第一章复合材料概论

复合材料概论2019.02.11注意事项迟到5次或旷课3次、早退3次及以上，平时成绩为0分；勤作笔记，课后做作业，常思考，多查资料考核办法：平时(出勤率，课堂提问）20%，期终考查，闭卷80%。联系方式:Emai:cxzhang2019163Tel:[phone]主要内容：掌握复合材料的定义、组成、特点；了解复合材料的发展状态；掌握复合材料的命名方法；掌握复合材料的分类；掌握复合材料结构设计基础了解复合材料的应用；了解复合材料的发展趋势第一章绪论材料是人类社会进步的物质基础石器时代；青铜器时代；钢铁时代－材料的发展推动生产力的发展，也推动社会的前进二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，新的技术进而也推动了新材料的出现。当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。二十一世纪将是一个新材料时代。现代高科技的发展对材料提出了更高、更苛刻的要求。航空、航天和海洋开发领域的发展、现代武器系统，要求材料质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀、吸波、隐身等特点。很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，不能满足现代科学技术发展的需要。一、复合材料出现的必然性二、复合材料发展状况（1）几乎所有的生物材料都是复合材料－竹子、骨骼、贝壳等等古代人们用草梗和泥造墙，用稻草和泥做屋顶复合材料发展状况（2）1940～1960年之间的20年是玻璃纤维增强塑料的时代，称为复合材料发展的第一代1960～1965年英国研制出碳纤维，1971年美国杜邦公司开发出Kevlar－49，1975年先进复合材料“碳纤维增强环氧树脂复合材料及Kevlar纤维增强树脂复合材料”已应用于飞机、火箭的主承力件上，1960～1980年为复合材料的第二代，是复合材料的发展时代；1980年～1990年，是纤维增强金属基复合材料的时代，其中铝基金属复合材料应用最为广泛，称为复合材料发展的第三代；1990年以后称为复合材料的第四代，多发展功能复合材料，如光学、磁学、机敏和智能复合材料。三、复合材料的定义用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的固体材料。复合材料的特点两种或两种以上的化学相具有两种材料所不具备的优良性能人工设计出来的，具有可设计性四、复合材料的构成复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；基体的作用是将增强体粘合成整体并使复合材料具有一定的形状，传递外界作用力、保护增强体免受外界的各种侵蚀破坏作用。当然也决定复合材料的某些性能和加工工艺另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等，功能复合材料中也称功能体)。相界面是一个具有一定厚度的，结构随组分而异、与基体和增强体明显不同的新相。界面区的范围是从增强体内部性质不同的一点开始，到基体内整体性质相一致的点之间的区域。界面是基体和增强体之间连接的纽带，是应力及其他信息传递的桥梁。它的结构、性能以及结合强度等因素，直接关系到复合材料的性能。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)短切纤维复合五、复合材料的性能○比强度、比模量高○良好的抗疲劳性能纤维复合材料，对缺口、应力集中敏感性小，且纤维与基体界面能够阻止疲劳裂纹扩散，改变裂纹扩展方向。○优良的高温性能铝合金在300℃时，强度由室温的500MN/m2降到30～50MN/m2，而用碳纤维或硼纤维增强后，300℃的强度与室温基本相同。○减震性好试验表明，冲击能量的消耗除了用于纤维的断裂功外，层板的分层、纤维与基体界面脱粘以及纤维拔出等都消耗较多的能量。○破断安全性好纤维复合材料中，当纤维断裂时，载荷就会重新分配到其他未破裂的纤维上，因而构件不致在短期内突然断裂。密度g/cm3抗拉强度×103MN/m2拉伸模量×105MN/m2比强度×106MN·m/kg比模量×108MN·m/kg钢7.81.032.10.1327铝2.80.470.750.1727钛4.50.961.140.2125玻璃钢2.01.060.40.5320高强度碳纤维-环氧1.451.51.41.0397高模量碳纤维-环氧1.61.072.40.67150硼纤维-环氧2.11.382.10.66100有机纤维PRD-环氧1.41.40.81.057SiC纤维-环氧2.21.091.020.546硼纤维-铝2.651.02.00.3875复合材料和金属的疲劳破坏性能复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：六、复合材料的命名（1）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，最后加上“复合材料”（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。（3）强调基体时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、陶瓷基复合材料等。国外还常用英文编号来表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金属基复合材料，FRP（FiberReinforcedPlastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳基复合材料按基体材料分热固性树脂基热塑性树脂基橡胶基高温陶瓷基玻璃基玻璃陶瓷基轻金属基高熔点金属基金属间化合物基七、复合材料分类（1）按增强材料形态分为以下三类1、纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料b.非连续纤维复合材料2、颗粒增强复合材料：包括微米颗粒和纳米颗粒；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。4、层叠复合材料复合材料分类（2）按材料作用分两类①功能复合材料：使用的是材料的光、电、磁、热、声等非力学性能②结构复合材料：应用的材料的力学性能。复合材料分类（3）其他的分类方法如宏观复合和微观复合八、复合材料的结构设计基础复合材料从结构上可以分为3个结构层次：一次结构，是由基体和增强材料复合而成的单层复合材料，其力学性能取决于组分材料的性能，各相的形态、分布和含量以及界面的性质；二次结构，由单层材料层合而成的，其力学性能取决于单层材料的力学性能合铺层集合（各层的厚度、铺设方向、铺层次序）；三次结构，指工程结构或产品结构，其力学性能取决于层合体的力学性能合结构几何。复合材料的设计也包括三个层次：1、单层材料设计增强材料、基体材料及其配比，各相的形态、分布、含量以及界面决定单层力学性能2、铺层设计安排铺层材料（包括层厚度、铺设方向、铺层次序）3、结构设计确定产品结构的形状尺寸三个层次互相影响、互相依赖。必须把材料性能和结构性能一起考虑，并将其统一在设计方案中。复合材料设计步骤复合材料结构设计选材时就必须同时考虑材料的机械性能、使用环境和工艺性（如树脂体系的固化温度、固化时间和工艺方法）等因素。复合材料是结构设计与材料设计同时进行，材料与结构一次成形，所以在设计时既要对组成构件各部分的层合板参数进行设计，还要选择构件的构造形式和几何尺寸。在初步设计阶段就应对结构的可维护性、可修理性和维修的费用进行考虑与评估。九、复合材料的应用航空航天、武器—在力学耐高温方面满足要求，同时减轻重量，节省能源信息电子、生物方面－光、磁、电性能、生物相容性生活方面，提高安全性合和舒适度—隔音，绝热、抗振节约能源、开发能源方面—重量轻、耐腐蚀性好，寿命长海洋资源开发方面—耐腐蚀好，力学性能好环境方面－耐腐蚀性好，可以变废为宝战车导弹陶瓷刀具1、航空航天、武器方面的应用波音787“梦幻客机”半成机身材料为轻型复合材料，而波音777型客机机身轻型复合材料比例仅为12％。由此，“梦幻客机”更轻更省油。2、信息电子、生物方面的应用光导纤维，电子设备的电路板，磁带磁盘，机壳和屏蔽修复和更换脏器、人造骨3、人类生活方面的应用建筑上，复合门窗交通上，汽车保险杠和轿车底板体育娱乐方面，羽毛球拍、钓鱼竿、自行车中的车架等铝木复合门窗汽车保险杠和底板、发动机罩等，甚至全复合材料汽车材料牌号密度/(g/cm3)弹性模量/(Gpa)抗拉强度/(Mpa)伸长率/%铬钼钢低合金钢7.9200～20783416铝合金6001/T62.6~2.969~79100~24612钛纯钛4.5105480~62018碳纤维CFRP1.5~1.670~20010002镁合金AM601.740~452208跳高撑杆4、节约能源、开发能源方面应用航天器、卫星上的太阳能帆板、太阳能电池、太阳能采暖设备、发电设备、空调制冷设备，特别是太空太阳能发电站的大部分构件风力发电设备中风力发动机的叶片和支杆核电站浓缩铀253的离心机转筒5、海洋资源开发方面的应用6、环境方面应用通过设计，合理利用材料，节约加工能耗，降低废弃边角料，延长工件和设施的使用寿命；用废弃物如矿渣、木屑、废塑料、麦秆等制造复合材料废水治理厂的容器和管道、处理汽车尾气的高压气瓶复合地板玻璃钢管道十、复合材料的发展趋势发展功能、多功能、机敏、智能复合材料发展纳米复合材料发展仿生复合材料复合材料具有可设计性，可以根据需要添加必要的组分来达到需要的性能，如电、磁、光、声、热、阻尼、化学等等许多方面。无人飞船上到某个星球，经有机器人感知环境（如温度、湿度、光等）、对机敏材料作出的反应进行分析然后拍照，并把采集到的信息返会地球信息接收处。这需要材料的传感部分和执行部分有很高的灵敏度、精确度和反应速度。纳米复合材料近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。长骨的外形特点是两端粗大，中间细长，人们受此启发，把短纤维设计成哑铃状。理论计算得到球端半径和纤维长度的最佳比，理论分析这种短纤维的增强效果比平直纤维的增强效果好，而且被实验证实植物的根部成网状结构，在验证实验模型中发现纤维的拔出力和能量随分叉级数增多和分叉角度变大而增大。根部网络结构已被广泛应用于堤坝、建筑业等工程领域应用21世纪的高性能复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高性能、适应恶劣环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。充分的利用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。参考书•复合材料学周祖福武汉理工大学出版社•复合材料吴人洁天津大学出版社•复合材料及其应用汤佩钊重庆大学出版社•功能复合材料张佐光化学工业出版社作业1、复合材料的定义、分类、命名2、复合材料都有哪些部分组成，各部分的作用是什么3、复合材料都有哪些性能特点？思考题1.复合材料与合金、化合物有什么区别？2.找找周围的复合材料，都是哪一类的？