毕业论文 复合材料的发展和应用.docx
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毕业论文复合材料的发展和应用
毕业论文复合材料的发展和应用
题目复合材料的发展和应用
专业材料工程技术
1绪论
1.1什么是复合材料
1.2复合材料的组成
1.3复合材料的发展历程
1.4复合材料的分类
1.5复合材料的应用方向
2当前复合材料的发展和应用
2.1当前复合材料的发展
2.2复合材料的应用
2.3复合材料的组合分类、组成与应用
2.3.1组合与分类
2.3.1.1复合材料系统组合表
2.3.1.2分类
2.3.2组成与特性
2.3.2.1概述
2.3.2.2组成
2.3.3特性
2.3.3.1一般特性
2.3.3.2一般性能特点
3先进树脂基复合材料的发展和应用
3.1什么是先进树脂复合材料
3.2先进树脂的发展方向和应用
3.2.1向高性能化、高减重效率方向发展
3.2.2重视制造技术研究、生产条件改造和综合配套技术协调发展
3.2.3重点开发低成本的技术
3.2.4强调复合材料一体化综合技术的发展
3.2.5重视热塑性复合材料的研究和应用
4热塑性纤维复合材料的发展和应用
4.1塑性纤维复合材料的特点
4.2塑性纤维复合材料的发展和应用
4.3复合材料的填料和增强材料的市场概况
4.3.1各种填料和增强材料的的市场份额
4.3.2主要填料和增强纤维的价格
4.3.3天然纤维的市场需求
4.3.4天然纤维的市场份额
5透光复合材料
5.1透光复合材料的定义和种类
5.2透光复合材料的特点
6三维机织复合材料的发展和应用
6.1二维编织复合材料的应用
6.2三维机织复合材料
6.3三维机织复合材料的应用
1绪论
1.1什么是复合材料
复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的机械工程材料。
各种组成材料在性能上能互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求。
1.2复合材料的组成
复合材料的组成包括基体和增强材料两个部分。
非金属基体主要有合成树脂、碳、石墨、橡胶、陶瓷;金属基体主要有铝、镁、铜和它们的合金;增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等有机纤维和碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝及硬质细粒等
。
1.3复合材料的发展历程
复合材料的历史可追溯很远，如从古沿用迄今的稻草增强粘土，和已使用上百年的钢筋混凝土，就是由两种不同材料复合而成。
-钨电触头材料，碳化钨-钴基硬质20世纪20年代以后发展起来的铜-钨和银
合金，和其他粉末烧结材料，其实质也是复合材料。
40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）的雷达罩，从此出现了复合材料这一名称。
50年代以后陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度、高模量纤维;70年代又出现了芳香族聚酰胺纤维（简称芳纶纤维），如聚对苯甲酰胺纤维和碳化硅纤维。
这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体，或铝、镁、钛等金属基体复合而成各具特点的材料，为了区别于一般玻璃纤维增强材料，这种材料称为高级复合材料。
1.4复合材料的分类
复合材料根据其组成可分为金属与金属复合材料;金属与非金属复合材料;非金属与非金属复合材料三种。
根据结构特点又可分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架复合材料。
1.5复合材料的应用方向
复合材料范围广，品种多，性能优异，有很大的发展前途。
主要用于汽车、军工、航天、机器人、原子能等尖端技术。
民用方面除高级运动器材和关键性机械零部件外，其他还很少正式采用。
本论文主要是写关于先进树脂基复合材料的发展和应用，热塑性纤维复合材
料的发展和应用，电磁复合材料的发展和应用前景，透光复合材料的发展和应用，
三维机织复合材料的发展和应用。
2当前复合材料的发展和应用
2.1当前复合材料的发展
材料是一切工业的基础。
材料的发展从从远古至今已经经历了漫长的石器时代、青铜器时代、钢铁时代。
随着现代科学技术的发展，对材料提出了更高的要求，单一的材料性能已经无法满足现代工业的生产和科学技术发展的要求，利用复合技术把不同的材料结合在一起组成新的材料，取各自材料的点优弥补自己的缺点，从而达到市场的需求，同时能达到节能、降耗、降低成本、废物回收利用、改善劳动条件、发挥最佳的经济效益等综合目的。
石器青铜器
钢铁复合材料
2.2复合材料的应用
近年来复合材料的发展和应用，推动来材料工业的巨大革命。
复合材料最早应用于航天，航空等高科技工业中，而近年来美、日等国在汽车、建筑等工业部门也广泛应用。
据美国材料工程师协会预测，到公元2000年，将有90种以上的结构材料被复合材料代替。
因此可以说，就使用材料而言，复合材料的发展是必然方向和大势所趋。
特别是对于中国等森林、矿产资源紧缺的国家而言，更是势在必行，具有重大而深远的意义。
从70年代末到80年代初国家就对化工部、轻工部、建材部提出以塑（树脂复合材料）代钢、代木的口号，并为国家“七五、八五”专题攻关项目，成立了三部联合的化学建材领导小组。
2.3复合材料的组合分类、组成与特性
2.3.1组合与分类
2.3.1.1复合材料系统组合表
连续相
分散相金属材料无机非金属材料有机邮寄高分子
材料
金属纤维（丝）纤维金属基复合钢丝、水泥复合材增强橡胶
金属材料料
材料金属晶须晶须、金属基复合材晶须、陶瓷基复合
料材料
金属片材金属、塑料板
纤维纤维、金属基复合材纤维、陶瓷基复合
无陶料材料
机瓷晶须晶须、金属基复合材晶须、陶基复合材
非料料
金颗粒弥散强化复合材料粒子填充塑料
属玻纤维纤维、树脂复合
材璃材料
料粒子
纤维碳纤维、金属基复合纤维、陶基复合材纤维、树脂复合
碳材料料材料
炭黑颗粒、橡胶
有机纤维颗粒、树脂基复
有机合材料
高分塑料金属、塑料纤维、树脂基复
子材合材料
料橡胶
2.3.1.2分类
（1）按来源:
天然、人工复合材料等
（2）按基体:
树脂基、金属基、无机非金属基复合材料等
（3）按增强体形态:
颗粒增强（particle-reinforced）
短纤或晶须增强（choppedfiberorwhiskersreinforced）
连续长纤增强（continuousfiber-reinforced）
多维编织布增强（bridedfabeicorfilament
winding-reinforced）
三维编织体增强等
（4）按应用:
结构、功能、智能复合材料等
）按增强材料品种:
玻纤、碳纤、有机纤维复合材料等（5
（6）按特定意义:
通用、先进、现代、近代、混杂、纳米、原位、分子、宏观复合才来哦等
2.3.2组成与特性
2.3.2.1概述
聚合物基复合材料（polyme-matrixcomposites,PMC）
金属基复合材料（metal-matrixcomposites,MMC）
陶瓷基复合材料（共同构成——现代复合材料体系）
碳、碳复合材料（carbon-carboncomposites,CMC）
有机胶凝基复合材料（fibetreinforcedconcete,FPC）
2.3.2.2组成
（1）基体（matrix）
（2）增强材料（reinforcement）（都是一个庞大的材料体系，品种繁多，结构和性能呈多样化，复合体系的系统组合、排列给复合材料的巨大发展空间，原则上，基体与增强体结构与性能差异越大，越有复核人价值，但更为重要的是基体与增强体之间的匹配。
）
A.颗粒增强体:
高强、高模、耐高温的陶瓷和墨等非金属材料的细微粉末，主要起增强、增韧作用，而不是普通填料的填充体积或降低成本的作用，增强体价格往往比基体还贵。
B.短纤维（晶须）:
长径比5—1000之间，横截面面积小于50乘以1的负五次方平方厘米的含缺陷很少的单晶纤维，其模量和强度接近其晶体的理论值。
主要有金属须、氧化物晶须、氮化物晶须和无机盐类晶须。
C.纤维及其织物:
植物纤维、动物纤维、碳物纤维、合成纤维等
2.3.3特性
2.3.3.1一般特性:
A.可设计性
B.结构复合与成型一次性完成，整体性较好C.性能分散性大，性能对工艺工程及工艺参数及偶然性因素都十分敏感，难
精确控制结构和性能
D.复合效应（多种复合效应）
2.3.3.2一般性能特点:
A.比强度、比模量大
B.破坏安全性高
C.耐疲劳性好
D.阻尼减震性好
E.耐火蚀性能好
3先进树脂基复合材料的发展和应
用
3.1.什么是先进树脂复合材料
先进树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成,具有明显优于原组分性能的一类新型材料。
目前广泛应用的先进树脂基复合材料主要包括高性能连续纤维增强环氧、双马和聚酰亚胺复合材料。
先进树脂基复合材料具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特点,已经成为继铝合金、钛合金和钢之后的最重要航空结构材料之一。
先进树脂基复合材料在飞机上的应用,可以实现15%~30%减重效益,这是使用其它材料所不能实现的。
3.2先进树脂的发展方向和应用
3.2.1向高性能化、高减重效率方向发展
西方最新研制机种使用的碳纤维由T300、AS4转向T800、IM7，如F-22、EF200、B777等均用T800，与T300相比，其性能可提高30%-40%。
树脂则选用改性双马BMI和改性环氧，如
F-22主承力结构用5250-4BMI树
脂，耐温达200。
C，CAI值为
220MPa（实际使用值为167MPa）。
比外还采用增韧环氧977-3，CAI
值为348MPa。
B777采用3900-2
高韧性环氧树脂，CAI值为
324-345MPa。
第四代韧性双马树
脂5260，耐温230。
C，CAI值
340MPa，较适合于民航机采用。
高性能纤维和高韧性树脂的F-22总体气动外型布局应用可提高先进复合材料的各种
综合性能和放宽设计许用值，从而可将减重效率由目前的20%-25%提高到30%
或更高。
3.2.2重视制造技术研究、生产条件改造和综合配套技术协调发展
除继续采用成熟的热压罐成型技术外，还应对编织/RTM、缝编/RTM、缠绕、拉挤、注塑等多种成型技术进行研究。
大力研究先进的ATP技术，发展自动切割下料、自动铺带、自动钻铆等技术。
先进的ATP设备可铺叠76.2-156.4mm的专用碳纤维/BMI预浸带（带厚约0.2mm），F-22就成功地采用这项技术完成了机翼上下蒙皮的叠层工作，
LockheedMartin
和Boeing公司都在积
极开发JSF战斗机发动
机S形进气道的ATP
技术，此外，V-22、
C-17和美国陆军的先进
战车均计划采用先进的
ATP技术。
航空先进树脂复合材料的应用
3.2.3重点开发低成本的技术
制造成本过高是制约复合材料扩大应用，特别是民用领域应用的主要障碍，降低成本乃是当务之急。
降低成本应从设计、材料、制造、使用、维护等多方面综合考虑，应推广大丝束纤维（48-320K）、RTM工艺、固化自动监控、整体成型、特种格栅结构和真空渗透等技术的应用。
美国准备通过低成本技术研究，设想在10-15年的时间内实现先进战斗机主要复合材料结构件制造成本降低一个数量级的目标。
其主要技术思路为:
进一步提高复合材料结构件的整体性，更多地采用共固化和胶接技术以及复合材料的DFM（DesignforManufacture）和DFA（DesignforAffordability）技术，真正实现复合材料的优化应用，从而大大提高复合材料的应用效益，实现制造成本降低一个数量级的目标。
目前国内先进复合材料的研究和应用通常都具有时间紧、经费少、任务重的特点，往往缺乏从设计、制造到使用、维护的全过程成本的精细模拟分析和评估，存在重大技术决策和最终成果预测不科学和定量预测结果少等问题，消除这些矛盾对确保复合材料科研工作高起点和顺利进行以及研究成果的推广应用具有重要作用。
3.2.4强调复合材料一体化综合技术的发展
复合材料技术本身正向着技术综合化、功能多样化和智能结构化方向发展，它的研究和应用往往涉及设计、材料、制造、测试、使用和维护等诸多专业技术领域。
其发展应用上任何成功的突破都是各专业人员协同工作的结果，需要各专业人员协同工作，为一个共同的目标而努力，这样才能集中有限的人力、财力和
物力，在较短的时间内完成繁重的研制任务。
3.2.5重视热塑性复合材料的研究和应用
以连续纤维或长纤维增强的热塑性复合材料（常以PP、PA、PC及高性能塑料PEEK、PES、PPS等为基体材料），既具有热固性复合材料那样良好的综合力学性能，又在材料韧性、耐腐蚀性、耐磨性及耐温性方面有明显的优势，而在工艺上还具有良好的二次或多次成型和易于回收的特性，其良好的发展和应用前景是显而易见的，因此，要继续重视发展热塑性复合材料，使热塑性复合材料的研究和应用得到进一步发展。
4热塑性纤维复合材料的发展和应
用
4.1塑性纤维复合材料的特点
塑性纤维复合材料（,,,,）是纤维复合材料（,,,）中的一大门类。
在热固性纤维复合材料的启发下，萌发了研制热塑性纤维复合材料的想法。
热塑性纤维复合材料有下列特点:
（有较高的断裂韧性
b.纤维预浸料和片状模料有不限的贮存期
;（耐化学药品及耐水性
（热成型性能好，生产效率高
（废料可再生利用
（普通热塑性复合材料密度低，价格便宜，模具费用小
（高性能热塑性纤维复合材料有极高的比强度、比刚度和韧性，有耐热性、阻燃性及空间性能等特性
（产品设计自由大，可制成复杂形状的产品
4.2塑性纤维复合材料的发展和应用
热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料（LFP）、连续纤维增强预浸带（MITT）和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料（GMT）。
根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。
随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收利用的优势，该品种的复合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占到树脂基复合材料总量的30%以上。
高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多，基体以PP、PA为主。
产品有管件（弯头、三通、法兰）、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、GMT模压制品（如吉普车座椅支架）、汽车踏板、座椅等。
玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。
滑石粉填充的PP具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。
滑石粉增强PP在车内装饰方面有着重要的应用，如用作通风系统零部件，仪表盘和自动刹车控制杠等，例如美国HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窝状结构的吸音天花板和轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。
云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、低价格等特点，利用云母/聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、车门护栏、电机风扇、百叶窗等部件，利用该材料的阻尼性可制作音响零件，利用其屏蔽性可制作蓄电池箱等。
我国的热塑性树脂基复合材料的研究开始于20世纪80年代末期，近十年来取得了快速发展，2000年产量达到12万吨，约占树脂基复合材料总产量的17%，，所用的基体材料仍以PP、PA为主，增强材料以玻璃纤维为主，少量为碳纤维，
在热塑性复合材料方面未能有重大突破，与发达国家尚有差距。
4.3复合材料的填料和增强材料的市场概况
4.3.1各种填料和增强材料的市场份额
2000年北美地区复合材料用的填料和增强材料的市场需求量为249（5万吨，其中:
碳酸钙99（8万吨，占40,;
玻璃纤维77（l万吨，占31%;
其它矿物填料54（4万吨，占22,;
天然纤维为18（l万吨，占7,。
4.3.2主要填料和增强纤维的价格
2000年北美地区主要填料和增强材料的平均价格为:
玻璃纤维1（98美元,kg
其它天然纤维0（38美元,kg
碳酸钙0（15美元,kg
木纤维0（13美元,kg
两种木纤维粉的价格为:
40——60目木纤维粉0（22——0（24美元,kg
80——200目木纤维粉0（27——0（40美元,kg
三种麻类纤维的价格为:
亚麻0（33一0（46美元,kg
大麻0（33—1（43美元,kg
洋麻0（33一0（66美元,kg
4.3.3天然纤维的市场需求量
北美地区复合材料用天然纤维的历史需求量为:
1980年4（7万吨
1990年5（2万吨2000年18（1万吨
在上述市场需求量中，木纤维和木纤维粉占绝大部分。
今后几年木纤维粉和麻类纤维的市场需求量将有较大幅度的增长。
据预侧，今后几年40一60目木纤维市场需求量的年增长率将达到70,，80—200目的年增长率也将达到25,。
麻类纤维今后几年市场需求量的年增长率为亚麻60,，大麻50,，洋麻50,。
4.3.4天然纤维的市场份额
用作复合材料的填料和增强材料的天然纤维在不同应用领域中的市场份额为:
建筑制品75,
工业,消费品10,
8,汽车零部件
5透光复合材料
5.1透光复合材料的定义和种类
定义:
透光复合材料是以透明树脂和纤维增强材料复合而成的新型采光材料，
按照基体材料的种类可分为:
A.不饱和聚脂透光复合材料、
B.甲基丙烯酸树脂透光复合材料、
C.改性甲基丙烯酸树脂透光复合材料
D.聚氯乙烯透光复合材料
5.2透光复合材料的特点
透光复合材料属第三代采光材料，它除具有玻璃的透光性能外，还具有很多玻璃无以相比的特点:
A（比重小，单位采光面积的重量轻，其比重相当于玻璃的60,，一般厚度只有1,,，而玻璃的最小厚度为3,,，因此，每mm采光材料的重量只相当于玻璃重量的20。
B（导热系数小，玻璃的导热系数为1.392,,,?
，而透光复合材料的导热系数只有0.232,,,?
，比玻璃小5倍以上，因此，用透光复合材料设计居住建筑采光，不论是在北方寒冷地区冬季采暖，或是南方夏季降温，都能有效的节约能源。
C（透光复合材料的透光质量可以根据使用条件要求进行设计，如农业温室用的采光复合材料，可以根据农作物生长对光谱要求的特点，提高太阳光中红橙光和紫外光的透过率，使农作物增产。
D（透光均匀，光线透过大多数透光复合材料后会产生散射，因而不会在室内形成光斑。
这一特点，特别适用于精加工车间、商场天井和室内运动场采光等。
E（透光复合材料抗冲击强度高，施工、运输及受冰雹打击后不易破碎，也不会产生自爆，破坏后的透光复合材料也不会像玻璃那样，造成碎玻璃片伤人，使用比较安全。
特别适用于公共建筑的屋顶采光，工厂的平天窗采光及易燃易爆的化工厂生产车间采光。
F（透光复合材料能透光又能承受外力，兼有采光材料和结构材料的功能，在建筑工程的采光设计中，不需要像玻璃那样设计支承结构。
因此，采用透光复合材料能够提高单位采光面积的透光率（省去承结构，简化采光工程设计和降低工程造价。
G（成型容易，一次可以成型形状复杂的大尺寸采光制品，如采光罩，采光拱形板等，大大地简化了采光工程设计。
H（施工运输方便，透光复合材料采光制品在施工运输过程中不易损坏，故能减少损耗、降低工程造价。
6三维纺织复合材料的发展和应用
6.1二维编织复合材料的应用
二维聚合物基层合板的应用，在船舶上超过50年，在航空约有30年，晟近20年用在汽车和建筑物、桥梁等基础结构。
尽管二维层合板已长期使用，但由于制造问题和某些力学性能差，在许多结构上受到限制。
二维层合板结构由人工铺叠，劳动强度太，费用高。
由预浸料制造层合板还需冷藏保存，生产周期长。
对于复杂几何形状构件，要加工成零件，通过胶结或机械连接组成。
这一系列制造问题，妨碍它在航空工业上广泛使用。
二维层合板结构，它的冲击损伤抗力和穿过厚度的力学性能低于铝合金和钢材。
在航空和汽车工业的某些关键构件的使用亦受到限制。
低的穿过厚度的剐度、强度和疲劳破坏抗力，使二维层合板不宜用在承受横向和层问剪切的厚构件。
二维层合板层间断裂韧性低，在冲击载荷作用下很易脱层，使冲击后的压缩强度、疲劳强度明显降低。
克服二维层合板的制造和力学性能中的闸题，过去30年国外学者结合传统的复合材料制造经验，利用纺织工艺、通过力学性能的分析，研制出三维纺织复合材料。
它在复杂几何形状的构件制造上，工艺简便、费用低且力学性能优于二维层合板结构。
因之，三维纺织复合材料在许多结构上成功地取代了二维层合板结构。
6.2三维机织复合材料
30年前，研制成碳一碳三维机织复合材料，替代飞机上制动装置的高温金属合金，达到了高比强度、高比刚度和抵抗损伤的能力。
总的看来，三维机织复合材料在20世纪八十年代以前研究进展缓慢。
但随着二维层合板结构在飞机应用上，制造复杂几何形状构件造价很高，维修中对不慎落下重物引起的冲击损伤非常敏感。
这两个问题推动了三维机织复合材料的发展。
通过10一15年的研究，看到三维机织复合材料优于二维层合板之处，也认识到妨碍它进一步应用的因素。
三维机织复合材料主要优点是可以制成复杂几何形状的整体构件，这样减少材料消耗、零件加工和连接。
另外，在制造三维预形件时，只需对标准的二维织机稍作修改即可使用，因此节省了制造费用。
为满足特殊需要近年来也研制了诸如螺旋轴型、导块型、剑杆型、分裂筘型、极坐标型等专用三维织机。
另一优点是通过控制穿过厚度的增强纱（捆扎纱），可生产出各种纤维增强结构，最普遍的是正交织物和层间联锁结构（如图）。
通过调整经纱、纬纱和捆扎纱的数量和材料类型，能制造出满足特殊要求的预形件。
研究认为三维机织复合材料有较高
的冲击损伤抗力和低速冲击损伤容
限。
例如三维机织碳一双马来
酰亚胺复合材料初始损伤所需冲
击能量比同等纤维体积含量的二
维层合板高出60,以上。
冲击性
能的改善，是由于捆扎纱阻止或
减慢了在冲击载荷作用下形成的
脱层裂纹的增长。
而且捆扎纱亦
使三维机织复合材料在破坏时的伸三维机织预形件长变形增大。
6.3三维机织复合材料的应用
三维机织复合材料广泛用在航天工业，如涡轮发动机的止推转向器、转子、叶片、结构的增强;火箭发动机、喷管、接合件，发动机的固定件。
机身框架的,字形部件，十字形叶片、复叶片的加强板机翼的前缘部件。
最近将机织的“,”形连接用于蜂窝夹芯机翼板的连接，这种结构改善了力的传递，减少了剥离应力。
三维机织复合材料在港口、土木的基础结构和陆上运输亦得到利用。
如火车和渡船的地面、横梁、卡车的承重托架，小汽车、卡车的防震构件。
抗冲击性能是船舶和其它运输方式所用集装箱必须考虑的问题，实践证实用三维机织复合料制成的容器，无论承载能力或本身的重量都优于金属材料。
三维机织复合材料还可用在损伤船体的修补和制作残疾人的
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