复合材料
第十一章 复合材料
碳素（纤维， 粒料）
碳纤维增强 金属
增强陶瓷
陶瓷增玻 璃
增强水泥
碳纤维增强 碳复合材料
无
碳纤维增强 塑料
碳纤炭黑增 强橡胶
玻璃（纤维， 粒料） 木材 有 机 材 料
无
无
无
增强水泥
无
无
玻璃纤维增 强塑料 纤维板
玻璃纤维增 强橡胶 无
无
无
无
水泥木板 丝 增强水泥 无
无
无
高聚物纤维 橡胶胶粒
无 无
无 无
无 无
二、复合材料的性能特点
1、比强度和比模量高
比强度 材料的强度与其密度之比。
比模量 材料的模量与其密度之比。 材料的比强度或比模量越高，构件的自重就小，或者体积会 越小。通常，复合材料的复合结果是密度大大减小，高的比强 度和比模量是复合材料的突出性能特点。
气瓶
质 量 轻
玻璃钢充气船
小飞守角制作
头盔
玻璃纤维的特点是强度高，弹性模量低，密度小，比强度、 比模量高；化学稳定性好；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、 吸声、绝缘等。缺点是脆性较大，耐热性低，250℃以上开始软化。 由于价格便宜，制作方便，是目前应用最多的增强纤维。
(2)碳纤维 碳纤维是人造纤维(粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等)在200～300℃ 空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下， 在1000～1500℃的高温下进行碳化处理而制得。其含碳量可达 85%～95%。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称Ⅱ型 碳纤维。 如果将碳纤维在2000～3000℃高温的氩气中进行石墨化处理， 就可获得含碳量为98%以上的碳纤维。这种碳纤维中的石墨晶体的 层面有规则地沿纤维方向排列，具有高的弹性模量，又称石墨纤维 或高模量碳纤维，也称Ⅰ型碳纤维。
复合材料工学
复合材料工学摘要：一、复合材料工学简介1.复合材料的定义2.复合材料的发展历程3.复合材料的主要分类二、复合材料的基本性能1.力学性能2.热学性能3.电学性能4.化学性能三、复合材料的制备工艺1.原材料的选择与处理2.复合材料的制备方法3.制备工艺的影响因素四、复合材料的应用领域1.航空航天领域2.汽车制造领域3.建筑行业4.能源行业5.其他领域五、复合材料的发展趋势与挑战1.新型复合材料的研究与发展2.低成本、高效率的制备工艺3.环境友好型复合材料4.跨学科研究与创新正文：复合材料工学是一门研究复合材料的组成、性能、制备工艺及其应用的学科。
复合材料是由两种或两种以上不同功能和性质的材料通过特定的工艺手段组合而成，以实现各种优异性能。
在过去的几十年里，复合材料在各个领域得到了广泛的应用，并取得了显著的成果。
复合材料的主要分类包括：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料以及它们的复合材料。
每种复合材料都有其独特的性能，可以满足不同领域的需求。
复合材料具有很多优异的性能，如高强度、高刚度、低密度、耐磨、耐腐蚀、导电、导热、电磁屏蔽等。
这些性能使得复合材料在很多领域取代了传统材料，成为现代工程技术的重要组成部分。
复合材料的制备工艺主要包括：熔融法、溶液法、化学气相沉积法、物理气相沉积法、聚合物固化法等。
这些制备工艺对原材料的选择和处理、设备要求、工艺参数等方面都有严格的要求。
合适的制备工艺可以得到具有理想性能的复合材料。
复合材料在航空航天、汽车制造、建筑、能源等众多领域都有广泛的应用。
如在航空航天领域，复合材料可以用于制造飞机、火箭、卫星等部件，以减轻结构重量、提高燃料效率；在汽车制造领域，复合材料可用于制造车身、底盘等部件，以降低汽车重量、提高燃油经济性；在建筑行业，复合材料可用于制造建筑模板、建筑补强等；在能源行业，复合材料可用于制造风力发电机叶片、太阳能电池板等。
尽管复合材料已经取得了显著的成果，但仍面临着许多挑战和发展趋势。
复合材料是什么意思
复合材料是什么意思
复合材料是指由两种以上的不同材料组合而成，其性能比单一材料好的一种新型材料。
根据组合方式的不同，可以分为层状复合材料、颗粒复合材料等。
复合材料结构复杂，可以根据需要进行设计和制造，具有很高的机械性能、物理性能、化学性能和耐腐蚀性能，同时还具有很好的导热、绝缘、声学、热学、光学等特性，是一种理想的结构材料。
复合材料的组成部分主要有增强体和基体。
增强体是指在复合材料中起增强作用的成分，如纤维、颗粒、片、膜等；基体是指增强体所嵌入的材料，如塑料、金属、陶瓷等。
增强体和基体的组合可以根据需要进行选择，以达到最佳的性能要求。
复合材料广泛应用于航空航天、汽车、建筑、体育用品、电子产品等领域。
在航空航天领域，复合材料因其轻质高强、耐腐蚀等优势被广泛应用于飞机、导弹等部件的制造；在汽车领域，复合材料可以减轻车重、提高燃油效率；在建筑领域，复合材料可以提供更好的保温、隔热等性能。
然而，与传统材料相比，复合材料的制造过程更加复杂，成本更高。
同时，复合材料也存在着可回收性、耐久性等方面的问题，需要进一步的研发和改进。
综上所述，复合材料是一种由两种以上不同材料组合而成的新
型材料。
其具备优异的性能和特性，广泛应用于各个领域，但也面临着一些挑战，需要不断地进行研究和改进。
复合材料名词解释
复合材料名词解释复合材料是指由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有合成材料和传统材料的特点和优势。
复合材料的优点主要包括轻质、强度高、刚性好、耐腐蚀、耐磨损、导热性能好、成型性好、设计自由度高等。
复合材料由两种或以上的材料组成，其中一种称为基体（matrix），另一种或其他几种材料则是增强体（reinforcement）或填充物。
基体材料的主要作用是提供整体结构的支撑和连续性，而增强体则起到增加复合材料强度和刚性的作用。
常用的基体材料有塑料、树脂、金属等，而增强体则包括纤维、颗粒、薄膜等。
复合材料的制备过程主要包括预制部分、成型部分和固化部分。
在预制部分，根据所需材料和形状，将基体材料和增强材料等按一定比例混合、搅拌、形成复合材料的原料。
在成型部分，将预制的原料放入模具中，常见的成型方式包括压力成型、注塑成型、挤出成型等。
在固化部分，通过热固化或化学反应等方式使复合材料成型，得到最终的复合材料制品。
复合材料具有许多优点。
首先，由于增强体的加入，复合材料具有很高的强度和刚性，远远超过单一材料的强度。
其次，复合材料的密度相对较低，可以做到轻质化，便于携带和使用。
再次，复合材料的导热性能好，具有较高的绝缘性能，可以用于电子、电气和航空航天等领域。
此外，复合材料的耐腐蚀性能好、耐磨损性能好，可以提高材料使用寿命。
最后，由于复合材料可以灵活设计，成型性好，可以根据需要制作出各种形状和尺寸的制品。
复合材料在许多领域有着广泛应用。
在航天航空领域，复合材料被用于飞机、火箭、导弹的制造，可以减轻重量、提高载荷能力和提高耐用性。
在汽车工业中，复合材料被用于汽车车身和零部件的制造，可以减轻整车重量，提高燃油经济性和安全性能。
在建筑领域，复合材料被用于建筑结构、钢材替代、建筑保温材料等，可以提高建筑品质和节能效果。
在体育用品领域，复合材料被用于制作高尔夫球杆、网球拍、滑雪板等，可以提高运动器材的性能。
总之，复合材料是一种由两种或两种以上材料组合而成的材料，具有轻质、强度高、刚性好、耐腐蚀、耐磨损、导热性能好、成型性好、设计自由度高等优点。
复合材料的种类定义
复合材料的种类定义复合材料是由两种或多种不同性质的基材通过粘结、覆盖和混合等方法组合而成的新型材料。
它的优点是能够充分发挥各种基材的优势，综合性能更好，应用范围更广泛。
根据基材的不同，复合材料可以分为以下几种类型：纤维复合材料、颗粒复合材料、膜复合材料和箔复合材料。
1.纤维复合材料：纤维复合材料是指由纤维作为增强材料，与基体材料结合形成的材料。
纤维可以是无机纤维，如玻璃纤维和碳纤维；也可以是有机纤维，如聚酰胺纤维和聚酯纤维等。
基体材料可以是金属、树脂、陶瓷等。
纤维复合材料具有高强度、高模量、耐腐蚀、耐高温等特点，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
2.颗粒复合材料：颗粒复合材料是由颗粒作为增强材料，与基体材料结合形成的材料。
常见的颗粒有金属、陶瓷、碳纳米管等。
基体材料可以是金属、塑料、陶瓷等。
颗粒复合材料具有重量轻、强度高、导热性好等特点，被广泛应用于制造汽车零部件、电子器件等。
3.膜复合材料：膜复合材料是由薄膜作为增强材料，与基体材料结合形成的材料。
薄膜可以是无机材料，如二氧化硅膜；也可以是有机材料，如聚酯膜或聚四氟乙烯膜。
基体材料可以是金属、塑料、陶瓷等。
膜复合材料具有高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温、阻隔性好等特点，广泛应用于包装行业、建筑行业等。
4.箔复合材料：箔复合材料是由箔片作为增强材料，与基体材料结合形成的材料。
箔片可以是金属箔片，如铝箔、铜箔；也可以是塑料薄膜，如聚酯薄膜。
基体材料可以是金属、塑料等。
箔复合材料具有轻、薄、柔韧性好、导电性好等特点，常用于电子元器件、食品包装等领域。
总之，复合材料具有结构轻、强度高、耐腐蚀、阻燃、导热、绝缘等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑、电子、包装等各个领域，并在未来的发展中具有广阔的应用前景。
复合材料的组成及作用基体
层状陶瓷复合材料断口形貌
三明治复
双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 层状结构材料根据材质不同，分别用于飞机制造 、运输及包装等。
有TiN涂层的高尔夫球头
层状复合
铝合金蜂窝夹层板
9.3 复合材料的成型工艺
复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础 和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合 材料工业得到迅速发镇，其老的成型工艺日臻 完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基 复合材料的成型方法已有20多种，并成功地 用于工业生产.
2 复合材料的特点
A 组成与结构特点 （1）具有可设计性 （2）组元间有明显界面或 呈梯度变化的多相材料； （3）性能取决于各组分性 能及协同效应。 B 性能特点 比强度高
抗疲劳性能好
耐磨减磨性能高 减震能力强 高温性能好 化学稳定性高
成型工艺简单灵活
复合材料性能不足之处
1、横向拉伸强度和层间剪切强度低。 2、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。 3、制造时产品性能不稳定，分散性大，质 检困难。 4、抗老化性能不好。 5、机械连接困难。 6、成本太高。
9.4 复合材料在设计中的应用
聚合物基纤维增强复合材料 通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料 。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提 高，比强度也高得多。
材料种类
环氧树脂 环氧树脂 / E级玻璃纤维
纵向抗拉强 度 MPa
69 1020
纵向弹性模 量 GPa
6.9 45
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性） 环氧树脂 / 芳纶纤维（49）
3 复合材料分类
按组成分 ①金属与金属复合材料 ②非金属与金属复合材料 ③非金属与非金属复合材料 按结构特点： ①纤维复合材料 ②夹层复合材料 ③细粒复合材料 ④混杂复合材料
复合材料
的种类、配比、加工方法和纤维含量等进行设计，由于基体、增强体材料种 类很多，故其选材设计的自由度很大。
7、独特的成型工艺 复合材料可以整体成型，可以减少零部件紧固和接头数目，简化
结构设计，减轻结构重量。在中等批量生产的车型中，用树脂基复合 材料取代铝材可降低成本40%左右。
一、复合材料的组成及分类
复合材料=基体+增强体
基体是复合材料的主体，即自 身保持连续而包围增强相的材料。 起粘结作用，可以是金属、高分子 或陶瓷材料中的一种。
复合材料可以分为金属材料、高 分子材料和陶瓷材料中的任意两种 或几种制备而成。
二、复合材料的性能特点
1.高的比强度和比模量 复合材料最显著的特点是比强度和比模量高，对要求减轻自重和高速运转 的结构和零件是非常重要的，碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度是钢 的7倍，比模量是钢的4倍。
增强的复合材料的高温强度和弹性模量均较高。特别是金属基复合材 料，例如7075铝合金，在400℃时，弹性模量接近于零，强度值也从 室温时的500MPs降至30-50MPa。而碳纤维或硼纤维增强组成的复 合材料，在400℃时，强度和弹性模量可保持接近室温下的水平：碳 纤维增强的镍基合金也有类似的情况。
玻璃纤维增强塑料也称为玻璃钢。玻璃钢是汽车上应用最广的复合材料， 目前在轿车、吉普车以及卡车上使用的玻璃钢部件逐步增多。随着研究和开 发的不断深入，将更多地用玻璃钢替代金属材料，以达到节能的目的。
2.碳纤维增强塑料（CFRP）
碳纤维增强塑料是以树脂为基体材料， 常用树脂有环氧树脂、酚醛树脂和聚 四氟乙烯等。
这种复合材料具有质轻、强度高、导 热系数大、摩擦系数小、抗冲击性能 好、疲劳强度高等优点。
复合材料概论
1、复合材料的定义由两种或两种以上的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。
2、同质复合材料和异质材料增强材料和基体材料属于同种物质的复合材料为同质材料。
异质材料则是不同物质。
3、金属基复合材料的性能在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量。
4、树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料性能区别树脂基复合材料的使用温度一般为60℃~250℃，其导热性能为0.35~0.45W/m·K金属基复合材料为400~600℃，其导热性能为50~65W/m·K和陶瓷基复合材料性能为1000~1500℃，0.7~3.5W/m·K。
陶瓷基复合材料大于金属基复合材料的硬度，金属基复合材料大于树脂基复合材料的硬度。
5、复合材料结构的分类从固体力学角度，分为三个“结构层次”：一次结构、二次结构、三次结构。
一次结构：由基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：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。
6、复合材料选择基体的原则①金属基复合材料的使用要求：高性能发动机要求有高强度比、比模量性能，要求具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。
在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热，一定的高温强度等，又要求成本低廉，适合批量生产。
②金属基复合材料组成特点：对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量。
对于非连续增强金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对非连续增强基复合材料具有决定性的影响。
③基体金属与增强物的相容性。
7、与树脂相比水泥基体的特征①水泥基体为多孔体系；②纤维与水泥的弹性模量比不大；③水泥基材的断裂延伸率较低，仅是树脂基体的1/10~1/20；④水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料，与纤维呈点接触，故纤维的掺量受到很大限制；⑤水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维是不利的。
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复合材料复习资料
一简答证明题
1复合材料的概念：
复合材料是有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复合材料的种类：
（1）颗粒复合材料，由颗粒增强材料和基本组成。
（2）纤维增强复合材料，由纤维和基本组成。
（3）层合复合材料，由多种片状材料层合而成。
3 复合材料的优缺点：
优点：比强度高，比模量高，材料具有可设计性，制作工艺简单成本较低，某些复合材料的而稳定性好，高温性能好，各种复合材料还具有各种不同的优良性能，例如抗疲劳性，抗冲击性，透电磁波性，减振阻尼性和耐腐蚀性等。
缺点：材料各向异性严重，材料性能分散程度较大，材料成本较高，有些复合材料韧性较差，机械连接较困难。
4复合材料的应用：
航空航天工程的应用，建筑工程中的应用，兵器工业中的应用，化学工程中的应用，车辆制造工业中的应用，电气设备中的应用，机械工程中的应用，体育器械中的应用，医学领域中的应用。
4 C ij对称性：
由dW=C ijεj dεi对两边求偏导
=C ij =C ji
因应变势能密度W的微分与次序无关，所以有 C ij=C ji，即刚度系数矩阵C具有对称性。
5，独立常数
对于正交各向异性材料，只有9个独立弹性数具有以下关系
即（i,j=1.2.3,但i j）
共有六个和E1，E2，E3
ij
二计算题
1单层板任意方向应力---应变关系
3-2已知玻璃/环氧单层材料的E 1=4.8MPa,E2=1.6 MPa,=0.27,
G 12=0.80MPa,受有应力=100MPa,=-30MPa,=10MPa,求应变。
3-3已知单层板材料受应力=50MPa,=20Pa,=-30MPa，求角时的,,分量。
3-4已知玻璃/环氧单层材料的E 1=3.9MPa,E2=1.3 MPa,=0.25,
G 12=0.42MPa,求S ij,Q ij
2层合板刚度（层板理论） 90/0
5-2略
5-6已知
Q 11=5.50MPa,Q22=1.30MPa,Q12=0.50MPa,Q66=MPa,每层t=0.10cm,求90/090/0 4层层合板的所有刚度系数。
5-7已知单层板弹性常数E 1=9.6MPa，E2=2.40MPa,=0.40,
G
12=1.00MPa,求正交铺设5层对称层合板（每层t1=0.1cm）0900的所有刚度系数。
5-8已知上题弹性常数的层合板，求正交铺设6对称层合板（每层t1=0.1cm）
0900的所有刚度系数。
3层合板强度（屈服极限）强度准则
6-1已知三层层合板梁长 200mm，宽 10mm，单层E 1=5.0MPa,E2=1.0 MPa,=0.40, G
12=2.0MPa,铺设顺序为090 1mm,两端作用拉力P=5000，求各层应力分布。
6-4设有三层正交铺设层合板如图6-2所示，总厚度为t，外层厚为t/12，内层厚为
t，材料为硼/环氧，受轴向拉力Nx作用，E 1=2.0105 MPa,E2=2.0
MPa,=0.30, G 12=6MPa,Xt=1.0MPa，Xc=1.0MPa，
Yt=1.0MPa，Yc=1.0MPa，S=60MPa，试求层合板极限载荷（Nx/t）.
4单层复合材料细观力学（串并联，弹性常数）
11-2已知E f=7.50MPa ,E m=3.50MPa,f=0.22,m=0.35,试用串联和并联模型计算单向复合c f=50和60时G12的值
11-4已知玻璃/环氧复合材料的f=0.25 ,m=0.35, c f=70, E m=3.50102MPa，
E 1=5.0MPa，试用串联和并联模型计算E2和。
11-6已知单层板复合材料的f=5.010-6-1，m=5.010-5-
1,E f=8.0MPa,E m=3.0102MPa，
=0.25,m=0.35, c f=50和70,试求材料的
f
热碰撞系数1，2。