复合材料导论

第一章 绪论复合材料的定义： 复合材料(Composite materials)，是由界面分明、物理化学性质不同的组分材料，通过物理或化学的方法构成的性能优越的多相材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

复合材料应具有以下三个特点：(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。

(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。

(3)复合材料具有可设计性。

复合材料的发展现状（1）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟 广泛的应用（2）金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位（3）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决 复合材料的组成结构特点和分类*细观复合：一种或几种制成细微形状的材料均匀分散于另一种连续材料中宏观复合：两层以上不同材料的叠合,层合复合材料可以是几种单成分材料,也可以细观复合材料细观复合材料的组成结构特点：1基体相（连续相）：Co 包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，作用是粘结保护分散相材料和传递应力2界面：位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域3增强相（分散相）：被基体相包裹分隔，具有比基体相高的模量和强度，起到抵抗变形和破坏的作用 细观复合材料的分类细观复合材料的分类 （按分散相分类)1纤维增强复合材料 (包括连续纤维增强：“纤维的两端达到制成的复合材料构件的边界” 和 短纤维增强："将长纤维或纤维束切断分散于基体中"）2 颗粒增强复合材料 3晶须增强复合材料按连续相分类 非金属基复合材料 金属基复合材料 聚合物基复合材料碳基复合材料 陶瓷基复合材料 热固性树脂 热塑性树脂第二章复合材料增强体(1.纤维2.颗粒3.晶须)一纤维增强纤维的分类:有机纤维：芳纶纤维聚乙烯纤维尼龙纤维无机纤维：玻璃纤维碳纤维硼纤维氧化铝纤维碳化硅纤维氮化硼纤维纤维增强体的形态复合材料中的纤维连续是合成纤维，是上万跟纤维组成的基本无捻的长丝束/纱，称为粗纱。

将长纤维或纤维束切断分散于基体中纤维织物，由纱线编织成的二维或三维织物。

玻璃纤维的制造1）坩埚拉丝法（玻璃球法）2）窑池拉丝法（直接熔融法）3）吹制法（短纤维）4）玻璃纤维制品璃纤维的制造方法1）坩埚拉丝法（玻璃球法)①制球：砂岩、石灰石、蜡石、硼酸及粘土等化工原料按比例计量、调配、混合后送入熔窑内制成玻璃液，玻璃也自熔窑中流出，制成直径1.8cm的玻璃球，作为拉丝的原料步骤：玻璃原料——混合——熔炼炉1260℃——造球机——玻璃球（直径15~18mm）②拉丝工艺参数：铂金坩锅玻璃液温度：约为1300℃漏丝板孔数：102，204，408个，国外3500个左右孔直径：1.5~2mm流出玻璃液温度：1190 ℃集束轮转速：1000~3000m/min 拉丝直径：3~20um方法2池窑拉丝法（直接熔融法）将玻璃原料投入熔窑熔化后直接拉制成连续玻璃纤维优点：①省去制球工艺；②池窑容量大，生产能力高；③对窑温、液压、流量和漏板温度可以自动化集中控制；④适用于多孔大漏板生产粗玻璃纤维；⑤废产品易于回炉方法3吹制法在熔融的玻璃液从熔炉中流出时，立即受到喷射空气流或蒸汽流冲击，将玻璃吹拉成短纤维，将飞散的短纤维收集在一起，均匀喷涂粘结剂，可以得到玻璃棉或玻璃毡。

方法4玻璃纤维制品碳纤维的制造碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。

碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在350℃以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。

碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。

1）气相法在惰性气氛中，小分子有机物(如烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。

用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝2）有机纤维碳化法制造连续长纤维：①将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维；②在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。

有机纤维碳化法制作碳纤维的主要原材料有三种：①人造丝(粘胶纤维)；②聚丙烯腈(PNN) 纤维；③沥青。

无论用哪一种原丝纤维来制造碳纤维，都要经过五个阶段：拉丝——牵伸——稳定——碳化——石墨化二颗粒具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，加入到基体材料中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。

其成本低，易于批量生产三晶须1 晶须定义：是指具有一定长径比和截面积小于52 10-5cm2的单晶纤维材料。

其直径为0.1到几个微米, 长度为数十到数千微米。

但具有实用价值的晶须的直径约为1-10微米,长径比在 5 –100之间。

晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。

2 晶须的种类有：碳化物晶须：SiC、TiC、ZrC、WC、B4C；氮化物晶须：Si3N4、TiN、BN、AlN；氧化物晶须：MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2 ；金属晶须：Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti；硼化物晶须：TiB2、ZrB2、TaB2；无机盐晶须：K2Ti 6O13、Al18B4O33等。

第三章复合材料基体1. 聚合物热固性聚合物热塑性聚合物2.金属铝、镁及其合金钛及其合金其它金属3..陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷玻璃陶瓷4.碳（石墨）5.水泥第四章树脂基复合材料***树脂基复合材料的性能优势有哪些？*比强度: 材料的强度与其密度之比比刚度：材料的弹性模量与其密度的比值（是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求之一。

比刚度/强度较高说明相同刚度/强度下材料重量更轻，或相同质量下刚度/强度更大。

）*耐疲劳*耐腐蚀性能好*可设计型好*尺寸稳定性好***什么是玻璃钢，举例说明其用途？玻璃钢：工业用树脂基复合材料，玻璃纤维增强热固性树脂（主要是聚酯树脂）复合材料用途：交通、建筑、化工、体育用品等领域都有应用如：喷气式飞机上用它作油箱和管道，可减轻飞机的重量。

登上月球的宇航员们玻璃钢储罐，他们身上背着的微型氧气瓶，也是用玻璃钢制成的。

各种小型汽艇、救生艇、游艇，以及汽车制造业等***什么是先进树脂基复合材料？航空航天用先进树脂基复合材料：碳、硼纤维增强热固性树脂（主要是环氧树脂等）树脂基复合材料的主要制备方法有哪些？你认为选择制备方法的依据有哪些？喷射成型缠绕成型拉挤成型树脂传递模成型等喷射成型工艺喷射成型工艺是利用喷枪将短纤维及树脂同时喷到模具上，压实固化成制件的工艺方法。

方法：将分别混有促进剂和引发剂的树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。

当树脂与玻璃纤维无捻粗纱混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。

优点：喷射法使用的模具与手糊法类似，而生产效率可提高数倍，劳动强度降低，能够制作大尺寸制品。

缺点：用喷射成型方法虽然可以制成复杂形状的制品，但其厚度和纤维含量都较难精确控制，树脂含量一般在60%以上，孔隙率较高，制品强度较低，施工现场污染和浪费较大。

用途：利用喷射法可以制作大蓬车车身、船体、广告模型、舞台道具、贮藏箱、建筑构件、机器外罩、容器、安全帽等。

拉挤成型工艺方法：首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型；在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。

优点：①生产效率高，易于实现自动化；②制品中增强材料的含量一般为40％-80％能够充分发挥增强材料的作用制品性能稳定可靠；③不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中树脂损耗少；④制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可根据需要定长切割。

缠绕成型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，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。

主要用于制备回转体制品。

常用纤维：玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维等常用树脂：热固性环氧和聚酯树脂1、干法缠绕预浸纱带（布带），加热粘流后缠绕。

特点：严格控制纱带含胶量和尺寸，质量稳定，速度快，劳卫条件好，投资大。

2、湿法缠绕浸渍无捻粗纱直接缠绕。

特点：材料经济，质量不稳。

3、半干法缠绕预浸渍粗纱（或布带）随即缠绕到芯模上。

特点：无需整套设备，烘干快，室温操作。

缠绕规律1）纤维既不重叠也不离缝，均匀联系布满芯模表面（2）纤维在芯模上位置稳定，不打滑纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计算机控制。

连续纤维缠绕技术的优点纤维铺放具有高度准确性和重复性、能制造小到几十毫米、大到几十米的回转体，制品纤维含量高（70-75%）、原材料消耗小、无废料，可以制备球形容器、弯管等。

应用:（1）压力容器：用于储存燃料和高压气体的容器，一般有球形、圆筒形和环形（2）非压力容器缠绕结构制品：锥壳形、圆柱形等（3）工业管道和储罐树脂传递成型：先将增强剂置于模具中形成一定形状，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化的一种复合材料生产工艺，是FRP（纤维增强塑料）的主要成型工艺之一。

制备方法的选择材料组元选择后，就要考虑所采用的复合工艺路线，即具体的制备方法。

制备方法的选择主要应考虑以下四个方面：(1)所选的工艺方法对材料组元的损伤最小，尤其是纤维或晶须掺入基体之中时，一些机械的混合方法往往造成纤维或晶须的损伤；(2)能使任何形式的增强材料(纤维、颗粒、晶须)均匀分布或按预设计要求规则排列；(3)使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避短，而且各组元仍保留着固有的特性。

（4）在制备方法的选择上还应考虑性能／价格比，在能达到复合材料使用要求的情况下，尽可能选择简便易行的工艺以降低制备成本。

针对不同的增强材料和基体特性应采用不同的制备方法，第五章金属基复合材料1）金属基复合材料的性能优势有哪些？金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。

2）-金属基复合材料的基体材料有哪些？用于450 ℃以下的轻金属基体(1)铝和铝合金(2)镁和镁合金(2) 用于450-700 ℃的复合材料的金属基体(1)钛及其合金用于1000 ℃以上的金属基体(1)镍和镍合金(2)金属间化合物3）金属基复合材料的制备方法1固态法（粉末冶金），液态法（压铸，普通和预制体压铸）2粉末冶金将固态金属粉末与增强体混合后在加压加温条件下合成金属基复合材料的方法长纤维增强：将纤维和金属粉末按比例混合，密封在容器中，然后进行热等静压适用范围：主要应用于短纤维、颗粒或晶须增强，也可以应用于长纤维增强。