Longitudinal carbon fibers/epoxy

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1 Longitudinal carbon fibers/epoxy
Glass fiber web/epoxy 网状玻璃纤维 Glass fiber rings 环状玻璃纤维 Longitudinal carbon fibers/epoxy （横向碳纤维） 撑杆跳撑杆

2 第十一章 复合材料 §11.1 复合材料概述 §11.2 增强材料及复合增强原理 §11.3 常用复合材料

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5 管接头（宇宙飞船上用） 用Beralcast363复合材料，刚度比铝材高3倍以上， 零件减轻22％，与石墨等匹配很好，减少了焊接应力。

6 防弹衣变迁 4.5Kg重12层尼龙防弹衣（重，不透气，不适宜越南） 凯夫拉（伊拉克战争美军用），外层陶瓷——硬，里层——纤维

7 直升飞机反光镜和外罩 用Al基复合材料（SiC+Al合金），硬度高，热膨胀系数小，轻且耐磨，可满足战斗机在极端温度下正常工作。

8 §11.1 复合材料概述 一、复合材料的概念 必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料 必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成
§11.1 复合材料概述 一、复合材料的概念 国际标准化组织对复合材料的定义：由两种以上在物理和化学上 不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料。指经人工特意复合 而成的材料，不包括天然复合材料及钢、陶瓷这一类多相体系。 必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料 必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成 通过各组分性能的互补可获得单一材料不能达到的综合性能

9 二、复合材料的组成和分类 （一）复合材料的组成 两个基本组成相： §11.1 复合材料概述 1. 连续相，称为基体相，起粘接和固定作用；
（一）复合材料的组成 两个基本组成相： 1. 连续相，称为基体相，起粘接和固定作用； 2. 分散相，称为增强相，主要起承受载荷作用。

10 土房---草增强泥基复合材料 玻璃钢撑杆 钢筋混凝土建筑框架

11 二、复合材料的组成和分类 基体 聚合物 颗粒 纤维 金属 （二）复合材料的分类 陶瓷 晶须 增强体 按照基体分类 按照增强体分类
§11.1 复合材料概述 （二）复合材料的分类 晶须 陶瓷 基体 增强体 聚合物 颗粒 纤维 金属 按照基体分类 按照增强体分类

12 二、复合材料的组成和分类 （二）复合材料的分类 复合材料的分类1235 §11.1 复合材料概述 增强相三种类型 SiC颗粒 Al2O3片

13 二、复合材料的组成和分类 §11.1 复合材料概述

14 二、复合材料的组成和分类 §11.1 复合材料概述 颗粒增强型 非连续纤维增强型 连续纤维增强型 板状增强型

15 三、复合材料的性能 （一）力学性能 表11-1 常用金属材料与复合材料的性能比较 1.密度低，膨胀系数小。 §11.1 复合材料概述
既保持了组成材料各自的最佳特性，又有单一材料无法比拟的综合性能。 （一）力学性能 表11-1 常用金属材料与复合材料的性能比较 1. 高的比强度和比模量。 2. 较小的缺口敏感性，较高的疲劳极限，断裂安全性好。 3. 自振频率高，阻尼特性好，减振性好；良好的高温强度、高温弹性模量和抗蠕变性能。 （二）物理、化学性能 1.密度低，膨胀系数小。 2.许多复合材料具有导电、导热、压电效应、换能、吸波等特殊性能。 3.有些复合材料还具有良好的耐热性和化学稳定性。

16 三、复合材料的性能 减摩、耐磨、自润滑性好（掺入纤维） 耐热性高、高韧性、高抗冲击性 比强度与比模量高 化学稳定性优良（管道）
§11.1 复合材料概述 三、复合材料的性能 既保持了组成材料各自的最佳特性，又有单一材料无法比拟的综合性能。 减摩、耐磨、自润滑性好（掺入纤维） 耐热性高、高韧性、高抗冲击性 比强度与比模量高 化学稳定性优良（管道）

17 三、复合材料的性能 §11.1 复合材料概述

18 三、复合材料的性能 §11.1 复合材料概述 三种材料的疲劳强度

19 三、复合材料的性能 §11.1 复合材料概述 两种材料的振动衰减特性

20 三、复合材料的性能 §11.1 复合材料概述

21 §11.2 增强材料及复合增强原理 一、增强材料 二、复合增强原理

22 一、增强材料 （一）颗粒增强材料 1. SiC 颗粒增强材料 2. Al2O3 颗粒增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理
§11.2 增强材料及复合增强原理 （一）颗粒增强材料 主要是陶瓷材料颗粒，Al2O3、 SiC 、WC 、TiC 、Si3N4 、B4C 、石墨等。 氧化锌、碳酸钙、氧化铝、石墨等粉末增强材料一般作为填料用于塑料、橡胶制品。 炭黑一般不列入颗粒增强材料之中。 1. SiC 颗粒增强材料 2. Al2O3 颗粒增强材料

23 §11.2 增强材料及复合增强原理 一、增强材料 1. SiC颗粒 α-SiC用做研磨和耐高温材料、也是一种电子材料。β-SiC 颗粒没有明显的棱角、表面比较光滑，尺寸范围可小到几个nm,可用于制造高密度的耐高温材料、打印机使用的 “ 墨粉 ” 。 扫描电镜图片---近圆形 β-SiC 颗粒

24 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理 2. Al2O3颗粒 Al2O3，分子量102，“铝氧”，白色无定形粉状物，俗称矾土，离子晶体，共价键，熔点2050℃，沸点3000℃，密度3.6g/cm3。 氧化铝颗粒

25 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理

26 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理

27 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理 （二）晶须增强材料 SiC晶须是一种高强度胡须状（一维）单晶体，具有高强、高模等优良的力学性能，广泛应用于金属基、陶瓷基复合材料。主要用于陶瓷刀具、宇航领域的高温元件，主强轴承座、大型泥浆泵等。 n m级β- SiC晶须，晶须直径 < 100 n m，长径比≥10，灰绿色，纯度95％以上。 　 　　µ m级β- SiC晶须，粒径在0.05～2.5 µ m之间，长径比≥20。

28 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理 SiC晶须

29 一、增强材料 （三）纤维增强材料 1. 玻璃纤维 2. 碳纤维 §11.2 增强材料及复合增强原理
§11.2 增强材料及复合增强原理 （三）纤维增强材料 大自然中有许多天然纤维，如棉花、麻类，动物的丝、毛，石棉等。天然纤维一般强度较低。 常用的纤维增强材料为合成纤维，分为有机纤维和无机纤维两类。有机纤维有Kevlar纤维、尼龙纤维、芳纶纤维及聚乙烯纤维等；无机纤维有玻璃纤维、碳（石墨）纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。 1. 玻璃纤维 2. 碳纤维

30 一、增强材料 1. 玻璃纤维 玻璃纤维绝缘性、耐热性、抗腐蚀性好，强度高,用做绝缘材料、玻璃钢的原料。
§11.2 增强材料及复合增强原理 1. 玻璃纤维 玻璃纤维绝缘性、耐热性、抗腐蚀性好，强度高,用做绝缘材料、玻璃钢的原料。 　　glass fiber或fiberglass，成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等制成。单丝直径从几µm到二十几µm ，相当于一根头发丝的 1/20 ～ 1/5 ，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常作为复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料、电路基板等。

31 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理 玻璃纤维

32 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理 玻璃纤维布

33 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理 2. 碳纤维 纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。力学性能优异，具有最高比强度、最高比模量。在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。 ωC＞90%，无机高分子纤维，纤维状（ωC＞99%，石墨纤维） 优异特性： （1）密度小。1.7～2g/cm3，约为钢的1/4、铝合金的1/2。 （2）强度和模量高。日本东丽公司T1000系列碳纤维，弹性模量为295GPa，拉伸强度达7.05GPa；M5J型碳纤维的弹性模量达640GPa，拉伸强度为3.62GPa。 （3）耐高温和低温性好。在3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，不脆化。 （4）耐骤冷、急热。即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂。 既可做结构材料承载，又可作功能材料。

34 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理 碳纤维

35 原液聚合 纺丝 预氧化 碳化 石墨化 碳纤维分类：根据前驱体材料不同而分 （1）聚丙烯腈基碳纤维，用作复合材料骨架。
（2）沥青基碳纤维，用于航空航天工业。 （3）黏胶基碳纤维，用于耐烧蚀材料和隔热材料。 聚丙烯腈基碳纤维的制备 1.原丝的制备 （1）纺丝原液的聚合;（2）纺丝 2.原丝的预氧化处理 3.预氧化纤维的碳化 4.碳化聚丙烯腈的石墨化 原液聚合 纺丝 预氧化 碳化 石墨化

36 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理

37 一、增强材料 §11.2 增强材料及复合增强原理

38 二、复合增强原理 （一）颗粒增强复合材料的复合增强原理 （1）弥散增强： <0.1μm，氧化物，阻碍位错运动，强化机理与合金的
§11.2 增强材料及复合增强原理 （一）颗粒增强复合材料的复合增强原理 （1）弥散增强： <0.1μm，氧化物，阻碍位错运动，强化机理与合金的 沉淀强化机理类似，基体是承受载荷的主体，但又有所不同，即： 合金的沉淀强化弥散相质点是借助相变而产生，当超过一定温度时合 金粗化甚至重溶，导致合金高温强度降低； 而弥散增强复合材料中温度升高时，颗粒尺寸不变，蠕变性能好，优 于所用的基体金属或合金。 弥散增强颗粒的尺寸、形状、体积分数以及同基体的结合力都会影响 增强效果。

39 二、复合增强原理 （2）纯颗粒增强： > 0.1 μm，颗粒通过限制颗粒邻近基体的运动 注意：金属材料中亚共析钢也可用混合定律，如：
§11.2 增强材料及复合增强原理 （2）纯颗粒增强： > 0.1 μm，颗粒通过限制颗粒邻近基体的运动 来强化基体。不仅基体承受载荷，增强颗粒也承受部分载荷。 其性能受颗粒大小影响：颗粒尺寸小，增强效果好；颗粒与基体间的结合力大，如： 密度 ρc=ρpVp+ρmVm c—composite p—particle m—matrix 但复合材料强度极限、硬度不能用混合定律。 注意：金属材料中亚共析钢也可用混合定律，如： HB = 80 wF wP σb = 230 wF wP δ = 50 wF + 20 wP

40 二、复合增强原理 ρc=ρfVf+ρmVm §11.2 增强材料及复合增强原理
§11.2 增强材料及复合增强原理 （二）纤维增强复合材料的复合增强原理 纤维承担大部分外力， 基体主要提供塑性和韧性。其强韧性好，因其基体能阻止裂纹迅速扩展。 其性能与“纺织”状态有关，适用混合定律。 ρc=ρfVf+ρmVm 航空上研究、应用最多。

41 二、复合增强原理 §11.2 增强材料及复合增强原理

42 二、复合增强原理 §11.2 增强材料及复合增强原理 纤维断裂后裂纹沿纤维与基体界面扩展

43 二、复合增强原理 §11.2 增强材料及复合增强原理 断裂的纤维被从基体中拔出

44 二、复合增强原理 §11.2 增强材料及复合增强原理

45 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 二、金属基（MMC）复合材料 三、陶瓷基（CMC）复合材料 四、其它类型复合材料
§11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 二、金属基（MMC）复合材料 三、陶瓷基（CMC）复合材料 四、其它类型复合材料 五、复合材料的应用

46 一、树脂基复合材料 （一）树脂基复合材料的成型 （2）喷射成型 （8）反应注射成型 （3）热压罐成型 （9）真空袋法成型
§11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 （一）树脂基复合材料的成型 1. 预浸料 将树脂浸到纤维或纤维织物上，通过一定处理制成的增强塑料的半成品。 2. 成型方法 （1）手糊成型 （7）树脂传递成型 （2）喷射成型 （8）反应注射成型 （3）热压罐成型 （9）真空袋法成型 （4）模压成型 （10）树脂膜熔浸成型 （5）缠绕成型 （11）低温固化预浸料成型 （6）拉挤成型 （12） SCRIMP,RIFT,VARTM

47 一、树脂基复合材料 （二）树脂基复合材料 §11.3 常用复合材料 1.玻璃纤维增强塑料 俗称玻璃钢，分热固性玻璃钢和热塑性玻璃
§11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 （二）树脂基复合材料 1.玻璃纤维增强塑料 俗称玻璃钢，分热固性玻璃钢和热塑性玻璃 钢，如制雷达罩、飞机螺旋桨、直升飞机机身、发动机叶轮、深水潜艇外壳、 扫雷艇（无磁性）等。玻璃钢视频1 2 2. 碳纤维增强塑料 如卫星壳体、螺旋桨、发动机壳体、网球拍等。 3. 硼纤维增强塑料 如飞机机身、机翼等。 4. 芳纶纤维增强塑料 如飞机机身、火箭发动机外壳、轻型船艇等。 5. 石棉纤维增强塑料 如汽车制动件、阀门、导管等。 6. 碳化硅增强塑料 如宇航器结构件。 7. 其它增强塑料 ① 混杂纤维增强塑料 ；② 颗粒、薄片增强塑料。 8. 橡胶基复合材料 ① 纤维增强橡胶 ； ② 粒子增强橡胶。

48 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 汽车用玻璃纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强热塑性材料、玻璃纤维毡增强热塑性材料（GMT）、片状模塑材料（SMC）、树脂传递模塑材料（RTM）以及手糊FRP制品。

49 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 BMW汽车车门内衬 酚醛树脂玻璃钢齿轮

50 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 玻璃钢复合材料是指玻璃纤维增强塑料及其它纤维和填料或改性的树脂基复合材料，玻璃钢/复合材料管道和容器逐渐取代普通钢材、不锈钢和稀有贵重金属等传统材料。

51 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料

52 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 CFRP——（ Carbon Fiber Reinforced Polymer ）

53 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料

54 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料

55 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 波音787主体结构采用碳纤维复合材料制造

56 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 波音787主体结构采用碳纤维复合材料制造

57 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650人
(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 (6) 机身蒙皮壁板 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650人

58 一、树脂基复合材料 新款SLR Mclaren车身由碳纤维复合材料制，具有非同寻常的能量吸收能力,确保最高标准的乘客安全保护
§11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 新款SLR Mclaren车身由碳纤维复合材料制，具有非同寻常的能量吸收能力,确保最高标准的乘客安全保护

59 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 “金龟子”轿车的碳纤维车架

60 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 碳纤维自行车架 碳纤维轮毂

61 §11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 碳纤维齿轮 碳纤维复合材料高速列车刹车片

62 荷兰世界最长碳纤维复合材料桥，长24.5米，宽5米
§11.3 常用复合材料 一、树脂基复合材料 荷兰世界最长碳纤维复合材料桥，长24.5米，宽5米

63 二、金属基复合材料 （一）金属基复合材料的制造方法 §11.3 常用复合材料 1. 热压扩散法 2. 液态渗透法 3. 喷涂沉积法
§11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 （一）金属基复合材料的制造方法 1. 热压扩散法 2. 液态渗透法 3. 喷涂沉积法 4. 粉末冶金法

64 二、金属基复合材料 （二）纤维及晶须增强金属基复合材料 §11.3 常用复合材料 1. 纤维增强铝（或铝合金）基复合材料
§11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 （二）纤维及晶须增强金属基复合材料 1. 纤维增强铝（或铝合金）基复合材料 （1）硼纤维增强铝基复合材料 如航天飞机蒙皮。 （2）碳纤维增强铝基复合材料 如航空航天器天线。 （3）碳化硅纤维、晶须增强铝基复合材料 如航空航天结构件。 （4）氧化铝纤维、晶须增强铝基复合材料 如汽车发动机活塞。 2. 纤维增强钛合金基复合材料（尚在研究、试验阶段） 3. 纤维增强镁（或镁合金）基复合材料 优点是尺寸稳定性好。 4. 碳（石墨）纤维增强铜（或铜合金）基复合材料 功能材料 如电刷。 5. 纤维增强高温合金基复合材料

65 二、金属基复合材料 （三）颗粒增强金属基复合材料 1. 纯颗粒增强金属基复合材料（颗粒尺寸大于0.1μm）
§11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 （三）颗粒增强金属基复合材料 1. 纯颗粒增强金属基复合材料（颗粒尺寸大于0.1μm） （1）碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al） 如发动机缸套、卫星支架。 （2）颗粒增强高温合金基复合材料 如导弹外壳体、尾翼。 2. 弥散强化金属基复合材料（颗粒尺寸小于0.1μm） （1）弥散强化铝基复合材料（烧结铝） 如飞机机身、高温活塞。 （2）弥散强化铜基复合材料 如白炽灯引线、微波管。

66 二、金属基复合材料 颗粒增强铝基复合材料组织
§11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 颗粒增强铝基复合材料组织 铝碳化硅（SiCp/Al、Al/SiC、SiC/Al）采用Al合金作基体，用SiC颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越性能。

67 §11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 Al/SiC增强复合材料 碳化硅增强型玻璃钢脱硫滤网 硅化石墨材料是碳化硅和石墨的复合材料

68 二、金属基复合材料 §11.3 常用复合材料 四代战机必不可少的低体份（≤20%） SiCp/Al精密铸件
§11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 四代战机必不可少的低体份（≤20%） SiCp/Al精密铸件 高体份（60-70%） SiCp/Al电子封装件

69 §11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 2003年，荷兰飞机起落架开发公司SP航宇已完成了飞机起落架的验证飞行。据该公司称，这是第一架采用钛金属基复合材料起落架的飞机。 SP公司已在2001年的树脂基复合材料代换件上获得35%的减重效益，并将通过钛基复合材料达到减重40%的目的。使用钛基复合材料后撑杆的重量降至4.2千克。

70 §11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 钛基复合材料 陶瓷颗粒增强钛基复合材料

71 §11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 美国P &W 公司研制的一种新型复合材料风扇叶片即连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料风扇叶片。碳化硅纤维增强的钛基复合材料可使风扇叶片的强度提高50%，硬度也比普通的钛合金更高。 碳化硅纤维增强钛基复合材料空心叶片是一种用超塑成形/ 扩散连接工艺制成的风扇叶片，其重量轻、刚性好、耐撞击破坏强度高，可使发动机的风扇级再减重约14%。

72 二、金属基复合材料 金属基复合材料应用举例 ◆美国航天飞机机身支柱：150kg，B/Al复合材料。
§11.3 常用复合材料 二、金属基复合材料 金属基复合材料应用举例 ◆美国航天飞机机身支柱：150kg，B/Al复合材料。 ◆SiC颗粒Al合金，比重是钢的1/3，Ti合金的2/3，与Al合金相当。强度比中碳钢好，与Ti合金相近，比Al合金略高，耐磨性比Ti合金、Al合金好。

73 三、陶瓷基复合材料 （一）纤维、晶须补强增韧陶瓷基复合材料 （二）颗粒补强增韧陶瓷基复合材料 （三）晶须与颗粒复合材料补强增韧陶瓷材料
§11.3 常用复合材料 三、陶瓷基复合材料 （一）纤维、晶须补强增韧陶瓷基复合材料 （二）颗粒补强增韧陶瓷基复合材料 （三）晶须与颗粒复合材料补强增韧陶瓷材料

74 §11.3 常用复合材料 三、陶瓷基复合材料

75 §11.3 常用复合材料 三、陶瓷基复合材料

76 四、其它类型复合材料 （一）夹层复合材料 上下两块薄面板和芯材构成 （二）碳/碳复合材料（C/C） （三）功能复合材料
§11.3 常用复合材料 四、其它类型复合材料 （一）夹层复合材料 上下两块薄面板和芯材构成 （二）碳/碳复合材料（C/C） （三）功能复合材料

77 §11.3 常用复合材料 四、其它类型复合材料 C/C复合材料由高强度碳素纤维和碳素基质构成，具有出色的机械特性，适用于各种高温用途。在高温环境下具有很好的综合性能，是各类航天飞行器最高温度区的首选材料，应用特别广泛，如美国现役的航天飞机头部、机翼前缘和轨道器，俄罗斯、法国和日本的航天飞机等。

78 §11.3 常用复合材料 四、其它类型复合材料 采用C/C复合材料的端头帽 C/C复合材料紧固件