复合材料的定义和分类.ppt

复合材料基础李勇李勇 对学习的态度：对学习的态度：知识就是力量；知识就是力量；对工作的态度：对工作的态度：既来之，则安之；既来之，则安之；对机会的态度：对机会的态度：时刻准备着。时刻准备着。考虑问题要一分为二：考虑问题要一分为二：在顺利的时候想到问题，在取得成绩的时候看到不在顺利的时候想到问题，在取得成绩的时候看到不足，在逆境遇挫的时候看到未来的前景。足，在逆境遇挫的时候看到未来的前景。内容提要第一章 绪论第二章 基体材料第三章 增强材料 第四章 复合材料界面理论与处理技术 第五章 复合材料性能及其复合原理第六章 复合材料各论引 言 我们知道，人类发展的历史和材料发展的历史息息相关，历史学家把人类发展史按石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代等来划分。也可以说，人们往往以人类的使用工具以及制造工具的材料进步情况作为作为人类文明进步的一种标志。长期以来，人类为了生产和科学技术的进步，一直长期以来，人类为了生产和科学技术的进步，一直不断的开发新材料。从材料的角度来看，任何一种单一不断的开发新材料。从材料的角度来看，任何一种单一材料都有其若干突出的优点，但也存在一些明显的缺点，材料都有其若干突出的优点，但也存在一些明显的缺点，而且这些缺点的改善有时又是非常的困难的。而且这些缺点的改善有时又是非常的困难的。尤其是近三十年来科学技术发展迅速，特别是尖端尤其是近三十年来科学技术发展迅速，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料的性能提出了越来越高的科学技术的突飞猛进，对材料的性能提出了越来越高的要求。因此单一材料已经不能满足这种需求。研究发现，要求。因此单一材料已经不能满足这种需求。研究发现，将两种或两种以上的材料采用某种方式复合后，可以制将两种或两种以上的材料采用某种方式复合后，可以制成一种新的材料（我们称之为成一种新的材料（我们称之为复合材料复合材料）。）。这些新材料这些新材料常常保留了原有单一组分的优点，同时克服或弥补了它常常保留了原有单一组分的优点，同时克服或弥补了它的缺点，显示出一些新的特性。的缺点，显示出一些新的特性。人类使用各类材料的历史与发展态势第一章 绪论1.1.复合材料的定义和分类 复合材料的定义 基体材料和增强材料 界面 复合材料的分类 按形态分类 按基体分类 按材料作用分类 其它1.1.1.复合材料的定义关于复合材料的定义人们说法不同。有人说关于复合材料的定义人们说法不同。有人说“复合材复合材料是由两种或者两种以上单一材料构成的具有一些新料是由两种或者两种以上单一材料构成的具有一些新性能的材料性能的材料”，这种解释虽容易被人理解，但从科学，这种解释虽容易被人理解，但从科学的角度来看，尚不完善，也不够确切。的角度来看，尚不完善，也不够确切。最具有说服力的定义是最具有说服力的定义是 ISOISO（International International Organization for Organization for StandandizationStandandization），即），即“复合材复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。组合而成的一种多相固体材料。”l国防科技大学胡振渭教授在国防科技大学胡振渭教授在8080年代初期曾对复合材料做过较为年代初期曾对复合材料做过较为简明的定义。他指出：简明的定义。他指出：“复合材料是由两种或两种以上不同性复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的一种材料，质或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的一种材料，它既保持了原组分材料的主要特点，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没又具备了原组分材料所没有的新性能的一种多相材料有的新性能的一种多相材料”。各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”1.1.1.复合材料的定义l l复合材料是材料中的君子和而不同上述所列复合材料的定义都忽略了作为复合材料的重要特点上述所列复合材料的定义都忽略了作为复合材料的重要特点可设计性可设计性。19941994年出版的由年出版的由师昌绪师昌绪主编的主编的材料大辞典材料大辞典对复合材料给对复合材料给出了比较全面完整的定义，这个定义的描述是：出了比较全面完整的定义，这个定义的描述是：“复合材料是复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材材料，它既能艺组合而成的新型材材料，它既能保留保留原组分材料的主要特色，原组分材料的主要特色，又通过复合效应又通过复合效应获得获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的计使各组分的性能互相补充并彼此关联性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别能，与一般材料的简单混合有本质的区别”。基体材料和增强材料 复合材料中存在两种或者两种以上的物理相，可以是连续的，也可以是不连续的。其中连续的物理相称之为基体材料，而不连续的物理相以独立的形式分散在连续的基体中，即分散相。如果它对材料起到增强作用，则称增强材料。现代增强材料也有连续的情况，例如三维编织用于复合材料的增强材料。引入相相的的“连连通通性性”概念，理论上可将复合材料结构划分为0-30-3型型、1-31-3型型、2-22-2型型、2-32-3型型、3-33-3型型等几种典型结构。界 面在复合材料的两种组成部分中，即在基体和增强材料存在着一个界面，界面则对复合材料的性质起到非常重要的作用。在纤维复合材料中，纤维起增强作用，承受大部分载荷。基体和纤维通过界面连接在一起，基体将载荷经界面传递给纤维，不仅能够充分发挥纤维的抗张性能优异的特点，还能起到使载荷均匀分布和保护纤维免遭外界损伤的作用。按材料按材料作用分类作用分类 结构复合材料结构复合材料特点：具有良好的力学性能，用于建造和构造结构的材料 功能复合材料功能复合材料特点：以功能性为主导，如电学、磁学、光学、热学、放射等性能 1.1.2.复合材料的分类按增强材料的形态分类 短纤维复合材料 粒状填充复合材料 片状填充复合材料 编织复合材料 连续纤维复合材料 缠绕复合材料 按基体分类 高分子CM 金属CM 陶瓷 CM 同质物质 CM 依据增强材料的种类，则可分依据增强材料的种类，则可分 玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料有机纤维增强复合材料：Kevlar、PBO金属纤维复合材料（不锈钢）陶瓷纤维复合材料氧化铝、碳化硅、硼纤维 1.2.复合材料的发展和应用 公元前5000年，中东人用沥青和芦苇复合在一起用来造船 公元前3000年前，印度人用虫胶树脂制作复合板 我国在封建时代故宫的建造中所使用了粘合剂 茅草和泥土的复合建造房子复合材料的发展有三个过程 复合材料作为一门学科，作为一种新兴的材料工业，直到本世纪末40年代才出现。19401960 称为第一代。Glass fibers 增强塑料即玻璃钢，同时出现了硼纤维和CFRP。19601980 称为第二代。出现了KFRP、SiC纤维增强塑料、Al2O3金属纤维增强塑料。此间是先进复合材料的开发时期。19421942年，第二次世界大战中，年，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。飞机构件开始算起。1980 是先进复合材料得到充分发展的时期，称为第三代。在航空航天各领域得到了迅速的发展，并在各个领域得到应用，同时出现了纤维增强金属、纳米材料作为分散相等复合材料。复合材料的发展的三个过程建筑工业上的应用交通运输业船舶和近海工程防腐工程电子/电气工业航天航空和国防工业1.3.复合材料的应用Applications Applications of Compositesof CompositesAstronauticsAeronauticsAutomobilesNational defenceEntertainmentBiomedicalComputerSporting goods 民用工业民用工业复合材料补强复合材料补强民用工业由于复合材料高耐腐蚀性的特点，在沿海油气田领域有广泛的应用前景抛物面天线抛物面天线轻型民航机轻型民航机直升机直升机航空发动机航空发动机战斗机战斗机干线飞机干线飞机近地轨道卫星近地轨道卫星同步轨道卫星同步轨道卫星飞船、空间站飞船、空间站600100045004500450020000200000300000减轻重量、降低成本减轻重量、降低成本各种飞行器减重的经济效益，元各种飞行器减重的经济效益，元/公斤公斤 航空航天航空航天MirageF18CDC17AV 8BRafaleF18 E/FUCAVEuro FighterF35F/A 22B2A-380A-320A-340A-330F15787Premier HorizonA-350航空航天F16 2%用量成为军机先进性重要标志F22 24%F/A18 12%阵风阵风 30%F35 35%EF-2000 EF-2000 高至高至高至高至40%40%复合材料在阵风上的应用（黑体部位）复合材料在阵风上的应用（黑体部位）EF 2000飞机结构示图飞机结构示图 F-22战斗机上复合材料的应用战斗机上复合材料的应用 B-2飞机的整个机身，除主梁和发动机机舱使用的是钛飞机的整个机身，除主梁和发动机机舱使用的是钛复合材料外，其它部分均由复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料碳纤维和石墨等复合材料构构成，不易反射雷达波。并且这些不同的复合材料经共固成，不易反射雷达波。并且这些不同的复合材料经共固化而成。化而成。B-2战斗机上复合材料的应用战斗机上复合材料的应用 X-45复合材料用量提高到复合材料用量提高到90%以上以上复合材料在无人机上的应用复合材料在无人机上的应用RQ-4B“全球鹰全球鹰”复合材料机翼长复合材料机翼长 39.9米米，重约，重约1814千克千克RAH-66“Kamanche”攻击攻击/侦察直升机，复合侦察直升机，复合材料占整个直升机结构重量的材料占整个直升机结构重量的51%复合材料在直升机上的应用复合材料在直升机上的应用V-22“鱼鹰鱼鹰”偏转翼直偏转翼直升机，升机，59%的机体为复的机体为复合材料，只有合材料，只有454Kg是是金属材料。金属材料。航空航天Floor Beamsfor upper Deck:CFRP,continuous ProcessRear Pressure Bulkhead:CFRP,RFI,NCFHorizontal Tail Plane:IM Fiber,ATL for TorsionBox and ElevatorsVertical Tail Plane:IM Fiber,ATL for TorsionBox and RuddersWing:GlassThermoplasticJ-noseCFRP Outer Flaps:CFRP,ATLCenter Wing Box:HT&IM Fiber,ATLUn-pressurized Fuselage:solid laminated CFRP,AFPFlap Track Panels:CFRP航空航天A380压力仓盖舱盖压力仓盖舱盖A380机身上盖板纵梁支撑机身上盖板纵梁支撑Glare层板层板A380平尾平尾A380中央翼盒中央翼盒航空航天787787复合材料占结构重量的复合材料占结构重量的50%航空航天A400M占结构重占结构重量的量的40%左右左右 A350A350飞机将复合材料用量由飞机将复合材料用量由飞机将复合材料用量由飞机将复合材料用量由39%39%、三次提高到、三次提高到、三次提高到、三次提高到52%52%与与与与B787B787飞机竞争。飞机竞争。飞机竞争。飞机竞争。航空航天航空航天卫星主承力筒卫星主承力筒航天器燃料贮箱航天器燃料贮箱太阳帆板基板导弹鼻锥我国航空航天应用 航空航天复合材料复合材料铝合金铝合金钛钛钢钢 2000200020202020铝合金铝合金钛钛复合材料复合材料钢钢 航空航天结构材料武器装备1.3 纤维复合材料的特点比强度和比模量高抗疲劳性好抗疲劳性好减振能力好破损安全性好性能的各向异性及可设计性强整体成型、材料结构一体化1.4 纤维复合材料的特点（1）比强度和比模量高比强度和比模量的定义比强度和比模量的定义 比强度和比模量是指材料强度和模量与材料密度之比值比强度和比模量是指材料强度和模量与材料密度之比值比强度和比模量是指材料强度和模量与材料密度之比值比强度和比模量是指材料强度和模量与材料密度之比值.为什么高分子纤维的比强度高，为什么高分子纤维的比强度高，较小，注意单位较小，注意单位如钢、铅、玻璃钢、如钢、铅、玻璃钢、CF/CF/环氧树脂、环氧树脂、kevlarkevlar、硼纤维、硼纤维 比强度和比模量越大，比强度和比模量越大，这种结构材料制成同样强度构件的质量越小，这种结构材料制成同样强度构件的质量越小，这对航空航天工业有着特别重要的意义。这对航空航天工业有着特别重要的意义。如宇宙飞船的质量减轻如宇宙飞船的质量减轻1kg1kg，就可以使推送它的火箭减轻就可以使推送它的火箭减轻500kg500kg的质量。的质量。材材 料料密度密度/g/cmg/cm3 3抗拉强度抗拉强度/GPaGPa弹性模量弹性模量/GPaGPa比强度比强度比模量比模量钢钢7.87.81.011.012062060.130.132626铝铝2.82.80.460.4674740.170.172626钛钛4.54.50.940.941121120.210.212525玻璃钢玻璃钢2.02.01.041.0439390.520.522020CFII/EpoxyCFII/Epoxy1.451.451.471.471371371.021.029595CFI/EpoxyCFI/Epoxy1.61.61.051.052352350.660.66147147Kevlar/EpoxyKevlar/Epoxy1.41.41.371.3778780.980.985656硼纤维硼纤维/Epoxy/Epoxy2.12.11.341.342062060.640.649898硼纤维硼纤维/铝铝2.652.650.980.981961960.370.377474材料力学性能比较1.4 纤维复合材料的特点（2 2）抗疲劳性好）抗疲劳性好疲劳破坏：材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩疲劳破坏：材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。展而造成的低应力破坏。金属材料：抗疲劳性差，没有明显的预兆的突发性破坏。金属材料：抗疲劳性差，没有明显的预兆的突发性破坏。裂纹一旦达到临界尺寸就突然断裂，其疲劳强度极限是其裂纹一旦达到临界尺寸就突然断裂，其疲劳强度极限是其抗拉强度的抗拉强度的30305050。纤维复合材料：其抗疲劳破坏是从纤维的薄弱环节开始，纤维复合材料：其抗疲劳破坏是从纤维的薄弱环节开始，逐步扩展到界面上，纤维复合材料中存在着难于计数的纤逐步扩展到界面上，纤维复合材料中存在着难于计数的纤维维/树脂界面，这些界面能阻止裂纹进一步扩展，从而推树脂界面，这些界面能阻止裂纹进一步扩展，从而推迟疲劳破坏的发生。破坏前有明显的前兆。纤维复合材料迟疲劳破坏的发生。破坏前有明显的前兆。纤维复合材料的拉压疲劳极限值达到静载荷的的拉压疲劳极限值达到静载荷的707080%80%。1.4 纤维复合材料的特点（3）减振能力好受力构件的自振频率正比于受力构件的自振频率正比于比模量的平方根比模量的平方根。因此，纤维复合材料的比模量大，自振频率高，因此，纤维复合材料的比模量大，自振频率高，在在通常加载速度或频率下不容易因共振而快速通常加载速度或频率下不容易因共振而快速脆断脆断。同时，复合材料中的界面对振动产生的同时，复合材料中的界面对振动产生的能量有能量有反射和吸收作用反射和吸收作用，故复合材料，故复合材料振动阻尼强振动阻尼强。例如，在同样条件下产生的振动，轻合金需例如，在同样条件下产生的振动，轻合金需9 9秒秒才停止，而碳纤维复合材料只需才停止，而碳纤维复合材料只需2 23 3秒停下。秒停下。1.4 纤维复合材料的特点（4）破损安全性好 纤维复合材料的横截面是大量的纤维，即使部纤维复合材料的横截面是大量的纤维，即使部分断裂，也能承受一段时间。载荷会迅速分配到分断裂，也能承受一段时间。载荷会迅速分配到未被破坏的纤维上，不致于造成构件在瞬间完全未被破坏的纤维上，不致于造成构件在瞬间完全失去承载能力而断裂。仍能安全地使用或安全使失去承载能力而断裂。仍能安全地使用或安全使用一定期限。用一定期限。这种安全地承受一定损伤的能力即破损安全性，这种安全地承受一定损伤的能力即破损安全性，纤维复合材料具有较好的破损安全性。纤维复合材料具有较好的破损安全性。（5）性能的各向异性及可设计性强 根据需求设计制造，不需焊、铆、切割等二根据需求设计制造，不需焊、铆、切割等二次加工。次加工。各向异性（如力学性能）可根据载荷分别及各向异性（如力学性能）可根据载荷分别及使用条件的不同选择相应的铺层设计，可以突破使用条件的不同选择相应的铺层设计，可以突破指导的优化设计，做到安全可靠、经济合理。指导的优化设计，做到安全可靠、经济合理。（6）整体成型、材料结构一体化 JSF的垂尾及平尾原来采用铝合金蜂窝芯/复合材料蒙皮结构，为减轻结构重量采用全复合材料结构的垂尾，使零件数从原来13个减至1个，紧固件取消了1000个，制造费相应减少60%以上。纤维复合材料的缺点 纤维与基体组成的复合材料，微观结构不均匀，纤维与基体组成的复合材料，微观结构不均匀，易在薄弱处发生破坏；易在薄弱处发生破坏；层间剪切强度和横向强度低层间剪切强度和横向强度低 抗冲击性差；抗冲击性差；长期耐高温及耐老化性能差；长期耐高温及耐老化性能差；工艺质量不够稳定，材料性能的分散性大。工艺质量不够稳定，材料性能的分散性大。材料科学材料科学设计理论设计理论工艺技术工艺技术复合材料方向的学科基础 课程安排课程安排课程安排课程安排讲课为主、自学为辅讲课为主、自学为辅讲课为主、自学为辅讲课为主、自学为辅笔记为主、教材为辅笔记为主、教材为辅笔记为主、教材为辅笔记为主、教材为辅考试成绩：考试成绩：考试成绩：考试成绩：70%,70%,70%,70%,平时平时平时平时30%30%30%30%参教资料：参教资料：参教资料：参教资料：周祖福周祖福周祖福周祖福 复合材料学复合材料学复合材料学复合材料学 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社 1995199519951995 闻荻江闻荻江闻荻江闻荻江 复合材料原理复合材料原理复合材料原理复合材料原理 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社 1995199519951995 姚希曾姚希曾姚希曾姚希曾 聚合物复合材料基体聚合物复合材料基体聚合物复合材料基体聚合物复合材料基体 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社 1995199519951995 王善元等王善元等王善元等王善元等 FRCM FRCM FRCM FRCM 中国纺织大学出版社中国纺织大学出版社中国纺织大学出版社中国纺织大学出版社 1998199819981998 马满等马满等马满等马满等 复合材料科学与工程复合材料科学与工程复合材料科学与工程复合材料科学与工程 世界图书出版社世界图书出版社世界图书出版社世界图书出版社 1994199419941994 杂志：杂志：杂志：杂志：复合材料学报复合材料学报复合材料学报复合材料学报、纤维复合材料纤维复合材料纤维复合材料纤维复合材料、玻玻玻玻璃钢璃钢璃钢璃钢 JournalsJournalsJournalsJournals：CompositesCompositesCompositesComposites，Polymer CompositesPolymer CompositesPolymer CompositesPolymer Composites，etc.etc.etc.etc.