第11讲-复合材料课件

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1、第1节复合材料的发展概述一、基本概念1、定义复合材料：是由两种或者多种不同类型、不同性质、不同相的材料，运用适当的方法，将其组合成具有整体结构、性能优异的一类新型材料体系。或者也可以这样表述：将两种或两种以上的材料在显微尺度内复合，使得各组成相的性能互补，而获得的一种性能优异的新材料。木材、骨骼和牙齿等都是自然界中存在的复合材料。图17-1就是几种常见复合材料的显微组织。复合材料可以按照人们的意愿设计成为韧性、强度、重量、高温性能、腐蚀性能、硬度、或者传导性的优异结合体。复合材料设计的重点就是如

2、何使不同的材料能够发挥最佳协调作用。2、复合材料的分类（1）按基体材料分，复合材料可以分为五类：树脂基复合材料碳/碳（C/C）复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料纳米复合材料（2）按增强材料分，可分为四类：纤维增强复合材料颗粒增强复合材料混杂增强复合材料纳米改性复合材料（3）按增强材料形态分，可分为四类：连续纤维增强复合材料短切纤维（晶须）增强复合材料颗粒或填料填充复合材料纳米改性复合材料（4）按用途分类，可分为两类：功能复合材料结构复合材料一般较为常用的分类方法是采用按基体分类方法。基体材料在

3、复合材料显微结构中被称为连续相，增强材料被称为分散相。结构复合材料的主要优势之一在于其优异的高温力学性能，随基体材料的不同，复合材料使用温度范围如图8-2所示。目前，树脂基复合材料已从研究阶段步入应用阶段，其成型工艺手段较多，应用范围最广，用量最大。C/C复合材料则已在航空、航天和热防护中取得了较为广泛的应用，其制造工艺也日趋成熟，属于发展前景十分光明的高级复合材料。纳米复合材料则是近期发展起来的高新材料，纳米复合材料仍处于研究阶段。0-3类复合材料（纳米粉体改性传统材料）已从实验室进入初步应用

4、阶段，某些品类已批量生产。陶瓷基复合材料经过添加增强材料有效地解决了陶瓷脆性大的弱点，尽管处于研发阶段，但目前已解决了一些关键技术和问题，正处于工程化应用的前期。金属基复合材料目前仍处于研发阶段，其制造工艺如气相法、液相法和固相法与金属材料制造工艺大致相同。3、复合材料的基本原理对于给定的使用条件，每一种材料都有各自的优点和缺点。在形成复合材料时，这些优缺点被重新组合。如图8-1所示，材料A和材料B单独使用时，各自的优缺点同时存在，材料的性能分别为状态II和VI。但将两种材料组合获得的复合材料其

5、性能可是他们各自优点的组合(状态I)，或各自缺点的组合(状态V)，或他们优缺点的交叉组合(状态III及状态IV)。实际上复合材料的性能并不仅仅取决于其组成相的性能，还与他们的界面特性密切相关。因此，复合材料的性能并不是组成相性能的简单叠加。通常结构复合材料的部分综合性能(密度、弹性模量、强度等)近似表现为为两种组成相的性能的平均，即(8-1)式中K、K1、K2分别为复合材料及组成相1和2的性能；1、2分别为复合材料中组成相1和2的体积分数。功能复合材料的性能则往往表现为乘积效应，如书中表

6、8-1所示。需要注意的是，式8-1在外加应力过大的情况下，此时由于复合材料的基体会开始变形，所以复合材料的应力-应变关系不再呈线性变化。图17-8就展示了这种变化关系。4、复合材料制造技术复合材料制造技术是将上述两种或者多种不同类型、不同性质、不同相的材料合成为一性能优异的整体结构的“适当方法或者技术”。（1）根据增强方式不同，其成形方法也有所区别。常见成形方法包括——长纤维及编织体增强：液态合金浸渗法(加压及不加压)机械复合热压成形法颗粒及短纤维增强：粉末冶金法液态混合铸造法半固态铸造法液态合

7、金浸渗法共喷射沉积法自生复合材料方法（2）按照复合过程基体材料的状态分，成形技术可分为：固相法液相法固-液相法二、复合材料的发展状况自20世纪40年代，第二次世界大战期间，美国用碎布增强酚醛模树脂压制成型出大口径弹带、步枪枪托和护木以来，揭开了复合材料制造技术发展的帷幕。历经60多年，在发展速度和规模、应用范围和产量，对现代技术与生产进步的推动与影响，以及本身的科学研究与深度和广度等诸多方面，复合材料尤其是先进复合材料领域中所取得的成就和技术进步，已超过人类历史上曾出现和使用过的任何材料。复合材

8、料已成为当代军事技术、航空航天技术、空间技术、武器装备技术、信息技术、能源工程、海洋工程、生物工程，乃至民用工业不可缺少的材料之一。经过几代人不懈努力，复合材料目前已形成四类复合材料共存，而树脂基复合材料则形成五代复合材料共用的良好局面。1、树脂基复合材料第一代树脂基复合材料是以玻璃纤维增强复合材料为代表，在20世纪50~60年代以“玻璃钢”名称著称，广泛应用于军事、航空航天、兵器、船舶等诸多行业。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，产品由原先在附件上使用而逐步发