1、1,第二章 復(fù)合材料基本特性、應(yīng)用及其研究現(xiàn)狀,2,1、 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的分散相，它顯著增強(qiáng)材料的性能，故常稱為增強(qiáng)體。 多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強(qiáng)度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。 在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。,3,因此，復(fù)合材料是由兩種以上組分以及它們之間的界面構(gòu)成。 組分材料主要指增強(qiáng)體和基體，它們也被稱為復(fù)合材料的增強(qiáng)相和基體相。增強(qiáng)相與基體相之間的界面區(qū)域因?yàn)槠涮厥獾慕Y(jié)構(gòu)組成也被視作復(fù)合材料中的“相”，即界面相。,4,增強(qiáng)相和基體相是根據(jù)它們組

2、分的物理和化學(xué)性質(zhì)和在最終復(fù)合材料中的形態(tài)來區(qū)分的。 其中一個(gè)組分是細(xì)絲（連續(xù)的或短切的）、薄片或顆粒狀，具有較高的強(qiáng)度、模量、硬度和脆性，在復(fù)合材料承受外加載荷時(shí)是主要承載相，稱為增強(qiáng)相或增強(qiáng)體（reinforced phase or reinforcement）。 增強(qiáng)相或增強(qiáng)體在復(fù)合材料中呈分散形式，被基體相隔離包圍，因此也稱作分散相；,5,復(fù)合材料中的另一個(gè)組分是包圍增強(qiáng)相并相對(duì)較軟和韌的貫連材料，稱為基體相（matrix phase）。 復(fù)合材料的各種形態(tài)示意于圖中：,6,復(fù)合材料及其增強(qiáng)相的各種形態(tài),纖維狀,顆粒狀,層狀,片狀,填充狀,7,復(fù)合材料在制造前，基體材料的形狀可以是薄片

3、、粉末、塊體或無定形的流體，它的狀態(tài)可以是固態(tài)、氣態(tài)、熔融態(tài)或半固半液態(tài)。 基體材料在與增強(qiáng)相固結(jié)后，基體相在復(fù)合材料中就成為包裹增強(qiáng)相的連續(xù)體。因此，基體相也叫做連續(xù)相。 基體相具有支撐和保護(hù)增強(qiáng)相的作用，在復(fù)合材料承受外加載荷時(shí)，基體相主要以剪切變形的方式起向增強(qiáng)相分配和傳遞載荷的作用。,8,在復(fù)合材料中，增強(qiáng)相和基體相之間還存在著明顯的結(jié)合面。 位于增強(qiáng)相和基體相之間并使兩相彼此相連的、化學(xué)成分和力學(xué)性質(zhì)與相鄰兩相有明顯區(qū)別、能夠在相鄰兩相間起傳遞載荷作用的區(qū)域，稱為復(fù)合材料的界面（interface）。,9,復(fù)合材料中界面層的厚度通常在亞微米以下，但界面層的總面積在復(fù)合材料中很大，且復(fù)

4、合材料的界面特征對(duì)復(fù)合材料的性能、破壞行為及應(yīng)用效能有很大影響。 所以，人們以極大的注意力開展對(duì)復(fù)合材料界面的研究-表面和界面工程（surface and interface engineering）。,10,復(fù)合材料的性能取決于組分材料的種類、性能、含量和分布。主要包括：增強(qiáng)體的性能和它的表面物理、化學(xué)狀態(tài)；基體的結(jié)構(gòu)和性能；增強(qiáng)體的配置、分布和體積含量。 復(fù)合材料的性能還取決于復(fù)合材料的制造工藝條件、復(fù)合方法、零件幾何形狀和使用環(huán)境條件。,11,復(fù)合材料既能保留原組分材料的主要特色，并通過復(fù)合效應(yīng)獲得組分材料所不具備的性能，還可以通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能相互補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的性

5、能。 復(fù)合材料設(shè)計(jì)：選擇復(fù)合材料的組分、增強(qiáng)體分布和復(fù)合材料制造工藝、使其具有使用所要求的性能過程。,12,復(fù)合材料設(shè)計(jì)可分為三個(gè)層次：?jiǎn)螌硬牧显O(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 單層材料設(shè)計(jì)包括正確選擇增強(qiáng)材料、基體材料及共配比，該層次決定單層板的性能； 鋪層設(shè)計(jì)包括對(duì)鋪層材料的鋪層方案做出合理錢財(cái)安的安排，該層次決定層合板的性能； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則最后確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸。 上述三個(gè)設(shè)計(jì)層次互為前提、互相影響、互相依賴。,13,因此，復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)打破了材料研究和結(jié)構(gòu)研究的傳統(tǒng)界限。設(shè)計(jì)人員必須把材料性能和結(jié)構(gòu)性能統(tǒng)一考慮，換言之，材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須同時(shí)進(jìn)行，并將它們統(tǒng)一在同一個(gè)設(shè)計(jì)方案

6、中。,14,復(fù)合材料是由多相材料復(fù)合而成，它的共同的特點(diǎn)主要有三個(gè)： ()綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的性能。例如，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，既具有類似鋼材的強(qiáng)度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。,15,(2)可按對(duì)材料性能的需要進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造。如，針對(duì)方向性材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，針對(duì)某種介質(zhì)耐腐蝕性能的設(shè)計(jì)等。 (3)可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，可避免多次加工工序。例如，可避免金屬產(chǎn)品的鑄模、切削、磨光等工序。,16,影響復(fù)合材料性能的因素 主要取決于增強(qiáng)材料的性能、含量及分布狀況，基體材料的性能、含量，以及它們之間的界面結(jié)合情況，作為產(chǎn)品還與成

7、型工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。 因此，不論對(duì)哪一類復(fù)合材料，就是同一類復(fù)合材料的性能也不是一個(gè)定值，而只能給出其主要性能。,17,一般材料的簡(jiǎn)單混合與復(fù)合材料的兩點(diǎn)本質(zhì)區(qū)別： （）復(fù)合材料不僅保留了原組成材料的特點(diǎn)，而且通過各組分的相互補(bǔ)充和關(guān)聯(lián)可以獲得原組分所沒有的新的優(yōu)越性能；,18,（）復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性 如結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不僅可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材設(shè)計(jì)，更重要的是還可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即增強(qiáng)體的比例、分布、排列和取向等的設(shè)計(jì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料來說，是由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能連接增強(qiáng)體又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。由不同的增強(qiáng)體和不同的基體即可組成名目繁多的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。,19

8、,2、復(fù)合材料的特性 復(fù)合材料是由多種組分的材料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的材料。 例如，纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好、耐化學(xué)腐蝕、介電性能好、耐燒蝕及容易成型加工等優(yōu)點(diǎn)。,20,（）輕質(zhì)高強(qiáng)，比強(qiáng)度和比剛度高 、增強(qiáng)劑或者基體是比重小的物質(zhì)，或兩者的比重都不高，且都不是完全致密的； 、增強(qiáng)劑多是強(qiáng)度很高的纖維。 比強(qiáng)度（指強(qiáng)度與密度的比值）和比彈性模量是各類材料中最高的。,21,例如，普通碳鋼的密度為7.8 g/cm3。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度為1.52.0 g/cm3，只有普通碳鋼的1/41/5，比鋁合金還要輕1/左右，而機(jī)械強(qiáng)度卻能超過普通碳鋼的水平。

9、,22,若按比強(qiáng)度計(jì)算，玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料不僅超過碳鋼，而且可超過某些特殊合金綱。 碳纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料具有比玻璃纖維復(fù)合材料更低的密度和更高的強(qiáng)度，因此具有更高的比強(qiáng)度。,23,(2)可設(shè)計(jì)性好 復(fù)合材料可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具有很好的可設(shè)計(jì)性。 對(duì)于結(jié)構(gòu)件來說，可以根據(jù)受力情況合理布置增強(qiáng)材料，達(dá)到節(jié)約材料、減輕質(zhì)量的目的。,24,對(duì)于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時(shí)可以選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強(qiáng)材料； 對(duì)于其他一些性能要求，如介電性能、耐熱性能等，都可以方便地通過選擇合適的原材料來滿足要求。 復(fù)合材料良好的可設(shè)計(jì)性還可以最大限度地克服其彈性

10、模量、層間剪切強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。,25,(3)電性能好 復(fù)合材料具有優(yōu)良的電性能，通過選擇不同的樹脂基體、增強(qiáng)材料和輔助材料，可以將其制成絕緣材料或?qū)щ姴牧?。例如，玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)良的電絕緣性能，并且在高頻下仍能保持良好的介電性能，因此可作為高性能電機(jī)、電器的絕緣材料；,26,玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料還具有良好的透波性能，被廣泛地用于制造機(jī)載、艦載和地面雷達(dá)罩。 復(fù)合材料通過原材料的選擇和適當(dāng)?shù)某尚凸に嚳梢灾频脤?dǎo)電復(fù)合材料。這是一種功能復(fù)合材料，在冶金、化工和電池制造等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。,27,(4)耐腐蝕性能好 聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐酸性能、耐海水性能、也能

11、耐堿、鹽和有機(jī)溶劑。因此它是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的化工管道、貯罐、塔器等具有較長(zhǎng)的使用壽命、極低的維修費(fèi)用。,28,(5)熱性能良好 玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，是一種優(yōu)良的絕熱材料。 選擇適當(dāng)?shù)幕w材料和增強(qiáng)材料可以制成耐燒蝕材料和熱防護(hù)材料，能有效地保護(hù)火箭、導(dǎo)彈和宇宙飛行器在2000以上承受用溫、高速氣流的沖刷作用。,29,(6)工藝性能優(yōu)良 纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)良的工藝性能，能滿足各種類型制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀復(fù)雜、數(shù)量少制品的制造，,30,(7)彈性模量 金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能夠在較高的溫度下長(zhǎng)期使用，但是聚合物基復(fù)合材

12、料的彈性模量很低。因此，制成的制品容易變形 。 用碳纖維等高模量纖維作為增強(qiáng)材料可以提高復(fù)合材料的彈性模量，另外，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以克服其彈性模量差的缺點(diǎn)。,31,比模量系指在溫度為232和相對(duì)濕度為505的條件下測(cè)量的楊氏模量(單位:N.m-2)除以比重(單位:N.m-3)。 楊氏模量就是指表達(dá)物體在變形時(shí)所受的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的比例常數(shù)。,32,在彈性范圍內(nèi)大多數(shù)材料服從虎克定律，即變形與受力成正比。 縱向應(yīng)力與縱向應(yīng)變的比例常數(shù)就是材料的彈性模量E，也叫楊氏模量。 橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比值稱為泊松比，也叫橫向變性系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。,33,復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度和比模

13、量（即強(qiáng)度、模量與密度之比）高。 比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個(gè)指標(biāo)，比強(qiáng)度愈高，同一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的剛性愈大。,34,(8)長(zhǎng)期耐熱性 金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能在較高的溫度下長(zhǎng)期使用，但是聚合物基復(fù)合材料不能在高溫下長(zhǎng)期使用，即使耐高溫的聚酰亞胺基復(fù)合材料，其長(zhǎng)期工作溫度也只能在300 左右。,35,(9)老化現(xiàn)象 在白然條件下，由于紫外光、濕熱、機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)侵蝕的作用，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的性能變差，即發(fā)生所謂的老化現(xiàn)象。 復(fù)合材料在使用過程中發(fā)牛老化現(xiàn)象的程度與其組成、結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境有關(guān)。,36,(10) 抗疲勞性能好 首先，缺陷少的纖維的疲勞抗力很高；其次，基體

14、的塑性好，能消除或減小應(yīng)力集中區(qū)的大小和數(shù)量。 (11) 減振能力強(qiáng) 復(fù)合材料的比模量高，所以它的自振頻率很高，不容易發(fā)生共振而快速脆斷；另外，復(fù)合材料是一種非均質(zhì)多相體系，在復(fù)合材料中振動(dòng)衰減都很快。,37,與傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、水泥等)相比，復(fù)合材料是一種新型材料。它具有許多優(yōu)良的性能，并且其成本在逐漸地下降，成型工藝的機(jī)械化、白動(dòng)化程度也在不斷地提高。團(tuán)此，復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。,3、復(fù)合材料的應(yīng)用,38,氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機(jī)的防熱瓦,39,硼纖維金屬基復(fù)合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件,40,美國(guó)B-2隱形轟炸機(jī)表面為具有良好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料,41,由光導(dǎo)纖

15、維構(gòu)成的光纜,42,先進(jìn)橡膠輪胎使汽車成為交通主宰,賽車上使用的特殊輪胎,43,人工合成的金剛石,44,高分子分離膜已被用來制造高效家庭凈水器,45,人工腎臟,46,生物陶瓷人造關(guān)節(jié),47,可調(diào)節(jié)的太陽(yáng)鏡,耐高溫纖維制成的消防人員的服裝,48,(1)在航空、航天方面的應(yīng)用 由于復(fù)合材料的輕質(zhì)高強(qiáng)持性，使其在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)冀蒙皮、機(jī)身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達(dá)罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強(qiáng)筋等主承力構(gòu)件。,49,(2)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用 由復(fù)合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的14，而且在受到撞擊時(shí)復(fù)合材料能大幅度吸收沖擊能量

16、，保護(hù)人員的安全。,50,用復(fù)合材料制造的汽車部件較多，如車體、駕駛室、擋泥板、保險(xiǎn)杠、引擎罩、儀表盤、驅(qū)動(dòng)軸、板黃等。 隨著列車速度的不斷提高，火車部件用復(fù)合材料來制造是最好的選擇。復(fù)合材料常被用于制造高速列車的車箱外殼、內(nèi)裝飾材料、整體衛(wèi)生間、車門窗、水箱等。,51,(3)在化學(xué)工業(yè)方面的應(yīng)用 在化學(xué)工業(yè)方面，復(fù)合材料主要被用于制造防腐蝕制品。聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。例如，在酸性介質(zhì)中，聚合物基復(fù)合材料的耐腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。,52,(4)在電氣工業(yè)方面的應(yīng)用 聚合物基復(fù)合材料是一種優(yōu)異的電絕緣材料，被廣泛地用于電機(jī)、電工器材的制造，如絕緣板、絕緣管、印刷線路板、電機(jī)護(hù)

17、環(huán)、槽楔、高壓絕緣子、帶電操作工具等。,53,(5)在建筑工業(yè)方面的應(yīng)用 玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料(玻璃鋼)具有力學(xué)性能優(yōu)異，隔熱、隔聲性能良好，吸水率低，耐腐蝕性能好和裝飾性能好的特點(diǎn)，因此，它是一種理想的建筑材料。 在建筑上，玻璃鋼被用作承力結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、冷卻塔、水箱、衛(wèi)生潔具、門窗等。,54,(6)在機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用 復(fù)合材料在機(jī)械制造工業(yè)中，用于制造各種葉片、風(fēng)機(jī)、各種機(jī)械部件如齒輪、皮帶輪和防護(hù)罩等。 用復(fù)合材料制造叫片具力制造容易、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片都是由復(fù)合材料制造的。,55,(7)在體育用品方面的應(yīng)用 在體育用品方面，復(fù)合材料被用于制造賽車、賽艇

18、、皮艇、劃槳、撐桿、球拍、弓箭、雪橇等。,56,我國(guó)是制造和使用復(fù)合材料最早的國(guó)家，遠(yuǎn)在400余年前就發(fā)明了以麻絲增強(qiáng)大漆，構(gòu)成典型的復(fù)合材料器皿，并一直沿用至今。 現(xiàn)代復(fù)合材料是1958年才開始發(fā)展的，是以玻璃纖維增強(qiáng)熱固性聚合物為主要品種。,、我國(guó)復(fù)合材料科學(xué)的研究現(xiàn)狀,57,除聚合物基復(fù)合材料以外，目前已展開金屬基、陶瓷基、碳基、水泥基，以及功能復(fù)合材料的制備科學(xué)和其結(jié)構(gòu)與性能的研究，有些研究處于國(guó)際復(fù)合材料前沿，如納米復(fù)合材料，智能復(fù)合材料等。,58,一、原材料的研究 結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料中關(guān)鍵的原材料是增強(qiáng)體。我國(guó)于20世紀(jì)50年代末，開始研制玻璃纖維增強(qiáng)體，研究了各種玻璃纖維的配方，包括

19、中堿的玻璃，無堿的玻璃以及高強(qiáng)度的玻璃等。 工藝方法是以傳統(tǒng)的坩堝法為主，近來正發(fā)展到先進(jìn)的池窯法（直接熔融法）。,59,高性能增強(qiáng)體如碳纖維、芳酰胺纖維（芳綸）、超高分子量聚已乙烯纖維，以及一些陶瓷纖維等我國(guó)均有研究。 特別是碳纖維在20世紀(jì)60年代即從聚丙烯腈原絲開始研究，一直到燒成碳纖維。隨后又解決了連續(xù)化的問題，并且開展有關(guān)機(jī)理性的研究。,60,二、各種基體復(fù)合材料的研究 、聚合物基復(fù)合材料 熱固性聚合物基體主要為不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬樹脂，以及少量的耐高溫聚酰亞胺樹脂，其中的研究工作集中在合成新型樹脂，同時(shí)也對(duì)其結(jié)構(gòu)表征和固化過程進(jìn)行了研究。,61,熱塑性聚合物基體除聚

20、丙烯外，還有常用的工程塑料，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜和熱塑性聚酰亞胺等的合成，改性和表征等。,62,聚合物基復(fù)合材料加工成型方面，除手糊、噴射、模壓、纏繞、拉擠、熱壓罐成型等常規(guī)方法的研究外，也研究一些新型的加工方法，如樹脂傳遞法（RTM）的充模過程，包括其模擬計(jì)算等。,63,、金屬基復(fù)合材料 目前主要集中在以輕金屬（如鋁、鎂、鈦）等為基體的復(fù)合材料研究，少量研究致力于銅、鐵、鉛基體的復(fù)合材料。增強(qiáng)的形式包括連續(xù)纖維、短纖維、晶須和顆粒。,64,、其他基體復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料方面的研究工作，如熱壓燒結(jié)的碳化硅晶須增強(qiáng)氧化硅，或碳化硅基體的復(fù)合材料；氧化鋯顆粒增強(qiáng)碳化物陶瓷復(fù)合材料等的制