复合材料的概念、分类及其发展历程
最新第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
目录
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
第二章 复合材料基本特性、应用及其研究现状
第三章 复合材料的基体材料
第四章 复合材料的增强材料
第五章 复合材料的成型工艺
第六章 复合材料的复合原子及界面
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１、复合材料的定义
什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ? 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
第七章 聚合物基复合材料
第八章 金属基复合材料
第九章 陶瓷基复合材料
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第十章 金属间化合物基复合材料
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
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F．L. Matthews和Ｒ．D．Rawlings认为，复合材料 是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面 三个条件：
(1)组元含量大于5％； (2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能， (3)通过各种方法混合而成。
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复合材料
复合材料1.前言复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。
它是二十世纪最重要的人工材料之一，成为继金属、陶瓷、高分子材料之后的第四类材料。
从“二战”玻璃纤维增强复合材料应用开始，到目前以碳纤维增强复合材料为代表的各种先进复合材料，由于其优越性能和可设计性等突出优点，备受关注。
复合材料的发展大都以国防、航空航天需求为牵引，通过材料研发与应用水平的提高，不断的更新换代，现已被推广到航空航天、船舰、交通、能源、建筑、桥梁以及休闲等领域。
2.复合材料的发展历史复合材料具有很长的历史，人类在远古时代就从实践中认识到，可以根据用途需要，组合两种或多种材料，利用性能优势互补，制成原始的复合材料。
所以，复合材料既是一种新型材料，也是一种古老的材料。
复合材料的发展历史，可以从用途、构成、功能，以及设计思想和发展研究等，大体上分为古代复合材料和现代复合材料两个阶段。
从使用方面讲，复合材料可以分为三个时期：远古时代，古代，近代。
复合材料因为时代的不同而不断发展，每个时期都有具一定代表的材料，在远古时期主要是人们用稻草掺入黏土做土坯，在古代时期人们用钢铁层压法制成刀剑等，在近代，发展较快是以1942年制出的玻璃纤维强化塑料为起点。
随后为了提高纤维的弹性率，开发了硼纤维、碳纤维、耐热氧化铝纤维等。
另一方面，为改善树脂的耐热性，对金属基复合材料也开展了研究。
FRM 的耐热温度已达450℃，强度在1500 MPa以上。
同时，对陶瓷等无机材料作为复合材料的基体也有了新的认识，在研究开发基础上有了广泛的应用。
3复合材料简介3.1 复合材料的组成复合材料主要是由两部分构成，一部分为基体，另一部分第二相（也被称为增强体）。
基体是复合材料的主要骨架，起主要作用，增强体材料在复合材料中起粘连作用。
作为复合材料的骨架，基体有很多种材料可以选择，当代的复合材料的基体材料主要有以下五种：树脂基(又称聚合物基，如塑料基、橡胶基等)，金属基，陶瓷基，水泥基，碳/碳基。
复合材料发展历程
复合材料发展历程复合材料的发展历程可以追溯到古代，但现代复合材料的发展主要是在20世纪逐步展开的。
20世纪初期，人们开始尝试将纤维材料与树脂等有机物质进行结合，以提高材料的性能和功能。
最早的复合材料之一是纸浆加强树脂，它由纸浆、酚醛树脂和填料混合而成。
这种材料具有较高的强度和硬度，被广泛应用于建筑和电器领域。
随着人们对复合材料性能需求的不断提高，新的材料组合和制造工艺被不断开发。
1920年代，美国化学家Leo Hendrik Baekeland发明了第一种合成塑料——酚醛树脂，这一发现奠定了合成树脂在复合材料中的重要地位。
第二次世界大战对复合材料的发展起到了重要推动作用。
在战争期间，航空工业的快速发展需要轻质、高强度的材料。
于是，复合材料开始被广泛应用于飞机制造中。
玻璃纤维增强塑料（GRP）是该时期最具代表性的应用之一。
使用玻璃纤维与环氧树脂结合，能够产生轻、高强度的结构材料，大大提高了飞机的性能。
此后，GRP逐渐在民用领域得到推广，如汽车制造、建筑和体育器材等领域。
20世纪60年代至70年代，碳纤维复合材料开始进入人们的视野。
碳纤维具有轻、强、刚的特点，被广泛应用于航空航天领域。
然而，由于碳纤维制造工艺复杂、成本高昂，直到近年来才逐渐在其他领域得到应用。
随着科学技术的进步和复合材料制造工艺的不断改进，新的复合材料不断涌现。
如纳米复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等，都在特定领域具有重要的应用潜力。
综上所述，复合材料的发展历程经历了从初期的纸浆加强树脂到玻璃纤维增强塑料，再到碳纤维复合材料的演进。
随着科技的进步和研发的不断深入，复合材料的应用领域也在不断拓宽。
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良好的热导性
某些复合材料具有良好的热导性，适用于需要散热或传热的场合。
耐高温性能
通过选择合适的基体和增强材料，复合材料可以在高温环境下保持 较好的力学性能。
电学性能
绝缘性能
大多数复合材料具有良好的绝缘性能，适用于电气 和电子设备中。
后处理与加工
固化处理
对成型的复合材料进行加热或自然固化，使其达到所需的物理和化 学性能。
机械加工
对固化后的复合材料进行切割、钻孔、打磨等机械加工，以满足产 品形状和尺寸的要求。
表面处理
对复合材料表面进行喷漆、电镀、阳极氧化等处理，以提高其耐腐蚀 性、装饰性等性能。
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复合材料的性能特点
力学性能
成型工艺
手糊成型
在模具上涂刷脱模剂，然后铺贴一层纤 维布或毡，再涂刷一层树脂，如此反复
直至达到所需厚度。
模压成型
将预浸料或纤维与树脂混合物放入模 具中，在加热和加压的条件下固化成
型。
喷射成型
将树脂和固化剂分别通过喷嘴喷到模 具上，同时用喷枪将纤维切断并喷到 树脂中，形成复合材料层。
注射成型
将树脂和固化剂混合后注入到装有纤 维的模具中，然后在一定温度和压力 下固化成型。
复合材料的组成与结构
基体材料
聚合物基体
如环氧树脂、聚酰亚胺等，具有良好的可加工性和韧 性。
金属基体
如铝、镁、钛等合金，具有高比强度和优异的导电导 热性能。
陶瓷基体
如氧化铝、氮化硅等，具有高温稳定性和耐磨损性。
增强材料
纤维增强材料
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比 强度和模量。
第一章复合材料的概念分类及其发展历程
第一章复合材料的概念分类及其发展历程复合材料是由两种或两种以上不同的成分构成的材料体系。
它以其各成分的优点相互补充、相互作用，达到材料性能的综合优良，被广泛应用于各个领域。
复合材料的分类主要依据是其增强相的特征，一般可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状结构复合材料。
颗粒增强复合材料是将颗粒状的增强相与基体相结合而形成的材料。
增强相可以是金属颗粒、陶瓷颗粒、碳纳米管等。
颗粒增强复合材料具有良好的抗磨损性能、高硬度等特点，常用于制造耐磨材料、陶瓷刀具等。
纤维增强复合材料是以纤维为增强相的复合材料。
纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、腈纶纤维等。
纤维增强复合材料具有高强度、高模量、低密度等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
层状结构复合材料是通过将两种或两种以上的不同材料叠加起来形成的复合材料。
层状结构复合材料具有多种性能，如强度、刚度、导热性、耐磨性等，常用于制造电路板、涂层等。
复合材料的发展历程可以追溯到古代，但真正的发展始于20世纪。
20世纪50年代，随着塑料和树脂材料的应用，复合材料的发展进入了一个新阶段。
20世纪60年代，纤维增强塑料的出现推动了复合材料的应用。
20世纪70年代，碳纤维复合材料的出现使复合材料的强度和刚度得到了进一步提高。
20世纪90年代以后，复合材料的应用领域不断扩大，涉及到各个行业。
复合材料的发展主要受到科学技术的推动。
随着纳米技术、材料科学等领域的不断发展，复合材料的性能和应用范围将会有更大的突破。
预计未来的复合材料将更加轻量化、高强度、高性能，可以满足更多领域的需求。
综上所述，复合材料是由两种或两种以上不同的成分构成的材料体系，根据增强相的特征可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状结构复合材料。
复合材料的发展历程起源于古代，但真正的发展始于20世纪，受到科学技术的不断推动。
未来的复合材料将更加轻量化、高强度、高性能，满足更多领域的需求。
复合材料的概念、分类及其发展历程
复合材料的发展阶段
20世纪初
随着工业革命的发展，人们开始研究复合材料的制备和应用。在这个阶段，人们开始使用 玻璃纤维和有机树脂制造复合材料，这些复合材料具有更高的强度和刚度，被广泛应用于 航空、航天、军事等领域。
20世纪中叶
随着科技的不断进步，复合材料的种类和应用范围不断扩大。在这个阶段，人们开始使用 碳纤维、硼纤维等高性能纤维制造复合材料，这些复合材料具有更高的强度、刚度和耐高 温性能，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
复合材料能够提供高性能的运动 器材，如碳纤维自行车、高尔夫 球杆等，提高运动员的成绩和表
现。
轻量化体育器材
复合材料能够实现体育器材的轻 量化，如羽毛球拍、网球拍等， 提高运动员的灵活性和机动性。
安全防护器材
复合材料具有较好的抗冲击和抗 碰撞性能，能够提供安全防护器 材，如头盔、护具等，保护运动
员的安全。
用等方面。
提高性能与功能
未来复合材料将朝着更高性能、更多功能 的方向发展，以满足更加严苛的工程要求。
智能化与多功能化
随着智能化和多功能化需求的增加，复合 材料将进一步融合传感器、功能器件等， 实现一体化、智能化的应用。
THANKS
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抗疲劳性能
复合材料具有较好的抗疲劳性能， 能够承受反复的载荷变化，适用于 飞机和航天器的关键结构部件。
汽车工业领域的应用
汽车轻量化
定制化设计
复合材料能够显著减轻汽车重量，提 高燃油经济性和动力性能，降低排放。
复合材料具有Βιβλιοθήκη 好的可塑性和可设计 性，能够实现汽车定制化设计和制造。
安全性能
复合材料具有较好的抗冲击和抗碰撞 性能，能够提高汽车的安全性能。
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
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１-1 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。
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相（Phase）
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细观复合材料的分类
按连续相分类 非金属基复合材料 聚合物基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 碳基复合材料
热固性树脂 热塑性树脂
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细观复合材料的分类
按分散相分类
纤维增强 复合材料
颗粒增强 复合材料
晶须增强 复合材料
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纤维增强 复合材料
连续纤维增强
短纤维增强
纺织复合材料
纤维的两端达到制成的 复合材料构件的边界
复合材料导论
Introduction to Composite Materials
轻型产业学院 吴玲
1
第一章 绪论 0 1 2 3 4 材料科学简介 复合材料的定义 复合材料的发展简史 复合材料的组成结构特点和分类 复合材料的性能
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复合材料导论
第一章 绪论
1-1 1-2 1-3 1-4 复合材料的定义和分类 复合材料的发展简史 复合材料的组成结构特点和分类 复合材料的性能
复合材料的命名
•强调基体材料：树脂基复合材料 •强调增强体材料：碳纤维增强复合材料 •基体与增强体材料共用：玻璃纤维增强 环氧树脂，玻璃纤维/环氧树脂，
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复合材料的命名
• • • • • • MMC (metal matrix composite) FRP (Fiber Reinforced composite) GF/Epoxy SiCf /Al SiCp /Al SiCw/Al
《复合材料》PPT课件
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
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良好的减震性能
复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
良好的电绝缘性能
模压成型
缠绕成型
将预浸料或预混料放入模具中，在加热和加 压的条件下使其固化成型。
将浸渍过树脂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。
后处理与加工技术
热处理
通过加热或冷却的方式改善复合 材料的性能，如消除内应力、提
高强度等。
表面处理
对复合材料表面进行打磨、喷涂 等处理，以提高其外观质量和耐 腐蚀性。
原材料的预处理
对增强材料和基体材料进行清洗、干燥、筛分等 预处理，以确保原材料的质量和性能。
成型工艺方法
手糊成型
喷射成型
在模具上涂刷脱模剂，然后铺贴一层基体材 料，再涂刷一层树脂，如此反复直至达到所 需厚度，最后固化脱模。
将树脂和增强材料分别通过喷嘴喷射到模具 上，通过调整喷射参数控制复合材料的厚度 和性能。
大多数复合材料具有优异的电绝缘性能，可用于电气设备和电子器 件的绝缘材料。
多样化的热性能
通过调整复合材料的组分和结构设计，可以实现不同的热性能要求， 如耐热性、隔热性或导热性等。
化学性能
耐腐蚀性
复合材料能够抵抗多种化学物质 的侵蚀，包括酸、碱、盐等，适 用于腐蚀性环境下的应用。
耐候性
复合材料能够抵抗紫外线、氧化、 潮湿等自然环境因素的影响，长 期保持稳定的性能。
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复合材料的概念、分类及其发展历
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主要参考资料
1、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998） 2、复合材料概论----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999） 3、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000） 4、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002) 5、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003） 6、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 7、新材料概论--- 谭毅, 李敬锋(冶金工业出版社,2004) 8、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004）
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按这Matthews和Rawlings给出的定义，钢铁及其合 金不应属于复合材料，如Co—Cr—Mo—Si合金不属于 复合材料，因为这种合金经过熔化和凝固过程；而仅有 像SiC颗粒强化的Al合金这种混合而成的材料才属于复合 材料。因此有人认为可将复合材料划分为广义复合材料 和狭义复合材料。
复合材料的概念、分类及其发展历
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以下面五点概括了复合材料的特点： 1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的； 2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有 某些复合材料形态特征的天然物质）；
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3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有 的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；
4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合 材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个 组分材料性能所不及或不同的；
5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。
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吴人洁教授“在复合材料的未来发展”一文中指出：复合 材料将由宏观复合形式向微观(细观)复合形式发展。微观复 合材料包括：均质材料在加工过程中内部析出的增强相和剩 余的基体相构成的原位复合材料或纤维增强复合材料，也包 括用纳米级增强体的复合材料以及刚强棒状分子增强的分子 复合材料等。
综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规
律和性能持征。
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国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组 合起来而得到的一种多相固体材料。 《材料科学技术百科全书》中关于复合材料的定义如下： 复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材 料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料 的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。 可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从 而获得更优越的性能，与一般材念、分类及其发展历
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目录
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
第二章 复合材料基本特性、应用及其研究现状
第三章 复合材料的基体材料
第四章 复合材料的增强材料
第五章 复合材料的成型工艺
第六章 复合材料的复合原子及界面
第七章 聚合物基复合材料
第八章 金属基复合材料
第九章 陶瓷基复合材料
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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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（２） 复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何 单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分 不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料，以物 理形式结合而成的。
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１、复合材料的定义
什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ? 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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偏重于考虑复合材料的结构，诸如：
（１）复合材料是两种或多种材料在宏观尺度上组合而成的 一种有用的材料。
（２）复合材料就是两种或两种以上的不同化学性质或不同 组织相的物质，以微观或宏观的形式组合而成的材料。
（３）复合材料是不同于合金的一种材料，在合金中，每一 种组分都保留着它们独立的特性，而构成复合材料时，仅取它 们的优点而避开其缺点，从而获得一种改善了的材料。
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F．L. Matthews和Ｒ．D．Rawlings认为，复合材料 是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面 三个条件：
(1)组元含量大于5％； (2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能， (3)通过各种方法混合而成。
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从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质 的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指 由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。
复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种 或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、 三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
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上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指 出复合材料是“通过人工复合的”和“有特殊性能的”材料，而 且还指明了复合材料的组分、结构特点及与其他种材料 （如简单混合物、化合物、合金）的特征区别。
根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括自然形 成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和 多相合金。
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第十章 金属间化合物基复合材料
第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程
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材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋 扬长避短
克服单一材料的缺点 产生原来单一材料没有本身所没有的新性能
复合材料
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