复合材料在中国
• 始于军品开发，1958年研制出玻璃钢快艇、手 提火箭发射管 • 60年代研制成用于远程火箭的GF-酚醛树脂烧 蚀防热弹头、 GFRP直升机螺旋桨 • 1970年制造出直径44米的GFRP雷达罩 • 70年代以后GFRP逐渐转入民用，如冷却塔、 化学储罐、水箱、汽车部件、运动器材等 • 目前研发FRTP、MMC和CMC
1) 印刷线路板
• 玻璃布基敷铜箔板具有高耐潮湿性、绝缘 强度及绝缘电阻大，已大量取代纸基板而 广泛应用于彩电、计算机、雷达等的印刷 线路板； • 美国杜邦公司Kevlar复合材料印刷线路板， 其抗拉强度高、尺寸稳定性好、有效抑制 了树脂基体与铜因受热膨胀引起的分层， 尺寸稳定性好。
2) 天馈系统
复合材料的高比强度、高比模量、良好 的抗疲劳损伤、独特的可设计性，可使飞行 器显著提高结构效率和寿命，减轻重量，改 善气动力性能，同时在隐身、智能、结构综 合等方面显示巨大的潜力。
国外军用飞机上应用情况
续 表
国外民用飞机上复合材料的应用
波音767用复合材料
某飞机垂尾使用复合材料减轻的重量
美国90年就计划到20世纪末在先进作战飞机上复合材料 的用量将占结构总重量的26%—65%。每架飞机平均使 用2.4-4.5t，年增长率8%-20%，到2000年先进复合材料 在飞机上的用量超过3万t.
直升飞机上应用
金属桨叶的寿命一般不超过3000h，而复合材 料桨叶的寿命可达10000h以上。1987年第一架全复 合材料飞机——波音公司的360直升机，被称为直 升机技术的第二次革命。
航天器结构对材料的要求 • 发射时，航天器受到很大的加速度过载和强 烈的振动，要求材料有足够的强度； •为了避免航天器和发射系统共振，要求结构 有足够的刚度； •在轨运行中航天器处于高低温交变环境中， 某些部件（如卫星抛物线天线等）尺寸精度 要求很高，必须有尽可能小的热膨胀系数； • 高真空及粒子、紫外辐射下具有足够的稳定 性； •返回式航天器结构，还要求防热、耐热。
1.6.3 医疗、体育、娱乐方面应用
• 医疗器具：X射线透光板，采用CFRP是铝 的8倍；玻璃钢轮椅； • 体育、娱乐器械：FRP赛艇、FRP皮艇、 CFRP桨、CFRP高尔夫球杆、网球拍、滑 雪板、弓箭、钓鱼竿；GFRP水上滑道，儿 童滑梯等
1.64 复合材料在电子工业中的应用
• 电子功能材料是电子元器件和电子装备的 基础和支撑。复合材料可赋予电子产品以 轻质、高强度、高刚度、高尺寸精度等特 性。 • 例如：印刷线路板、天馈系统、电磁屏蔽 系统、计算机壳体等
• 密度小：比强度、比模量高； • 低膨胀系数小：热稳定性好,（如CFRP、 KFRP可设计成零膨胀结构）； • 导电、导热性：导电和超导材料、散热结构；
• 抗冲刷、耐烧蚀：CMC、C/C复合材料；
• 阻尼性能：受力结构的自振频率除与形状有关 外，还同结构材料的比模量平方根成正比。减振 结构材料（CFRP）、隐身材料；
应用例
• 卫星天线：用石墨/环氧复合材料天线支撑桁架 比铝合金减重50%，可设计成零膨胀系数结构； • 太阳电池帆板：要求高比模量、低热变形，采 用碳/环氧材料； • 空间平台材料：石墨/铝； • 热结构材料：C/C、C/SiC、SiC/SiC； • 隔热材料：SiC/SiO2防热瓦使用温度高达1260 ℃，用于哥伦比亚和挑战者，各用了31000块； • 低密度烧蚀材料、对流冷却结构、热管结构等
复合材料概论
• • • • • • • 总论 基体 增强材料 树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 C/C复合材料 主要以介绍性能、成型方法、应用
第一章 总论
• 复合材料？
• 简历？ • 复合材料的那些类型？ • 复合材料的特性？ • 用途？
1.1 复合材料定义
• 复合材料（Composite material） • 定义：由两种或两种以上物理化学性质不同 的物质，经人工组合而成的多相固体材料。
现代复合材料
• 进入20世纪70年代，GFRP比强度和比 刚度还不够理想，满足不了对重量敏感、 强度和刚度要求很高的尖端技术要求。 因而开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、 氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密 度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并以 此增强高性能树脂、金属与陶瓷制成先 进复合材料（ACM）。用于飞机、火箭、 卫星、飞船等航天飞行器。
1.5.4 工艺特性
不同复合材料成型及加工工艺差别很大， 但各类复合材料相对于其所用的基体材料而 言，成型与加工工艺并不复杂，有时很简单。 如：
• RMC、MMC、CMC可整体成型，可大大 减少结构中的装配零件数量，提高构件的质 量和使用可靠性；
• 短纤维或颗粒增强MMC，可采用传统的 金属工艺进行制备和二次加工。
1.3 复合材料的组成
1.4 复合材料的命名和分类
1）按材料作用分类 2）按增强材料形状分类 3) 按基体材料分类
按材料作用分类
按增强材料形状分类
按基体材料分类
1.5 复合材料的特性
• 复合材料能构保持原组分材料的部分特性 和优点的同时取长补短，从而可获得比单一 组分材料更为优异的性能。 • 复合材料主要特性 1）性能可设计性 2）力学性能 3）物理性能 4）工艺特性 • 性能的可设计性是复合材料最大特点。
表1-1 传统金属材料与复合材料性能比较
材料 C/环氧 芳纶/环氧 密度 g/cm3 1.6 1.4 抗拉强度 MPa 1800 1500 拉伸模量 GPa 128 80 比强度 *1e6/cm 11.3 10.7 比模量 *1e8/cm 8 5.7 膨胀系数 *1e-6/K 0.2 1.8
B/环氧 碳化硅/环 氧
• 发电：风力发电机叶片； • 船舶：渔船、游艇、救生艇、军用舰艇承 载/隐身一体化结构
扫雷舰
目前最大的复合材料猎扫雷舰为美国的复仇者 （avenger）级猎扫雷舰，全船船体为木层-玻璃钢 混合结构。其骨架为夹层木板所制，其船体外板为4 层厚木板，外层包玻璃钢
护卫舰
法国海军生产的“拉菲特”级护卫舰上层建筑 后半部包括机库主要采用玻璃纤维增强复合材料 （GFRP）夹层板
小结
本章重点掌握内容：
1. 复合材料定义； 2. 复合材料的组成和各组分的作用； 3. 复合材料的分类方法； 4. 复合材料的主要特性； 5. 复合材料应用领域。
与传统材料相比，复合材料一般具有优异 的力学性能，主要表现在 • 比强度、比模量高； • 耐磨性好（MMC、C/C复合材料）； • 抗疲劳性能好，通常金属材料的疲劳强度 极限/拉伸强度=30-50%，而CFRP的疲劳强度 极限/拉伸强度=70-80%； • 抗冲击能力强（如：RMC）； • 高温性能好（如：MMC、C/C复合材料）
石墨纤维/ 铝
2.1 2.0
2.2
1600 1500
800
220 130
231
7.6 7.5
3.6
10.5 6.5
10.5
4.0 2.6
2.0
钢 铝合金 钛合金
7.8 2.8 4.5
1400 500 1000
210 77 110
1.4 1.7 2.2
2.7 2.8 2.4
12 23 9.0
1.5.3 物理性能
近代复合材料
近代复合材料的发展主要从军事上轻质、高 性能需求发展起来的。 • 纤维增强橡胶：轮胎是以帘子线增强橡胶复合 材料； • 玻璃钢：1932年在美国出现，1940年制成了 玻璃纤维增强聚酯的军用飞机雷达罩，其后美 国莱特空军发展中心设计制造了GFRP为机身 和机翼的飞机。二战以后开始迅速扩展到民用 材料。
• 天线：美国“海盗号”火星宇宙飞船的抛 物面天线反射体采用CFRP为正反面蒙皮， 正面贴敷铝箔，中间为铝蜂窝夹心结构。 整个天线重量是铝制天线的1/3，且在空间 环境下的热稳定性好。我国也在1991年研 制成功CFRP天线用于直升机反潜雷达。 • 馈源：1987年我国研制出CFRP战场雷达天 线用馈源重量只有0.88kg，而铜馈源是 4.04kg。
1.6.4 其他应用
• 建筑工业：建筑雕塑、卫生洁具、冷却塔、 建筑补强，水处理设备等
• 化学工业：防腐蚀设施、容器、管道； • 机电工业：齿轮、轴承、飞轮、永磁体；
1.7 复合材料知识体系
• • • • • • • 复合材料力学 复合材料结构力学 复合材料结构数值分析 复合材料结构设计方法 复合材料成型工艺 复合材料机械 复合材料测试技术
应用例
复合材料壳体
• 主要指标：在满足强度和刚度的前提下减 重，比铝合金减重30%以上
应用
图片
1.6.2 交通与能源工业中的应用
• 机场路面：钢纤维混凝土；
• 汽车：壳体、保险杠、板簧（GFRP板簧疲 劳寿命>钢板弹簧，而重量仅为钢板弹簧的 20%）、发动机进气歧管（GF/尼龙）、活 塞（Al2O3/铝硅合金）；
哥伦比亚航天飞机所用复合材料
导弹
• • • • 烧蚀材料 复合材料壳体 喷管材料：CMC、C/C 固体火箭发动机的全复合材料化：美 国飞马座火箭的三级固体火箭发动机 采用的复合材料已占其构件质量的 94%，大富大降低了结构重量。
烧蚀材料
导弹运行环境：飞行速度>20马赫、弹头锥体表面温 度3500℃左右。 • 早期的宇宙神、大力神、雷神导弹弹头采用热容量 大、比热容高的金属如钨、钼、铜制作弹头的锥部， 以吸收大量的气动热量而防止熔化，但材料密度大， 使弹头结构笨重、吸热量不够大。 • 烧蚀式防热材料：在热流作用下能发生分解、熔化、 蒸发、升华等多种物理和化学变化，借材料自身的 质量消耗带走大量的热量，以防止热流传入弹头内 部的目的。
1.5.1 性能可设计性
复合材料最显著的特性是其性能（主要指 力学性能、物理性能和工艺性能）在一定范围 内具有可设计性。 • 选择基体、增强体的类型及其含量； • 增强体在基体中的排列方式； • 基体与增强体之间的界面性能。 来获得常规材料难以提供的某一性能或综 合性能 。 例如：FRP1.5.2 力学性能来自1.2 复合材料发展概况