复合材料概论绪论2014ppt课件.ppt

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1、12教材：教材： 复合材料概论复合材料概论 作者：王荣国作者：王荣国 等等 哈尔滨工业大学出版社，第哈尔滨工业大学出版社，第3版版 (2011年年2月月1日日) u 复合材料的基体材料复合材料的基体材料u 复合材料的增强材料复合材料的增强材料u 复合材料的界面复合材料的界面u 聚合物基复合材料聚合物基复合材料u 金属基复合材料金属基复合材料u 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料u 水泥基复合材料水泥基复合材料u 碳碳/ /碳复合材料碳复合材料u 混杂纤维复合材料混杂纤维复合材料3A.土砖房子土砖房子4B. 钢筋水泥房子钢筋水泥房子史上最牛的钉子户5 我们住在复合材料里我们住在复合材料里6C. 燕子窝

2、：泥土燕子窝：泥土-草复合材料草复合材料7树木也是一种复合材料树木也是一种复合材料木质素木质素纤维素纤维素D. 自然界的复合材料自然界的复合材料竹、木、骨、贝壳、象牙和龟壳竹、木、骨、贝壳、象牙和龟壳 8复合概念复合概念a+ba+b+ca+b+c+复合材料：由两种以上在物理和化学性质上不同的复合材料：由两种以上在物理和化学性质上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料物质组合起来而得到的一种多相固体材料 9 这么简单的组合，通过简单的共混这么简单的组合，通过简单的共混得到，能有科学与技术的含量吗？得到，能有科学与技术的含量吗？ 贝壳被称为摔不坏的陶瓷，达到了贝壳被称为摔不坏的陶瓷，达到了强、

3、韧的最佳配合，是纯文石的强、韧的最佳配合，是纯文石的3000倍。倍。10 小到生活应用小到生活应用 旅行箱、洗脸盆、水管、电插板旅行箱、洗脸盆、水管、电插板 航空航天航空航天 哥伦比亚号航天飞机的失事哥伦比亚号航天飞机的失事11世界上最轻的自行车世界上最轻的自行车 整车重量仅有整车重量仅有1.25公斤公斤 12 海鳗的发电器瞬间可以发出海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压，足以电伏的电压，足以电死一头大象，但是它的发电器不是金属等导电器材，死一头大象，但是它的发电器不是金属等导电器材，而是蛋白质的分子集合体。而是蛋白质的分子集合体。仿生复合材料仿生复合材料13一般材料的强硬度与塑韧性是相互

4、矛盾的！一般材料的强硬度与塑韧性是相互矛盾的！ 但是贝壳却达到了强、韧的最佳配合，它又被称为摔不但是贝壳却达到了强、韧的最佳配合，它又被称为摔不坏的陶瓷坏的陶瓷 与其独特的微观结构密切相与其独特的微观结构密切相关。关。 贝壳中：珍珠层的叠层结构是贝壳中：珍珠层的叠层结构是其高断裂韧性的根源。研究表明其高断裂韧性的根源。研究表明珍珠层是由高强、硬度的纹石片珍珠层是由高强、硬度的纹石片叠层累积组成，但纹石片间存在叠层累积组成，但纹石片间存在韧性非常好的有机质层韧性非常好的有机质层文石层碳酸钙含量为文石层碳酸钙含量为99%，以蛋白质为主的有机质不到，以蛋白质为主的有机质不到1%. 14复合材料的使用

5、目的：复合材料的使用目的： 结构复合材料结构复合材料 功能复合材料功能复合材料性能性能应用应用组成与微结构组成与微结构 以其力学性能如强度、刚以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应度、形变等特性为工程所应用，主要用于结构承力或维用，主要用于结构承力或维持结构外形。持结构外形。 以其声、光、电、热、磁以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，用于等物理特性为工程所应用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、减振或热变形等热、声、光、电、磁的功能要求磁的功能要求。15什么是材料？什么是材料？对材料的认知？对材料的认知？材料和化学与物理

6、之间的关系？材料和化学与物理之间的关系？材料涉及的科学与技术？材料涉及的科学与技术？16参考书目参考书目u 复合材料学复合材料学周祖福周祖福 主编主编 出出 版版 社：武汉理工大学出版社社：武汉理工大学出版社u 先进复合材料先进复合材料鲁云鲁云 主编主编 出版社：机械工业出版社出版社：机械工业出版社u 复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础李顺林李顺林 王兴业主编王兴业主编 出版社：武汉工业大学出版社出版社：武汉工业大学出版社 17学习目的u了解复合材料的微结构与性能之间的关系了解复合材料的微结构与性能之间的关系u了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求了解复合材料中基体和增强相的种类、

7、特点和要求u理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机制和界面作用制和界面作用u了解常用的复合材料的组成、制备、结构等了解常用的复合材料的组成、制备、结构等18如何学习这门课程？讲授和自学两种方式讲授和自学两种方式考核方式考核方式 (1) 期末闭卷考试（期末闭卷考试（60%） (2) 自学写一篇有关自学写一篇有关“复合材料复合材料”的小综述、学习的小综述、学习心得、读书报告或自己想设计一种什么样的复合材心得、读书报告或自己想设计一种什么样的复合材料；料；“五一五一”黄金周之后上交（黄金周之后上交（30%）。）。 (3)考勤（考勤（10%）19一、复

8、合材料的定义u国际标准化组织国际标准化组织：由两种以上在物理和化学性质：由两种以上在物理和化学性质上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料料 u材料大词典材料大词典 ：复合材料是根据应用进行设：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。而制成的一类新型材料。20定义：定义： 由两种或两种以上，物理化学性质不同的由两种或两种以上，物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料。物质组

9、合而成的多相固体材料。 它既保留原组成材料的重要特色，又通它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能。关联，从而获得更优秀的性能。21复合材料复合材料22u天然木材天然木材 - - 纤维素纤维纤维素纤维 + + 木质素木质素u钢筋混凝土钢筋混凝土- - 砂、石、钢筋砂、石、钢筋 + + 水泥水泥u玻璃钢玻璃钢 - - 玻璃纤维玻璃纤维 + + 热固性树脂热固性树脂 uC/CC/C复合材料复合材料 - - 石墨碳纤维石墨

10、碳纤维 + + 热解碳或树脂碳热解碳或树脂碳 （耐烧蚀）（耐烧蚀）经常使用的复合材料23复合材料的组成相：复合材料的组成相：增强相增强相 - - 纤维、晶须、颗粒。（不连续相）纤维、晶须、颗粒。（不连续相） 基体相基体相 - - 金属、陶瓷、聚合物。（连续相）金属、陶瓷、聚合物。（连续相）24u增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。荷或显示功能。u基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将

11、增强相固结成一个整体，耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。起传递和均衡应力的作用。25Schematic illustration of composite constituents26二、复合材料种类 三大材料：三大材料：金属金属无机非金属无机非金属有机高分子有机高分子 复合材料复合材料取长补短取长补短协同作用协同作用产生原来单一材料本身所没有的新性能产生原来单一材料本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料27三、复合材料的特点 1） 复合材料是由复合材料是由两种或两种两种或两种以上不同性能的材料组元以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复

12、合形成的一种新型材料，组元之间通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的存在着明显的界面界面；2） 复合材料中各组元不但复合材料中各组元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性，而且，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材单一材料组元所不具备的优良特殊性能料组元所不具备的优良特殊性能；3）复合材料具有复合材料具有可设计性可设计性。可以根据使用条件要求进行。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。工程结构的效能。 28现代社会信息生命材料

13、社会29四、材料的发展世界是由物质组成的世界是由物质组成的 吃吃穿穿住住行行生产与生活资料生产与生活资料“只要知道物质的结构，人类在现在或未来能合成所有的东西只要知道物质的结构，人类在现在或未来能合成所有的东西。”30人造肉类人造肉类31材料是人类生存和发展的物质基础材料是人类生存和发展的物质基础钢铁时代钢铁时代高分子时代高分子时代多种材料并存的时代多种材料并存的时代生产生产力获力获得了得了极大极大地解地解放，放，推动推动着人着人类社类社会的会的进步！进步！旧石器时代旧石器时代新时期时代新时期时代青铜时代青铜时代铁器时代铁器时代322020世纪世纪6060年代以来，材料种类得到拓展，性能上得到

14、极大的扩展与年代以来，材料种类得到拓展，性能上得到极大的扩展与深度挖掘：光、声、磁、力、超导、高塑、超强、超硬、耐高温等深度挖掘：光、声、磁、力、超导、高塑、超强、超硬、耐高温等功能化功能化 复合化复合化 智能化智能化 生态化生态化高分子的发展高分子的发展德国化学家德国化学家H. Staudiger, 20世纪世纪30年代提出大分子概念年代提出大分子概念Ziegler和和Natta的定向聚合理论的诞生促进的定向聚合理论的诞生促进PP、PECarothers的缩合聚合理论，尼龙面世的缩合聚合理论，尼龙面世33五、复合材料历史古代近代先进复合材料古代近代先进复合材料天然复合材料竹、贝壳，树木和竹子

15、： 纤维素和木质素的复合体 动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 古代：使用 、效仿 半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆十九世纪末期出现 由纤维增强橡胶制成的轮胎、橡胶布。34 20世纪世纪40年代初，美国首先用玻璃年代初，美国首先用玻璃纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之后，玻纤增强塑料（我国俗称玻璃钢）后，玻纤增强塑料（我国俗称玻璃钢）广泛用于航空、造船、汽车、化工、电广泛用于航空、造船、汽车、化工、电器等国防和国民经济各部门。器等国防和国民经济各部门。 我国先进复合材料的应

16、用和研究是我国先进复合材料的应用和研究是从从20世纪世纪60年代末期开始的。年代末期开始的。35近现代： 第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纤维增强塑料年，玻璃纤维增强塑料 第二代：第二代：1960年到年到1980年，先进复合材料年，先进复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维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年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。用于飞机、火箭的主承力件上。 第三代：第三代：1980

17、年到年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料年，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。以铝基复合材料的应用最为广泛。 第四代：第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，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。如智能复合材料和梯度功能材料等。36(1) 强调基体强调基体 即强调了基体材即强调了基体材料的种类和特征料的种类和特征(2) 强调增强体强调增强体 即强调增强材料即强调增强材料的种类和性质的种类和性质酚醛树脂基复合材料、酚醛树脂基复合材料、铝合金基复合材料等铝合金基复合材料等碳纤维复合材料、金碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻属纤维复合材

18、料、玻璃纤维复合材料等璃纤维复合材料等六、复合材料的分类37金属基复金属基复合材料合材料非金属基非金属基复合材料复合材料复合材料复合材料高聚物基高聚物基复合材料复合材料陶瓷基复陶瓷基复合材料合材料树脂基复树脂基复合材料合材料橡胶基复橡胶基复合材料合材料热固性树脂热固性树脂基复合材料基复合材料热塑性树脂热塑性树脂基复合材料基复合材料六、复合材料的分类 （1）38颗粒增强颗粒增强复合材料复合材料纤维增强纤维增强复合材料复合材料复合材料复合材料连续纤维连续纤维复合材料复合材料不连续纤维不连续纤维复合材料复合材料层合层合结构结构复合复合材料材料缠绕缠绕结构结构复合复合材料材料颗粒强化颗粒强化复合材料复

19、合材料弥散强化弥散强化复合材料复合材料多向多向编织编织复合复合材料材料短切短切纤维纤维复合复合材料材料晶须晶须复合复合材料材料 颗粒直径范围颗粒直径范围150m，颗颗粒体积含量粒体积含量2570%，增强颗增强颗粒之间的距离一般大于粒之间的距离一般大于1m。颗粒的作用：由于颗粒本身的颗粒的作用：由于颗粒本身的刚硬阻止基体变形而起到增强刚硬阻止基体变形而起到增强作用。作用。颗粒直径范围颗粒直径范围0.010.1 m，颗粒体积含量颗粒体积含量115。颗颗粒的作用：阻止基体材料的粒的作用：阻止基体材料的位错运动而起到增强作用。位错运动而起到增强作用。由无纬布或纤维由无纬布或纤维织物铺叠而成织物铺叠而成

20、由纤维粗纱缠由纤维粗纱缠绕或纤维织物绕或纤维织物带按一定缠绕带按一定缠绕规律卷绕而成规律卷绕而成由纤维在三维多由纤维在三维多方向编织而成方向编织而成六、复合材料的分类 （2）39Classes of composites40纤维增强复合材料种类纤维增强复合材料种类 玻璃玻璃纤维复合材料；纤维复合材料； 碳纤维碳纤维复合材料；复合材料； 有机纤维有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；维等）复合材料； 金属纤维金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料； 陶瓷纤维陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维

21、等）复合材料。（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。混杂混杂复合材料：复合材料：两种或两种以上增强体两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料与同一基体制成的复合材料可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的即复合材料的“复合材料复合材料”。41按按基体材料基体材料分类分类 聚合物基聚合物基复合材料复合材料: :以有机聚合物（热固性树脂、热塑以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；性树脂及橡胶等）为基体； 金属基金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；

22、无机非金属基无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。水泥）为基体。42按按材料作用材料作用分类分类 结构结构复合材料：用于制造受力构件；复合材料：用于制造受力构件； 功能功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。u 同质同质复合材料（增强材料和基体材料属于同复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳种物质，如碳/碳复合材料）碳复合材料）u 异质异质复合材料（复合材料多属此类）。复合材料（复合材料多属此类）。43复合材料系统组合分散相分散相连续相连续

23、相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机有机高分高分子材子材料料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶44u 各种材料的发展状况各种

24、材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟非常成熟 广泛的应用广泛的应用 金属基复合材料金属基复合材料 开发阶段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决45复合材料的设计复合材料的设计从常规设计向从常规设计向仿生仿生设计发展设计发展u仿照仿照竹子竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合备出具有明显组织梯度与性能梯

25、度的新型钢基耐磨梯度复合材料。材料。u仿照仿照鲍鱼壳鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了铝和硼混合成陶瓷细带制成了1010微米厚的薄层，由此得到的微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固层状复合材料比其原材料坚固4040。u仿照仿照骨骼骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料中层是玻璃纤维增强复合材料、内

26、层是硬泡沫塑料。46性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是它们的结合界面、成型工艺等。它们的结合界面、成型工艺等。1 1、主要取决于增强相的性能、主要取决于增强相的性能 . .比强度、比刚度高比强度、比刚度高 . .冲击韧性和断裂韧性高冲击韧性和断裂韧性高 . .耐疲劳性好耐疲劳性好 . .减震性减震性 . .热膨胀系数小热膨胀系数小 复合材料的性能比较复合材料的性能比较裂纹扩展示意图裂纹扩展示意图47材料材料密度密度g/cmg/cm3 3抗拉强度抗拉强度10103 3MPaMPa弹性模量弹性模量105MPa105MPa比强度比强度比模量比模量

27、钢钢7.81.032.10.130.27铝合金铝合金2.80.470.750.170.26钛合金钛合金4.50.961.140.210.25玻璃钢玻璃钢2.01.060.40.530.20碳纤维碳纤维/ /环氧环氧1.451.501.41.030.97有机纤维有机纤维/ /环氧环氧1.41.40.81.00.57硼纤维硼纤维/ /环氧环氧2.11.382.10.661.0硼纤维硼纤维/ /铝铝2.651.02.00.380.57各种材料的比强度和比模量各种材料的比强度和比模量48、硬度、硬度 陶瓷基陶瓷基 金属基金属基 树脂基树脂基、耐热性、耐热性 树脂基树脂基: 60 250 金属基金属基:

28、 400 600 陶瓷基陶瓷基: 1000 1500、耐自然老化、耐自然老化 陶瓷基陶瓷基 金属基金属基 树脂基树脂基2 2、取决于基体相的性能、取决于基体相的性能49、导热导电性、导热导电性 金属基金属基 陶瓷基陶瓷基 树脂基树脂基、耐蚀性、耐蚀性 陶瓷基和树脂基陶瓷基和树脂基 金属基金属基、工艺性及生产成本、工艺性及生产成本 陶瓷基陶瓷基 金属基金属基 树脂树脂基基 50 粒子增强复合材料粒子增强复合材料 粒子增强复合材料是将粒粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变中，使其阻碍导致塑性变形的形的位错运动位错运动( (金属基体金属基体) )和

29、和分子链运动分子链运动( (聚合物基聚合物基体体) )。 这种复合材料是各向同性这种复合材料是各向同性的。的。 卫星用颗粒增强铝基复合材料卫星用颗粒增强铝基复合材料零件零件复合材料介绍复合材料介绍51 聚合物基粒子聚合物基粒子复合材料如复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料。性塑料的钙塑材料。 陶瓷基粒子陶瓷基粒子复合材料如氧复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。化锆增韧陶瓷等。 粒子增强粒子增强SiCSiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶碳黑增强橡胶52 金属基粒子复合材

30、料金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组氧化物、硼化物等组成的非均质材料。成的非均质材料。 碳化物金属陶瓷作为碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应工具材料已被广泛应用，称作用，称作硬质合金硬质合金。硬质合金通常以硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。等作为强化相。 硬质合金组织硬质合金组织(Co+WC)(Co+WC)53 硬质合金主要硬质合金主要有有钨钴钨钴(YG)和和钨钴钛钨钴钛(YT)两两类类。 硬质合金硬度硬质合金硬度极高，且热硬极高，且热硬性

31、、耐磨性好，性、耐磨性好，一般做成刀片，一般做成刀片，镶在刀体上使镶在刀体上使用。用。硬质合金模具硬质合金模具硬质合金轴承刀具硬质合金轴承刀具54 层状复合材料层状复合材料是指在基体中是指在基体中含有多重层片含有多重层片状高强高模量状高强高模量增强物的复合增强物的复合材料。这种材材料。这种材料是各向异性料是各向异性的的(层内两维同层内两维同性性)。如。如碳化硼碳化硼片增强钛、胶片增强钛、胶合板合板等。等。层状陶瓷复合材料断口形貌层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合三明治复合55 双金属、表面涂层双金属、表面涂层等也是层状复合材料。等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、

32、结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。运输及包装等。 有有TiNTiN涂层的高尔夫球头涂层的高尔夫球头铝合金蜂窝夹层板铝合金蜂窝夹层板层状复合层状复合56 聚合物基纤维增强复合材料聚合物基纤维增强复合材料 通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。料。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。提高，比强度也高得多。材料种类材料种类纵向抗拉强度纵向抗拉强度 MPaMPa纵向弹性模量纵向弹性模量 GPaGPa环氧树脂环氧树脂69696.96.9环氧树脂环氧树脂

33、 / E/ E级玻璃纤维级玻璃纤维102010204545环氧树脂环氧树脂 / / 碳纤维（高弹性）碳纤维（高弹性）12401240145145环氧树脂环氧树脂 / / 芳纶纤维（芳纶纤维（4949）138013807676环氧树脂环氧树脂 / / 硼纤维（硼纤维（70 % V70 % Vf f ）1400-21001400-2100210-280210-28057聚合物基纤维增强复合材料零件聚合物基纤维增强复合材料零件芳纶刹车片芳纶刹车片高温构件碳纤维增强聚酰亚胺高温构件碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机复合材料制航空发动机58复合材料在航空中的应用复合材料在航空中的应用 美国美国F/A

34、-18歼击机歼击机美美UH60A型直升飞机型直升飞机59 飞机飞的更高更远更快：飞机飞的更高更远更快： 目前，用金属制成的飞机最高时速大约为目前，用金属制成的飞机最高时速大约为3000km，最高飞行高度约最高飞行高度约30km，最大飞行距离约，最大飞行距离约20000km。 如果飞机的质量减轻一半，则飞行速度可提高一倍，如果飞机的质量减轻一半，则飞行速度可提高一倍，飞行高度可达飞行高度可达40km或或50km以上，飞机绕地球一周而以上，飞机绕地球一周而无需加油。无需加油。 可见质量轻、综合性能好的复合材料在航天航空可见质量轻、综合性能好的复合材料在航天航空工业中具有其他材料不可取代的重要性工业

35、中具有其他材料不可取代的重要性60 纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（基复合材料（MMC）可以使用在较高温的）可以使用在较高温的工作环境之下。工作环境之下。 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。合金。l作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和和C纤维；纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用纤维通常以短纤维的形式用于于MMC中。中。61 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)虽强度和弹性模量（刚度）虽强度和弹性模量

36、（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了这在一定程度上限制了MMC的应用范围的应用范围。航天飞机桁架航天飞机桁架62 纤维增强陶瓷复合材料纤维增强陶瓷复合材料 陶瓷材料耐热、耐磨、陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提度，改善韧性，并提高使用温度。高使用温度。 陶瓷中增韧纤维受外陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材耗能量，耗能越多材料韧性越好

37、。料韧性越好。 C/CC/C复合材料复合材料63 用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须航器件上采用。现在发现，晶须 (如如SiC 和和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。能起到陶瓷材料增韧的作用。ZnOZnO晶须晶须自增韧自增韧SiSi3 3N N4 4陶瓷陶瓷64 玻璃钢玻璃钢 增强剂增强剂 玻璃纤维（主要是玻璃纤维（主要是SiO2），比强度和），比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。比模量高，耐蚀，绝缘。粘结剂（基体）粘结剂（基体）热固性

38、的酚醛、环氧树脂，热热固性的酚醛、环氧树脂，热塑性的聚脂。塑性的聚脂。性能（与基体相比）性能（与基体相比） ( 比比 ) 强度，疲劳性能，强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。韧性，蠕变抗力高。用途用途 轴承，轴承架，齿轮，车身。轴承，轴承架，齿轮，车身。65 碳纤维树脂复合材料碳纤维树脂复合材料增强剂增强剂 碳纤维碳纤维 ( 石墨石墨 ) ，强度和弹性模量高，强度和弹性模量高，且且2000以上保持不变；以上保持不变；-180不变脆。不变脆。 粘结剂（基体）粘结剂（基体） 环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯。乙烯。性能（与基体相比）性能（与基体相比） 强度，疲劳性能，韧性，强

39、度，疲劳性能，韧性，耐蚀，蠕变抗力高。耐蚀，蠕变抗力高。用途用途 火箭外壳火箭外壳 ，齿轮，轴承，活塞，密封圈，齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器。化工容器。66 硼纤维树脂复合材料硼纤维树脂复合材料 增强剂增强剂 硼纤维硼纤维, b=27503140MPa，E=382392MPa（4倍于玻纤）。倍于玻纤）。基体基体 环氧树脂等。环氧树脂等。性能性能 抗压、剪切和疲劳强度高，蠕变小，硬抗压、剪切和疲劳强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，耐辐射度和弹性模量高，耐辐射, 化学稳定（水化学稳定（水, 有机溶剂有机溶剂, 燃料燃料, 润滑剂）润滑剂）, 导热性能和导电导热性能和导电性能好。性能好。用途用途 航空和宇航材料。航空和宇航材料。67 硼纤维金属复合材料硼纤维金属复合材料基体基体 铝镁及其合金，钛及其合金。铝镁及其合金，钛及其合金。性能性能 如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝合金，比强度高于钢和钛极限高于高强铝合金，比强度高于钢和钛合金合金 。用途用途 航空、火箭航空、火箭 。