复合材料概论
复合材料概论
第一章概论
复材制造技术的特点
复合材料是树脂基和增强体纤维按一定比例复合而成的
特点：
（1）材料和产品形状的生成是同步完成的
（2）产品制造质量的影响因素错综复杂
（3）对产品制造缺陷进行修复的空间窄小，复合材料内部纤维如在修复过程中被切断，在尺寸超出容差范围情况下可以通过机械加工将产品尺寸修复到要求范围，但是加工后的组分（纤维连续性，纤维/树脂相对比例），一般会相差甚远；热固性树脂一旦固化，降低粘度以重视流动性的可能就不复存在
（4）存在特殊制造过程数字化和自动化问题
（5）提供实现高度整体化产品的可能性
复材制造技术的类型所采用的增强纤维是连续纤维还是短切纤维
预浸料中的纤维通过所浸树脂的粘性而黏附于预浸料载体之上，后续铺叠操作中，纤维不易发生滑移和弯曲。预浸料所制的产品内部纤维方向的准确性和一致性可以得到有效控制。由于预浸料具有各向异性的力学性能，广泛使用于高性能结构设计的产品当中。
RTM RTI VARI 树脂转移成型工艺
第二章预浸料的制造方法
预浸料的概述
定义：增强纤维经过浸渍树脂后形成的片状、带状或束状材料，预浸料固化后形成复合材料。
（1）热压罐成型工艺为主要固化成型工艺方法。
（2）真空压力成形：将预浸料叠层用真空袋封装后，通过抽真空加压，在要求的温度下固化成型。优点：成本比热压罐成型低。
（3）模压成形：将预浸料叠层放入闭合模具中，再将模具置于压机上，并在要求的温度和压力下固化成形。优点：制件尺寸精度高，表面光洁。
发展趋势：
1、提高预浸料的韧性；
2、大力发展真空袋成形；
3、自动铺丝、自动铺带代表的自动化制造技术预浸料。
增强体纤维：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维。
热固性树脂：
1、酚醛树脂：耐热、耐燃，自灭，电绝缘性能好，化学稳定性好，优异的阻燃性能。
2、环氧树脂：种类多和牌号多，性能各异。
3、双马来酰亚胺树脂：150-220℃长期使用。
4、聚酰亚胺树脂：耐高温耐磨。
5、氰酸酯树脂：优良高温力学性能，不同的结构会有不同的性
能，常温下呈固态或者半固态，也有某些品种为液体。
热塑性树脂：具有受热软化、冷却硬化的性能，而且不起化学反应，无论加热和冷却重复进行多少次，均能保持这种性能。凡具有热塑性树脂其分子结构都属线型。它包括含全部聚合树脂和部分缩合树脂。
预浸料制备工艺方法：
1、热固性树脂预浸料制备工艺
连续浸渍法是一种连续制备预浸料的方法，生产效率高，适用于大批量生产预浸料。基本过程是：丝束从纱架上分丝后，进入装有胶液的浸渍槽，经压实，最后收卷。
2、溶液法预浸料制备工艺
溶液法制备预浸料存在制备工序繁杂、制备效率低、树脂含量控制难度大等缺点。另外,溶液法制备预浸料时,在树脂中加入了大量溶剂,容易造成环境污染,给工作带来危害。
3、热熔法预浸料制备工艺
热熔法制备的预浸料分含量低，复合材料中空隙的来源主要是预浸料铺层时裹入的空气和预浸料中树脂从环境中吸收的水分。这些夹杂空气和水分在温度升高时会发生膨胀和汽化，产生气泡并最终形成空隙。热压罐外压，树脂和纤维承受树脂压力。树脂压力抑制气泡的形成。树脂压要大于临界树脂压力，与温度有关。
4、胶膜法
两步法是先将熔融后的树脂均匀涂覆在离型纸上制成树脂模，然
后树脂模和纤维以“三明治”结构复合，树脂在热压辊作用下熔融浸渍纤维形成预浸料。
胶黏剂（环氧胶黏剂，双马胶黏剂）作用：
1、将结构元素组合为一体；
2 、提高结构元素界面的性能，强度和韧性。
填充材料：
1、整体结构中填充材料的位置；
2、一般整体结构R区的填充材料多为单向带预浸料；
3、高韧性填充材料。
第三章铺层固化
预浸料铺层时指用连续排列的平行纤维或编织布浸渍树脂基体
制成的层片，在复合材料中通常以单向预浸带或预浸布的形式提供。
1、铺层组：多个具有相同特性的铺层构成的连续铺层。
2、坐标方向与铺层方向：定义方向坐标系来实现的，“45”“0”“90”“-45” 4个方向。
3、铺层顺序：铺层在层合板中的铺叠排列顺序，层合板铺层结构的具体体现。
4、铺层递减：针对给定的使用要求，选择，铺层比，确定铺层顺序和铺层递减等细节的层合板设计过程。
固化成型
抽真空：通过抽真空产生负压，对产品均匀加压，同时去除铺层间气体，使产品更加密实、力学性能更好。
产品尺寸较大，通常每铺2-3层进行预压实一次，时间3-5分钟。
热压罐加压原理：利用热压罐内部的高温压缩气体产生压力对复合材料毛坯件进行加热、加压以完成固化成形的方法。压力容器投资大。
工艺流程：
模具准备--预浸料裁切--预浸料铺层--预压实---抽真空打袋
---固化成型---脱模----后处理----无损检测(孔隙率)---称重----终检---包装
每一层要用橡胶板或刮板将预浸料展开刮平，尽量出去层间的空气，必要时可用电吹风辅助铺层。
1、固化压力：根据不同树脂基体材料选择合理的固化压力能有效地控制纤维体积含量和降低孔隙率。
2、固化温度和保温时间：对基体来说固化成都提高意味着交联密度的增加，玻璃化转变温度提高，层间强度和耐热性提高。
3、升温/降温速率：应该根据所用材料的特性、制件厚度和尺寸大小来综合考虑升温速率。
4、真空度：有利于材料内部气泡的排出。固化前真空袋进行真空度检查是非常重要的环节。
工艺质量控制：
1、原材料质量控制
2、设备及模具控制
3、操作人员控制
4、工艺控制
5、环境
6、缺陷产生及控制方法
1）内部质量缺陷： a.非等厚层板缺陷分析;b.曲率之间缺陷分析。
2）固化变形缺陷：a.热变形; b.树脂固化收缩;c.温度梯度和树脂固化度;d.压力分布于树脂流动;e.模具与制件的相互作用。
固化缺陷：由固化变形导致的尺寸变化，包括翘曲和回弹，从过程诱导力和变形产生机理可分为热应力，固化收缩应力，温度梯度与固化度，压力分布和树脂流动，模具与制件的相互作用等。
褶皱：纤维层没有贴平滑，出现粘黏形成褶皱的现象。
架桥：纤维层之间或者纤维与模具之间不贴实出现空隙的现象。
翘曲：固化之后的制件由于应力不均匀等出现的不与模具型面相符的翘曲现象。
第四章成型模具的结构设计和制造
成型模具的材质：
1.普通钢：制造简单，组合精度差。
2.殷钢：膨胀系数小，强度硬度不高，导热系数低，塑性韧性
高。
3.铝合金：热膨胀系数大，不适用于对型面尺寸要求较高零件的
成形模具材料硬度较低，成型模具在使用过程中以备，使用寿命较短
4.复合材料：比强度，比模量高，热膨胀系数小，可设计性好，易于整体成型。
5.碳泡沫：低密度，高热导率。
6.热膨胀橡胶
设计原则：
模具的结构设计与制造：方形大开口形式一般用于型面曲率较小的模具，优点是通风效果好，重量最轻；斜筋开口和十字筋开口主要用于对刚度要求较大或需要局部加强的区域。
成型工艺适用性：主要看成型工艺与所设计的模具是否合适，以及操作难度的问题。
系统评价特征主要指反映结构固化质量的描述属性，包括：纤维体积含量、厚度分布、孔隙率、温度分布、固化变形、固化度、固化度分布和残余应力。
优点和局限性
优点：
1．预浸料是树脂在严格控制的条件下浸渍增强材料，树脂含量可以精确控制，制品、纤维体积分数可控。
2．预浸料的可设计性，可根据产品强度和刚度要求进行设计，充分发挥纤维的性能
3．预浸料可以直接使用，劳动强度减少，工作条件改善性能稳定，可以保证产品重复生产，质量稳定
4．进料浸渍完全，无气泡，可生产出优质表面产品。
5．孔隙率低，可以提高制品的品质和均衡性。
局限性：
1．复杂结构可铺覆性的局限性
2．复杂结构纤维取向的局限性
3．厚度尺寸精确控制的局限性
4．厚度方向增强的局限性
第五章结构的整体化制造技术
概述
结构元件：梁、墙、桁、肋、框、蒙皮。
整体化结构的特殊接头、整体化制造技术的难点及对策、模具技术、整体化结构应用注意的一些问题。
第六章制造技术的自动化和数字化
概述
先进复合材料具有重量轻、高强度、高模量、结构功能一体化和设计制造等优点，可可有效减轻飞机结构重量、提高飞机的可靠性，复合材料在飞机上的用量日益增多、应用范围从次承力结构发展到承力结构，复合材料的用量的多少已经成为飞机先进性的重要技术指标之一。
自动铺带技术：平面铺带技术、曲面铺带技术。
自动铺带机：自动铺带机不仅要精确控制铺带头运动轨迹，而且要实现铺带头内部预浸带输送、铺放和切割等运动，并可对预浸带质量(宽度、夹杂、缺纱等)、预浸带进给、切割质量、成型温度、成型
压力和铺带间隙等技术指标进行精确控制。
自动铺带材料：预浸料
自动铺带编程系统：铺带规划、铺带编程、后置处理
自动铺带工艺的实施：缠绕成型、自动铺放成型（铺带、铺丝）、拉挤、编织、缝合和RTM等。
自动铺丝工艺技术：压辊压力和预浸带加热温度及铺放速度。
自动铺放工艺过程中的监控技术、铺放工艺过程中的计算机模拟也是重要指标。
第七章复合材料产品的质量控制
概述
生命周期三个阶段：设计、制造、使用。
质量控制
复合材料质量控制的困难：
1．复合材料的制造缺陷的形成机理研究还不够透彻；
2．复合材料产品的制造缺陷的影响因素机器影响规律研究还不够深入；
3．复合材料产品检测手段凸显不足。
缺陷类型：
1.可量化缺陷：气孔、分层、富脂、贫胶、夹杂。
2.不可量化缺陷：空隙。
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。 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
复合材料 戎旭东
硼纤维增强铝基复合材料、碳纤维增强环氧树脂基复合材料、B/C系列碳化硅陶瓷基复合材料的制备、性能和应用领域的对比 班级：0919001 学号：1091900103 姓名：戎旭东 日期：2012年3月20日
摘要：从材料的制备、性能等方面，比较硼纤维增强铝基复合材料、碳纤维增强环氧树脂基复合材料、B/C系列碳化硅陶瓷基复合材料三种不同领域的复合材料，并对材料的应用领域进行了简单介绍。 关键词：硼纤维增强铝基复合材料、碳纤维增强环氧树脂基复合材料、B/C系列碳化硅陶瓷基复合材料、应用、性能、制备 一、硼纤维增强铝基复合材料 1.1硼纤维性能 硼纤维是高性能复合材料重要的纤维增强体之一，是用化学气相沉积法使硼纤维沉积在钨丝或碳纤维新材上制得的直径为100~200μm的连续单丝。它具有其他陶瓷纤维难以比拟的高强度、高模量和低密度等特点，是制备高性能复合材料用的重要增强纤维材料。硼纤维有拉伸强度超过了高强度钢，密度只有 2.5g/cm3，强度比普通金属（钢、铝等）高4~8倍。硼的硬度极高，摩氏硬度9.5，仅次于金刚石，比碳化硅几乎高40%，比碳化钨高一倍 1.2 硼纤维与其他纤维性能比较 硼纤维增强铝基复合材料作为当前纤维强化金属的一个较典型的代表，具有高的比强度和比模量以及高强度和刚性、轻重量、高导热性和低热膨胀性等突出优点，与金属或树脂构成的复合材料与传统工程材料相比可减重20% ~ 40%。具有优异的疲劳强度和耐蚀性能，能在300℃或更高的温度下安全工作，主要用于制造对重量和刚度要求高的航空、航天飞行器部件。它的出现为体积小、重量轻、高空性能好的飞机，提供了一种理想的材料。硼纤维与铝的复合材料具体性能二、碳纤维增强环氧树脂基复合材料 环氧树脂(EP)/碳纤维(CF)复合材料是CF增强复合材料的一个重要分支。近年来，随着人们对EP/CF复合材料认识的不断深入，其优异的性能不断凸现，促使其用量不断上升。。20世纪80年代以后，CF工业和EP工业迅速发展，EP/CF复合技术不断进步，加入到EP中的CF比例不断上升，目前CF的体积分数已可达60％以上，使EP/CF复合材料的质量提高而价格下降，拓宽了其应用领域，进一步促进了EP/CF复合材料的发展。 2．1 EP基体的作用 EP具有优良的加工性能和力学性能，其固化收缩率低，粘结性能优异。复合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF问的载荷，保护CF不受环境影响。 2．2 EP/CF复合材料的特性 EP/CF复合材料的特性主要取决于CF、EP及EP与CF之间的粘结特性。EP/CF
复合材料概论习题集
复合材料概论习题集 一、解释名词与术 1.碳/碳复合材料: C/C复合材料是碳纤维增强炭基复合材料的简称,也是一 种高级复合材料。它不仅具有石墨材料的固有本性,而且还具有碳纤维复合材料的优异性能。 2.纤维增强水泥:以水泥为基体与纤维组合得到拥有抗裂性和抗冲击能力更好的新型复合材料。 3.先进复合材料:早期发展出现的复合材料,由于性能相对比较低,生产量大, 适用面广,可称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要,在此基础上又发展出性能高的复合材料成为先进复合材料。 4.片状模塑料:是用不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂、着色剂等混合成树脂糊浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡,并在两面用聚乙烯或聚膜包覆起来形成的片状模压成型材料。 5.凯芙拉纤维:凯芙拉纤维属芳族聚酰胺类有机纤维,属于一种液态结晶性棒 状分子,它具有非常好的热稳定性,抗火性,抗化学性,绝缘性,以及高强度及模数。 6.环氧树脂:凡是含有二个以上环氧基的高聚物统称为环氧树脂。 7.安全系数:水工建筑物、结构或构件的抗破坏强度与设计荷载效应组合的比值,它是建筑物、结构或构件的安全储备的指标。 8.氧指数:是指在规定的条件下,材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的 最低氧浓度。
9.ABS树脂:ABS树脂是指丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。 10.团状模塑料:其主要原料由GF(短切玻璃纤维)、UP(不饱和树脂)、MD (填料)以及各种添加剂经充分混合而成的料团状预浸料。有优良的电气性能,机械性能,耐热性,耐化学腐蚀性,又适应各种成型工艺。 11.缠绕工艺:将浸过树脂胶液的连续纤维或布带,按照一定规律缠绕到芯模上,然后固话脱模成为增强塑料制品的工艺过程。 12.湿法缠绕:是将纤维集束(纱式带)浸胶后,在张力控制下直接缠绕到芯模上。 13.干法缠绕:是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带,在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。 14.复合材料:是由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。 15.酚醛树脂:酚醛树脂也叫电木,又称电木粉。耐弱酸和弱碱,遇强酸发生分解,遇强碱发生腐蚀。不溶于水,溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。苯酚与甲醛缩聚而得。 16.界面:复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构 成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。 17.聚酰胺树脂:聚酰胺是具有许多重复的酰胺基的一类线型聚合物的总称,通常叫做尼龙。
复合材料概论
复合材料概论 第一章概论 复材制造技术的特点 复合材料是树脂基和增强体纤维按一定比例复合而成的 特点： （1）材料和产品形状的生成是同步完成的 （2）产品制造质量的影响因素错综复杂 （3）对产品制造缺陷进行修复的空间窄小，复合材料内部纤维如在修复过程中被切断，在尺寸超出容差范围情况下可以通过机械加工将产品尺寸修复到要求范围，但是加工后的组分（纤维连续性，纤维/树脂相对比例），一般会相差甚远；热固性树脂一旦固化，降低粘度以重视流动性的可能就不复存在 （4）存在特殊制造过程数字化和自动化问题 （5）提供实现高度整体化产品的可能性 复材制造技术的类型所采用的增强纤维是连续纤维还是短切纤维 预浸料中的纤维通过所浸树脂的粘性而黏附于预浸料载体之上，后续铺叠操作中，纤维不易发生滑移和弯曲。预浸料所制的产品内部纤维方向的准确性和一致性可以得到有效控制。由于预浸料具有各向异性的力学性能，广泛使用于高性能结构设计的产品当中。 RTM RTI VARI 树脂转移成型工艺
第二章预浸料的制造方法 预浸料的概述 定义：增强纤维经过浸渍树脂后形成的片状、带状或束状材料，预浸料固化后形成复合材料。 （1）热压罐成型工艺为主要固化成型工艺方法。 （2）真空压力成形：将预浸料叠层用真空袋封装后，通过抽真空加压，在要求的温度下固化成型。优点：成本比热压罐成型低。 （3）模压成形：将预浸料叠层放入闭合模具中，再将模具置于压机上，并在要求的温度和压力下固化成形。优点：制件尺寸精度高，表面光洁。 发展趋势： 1、提高预浸料的韧性； 2、大力发展真空袋成形； 3、自动铺丝、自动铺带代表的自动化制造技术预浸料。 增强体纤维：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维。 热固性树脂： 1、酚醛树脂：耐热、耐燃，自灭，电绝缘性能好，化学稳定性好，优异的阻燃性能。 2、环氧树脂：种类多和牌号多，性能各异。 3、双马来酰亚胺树脂：150-220℃长期使用。 4、聚酰亚胺树脂：耐高温耐磨。 5、氰酸酯树脂：优良高温力学性能，不同的结构会有不同的性
颗粒增强铝基复合材料
颗粒增强铝基复合材料 1.复合材料 1.1复合材料的概述 材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。在许多方面，传统的单一材料已不能满足实际需要，这些都促进人们对材料的研究逐步摆脱过去单纯靠经验的摸索方法，向预定性能设计新材料的研究方展发展。复合材料(Composite Materials)一词大约出现在20世纪50年代，随之也出现复合材料较为严格的定义。复合材料是由两种或两种以上物理和纯学性质不固的物质组合两成的一种多相固体材料[1]。复合材料的组分材料虽然保持其相对的独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单加和，两是有着重要的改进。复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。分教相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 自上世界40年代美国诞生了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)以来，新型增强材料不断出现，到目前为止，聚合物基、金属基、陶瓷基、混凝土基复合材料和碳，碳复合材料正以前所未有的速度发展。随着航天航空技术的发展，对结构材料的比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工提出了新的要求。高强度、高模量的耐热纤维和颗粒与金属复合，特别是轻金属复合焉成的金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差和不导电、导热性能低等不足，加上增强体不仅提高了材料的强度，还可以保持密度变纯不大甚至降低。此外，这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮放气等特点，已经广泛应用予尖端技术领域，是理想的结构材料。2l世纪我们面临筋将是复合材料迅猛发展和更广泛应用的时代[2-4]。 1.2颗粒增强铝基复合材料 金属基复合材料(Metal Matrix Composite，简称MMC)是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。在结构材料方面，
复合材料概论习题
复合材料习题 第四章 一、判断题：判断以下各论点的正误。 1、基体与增强体的界面在高温使用过程中不发生变化。（⨯） 2、比强度和比模量是材料的强度和模量与其密度之比。（√） 3、浸润性是基体与增强体间粘结的必要条件，但非充分条件。（√） 4、基体与增强体间界面的模量比增强体和基体高，则复合材料的弹性模量也越高。（⨯） 5、界面间粘结过强的复合材料易发生脆性断裂。（√） 6、脱粘是指纤维与基体完全发生分离的现象。（⨯） 7、混合法则可用于任何复合材料的性能估算。（⨯） 8、纤维长度l
IntroductiontoCompositeMaterials：复合材料概论
Introduction to Composite Materials References ?AERO 304 notes and Introduction to Aerospace Structural Analysis, Allen and Haisler ?Principles of Composite Material Mechanics, R.F. Gibson, McGraw-Hill, 1994 ?Mechanics of Composite Materials, Robert M. Jones, McGraw-Hill, 1975 ?Introduction to Composite Materials, S.W. Tsai and H.T. Hahn, Technomic Publishing Co., 1980 Introduction and Terminology Structural materials can be divided into 4 basic categories: ?Metals ?Polymers ?Ceramics ?Composites
Composites, which consist of two or more separate materials combined in a macroscopic structural unit, are made from various combinations of the other three materials. The relative importance of the four basic materials in a historical context has been presented by Ashby (Technology of the 1990s: Advanced Materials and Predictive Design, M.F. Ashby, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, A322, 393-407, 1987) and is shown schematically below (figure taken from Gibson): Mankind has used composites since early time; for example, straw-reinforced clay bricks used by Israelites (the book of Exodus in the Old Testament), plant fiber-reinforced pottery, etc. They knew from daily use that fiber reinforcement of a material is very effective because many materials (but not all) are much stronger and stiffer in fiber form than they are in bulk form. For example, Griffith found that as glass rods and fibers got thinner, they got stronger. He found that that for very small diameters the fiber strength approached the theoretical cohesive
复 合 材 料 知 识
复合材料 绪论 ?一、学习本课程的目的和意义 ?通过本课程的教学，使学生获得复合材料开发和应用的基本知识，拓宽学生的知识面。?二、本课程的性质、任务和教学内容 ?1、本课程的性质：专业选修课。 ?2、本课程的任务 ?使学生了解复合材料的原材料、种类、性能特点、应用领域，基本掌握其基本原理、生产 工艺。 ?3、教学内容 ?《复合材料》1～5章，补充一点水泥其复合材料 ?三、课程的有关情况 ?1、学时：32学时（第1～17周，12周金工实习） ?2、教学参考书（TB类）： ?（1）冯小明，张崇才．复合材料．重庆：重庆大学出版社，2007 ?（2）王荣国，武卫莉，谷万里．复合材料概论．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001 ?（3）陈华辉，邓海金，李明，林小松编著．现代复合材料．北京：中国物资出版社，1998 ?（4）吴人杰．复合材料．天津：天津大学出版社，2000 ?（5）王汝敏，郑水蓉，郑亚萍．聚合物基复合材料及工艺．北京：科学出版社，2004 1 复合材料基础 1.1 复合材料发展概况 ?1.1.1 复合材料发展历史 ?第一代，1940～1960，玻璃纤维增强塑料 ?第二代，1960～1980，发明了碳纤维和芳纶，发展高性能树脂基（环氧树脂和聚酰亚胺树
脂）复合材料。 ?第三代，1980～1990，纤维增强金属基复合材料，陶瓷基复合材料。 ?第四代，1990年以后，多功能复合材料如智能材料、梯度功能材料、新型复合材料等。?1.1.2 复合材料的性能特点 ?聚合物基复合材料： ?（1）比强度、比模量大。比强度相当于钛合金的3～5倍，比模量相当于金属的4倍。?（2）耐疲劳性好。疲劳极限强度是抗张强度的70～80%，金属仅为20～50%。 ?（3）减震性好。比模量高，具有高的自振频率，很高的吸振能力。轻合金梁9s停止振动，复合材料2.5s。 ?（4）过载时安全性好。 ?（5）具有多种功能。耐烧蚀性，减摩性能，电绝缘性能，耐腐蚀性，特殊的光学、电学、磁学性质。 ?（6）良好的加工性能。 ?缺点：耐高温、耐老化、强度一致性较差。 ?金属基复合材料比强度、比模量大，热膨胀系数小，尺寸稳定性好，良好的抗疲劳性和断裂韧性等。 ?陶瓷基复合材料提高抗弯强度、断裂韧性。 1.1.3 主要用途 ?1．航空航天：飞机的垂直尾翼、水平安定面、方向舵、副翼、机身、机翼蒙皮等，火箭发动机壳体等。 ?2．交通运输：鱼雷快艇、扫雷艇、救生艇、游船等，汽车的车身、仪表盘、车门、座椅等，火车的车箱、车门窗、座椅等。 ?3．房屋建筑：卫生洁具、冷却塔、波形瓦、通风管道等。 ?4．电子工业：绝缘线路板、绝缘器材等。 ?5．机械工业：各种机械部件等。风力发动机叶片。 ?6．化工设备：管道、泵、风机、容器、反应釜等。 ?7．体育器材：撑杆、弓箭、赛车、赛艇、滑板、球拍、钓鱼杆等。 飞机 ?在波音777飞机上复合材料只占重量的9%，而在波音787上复合材料占到重量的50%，所采用的碳纤维增强塑料达到35吨。在波音787上大面积使用碳/环氧树脂复合材料，减轻了飞机重量并使创新理念得以实现。机身、机翼等主承力构件都采用复合材料。与其他同类飞机相比： ?（1）更轻。飞机重量大大减轻，运行成本也大幅下降；
复合材料力学沈观林编着清华大学出版社
第一章复合材料概论 1.1复合材料及其种类 1'复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。 2、复合材料从应用的性质分为功能复合材料和结构复合材料两大类。 功能复合材料主要具有特殊的功能。 3、结构复合材料由基体材料和增强材料两种组分组成。其中增强材料 在复合材料中起主要作用，提供刚度和强度，基本控制其性能。基体材 料起配合作用，支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷，保护纤维。 根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料可分为三大类：颗粒 复合材米斗、纤维土曾强复合材料（fiber-reinforced composite）、层禾□ 复合材料。 （1）颗粒：非金属颗粒在非金属基体中的复合材料如混凝土；金属颗粒在非金属基体如固体火箭推进剂；非金属在金属集体中如金属陶 ，瓷O （2）层合（至少两层材料复合而成）：双金属片；涂覆金属；夹层玻璃。 （3）纤维增强：按纤维种类分为玻璃纤维（玻璃钢）、硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。 按基体材料分为各种树脂基体、金属基体、陶瓷基体、和碳基体。按纤维形状、尺寸可分为连续纤维、短纤维、纤维布增强复合材料。 还有两种或更多纤维增强一种基体的复合材料。如玻璃纤维和碳纤维增强树脂称为混杂纤维复合材料。 5、常用纤维（性能表见P7表1-1 ） 玻璃纤维（高强度、高延伸率、低弹性模量、耐高温） 硼纤维（早期用于飞行器，价高）碳纤维（主要以聚丙烯睛PAN纤维或沥青为原料，经加热氧化，碳化、石墨化处理而成；可分为高强度、高
模量、极高模量，后两种成为石墨纤维（经石墨化2500〜3000。C）；密度比玻璃纤维小、弹性模
复合材料总思考题和参考题答案
复合材料概论总思考题 —•复合材料总论 1.什么是复合材料？复合材料的主要特点是什么？ ①复合材料是由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。 ②1）组元之间存在着明显的界面；2）优良特殊性能；3）可设计性；4）材料和结构的统一 2.复合材料的基本性能（优点）是什么？——请简答6个要点 （1）比强度，比模量高（2）良好的高温性能（3）良好的尺寸稳定性（4）良好的化学稳定性（5）良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性（6）良好的功能性能 3.复合材料是如何命名的？如何表述？举例说明。4种命名途径 ①根据增强材料和基体材料的名称来命名，如碳纤维环氧树脂复合材料 ②（1）强调基体：酚醛树脂基复合材料（2）强调增强体：碳纤维复合材料（3）基体与增强体并用：碳纤维增强环氧树脂复合材料（4）俗称：玻璃钢 4•常用不同种类的复合材料（PMC,MMC,CMC）各有何主要性能特点? 5.复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容?3个层次 答：1、一次结构：由集体和增强材料复合而成的单层材料,其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何和界面区的性能； 二次结构：由单层材料层复合而成的层合体,其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何三次结构：指通常所说的工程结构或产品结构,其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。 2、①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能； ②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案作出合理安排，该层次决定层合板的性能； ③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸。 6.试分析复合材料的应用及发展。 答：①20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料。至60年代,在技术上臻于成熟,在许多领域开始取代金属材料。 ②随着航空航天技术发展，对结构材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好。针对不同需求,出现了高性能树脂基先进复合材料,标志在性能上区别于一般低性能的常用树脂基复合材料。以后又陆续出现金属基和陶瓷基先进复合材料。 ③经过60年代末期使用,树脂基高性能复合材料已用于制造军用飞机的承力结构,今年来又逐步进入其他工业领域。 ④70年代末期发展的用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合,特别是与轻金属复合而成金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差和不到电、导热性低等不足。
《复合材料概论》课程教学大纲
《复合材料概论》课程教学大纲 一、课程基本情况 课程名称（中/英文）：复合材料概论/Introduction of composite materials 课程类别：专业选修课 学分：1 总学时：16 理论学时：16 实验/实践学时：0 适用专业：无机非金属材料工程 适用对象：本科 先修课程：材料科学基础 教学环境：多媒体教室 二、课程简介 1.课程任务与目的 《复合材料概论》为无机非金属材料工程专业的选修课，本课程主要围绕复合材料的概念、种类和应用方面的基础知识，介绍不同基体复合材料的性质，组成和制备方法。在复合材料讲解过程中，加入我国最近的航空航天事业中与复合材料相关的重大成就，激发学生的爱国激情，坚定学生社会主义道理的信心，鼓励学生毕业后投身到祖国建设的一线。 2.对接培养的岗位能力 通过本课程的学习使学生掌握不同基体复合材料的基本性能，掌握基础的制备工艺，具备能够综合运用复合材料基础理论与专业技能解决复合材料生产工艺过程中的相关问题的能力。培养具有不断学习和适应社会发展和自身发展的能力。 三、课程教学目标 本课程教学目标对应与毕业生的毕业要求12.1，具体指内容如下 教学目标1.通过本课程的学习，学生掌握复合材料的基础知识，了解我国复合材料发展的重点及前沿热点，具备利用所了解的复合材料知识初步解决相关领域问题的能力；支撑毕业要求的指标点12.1。 教学目标2.同过本课程的学习掌握无机胶凝材料、聚合物材料、金属材料作为复合材料基体的种类和应用特点，初步具备分析复合材料基体性能与结构之间关系的能力。支撑毕业要求的指标点12.1。 教学目标3.同过本课程的学习掌握玻璃纤维、有机纤维、碳纤维为复合材料增强材料的种类和应用特点，了解不同增强材料的生产工艺，初步具备解决复合材料增强材料应用中问题的能力。支撑毕业要求的指标点12.1。 教学目标 4.通过本课程的学习掌握复合材料的界面理论及增强材料的表面处理技术，理解界面的作用机理，了解金属纤维及有机纤维的表面处理过程。初步具备复合材料界面设计的能力。支撑毕业要求的指标点12.1。 四、教学课时安排
复合材料概论课件
第二章复合材料的 基体材料 复合材料的基体 金属陶瓷聚合物 2. 1 聚合物材料（polymer) 聚合物（polymer)，高分子，分子量高达1万－100万，由简单的结构单元组成。 2. 1. 1 聚合物的结构与性能 1. 聚合物的结构 聚合物的结构有以下特点： （1）分子量很大 由很大数目的结构单元组成，分子量高达1万－100万 有线型、支链、网状的结构 1. 聚合物的结构 （2）聚合物分子含有官能团、端基 官能团、端基可与其它反应基团反应，对反应后的物理、力学性能影响很大。 1. 聚合物的结构 （3）聚合物分子间的作用力对于聚合物结构以及复合材料的物理力学性能有密切关系一般聚合物的主链有一定的内旋转自由度，具有柔性；聚合物分子间的作用力很强，形成刚性链。 2.聚合物的性能 (1)力学性能 聚合物本身就是一类材料，聚合物的力学性能与复合材料的力学性能有密切关系。 2. 聚合物的性能 (2)耐热性能 耐热性：材料在一定温度上限长期使用，而它的力学性能不低于原来的 80％。 聚合物具有刚性分子链、结晶性、交联结构，有利于提高耐热性。 2. 聚合物的性能 (3)耐腐蚀性能 较好的化学稳定性，对酸、碱、盐溶液、水、有机溶剂有不同的稳定性。 超过许多金属及合金材料。 2. 聚合物的性能 (4)介电性能 良好的电绝缘性。 聚合物的极性越大，材料的介电性能 越差。 2. 聚合物的性能 （5）其它性能
密度 减震 消音 透光 隔热 2. 聚合物的性能 成型加工性能好 可模塑性、可挤压性、可延性、可纺性。 一次成型。 2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分 和作用 （1）聚合物基体的种类 热固性树脂：分子量较小的液态或固态预聚体，固化后，形成不熔不溶的三维网状高分子。热塑性树脂：是线型或有支链的高分子，可溶可熔，可反复加工成型。 2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分 和作用 热固性树脂：基体中使用最多的是不饱和聚酯树脂，另外还有环氧树脂，酚醛树脂。 热塑性树脂：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。 2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分 和作用 （2）聚合物基体的组分 聚合物：主要成分 辅助材料：固化剂、稀释剂、催化剂、增韧剂等。 改进工艺、降低成本、扩大应用范围 2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分 和作用 （3）聚合物基体的作用： 1）把纤维粘在一起，形成整体，并使纤维位置固定。 聚合物基体的原始状态为低粘度的液体，迅速变成坚固的固体。 2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分 和作用 2）分配纤维间的载荷：基体在纤维间起分散和传递载荷的作用。 3）保护纤维不受环境影响。 4）决定复合材料的一些性能。 5）决定复合材料成型工艺方法及工艺参数：热固性、热塑性 2. 1. 3 不饱和聚酯树脂 2. 1. 3 不饱和聚酯树脂 常用的基体材料，主要用于玻璃纤维复合材料。 占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80％以上。 2. 1. 3 不饱和聚酯树脂 不饱和聚酯是不饱和二元酸和二元醇的结合物。 通过加入饱和二元酸如苯酐、间苯二甲酸酐或己二酸来调节树脂的不饱和度。
复合材料教学大纲
《复合材料》教学大纲 一、课程名称：复合材料 二、学分、学时：2学分、32学时 三、教学对象：06级应用化学本科 四、课程性质、教学目标 《复合材料》是应用化学专业的一门学科基础课程，选修。复合材料是包括多学科、多领域的一门综合性学科。 本课程以恰当的比例分别对复合材料的各种增强材料、复合材料的各种基体材料以及聚 合物基复合材料、陶瓷基复合材料等的性能、制备、应用和发展动态进行了较为系统的讨论。使学生在已有的材料科学的基础上，较为系统地学习复合材料的各种基体材料和增强材料，以及各种复合材料的性能、制备方法与应用，了解材料的复合原理，以及复合材料的发展方向。从而丰富和拓宽学生在材料及材料学方面的知识。 五、课堂要求 要求认真随堂听课，认真阅读指定教材，广泛查阅有关复合材料方面的最新资料。按教学要求完成专题综述论文的撰写，并进行课堂交流。 六、教学内容与基本要求 （一）绪论（2学时） 复合材料的国内外发展状况及今后的发展方向；复合材料的分类；复合材料的基本性能； 复合材料的增韧增强原理；复合材料的特性；复合材料的应用。 基本要求：掌握复合材料的基本性能及分类，了解复合材料的应用。 （二）材料的基体材料（6学时） 金属材料：金属的结构与性能、各种合金材料； 陶瓷材料：包括水泥、氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷； 聚合物材料：聚合物的种类、结构与性能，复合材料选用聚合物的原则。 基本要求：掌握常用基体材料的种类、结构性能及其选用的原则。 （三）材料的增强材料（6学时） 玻璃纤维及其制品的分类、制备、性能与应用； 碳纤维的分类、制备、性能与应用； 陶瓷纤维、芳纶纤维、晶须的制备、性能与应用； 填料（高岭土、石墨、烹饪土、烹饪土、碳酸钙、化石粉等）的性能与应用。 基本要求：掌握常用增强材料的种类、性能及其选用的原则。 （四）传统复合材料的新发展（4学时） 航空用先进树脂基复合材料的发展：先进复合材料在飞机上的应用、材料技术的进展、低成本复合制造技术的进展； 热塑性片材与热塑性树脂基复合材料：由片材制造成品的成型工艺、GMT片材在汽车 工业中的应用； 熔体自发浸渗制备金属基复合材料：熔体自发浸渗制备金属基复合材料的原理及方法及研究现状； 陶瓷基层状复合材料：陶瓷制品的仿生结构构思、材料体系和制备技术、陶瓷基层状复 合材料的结构性能及其强韧化机制、陶瓷基层状复合材料的发展方向。 基本要求：掌握常见几种传统复合材料的新应用、制备工艺与性能的基本知识，了解传统复合材料的发展方向。 （五）功能复合材料（4学时）
碳碳复合材料
复合材料论文 论文题目：碳/碳复合材料的研究 姓名： ___________ 王志冈H ________________________ 班级：金属材料工程2010级3班__________________ 学号：1001130326 ___________________________ 指导教师：___________ 吴杰____________________________
引言： c/C复合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。作为增强体的碳纤维可用多种形式和种类，既可以用短切纤维，也可以用连续长纤维及编织物。各种类型的碳纤维都可用于C/C复合材料的增强体。碳基体可以是通过化学气相沉积制备的热解碳，也可以是高分子材料热解形成的固体碳。C/ C 复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员，具有密度低、高比强度比模量、高热传导性、低热膨胀系数、断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀等特点，尤其是其强度随着温度的升高，不仅不会降低反而还可能升高，它是所有已知材料中耐高温性最好的材料。因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。 正文： 1. 碳/碳复合材料的特征 C/ C复合材料具有低密度、高强度、高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在 2 000 C以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性（组织成分及力学性能上均相容）、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能，尤其是 C /C复合材料强度随温度的升高不降反升的独特性能，使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统具有其它材料难以比拟的优势[1] O 2. 碳/碳复合材料的成型加工 碳/碳复合材料的碳基体可以从很多碳源采用不同的方法获得，典型的基体有树脂碳和热解碳，前者是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得，后者由烃类气体的气相沉积而成。 C/C复合材料坯体所用碳纤维、碳纤维织物或碳毡等的选择是根据复合材料所制成构件的使用要求来确定的，同时要考虑到坯体与基体碳的界面配合
复合材料学 教学大纲
复合材料学 一、课程说明 课程编号：070121Z10 课程名称：复合材料学/Composites 课程类别：专业教育课程 学时/学分：32/2 先修课程：材料科学基础高分子材料 适用专业：粉体材料科学与工程 教材、教学参考书： 1、闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出版社，2010 2、杨序纲主编，复合材料界面，化学工业出版,2010 3、中国材料过程大典第十卷《复合材料工程》，化学工业出版社，2006 4、王荣国、武卫莉、谷万里主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学出版社，2015 5、曾汉民，于翘等主编，碳纤维及其复合材料纤维图像，中山大学出版社，1991 二、课程设置的目的意义 复合材料课程是为粉末冶金和材料化学专业设立的拓展知识体系的专业选修课。课程的设置目的是让学生通过学习复合材料这门交叉学科的课程，了解除金属材料、无机非金属材料以外的、能结合使用要求、人为设计和制备的复合材料。将金属、无机非金属、高分子材料的结构特点联系起来，根据材料最终的使用要求，按照复合成型原理制备成型，构建组分结构-制备工艺-性能的知识体系。结合本专业的学科要求及学院的专业特长，既关注传统材料的特点，又关注新型复合材料在国民建设中的应用，有利于创新性地开发新材料成型技术，扩大专业知识面，为从事材料及相关行业的研究开发工作奠定基础。 三、课程的基本要求 知识：掌握复合材料的基本概念，复合材料的分类，增强相与基体相的结构特点及与复合材料性能的关系，复合材料的界面及检测手段，界面结合状态对复合材料的强度与韧度的影响，复合材料强韧化的机理和途径等知识。学会从复合材料的使用要求出发、选择增强相和基体相，建立材料设计的基本思维方式；选择制备方法，形成提取－材料设计－新材料开发的基本知识结构。 能力：从应用的角度选择制备技术和方法开发新材料，将复合材料的知识用于解决材料制备的工程问题；从复合材料使用要求出发，分析、选择材料各组分的性能与制备方法，掌握最基本的材料设计理念，提高开发新材料的能力，培养创新意识，提高分析、发现、研究和解决问题的能力。