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1、复合材料教案复合材料教案 Polymeric Composite Materials（讲 稿）殷立霞冀州市职教中心2012年8月第一讲 复合材料概论一、材料的发展与人类社会的进步 材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。综观人类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。材料的发展与人类进步和发展息息相关。一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品广泛地得到应用，同时又

2、促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实

3、。 当前材料、能源、信息是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。 二十一世纪将是一个新材料时代。 二、 复合材料的提出 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。在现代高技术迅猛发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而对材料提出了越来越苛刻的要求。例如，航天飞机等空间飞行器在飞行过程中要受到大气阻力、地球引力、太阳辐射力、空间热环境、太阳风、宇宙射线、宇宙尘埃、流星、磁矩等的作用。飞行器发动机还要受到其热环境、内流形成的气动力、结构振动、机件高速转动、液体晃动、振荡燃烧和POGO振动等非正常破坏力的作

4、用。同时由于飞行范围（M数、飞行高度）的扩大、发动机的推力、比推力及推 / 重比大大提高，导致了发动机压力比、涵道比、进口温度、燃烧室温度、TIT、转子转速等也日益提高。由此构成的力、热、化学和物理等效应的作用，最终都要集中到构成飞行器和发动机结构的材料上去，因此对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。 又如现代武器系统的发展对新材料提出了如下要求： 1、高比强、高比模； 2、耐高温、抗氧化； 3、防热、隔热； 4、吸波、隐身； 5、全天候； 6、高抗破甲、抗穿甲性； 7、减振、降噪，稳定、隐蔽、高精度和命中率； 8、抗激光、抗定向武器； 9、多

5、功能； 10、高可靠性和低成本。很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。例如，金属材料的强度、模量和高温性能等已几乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子材料的低模量、低熔点等固有的缺点极大地限制了其应用。这些都促使人们研究开发并按预定性能设计新型材料。复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”，可以得到单一材料无法比拟的优秀的

6、综合性能，极大地满足了人类发展对新材料的需求。因此，复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。三、复合材料的发展历史和意义： 实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。例如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料；人类肌肉 / 骨骼结构也是复合材料结构原理。我们的祖先也早就创造和使用了复合材料。 6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑材料砌建房屋墙壁，迄今在某些贫穷农村仍然沿用着这种原始的非连续纤维增强复合材料。在现代，复合材料的应用更比目皆是，与日常生活和国民经济密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的水泥复合

7、材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合材料。现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如就航天、航空飞行器减轻结构重量这点而言，喷气发动机结构重量减1Kg ，飞机结构可减重4 Kg ，升限可提高10米；一枚小性洲际导弹第三级结构重量减轻1Kg ，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50 Kg ，地面设备的结构重量就可减轻100 Kg ，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15 20 Km ；而航天飞机的重量每减轻1Kg ，其发射成本费用就可以减少15000美元 (图1、图2)。因此，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要

8、求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较”。 图1 火箭壳体材料对射程的影响先进复合材料具有高比强度、高比模量的优点，可以显著减轻结构重量，是理想的现代飞行器结构材料。先进复合材料的使用，不仅极大地提高了现代飞行器的性能，使得人类飞天、登月的梦想变成现实，同时也创造了巨大的经济效益。先进复合材料结构在新型卫星结构中已占了85%以上，在现代高科技领域具有广泛的应用前景（图3）。综上所述，复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破；复合

9、材料的发展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。可以预料，随着高性能树脂先进复合材料的不断成熟和发展、金属基、特别是金属间化合物基复合材料和陶瓷基复合材料的实用化、以及微观尺度的纳米复合材料和分子复合材料的发展，复合材料在人类生活中的重要性将越来越显著。同时，随着科学技术的发展，现代复合材料也将赋予新的内容和使命。21世纪将是复合材料的新时代。第二章 复合材料概述一、复合材料的定义和特点：1、复合材料的定义： 国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为是：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 F.L.Matthews 和 R.D.Rawlings 认为复合材料是两

10、个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件： （1）组元含量大于 5 %； （2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能； （3）通过各种方法混合而成。 在“材料科学技术百科全书”和“材料大辞典”中将复合材料定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。 复合材料将由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位生长复合材料、纳米复合材料和分子复合材料等。 综上

11、所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能特征。2、复合材料的特点：1） 由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。2） 各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。 3）复合材料具有可设计性。3、复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成：复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其

12、它特性。 增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。二、复合材料的分类 普通复合材料 按性能分类 ： 先进复合材料 热固性 聚合物复合材料 热塑性 金属基复合材料 按基体分类 陶瓷基复合材料 碳碳复合材料 水泥基复合材料 结构复合材料 按用途分类 功能复合材料 智能复合材料 按增强剂分类 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料 普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。先进复合材料（Advanced Composite，High Pe

13、rformance Composite）： 高性能增强剂（碳、硼、Kevlar、氧化铝、SiC纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等复合材料。 一般来讲，先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到400MPa / (g / cm3) 和40GPa / (g / cm3) 以上。 结构复合材料：用作承力和次承力结构。要求具有质量轻、高强度、高刚度、耐高温以及其它性能。 功能复合材料：电、热、声、摩擦、阻尼等。包括机敏和智能复合材料。 混杂复合材料：两种或两种以上增强体构成的复合材料。通过产生混杂效应改善性能和降低成本。 结构 / 功能一体化复合材料：在保持材料基本力学性能的前提下，具

14、有特定功能特性，如光、电、磁、摩擦、阻尼等。一、 复合材料的基本性能（优点）：1、高比强度、高比模量（刚度）：图2-1 典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较与传统的单一材料相比，复合材料具有很高的比强度和比模量（刚度）：比强度、比模量：材料的强度或模量与其密度之比。 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈大。2、良好的高温性能： 图 2 2 不同SiC纤维复合材料的使用温度范围复合材料可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基体。目前聚

15、合物基复合材料的最高耐温上限为350 C；金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在350 1100 C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达1400 C；而碳碳复合材料的使用温度最高，可高达2800 C。3、良好的尺寸稳定性： 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制品不发生热变形。这对人造卫星构件非常重要。 图2-3 不同材料的尺寸稳定性和比模量4、良好的化学稳定性：聚合物基

16、复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性： 由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性等性能得到提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善6、良好的功能性能：包括 光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。第二讲 复合材料的增强材料 复合材料的增强材料：提高基体材料机械强度、弹性模量等力学性能的材料的统称。 复合材料的分类：从物理形态来看有纤维状增强材料、片状增强材料、颗粒状增强材料等。 纤维状材料增强作用明显的原因是其拉伸强度和拉伸弹性模量比同一块状材料要大几个数量级。2.1玻璃纤维 玻璃纤维由熔融的玻璃经拉丝而成，可制成连续纤维和

17、短纤维。由于其制取方便，价格便宜，是应用最多的增强纤维。2.1.1 玻璃纤维的特点 具有不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、能透过电磁波等特性，有良好的耐腐蚀性，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性。其缺点是脆性大，耐磨性差。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。2.1.2 玻璃纤维的分类1. 以玻璃原料成分分类（以含碱量区分）：无碱玻璃纤维（碱含量0.5%）、中碱玻璃纤维（碱含量为11.5%12.5）和特种玻璃纤维2. 以单丝直径分类： 粗纤维：30m； 初级纤维：20m； 中级纤维：10一20m； 高级纤维：3一l0m(亦林纺织纤维)。对于单丝直径小于4m的玻田纤维

18、称为特细纤维。3. 以外观分类： 有连续纤维（无捻粗纱及有铭粗纱（用于纺织）；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及磨细纤维等。4 以纤维特性分类： 高强玻璃纤维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；普通玻璃纤维。2.1.3 玻璃纤维的结构（两种假说） 微晶结构假说：玻璃是由二氧化硅的“微晶子” 组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。 网络结构假说：玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础（图3-1），填充的Na、Ca等阳离子称为网络改性物

19、。 图3-1 玻璃纤维结构示意图2.1.4 玻璃纤维的力学性能 （1）拉伸强度 微裂纹假说：纤维的理论拉伸强度可达到2000MPa12000MPa，但实际上由于玻璃纤维表面存在微裂纹大大降低强度。特别以表面的微裂纹的危害最大。 分子取向假说：玻璃纤维成型时，由于拉丝机的牵引力作用，使玻璃纤维分子产生定向排列，从而提高玻璃纤维的强度。 影响玻璃纤维强度的因素： 纤维直径和长度：直径越细，拉伸强度越高，长度越长拉伸强度下降。 化学组成：含碱量越高强度越低。 存放时间：由于老化，纤维的强度随着时间的增加而降低。 此外还有施加负荷时间、成型方法和成型条件。（2）弹性 延伸率。一般为3。 弹性模量。比人

20、造纤维高，但比金属低，加入BeO、MgO能提高弹性模量。（3）纤维的耐磨性和耐折性。这两个性能都较差。3. 热性能 玻璃纤维的导热系数小，隔热性好。其耐热性高，其软化点为550580。4. 电性能 同一般的玻璃，可以导电，其导电性取决于化学组成、温度和湿度。2.1.5 玻纤的界面处理(interface finishing)1 玻纤的表面处理有机硅烷类偶联剂有机酸氯化铬络合物偶联剂 偶联剂的作用(functions of coupling agent)： 在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度 改善了界面对应力的传递效果 提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力 提供了一个防水层，保

21、护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性2 纤维表面处理方法 1. 后处理法 此法分两步：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。 其主要特点是：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较大，玻璃纤维强度损失大，但处理效果好，是目前国内外最常使用的处理方法。2. 前处理法 这种方法需适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和粘结。它的优点： 省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便； 避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失。 它是很有价值又比较理想的处理

22、方法。但技术复杂，尚需进一步研究。3. 迁移法 迁移法是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中，借处理剂从纤维表面的“迁移”作用与纤维发生作用，从而产生偶联作用。2.2碳纤维 定义：碳纤维是一种纤维状碳材料，它是用一些含碳的有机纤维，如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等做原料，将这些有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在惰性气氛中，在一定的压强下加强热碳化而成。性能： 碳纤维及其复合材料具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变，导电，传热，和热膨胀系数小等一系列优异性能，它们既可以作为结构材料承载负荷，又可以作为功能材料发挥作用，目前几乎没有什么材料具有这么多方面的特性。因此，碳纤维及其复合材料近年

23、来发展十分迅速。 以粘胶纤维为原料制取碳纤维时，先在氮或氩等惰性气体中进行400以下的低温稳定化处理，然后在惰性气体保护下于10001500进行碳化处理，制成含碳量90以上的碳纤维，最后于25003000的高温下进行石墨化处理，制得石墨碳纤维。 用聚丙烯腈为原料制造碳纤维的过程为 2.2.1 碳纤维材料性能特点 （1）抗拉强度：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。 （2）弹性模量：碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，可达3000cN/tex以上，断裂伸长率为0.52.0。但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。 （3） 疲劳强度：碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于

24、高强纲丝。金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%80%，并在破坏前有变形显著的征兆。 （4）重量：约为钢材的五分之一。 （5）与碳纤维板的比较：碳纤维片材可以粘贴在各种形状的结构表面，而板材更适用于规则构件表面。此外，由于粘贴板材时底层树脂的用量比片材多、厚度大，与混凝土界面的粘接强度不如片材。 （6）碳纤维具有优良的机械性能，其断裂强度为15cN/tex左右，具有自润滑性能。 （7）其化学性质与碳相似，在室温下是惰性的，除能被强氧化剂氧化外，一般的酸碱对碳纤维

25、不起作用。在惰性气体中，其耐热性十分突出，在1500以上的高温下强度才开始降低。 （8）碳纤维导电性能好，比电阻在1l0-2cm以下，吸附性强。 （9） 碳纤维的缺点是抗压性差，易折断，耐冲击性能差。2.2.3 碳纤维的种类 根据加工纤维时的处理温度不同，分为碳纤维和石墨纤维。碳纤维是在10002300范围内碳化得到的，石墨纤维是在2300以上碳化得到的，其含碳量超过98，结构上类似石墨，有金属光泽。 按碳纤维强度的不同，可分为普通碳纤维和高强度高模量碳纤维。普通碳纤维的强度和模量分别小于1.2GPa和100GPa；高强度高模量碳纤维的强度和模量分别高于1.5GPa和170GPa。 根据制造碳

26、纤维所用原料的不同，可分为纤维素系碳纤维、聚丙烯腈系碳纤维、沥青系碳纤维。2.2.4 碳纤维的结构特点 碳纤维之所以具有很高的抗拉强度主要由于类石墨结构分子层片沿纤维轴的高度取向。其基本结构如图3所示。层片分子取向度的高低和纤维内部缺陷的多少是决定碳纤维强度的主要因素。 第三讲 第2章基体材料2.1概述 以高分子材料为基体，加入各种纤维制成的复合材料。对这类复合材料通常可以按增强纤维的不同来进行分类。如：玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料等。 复合材料基体：为复合材料中起到粘结增强体成为整体并转递载荷到增强体的主要组分之一。图 2 1 热塑性a、b和热固性c聚合物的形态特征2

27、.2聚合物基体2.2.1 热固性树脂 热固性聚合物:环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子（图6 - 1c）。热固性树脂在初始阶段流动性很好，容易浸透增强体，同时工艺过程比较容易控制。这些树脂几乎适合于各种类型的增强体。通常都先制成预浸料，使浸入增强体的树脂处于半凝固状态，在低温保存条件下限制其固化反应，并应在一定期间内进行加工。各种热固性树脂的固化反应机理不同，根据使用要求的差异，采用的固化条件也有很大的差异。一般的固化条件有室温固化、中温固化（120 C左右）和高温固化（

28、170 C以上）。这类高分子通常为无定型结构。具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性能和尺寸稳定性好等优点。 1)环氧树脂 (EP): o 一种分子中含有两个或两个以上活性环氧基团 (CC) 的低聚物 。按化学结构分类如下： 缩水甘油醚 EP 缩水甘油类 缩水甘油胺 EP 缩水甘油酯 EP 脂环族EP 脂肪族EP 环氧树脂是线型结构，必须加入固化剂使它变为不溶不熔的网状结构才有用途。按固化工艺可分为三大类：1）含有活泼氢的化合物，它仍在固化时发生加成聚合反应； 2）离子型引发剂，它可分阴离子和阳离子；3）交联剂，它能与双酚A型环氧树脂的氢氧基进行交联。 常用的固化剂包括脂肪族或芳香族胺类，有机多

29、元酸或酸酐等。 表2-1 热固性树脂的力学性能2) 双马来酰亚胺树脂（BMI） 双马树脂是马来酸酐与芬香族二胺反应生成预聚体，再高温交联而成的一类热固性树脂。 交联后的双马树脂具有不熔、不溶的特点，有高的交联度，固化后的密度在1.35 1.4 g/cm3之间，玻璃化温度（Tg）在 250 300 C 之间，使用温度为150 200 C。3）聚酰亚胺树脂（PMR）聚酰亚胺树脂是主链含杂环结构的聚合物。其典型反应是芳香二酸酐与芳香二胺生成聚酰胺酸，在热作用下酰胺脱水形成聚酰亚胺。聚酰亚胺树脂2.2.2 热塑性树脂 热塑性聚合物:包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和

30、特种耐高温聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。它们是一类线形或有支链的固态高分子（图6-1a、b），可溶可熔，可反复加工而无化学变化。在加热到一定温度时可以软化甚至流动，从而在压力和模具的作用下成型，并在冷却后硬化固定。这类聚合物必须与增强体制成连续的片（布）、带状和粒状预浸料，才能进一步加工成各种复合材料构件。这类高分子分非晶（或无定形）和结晶两类。通常结晶度在20-85 % 之间。具有质轻、比强度高、电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生产效率高等优点。与热固性聚合物相比，具有明显的力学松弛现象；在外力作用下形变大；具有相当大的断裂延伸率（图6-2）；抗冲击性能较好。聚合物的力学特点： 图 22 不同树脂材料的应力应变曲线 图 2-3 温度及加载速度对高聚物力学性能的影响 决定聚合物强度的主要因素是分子内分子之间的作用力。聚合物的破坏无非是聚合物主链上化学键的断裂或是聚合物分子链之间相互作用的破坏。 高聚物的力学性能强烈依赖于温度和加载速率（时间）（图6-3、4）。同时考虑“温度时间环境载荷”几方面的因素才能真实