1、第一章總論尖端科學技術對材料要求：減輕重量、提高強度、降低成本玻璃鋼（GFRP）玻璃纖維增強樹脂基復合材料基體材料：UP（不飽和聚酯）、EP（環氧樹脂）、PF（酚醛樹脂）主要缺點：模量小，溫度低復合材料定義：由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料復合目的：通過復合產生單一材料所不具有的新性能CM組成：基體（連續相）；界面相；增強材料（分散相）纖維、顆粒狀、片狀命名原則：增強材料+基體材料+復合材料分類按性能高低，通用、先進按增強材料形態，連續纖維、短纖維、粒狀或碎片狀、編織材料作用，結構（作為承力結構，主要使用其力學性能的復合材料）功能（除力學性能外還提供其它物理性

2、能的復合材料）基體材料聚合物基復合材料（熱固性樹脂、熱塑性樹脂、橡膠）金屬基復合材料（鋁基、鈦基、鎂基、鐵基）無機非金屬基復合材料（陶瓷、玻璃、水泥）碳基復合材料CM優點1疊加效應，最佳結構設計一增強體與基體性能的疊加互補一新的獨特的多種性能材料（最大特點）2性能具有可設計性改變材料的組分、結構、工藝方法、工藝參數等調節材料的性能3材料與構件制造的一致性意義：減少零件數目，避免接頭過多，降低應力集中；減輕質量，減少制造工序和加工量，降低成本一次成型：根據構件形狀設計模具，再根據鋪層設計鋪設增強體，使基體材料與增強體組合、固結后獲得復合材料構件的制造過程。二次加工：構件的連接；機械切削加工及坯件

3、的進一步塑性變形CM不足：（1）增強體和基體可供選擇的范圍有限；（2）工藝比較復雜，質量重復性不能完全保證;（3）成本較高PMC（聚合物基）優點（1）比強度、比模量大（纖維增強樹脂基復合材料（2）耐疲勞性能好（基體強韌性降低裂紋擴展速度（纖維對裂紋阻隔作用，使裂紋尖端變純或改變方向（3）減振性能好原因：1自振頻率高，不容易出現因共振而快速脆斷的現象；2振動阻尼性強-非均質多相體系-纖維與基體界面-反射、吸收振動能量-振動很快衰減（4）過載安全性好纖維復合材料中，有大量獨立纖維。當過載少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配，構件不會在瞬間完全失去承載能力而斷裂（5）具有多種功能性耐燒蝕、摩擦、電絕緣

4、、耐腐性等（6）很好的加工工藝性多種生產成型方法：手糊、模壓、纏繞、注射、拉擠、噴射、真空袋壓法、離心澆鑄、層壓成型等FRP：纖維增強熱固性樹脂復合材料一一結構材料FRTP：纖維增強熱塑性樹脂復合材料功能材料樹脂基復合材料主要缺點：耐熱性、老化、變質、傳熱性、尺寸穩定性較差金屬基MMC定義：以金屬及其合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強相人工結合成的復合材料增強材料無機非金屬陶瓷、碳、石墨、硼纖維金屬絲W、Mo、Al、不銹鋼性能（1）高比強度、高比模量在纖維增強金屬基復合材料中，MMC的比強度、比模量明顯優于金屬材料（2）導熱、導電性能好可使局部的高溫熱源和集中電荷很好擴散消除（3）熱膨脹

5、系數小，尺寸穩定性好使用a小的材料不會因溫度差造成變形（4）良好的高溫性能對溫度變化和熱沖擊的敏感性低（5）耐磨性陶瓷增強材料耐磨、硬度高、性能穩定（6）良好的疲勞性能和斷裂韌性（7）不吸潮、不老化、氣密性好陶瓷基復合材料及主要性能（CMC）制備CMC的主要目的，提高陶瓷的韌性三種復合材料性能比較使用溫度CMCMMCPMC耐自然老化性能CMCMMCPMC導熱性能MMCCMCPMC耐化學腐蝕性CMC、PMC較好；MMC較差成本CMCMMCPMC生產工藝CMCMMCPMC第二章復合材料的基體材料21金屬材料金屬基復合材料組成特點按增強材料不同分為連續增強型和非連續增強型連續增強型增強材料（長纖維）

6、主要作用：承載組分金屬基體主要作用：粘接纖維、傳遞應力基體選擇原則：基體和纖維是否很好相容，能否最大限度發揮增強纖維的性能、作用非連續增強型：金屬基體主要作用：主要承載組分，影響復合材料性能基體選擇原則：高強度基體基體及合金元素選擇原則：選擇有利于基體與增強材料之間具有良好的潤濕性、粘著力強，有利于界面均勻同時又有利于形成一個適合的穩定界面的合金元素控制界面反應的措施：（1）增強材料的表面改性如表面涂覆（2）基體合金法改性;使界面反應時的反應速度常數盡可能?。?）選擇適宜的成型方法、條件，縮短在高溫下復合時間2.2無極凝膠材料定義：一類粉末材料。當其與水或水溶液拌合后所形成的漿體，經過一系列物

7、理、化學作用后能夠逐漸硬化并形成具有一定強度的人造石無機膠凝復合材料主要解決問題：由于應力開裂導致的脆性破壞問題2.3陶瓷材料陶瓷主要優點：化學穩定性、耐高溫性、耐磨損、高熔點、高硬度陶瓷最大缺點：脆性大、韌性低、對裂紋、氣孔和夾雜物等缺陷敏感，易碎裂制備CMC主要目的之一：提高陶瓷韌性CMC增強體從幾何尺寸上分類：纖維（長、短）、晶須、顆粒纖維增強CMC是改善陶瓷材料韌性重要手段2.4聚合物材料主要基體種類：熱固性樹脂（UP、EP、PF）、熱塑性樹脂基體的作用（1）將纖維粘合成整體，使位置固定；在纖維間傳遞載荷并使載荷均衡；（2）決定復合材料的一些性能如高溫使用、剪切、耐介質等（3）決定復合

8、材料成型工藝方法及工藝參數的選擇（4）保護纖維不受環境影響，免受各種損傷UP-不飽和二元酸、飽和二元酸與二元醇經縮聚反應得到分子量不高的線型縮聚產物加入飽和二元酸目的：共縮聚，調節聚酯不飽和度，UP良好綜合性能UP主要優點I、良好工藝性能II、固化后良好綜合性能III、價格低廉UP主要缺點I、體積收縮率較大；11、耐熱性較差；111、強度、模量較低，氣味、毒性在UP中，為什么常采用苯乙烯作為交聯劑使用？I、低粘度液體，與UP良好混溶性，很好溶解引發劑、促進劑；I、雙鍵活性大，易與不飽和雙鍵共聚，生成均勻共聚物；I、固化后物理性能較好；W、價格便宜UP單靠加熱固化缺點：誘導期長，反應放熱量大，難

9、以控制；反應開始后速度快，粘度突然增大，反應不易完全UP固化過程三個階段：凝膠、硬化、完全固化UP增粘特性：堿土金屬氧化物或氫氧化物和樹脂反應后，粘度大幅度增加EP-分子中含有兩個或兩個以上環氧基團的高聚物雙酚A環氧型樹脂反應方程式：CH3(n+2)H2CCHCH2C1+(n+2)Na0H+(n+l)H0OHcH3CH3CH3H2Cchch2ocH30CH2CHCH200HcH30CH2-HC-ch2PF突出特點：耐高溫燒蝕性能、改性熱塑性樹脂優點：（1）高斷裂韌性（最重要優點），更高損傷容限（2）預浸料不需冷藏，貯存期長；（3）成型周期短，易于修補、可再生利用缺點：（1）使用溫度、力學、老化

10、性能差；（2）熔體、溶液粘度高，纖維浸漬困難；（3）預浸料制備、制品成型需在高溫、高壓下進行第三章增強材料增強材料：粘結在基體內，能提高基體材料力學性能物質的統稱分類（1）纖維及織物無機纖維：GF、CF、BF有機纖維：芳綸、PE、尼龍（2）晶須（3）粉體三大應用纖維芳綸，GF,CF玻璃纖維GF各種金屬氧化物的硅酸鹽類或硼酸鹽類，熔融后以極快速度抽絲而成的纖維玻璃纖維結構及化學組成結構-短距離網絡結構的非晶結構Na2O、K2O含量對玻纖性能有什么影響：助熔氧化物，可降低玻璃熔化溫度、粘度，有利氣泡排出；但含量過高，使性能下降微裂紋假說理論微裂紋易產生應力集中，使強度下降；玻纖高溫成型，減少玻璃溶

11、液不均一性，使微裂紋產生機會減少；玻纖微小斷面，減少微裂紋存在幾率，使強度提高物理性能拉伸強度，玻纖力學性能最大特點：拉伸強度高彈性模量。最大缺點，彈性模量低耐磨、耐折性一一差導熱系數小，隔熱性能好；耐熱性能好；不燃的無機纖維(5)電絕緣材料，無堿玻纖玻纖織物品種一一(無紡、平紋、斜紋、單向)布等玻纖制造方法一一玻璃球法(坩堝拉絲法)和直接熔融法(池窯拉絲法)浸潤劑主要作用：原絲中纖維不散亂、相互粘合在一起，使多根單絲集中成股；防止纖維間磨損，增加原紗耐磨性，提高拉伸強度；原絲相互間不粘結在一起；保護纖維免受大氣和水分侵蝕作用；便于紡織加工紡織型浸潤劑：滿足紡織工序要求主要品種：石蠟、凡士林、

12、硬脂酸礦物酯類石蠟乳劑紡織型浸潤劑特點：潤滑性、集束性好，但影響與樹脂粘結，浸膠前需除去增強型浸潤劑主要品種：聚醋酸乙烯酯增強型浸潤劑特點：可直接使用；紡織時較容易使玻纖起毛碳纖維CF、制造碳纖維主要原料：人造絲(粘膠纖維)、聚丙烯腈(PAN)纖維、瀝青以PAN為原料制備碳纖維工藝流程PAN原絲-200300C預氧化-10001800C碳化-碳纖維-2000C3000C石墨化-石墨纖維制造CF時，為什么PAN原絲需經過預氧化處理？TgvlOOC,分解前會軟化熔融，不能直接在惰性氣體中進行碳化；使PAN結構轉化為穩定梯形六元環結構，不易熔融；纖維吸氧，形成PAN纖維分子間化學鍵纖維預氧化處理中顏

13、色變化：白黃棕黑碳化：10001800C惰性氣氛中進行特點：除去N、0、H等非碳元素，改變原PAN纖維結構石墨化20003000C下對碳纖維熱處理作用：進一步脫除氮、氫等，六角碳網平面環數增加，轉化為類石墨結構貫穿生產全過程重要工藝：牽伸作用：微晶沿軸向擇優取向，堆積緊密，密度、模量提高三種主要原材料性能比較粘膠基PAN基瀝青基碳化率/%2030%4060%8090%主要特性耐燒蝕，隔熱材料高強中模量，綜合力學性能高模量，光學各向異性影響CF強度重要因素：纖維中缺陷缺陷主要表現形式：直徑不均勻、雜質、表面污染、各種裂縫、空穴、氣泡CF缺陷主要來源：(1)原絲帶來；(2)氧化、碳化過程中化學反應

14、產生非C以氣體溢出，有空洞和缺陷CF物理性能密度d=1.52.2粘膠基聚丙烯腈基GF為什么芳綸具有高模量、高強度？結構對其性能有何影響？芳環結構、分子鏈難旋轉、不能折疊棒狀結構高模量線性分子規整、堆砌密度大高強度缺點：耐光性差；吸濕性強用途：芳綸增強環氧、聚酯和其他樹脂其他纖維碳化硅纖維三耐性能耐高溫、耐腐蝕、耐幅射硼纖維（BF）價格昂貴：（1）工藝復雜，生產率很低（5m/min）,成本高；（2）表面特殊處理金屬纖維限制應用原因：（1）密度較高（2）增強聚合物時，粘結力差晶須性能：（1）強度最高直徑小，原子結構排列高度有序，結構完整，含缺陷很少單晶第四章復合材料的界面化學組成和物理性能與增強體

15、、基體均不相同，使基體與增強體結合成為一個整體，傳遞應力作用的微小區域界面五大效應：傳遞、阻斷、不連續、散射和吸收、誘導效應影響界面效應因素：結合狀態，形態，界面物理、化學性質，浸潤性、相容性結合強度是否越高越好？粘結過弱剪切破壞粘結過強脆性CM性能要求：中等膠接的界面結合強度PMC界面第一階段：增強材料與基體之間能夠浸潤、接觸液態物質表面張力：金屬鍵離子鍵極性分子非極性分子纖維增強體系：纖維首先吸附較多降低表面能的組分第二階段：聚合物固化階段相互作用，使界面固定（1）界面層結構，組合力、組成、厚度組合力：宏觀界面結合力：機械鉸合力；微觀界面結合力：化學鍵、次價鍵提高CM性能措施：向界面引入反

16、應基團，增加化學鍵合比例（2）界面層組成PMC五個組成區域：基體、基體表面區、相互滲透區、增強劑表面區、增強劑（3）界面層厚度：增強材料量越多，厚度越小界面作用機理（1）界面浸潤理論液體樹脂能良好浸潤（潤濕）增強材料。粘結作用好壞決定于相互之間浸潤性（2）化學鍵理論增強材料與基體材料之間必須形成化學鍵才能使粘結界面產生良好粘結強度，形成界面（3）變形層理論增強材料經表面處理后，處理劑在界面形成一層塑性層，能松弛界面應力，減少應力在界面作用，特別能減少因a相差大而引起的內應力MMC界面界面類型按溶解與反應程度區分（1）I類界面不相互反應，也不互溶界面特點:微觀平整，分子層厚度，原組成物質II類界

17、面：相互溶解但不反應擴散一一滲透方式界面特點:增強材料周圍形成環狀，呈犬牙交錯溶解擴散層III類界面：反應形成界面反應層界面特點:微米、亞微米級界面反應物質界面結合形式物理結合無溶解又不互相反應I類界面主要產生來源：機械鉸合、基體收縮應力溶解和浸潤結合潤濕，一定程度相互溶解II類界面：化學反應結合反應形成新的化合物層III類界面混合結合物理結合的界面上發生化學反應混合界面(I類+III類)影響界面穩定性因素物理因素溶解與析出II類界面穩定性化學因素界面反應第III類界面穩定性MMC界面化學反應連續界面反應基體原子向纖維擴散，反應在增強纖維一側；反應在基體一側交換式界面反應增強材料與含有兩種或兩

18、種以上元素的金屬基體之間發生的化學反應反應特點：增強材料與基體中某一元素優先反應，化合物富集于界面層；末反應的其它元素在界面附近富集，可能形成金屬間化合物暫穩態界面變化增強材料表面局部氧化界面殘余應力熱殘余應力形變殘余應力相變殘余應力增強材料表面處理：把表面處理劑涂覆在增強材料表面表面處理劑：浸潤劑、偶聯劑、助劑表面處理目的：改善增強材料本身性能，與基體結合性能，提高CM性能玻纖表面處理-表面細微裂紋，堿金屬氧化物很強的吸水性降低與樹脂的粘合影響復合材料性能常用表面處理劑：有機鉻合物、有機硅烷偶聯劑有機酸與氯化鉻的鉻合物重要品種：沃蘭：甲基丙烯酸氯化鉻配合物沃蘭對GF表面處理機理：1)沃蘭水解

19、ClOHGF表面吸水，生成羥基沃蘭與吸水的GF表面反應氫鍵形成；縮合醚化反應，共價鍵結合玻纖及其制品表面處理方法前處理法浸潤劑中加入偶聯劑特點：工藝、設備簡單，可避免纖維熱處理后的纖維強度損失后處理法(普通處理法)1除去玻纖表面的浸潤劑2經過浸漬、水洗、烘干，把偶聯劑涂在玻纖表面去除浸潤劑方法熱處理法洗滌法遷移法偶聯劑直接加入樹脂基體膠液中。浸膠時偶聯劑從膠液中遷移到纖維表面，固化中產生偶聯碳纖維表面處理方法常用表面處理方法：氧化法、沉積法、電聚合、電沉積、等離子體處理法CF表面處理目的：改變纖維表面狀態，使CF表面溝槽加深，粗糙度增加；(2)在纖維表面產生含氧活性基團，改善浸潤性，與高聚物基

20、體反應性(3)清除表面污染第五章聚合物基復合材料玻璃鋼(GFRP)玻璃纖維增強熱固性塑料GFRP主要性能優點比重小(d=1.62.0),比強度高，耐腐蝕、電絕緣，保溫、隔熱、隔音、減振性好缺點剛性、耐熱、導熱、老化性差三種玻璃鋼性能比較玻纖增強環氧特性綜合性能，尺寸穩定性最好；加熱成型，加工不方便玻纖增強酚醛耐熱性、耐燒蝕、耐電弧性最好，價格便宜；性脆，尺寸不穩定，收縮率大，刺激作用玻纖增強聚酯特性加工性能、透光性好，價格便宜；收縮率大，耐酸、堿性差聚合物基復合材料設計CM結構設計三步驟：(1)明確設計條件；材料設計；結構設計結構設計條件(1)結構性能要求根據材料結構功能，滿足一定物理、化學、

21、力學等性能要求物理性能：密度、導熱、導電、磁性、反射、透光性化學性能：抗腐蝕、抗氧化力學性能：強度、模量、韌性、耐硬、耐磨、抗疲勞、抗蠕變(2)載荷情況靜載荷動載荷：瞬時作用載荷沖擊載荷交變載荷3)環境條件力學條件：加速度、沖擊力、振動物理條件：P、T、濕度氣象條件：日光、照射、風雨大氣條件：鹽霧、放射線、風砂侵蝕結構可靠性與經濟性CM設計(1)原材料選擇選擇原則比強度、比模量高；材料與結構的使用環境相適應；滿足結構特殊性要求；滿足工藝性要求；預浸料、固化成型、機加裝配、修補工藝性成本低、效益高纖維選擇及原則(常用GF/CF/芳綸)纖維的強度和模量都要高于基體；纖維與基體之間要有一定粘結作用，

22、保證所受的力通過界面傳遞給纖維；纖維與基體的a不能相差過大；纖維與基體之間不能發生有害化學反應；纖維所占體積、纖維尺寸、分布必須適宜(3)樹脂選擇在使用溫度范圍內正常工作；具有一定力學性能；基體的斷裂伸長率大于或接近纖維的斷裂伸長率；滿足使用的物理、力學性能；一定工藝性復合材料層合板設計層合板：多個單層按一定方向疊合并熱壓成型的復合材料板材例1：(0/+45/-45/90)2S=0/+45/-45/90/0/+45/-45/90/90/-45/+45/0/90/-45/+45/02：鋪層重復次數；S：前面鋪層再對稱鋪疊一次例2:(0/45/9一0)S=0/+45/-45/90/-45/+45/

23、0PMC成型加工技術熱固性樹脂主要成型工藝：手糊、模壓、樹脂傳遞模塑、拉擠、纖維纏繞、噴射、真空袋壓法等熱塑性樹脂主要成型工藝：注射、擠出、熱沖壓原材料選擇聚合物基體的選擇可在室溫下凝膠、固化，固化中無低分子產生；可配制成粘度適當的膠液；無毒或低毒；價格便宜增強材料的選擇纖維及其織物脫模劑的選擇內脫模劑外脫模劑手糊成型UP固化階段：凝膠、定型、熟化固化條件：T15C濕度80%固化工藝：常溫固化24小時脫模，再放置一周模壓成型模壓料：（1）片狀模塑料（SMC）基體UP固化劑、引發劑過氧化二異丙苯DCP）交聯劑烯類單體：苯乙烯、MMA、乙烯基甲苯填料作用：降低成本或改善某些物理性能、化學性能增稠劑

24、內脫模劑13%模壓工藝模壓料樹脂經歷過程：粘流、凝膠、硬化樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）將增強材料鋪放到可以閉合的模腔內，并形成一定形狀，再將樹脂注射進入模具，浸漬纖維并固化的生產工藝噴射成型工藝混有引發劑、促進劑的樹脂分別從噴槍兩側的兩個噴口噴出，或在噴槍內混合后噴出，切斷的纖維粗紗由噴槍中心噴出，均勻混合后沉積到模具上，用輥輪壓實，排除氣泡，固化連續纏繞成型工藝浸過樹脂液的連續纖維絲束、布帶、預浸紗按照一定規律連續纏繞到芯模上，達到一定厚度后，固化，脫模濕法纏繞：將纖維集束（紗或帶）浸膠后，在張力下直接纏繞到芯模上干法纏繞：先將纖維浸膠制成預浸紗或帶，使預浸紗中的樹脂處于B階段，在纏繞機上經加熱軟化至粘流態后纏繞到芯模上的工