第十一章复合材料
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。
复合材料的力学性能
18
3
三、复合材料的性能特点
1、高比强度、比弹性模量； 2、各向异性； 3、抗疲劳性能好； 4、减振性能好； 5、可设计性强。
4
四、结构设计原理
1、层次结构 一次结构（单层），不产生新相； 二次结构（铺层）有新相产生；能较好地过 渡； 三次结构（多层）形成多个铺层。 2、连续纤维与非连续纤维增强 连续纤维增强 方向性明显，性能受纤维的 粗细、数量、排列的影响。 非连续纤维增强 纤维的长度与直径之比 L/d，提高剪切强度。 返回
1 Vf Vm I: 1 Gc G f Gm (式11 - 20) 上限 下限
II II： GC G f Vf G m Vm (式11 - 26) II 合 成：G c (1 c )G 1 CG c C (式11 - 27)
9
4、泊松比υ
纵向泊松比
LT
横向泊松比
2
二、材料复合的物理冶金基础
1、界面与界面反应
界面上反应热力学与动力学： 相应温度下反应的可能性；反应常数；反应速度常数。 固溶与化合反应： 原子扩散，形成浓度不同的固溶体；新化合物。 过渡层的出现：
2、强化理论
第二相强化、弥散强化；形变带强化。 断裂及其机理： 裂纹的萌生及扩展；断裂。 聚合强度的作用。
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二、弹性模量
弹性模量计算公式(式11-61）（式11-62）（式11-63）
三、强度
按混合定律计算。 用纤维的平均应力代替（11-39）中的纤维抗拉强度。 返回
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§11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
一、断裂
1、损伤累积机理 裂纹萌生：缺陷处 扩展： 2、非累积损伤机理 ①接力破坏 ②脆性粘接断裂机理 ③最薄弱环节破坏机理 3、复合材料的破坏形式 ①纤维断裂 ②基体变形和开裂 ③纤维脱胶 ④纤维拨出
复合材料概述PPT课件
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2、高温力学性能 室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模
量提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然 后强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随着温度升 高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化显然与 材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
其中一个组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒 状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受 外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体。增强相或 增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此 也称作分散相；复合材料中的另一个组分是包围增强相并相 对较软和韧的贯连材料，称为基体相。
1、室温力学性能
对陶瓷基复合材料来说，陶瓷基体的失效应变低于纤维的 失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起 的开裂。 材料的拉伸失效有两种：
第一：突然失效。如纤维强度较低，界面结合强度高，基 体较裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。
第二：如果纤维较强，界面结合较弱，基体裂纹沿着纤维 扩展。纤维失效前纤维/基体界面在基体的裂纹尖端和尾 部脱粘。
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复合材料是由多相材料复合而成，共同特点主要有三个：
(１)综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能， 具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料， 既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。如，针对方向性 材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。 (3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可 避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨 制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料 已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件 、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制 造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意 的使用效果。
复合材料管理制度范文
复合材料管理制度范文复合材料管理制度范第一章总则第一条为了加强对复合材料的管理，促进复合材料产业健康发展，根据相关法律法规，制定本制度。
第二条本制度适用于企事业单位、科研机构等使用、生产、销售、储存、运输复合材料的各个环节。
第三条复合材料指由两种或两种以上的不同物质，按一定方式组合形成的材料。
第二章复合材料管理的基本原则第四条复合材料管理应遵循以下原则：1. 安全原则：确保复合材料的使用、生产、销售、储存、运输过程中的安全。
2. 环保原则：注重复合材料的环保性能，减少对环境的污染。
3. 资源原则：合理利用资源，提高复合材料的利用率。
4. 创新原则：鼓励技术创新，促进复合材料产业的发展。
5. 公平原则：确保复合材料管理的公正和公平，维护各方的利益。
6. 法律原则：遵守法律法规，执行国家有关政策，保护知识产权。
第三章复合材料分类和标识第五条复合材料按照结构、成分、用途等分类，制定相应的标识和管理规范。
第六条复合材料应标注以下内容：1. 原材料成分；2. 结构和组成方式；3. 技术指标和性能参数；4. 生产日期和批次号码；5. 生产厂商名称和联系方式；6. 其他必要的标识信息。
第七条复合材料的标识应明显、清晰，不得有误导性的内容或标识。
第四章复合材料使用管理第八条复合材料的使用应符合以下要求：1. 根据复合材料的特性和用途，选择合适的材料；2. 确保复合材料的正确使用和安全性；3. 遵守使用规范，不得超负荷使用；4. 定期检查和维护复合材料，确保使用效果。
第九条复合材料的使用应有相应的记录，包括使用情况、使用者、使用时间等。
第十条复合材料的使用过程中，如发现问题或存在安全隐患，应立即停止使用，并及时报告相关部门。
第五章复合材料生产管理第十一条复合材料的生产应符合以下要求：1. 依法取得相关生产许可证；2. 严格按照生产流程和工艺标准进行生产；3. 采用合理的原材料、设备和工艺，确保生产质量；4. 做好产品质量控制，确保产品达到技术要求。
复合材料
• 硬质合金 硬度极高，且热硬性、耐磨性好, 用硬质合金做刀具，切削速度比高速钢高 4～5倍。 • 一般做成刀片，镶在刀体上使用。 • 硬质合金的牌号由类别号和组别号01、10、 20、30· · · 组成。 • 切削刀具用硬质合金(其类别号为P、M、K) 的牌号、基本组成、力学性能和作业条件见 表11－2所示。
11.3.1
纤维增强符合原则
• 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维的 方向密切相关。 • 当纤维无规排列时，能获得基本各向同性 的复合材料，但力学性能不是最佳； • 均一方向的纤维使材料具有明显的各向异 性，沿纤维轴向刚性和强度最高，垂直方 向最差； • 当纤维采用正交编织，相互垂直的方向均 具有好的性能； • 纤维采用三维编织方法,可获得各方向力学 性能均优的复合材料。
11.3.4 纤维增强金属基复合材料
11.3.4 纤维增强金属基复合材料
• 纤维增强金属基复合材料的制备方法，可 望成为工业化生产的方法有物理-化学预处 理方法、高温高压的焊合法及熔浸法。
11.3.4 纤维增强金属基复合材料
• 1. 纤维增强铝基复合材料 • (1)硼纤维增强铝基复合材料(B/Al) • 硼纤维的高温强度好，1500℃时的蠕变性 能比W还低，但纤维处于500℃以上氧化后 强度降低，若预先在硼纤维表面涂覆一层 SiN(称硼矽克)或B4C，能防止表面氧化， 可用于制作涡轮发动机风扇叶片和飞机机 翼等。
11.3.3 纤维增强聚合物基复合材料
• 3. 聚合物分子复合材料 • 分子复合材料是增强剂在基体分子中分散程 度接近分子水平的复合材料,简称MC(Molecular-Composites)。 • 增强剂是刚性高分子链或微纤,基体为柔性聚 合物。 • 理想的分子复合状态是纤维直径从微米级降 到刚性分子链的直径(纳米级),由于两相接触 面大大增加,可获得高模量,高强度的聚合物。
课程设计复合材料
课程设计复合材料一、教学目标本章节的教学目标旨在让学生掌握复合材料的基本概念、性质和应用。
知识目标要求学生能够描述复合材料的定义、组成及特点；技能目标要求学生能够分析复合材料的性能和应用；情感态度价值观目标则在于培养学生对新材料研究的兴趣和责任感。
通过本章节的学习，学生应能理解并应用复合材料的相关知识，提高科学素养，培养创新精神和实践能力，形成积极的学习态度和可持续发展的观念。
二、教学内容本章节的教学内容主要包括复合材料的基本概念、组成、性能、应用等方面的知识。
具体包括：1.复合材料的定义及分类；2.复合材料的组成及制备方法；3.复合材料的性能及其影响因素；4.复合材料在日常生活和工业中的应用。
教学内容将按照教材的章节安排进行讲解和讨论，结合实例分析，使学生能够更好地理解和掌握复合材料的相关知识。
三、教学方法为了提高教学效果，本章节将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
具体包括：1.讲授法：系统地传授复合材料的基本概念、性质和应用；2.案例分析法：分析实际案例，使学生更好地理解复合材料的性能和应用；3.实验法：学生进行实验，观察复合材料的性质，增强学生的实践能力。
通过多样化的教学方法，激发学生的学习兴趣，提高学生的主动性和积极性。
四、教学资源为了支持本章节的教学工作，我们将准备以下教学资源：1.教材：提供权威、系统的复合材料知识，作为学生学习的主要参考资料；2.参考书：为学生提供更多的学习资源，拓宽知识视野；3.多媒体资料：制作PPT、视频等多媒体资料，帮助学生形象地理解复合材料的相关知识；4.实验设备：准备实验器材，让学生能够亲自动手，观察复合材料的性质。
以上教学资源将有助于提高本章节的教学质量，丰富学生的学习体验。
五、教学评估本章节的评估方式包括平时表现、作业、考试等多个方面，以确保评估的客观性和公正性。
具体包括：1.平时表现：通过课堂参与、提问、小组讨论等环节，评估学生的学习态度和积极性；2.作业：布置相关的习题和案例分析，评估学生的理解和应用能力；3.考试：设置选择题、填空题、简答题和综合分析题等，全面考察学生的知识掌握和运用能力。
第11章复合材料层合板的强度分析
第11章 复合材料层合板的强度力分析复合材料层合板中单层板的铺叠方式有多种，每一种方式对应一种新的结构形式与材料性能。
层合板的应力状态也可以是无数种，因此各种不同应力状态下层合板的强度不可能靠实验来确定．只能通过建立一定的强度理论，将层合板的应力和基本强度联系起来。
由于层合板中各层应力不同，应力高的单层板先发生破坏，于是可以通过逐层破坏的方式确定层合板的强度。
因此，复合材料层合板的强度是建立在单层板强度理论基础上的。
另外，由层合板的刚度特性和内力可以计算出层合板各单层板的材料主方向上的应力。
这样就可以采取和研究各向同性材料强度相同的方法，根据单层板的应力状态和破坏模式，建立单层板在材料主方向坐标系下的强度准则。
本章主要介绍单层板的基本力学性能、单层板的强度失效准则，以及层合板的强度分析方法。
§11.1单层板的力学性能由层合板的结构可知，层合板是若干单向纤维增强的单层板按一定规律组合而成的。
当纤维和基体的性质、体积含量确定后，单层板材料主方向的强度与和其工程弹性常数一样，是可以通过实验唯一确定的。
11.1.1单层板的基本刚度与强度材料主方向坐标系下的正交各向异性单层板，具有4个独立的工程弹性常数，分别表示为：纤维方向（方向1）的杨氏模量1E ，垂直纤维方向（方向2）的杨氏模量2E ，面内剪切模量12G ；另外，还有两个泊松比2112,νν，但它们两个 不是独立的。
这4个独立弹性常数表示正交各向异性单层板的刚度。
单层板的基本强度也具有各向异性，沿纤维方向的拉伸强度比垂直于纤维方向的强度要高。
另外，同一主方向的拉伸和压缩的破坏模式不同，强度也往往不同，所以单层板在材料主方向坐标系下的强度指标共有5个，称为单层板的基本强度指标，分别表示为：纵向拉伸强度X t (沿纤维方向)，纵向压缩强度X c (沿纤维方向)，横向拉伸强度Y t (垂直纤维方向)，横向压缩强度Y c (垂直纤维方向)，面内剪切强度S (在板平面内)。
复合材料完整版
第一章总论1.复合材料：由两种或两种以上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.在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。
分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。
分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。
3.复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。
将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上“复合材料”。
4.简述复合材料的分类：⑪按增强材料形态分类：①连续纤维复合材料；②短纤维复合材料；③粒状填料复合材料；④编织复合材料。
⑫按增强纤维种类分类：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维复合材料；④金属纤维复合材料；⑤陶瓷纤维复合材料。
⑬按基体材料分类：①聚合物基复合材料；②金属基复合材料；③无机非金属基复合材料。
⑭按材料作用分类：①结构复合材料；②功能复合材料。
5.论述复合材料的共同特点，并举例说明。
复合材料是由多相材料复合而成，其共同特点是：①可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
②可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。
、③可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。
例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
④性能的可设计性是复合材料的最大特点。
第二章复合材料的基体材料1.简述选择基体的原则：①金属基复合材料的使用要求；②金属基复合材料组成特点；③基体金属与增强物的相容性。
2.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。
3.聚合物基体的作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。
4.不饱和聚酯树脂：是指有线型结构的，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。
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(2)各组分保持各自固有特性的同时可最大限 度地挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备 的优良特殊性能。
(3)复合材料具有可设计性。
第十一章复合材料
3、复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成复合材料的连续相；
第十一章复合材料
复合材料在撑杆上的应用
Pole-vaulting
轻质、高强、高弹性、较低成本、 低密度及屈服强度
Longitudinal carbon fibers/epoxy
Glass fiber web/epoxy
Glass fiber rings
第十一章复合材料
复合材料特别是先进复合材料就是为了满 足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先 进材料。复合材料是应现代科学技术而发展出 来的具有极大生命力的材料。
引言：无处不在的复合材料
土房---草增强泥基复合材料
钢筋混凝土建筑框架
玻璃钢撑杆
复合材料在航天领域中的应用
“哥伦比亚号” 航天飞机
主货舱门---碳纤维/环氧树脂
压力容器---凯芙拉纤维/环氧树脂 主机隔框和翼梁---
硼/铝复合材料
发动机的喷管---碳/碳复合材料
发动机组传力架--钛基复合材料
机身防热瓦---陶瓷基复合材料
6、良好的功能性能
第十一章复合材料
应用 聚 合 物 基 复 合 材 料 （ Polymer Matrix
Composites，简称PMC） 在结构复合材料中发展最早、研究最多、应 用最广和用量最大。 包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、 碳化硅纤维等增强复合材料
第十一章复合材料
玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP)
第十一章复合材料
复合材料在航天领域中的应用
国家技术发明一等奖（2004年）
“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”
黄伯云研制的飞机刹车片
第十一章复合材料
复合材料在航空领域的应用 国家技术发明一等奖（2004年）
“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料”
攻克航天飞机隔热瓦技术难关
第十一章复合材料
复合材料在航空领域的应用
第十一章复合材料
12.1 复合材料概述
1、复合材料的定义：
ISO定义为是：两种或两种以上物理和化学性质 不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
复合材料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。
第十一章复合材料
2、复合材料的特点：
第十一章复合材料
2、良好的高温性能：
目前： 聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能， 其使用温度在350 1100 C范围内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。
第十一章复合材料
3、良好的尺寸稳定性：
第十一章复合材料
2、按性能分类 ： 普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通
聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。 先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝 SiC
纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨） 等复合材料。
第十一章复合材料
3、按基体材料分类： 聚合物复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳碳复合材料 水泥基复合材料
目前：四类共存、树脂基复合材料5代共用。
第一代：“玻璃钢”，玻璃纤维增强； 第二代：碳纤维增强； 第三代：金属基、陶瓷基和C/C基复合材料； 第四代：聚乙烯纤维增强（美国、荷兰、日本） 第五代：PBO（聚苯并双恶唑）纤维
第十一章复合材料
12.2 复合材料的组成、分类、性能和应用
1、组成 ➢基体 ➢增强体
第十二章 复合材料
第十一章复合材料
§12.1 概述
金属材料：力学性能和可加工性好 多数不耐高温 耐磨和耐蚀性差
陶瓷材料：强度高、熔点高、耐磨、耐蚀性 强度、刚度、耐热性有限
第十一章复合材料
引言：无处不在的复合材料
土房---草增强泥基复合材料
钢筋混凝土建筑框架
复合材料在日常生活中的应用
第十一章复合材料
复合材料在体育用品中的应用
第十一章复合材料
复合材料在网球拍上的应用
球拍颈部融合 智能压电纤维
第十一章复合材料
复合材料在滑雪板上的应用
滑雪板在雪上滑行时，雪会产生轻微溶化，因水 的“粘性”增加摩擦力。采用疏水性强的复合材料 制成的滑雪板，可提高滑行性能。理想的材料是 超高分子聚乙烯。
复合材料使A380减重15吨
(1) 机翼
(2) 垂直尾翼和水平尾翼 (3) 地板梁和后承压框
(4) 固定机翼前缘
(5) 机翼后缘处的襟翼,副翼
法国 “空中客车” 公司生产的 A380双层四引擎大型客机，最 大可载客量550人
(6) 机身蒙皮壁板
第十一章复合材料
复合材料在化工领域中的应用
第十一章复合材料
增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态 分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会 使材料的性能显著改善和增强。
增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。
增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
第十一章复合材料
先进复合材料：树脂基复合材料、C/C复合材料 陶瓷和金属基复合材料和纳米复合材料。
加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度 和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变 复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀 系数。
第十一章复合材料
4、良好的化学稳定性：
聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。
5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性：
陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善
第十一章复合材料
4、按用途分类 结构复合材料 功能复合材料 结构 / 功能一体化复合材料
5、按增强剂分类 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料
第十一章复合材料
复合材料的基本性能（优点）：
1、高比强度、高比模量（刚度）：
比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。