材料导论复合材料
复合材料概论
复合材料概论1.复合材料的定义：复合材料是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或者多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。
2.复合材料的结构：三个“结构层次”：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（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（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）。
3、复合材料与传统材料的不同：复合材料既能保持原组分材料的重要特性，又可通过复合效应使各组分的性能相互补充，获得传统材料不具备的许多优良性能。
4.金属基复合材料组成特点：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金属基复合材料具有决定性的影响。
因此要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体。
5.无机凝胶材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。
6.聚合物基体的种类：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。
7.聚合物基体的组分：主要组分是聚合物，其他组分油固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等。
8.聚合物基体的作用：基体材料通过与增强材料界面间的粘接成为一个整体，并以剪应力的形式向增强材料传递载荷，保护增强材料免受外界环境的作用和物理损伤。
9.不饱和树脂聚酯的固化特点：不饱和聚酯树脂的固化是一个放热反应，其过程可以分三个阶段：a.胶凝阶段：从加入促进剂到树脂变成凝胶状态的一段时间，影响凝胶时间的因素有很多，如阻聚剂、引发剂和促进剂的量，环境温度和湿度、树脂的体积、交联剂蒸发损失等。
b.硬化阶段：硬化阶段是从树脂开始凝胶到一定硬度，能把制品从模具上取下为之的一段时间。
c.完全固化阶段：通常在室温下进行，并用后处理的方法来加速，这段时间越长，制品吸水率越小，性能越好。
10.玻璃纤维的结构：玻璃纤维的结构假说有“微晶结构假说”和“网络结构假说”。
复合材料导论、材料力学、复合材料力学 英语
复合材料导论、材料力学、复合材料力学英语1. 引言1.1 概述在工程领域，材料的选择对产品的性能和可靠性至关重要。
复合材料作为一种特殊类别的材料，由两个或更多种不同类型的材料组成，具有优异的物理、化学和力学性能。
本文旨在介绍复合材料导论、材料力学以及与之相关的复合材料力学。
1.2 目的本文的目的是提供一个全面而系统的概述，包括如何定义和描述复合材料、复合材料组成和分类以及其应用领域。
此外，本文还将介绍材料力学中基本原理和分析方法，并探讨应力应变关系。
最后，文章还将深入探讨复合材料力学中弹性力学基础知识、复合材料中的应力分布特点以及界面剪切应力与应变关系解析模型及其影响因素。
1.3 文章结构本文共分为五个主要部分。
首先，在第二部分“复合材料导论”中，我们将对复合材料进行定义和描述，并展示其独特的特点。
接下来，在第三部分“材料力学”中，我们将介绍各种分析方法和原理，以便读者了解材料的性能分析过程。
在第四部分“复合材料力学”中，我们将详细讨论复合材料中的弹性力学基础知识、应力分布特点以及界面剪切应力与应变关系解析模型及其影响因素。
最后，在第五部分“结论和展望”中，我们将对全文进行总结，并提出未来研究的建议。
通过这个章节结构，读者可以逐步了解复合材料导论、材料力学和复合材料力学相关内容。
Note: 为了更好地理解您所需的内容，请准确描述文章每个章节或部分所需概要信息。
2. 复合材料导论2.1 定义和特点复合材料是由两种或多种基本不同的材料组成的复合结构。
在复合材料中，称为基质的一个材料通过包裹或浸润另一个称为增强体的材料来提高其性能。
与单一材料相比，复合材料具有更优异的力学性能。
复合材料具有以下几个特点：- 高强度与低重量比：由于增强体的加入，复合材料通常具有较高的强度和刚度，并且相对较轻。
- 优良的耐腐蚀性能：利用某些增强体可以使复合材料具有出色的耐腐蚀性能，这在诸如航空航天和海洋工程等领域中非常重要。
1.【复合材料】复合材料导论
2011-2-10
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这些都是复合材料
自然界：骨头、贝壳、植物的杆、 自然界：骨头、贝壳、植物的杆、枝、叶 历史上：土坯、 泥塑像、 漆器、 历史上：土坯、 泥塑像、 漆器、 藤甲 工程上：钢筋混凝土、 冷却塔 工程上：钢筋混凝土、 生活中：花坛、 钓鱼竿、 生活中：花坛、 钓鱼竿、 汽车部件 飞机部件、 航 空： 飞机部件、 雷达罩 头盔、 军 事： 头盔、 防弹衣
2011-2-10 10
当代材料的研究进展
诺贝尔奖 白川英树 导电聚合物 20 世纪 年代 在日本东京工业大学攻读博士学位的白川英树采 世纪60 年代,在日本东京工业大学攻读博士学位的白川英树采 用齐格勒纳塔催化剂研究乙炔的聚合反应,其目的在于探讨三聚体 用齐格勒纳塔催化剂研究乙炔的聚合反应 其目的在于探讨三聚体 的形成过程和制备聚乙炔薄膜。 的形成过程和制备聚乙炔薄膜。 教授指导下,白川英树发明了一种先将催化剂 在Sakaji Ikeda教授指导下 白川英树发明了一种先将催化剂 教授指导下 白川英树发明了一种先将催化剂Ti (OBu) 4/ AlEt3 ( Ti 浓度约为 浓度约为3mmol/ L ,Al/ Ti约为 ～4) 溶于甲 约为3～ 约为 制成膜, 苯,制成膜 然后利用乙炔气体的分压来控制它在催化剂膜上聚合 制成膜 速率的办法,并制得顺式聚乙炔。 速率的办法 并制得顺式聚乙炔。 并制得顺式聚乙炔
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复合是自然界的基本规律 天然材料是最完美的材料， 天然材料是最完美的材料， 人的心脏。 人的心脏。 75*60分*24小时 分 小时*365天*80年 小时 天 年 =3，153，600，000跳/一生 ， ， ， 跳 一生 完美的特性来源于复合与自修复。 完美的特性来源于复合与自修复。
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。
复合材料导论
高分子复合材料第一讲：序论就单一的材料而言，高分子材料性能无疑是最全面的，因为…….但高分子材料同时并非最完美的，因为……材料科学的目的:就是制备性能完美，功能更多，价格更便宜的材料。
高分子复合材料的学习要求你们有更博大的胸怀，是高分子和其他材料的交叉科学。
2.1 复合是自然界的基本规律天然材料是最完美的材料，人的心脏，75*60分*24小时*365天*80年=3，153，600，000跳/一生该完美的特性就来源于复合与自修复----细胞，是细胞膜、细胞基质、细胞核的复合体，各自担任营养、信息表达和力学支撑的作用。
即使细胞膜也是有磷脂双分子层，蛋白质组成的复合功能体系。
2.3 复合是科学的基本思想超分子科学诺贝尔奖白川英树导电聚合物vs导电复合材料材料发展简史---石器时代纤维增强聚合物基复合材料Copyright reserved旧石器时代—早在100万年以前，人类开始以石头做工具新石器时代—1万年前，人类对石头进行加工材料发展简史---陶器时代纤维增强聚合物基复合材料Copyright reserved 新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固化而制成陶器，从而进入陶器时代。
目前考古发现的陶器，在亚洲有中国江西省万年县大源乡仙人洞的陶器和日本最早的绳纹陶（公元前8000年左右）；在欧洲，在希腊半岛发现的陶瓷约在公元前6000至5000年；在美洲大陆，已发现的陶器约在公元前6000年前左右。
陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同时也成为这一时期最重要的生产工具。
纤维增强聚合物基复合材料Copyright reserved烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，生产出各种青铜器物，进入了青铜时代。
古希腊大约在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前，中国是夏代（公元前2000年左右），欧洲是公元前1800年前后进入青铜器时代。
这是人类大量利用金属的开始，是人类文明发展的重要里程碑。
现代复合材料导论
混合聚合物性能改善的原理
共混原理 的成功应 用：工程 塑料－ ABS树脂 的制造工 艺
聚合物混合体结构的大小
第四章、叠层复合技术－功能 性复合材料
叠层技术
（1）在一种素材薄膜上涂覆另一种素材的溶液之后，干燥；
（2）粘结两片薄膜；
（3）在一种素材薄膜之上蒸镀另一种素材。
叠层技术涂覆与粘结
熔融挤压 叠层法
力学设计：蜂窝－表皮结构和支肋结构
机械加工与连接
连接方法与强度
多维编织的立体组织
航天领域尤其需要比强度和比模量高、耐摩 擦和耐高温的材料； 太空的气候条件变化大，要求材料能够承受 极端条件，如C/C耐烧蚀复合材料。
图 6-2 碳/碳复合材料制造的刹车零件
同步通讯卫星的太阳能电池框架、反射天线；
增强相形状示意图
颗粒增强
复 合 材 料
层压复合材料
长纤维 增强
定向排布
纤维增强复合材料 短纤维 增强 混乱排布
取向性排布
复合材料的分类
按聚合物（树脂）分：
热固性树脂复合材料；
热塑性树脂复合材料。 按聚合物种类分： 聚酯树脂基复合材料； 环氧树脂基复合材料；
酚醛树脂基复合材料；等等。
5千年前，中东用沥青作为芦苇 的黏合剂造船；
4千年前的夏时代已开始出现漆 器，用丝、麻等天然纤维作增强剂 ，用大漆作粘结剂； 秦汉以后对底胎和面漆的改革出 现了中空漆佛像。
复合材料的历史
最早的涂料——生漆 （国漆、大漆、土漆） 主成分是具有双键侧链的漆酚，经氧化 后聚合成高分子链。
漆
（木汁如水滴而下，形象表现割漆的情 形。） 漆树在秦汉时期主要分布在黄河流域， 后来由于中原气候变冷，漆树现主要分 布在四川盆地。
材料导论第十四章复合材料ppt课件
复合材料的种类
金属基
陶瓷基
按基体相分
聚合物基
水泥基
复 合 材
按增强相 的形态分
颗粒增强 纤维增强 晶须增强
碳纤维 玻璃纤维 有机纤维
复合纤维
料
编织物增强
按用途分
结构复合材料 承受载荷，作为承力结构使用
功能复合材料
电、磁、光、热、声、摩 擦、阻尼、化学分离性能
复合材料的特点
多相: 至少两相 复合效应：不仅保留了原组成材料的特色，而且
3、石墨/镁复合材料
这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具 有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石 墨纤维的润湿性。
金属基复合材料
长纤维增强金属基复合材料
4、碳化硅/钛复合材料
碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反 应小，润湿性好。
主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。
5、氧化铝/铝复合材料
氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度， 且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于 汽车发动机活塞和其他发动机零件。
金属基复合材料
1、氧化铝/铝复合材料
短纤维/晶须增强金属基复合材料 2、碳化硅/铝复合材料 3、氧化铝/镍复合材料
突出特点
性树脂基体—热塑性玻璃钢。
密度低：1.6～2.0g/cm3；
比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；
耐烧蚀
耐腐蚀
应用
航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。 火箭：发动机壳体、喷管。 汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。 石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等
材料导论-复合材料
A380，每位乘客的百公里能耗不到3升，比竞争
机型的能耗低12%；
空中巴士公司的A350超宽客机，复合材料结构将
达62%，A350的百公里能耗预计只有2.5升/人，
几乎可以跟现在的小汽车媲美。
09.01.2021
整理课件
7
大飞机制造材料：
北京航空材料研究院益小苏
• 70年代空客A300，复合
材料占整架飞机的比重只
有5%；
• 06年面世超大型飞机
A380，复合材料的比重
已达23%；
• 2010年A350超宽客机，
其高性能轻质结构将达
62%，成为空客公司第
一架全复合材料机翼飞机。 飞机的机身前舱部分可整
09.01.2021
体使用复合材料成型
整理课件
8
1700 1500
陶瓷复合材料 碳-碳
隔热涂层
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
使材料有了很强的可设计性
• 但由于单一材料自身的成分、结构形成的界
面特征，目前并不是所有单一材料都能复合
09.01.2021
整理课件
3
10 68
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
芳香族酰胺纤维 碳纤维
强度/密度（ln×10 ）
6
4
复合材料
2
木材
钢
石料 青铜 铸铁
铝
0
1600
1700
1800
1900
芳纶密度：1.4g／cm3
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整理课件
拉伸模量：120～150GPa
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复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。
基体相：一种连续相，它把改善
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（3）强调增强材料时则以增强材料为主： 如玻璃纤维增强复合材料 碳纤维增强复合材料等
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三、复合材料分类
（1）基体材料类型
聚合物基复合材料 金属基复合材料(石墨纤维增强镁 )
无机非金属基复合材料
（2）增强纤维类型
玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料
有机纤维复合材料
硼纤维复合材料 混杂纤维复合材料
粒子复合材料
（3）增强物外形
纤维复合材料
层状复合材料
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（4）材料作用
结构复合材料
金属基复合材料 陶瓷基复合材料 聚合物基复合材料 水泥基复合材料
功能复合材料
导电导磁复合材料 阻尼吸声复合材料 屏蔽功能复合材料
有5%；
• 06年面世超大型飞机
A380，复合材料的比重
已达23%；
• 2010年A350超宽客机，
其高性能轻质结构将达
62%，成为空客公司第
一架全复合材料机翼飞机。
2020/6/15
飞机的机身前舱部分可整
体使用复合材料成型
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陶瓷复合材料 碳-碳
隔热涂层
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
10
铸铁井盖
纤维聚合物井盖
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纤维混凝土井盖
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讲授内容：
4.1 概述 一、什么是复合材料 二、复合材料的命名 三、复合材料的分类 四、复合材料的发展历史 五、复合材料的发展趋势
4.3增强材料 一、玻璃纤维 二、碳纤维 三、硼纤维 四、碳化硅纤维 五、芳纶纤维 六、晶 须
4.2 复合材料的增强机制 一、粒子增强型复合材料增强机制 二、纤维增强复合材料的增强机制 三、复合材料的界面 四、复合材料的基本性能
摩擦磨损复合材料
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四、复合材料的发展历史
• 远古时代出现。例如：古代草混在泥土中，做
壁体的房顶，草混土就是原始的纤维增强复合 材料；公元前埃及的金字塔就使用了石灰、火 山灰等作粘结剂，并以砂石混合作为混凝土材 料，这是原始的粒子分散复合材料。
材料为什么复合？
金属材料
局限性:
成分
结构
高
无机非金
性能
分
属材料
子
材
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料
1
问题解决思路：
• 复合——克服单一材料缺点，发挥复合后共
同的优点
• 复合的方式——研究新材料的捷径
使材料有了很强的可设计性
• 但由于单一材料自身的成分、结构形成的界
面特征，目前并不是所有单一材料都能复合
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材料的表面温度(℃)
1300
1100 普通铸件
900 1950 1960
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纤维增强超级合金 弥散强化超级合金 共晶合金 单晶合金 定向凝固超级合金
1970 1980 1990 2000 2010
在发动机上应用的年份
叶片材料的发展历程
2020
8
30年代教练机 二次大战战斗机
80年代截击机 航天飞机
性能的增强相材料固结成一体，
并起传递应力的作用。
SiC颗粒
增强相起承受应力（结构复合材
增 强
料）和显示功能(功能复合材料)
相 三Leabharlann 种的作用。类
Al2O3片
型
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纤维增强高分子复合材料
Al2O3纤维
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二、复合材料的命名
（1）基体与增强材料并用： 增强材料/基体材料 “复合材料” 如：碳纤维环氧树脂复合材料
60年，木质球拍
今 日 ， 复 合 材 料
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如碳、玻璃、克维拉、
高张力碳纤维，钛，超刚性 碳纤维等材料单独使用或混 合使用。、复合材料与木或 铝比起来更轻，更硬，更耐 用也更能吸收震荡与振动。 同时也让制造厂商在球拍的 硬度，球感，击球性能的设 计上有更大的伸展空间。4
飞机用材料的发展
船 体
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
碳纤维密度：1.7g/cm3 拉伸强度：3～5GPa 拉伸模量：200～700GPa
种不同的要求。
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芳纶密度：1.4g／cm3 拉伸模量：120～150G13Pa
复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。
基体相：一种连续相，它把改善
4.4金属基复合材料 4.5陶瓷基复合材料 4.6聚合物基复合材料
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12
一、什么是复合材料？
4.1 概述
复合材料(omposite materials)是
由两种或两种以上化学性质或组
织结构不同的材料组合而成的材
料。
以一种材料为基体(Matrix)，
复 合
另一种材料为增强体
材 料
(reinforcement)组合而成的材料。 各种材料在性能上互相取长补短，
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
490C 不同类型的飞行器蒙皮温度 93.30C
4270C
10930C
东方快车号
16490C
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538
1093 1649
温度（0C）
9
+595 +390 +175
导弹射程
金属
Km 玻璃纤维 KavlarC/C复合材料
火箭壳体材料与导弹射程
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10 68
新材料技术是工业革 命和产业发展的先导
芳香族酰胺纤维 碳纤维
强度/密度（ln×10 ）
6
4
复合材料
2
木材
钢
石料 青铜 铸铁
铝
0
1600
1700
1800
1900
2000
年份
材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看 出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍)
网球拍材料发展
70年代，金属球拍
1903 年12月17日莱特 兄弟的第一架飞木材、 布和钢
1910～1925年开始用钢管代替 木材作机身骨架，用铝作蒙皮
40-50年代末全金属结构飞机
60年代出现3倍音速的SR-71全钛高 空高速侦察机和不锈钢占机体结构重 量 69％的XB-70轰炸机。
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70年代后以铝、钛、钢硼或碳纤维增强的复合材料。已 成为飞机的基本结构材料。A38025%重量的部件由CFRP 复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3% 为铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料层状结构的LARE纤 维－金属板。部件包括：减速板、垂直和水平稳定器、 方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门5等
A380，每位乘客的百公里能耗不到3升，比竞争
机型的能耗低12%；
空中巴士公司的A350超宽客机，复合材料结构将
达62%，A350的百公里能耗预计只有2.5升/人，
几乎可以跟现在的小汽车媲美。
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大飞机制造材料：
北京航空材料研究院益小苏
• 70年代空客A300，复合
材料占整架飞机的比重只