复合材料结构设计基础第一章 绪论课件

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1、复合材料结构设计基础材料科学与工程学院2009年9月?复合材料？复合材料有哪些类型？复合材料有哪些特性？复合材料在材料科学领域占有何种地位？复合材料结构设计基础学什么？第一章绪论复合材料定义、分类、发展现状、特性；本课程学习内容；课程基本要求。1.1复合材料定义复合材料（Compositematerial）定义：由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。两种或两种以上;物理化学性质不同;人工组合;多相：细观级;固体材料。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1.2复合材料发展概况自古有之:稻草+

2、泥、漆器=麻布+生漆等；近代复合材料：纤维增强橡胶、玻璃钢（1932年）现代复合材料：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）。我国发展现状：始于军品开发，1958年研制出玻璃钢快艇、手提火箭发射管；60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。1

3、.3复合材料的组成复合材料的基本组成基体-连续相：传递荷载和保护增强相；增强材料-分散相：承受荷载；填料-分散相：提供特殊功能。1.4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基体材料分类按增强材料形状分类0.01~0.1μm1~50μm1.5复合材料的特性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材料更为优异的性能。复合材料主要特性1）性能可设计性2）力学性能3）物理性能4）工艺特性性能的可设计性是复合材料最大特点。1.5.1性能可设计性复合材料最

4、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可选择不同纤维（CF、GF、KF、UHMPE等）、不同基体（环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等）、以及纤维含量、铺层、表面处理等形式设计出满足不同使用性能要求的构件。1.5.2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，主要表现在各向异性；比强度、比模量高；耐磨性好（MMC、C/C复合材料）；抗疲劳性能

5、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材料密度g/cm3抗拉强度MPa拉伸模量GPa比强度×106/cm比模量×108/cm膨胀系数×10-6/KC/环氧1.6180012811.380.2芳纶/环氧1.415008010.75.7-2B/环氧2.116002207.610.54.0碳化硅/环氧2.015001307.56.52.6石墨纤维/铝2.28002313.

6、610.52.0钢7.814002101.42.712铝合金2.8500771.72.823钛合金4.510001102.22.49.01.5.3物理性能密度小：CFRP1.6g/cm3、GFRP1.8g/cm3；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，还同结构材料的比模量平方根成正比。减振结构材料（CFRP）、隐身材料；1.5.4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

7、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。1.5.5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复合材料的应用航空航天器的结构体常常把轻量化放在第一位，特别是从20世纪60年代后期开始开发了碳纤维后，其优异的比强度、比刚性对机体的轻量化带来了可能。70年代，为了追求极限

8、的运动性能，首先在要求迫切的战斗机上采用复合材料，而在民用飞机上，70年代发生的石油危机成了采用复合材料的重大契机。在采用复合材料初期，成本是第二位的，如何较多地减轻重量是关心的焦点，但是最近复合材料应用扩