復(fù)合材料的概念、分類與發(fā)展歷程.ppt

1、1,復(fù) 合 材 料,2,主要參考資料,1、現(xiàn)代復(fù)合材料-陳華輝 鄧海金 李 明 （中國(guó)物質(zhì)出版社,1998） 2、復(fù)合材料概論-王榮國(guó) 武衛(wèi)莉 （哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999） 3、復(fù)合材料-吳人潔（天津大學(xué)出版社,2000） 5、復(fù)合材料及其應(yīng)用尹洪峰,任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003） 6、高性能復(fù)合材料學(xué)-郝元愷,肖加余 (化學(xué)工業(yè)出版社,2004) 7、先進(jìn)復(fù)合材料-魯 云 朱世杰 馬鳴圖 （機(jī)械工業(yè)已出版社,2004） 8、復(fù)合材料-周曦亞（化學(xué)工業(yè)出版社,2005）,3,第一章 復(fù)合材料的概念、分類及其發(fā)展歷程 第二章 復(fù)合材料基本特性、應(yīng)用及其研究現(xiàn)狀 第三章 復(fù)合材料的基體

2、材料 第四章 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料 第五章 復(fù)合材料的成型工藝 第六章 功能復(fù)合材料 第七章 復(fù)合材料的復(fù)合原則及界面 第八章 陶瓷基復(fù)合材料 第九章 金屬基復(fù)合材料,目 錄,4,第一章 復(fù)合材料的概念、分類及其發(fā)展歷程,5,材料分類：金屬、無(wú)機(jī)非金屬、有機(jī)高分子材料 各有千秋 揚(yáng)長(zhǎng)避短 克服單一材料的缺點(diǎn) 產(chǎn)生原來(lái)單一材料沒(méi)有本身所沒(méi)有的新性能 復(fù)合材料,6,10000BC,各種材料在各個(gè)歷史時(shí)期相對(duì)重要性,3,7,、復(fù)合材料的定義,什么是復(fù)合材料 (Composition Materials , Composite) ? 要給復(fù)合材料下一個(gè)嚴(yán)格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點(diǎn)，有

3、關(guān)復(fù)合材料的定義或偏重于考慮復(fù)合后材料的性能，或偏重于考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu),8,諸如（） 復(fù)合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復(fù)合后的整體性能應(yīng)超過(guò)組分材料，保留了所期望的性能(高強(qiáng)度、剛度、輕的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。,偏重于考慮復(fù)合后材料的性能,9,（） 復(fù)合材料是多功能的材料系統(tǒng)，它們可提供任何單一材料所無(wú)法獲得的特性；它們是由兩種或多種成分不同，性質(zhì)不同，有時(shí)形狀也不同的相容性材料，以物理形式結(jié)合而成的。,10,FL. Matthews和DRawlings認(rèn)為，復(fù)合材料是兩個(gè)或兩個(gè)以上組元或相組成的混合物，并應(yīng)滿足下面三個(gè)條件： (1)組元含量大于5； (2)復(fù)合

4、材料的性能顯著不同于各組元的性能， (3)通過(guò)各種方法混合而成。,11,按這Matthews和Rawlings給出的定義，鋼鐵及其合金不應(yīng)屬于復(fù)合材料，如CoCrMoSi合金不屬于復(fù)合材料，因?yàn)檫@種合金經(jīng)過(guò)熔化和凝固過(guò)程；而僅有像SiC顆粒強(qiáng)化的Al合金這種混合而成的材料才屬于復(fù)合材料。因此有人認(rèn)為可將復(fù)合材料劃分為廣義復(fù)合材料和狹義復(fù)合材料。,12,從廣義上講，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)的組分組合而成的材料。但在現(xiàn)代材料學(xué)界中，復(fù)合材料專指由兩種或兩種以上不同相態(tài)的組分所組成的材料。 復(fù)合材料可定義為：用經(jīng)過(guò)選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過(guò)人工復(fù)合、組

5、成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。,13,上述復(fù)合材料的定義較易被普遍接受，它不僅明確指出復(fù)合材料是“通過(guò)人工復(fù)合的”和“有特殊性能的”材料，而且還指明了復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與其他種材料（如簡(jiǎn)單混合物、化合物、合金）的特征區(qū)別。 根據(jù)上述復(fù)合材料的定義，復(fù)合材料應(yīng)不包括自然形成的具有某些復(fù)合材料形態(tài)的物質(zhì)、化合物、單相合金和多相合金。,14,以下面五點(diǎn)概括了復(fù)合材料的特點(diǎn)： 1、復(fù)合材料的組分和相對(duì)含量是由人工選擇和設(shè)計(jì)的； 2、復(fù)合材料是以人工制造而非天然形成的（區(qū)別于具有某些復(fù)合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)）；,15,3、組成復(fù)合材料的某些組分在復(fù)合后仍然保持其固

6、有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）； 4、復(fù)合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同。復(fù)合材料具有新的、獨(dú)特的和可用的性能，這種性能是單個(gè)組分材料性能所不及或不同的； 5、復(fù)合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。,16,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材料。 材料科學(xué)技術(shù)百科全書中關(guān)于復(fù)合材料的定義如下： 復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)越的性能，與一般材料

7、的簡(jiǎn)便混合有本質(zhì)區(qū)別。,17,材料大辭典中關(guān)于復(fù)合材料的定義為： 復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上的有機(jī)聚合物材料，或無(wú)機(jī)非金屬材料，或金屬材料組合在一起，使之互補(bǔ)性能優(yōu)勢(shì)，從而制成的一類新型材料。一般由基體組元與增強(qiáng)材料或功能體組元所組成，因此亦屬于多相材料范疇。,18,根據(jù)材料大辭典中關(guān)于復(fù)合材料的定義可以看出,復(fù)合材料具有兩個(gè)鮮明的特點(diǎn): 、復(fù)合材料不僅能保持原組分的部分優(yōu)點(diǎn)，而且產(chǎn)生原組分所不具備的新性能。 、復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。由于各種原材料都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，所以在組合時(shí)可能出現(xiàn)如下圖所示的結(jié)果。,19,因此復(fù)合材料必須通過(guò)對(duì)原材料的選擇，各組分分布的設(shè)計(jì)和工藝條

8、件的保證等，以使原組分材料的優(yōu)點(diǎn)互相補(bǔ)充，同時(shí)利用復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。,20,綜上所述，復(fù)合材料應(yīng)具有以下三個(gè)特點(diǎn)： (1)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過(guò)宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面。 (2)復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。,21,(3)復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會(huì)使材料的性能顯著增強(qiáng)，故常稱為增強(qiáng)

9、體 (也稱為增強(qiáng)材料、增強(qiáng)相等)。 在大多數(shù)情況下，分散相較基體硬，強(qiáng)度和剛度較基體大。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。在基體與增強(qiáng)體之間存在著界面。,22,通過(guò)對(duì)各種定義、解釋加以總結(jié)，復(fù)合材料應(yīng)包括： 組元是人們根據(jù)材料設(shè)計(jì)的基本原則有意識(shí)地選擇，至少包括兩種物理和力學(xué)性能不同的獨(dú)立組元，其中一組元的體積分?jǐn)?shù)一般不低于20，第二組元通常為纖維、晶須或顆粒； 復(fù)合材料是人工制造的，而非天然形成的。 復(fù)合材料的性質(zhì)取決于組元性質(zhì)的優(yōu)化組合，它應(yīng)優(yōu)于獨(dú)立組元的性質(zhì)，特別是強(qiáng)度、剛度、韌性和高溫性能。,23,復(fù)合材料在世界各國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一的名稱和命名方法，比較共同的趨勢(shì)是根據(jù)

10、增強(qiáng)體和基體的名稱來(lái)命名，通常有以下三種情況：,2、復(fù)合材料的命名,24,（1）強(qiáng)調(diào)基體時(shí)以基體材料的名稱為主。如樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。 （2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)以增強(qiáng)體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。,25,（3）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來(lái)表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。,26,例如：“玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料”，或簡(jiǎn)稱為“玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料或玻璃纖維/環(huán)氧”。而我國(guó)則常把這類復(fù)合材料通稱為“玻璃鋼”。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫

11、“金屬基復(fù)合材料”，也可寫為“碳金屬?gòu)?fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳碳復(fù)合材料”。,27,國(guó)外還常用英文編號(hào)來(lái)表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP（Fiber Reinforced Plastics）表示纖維增強(qiáng)塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep),28,、 復(fù)合材料的分類,隨著材料品種不斷增加，人們?yōu)榱烁玫匮芯亢褪褂貌牧希枰獙?duì)材料進(jìn)行分類。 材料的分類，歷史上有許多方法：,29,（）按材料的化學(xué)性質(zhì)分類，有金屬材料、非金屬材料之分。 （）按物理性質(zhì)分類，有絕緣材料、磁性材料、遠(yuǎn)光材料、半導(dǎo)體

12、材料、導(dǎo)電材料等。 （）按用途分類，有航空材料、電工材料、建筑材料、包裝材料等。,材料的分類,30,復(fù)合材料的分類方法也很多，常見(jiàn)的分類方法有以下幾種： 一、按增強(qiáng)材料形態(tài)分為以下三類 1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料： a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長(zhǎng)纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處； b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無(wú)規(guī)則地分散在基體材料中；,31,2、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中； 3、板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。 其他增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體,32,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖a)層疊復(fù)合 b)連續(xù)纖維復(fù)合 c)

13、細(xì)粒復(fù)合 d)短切纖維復(fù)合,33,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為以下五種： 玻璃纖維復(fù)合材料； 碳纖維復(fù)合材料； 有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料； 金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料； 陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復(fù)合材料。,34,混雜復(fù)合材料：兩種或兩種以上增強(qiáng)體同一種基體制成的復(fù)合材料?？梢钥闯墒莾煞N或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。,35, 玻璃纖維復(fù)合材料 用玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料的復(fù)合材料，即玻璃鋼。玻璃鋼分為兩種，即熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼。,36,、熱塑性玻璃鋼 熱塑性玻璃鋼是以玻璃

14、纖維為增強(qiáng)劑和以熱塑性樹(shù)脂為粘結(jié)劑制成的復(fù)合材料。 、熱固性玻璃鋼 熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)劑和以熱固性樹(shù)脂為粘結(jié)劑制成的復(fù)合材料。,37, 碳纖維復(fù)合材料 、碳纖維復(fù)合材料：作基體的樹(shù)脂，目前應(yīng)用最多的是環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚四氟乙烯。 、碳纖維碳復(fù)合材料：用有機(jī)基體浸漬纖維坯塊，固化后再進(jìn)行熱解，或纖維坯型經(jīng)化學(xué)氣相沉積，直接填入碳。 、碳纖維金屬?gòu)?fù)合材料：主要用于熔點(diǎn)較低的金屬或合金，如在碳纖維表面鍍金屬，制成了碳纖維金屬?gòu)?fù)合材料。 、碳纖維陶瓷復(fù)合材料：我國(guó)研制了一種碳纖維石英玻璃復(fù)合材料。,38,硼纖維復(fù)合材料 硼纖維是由硼氣相沉積在鎢絲上來(lái)制取的。 、硼纖維樹(shù)脂復(fù)合材料：基體

15、主要為環(huán)氧樹(shù)脂、聚苯并咪唑和聚酰亞胺樹(shù)脂等。 、硼纖維金屬?gòu)?fù)合材料：常用的基體為鋁、鎂及其合金，還有鈦及其合金等。,39,金屬纖維復(fù)合材料 作增強(qiáng)纖維的金屬主要是強(qiáng)度較高的高熔點(diǎn)金屬鎢、鉬、鋼、不銹鋼、鈦、鈹?shù)?，它們能被基體金屬潤(rùn)濕，也能增強(qiáng)陶瓷。 、金屬纖維金屬?gòu)?fù)合材料：研究較多的增強(qiáng)劑為鎢鉬絲，基體為鎳合金和鈦合金。 、金屬纖維陶瓷復(fù)合材料：利用金屬纖維的韌性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。,40,二、按材料作用分兩類 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料； 功能復(fù)合材料。,41, 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 主要用于制造受力構(gòu)件；結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要是作為承力結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料，它基本上是由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能聯(lián)接增強(qiáng)體成為整體

16、承載同時(shí)又起分配與傳遞載荷作用的基體組元構(gòu)成。,42,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料又可按基體材料類型和增強(qiáng)體材料類型來(lái)分類見(jiàn)下圖所示：,43,、 按基體類型分類,44,B、按增強(qiáng)體類型分類,45,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn) 可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材和增強(qiáng)體排布設(shè)計(jì)，從而充分發(fā)揮各組元的效能。,46, 功能復(fù)合材料 指具備各種特殊物理與化學(xué)性能的材料。 例如：聲、光、電、磁、熱、耐腐蝕、零膨脹、阻尼、摩擦、屏蔽或換能等。,47,功能復(fù)合材料中的增強(qiáng)體又可稱為功能體組元，它分布于基體組元中。 功能復(fù)合材料中的基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能夠產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能的作用。,48,除了上面的各種各樣的復(fù)合材料

17、以外，還有同質(zhì)復(fù)合材料和異質(zhì)復(fù)合材料。 同質(zhì)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料） 異質(zhì)復(fù)合材料（前面提及的復(fù)合材料多屬此類）。,49,復(fù)合材料目前狀況 （）玻璃鋼和樹(shù)脂基復(fù)合材料 非常成熟 廣泛的應(yīng)用 （）金屬基復(fù)合材料 開(kāi)發(fā)階段 某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位 （）陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等 尚處于研究階段 有不少科學(xué)技術(shù)問(wèn)題有待解決,50,、 復(fù)合材料發(fā)展概況 復(fù)合材料發(fā)展簡(jiǎn)史： 學(xué)術(shù)界開(kāi)始使用“復(fù)合材料”（composite materials ）一詞大約是在20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯，開(kāi)辟了現(xiàn)代復(fù)合材料的新紀(jì)元。,51,從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，

18、開(kāi)發(fā)出多種高性能纖維。 20世紀(jì)80年代以后，由于人們豐富了設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試等方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，加上各類作為復(fù)合材料基體的材料的使用和改進(jìn)，使現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展達(dá)到了更高的水平，即進(jìn)入高性能復(fù)合材料的發(fā)展階段。,52,復(fù)合材料的整個(gè)發(fā)展過(guò)程可表示為：,古代,近代,先進(jìn)復(fù)合材料,53,天然復(fù)合材料 自然界中存在許許多多的天然復(fù)合材料。例如，樹(shù)木和竹子是纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體； 動(dòng)物的骨骼則由無(wú)機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。,54,人類很早就接觸和使用各種天然復(fù)合材料，并仿效自然界制作各種各樣的復(fù)合材料。例如 陜西半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今； 漆器麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年； 敦煌壁畫泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆。,55,近代，復(fù)合材料的發(fā)展始于20世紀(jì)40年代，第二次世界大戰(zhàn)中，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料被美國(guó)空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開(kāi)始算起。50年代得到了迅速發(fā)展。 我國(guó)從1958年開(kāi)始發(fā)展復(fù)合材料,56,現(xiàn)