料的比重与加工性
造船业
交通艇、摩托艇、赛艇、救生艇－－纤维增强复合材料
其他行业
风机叶片、各种管道、撑杆、高尔夫球棒、网球拍、 钓鱼杆、微波炉餐具等等－－碳纤维增强聚合物复 合材料
碳纤维环氧树脂 复合材料
*
降低纤维价格及开发新型纤维 扩大复合材料的应用范围 发展新的设计、制备方法和新的复合
技术 发展混杂纤维复合材料 发展功能、多功能、机敏、智能复合 材料 纳米和仿生复合材料
陶瓷材料的脆性 轻质高强（高性能）
多功能（特显功能）
36
新的成型方法和 技术不断开发
2）复合材料发展趋势
第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料 第二代：1960年到1980年，先进复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料“碳纤维增强及开芙拉纤维 增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力 件上。 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合 材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。 第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料， 如智能复合材料和梯度功能材料等。
神奇玻璃能自洁
TiO2, 光触媒，在受到 大于二氧化钛能隙宽度 的光线照射时（例如紫 外光），内部电子会被 激发，与空气的氧气和 水分子发生作用，产生 负氧离子和氢氧自由基。 透明度，价格 超薄二氧化钛镀膜(40 nm) 能够分解有机污垢
防皮肤癌的化妆品
奥兊斯尼卡公司几 个月前推出一款产 品，因为它含有钛 氧化物纳米粒子， 可以在长达8小时 的时间内有效地抵 挡UVA和UVB
*
飞机材料的发展变化
复合材料
*
国际形势－－实力政策 和平来自于有效的威慑 安全需要技术支撑
3
*
飞机性能一半取决于设计 , 另一半取决于材料。 材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、 服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑 的重大影响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐
形化、智能化、微型化、无人化、电子化等方面的发
美国武器制造方面对 稀土依赖程度非常高
美国宙斯盾系统雷达使 用由中国稀土所制磁铁
*国际稀土之争白热化 日欧美结盟施压中国; *稀土开发伴随环境污染 , 中国基于环保节约等考
虑实施稀土管制
*中国打响“稀土保卫战”
设立国家级“特区”, 我国首设稀土矿国家规划区矿区划定江西赣州; 业的出口配额甚至减少了三成;
*商务部降低 2011 年首批稀土配额 11.4%, 部分企
*国务院关税税则委员会关于 2011 年关税实施方
案的通知》（金属钕的出口关税税率由15%提高 至25%
纳米材料：主要是纳米材料制备与应用关键技术，
固态量子器件制备及纳米加工与组装技术。
Space elevator
Carbon Nanotubes
此项目研制的连续纤维增韧碳化硅 陶瓷基复合材料是国际上公认的反 映一个国家先进航空航天器制造能 力的新型热结构材料，这也使我国 成为继法国和美国之后第三个掌握 此技术的国家。
西北工业大学 张立同院士
稀土金属
稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈 （Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、 钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、 镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两 个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元 素，简称稀土。
复合材料结构示意图
a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切 纤维复合
按用途分类 ① 结构复合材料：用于制造受力构件； ② 功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、 光、电、磁、摩擦、屏蔽等）
*
航空航天工业
先进固体发动机－－UHTCF复合材料。 飞机减速板、刹车装置－－C/C复合材料， 耐高温，耐腐蚀、耐摩擦。 固体火箭的外壳及喷嘴－－CF/酚醛树脂复 合材料。 内燃机活塞、连杆、发动机气缸－－ Al2O3/Al，高温强度、疲劳强度，热稳定性。
交通运输业
汽车车身、底盘、结构 梁、驱动轴、方向盘、 操纵杆、发动机罩、散 热器罩等等－－聚合物 基复合材料 集装箱、火车车厢、冷 藏车－－金属基复合材 料 天然气瓶－－玻璃钢
超塑铝合金制造 的汽车模型
建筑工业
轻型结构房、卫生洁具、冷却塔、储水箱－ －玻璃钢 外墙、结构梁－－水泥基复合材料
*
1、复合材料是一个需要长期科学研究的重要领域 1）天然复合材料伴随着自然界的生存与发展 天然材料几乎都是复合材料 树----纤维素纤维+木质素及半纤维素
复合采用了自然规律
骨----胶原纤维的有机物+磷酸钙的无机物
特点: 按照需要自然地生长 受了伤自己能够恢复—再生能力
非常强韧的结构
27
生命体是多层次意义上的复合体系：
稀土提纯样品
“中东有石油，中国有稀土”。稀土曾是让国 人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由 于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开 采出来的稀土资源降到“白菜价”。
AIM-9“响尾蛇”系列导弹的红外引导头关键 部分使用锑化铟材料制造 稀土是制造“灵巧炸弹”精密制导武器、雷达夜 视镜等武器装备不可缺少的元素
生命体基本单位----细胞，是细胞膜、细胞基质、细胞 核的复合体，各自担任营养、信息表达和力学支撑的 作用。 即使细胞膜也是有磷脂双分子层，蛋白质组成的复合 功能体系。
*
海胆有五片刀片般 的牙齿，合在一起 像一组大钢牙，正 好长在腹部中央。 它的食物是海藻， 大钢牙像除草机般， 将海底藻类刮得干 干净净
性能要求是多方面的,首先是“比强度”,即强度与密
度之比,同时综合考虑其他性能,例如“比刚度”、断 裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性等。对于功能材 料,主要是要求良好的功能特性,例如隐形性能。
“哥伦比亚”航天飞机起 飞时隔热片曾被撞击
“哥伦比亚” 穿越大气层解体时的图像
机身构架的要求
复合 材料 在 A380 上的 应用
冲力
纵向静应力/残 余强度裂纹扩展 上部机壳： 压缩机/温度 下部机壳： 张力/裂纹扩展 环向应力和 纵向应力
扭曲 冲力 弯曲
冲力
躲避扭转和横切 应力产生的压力
冲力 环向应 力影响
6
弯曲压力,稳定性 静态强度,耐腐蚀性 高局部载荷
飞机的重量构成
37
*
复合材料(composite materials):
由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通
过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持 了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所
没有的新性能。
复合材料的特征：
可设计性。即通过对原材料的选择、各组分分布设 计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补， 因而呈现了出色的综合性能； 由基体组元与增强体或功能组元所组成； 非均相材料。组分材料间有明显的界面； 有三种基本的物理相（基体相、增强相和界面相）； 组分材料性能差异很大 组成复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现 新性能；
*
*美国NanoHorizons公司，
SmartSilver
*抵抗微生物和细菌ຫໍສະໝຸດ Baidu蚀
*防菌绷带
*自动清洁和消毒的洗衣机、
电冰箱和空调
*
*能看电影的衣服 －OLED *定点杀死癌细胞的纳米药物 *轻巧结实的材料 *不会被刮花的汽车 －纳米瓷透明
涂料 （奔驰汽车）
材料的设计、制备与评价技术：
材料智能合成与制备技术 材料表面改性技术的低成本化途径与批量 生产技术 原位复合技术、仿生技术、原子尺度上的 设计与排布技术 材料微观结构的模型化技术、智能化控制 及动态实时监测分析技术 不同层次的材料设计、性能预测和评价表 征新技术。
① 聚合物基复合材料 : 以有机聚合物（热固性树 脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；
② 金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为 基体； ③ 无机非金属基复合材料：包括陶瓷基、碳基和 水泥基复合材料。
按增强材料形态分类：
①纤维增强复合材料：
a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维 的两个端点都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规 则地分散在基体材料中； ②颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分 散在基体中； ③板状增强体、编织复合材料：以平面二维或 立体三维物为增强材料与基体复合而成。 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然 增强体
*
*
木质素
纤维素
6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑 复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦 和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。
燕子窝：泥土-草复合材料
我们住在复合材料里
2）传统复合材料与人民生活密切相关
生活中提炼 解决初级水平的装备问题
34
3） 人类在材料制造方面的局限性也促使复合材料的不
终结者
金属玻璃(Metallic Glasses)
金属玻璃比钢强度高3倍，弹性大10倍。
研究前沿：信息功能陶瓷的新制备技术和多功能化及
系统集成技术，高性能陶瓷薄膜、异质薄膜的制备、 集成与微加工技术，结构陶瓷以及复合材料的补强、 韧化技术，先进陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制 备技术。
耐高温长寿命抗氧化陶瓷基 复合材料
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命名：
复合材料可根据增强材料和基体材料的名称
来命名，通常将增强材料放在前面，基体材
料放在后面，再加上“复合材料”而构成。
• • • • • • 环氧玻璃钢（俗称） 玻璃纤维复合材料（强调增强材料） 环氧树脂复合材料（强调基体材料） 玻璃纤维/环氧树脂复合材料 玻璃/环氧复合材料 C/C复合材料
复合材料的分类： 按基体材料分类
结构材料减轻 效益 引擎减轻 机翼 起落架 燃料 引擎装备 约20% 收益负重 15~20% 结构部件 约30% 燃料 30~35%
一架总重170吨的飞机，若减重1%，
8 一年可节约300~600 万美元
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新型金属材料：交通运输用轻质高强材料，能源动
力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控 制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术。
断发展 限定在很小的特定性能及机能上 人类已进入了能够制造超天然物质的复合材料阶段 综合性角度，要制造像天然物质那样精巧的复合材料 人类的能力多少显得有些不够
仿生复合材料发展的源泉
35
2、复合材料的特性决定了其巨大的发展潜力 1） 单一成分物质,有其来自自身性质的界限 高分子材料老化与耐温性
金属材料的比重与加工性
造船业
交通艇、摩托艇、赛艇、救生艇－－纤维增强复合材料
其他行业
风机叶片、各种管道、撑杆、高尔夫球棒、网球拍、 钓鱼杆、微波炉餐具等等－－碳纤维增强聚合物复 合材料
碳纤维环氧树脂 复合材料
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降低纤维价格及开发新型纤维 扩大复合材料的应用范围 发展新的设计、制备方法和新的复合
技术 发展混杂纤维复合材料 发展功能、多功能、机敏、智能复合 材料 纳米和仿生复合材料
陶瓷材料的脆性 轻质高强（高性能）
多功能（特显功能）
36
新的成型方法和 技术不断开发
2）复合材料发展趋势
第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料 第二代：1960年到1980年，先进复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料“碳纤维增强及开芙拉纤维 增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力 件上。 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合 材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。 第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料， 如智能复合材料和梯度功能材料等。
神奇玻璃能自洁
TiO2, 光触媒，在受到 大于二氧化钛能隙宽度 的光线照射时（例如紫 外光），内部电子会被 激发，与空气的氧气和 水分子发生作用，产生 负氧离子和氢氧自由基。 透明度，价格 超薄二氧化钛镀膜(40 nm) 能够分解有机污垢
防皮肤癌的化妆品
奥兊斯尼卡公司几 个月前推出一款产 品，因为它含有钛 氧化物纳米粒子， 可以在长达8小时 的时间内有效地抵 挡UVA和UVB
*
飞机材料的发展变化
复合材料
*
国际形势－－实力政策 和平来自于有效的威慑 安全需要技术支撑
3
*
飞机性能一半取决于设计 , 另一半取决于材料。 材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、 服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑 的重大影响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐
形化、智能化、微型化、无人化、电子化等方面的发
美国武器制造方面对 稀土依赖程度非常高
美国宙斯盾系统雷达使 用由中国稀土所制磁铁
*国际稀土之争白热化 日欧美结盟施压中国; *稀土开发伴随环境污染 , 中国基于环保节约等考
虑实施稀土管制
*中国打响“稀土保卫战”
设立国家级“特区”, 我国首设稀土矿国家规划区矿区划定江西赣州; 业的出口配额甚至减少了三成;
*商务部降低 2011 年首批稀土配额 11.4%, 部分企
*国务院关税税则委员会关于 2011 年关税实施方
案的通知》（金属钕的出口关税税率由15%提高 至25%
纳米材料：主要是纳米材料制备与应用关键技术，
固态量子器件制备及纳米加工与组装技术。
Space elevator
Carbon Nanotubes
此项目研制的连续纤维增韧碳化硅 陶瓷基复合材料是国际上公认的反 映一个国家先进航空航天器制造能 力的新型热结构材料，这也使我国 成为继法国和美国之后第三个掌握 此技术的国家。
西北工业大学 张立同院士
稀土金属
稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈 （Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、 钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、 镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两 个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元 素，简称稀土。
复合材料结构示意图
a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切 纤维复合
按用途分类 ① 结构复合材料：用于制造受力构件； ② 功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、 光、电、磁、摩擦、屏蔽等）
*
航空航天工业
先进固体发动机－－UHTCF复合材料。 飞机减速板、刹车装置－－C/C复合材料， 耐高温，耐腐蚀、耐摩擦。 固体火箭的外壳及喷嘴－－CF/酚醛树脂复 合材料。 内燃机活塞、连杆、发动机气缸－－ Al2O3/Al，高温强度、疲劳强度，热稳定性。
交通运输业
汽车车身、底盘、结构 梁、驱动轴、方向盘、 操纵杆、发动机罩、散 热器罩等等－－聚合物 基复合材料 集装箱、火车车厢、冷 藏车－－金属基复合材 料 天然气瓶－－玻璃钢
超塑铝合金制造 的汽车模型
建筑工业
轻型结构房、卫生洁具、冷却塔、储水箱－ －玻璃钢 外墙、结构梁－－水泥基复合材料
*
1、复合材料是一个需要长期科学研究的重要领域 1）天然复合材料伴随着自然界的生存与发展 天然材料几乎都是复合材料 树----纤维素纤维+木质素及半纤维素
复合采用了自然规律
骨----胶原纤维的有机物+磷酸钙的无机物
特点: 按照需要自然地生长 受了伤自己能够恢复—再生能力
非常强韧的结构
27
生命体是多层次意义上的复合体系：
稀土提纯样品
“中东有石油，中国有稀土”。稀土曾是让国 人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由 于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开 采出来的稀土资源降到“白菜价”。
AIM-9“响尾蛇”系列导弹的红外引导头关键 部分使用锑化铟材料制造 稀土是制造“灵巧炸弹”精密制导武器、雷达夜 视镜等武器装备不可缺少的元素
生命体基本单位----细胞，是细胞膜、细胞基质、细胞 核的复合体，各自担任营养、信息表达和力学支撑的 作用。 即使细胞膜也是有磷脂双分子层，蛋白质组成的复合 功能体系。
*
海胆有五片刀片般 的牙齿，合在一起 像一组大钢牙，正 好长在腹部中央。 它的食物是海藻， 大钢牙像除草机般， 将海底藻类刮得干 干净净