1、复合材料概论,杨天武昆明理工大学 材料学院TEL： 13987185554EMAIL: OFFICE：重点实验室303,教学教材复合材料概论王荣国,武卫莉等（哈尔滨工业大学出版社，2004）参考资料现代复合材料陈华辉 ,邓海金,李 明（中国物质出版社,1998）2、复合材料吴人洁（天津大学出版社,2000）3、复合材料科学与工程倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002)4、复合材料及其应用尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003）5、高性能复合材料学郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004)6、新材料概论 谭毅, 李敬锋(冶金工业出版社,2004) 7、先进复合材料 鲁 云 ,朱世杰 ,马鸣图
2、（机械工业出版社,2004）,总论基体增强材料树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料C/C复合材料 主要以介绍性能、成型方法、应用,复合材料概论主要内容,考核方式,平时成绩占总成绩的30理论部分考试，占总成绩的70,第一章 总论,复合材料？ 简历？ 复合材料的那些类型？ 复合材料的特性？ 用途？,6,轮胎、混凝土、玻璃钢、皮带、编织袋、瓦楞板,1.1复合材料发展概况,国际标准化组织ISO（International Organization for Standardization)复合材料（Composite material）定义：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
3、固体材料。连续相基体分散相增强材料各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。,1.1 复合材料发展概况,复合思想的产生：单一材料无法满足人们对结构性能的要求自古有之近代复合材料现代复合材料我国发展现状,自古有之,距今7000年前的西安半坡村遗址中曾发现草拌泥制成的墙壁和砖坯，其性能优于草和泥；4000年以前的漆器是典型的纤维增强复合材料，它是用丝、麻及其织物为增强相，以生漆做粘结剂一层一层铺敷在底胎（模具）上，待漆干后挖去底胎成型。,近代复合材料,学术界开始使用“复合材料”（composite materials ）一词大约是在20世纪
4、40年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯，开辟了近代复合材料的新纪元。近代复合材料的发展主要从军事上轻质、高性能需求发展起来的。纤维增强橡胶：轮胎是以帘子线增强橡胶复合材料；玻璃钢：1932年在美国出现，1940年制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机雷达罩，其后美国莱特空军发展中心设计制造了GFRP为机身和机翼的飞机。二战以后开始迅速扩展到民用材料。,现代复合材料,从20世纪60年代开始，开发出多种高性能纤维。 20世纪80年代以后，由于人们丰富了设计、制造和测试等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料基体的材料的使用和改进，使现代复合材料的发展达到了更高的水平，即进入高性能复合材料的发展阶段。
5、进入20世纪70年代，GFRP比强度和比刚度还不够理想，满足不了对重量敏感、强度和刚度要求很高的尖端技术要求。因而开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并以此增强高性能树脂、金属与陶瓷制成先进复合材料（ACM）。用于飞机、火箭、卫星、飞船等航天飞行器。,三件值得一提的成果,1、美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它以结构小巧重量轻而称奇于世。2、第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙
6、拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁，用碳/碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成，被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。在这架代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。3、是在波音-767大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使收音机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。,1) 树脂基复合材料,第一代复合材料是以玻璃纤维增强复合材料为
7、代表，在20世纪50-60年代以“玻璃钢”的名称广泛应用于军事、航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、汽车、电子电气等行业。后来逐步形成的“玻璃钢”制造技术是树脂基复合材料的重大技术进步和历史性变革，其产品质量有了质的飞跃，产品由原来在附件上应用而后来逐步发展作为结构件或受力结构件得到广泛应用。,第一代复合材料美国S994玻璃纤维拉伸强度高达4650 MPa，这种高强度高模量价格低廉的复合材料在武器装备、工业设备、车辆中广泛应用。国外发达国家和军事强国也在高新技术领域、武器装备、航天航空和车辆中大量采用这类复合材料，以减轻质量、降低成本、增加装置或设备的功能特性。是目前用量最大、技术最为成熟的低成
8、本复合材料之一。,第二代树脂基复合材料是以碳纤维增强复合材料为代表。它以卓越的比强度（12.8MPa）、比模量（12.8GPa）凌驾于当时各种材料之首。由碳纤维增强的聚酰亚胺具有在300 以上长期使用、低温脆化(温度)点达-196的优异性能，因此获得了各国工业部门和军方的高度重视，在工业领域、空间技术、航天航空、地面武器装备中被广泛使用。随着碳纤维生产规模的扩大，成本的降低，在普通工业和常规兵器上的应用将获得新的突破。,第三代树脂基复合材料是有机纤维增强复合材料，以美国杜邦公司的Kevlar(芳纶)纤维复合材料为代表。这种热熔性液晶聚合物纤维比强度优越，弹性模量是玻纤的2倍，价格只有碳纤维的1
9、3。加上其突出的韧性和回弹性是其他纤维所不具备的。故而问世不久就被各国工业部门和军方采用。是目前最有发展前途的增强材料之一。,第四代树脂基复合材料是20世纪80年代末美国Allied公司商品化的一种Spectra-900和1000为代表的超高强度，超高模量的高拉伸聚乙烯纤维。相继荷兰DSM研究所和日本东洋纺织公司联合开发了Dyneema高拉伸聚乙烯纤维，并用其制造出环氧基复合材料，其拉伸强度达3.5GPa、模量达125GPa、比强度比钢大10倍、比碳纤维大4倍、比芳纤大50，20世纪90年代可称为世界上强度最大的纤维，而且其密度最小(0.92kgm3)。 具有可透射雷达波、介电性极佳、结构强度
10、高等特点，经V50弹道实验表明该纤维属20世纪90年代抗弹性最好的弹道材料，故而在兵器上获得了较为广泛的应用，特别是装甲防护领域更是这种复合材料发挥作用的一展身手的领域；另外，可作为超轻质复合结构材料和超轻质功能结构材料加以应用。 目前，这四代树脂基复合材料已形成四代共用局面。其材料技术和应用研究也逐步深入，生产规模不断扩大，品种增多，为工程设计和新产品设计与研制提供了更为广泛的选材余地。,第五代树脂基复合材料-第五代为PBO纤维增强复合材料(商品名为柴隆Zylon)。美国道化学公司和日本东洋纺织公司合作研制成功的聚苯并双曙唑(PBO)纤维及其复合材料被称为21世纪超级纤维复合材料。该纤维无熔
11、点，高温下不熔融，在空气中的热分解温度高达650 ，比对位芳酰胺纤维高100 左右。极限氧指数为68，在有机纤维中，小于PTFE纤维(95)，而高于聚苯并眯唑(PBl)纤维(41)。 该纤维在与火焰接触后不收缩，移去火焰后基本无残焰，布料质地柔软。其密度为1.54-1.56gcm3，拉伸强度为5.8GPa，拉伸模量为280GPa，断裂伸长率为3.5。可制成短切纤维、织物、毡等，与树脂浸渍性亦佳，加工性能良好。是目前唯一将优越的力学性能、卓越的耐高温性能和优良的加工性能结合在一起的有机纤维。1994年，日本东洋纺公司开始批量生产，是21世纪集耐高温和力学特性为一身的超高性能复合材料。也是一代更新
12、换代的材料品种。,2) C/C复合材料,20世纪50年代以来，碳纤维技术的出现，为将石墨材料发展成为一种真正实用的结构材料提供了条件。20世纪60年代，在美国空军材料实验室支持下，一种新的材料C/C复合材料试制成功。它具有优异的比强度和比弹性模量。今天C/C复合材料已广泛应用于军事工业和民用工业的各个领域。,C/C复合材料的真正实用化得益于多向编织技术的出现和发展。20世纪60年代末期出现了用于树脂基和碳基复合材料制造的编织技术，并成功地完成了圆轮、空心圆柱、平锥体结构的编织，此后，通过正确选取和设计增强织物以满足复杂结构的需要成为可能。今天C/C复合材料增强体可以有二向、三向、五向、七向、十
13、一向等多种形式。特别是20世纪80年代，多维整体编织技术的出现使得极大地发挥C/C复合材料潜力成为可能。,C/C复合材料具有优异的综合性能，迄今为止是用于宇航工业、热结构和固体火箭发动机喷管的最理想的烧蚀结构材料，但其过长的工艺周期、过高的制造成本在一定程度上限制了它的应用。 C/C复合材料的改性方向主要围绕着提高性能和降低成本而展开。在提高性能方面,近年来提出的一项重要途径是应用难熔碳化物涂层来提高C/C复合材料的抗氧化能力、降低烧蚀率、承受更高的燃气温度或更长的工作时间。所用的难熔碳化物有碳化硅(SiC)、碳化铪(HfC)、碳化钽(TaC)、碳化铌(NbC)、碳化锆(ZrC)等，美、俄、法
14、等国家均已开展这方面的研究并已取得阶段性的成果，涂覆工艺多用化学气相沉积(CVD或CVl)和化学气相反应(CVR).,在降低成本方面，除编织技术外，更重要的是致密工艺的改进，目前已着手研究的有强制热梯度CVI工艺、快速致密工艺、等离子气相沉积工艺、使用新型高残碳率前驱体(如PAA)及采用智能工艺控制系统来提高工艺质量等。从目前的研究结果来看，使用强制热梯度CVI工艺比均热法可提高效率10-30倍，而采用智能工艺控制系统可使预制件的工艺时间缩短11、成本降低15-20。,26,3) 陶瓷基和金属基复合材料,尚处于研究阶段，还未进入批量生产和实际应用。具有优异的高温强度，目前是可用其制作摩擦结构材
15、料、固体发动机喷管和燃烧室壳体之间的热结构连接件的理想材料，此外，还可用作出口锥和延伸锥的一些部件(如喷管背壁防热绝热系统等)。陶瓷基复合材料作为固体发动机的热结构连接件，已进行过发动机地面热试车。 众多陶瓷材料中，以氮化硅系高温热结构陶瓷复合材料最引人注目。其综合性能较突出，具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、硬度高、韧性好、热胀系数小、密度较低等特点，非常适于制作高温承力部件。目前，先进国家已把氮化硅系陶瓷材料作为热结构的首选陶瓷材料进行广泛、重点的研究与开发。Si3N4系陶瓷材料在军用和民用领域均有十分广阔的应用前景。,复合材料在中国,始于军品开发，1958年研制出玻璃钢快艇、手提火箭发射管60
16、年代研制成用于远程火箭的GF-酚醛树脂烧蚀防热弹头、 GFRP直升机螺旋桨1970年制造出直径44米的GFRP雷达罩70年代以后GFRP逐渐转入民用，如冷却塔、化学储罐、水箱、汽车部件、运动器材等目前研发FRTP、MMC和CMC,复合材料的组成,1.2 复合材料的命名和分类,1）按材料作用分类 2）按增强材料形状分类3) 按基体材料分类,按材料作用分类,按增强材料形状分类,按基体材料分类,1.3 复合材料的基本性能,各有千秋扬长避短 克服单一材料的缺点 产生原来单一材料本身所没有的新性能,1.3 复合材料的基本性能,复合材料能构保持原组分材料的部分特性和优点的同时取长补短，从而可获得比单一组分
17、材料更为优异的性能。复合材料主要特性 1）多性能性 2）性能可设计性 3）可制任意形状 性能的可设计性是复合材料最大特点。,性能可设计性,复合材料最显著的特性是其性能（主要指力学性能、物理性能和工艺性能）在一定范围内具有可设计性。选择基体、增强体的类型及其含量；增强体在基体中的排列方式；基体与增强体之间的界面性能。来获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能 。例如：FRP,37,2、可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一,设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。,具体体现在两个方面,力学设计给制品一定的强度和刚度,功能设计给制品除力学性能外的
18、其他性能,力学性能,与传统材料相比，复合材料一般具有优异的力学性能，主要表现在比强度、比模量高；耐磨性好（MMC、C/C复合材料）；抗疲劳性能好，通常金属材料的疲劳强度极限/拉伸强度=30-50%，而CFRP的疲劳强度极限/拉伸强度=70-80%；抗冲击能力强（如：RMC）；高温性能好（如：MMC、C/C复合材料）,表1-1 传统金属材料与复合材料性能比较,物理性能,密度小：比强度、比模量高；低膨胀系数小：热稳定性好,（如CFRP、KFRP可设计成零膨胀结构）；导电、导热性：导电和超导材料、散热结构；抗冲刷、耐烧蚀：CMC、C/C复合材料；阻尼性能：受力结构的自振频率除与形状有关外，还同结构材
19、料的比模量平方根成正比。减振结构材料（CFRP）、隐身材料；,工艺特性,不同复合材料成型及加工工艺差别很大，但各类复合材料相对于其所用的基体材料而言，成型与加工工艺并不复杂，有时很简单。如：RMC、MMC、CMC可整体成型，可大大减少结构中的装配零件数量，提高构件的质量和使用可靠性；短纤维或颗粒增强MMC，可采用传统的金属工艺进行制备和二次加工。,影响复合材料性能的主要因素,增强材料的性能；基体材料的性能；含量及其分布状况； 界面结合情况；作为产品还与成型工艺和结构设计。,1.6 复合材料的应用,目前复合材料已大量应用在航空航天、国防、建筑、化工、能源、体育等国民经济经济各领域。,1.6.1
20、航空航天领域中的应用,复合材料的高比强度、高比模量、良好的抗疲劳损伤、独特的可设计性，可使飞行器显著提高结构效率和寿命，减轻重量，改善气动力性能，同时在隐身、智能、结构综合等方面显示巨大的潜力。,刚发明飞机时,是用木质和布料制造飞机的。随着飞行速度的不断增快,木布结构已无法承受显著增大的载荷,因而很快进入了金属结构时代,前期以铝合金和钢为主,后期由于钛合金的兴起而形成铝合金、钛合金和钢三分天下的局面。“比强度”高于上述金属材料的纤维增强树脂基复合材料问世后,飞机开始进入了金属/复合材料混合结构的时代。,喷气式飞机出现后,飞机材料主要采用铝合金,但现在这种趋势发生了变化。铝合金在早期战斗机上确实
21、占有相当大的份额,一般在70%以上,其次是钢,约占20%。不过铝合金和钢在先进战斗机上的用量已经逐渐缩小,而钛合金和树脂基复合材料的用量则不断爬升, 美国F-22飞机,钛合金的用量已跃居首位(41%),树脂基复合材料的用量24%,而铝合金和钢的用量却分别降至第三位(16%)和第四位(5%).再如美国研制的JSF飞机,波音公司的X32方案，洛克希德马丁公司的X35方案都将大量地采用钛合金。X35的复合材料计划用量大致与F22相当,而X32上复合材料的计划用量竟高达40%左右。,洛克希德马丁公司联合了诺斯罗普格鲁门公司和英国宇航公司，研制X-35。,铝合金和钢在飞机上的用量会逐渐减少,而钛合金和复
22、合材料的优良性能恰恰适应了先进飞机发展的客观需要。钛合金的强度和使用温度上限与钢相近,密度却只有钢的57%左右,减重效果显而易见。铝合金的密度虽小,但由于强度显著低于钛合金,其“比强度”仍不及钛合金,尤其当零部件工作温度较高时,使用温度上限较低的铝合金更不得不让位给钛合金。当零部件的工作温度较低时,铝合金又遇到了比钛合金更强劲的竞争对手复合材料, 被“比强度”更优越的复合材料所“侵占”。当然，铝合金和钢的成本要比钛合金和复合材料低得多,只要能满足飞机性能指标, 还会尽量选用铝合金和钢。,国外军用飞机上应用情况,续表,国外民用飞机上复合材料的应用,波音767用复合材料,某飞机垂尾使用复合材料减轻
23、的重量,美国90年就计划到20世纪末在先进作战飞机上复合材料的用量将占结构总重量的26%65%。每架飞机平均使用2.4-4.5t，年增长率8%-20%，到2000年先进复合材料在飞机上的用量超过3万t.,直升飞机上应用,金属桨叶的寿命一般不超过3000h，而复合材料桨叶的寿命可达10000h以上。1987年第一架全复合材料飞机波音公司的360直升机，被称为直升机技术的第二次革命。,航天器结构对材料的要求,发射时，航天器受到很大的加速度过载和强烈的振动，要求材料有足够的强度；为了避免航天器和发射系统共振，要求结构有足够的刚度；在轨运行中航天器处于高低温交变环境中，某些部件（如卫星抛物线天线等）尺
24、寸精度要求很高，必须有尽可能小的热膨胀系数； 高真空及粒子、紫外辐射下具有足够的稳定性；返回式航天器结构，还要求防热、耐热。,应用例,卫星天线：用石墨/环氧复合材料天线支撑桁架比铝合金减重50%，可设计成零膨胀系数结构；太阳电池帆板：要求高比模量、低热变形，采用碳/环氧材料；空间平台材料：石墨/铝；热结构材料：C/C、C/SiC、SiC/SiC；隔热材料：SiC/SiO2防热瓦使用温度高达1260 ，用于哥伦比亚和挑战者，各用了31000块；低密度烧蚀材料、对流冷却结构、热管结构等,哥伦比亚航天飞机所用复合材料,导弹,烧蚀材料复合材料壳体喷管材料：CMC、C/C固体火箭发动机的全复合材料化：美
25、国飞马座火箭的三级固体火箭发动机采用的复合材料已占其构件质量的94%，大富大降低了结构重量。,烧蚀材料,导弹运行环境：飞行速度20马赫、弹头锥体表面温度3500左右。早期的宇宙神、大力神、雷神导弹弹头采用热容量大、比热容高的金属如钨、钼、铜制作弹头的锥部，以吸收大量的气动热量而防止熔化，但材料密度大，使弹头结构笨重、吸热量不够大。烧蚀式防热材料：在热流作用下能发生分解、熔化、蒸发、升华等多种物理和化学变化，借材料自身的质量消耗带走大量的热量，以防止热流传入弹头内部的目的。,应用例,复合材料壳体,主要指标：在满足强度和刚度的前提下减重，比铝合金减重30%以上,应用,图片,1.6.2 交通与能源工
26、业中的应用,机场路面：钢纤维混凝土；汽车：壳体、保险杠、板簧（GFRP板簧疲劳寿命钢板弹簧，而重量仅为钢板弹簧的20%）、发动机进气歧管（GF/尼龙）、活塞（Al2O3/铝硅合金）；发电：风力发电机叶片；船舶：渔船、游艇、救生艇、军用舰艇承载/隐身一体化结构,目前最大的复合材料猎扫雷舰为美国的复仇者（avenger）级猎扫雷舰，全船船体为木层-玻璃钢混合结构。其骨架为夹层木板所制，其船体外板为4层厚木板，外层包玻璃钢,扫雷舰,法国海军生产的“拉菲特”级护卫舰上层建筑后半部包括机库主要采用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）夹层板,护卫舰,1.6.3 医疗、体育、娱乐方面应用,医疗器具：X射线透光板
27、，采用CFRP是铝的8倍；玻璃钢轮椅；体育、娱乐器械：FRP赛艇、FRP皮艇、CFRP桨、CFRP高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、弓箭、钓鱼竿；GFRP水上滑道，儿童滑梯等,1.64 复合材料在电子工业中的应用,电子功能材料是电子元器件和电子装备的基础和支撑。复合材料可赋予电子产品以轻质、高强度、高刚度、高尺寸精度等特性。例如：印刷线路板、天馈系统、电磁屏蔽系统、计算机壳体等,1) 印刷线路板,玻璃布基敷铜箔板具有高耐潮湿性、绝缘强度及绝缘电阻大，已大量取代纸基板而广泛应用于彩电、计算机、雷达等的印刷线路板；美国杜邦公司Kevlar复合材料印刷线路板，其抗拉强度高、尺寸稳定性好、有效抑制了树脂基体
28、与铜因受热膨胀引起的分层，尺寸稳定性好。,2) 天馈系统,天线：美国“海盗号”火星宇宙飞船的抛物面天线反射体采用CFRP为正反面蒙皮，正面贴敷铝箔，中间为铝蜂窝夹心结构。整个天线重量是铝制天线的1/3，且在空间环境下的热稳定性好。我国也在1991年研制成功CFRP天线用于直升机反潜雷达。馈源：1987年我国研制出CFRP战场雷达天线用馈源重量只有0.88kg，而铜馈源是4.04kg。,1.6.4 其他应用,建筑工业：建筑雕塑、卫生洁具、冷却塔、建筑补强，水处理设备等化学工业：防腐蚀设施、容器、管道；机电工业：齿轮、轴承、飞轮、永磁体；,1.7 复合材料知识体系,复合材料力学复合材料结构力学复合材料结构数值分析复合材料结构设计方法复合材料成型工艺复合材料机械复合材料测试技术,小结,本章重点掌握内容： 复合材料定义； 复合材料的组成和各组分的作用； 复合材料的分类方法； 复合材料的主要特性； 复合材料应用领域。,
