1a-第一章-绪论.ppt

复合材料力学复合材料力学课程相关知识课程相关知识：矩阵理论与运算。材料力学，弹性力学。：矩阵理论与运算。材料力学，弹性力学。学习要求学习要求：课堂纪律：不迟到早退，做好复习和练习。：课堂纪律：不迟到早退，做好复习和练习。学习用书：学习用书：复合材料力学复合材料力学作者：沈观林，胡更开作者：沈观林，胡更开清华清华大学出版社）大学出版社）学习目标学习目标：认识复合材料基本知识，掌握复合材料力学的基：认识复合材料基本知识，掌握复合材料力学的基本理论及计算方法。具备复合材料设计的初步知识和能力。本理论及计算方法。具备复合材料设计的初步知识和能力。复合材料力学复合材料力学参考书：参考书：（1）李顺林）李顺林.复合材料力学引论复合材料力学引论.上海交通大学出版社上海交通大学出版社.1986.（2）周履，范赋群）周履，范赋群.复合材料力学复合材料力学.高等教育出版社高等教育出版社.1991.（3）吕恩琳，复合材料力学）吕恩琳，复合材料力学.重庆大学出版社重庆大学出版社.1992.（4）王士杰，复合材料力学导引）王士杰，复合材料力学导引.重庆大学出版社重庆大学出版社.1986.（5）矫桂琼，贾普荣）矫桂琼，贾普荣.复合材料力学复合材料力学.西北工业大学出版社西北工业大学出版社.2008.（6）刘新东，刘伟）刘新东，刘伟.复合材料力学基础复合材料力学基础.西北工业大学出版西北工业大学出版社社.2009.复合材料力学复合材料力学 复合材料复合材料（什么是复合材料）：（什么是复合材料）：由界面分明、物理化学性能不同由界面分明、物理化学性能不同的组分材料构成的多相材料称为复合材料。复合材料具有轻质、的组分材料构成的多相材料称为复合材料。复合材料具有轻质、高强度、高刚度及优越的抗疲劳和耐环境性能，在航空、航天、高强度、高刚度及优越的抗疲劳和耐环境性能，在航空、航天、造船、汽车、建筑结构等部门得到了越来越广泛的应用。近年来造船、汽车、建筑结构等部门得到了越来越广泛的应用。近年来大力发展的大力发展的先进复合材料的主要应用对象是航空航天器结构先进复合材料的主要应用对象是航空航天器结构。航。航空航天器结构对重量的要求可谓是空航天器结构对重量的要求可谓是“两两计较两两计较”，减轻结构重量，减轻结构重量对提高飞机、航天器和火箭的性能是至关重要（对提高飞机、航天器和火箭的性能是至关重要（大型商用运输机大型商用运输机结构的质量减少结构的质量减少1kg1kg，每年可以节约燃油，每年可以节约燃油2.9t2.9t）。先进复合材料）。先进复合材料正是正是具备了具备了低密度、高强度低密度、高强度的优势，被越来越大量地应用于飞机、的优势，被越来越大量地应用于飞机、运载火箭、航天器和卫星等结构上。运载火箭、航天器和卫星等结构上。课程概述课程概述复合材料力学复合材料力学 复合材料具有非均匀性和各向异性，其强度和刚度分析的复合材料具有非均匀性和各向异性，其强度和刚度分析的理论与方法不同于金属。随着对复合材料力学性质的深入研究，理论与方法不同于金属。随着对复合材料力学性质的深入研究，已经形成了复合材料力学学科。而复合材料力学课程已经成为已经形成了复合材料力学学科。而复合材料力学课程已经成为飞行器、发动机、舰船设计以及力学、材料专业本科生和研究飞行器、发动机、舰船设计以及力学、材料专业本科生和研究生的必修课或选修课。为了满足航空航天、造船等工程领域的生的必修课或选修课。为了满足航空航天、造船等工程领域的需求，我校工程力学系较早开设了复合材料力学课程。需求，我校工程力学系较早开设了复合材料力学课程。课程概述课程概述复合材料力学复合材料力学（为什么要学习复合材料力学这门课程）：（为什么要学习复合材料力学这门课程）：复合材料力学复合材料力学 连续纤维增强复合材料层合板和层合结构是目前航空航连续纤维增强复合材料层合板和层合结构是目前航空航天器结构中使用最多的复合材料，因此本课程以连续纤维增天器结构中使用最多的复合材料，因此本课程以连续纤维增强复合材料（层合板）的刚度和强度分析为主要内容。强复合材料（层合板）的刚度和强度分析为主要内容。课程概述课程概述 课程内容共分课程内容共分 9 章。第章。第 1 章是复合材料概论（复合材料发章是复合材料概论（复合材料发展与应用、分类和特征、制备方法与力学特性）。第展与应用、分类和特征、制备方法与力学特性）。第 2 章介绍章介绍了一般三维各向异性材料以及正交各向异性材料的应力一应了一般三维各向异性材料以及正交各向异性材料的应力一应 变关系变关系。第。第 3 章以复合材料单层材料主方向的应力一应变关章以复合材料单层材料主方向的应力一应变关系为基础，介绍了复合材料系为基础，介绍了复合材料单层非材料主方向单层非材料主方向的应力一应变关的应力一应变关系分析方法。第系分析方法。第 4 章基于经典层合板理论导出多向层合板的内章基于经典层合板理论导出多向层合板的内力应变关系，重点介绍了力应变关系，重点介绍了对称层合板的面内刚度和面外刚度对称层合板的面内刚度和面外刚度，以及一些特殊层合板的刚度分析方法。第以及一些特殊层合板的刚度分析方法。第 5章主要介绍章主要介绍单层的单层的基本强度、失效判据以及层合板的强度基本强度、失效判据以及层合板的强度计算方法。计算方法。湿热效应是树脂基复合材料层合板特有的性能。第湿热效应是树脂基复合材料层合板特有的性能。第 6章介章介绍了绍了温热条件下复合材料本构关系温热条件下复合材料本构关系的建立和残余应力、残余的建立和残余应力、残余应变的计算方法。连续纤维增强复合材料的力学性能与基体应变的计算方法。连续纤维增强复合材料的力学性能与基体和纤维的性能相关，为了认识这一关系，必须采用细观力学和纤维的性能相关，为了认识这一关系，必须采用细观力学的分析方法。第的分析方法。第 8 章介绍了复合材章介绍了复合材 料的料的工程弹性常数和强度工程弹性常数和强度的细观预测方法的细观预测方法。层间分层是复合材料层合板。层间分层是复合材料层合板 特有的损伤，特有的损伤，造成分层的原因主要是层间应力过高造成分层的原因主要是层间应力过高。第。第 9章介绍了复合材章介绍了复合材料层合板的料层合板的层间应力形成的原因和相应的计算方法层间应力形成的原因和相应的计算方法。复复合合材材料料在在材材料料的的组组成成和和结结构构、物物理理化化学学特特性性以以及及制制造造工工艺艺等等方方面面，与与金金属属、工工程程塑塑料料等等传传统统材材料料相相比比有有显显著著的的区区别别，其其力力学学性性能能也也自自然然独独具具特特色色。为为了了便便于于更更好好地地认认识识和和掌掌握握复复合合材材料料力力学学的的特特点点和和处处理理问问题题的的方方法法，作作为为本本课课程程的的引引言言，本本章章主主要要介介绍绍复复合合材材料料的的发发展展和和应应用用背背景景、复复合合材材料料的的分分类类和和特特性性、连连续续纤纤维维增增强强树树脂脂基基复复合合材材料料的的制制造造工艺和基本力学特性。工艺和基本力学特性。第第1 1章章 复合材料概论复合材料概论复合材料力学复合材料力学第第1 1章章 复合材料概论复合材料概论1.1 1.1 复合材料的发展与应用复合材料的发展与应用复合材料是由界面分明、物理化学性能不同的组分材复合材料是由界面分明、物理化学性能不同的组分材料构成的、性能优越的多相材料。料构成的、性能优越的多相材料。自然进化的结果使自然进化的结果使得自然界的大多数材料是复合材料得自然界的大多数材料是复合材料(天然复合材料天然复合材料)。第第1 1章章 复合材料概论复合材料概论1.1 1.1 复合材料的发展与应用复合材料的发展与应用人类很早就懂得使用材料的复合原理制成新的材料。中国古代人类很早就懂得使用材料的复合原理制成新的材料。中国古代人用黏土加稻草制作成泥砖和泥墙，古埃及人将木板作不同方人用黏土加稻草制作成泥砖和泥墙，古埃及人将木板作不同方向排列制成用于造船的多层板，可以说是最原始的复合材料。向排列制成用于造船的多层板，可以说是最原始的复合材料。第第1 1章章 复合材料概论复合材料概论1.1 1.1 复合材料的发展与应用复合材料的发展与应用到了近代，复合材料已经深入到人类生活的许多方面，例如胶合到了近代，复合材料已经深入到人类生活的许多方面，例如胶合板就是充分利用了木质纤维的方向性叠层，制成的一种复合材料，板就是充分利用了木质纤维的方向性叠层，制成的一种复合材料，不但具有高于木材的强度和刚度，而且具有受热和受湿后变形小不但具有高于木材的强度和刚度，而且具有受热和受湿后变形小的特点，成为早期飞机的蒙皮材料。又如建筑中广泛使用的钢筋的特点，成为早期飞机的蒙皮材料。又如建筑中广泛使用的钢筋混凝上，实际上也是一种复合材料，它具有水泥、砂石和钢筋所混凝上，实际上也是一种复合材料，它具有水泥、砂石和钢筋所没有的优越的综合性能。没有的优越的综合性能。但是，真正被称为复合材料的还是但是，真正被称为复合材料的还是2020世纪世纪4040年代年代出现的出现的玻璃玻璃纤维增强树脂纤维增强树脂，这种材料密度低，强度高，所以也被称为，这种材料密度低，强度高，所以也被称为“玻璃玻璃钢钢”。玻璃钢是玻璃钢是现代复合材料现代复合材料的代表的代表，在航空上最早被应用于飞，在航空上最早被应用于飞机雷达罩。现在已推广应用于军事、民用的各个领域。在军事上，机雷达罩。现在已推广应用于军事、民用的各个领域。在军事上，玻璃钢使用于直升机旋翼、扫雷艇舰体、火箭发射管、枪托等。玻璃钢使用于直升机旋翼、扫雷艇舰体、火箭发射管、枪托等。在民用方面被用于建筑材料、高压气瓶、管道、冷风机叶片、安在民用方面被用于建筑材料、高压气瓶、管道、冷风机叶片、安全帽以及撑杆跳用的撑杆等。全帽以及撑杆跳用的撑杆等。随着随着6060年代新一代年代新一代高强度高模量纤维高强度高模量纤维硼纤维、碳纤维与高强有机纤维硼纤维、碳纤维与高强有机纤维的问世的问世复合材料进入了一个新的时代复合材料进入了一个新的时代。由硼纤维、。由硼纤维、碳纤维和高强有机纤维作增强物的树脂基体碳纤维和高强有机纤维作增强物的树脂基体复合材料，以及后来出现的耐高温的金属基、复合材料，以及后来出现的耐高温的金属基、陶瓷基和碳陶瓷基和碳碳复合材料被统称为碳复合材料被统称为先进复合先进复合材料材料。虽然它只有。虽然它只有3030多年的历史，但却取得多年的历史，但却取得了惊人的发展。了惊人的发展。先进复合材料的主要应用对先进复合材料的主要应用对象是航空航天器结构象是航空航天器结构。航空航天器结构对重。航空航天器结构对重量的要求可谓是量的要求可谓是“两两计较两两计较”，减轻结构重，减轻结构重量对提高飞机和火箭的性能是至关重要的。量对提高飞机和火箭的性能是至关重要的。先进复合材料正是先进复合材料正是具备了具备了低密度、高强度低密度、高强度的的优势，被越来越大量地应用于飞机、运载火优势，被越来越大量地应用于飞机、运载火箭、航天器和卫星等结构上。箭、航天器和卫星等结构上。目前，在航空航天器结构上用量最大的先进复合材料是目前，在航空航天器结构上用量最大的先进复合材料是碳纤维碳纤维增强树脂复合材料增强树脂复合材料。该材料的密度约为。该材料的密度约为1.6g/cm31.6g/cm3。仅为铝合金。仅为铝合金的的6060。另外，这种材料具有整体成形的优点，可以大量节省。另外，这种材料具有整体成形的优点，可以大量节省连接结构件时使用的铆钉、螺栓等紧固件。用它代替铝合金，连接结构件时使用的铆钉、螺栓等紧固件。用它代替铝合金，一般可以使飞机结构的质量减少一般可以使飞机结构的质量减少2020-25-25。以美国以美国AVAV一一8B8B鹞式垂直起降战斗机为例鹞式垂直起降战斗机为例(见图见图1.1)1.1)，该机的尾翼、，该机的尾翼、机翼、前机身均使用复合材料，复合材料用量占飞机结构质量机翼、前机身均使用复合材料，复合材料用量占飞机结构质量的的26%26%，使整体质量减少，使整体质量减少9%9%，有效载荷和作战半径比改进前的，有效载荷和作战半径比改进前的AV-8AAV-8A型飞机增加了型飞机增加了1 1倍。倍。图图1.1 AV-8B1.1 AV-8B鹞式垂直起降战斗机鹞式垂直起降战斗机 另外，有人作过估计，大型商用运输机结构的质量减少另外，有人作过估计，大型商用运输机结构的质量减少1kg1kg，每年可以节约燃油，每年可以节约燃油2.9t2.9t。波音。波音767767大型运输机采用复合大型运输机采用复合材料，其质量减少了材料，其质量减少了450kg450kg，其经济效益是可想而知的。因此，其经济效益是可想而知的。因此，有人把有人把复合材料技术称为发明喷气发动机以来航空工业最大的复合材料技术称为发明喷气发动机以来航空工业最大的技术革命技术革命。先进复合材料在飞机结构上的应用经历了由小到大，。先进复合材料在飞机结构上的应用经历了由小到大，由少到多，由次要结构到主要结构的发展过程。由少到多，由次要结构到主要结构的发展过程。2020世纪世纪7070年代，年代，美国军用飞机上的复合材料主要用于尾翼、舵面、起落架以及美国军用飞机上的复合材料主要用于尾翼、舵面、起落架以及舱门等次承力结构，使用量不到飞机结构质量的舱门等次承力结构，使用量不到飞机结构质量的10%10%。但是，。但是，到了到了9090年代，先进战斗机年代，先进战斗机F22F22的机翼、机身、尾翼以及部分的机翼、机身、尾翼以及部分梁、框均使用了复合材料，用量达到梁、框均使用了复合材料，用量达到26%26%。B2B2轰炸机以及英轰炸机以及英德意西四国联合研制的欧洲战斗机德意西四国联合研制的欧洲战斗机EF2000EF2000上复合材料的用量上复合材料的用量则达到了则达到了30%30%。先进复合材料在商用运输机上的应用先进复合材料在商用运输机上的应用受到成本的制约，受到成本的制约，用量一直偏低，用量一直偏低，7070年代波音公司和空中客车公司生产的大型年代波音公司和空中客车公司生产的大型商用运输机的复合材料用量不到商用运输机的复合材料用量不到1%1%，但是，但是9090年代后由于复合年代后由于复合材料低成本技术的发展和主结构关键问题的突破，大型商用材料低成本技术的发展和主结构关键问题的突破，大型商用运输机的复合材料用量迅速增加。运输机的复合材料用量迅速增加。19951995年投入运营的波音年投入运营的波音B B777777飞机的垂直和水平尾翼、副翼、襟翼、客舱地板梁等飞机的垂直和水平尾翼、副翼、襟翼、客舱地板梁等均使用复合材料，用量达均使用复合材料，用量达12%12%。9090年代的空中客车年代的空中客车A A320320飞机飞机则达到了则达到了16%16%。20062006年试飞的空中客年试飞的空中客车车A A380380飞机复合材飞机复合材料用量达到料用量达到2525，除，除了用于尾翼和操纵面了用于尾翼和操纵面结构外。中央翼盒也结构外。中央翼盒也采用了复合材料，如采用了复合材料，如图图1.21.2所示。所示。图图1.2 A-3801.2 A-380飞机复合材料构件飞机复合材料构件 2121世纪初美国波音公司在参与并完成了世纪初美国波音公司在参与并完成了“先进复合材料技先进复合材料技术术”计划和计划和“先进亚声速技术先进亚声速技术”计划，基本解决了大型商用计划，基本解决了大型商用运输机的复合材料机翼和机身的关键技术后，向前跨了一大运输机的复合材料机翼和机身的关键技术后，向前跨了一大步，步，20072007年试飞的波音年试飞的波音B787B787飞机复合材料用量高达飞机复合材料用量高达5050。该飞机的机翼和机身结构均采用了复合材料，是目前复合材该飞机的机翼和机身结构均采用了复合材料，是目前复合材料用量最大的大型商用运输机。可以预计，料用量最大的大型商用运输机。可以预计，民用飞机大量使民用飞机大量使用复合材料的时代即将到来用复合材料的时代即将到来。图图1.3 1.3 国外军用飞机复合材料用量情况国外军用飞机复合材料用量情况 图图1.3 1.3 是是国外军用飞机国外军用飞机复合材料用量情况。复合材料用量情况。图图1.4 1.4 国外商用飞机国外商用飞机复合材料用量情况复合材料用量情况 图图1.4 1.4 是是国外商用运输机国外商用运输机复合材料用量情况复合材料用量情况与固定翼飞机相比，与固定翼飞机相比，直升机上复合材料的使用面更广直升机上复合材料的使用面更广，发展，发展更快，如图更快，如图1.51.5所示。所示。7070年代用量还只有年代用量还只有1010左右，目前已经左右，目前已经出现了全复合材料机体结构的直升机。如出现了全复合材料机体结构的直升机。如RAH66RAH66科曼奇直升科曼奇直升机、机、V22V22倾转旋翼机机体结构复合材料用量均超过了倾转旋翼机机体结构复合材料用量均超过了4040，最新的最新的NH90NH90欧洲欧洲“虎虎”式武装直升机上复合材料用量达到式武装直升机上复合材料用量达到了了8080，是目前复合材料用量最大的军用直升机。，是目前复合材料用量最大的军用直升机。图图1.5 1.5 国外直升机结构复合材料用量情况国外直升机结构复合材料用量情况 与航空工业同步。先进复合材料在与航空工业同步。先进复合材料在航天器结构航天器结构上的上的应用也非常广泛，运载火箭的箭体、固体火箭发动机壳应用也非常广泛，运载火箭的箭体、固体火箭发动机壳体、卫星和空间站的大型太阳能电池阵基板、卫星展开体、卫星和空间站的大型太阳能电池阵基板、卫星展开式天线结构等都大量使用式天线结构等都大量使用碳纤维增强树脂复合材料碳纤维增强树脂复合材料，取，取得了明显的减质量效果和优越的结构性能，如我国某航得了明显的减质量效果和优越的结构性能，如我国某航天器结构用的复合材料承力压力容器，直径达天器结构用的复合材料承力压力容器，直径达2m2m，与相，与相同刚度和强度的铝合金结构相比，质量减少同刚度和强度的铝合金结构相比，质量减少3030。先进复合材料在航空航天应用领域先进复合材料在航空航天应用领域的另一个方面是的另一个方面是发动机发动机。推力与自身重推力与自身重力之比力之比推重比推重比是航空发动机的重要是航空发动机的重要技术指标，推重比越高，航空发动机性技术指标，推重比越高，航空发动机性能越好，国外先进战斗机如能越好，国外先进战斗机如F-22F-22和和EF-EF-20002000飞机发动机的推重比已达到飞机发动机的推重比已达到1010。美。美国计划用于下国计划用于下代高性能联合战斗机的代高性能联合战斗机的发动机的推重比将进一步提高到发动机的推重比将进一步提高到15-2015-20。这时传统的高温合金材料已无能为力，这时传统的高温合金材料已无能为力，必须要采用耐高温和轻质的纤维增强陶必须要采用耐高温和轻质的纤维增强陶瓷复合材料和碳瓷复合材料和碳碳复合材料。陶瓷基碳复合材料。陶瓷基复合材料的密度仅为高温合金材料的复合材料的密度仅为高温合金材料的1/3-1/41/3-1/4。最高使用温度为。最高使用温度为16501650。陶瓷陶瓷基复合材料成为新一代航空发动机的首基复合材料成为新一代航空发动机的首选高强热结构材料选高强热结构材料。另外，另外，陶瓷基复合材料还以其优越的耐高温和轻质的特性，陶瓷基复合材料还以其优越的耐高温和轻质的特性，被用于被用于空天飞行器空天飞行器的热防护系统和热结构材料的热防护系统和热结构材料。如日本的空。如日本的空天飞机天飞机HOPEXHOPEX的防热瓦就采用了碳化硅陶瓷复合材料。美的防热瓦就采用了碳化硅陶瓷复合材料。美国正在研制的空天飞行器国正在研制的空天飞行器X37X37的襟副翼和方向升降舵均采的襟副翼和方向升降舵均采用了连续纤维增强碳化硅陶瓷复合材料用了连续纤维增强碳化硅陶瓷复合材料(见图见图1.6)1.6)，这类结这类结构在不采取防热措施条件下，仍然可以承受巨大的飞行载荷构在不采取防热措施条件下，仍然可以承受巨大的飞行载荷和重返大气层时产生的高温和重返大气层时产生的高温。图图1.6 X371.6 X37陶瓷基复合材料的襟副翼和方向升降舵陶瓷基复合材料的襟副翼和方向升降舵 先进复合材料在航空航天领域的广泛应用，促进了它在民先进复合材料在航空航天领域的广泛应用，促进了它在民用领域内的发展用领域内的发展。碳纤维复合材料制造的体育运动器材如复合。碳纤维复合材料制造的体育运动器材如复合材料自行车、网球拍、高尔夫球杆、划桨以及钓鱼杆等已经屡材料自行车、网球拍、高尔夫球杆、划桨以及钓鱼杆等已经屡见不鲜，这些高性能轻质体育运动器材的应用，为运动员提高见不鲜，这些高性能轻质体育运动器材的应用，为运动员提高运动成绩立下了汗马功劳。随着低成本技术的发展，先进复合运动成绩立下了汗马功劳。随着低成本技术的发展，先进复合材料在军事和民用领域的应用将会更加广泛。材料在军事和民用领域的应用将会更加广泛。工程结构中实用的复合材料可以大致分为工程结构中实用的复合材料可以大致分为细观复合细观复合和和宏观宏观复合复合两大类。两大类。细观复合细观复合是指一种或几种制成细微形状的材料均是指一种或几种制成细微形状的材料均匀分散于另一种连续材料中，前者称为匀分散于另一种连续材料中，前者称为分散相分散相，后者称为，后者称为连续连续相相。通常复合材料也主要是指这一类。通常复合材料也主要是指这一类。宏观复合宏观复合主要是指两层主要是指两层以上不同材料叠合。也称层合以上不同材料叠合。也称层合，这种层合复合材料的组合可以，这种层合复合材料的组合可以是几种单成分材料，也可以是上述细观复合材料。从某种意义是几种单成分材料，也可以是上述细观复合材料。从某种意义上讲，这种上讲，这种层合复合材料实际上是一种复合结构层合复合材料实际上是一种复合结构，如铝台金薄，如铝台金薄板和碳纤维或玻璃纤维复合材料薄片的层合等。板和碳纤维或玻璃纤维复合材料薄片的层合等。1.2 复合材料的分类与特性复合材料的分类与特性 对于细观复合材料连续相材料又对于细观复合材料连续相材料又称称“基体相材料基体相材料”，简称，简称基体基体它的主它的主要作用是黏结保护分散相材料和传递应要作用是黏结保护分散相材料和传递应力。分散相材料又称力。分散相材料又称“增强材料增强材料”，它它的主要作用是抵抗变形和破坏。细观复的主要作用是抵抗变形和破坏。细观复合材料的分类有按合材料的分类有按连续相的性质连续相的性质和按和按分分散相的形状、性质散相的形状、性质分类的两种方法，宏分类的两种方法，宏观复合材料主要桉结构形式分类。观复合材料主要桉结构形式分类。用用做做复复合合材材料料基基体体的的非非金金属属主主要要是是树树脂脂(高高分分子子聚聚合合物物)、陶陶瓷瓷和和碳碳，相相应应的的复复合合材材料料称称为为树树脂脂基基、陶陶瓷瓷基基和和碳碳基基复复合合材料。材料。(1)(1)树树脂脂基基复复合合材材料料。树树脂脂基基复复合合材材料料其其基基体体树树脂脂是是一一种种高高分分子子聚聚合合物物，也也称称聚聚合合物物基基复复合合材材料料，基基体体树树脂脂主主要要有有两两大大类：类：热固性树脂热固性树脂和和热塑性树脂热塑性树脂。1)1)热固性树脂。热固性树脂。这类树脂是通过加热和加压引起某种特这类树脂是通过加热和加压引起某种特定的化学反应，使低分子聚合成高分子链，链与链之间又通定的化学反应，使低分子聚合成高分子链，链与链之间又通过化学键交联形成相对分子质量无限大的三维空间网。这个过化学键交联形成相对分子质量无限大的三维空间网。这个过程称为过程称为“固化固化”。固化后的高聚物相当刚硬，。固化后的高聚物相当刚硬，加热不会软加热不会软化。这种树脂聚合固化的过程是不可逆的，具有热固性化。这种树脂聚合固化的过程是不可逆的，具有热固性。典。典型的热固性复合材料基体树脂有型的热固性复合材料基体树脂有聚脂聚脂(PE)(PE)、环氧树脂环氧树脂(Epoxy)(Epoxy)、酚醛酚醛和和双马来酰亚胺双马来酰亚胺(BMlBMl)和和聚酰亚胺聚酰亚胺(PMlPMl)等。等。一、按连续相分类一、按连续相分类1 1非金属基复合材料非金属基复合材料 (a)聚聚脂脂的的优优点点是是具具有有高高的的力力学学性性能能、良良好好的的耐耐酸酸腐腐蚀蚀性性和和电电绝绝缘缘性性，工工艺艺简简单单，成成本本低低，一一般般用用做做玻玻璃璃纤纤维维增增强强复复合合材材料料的的基基体材料。体材料。(b)(b)环氧树脂环氧树脂的种类很多。它们具有高的力学性能，耐高温，抗的种类很多。它们具有高的力学性能，耐高温，抗碱性腐蚀能力强，但抗酸腐蚀能力较弱，工艺性好，环氧树脂是碱性腐蚀能力强，但抗酸腐蚀能力较弱，工艺性好，环氧树脂是碳纤维和硼纤维增强复合材料的主要基体材料，碳纤维和硼纤维增强复合材料的主要基体材料，环氧树脂作为基环氧树脂作为基体的复合材料是目前航空航天器结构中应用最多的复合材料体的复合材料是目前航空航天器结构中应用最多的复合材料。(c)(c)双马来酰亚胺和聚酰亚胺双马来酰亚胺和聚酰亚胺是耐高温的高分子聚合物。双马来是耐高温的高分子聚合物。双马来酰亚胺的使用温度为酰亚胺的使用温度为150-230150-230，耐湿热性能好，工艺性不如环，耐湿热性能好，工艺性不如环氧，是超声速歼击机机体结构和航天器高温结构复合材料的主要氧，是超声速歼击机机体结构和航天器高温结构复合材料的主要基体材料。聚酰亚胺的使用温度为基体材料。聚酰亚胺的使用温度为250-350250-350，是航空发动机压，是航空发动机压气机机匣、叶片复合材料的基体材料。气机机匣、叶片复合材料的基体材料。2)2)热塑性树脂热塑性树脂。与热固性树脂不同，热塑性树脂只有线型。与热固性树脂不同，热塑性树脂只有线型分子链，分子链，高温下可以软化和融熔高温下可以软化和融熔，与环氧树脂相比，与环氧树脂相比，具有优越具有优越的韧性和抗冲击性能的韧性和抗冲击性能。典型的耐热热塑性复合材料基体树脂有。典型的耐热热塑性复合材料基体树脂有聚醚醚酮聚醚醚酮(PEEK)(PEEK)、聚醚砜、聚醚砜(PES)(PES)等，但这类基体的复合材料工艺等，但这类基体的复合材料工艺性较差，制造成本高，使其应用受到了限制。性较差，制造成本高，使其应用受到了限制。(2)(2)陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料。新一代的陶瓷基体具有密度低、耐高。新一代的陶瓷基体具有密度低、耐高温、超高温下强度和模量下降小的优点，主要缺点是脆，抗温、超高温下强度和模量下降小的优点，主要缺点是脆，抗断裂和抗冲击性能差。断裂和抗冲击性能差。通过纤维、晶须或颗粒增强制成陶瓷通过纤维、晶须或颗粒增强制成陶瓷基复合材料后可以在提高强度的同时，提高其断裂韧性和抗基复合材料后可以在提高强度的同时，提高其断裂韧性和抗冲击性能冲击性能。陶瓷基复合材料的基体主要有碳化硅。陶瓷基复合材料的基体主要有碳化硅(SiCSiC)、氮化、氮化硅硅(Si(Si3 3N N4 4)和氧化铝和氧化铝(A1(A12 2O O3 3)等。增强物主要有碳化硅纤维、碳等。增强物主要有碳化硅纤维、碳纤维以及一些陶瓷材料的颗粒或晶须。纤维以及一些陶瓷材料的颗粒或晶须。(3)(3)碳基复合材料碳基复合材料。这类复合材料的基体是碳这类复合材料的基体是碳，由于它的增强，由于它的增强材料一般都是碳纤维，因此也称为碳一碳复合材料。材料一般都是碳纤维，因此也称为碳一碳复合材料。碳一碳复碳一碳复合材料是一种优异的耐高温、低密度、耐磨性好的复合材料，合材料是一种优异的耐高温、低密度、耐磨性好的复合材料，可以在可以在20002000下长时间工作下长时间工作。目前主要作为磨擦材料用于飞机、。目前主要作为磨擦材料用于飞机、汽车的刹车盘，作为耐高温抗烧蚀材料用于运载火箭鼻锥及火汽车的刹车盘，作为耐高温抗烧蚀材料用于运载火箭鼻锥及火箭发动机喷管喉衬等结构上。箭发动机喷管喉衬等结构上。2.2.金属基复合材料金属基复合材料 金属基复合材料的基体主要是密度较低的铝合金、钛合金金属基复合材料的基体主要是密度较低的铝合金、钛合金以及金属间化合物以及金属间化合物。增强物一般有硼纤维、碳化硅纤维、晶须。增强物一般有硼纤维、碳化硅纤维、晶须或颗粒。与金属基体相比，或颗粒。与金属基体相比，金属基复合材料具有耐高温、高强金属基复合材料具有耐高温、高强度、高模量和低热膨胀系数的优点度、高模量和低热膨胀系数的优点；与树脂基复合材料相比，；与树脂基复合材料相比，它的剪切强度高、物理化学性能稳定，它的剪切强度高、物理化学性能稳定，是理想的航天器结构材是理想的航天器结构材料料。二、按分散相分类二、按分散相分类 作为复合材料增强材料的分散相从形状上分，主要有作为复合材料增强材料的分散相从形状上分，主要有纤维、颗粒和晶须纤维、颗粒和晶须；从；从材料上看材料上看，是一些，是一些低密度、高强度低密度、高强度的无机非金属材料，也有少数有机纤维的无机非金属材料，也有少数有机纤维。1.1.纤维增强复合材料纤维增强复合材料 目前，实用的复合材料主要是目前，实用的复合材料主要是纤维增强复合材料纤维增强复合材料。人。人类早就发现，类早就发现，材料处于纤维状的强度比块状高很多。这是材料处于纤维状的强度比块状高很多。这是因为纤维直径接近于晶体尺寸，内部存在缺陷的概率低，因为纤维直径接近于晶体尺寸，内部存在缺陷的概率低，缺陷尺寸小，强度自然也高缺陷尺寸小，强度自然也高。例如，普通平板玻璃的拉伸。例如，普通平板玻璃的拉伸强度只有强度只有70MPa70MPa，但玻璃纤维的拉伸强度可达，但玻璃纤维的拉伸强度可达2800-5000 2800-5000 MPaMPa。用于用于复合材料的纤维主要有复合材料的纤维主要有玻璃纤维玻璃纤维、碳纤维碳纤维、硼纤维硼纤维和和碳化硅纤维碳化硅纤维等等。作为复合材料增强纤维的。作为复合材料增强纤维的玻璃纤维有玻璃纤维有E E玻璃玻璃纤维纤维和和S S玻璃纤维玻璃纤维。E E玻璃纤维玻璃纤维除了强度高之外，还有较好的除了强度高之外，还有较好的电性能，用于雷达罩玻璃钢材料和一般民用。电性能，用于雷达罩玻璃钢材料和一般民用。S S玻璃纤维玻璃纤维比比E E玻璃纤维有更高的拉伸强度和拉伸模量，而且耐高温。玻璃纤维有更高的拉伸强度和拉伸模量，而且耐高温。玻璃玻璃纤维的主要缺点是弹性模量较低纤维的主要缺点是弹性模量较低，相应的复合材料的弹性模，相应的复合材料的弹性模量与碳纤维复合材料相比，只有后者的量与碳纤维复合材料相比，只有后者的1/31/3。碳纤维碳纤维的模量和强度都比较高，主要有的模量和强度都比较高，主要有高强度碳纤维高强度碳纤维和和高模量碳纤维高模量碳纤维这两类这两类。高强度碳纤维的拉伸强度高达。高强度碳纤维的拉伸强度高达3500MPa3500MPa以上，目前用于航空航天器结构复合材料的以上，目前用于航空航天器结构复合材料的IM7IM7和和T800T800纤维的纤维的拉伸强度已达到拉伸强度已达到5000MPa5000MPa。高模量纤维的强度稍低，但拉伸模。高模量纤维的强度稍低，但拉伸模量高于量高于300GPa300GPa，一些超高模量纤维，如，一些超高模量纤维，如M60JM60J的拉伸模量高达的拉伸模量高达580GPa580GPa。高模量碳纤维复合材料主要用于对刚度要求较高的高模量碳纤维复合材料主要用于对刚度要求较高的结构结构，如卫星展开式天线结构上。碳纤维单丝的直径很细，如卫星展开式天线结构上。碳纤维单丝的直径很细，只有只有6-86-8 m m，直接应用于复合材料有困难，因此其供货状态，直接应用于复合材料有困难，因此其供货状态是是纤维束纤维束，根据需要有每束为，根据需要有每束为10001000，30003000，60006000，1200012000根纤根纤维等，分别称维等，分别称1K1K，3K3K，6K6K和和12K12K纤维束等。近年来，考虑降低纤维束等。近年来，考虑降低复合材料的成本，还出现了一些复合材料的成本，还出现了一些24K24K，48K48K的大丝束碳纤维。的大丝束碳纤维。硼纤维硼纤维是早期的树脂基复合材料的增强纤维，这类纤维是早期的树脂基复合材料的增强纤维，这类纤维是在一根极细的钨丝上，气相沉积硼制成的，纤维直径较粗，是在一根极细的钨丝上，气相沉积硼制成的，纤维直径较粗，有有140140 m m左右。由于它工艺比较复杂，成本较高。左右。由于它工艺比较复杂，成本较高。低成本的低成本的碳纤维问世后，逐渐取代了硼纤维，成为树脂基复合材料的碳纤维问世后，逐渐取代了硼纤维，成为树脂基复合材料的主要增强材料主要增强材料。由于硼纤维和铝基体的界面接合好，在铝基。由于硼纤维和铝基体的界面接合好，在铝基复合材料中仍然使用。复合材料中仍然使用。碳化硅纤维碳化硅纤维具有耐高温，抗氧化的优点，主要是用做金具有耐高温，抗氧化的优点，主要是用做金属基复合材料和陶瓷基复合材料的增强材料。属基复合材料和陶瓷基复合材料的增强材料。另外，还有一种另外，还有一种芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺纤维，也称芳纶纤维，也称芳纶纤维。这。这是一种高强度高模量的有机纤维，作为商品主要有美国杜邦是一种高强度高模量的有机纤维，作为商品主要有美国杜邦公司的公司的Kevlar29Kevlar29，Kevlar49Kevlar49和第二代的和第二代的Kevlar129Kevlar129和和Kevlar149Kevlar149。芳纶纤维增强树脂基复合材料韧性高，抗冲击性。芳纶纤维增强树脂基复合材料韧性高，抗冲击性能好，已被用于飞机结构中容易受冲击的次承受力构件，如能好，已被用于飞机结构中容易受冲击的次承受力构件，如发动机罩，一些受力口盖，起落架舱门等。发动机罩，一些受力口盖，起落架舱门等。表1.1给出了典型增强纤维的基本性能。表表1.11.1典型增强纤维的基本性能典型增强纤维的基本性能 纤维增强复合材料纤维增强复合材料还可以分为还可以分为连续纤维增强连续纤维增强和和短纤维增短纤维增强复合材料强复合材料。所谓。所谓连续纤维是指纤维的两端达到制成的复合连续纤维是指纤维的两端达到制成的复合材料构件的边界材料构件的边界。连续纤维增强复合材料连续纤维增强复合材料的强度、刚度都很的强度、刚度都很高，用于承力较高的构件。高，用于承力较高的构件。短纤维复合材料短纤维复合材料是将长纤维或纤是将长纤维或纤维束切断分散于基体中制成的复合材料，强度、刚度高于基维束切断分散于基体中制成的复合材料，强度、刚度高于基体材料，适合于模压成形，制成外形复杂的构件。体材料，适合于模压成形，制成外形复杂的构件。2.2.颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 由一种或几种颗粒材料均匀分散于基体材料中构成颗粒由一种或几种颗粒材料均匀分散于基体材料中构成颗粒增强复合材料。基体材料中加进模量和强度都很高的颗粒，增强复合材料。基体材料中加进模量和强度都很高的颗粒，可以阻止基体材料的位错和裂纹扩展，达到提高强度和刚度可以阻止基体材料的位错和裂纹扩展，达到提高强度和刚度的目的的目的。将。将空心玻璃微珠空心玻璃微珠分散于树脂基体中制成的颗粒增强分散于树脂基体中制成的颗粒增强树脂基复合材料是一种新的飞机雷达罩材料。典型的颗粒增树脂基复合材料是一种新的飞机雷达罩材料。典型的颗粒增强金属基复合材料有强金属基复合材料有碳化硅颗粒碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其拉伸增强铝基复合材料，其拉伸模量达到模量达到100 100 GPaGPa以上，比基体铝合金高以上，比基体铝合金高1/31/3，已被用于卫星，已被用于卫星支架、太空望远镜支架等。支架、太空望远镜支架等。碳化钛颗粒碳化钛颗粒增强的钛基复合材料增强的钛基复合材料耐高温性能好，使用温度可以比钛合金提高耐高温性能好，使用温度可以比钛合金提高100100左右，已被左右，已被用于导弹壳体、尾翼以及发动机部件。表用于导弹壳体、尾翼以及发动机部件。表1.21.2给出了典型陶瓷给出了典型陶瓷颗粒材料的基本性能。颗粒材料的基本性能。表表1.21.2 典型陶瓷颗粒材料的基本性能典型陶瓷颗粒材料的基本性能 3.3.晶须增强复合材料晶须增强复合材料 晶须晶须是一定条件下材料在极小尺度上结晶而成的一种须状是一定条件下材料在极小尺度上结晶而成的一种须状结晶体，具有近于完整的结晶体，具有近于完整的晶体线状排