第一章 绪论01

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结构复合材料的特点
可根据材料在使用中受力的要求进 行组元选材和增强体排布设计，从而充 分发挥各组元的效能。
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功能复合材料
指具备各种特殊物理与化学性能的材料。
例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、 零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。
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功能复合材料中的增强体又可称为功能 体组元，它分布于基体组元中。 功能复合材料中的基体不仅起到构成整 体的作用，而且能够产生协同或加强功能的 作用。
④陶瓷纤维 复合材料
先进 复合材料等
③无机 非金属基 复合材料
⑤ 颗粒增强 复合材料
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1.5 复合材料的特性
聚合物基复合材料是复合材料中发展最迅速、应用最广泛 的一类复合材料。 1.5.1 比强度、比模量（刚度）高 比强度是材料强度与密度之比值即： 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）——质量相等 的前提下，衡量材料承载能力； 比模量是材料模量与密度之比值即： 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。—质量相等 的前提下，刚度特性指标； 一般比强度愈大，原料自重就愈小；比模量越大， 零件的刚性就愈大。 据估计，当用复合材料和用高强度钢制成具有相同 强度的零件时，其重量可减轻70％左右，这对于需要减 轻材料重量的构件具有十分重大的意义。
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1.3.1 复合材料的命名
（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂 基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料 等。
（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如
玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、
陶瓷颗粒增强复合材料等。
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1.3.1 复合材料的命名
（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种 命名方法常用来表示某一种具体的复合材料， 习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材
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③界面相：增强相和基体相之间有一交界面称 为复合材料界面，称为界面相。
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纤维拨出后形成间隙，纤维表面粘有部分树脂
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脆性断口，基体断裂面平滑，个别纤维拔出后留下 空洞。有些碳纤维内部有长条形和圆形空洞缺陷。
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因此，复合材料是由两种以上组分以及它 们之间的界面构成。 组分材料主要指增强体和基体，它们也被 称为复合材料的增强相和基体相。增强相与基 体相之间的界面区域因为其特殊的结构组成也 被视作复合材料中的“相”，即界面相。
2.1
0.75 1.14 0.4 1.4
1.3
1.7 2.1 5.3 10.3
2.7
2.6 2.5 2.0 9.7
碳纤维Ⅰ/环氧复合材料
有机纤维/环氧复合材料 硼纤维/环氧复合材料 硼纤维/铝基复合材料
1.6
1.4 2.1 2.65
1.07
1.40 1.38 1.0
2.4
0.8 2.1 2.0
6.7
材料A
材料B
优点
缺点
优点
缺点
组合Ⅰ 最佳组合
组合Ⅱ
组合Ⅲ
组合Ⅳ
15 最差组合
１.2 复合材料的定义
因此复合材料必须通过对原材料的选择，各 组分分布的设计和工艺条件的保证等，以使原组 分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复 合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。
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⑵组分材料 性能差异很大
陶
瓷
玻
璃
金
属
合
金
聚合物材料
复 合
材 料
塑
料
橡
胶
纤维增强树脂基 复合材料
纤维增强金属基 复合材料
树
脂
纤
维
纤维增强陶瓷基 复合材料
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１.2 复合材料的定义
什么是复合材料 (Composition Materials ) ?
要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是 很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义 或偏重于考虑复合后材料的性能，或偏重于考虑复 合材料的结构
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1.3.1 复合材料的命名
国外还常用英文编号来表示 如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复 合材料; FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增强塑 料; 玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep)。
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1.3.2 复合材料的分类
⑶按分散相的 形态
⑷按增强纤维 分类
⑸某些范围的 名称
①结构 复合材料
①树脂基 复合材料
①连续纤维 增强 复合材料
②纤维织物、 编织体增强 复合材料
①碳纤维 复合材料
②玻璃纤维 复合材料
近代 复合材料
②功能 复合材料
②金属基 复合材料
③片状材料 增强 复合材料
④短纤维 或晶须增 强复合材料
③有机纤维 复合材料
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１.2 复合材料的定义
பைடு நூலகம்
偏重于考虑复合后材料的性能
诸如（１） 复合材料是由两种或更多的组分材料结合在
一起，复合后的整体性能应超过组分材料，保留了所期 望的性能(高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望 的特性(低延性)。
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１.2 复合材料的定义
（２）由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材 料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了 原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的
疲劳破坏过程的三个组成部分 ① 裂纹萌生——成核 ② 裂纹扩展 ③ 最终断裂 成核的条件 缺陷、 局部应力集中 其它杂质等。
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1.5.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高
疲劳破坏的种类不同： 金属 突发性破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50% 碳纤维/聚酯复合材料 有预兆破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的70%~80%
聚合物 基 复合材料
复合 材料的
主讲： 丁碧妍
应用
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聚合物基复合材料
本课程的任务与目的
主要包括三方面的内容：
1.了解复合材料的定义、种类及其发展历史与近况 2.了解聚合物基复合材料的基本组成及其特性 3.了解复合材料的基本性能 参考教材：王汝敏等，《聚合物基复合材料及工艺》，科 学出版社，2004，第一版。
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表1-1 一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量
材料 密度 （g/cm) 拉伸强度 （GPa） 弹性模量
（102GPa）
比强度 比模量 6cm） （106cm） （10
钢
铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料 碳纤维Ⅱ/环氧复合材料
7.8
2.8 4.5 2.0 1.45
1.03
0.47 0.96 1.06 1.50
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１.2 复合材料的定义
根据《材料大词典》中关于复合材料的定义可以 看出,复合材料具有两个鲜明的特点: １、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产 生原组分所不具备的新性能。 ２、复合材料具有可设计性。由于各种原材料都具有 各自的优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所 示的结果。
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材料的优缺点组合示意图
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纤维 的作用
树脂基体的作用
(1)承担 载荷
(1)粘接作用
(2)隔离作用
(2)提供 力学性能
(3)保护作用
(4)定型作用
(3)提供 其它性能
(5)性能的影响
(6)破坏模式的影响
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1.3.1 复合材料的命名
复合材料在世界各国还没有统一的名称和 命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基 体的名称来命名，通常有以下三种情况：
1.0 6.6 3.8
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5.7 10 7.5
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1.5.1 比强度、比模量（刚度）高
由表1-1可见：复合材料的高比强度和高 比模量来源于增强纤维的高性能和低密度。
碳纤维树脂基复合材料表现了较高的比 模量和比强度。 作用：在强度和刚度相同的情况下，结 构质量可以减轻，或尺寸减小。这在节 省能源，提高构件的使用性能方面，是 现有其他材料所不能比拟的。
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根据本书提出的复合材料含义和命名原则，复合材料的分类如下：
复 合 材 料
根据基体材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 聚合物基复合材料 碳纤维复合材料 增强纤维的类型 玻璃纤维复合材料 有机纤维复合材料 硼纤维复合材料 混杂纤维复合材料 分散相的形态 连续纤维增强复合材料 纤维织物和片状纤维 短纤维增强 粒状填料 35
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1.5.1 比强度、比模量（刚度）高
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 重量 热膨胀 硬度 强度 抗疲劳 复合材料 铝 钢
碳纤维复合材料与钢、铝材料性能比较
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1.5.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高
疲劳： 工程构件在服役过程中，由于承受变动载荷或反复承受应 力和应变，即使应力低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩 展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏。
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聚合物基复合材料
授课方式 讲为主，章节自学内容及作业 上课纪律 认真听讲，不要讲话
考试成绩：平时作业、出勤（30％）及考试成绩（70％）
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聚合物基复合材料
第一篇 概论 第1章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用 与进展 第二篇 组分材料 第2章 增强材料 第3章 基体材料 第4章 聚合物基复合材料的界面 第四篇 复合材料性能 第8章 复合材料的基本力学性能 第9章 复合材料的其他力学性能 第11章 聚合物基复合材料的其他性能
根据增强原理 复 合 材 料
弥散增强型 粒子增强型 纤维增强型 结构复合材料 功能复合材料
使用性能
根据复材的功能 。。。。。。
电功能复合材料 热功能复合材料 光功能复合材料
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结构复合材料
主要用于制造受力构件；结构复合材料主 要是作为承力结构使用的复合材料，它基本上 是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体 成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的 基体组元构成。