1、復 合 材 料緒論w 一、學習本課程的目的和意義w 通過本課程的教學，使學生獲得復合材料開發和應用的基本知識，拓寬學生的知識面。w 二、本課程的性質、任務和教學內容w 1、本課程的性質：專業選修課。w 2、本課程的任務w 使學生了解復合材料的原材料、種類、性能特點、應用領域，基本掌握其基本原理、生產工藝。w 3、教學內容w 復合材料15章，補充一點水泥其復合材料w 三、課程的有關情況w 1、學時：32學時（第117周，12周金工實習）w 2、教學參考書（TB類）：w （1）馮小明，張崇才復合材料重慶：重慶大學出版社，2007w （2）王榮國，武衛莉，谷萬里復合材料概論哈爾濱：哈爾濱工業大學出版

2、社，2001w （3）陳華輝，鄧海金，李明，林小松編著現代復合材料北京：中國物資出版社，1998w （4）吳人杰復合材料天津：天津大學出版社，2000w （5）王汝敏，鄭水蓉，鄭亞萍聚合物基復合材料及工藝北京：科學出版社，20041 復合材料基礎 1.1 復合材料發展概況 w 復合材料發展歷史 w 第一代，19401960，玻璃纖維增強塑料w 第二代，19601980，發明了碳纖維和芳綸，發展高性能樹脂基（環氧樹脂和聚酰亞胺樹脂）復合材料。w 第三代，19801990，纖維增強金屬基復合材料，陶瓷基復合材料。w 第四代，1990年以后，多功能復合材料如智能材料、梯度功能材料、新型復合材料等。w

3、 復合材料的性能特點w 聚合物基復合材料：w （1）比強度、比模量大。比強度相當于鈦合金的35倍，比模量相當于金屬的4倍。w （2）耐疲勞性好。疲勞極限強度是抗張強度的7080%，金屬僅為2050%。w （3）減震性好。比模量高，具有高的自振頻率，很高的吸振能力。輕合金梁9s停止振動，復合材料2.5s。w （4）過載時安全性好。w （5）具有多種功能。耐燒蝕性，減摩性能，電絕緣性能，耐腐蝕性，特殊的光學、電學、磁學性質。w （6）良好的加工性能。w 缺點：耐高溫、耐老化、強度一致性較差。w 金屬基復合材料比強度、比模量大，熱膨脹系數小，尺寸穩定性好，良好的抗疲勞性和斷裂韌性等。w 陶瓷基復合材

4、料提高抗彎強度、斷裂韌性。 主要用途w 1航空航天：飛機的垂直尾翼、水平安定面、方向舵、副翼、機身、機翼蒙皮等，火箭發動機殼體等。w 2交通運輸：魚雷快艇、掃雷艇、救生艇、游船等，汽車的車身、儀表盤、車門、座椅等，火車的車箱、車門窗、座椅等。w 3房屋建筑：衛生潔具、冷卻塔、波形瓦、通風管道等。w 4電子工業：絕緣線路板、絕緣器材等。w 5機械工業：各種機械部件等。風力發動機葉片。w 6化工設備：管道、泵、風機、容器、反應釜等。w 7體育器材：撐桿、弓箭、賽車、賽艇、滑板、球拍、釣魚桿等。 飛機w 在波音777飛機上復合材料只占重量的9%，而在波音787上復合材料占到重量的50%，所采用的碳纖

5、維增強塑料達到35噸。在波音787上大面積使用碳/環氧樹脂復合材料，減輕了飛機重量并使創新理念得以實現。機身、機翼等主承力構件都采用復合材料。與其他同類飛機相比：w （1）更輕。飛機重量大大減輕，運行成本也大幅下降；w （2）更節能。節省20%的燃料，同時釋放更少的溫室氣體；w （3）噪音更低。起飛和降落時的噪音要比其他飛機低60%；w （4）更耐用。使用期更長，檢修率要低30%。w A380約25%由復合材料制造，其中22%由各種不同的增強型塑料復合材料制成，大部分是碳纖維增強環氧樹脂(CFRP)。w 波音787飛機空客380飛機及使用的新復合材料風力發電w 至2010年底，中國全年風力發電

6、新增裝機達1600萬千瓦，累計裝機容量達到4182.7萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一。按照規劃，2015年中國風電規模將達到1億千瓦，2020年將達2億千瓦，相當于11個三峽電站。w 整個風電制造業可以分為：葉片、齒輪箱、發電機、塔架、控制系統等主要零部件的生產體系。風電機組成本結構中，葉片20%，齒輪箱15%，電機12%，軸承8%，塔架13%，機艙罩9%，控制系統8%，其他15%。 葉片長幾十米，6MW海上風力發電機組葉片長66.5m。 1.2 復合材料的定義、命名和分類 w 定義w 復合材料：是由兩種或兩種以上異質、異形、異性的材料復合而成的新型材料。 w 三個特點：1組分之間存在明顯

7、的界面。w 2各組元保持各自固有的特性，并產生原組分所不具備的特性。w 3具有可設計性。 w 命名w （1）強調基體，以基體材料的名稱為主。如樹脂基復合材料、金屬基復合材料。w （2）強調增強材料，以增強材料的名稱為主。如玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料。w （3）基體材料名稱與增強材料名稱并用，增強材料在前、基體材料在后，中間用“/”分開。如玻璃纖維/環氧樹脂復合材料、碳/碳復合材料、碳/鋁復合材料等。 復合材料的分類 w （1）按基體材料分：聚合物基復合材料，金屬基復合材料，陶瓷基復合材料，石墨基復合材料（碳-碳復合），混凝土基復合材料。w （2）按增強纖維種類分：玻璃纖維復合材料

8、、碳纖維復合材料、有機纖維復合材料、金屬纖維復合材料、陶瓷纖維復合材料。w （3）按增強材料形狀分：連續纖維復合材料、短纖維復合材料、粒狀填料復合材料、編織復合材料等。w （4）按用途分類：結構復合材料、功能復合材料，智能復合材料。 1.3 復合材料的組成w 復合材料基體w .1 聚合物基體w 1. 熱固性樹脂w 由某些低分子的合成樹脂，在加熱、固化劑或紫外光等作用下，發生交聯反應，并經過凝膠化階段和固化階段形成不溶、不熔的固體。受熱后不再軟化，高溫分解破壞。一般是網狀體型結構。w （1）不飽和聚酯樹脂（UP）w 主鏈上同時具有重復酯鍵及不飽和雙鍵（-C=C-）的聚合物。按化學結構分為順酐型、

9、丙稀酸型、丙稀酸環氧酯型和丙烯酸型聚酯樹脂等。由二元醇與不飽和二元酸或酸酐、飽和二元酸或酸酐經縮聚反應合成的低聚物，溶于苯乙烯等單體中得到低粘度樹脂，在引發劑作用下，聚酯中的雙鍵與固化劑苯乙烯共聚形成三維網絡結構。w 工藝性能好，力學性能較好，價格低，用量大，約占60%，可適合各種工藝。但體積收縮率較大，成型時氣味和毒性大，耐熱性、強度和模量較低，易變形。w (2)環氧樹脂（EP）w 分子中含有兩個或兩個以上活性環氧基團的低聚物統稱為環氧樹脂 w 按分子結構分為縮水甘油醚、縮水甘油酯、縮水甘油胺、線性脂肪族和環型脂肪族五類。適合作復合材料的是雙酚A、多官能團、酚醛環氧樹脂。 w 工藝性能好，力

10、學性能優異，良好的電學性能，耐熱性較好（120180），優良的化學穩定性，突出的尺寸穩定性和耐久性，但較脆，需增韌，價格較貴。使用范圍最廣，用于主承力結構和耐腐蝕結構。 w (3)酚醛樹脂（PF）w 酚醛樹脂：由酚類和醛類的縮聚產物。通常由苯酚和甲醛在催化劑條件下縮聚、經中和、水洗而制成。w (4)其它熱固性樹脂w 熱固性聚酰亞胺樹脂：（PI），主鏈上帶有大量芳雜環結構，端頭帶有不飽和鏈而發生加成反應，形成交聯性聚合物。由聯苯四甲酸二酐和對苯二胺合成的聚酰亞胺，熱分解溫度達到600。w 乙烯基酯樹脂：乙烯基酯樹脂是由環氧樹脂與丙烯酸及其衍生物通過開環加成化學反應而制得。w 2. 熱塑性樹脂w

11、熱塑性樹脂：指具有線性或支鏈型結構的一類有機高分子化合物，可以反復受熱軟化（或熔化）冷卻后變硬。w 特點：工藝簡單，生產周期短，成本低，相對密度小，但其力學性能、使用溫度、抗老化性能方面不如熱固性樹脂。w （1）聚丙烯。無毒、無味，具有強度高、硬度大、耐磨、耐彎曲疲勞、耐熱溫度高、耐濕和耐化學性優良、容易加工成型、價格低廉等優點。同時具有低溫韌性差、不耐老化等缺點。w （2）聚酰胺。主鏈上含有酰胺基團的高分子聚合物，俗稱尼龍（Nylon）。具有優良的力學性能，強韌性好，蠕變變形小，耐汽油、耐高溫、耐寒，良好的電絕緣性、阻燃性、自熄性；減摩耐磨、耐腐蝕。但易吸潮，使機械、電氣性能下降。w （3）

12、聚醚醚酮。半結晶性，熔點334，熱分解溫度650，長期使用溫度250；模量與環氧樹脂相當，強度高于環氧，斷裂韌性比環氧高一個數量級，已經用于飛機結構。 w .2 金屬基體w 1. 用于450以下的輕金屬基體：鋁基、鎂基合金w （1）鋁：熔點660，密度2.7g/cm3。合金，強度達600MPa。鋁合金用于航天航空、電力、建材等。w （2）鎂：密度1.74g/cm3，熔點648.8°C，彈性模量低（44.6GPa）、強度低。合金的比強度（拉伸強度達300MPa）、比剛度較高。鎂合金是航空工業常用的結構材料，并用于光學儀器、電子、機械、汽車等行業。 w 2. 用于450700的金屬基體(

13、鈦合金)w 鈦的密度4.51g/cm3，熔點1678，熱膨脹系數小（7.35×10-6-1），導電導熱差（僅為銅的1/17和1/25），優異的耐蝕性，強度高，韌性和塑性好。摻少量Al、Cr、V的鈦合金經熱處理，抗拉強度可達1.4GPa，高溫強度也大提高。 w 3. 用于1000以上高溫的金屬基體：鎳基、鐵基合金和金屬間化合物w 鎳基合金：鎳的熔點是1453，鎳大量用于制造合金。其中鎳基高溫合金，鎳含量高于50%的高溫合金（鐵含量很少<5%），用量占現代航空發動機總重的40%，最高使用溫度達1000。w 純鐵的熔點1534。鐵鎳基高溫合金，鎳含量2550%，鐵含量3050%的高溫

14、合金。用于航空發動機部件，最高使用溫度達900。 部分鋁合金制品部分鎂、鈦合金制品w .3 陶瓷基復合材料的基體 w 1. 玻璃w 玻璃：無機物經熔融、冷卻、硬化得到的非晶態固體。w 性能特點：透明、耐腐蝕、耐熱、絕緣、美觀。w 品種：硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃等。w 化學組成：w 硅酸鹽玻璃主要SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO、K2O、PbO等w 硼硅酸鹽玻璃主要SiO2、B2O3、Na2O、Al2O3等。表1-1 常用玻璃和玻璃陶瓷基體的基本特性w 2微晶玻璃w 定義：特定組成的玻璃經過控制晶化得到的多晶多相固體材料。w 性能特點：采用玻璃生產工藝，具有陶瓷制品的

15、結構、性能特征，很多性能得到改進。w 品種：鋰鋁硅微晶玻璃（LAS），熱膨脹系數幾乎為零，抗熱震性好；w 鎂鋁硅微晶玻璃（MAS），硬度高，耐磨性好，介電及絕緣性好。 3. 氧化物陶瓷w Al2O3陶瓷，常用，硬度高、耐高溫、耐侵蝕、絕緣好，但脆性大、抗熱震性差。w 莫來石（3Al2O3·2SiO2）陶瓷，熱導率、熱膨脹系數和熱容低，抗熱震性好，強度較高。w ZrO2陶瓷，耐高溫（2000以上），導熱系數小。部分穩定氧化鋯（PSZ）斷裂韌性遠高于其它結構陶瓷，稱“陶瓷鋼”。 氧化鋯陶瓷制品4. 非氧化物陶瓷w Si3N4陶瓷，強度高（室溫抗彎強度達200MPa），抗熱震性和抗高溫蠕變

16、性能好，硬度高，耐腐蝕，抗氧化溫度達1000，電絕緣性好。w SiC陶瓷，高溫強度高，1400仍達600MPa，高溫導電性能好。表1-2 常用耐高溫陶瓷基體材料的基本性能氮化硅陶瓷制品w .4 水泥基復合材料的基體w 硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥混凝土。w 復合材料增強體w 按形態分為顆粒狀、纖維狀、片狀、編織狀等w 按化學組成分為無機非金屬、有機聚合物和金屬類。 w 圖1-3 各種纖維增強體的拉伸強度和彈性模量 表1-3 纖維增強體的典型品種和性能 復合材料的界面w .1 復合材料界面的定義 w 界面：基體與增強物之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷傳遞作用的微小區域。尺寸很小，只

17、有幾納米至幾微米。w .2 界面相的作用w 1傳遞作用。將外力由基體傳遞給增強物，起到基體與增強物的橋梁作用。w 2阻斷作用。阻止裂紋擴展、中斷材料破壞、減緩應力集中。w 3保護作用。保護增強體免受環境的侵蝕，防止基體與增強體之間的化學反應。 w .3 聚合物基復合材料的界面 w 界面性能是由界面組成和結構所決定的，因而與增強體與基體的組成、復合工藝密切相關。主要是界面結合強度和界面滑移阻力。w 界面結合強度對于不同的復合材料要求不同，聚合物基復合材料的目的是提高強度和剛度，希望界面結合強度較高（但不是越強越好）；陶瓷基主要提高韌性，希望界面結合強度較低。w 界面滑移阻力主要影響纖維拔出過程所

18、消耗的能量，影響纖維與基體之間的載荷傳遞、纖維拔出長度和增韌效果。圖1-4 兩種具有不同界面性能復合材料的應力-應變曲線 碳纖維增強鋁的抗拉強度和斷口形貌w .4 界面工程w 界面工程：研究不同異質材料復合過程的合理設計、控制界面相的結構和性能及其與復合材料整體性能的關系。w 通過對增強體表面改性、基體改性、引入某種界面調節劑，從而形成最佳的界面層。w 1有機硅偶聯劑對玻璃纖維表面改性可以大大提高樹脂與纖維的結合性能。w 2碳纖維表面沉積Ti-B涂層可以改善碳纖維與鋁液的浸潤性、阻礙纖維與鋁的界面反應。w 3碳纖維表面沉積熱解碳對碳纖維增強碳化硅復合材料的作用。  1.4 復合材料的

19、復合原理w 顆粒增強原理w .1 彌散增強原理w 彌散增強原理可用位錯繞過理論解釋。彌散微粒阻礙基體的位錯運動。在剪應力i的作用下，位錯的曲率半徑為：w 式中：Gm為基體剪切模量，b為柏氏矢量。圖1-6 彌散增強原理圖 w 若微粒之間的距離為Df，當剪切應力大到使位錯的曲率半徑R=Df/2時，基體產生位錯運動，復合材料產生塑性變形，此時的剪切應力即為復合材料的屈服強度： w 假定基體的理論斷裂應力為Gm/30，基體的屈服強度為Gm/100，則得到微粒間距的上下限分別為0.3m和0.01m。即微粒直徑在0.01m0.3m時，具有增強作用。若微粒直徑為dp，體積分數為Vp，微粒彌散且均勻分布。根據

20、體視學原理，則：w 微粒尺寸越小，體積分數越高，強化效果越好。一般，Vp為0.010.15，dp為0.0010.1m。 w 如果i=p時，顆粒開始破壞，產生裂紋，引起復合材料變形，令p=Gp/c，則：w 式中：Gp為顆粒剪切模量，c為常數。由此得到顆粒增強復合材料的屈服強度為：w 將體視學關系式代入得：w 顆粒尺寸越小、體積分數越高，增強效果越好。一般顆粒直徑150m，顆粒間距125m體積分數550%。w 單向排列連續纖維增強復合材料層板理論：認為是單向層片以一定順序疊放起來。w .1 縱向強度和剛度w 1. 復合材料應力-應變曲線的初始階段w 假定：纖維性能和直徑是均勻的、連續的并全部相互平

21、行，纖維與基體之間的結合良好，在界面無相對滑動；忽略纖維與基體之間熱膨脹系數、泊松比及彈性變形差引起的附加應力；整個材料的縱向應變可以認為是相同的，即復合材料、纖維與基體具有相同的應變：圖1-7 單向纖維復合材料中的單層板w 沿纖維方向的外載荷由纖維和基體共同承擔，應有：w 式中：A為相應組分的橫截面積。上式變為：w 對于平行排列纖維的復合材料，體積分數等于面積分數，則：w 因為復合材料、纖維與基體具有相同的應變，對應變求導數：w 式中： 表示應力-應變曲線的斜率，在初始階段，應力-應變曲線是直線，斜率是常數，可用相應的彈性模量代入，則：w 符合“混合法則”（加和法則） w 因為：w 所以：w

22、 復合材料中各組分所承載的應力比等于相應的彈性模量比。復合材料中各組分的承載比為：w 圖1-8所示：纖維與基體的彈性模量比值越大，纖維體積分數越高，則纖維承載越大。圖1-8 纖維/復合材料承載比與纖維體積分數的關系w 2. 復合材料初始變形后的行為w 復合材料的變形階段：w 纖維和基體均為線彈性變形；w 纖維為繼續線彈性變形，基體非線性變形；w 纖維和基體均為非線性變形；w 隨著纖維斷裂，復合材料斷裂。w 對于金屬基復合材料，由于基體的塑性變形，第二階段占應力-應變曲線的相當部分，此時復合材料的彈性模量為：w 式中： 是復合材料應變點基體應力-應變曲線的斜率。w 3. 斷裂強度w (1)基體斷

23、裂應變大于纖維斷裂應變w 當纖維體積分數足夠大時，基體不能承擔纖維斷裂后轉移的全部載荷，則復合材料斷裂。根據混合法則，復合材料縱向斷裂強度為：w 式中：fu是纖維強度， 是對應纖維斷裂應變值的基體應力。w 當纖維體積分數很小時，基體能夠承擔纖維斷裂后轉移的全部載荷，復合材料的斷裂強度為：w 解上述兩式，得到纖維控制復合材料斷裂所需的最小體積分數為：w (2)基體斷裂應變小于纖維斷裂應變w 當纖維體積分數較小時，纖維不能承擔基體斷裂后所轉移的全部載荷，根據混合法則，復合材料縱向斷裂強度為：w 式中：cu是基體強度，f*是對應基體斷裂應變時纖維承受的應力。w 當纖維體積分數較大時，纖維能夠承擔基體

24、斷裂后所轉移的全部載荷。假定基體能夠繼續傳遞載荷，則復合材料可進一步承載，直至纖維斷裂。復合材料的斷裂強度為：w 纖維控制復合材料斷裂所需的最小體積分數為：圖1 基體斷裂應變小于纖維時u與Vf關系 w .2 橫向剛度和強度w 1橫向模量（Halpin-Tsia公式）w 復合材料橫向彈性模量ET為：w 其中：w 式中：是與纖維幾何、堆積幾何及關的參數，當纖維截面積為圓形和正方形時，=2；矩形纖維，=2a/b，a/b是矩形截面尺寸，a是加載方向。 圖1-9 Halpin-Tsia橫向彈性模量與纖維體積分數的關系w 2. 橫向強度w 纖維對橫向強度不僅沒有增強作用，反而有反作用。假設復合材料橫向強度

25、tu受基體強度mu控制，強度衰減因子S與纖維、基體性能及纖維體積分數有關，即：w 按傳統材料強度方法，S是應力集中系數SCF或應變集中系數SMF，若忽略泊松效應，則： w 最大形變能判據：當任何一點的形變能達到臨界值時，材料發生斷裂。則：w 式中：Umax是基體中任何一點的最大歸一化形變能，是纖維體積分數、纖維堆積方式、纖維與基體界面條件、組分性質的函數；c是外加應力。w 仿照顆粒增強復合材料的經驗公式，可以得到復合材料橫向斷裂應變cb的表達式：w 式中：mb是基體的斷裂應變。w 如果基體和復合材料之間有線彈性應力-應變關系，得到復合材料橫向斷裂應力：w 短纖維增強原理 w .1 短纖維增強復

26、合材料應力傳遞機理w 復合材料受力時，由基體傳遞給增強纖維。基體的變形量大于纖維，因此在界面上產生剪切力和剪應變，界面上剪切力沿纖維方向的各處也不相同。圖1-10 短纖維埋入基體受力前后變形示意圖 w .2 短纖維增強復合材料應力傳遞理論 w 1. 應力傳遞分析w 剪切滯后分析，纖維長度微元dz在應力平衡時有：w 即：w 式中：f是纖維軸向應力，是作用于柱狀纖維與基體界面的剪應力，r是纖維半徑。w 積分得：w 式中：f0是纖維端部應力，由于高度應力集中，可以忽略。 w 假設纖維中部的界面剪切應力和纖維端部的正應力為零，假設纖維周圍的基體是完全塑性的，這樣，沿纖維長度的界面剪切應力可以認為是常數

27、，并等于基體剪切屈服強度，則：w 對于短纖維，最大應力發生在纖維中部（z=l/2）處：w 式中：l是纖維長度。纖維承載能力存在一極限值，應等于相應應力作用于連續纖維復合材料時連續纖維的應力：w 式中：c是作用于復合材料的外加應力，Ec根據混合法則得到。 w 將能夠達到最大纖維應力(f)max的最短纖維長度定義為載荷傳遞長度lf，載荷從基體向纖維的傳遞就發生在纖維的lf長度上。由下式定義為：w 式中：d是纖維直徑。載荷傳遞長度lf是外加應力的函數，lc被定義為與外加應力無關的臨界纖維長度，即可以達到纖維允許應力fu的最小纖維長度為：w 臨界纖維長度也稱為“無效纖維長度”，即在這個長度上纖維承載應力小于最大纖維強度。w 2. 應力分布的有限元分析 w 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。w 有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。2