复合材料概论 材料科学与工程学院 关瑞芳

教材 《复合材料学》 周祖福 主编 武汉理工大学出版社

参考书目 1. 《先进复合材料》鲁云、朱世杰主编，机械工业出版社。 2.《复合材料原理》闻荻江主编，武汉工业大学出版社 3. 《复合材料聚合物基体》赵玉庭等主编，复合材料聚合物基体，武汉理工大学出版社

主要内容 第一篇 绪论 1 复合材料的特性 第二篇 复合材料的基体材料 3 无机胶凝材料 5 聚合物材料 6 其他材料 第一篇 绪论 1 复合材料的特性 第二篇 复合材料的基体材料 3 无机胶凝材料 5 聚合物材料 6 其他材料 第三篇 复合材料的增强材料 7 玻璃纤维及其制品

8 碳纤维 10 芳纶纤维 11 填料 第四篇 复合材料各论 12 聚合物基复合材料 15 碳/碳复合材料 16 无机胶凝复合材料

复合材料 无机非金属材料：具有性质稳定，抗腐蚀、耐高温等优点。但质脆，经不起热冲击。 金属材料：力学性能好，耐高温。但密度大，抗腐蚀性能差。 高分子材料：性质稳定，耐腐蚀性好。但不耐高温，力学性能较差。 复合材料

第一篇 绪论 1 复合材料的特性 1.1 引言 材料科学 一门应用性的基础学科。用化学组成和结构的原理来阐明材料性能的规律性，进而研究和发展具有指定性能的新材料。

1.2 复合材料的定义与命名 广义的定义 Composite Material，简称CM 一、CM的定义 由两种或两种以上的不同材料，通过一定的工艺复合而成的，性能优于原单一材料的多相固体材料。 注意：CM与化合材料、混合材料的区别 多相体系 复合效果

狭义定义(通常研究的内容) ： 用纤维增强树脂、金属、无机非金属材料所得的多相固体材料。 → CM = 增强材料 ＋ 基体材料

二、CM的命名 强调基体 酚醛树脂基复合材料、铝合金基复合材料等 强调基体材料的种类和特征 (2) 强调增强体 强调增强材料的种类和性质 (2) 强调增强体 强调增强材料的种类和性质 碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等

碳/环氧复合材料 碳/金属复合材料 碳/碳复合材料 碳纤维增强环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料等。 (3) 基体与增强体并用 同时出现基体材料和增强体材料 碳纤维环氧树脂复合材料 碳/环氧复合材料 碳/金属复合材料 碳/碳复合材料

(4) 俗称 玻璃钢就是玻璃纤维增强树脂基复合材料的俗称

材料的分类 材料 按材料的化学性质 金属材料 非金属材料 按材料的物理性质 绝缘材料 磁性材料 透光材料 导电材料 半导体材料 耐高温材料 按材料的用途 航空材料 建筑材料 电工材料 包装材料 耐烧蚀材料

1.3 复合材料的分类 粒子直径： 0.01~0.1μm， 粒子体积分数：1%～5%; 弥散增强型 根据增强原理 粒子增强型 纤维增强型 化学复合的复合材料 粒子直径： 1~50μm， 体积分数>20% 复合过程的性质 复合材料 物理复合的复合材料 自然复合的复合材料 电功能复合材料 根据复材的功能 热功能复合材料 光功能复合材料 根据使用目的 结构复合材料 功能复合材料

金属基复合材料 根据基体材料 聚合物基复合材料 无机非金属基复合材料 碳纤维复合材料 复合材料 玻璃纤维复合材料 增强纤维的类型 有机纤维复合材料 硼纤维复合材料 混杂纤维复合材料 连续纤维增强复合材料 增强物的外形 纤维织物或片状纤维 短纤维增强 粒状填料 化学组成 同质复合 异质复合

先进复合材料 Advanced Composite Materials, 简称ACM 进入20世纪70年代，开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。

2007年6月8日，“阿特兰蒂斯”号航天飞机在位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射升空，飞往国际空间站。

美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-- 里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它以 结构小巧重量轻而称奇于世。 采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机。 在波音-767大型客机上使用了先进复合材料作为主承 力结构，不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种 飞行性能。

1.4 复合材料的特性 聚合物基复合材料（纤维-树脂复合材料 Fiber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Composite）是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料 聚合物基复合材料的特性

CM最突出、重要的特点。用比强度，比模量。 强度与密度之比 模量与密度之比 1、轻质高强 CM最突出、重要的特点。用比强度，比模量。 材料名称 比强度 比模量 钢 0.13 0.27 铝 0.17 0.26 玻纤/聚酯CM 0.53 0.21 碳纤/环氧CM 1.03

Glass fiber reinforced composites Carbon fiber reinforced composites Boron fiber reinforced composites

材料 密度 (g/cm3) 拉伸强度 (GPa) 弹性模量 (×102GPa) 比强度 (×105cm) 比模量 钢 7.8 1.03 2.1 0.13 0.27 铝合金 2.8 0.47 0.75 0.17 0.26 钛合金 4.5 0.96 1.14 0.21 0.25 玻璃纤维复合材料 2.0 1.06 0.4 0.53 0.20 碳纤维II/环氧 1.45 1.5 1.4 0.97 碳纤维I/环氧 1.6 1.07 2.4 0.67 有机纤维/环氧 0.8 1.0 0.57 硼纤维/环氧 1.38 0.66 硼纤维/铝 2.65 0.38

由表1-2可见：FRC的密度约为钢的1/5，铝的1/2 比模量：高模量碳纤维/环氧复合材料为钢的5倍， 铝合金的4倍，钛合金的3.5倍 作用：在强度和刚度相同的情况下，结构质量可以减轻，或尺寸减小。这在节省能源，提高构件的使用性能方面，是现有其他材料所不能比拟的。 另外：其他基体的复合材料，凡是用作结构材料的，其比强度，比模量大都比原来单一的基体材料高得多。

2、可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一 2、可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一 设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。 具体体现在两个方面 功能设计——给制品除力学性能外的其他性能 力学设计——给制品一定的强度和刚度

导热系数小，是金属材料1/100～1/1000；特殊类型的玻璃钢可耐瞬时高温。 3、工艺性能好 a、电绝缘性能好，不受电磁作用； b、微波穿透性好； c、可制作成不带静电的制品。 复合材料的工艺性能十分优越，其成型方法多种多样，成型条件机动灵活。 导热系数小，是金属材料1/100～1/1000；特殊类型的玻璃钢可耐瞬时高温。 具体到玻璃纤维增强树脂基复合材料特性： 热性能好、耐腐蚀性能好、电性能好、耐候性、耐疲劳性、耐冲击性、耐蠕变性，透光性等。 可以耐酸、碱、盐的腐蚀、海水、微生物腐蚀，适合于制作化工管道、储罐、船舶等。

4、材料与结构的统一性 制造材料的同时，获得了制件。复杂制件一次成型。 零件数目减少----减轻了部件质量 降低了应力集中

5、 耐疲劳性能好： 6、减震性好： 疲劳破坏的种类不同： 金属 突发性破坏 极限30%~50% 金属 突发性破坏 极限30%~50% 聚合物基复合材料 有预兆破坏 极限70%~80% 6、减震性好： 受力结构的自振频率有关因素： 结构形状 比模量的平方根 同时，复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高

聚合物基复合材料存在的缺点： 材料工艺的稳定性差 材料性能的分散性大 长期耐高温与环境老化性能不好 抗冲击性能低 横向强度和层间剪切强度不够好

1.5 复合材料的应用 (1) 在建筑工业中，广泛用于各种轻型结构房屋、建筑装饰及雕塑、卫生洁具、门及窗构件、地面等。 (2) 在化学工业中，主要用于各种防腐蚀管、罐、泵、阀门、贮槽及各种防腐设备的衬里。 (3) 在交通运输方面，汽车制造工业中，主要用于各种车身构件、仪表盘、车门等；在铁路运输中用于客车车厢、车门窗、水箱及各种通讯线路器材等。 (4) 在造船工业中，用于生产各种工作艇、渔船、潜水艇、救生艇及游艇等。

(5) 体育用品中各种体育器材。如球拍、滑板、赛艇、皮艇、划桨等 (6) 在军械及航空工业中，用于生产子弹、弹壳、火炮护罩、雷达罩、机翼、直升机旗翼等。 (7) 在电器工业中，用于生产层压板、路灯灯具、带电操作工具等。 (8) 在机械制造工业中，玻璃钢叶片、风机、泵、齿轮等。

复合材料用于建筑构件 复合材料用于城市雕塑

复合材料用于家用设备 玻璃钢花盆

玻璃钢管道 储存罐

复合材料应用于汽车配件

复合材料应用于电路板

复合材料应用于体育器材 复合材料应用于商用飞机

复合材料应用于风力发电

Examples of commercially used composites

Passenger Car

The World’s Fastest Bike

All-Composite Business Jet

Commercial Airplane

Commercial Airplane

Military Aircraft

F-15 Eagle Fighter

Military Helicopter

The first jet plane to fly around the globe with refueling The Virgin Atlantic GlobalFlyer traveled a total distance of 26,389.3 miles in 76 hours and 45 minutes

Left: The Voyager aircraft, which made a 25000 mile nonstop flight around the world without midair refueling. Right: High-strength, low-density structural members of the Voyager are constructed from a series of cross plies consisting of graphite fibers that are aligned and embedded within an epoxy matrix. (Photograph courtesy of Hercules Inc.)

Space Shuttle

Virgin Space Ship SpaceShipOne cracked the barrier to manned commercial space flight in June by flying 98,547 meters, or about 99 kilometers (328,491 feet, or about 62 miles) above Earth, just a little more than 120 meters (400 feet) above the distance scientists widely consider to be the boundary of space. The flight lasted 90 minutes.

National Aero Space Plane (NASP) "...a new Orient Express that could, by the end of the next decade, take off from Dulles Airport and accelerate up to twenty-five times the speed of sound, attaining low earth orbit or flying to Tokyo within two hours..." Ronald Reagan (Use of high-temperature composites)

Satellite

Bulletproof Products Military Kevlar® Helmets Ballistic Clothing

Other Applications 具Kevlar 短纖及 Ceramics 六角板狀結晶，可提升抗刺穿能力，減少刺破機會。

碳纖維自行車車架 TCRAlliance是一部結合了FO碳纖及Aluxx鋁合金科技的自行車,不但保留了碳纖的輕量及吸震優點,而且同時擁有了絕佳的競速效能接近於全碳纖車的等級TCRAlliance絕對是碳纖入門車款的最佳選擇 車架│GIANT formulaOne & Compact Road TM 碳纖/ALUXX SL車架 前叉│GIANT 碳纖前叉 重量│9.5kg

複合材料自行車車架技術發展歷程 第一代 Carbon/Epoxy 金屬焊接 膠合 無法回收 1985 第二代 鋁合金 1987 第三代 壓模成型 1990 第四代 Carbon/TP ？ 可回收 第五代 發明專利 1994

高性能熱塑性複合材料車架之特點 無製程污染：加工過程無須使用任何溶劑，而且廢料可作回收使用。 材料特性：常溫儲存，使用壽命無限。 安全性： 材料強且韌：且破壞韌性(GIC值)約傳統碳纖維五倍以上，大大提昇車架之抗撞擊特性。 高殘留強度：管件疲勞測試後彎曲強度仍可維持原有強度的70%以上，為使用者之最佳安全保障。 回收性：材料可回收，符合全世界綠色環保設計理念。 經濟性：加工過程可倚賴自動化設備，可降低人力及品質成本。 舒適性：傳統碳纖維吸震性約較鋁合金優20%，熱塑性複合材料較傳統碳纖維優30%。

碳纖維網球拍 表面膜 Surface Coat Carbon Hybrid Cloth 碳纖維編紗束 Carbon Roving 碳纖維布 Carbon Cloth 尿烷芯材 Urethane Core

柿木、金屬和碳纖維球頭之擊球距離和準確度比較圖

氣墊船(Hovercraft) Vosper Thornycroft VT2 A U.S. Navy LCAC hovercraft attached to the Amphibious assault ship USS Kearsarge

格栅是采用高强度玻璃纤维长丝做增强材料，以不饱和聚酯树脂为基体，经特殊加工复合成型的玻璃钢结构材料。

具有良好的耐腐蚀性； 轻质、高强、且便于切割、安装。 内在交错编制结构，整体成型的应用将负载分布在 纵向栅条和横向栅条上 绝缘、绝燃、无磁性。 可设计性强，尺寸灵活多样，尺寸稳定。 外形美观，使用周期长，勿需维护，安装方便。

应用场所： 化工行业、造纸业、发电厂、污水处理厂、食品加工厂、冶炼厂、矿山、盐场、核电站、蓄电池厂等等。 可用做为： 人行走道、桥板、工业地坪、操作平台、地沟盖板、托盘、护栏、围栏、货架、隔离带、绿地走道、楼板踏步等。

我国复合材料的发展潜力和热点 复合材料创新 聚丙烯腈基纤维发展 玻璃纤维结构调整 开发能源、交通用复合材料市场 纤维复合材料基础设施应用 复合材料综合处理与再生

包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用，具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。 复合材料创新

我国碳纤维工业发展缓慢，从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PAN基CF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看，发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。 聚丙烯腈基纤维发展

玻璃纤维结构调整 改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡，推进玻纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。

开发能源、交通用复合材料市场 清洁、可再生能源用复合材料； 汽车、城市轨道交通用复合材料； 民航客机用复合材料； 船艇用复合材料。

纤维复合材料基础设施应用 国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。

复合材料综合处理与再生 重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回收（热裂解）和能量回收，加强技术路线、综合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、在拉挤制品中的应用以及在SMC/BMC模压制品中的应用和典型产品中的应用。