0%
1970 1980 1990 2000 2010
EF-2000 高至40%
航空航天
F35 35%
用量成为军机先 进性重要标志
阵风 30% F16 2% F22 24%
F/A18 12%
复合材料在阵风上的应用（黑体部位）
EF 2000飞机结构示图
F-22战斗机上复合材料的应用
B-2飞机的整个机身，除主梁和发动机机舱使用的是钛 复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构 成，不易反射雷达波。并且这些不同的复合材料经共固 化而成。
（2）抗疲劳性好 • 疲劳破坏：材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩
展而造成的低应力破坏。
• •
金属材料：抗疲劳性差，没有明显的预兆的突发性破坏。 裂纹一旦达到临界尺寸就突然断裂，其疲劳强度极限是其 抗拉强度的30－50％。 纤维复合材料：其抗疲劳破坏是从纤维的薄弱环节开始， 逐步扩展到界面上，纤维复合材料中存在着难于计数的纤 维/树脂界面，这些界面能阻止裂纹进一步扩展，从而推 迟疲劳破坏的发生。破坏前有明显的前兆。纤维复合材料 的拉／压疲劳极限值达到静载荷的70－80%。
公元前3000年前，印 度人用虫胶树脂制作 复合板
我国在封建时代故宫的 建造中所使用了粘合剂
茅草和泥土的复 合－建造房子
复合材料的发展有三个过程
复合材料作为一门学科，作为一种新兴的材料 工业，直到本世纪末40年代才出现。 1940—1960 称为第一代。Glass fibers 增强 塑料即玻璃钢，同时复合材料的特点
（3）减振能力好
• 受力构件的自振频率正比于比模量的平方根。 • 因此，纤维复合材料的比模量大，自振频率高， •
•
在通常加载速度或频率下不容易因共振而快速 脆断。 同时，复合材料中的界面对振动产生的能量有 反射和吸收作用，故复合材料振动阻尼强。 例如，在同样条件下产生的振动，轻合金需9秒 才停止，而碳纤维复合材料只需2－3秒停下。
绪论 基体材料 增强材料 复合材料界面理论与处理技术 复合材料性能及其复合原理 复合材料各论
引
言
我们知道，人类发展的历史和材料发 展的历史息息相关，历史学家把人类发展 史按石器时代、陶器时代、青铜器时代、 铁器时代等来划分。也可以说，人们往往 以人类的使用工具以及制造工具的材料进 步情况作为作为人类文明进步的一种标志。
航空航天
航空航天
Floor Beams for upper Deck: CFRP, continuous Process Vertical Tail Plane: IM Fiber, ATL for Torsion Box and Rudders
CFRP Outer Flaps: CFRP, ATL Un-pressurized Fuselage: solid laminated CFRP, AFP Wing: Glass Thermoplastic J-nose
1942年，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造 飞机构件开始算起。
1960—1980 称为第二代。出现了KFRP、SiC纤
维增强塑料、Al2O3金属纤维增强塑料。此间是 先进复合材料的开发时期。
复合材料的发 展的三个过程
1980— 是先进复合材料得到充分发展的时
期，称为第三代。在航空航天各领域得到了 迅速的发展，并在各个领域得到应用，同时 出现了纤维增强金属、纳米材料作为分散相 等复合材料。
人类使用各类材料的历史与发展态势
第一章
绪论
1.1. 复合材料的定义和分类
• •
复合材料的定义 基体材料和增强材料 界面 复合材料的分类 按形态分类 按基体分类 按材料作用分类 其它
1.1.1. 复合材料的定义
• 关于复合材料的定义人们说法不同。有人说“复合材
料是由两种或者两种以上单一材料构成的具有一些新 性能的材料”，这种解释虽容易被人理解，但从科学 的角度来看，尚不完善，也不够确切。
材料力学性能比较
材 料 钢 铝 密度/ 抗拉强度 弹性模量 比强度 比模量 3 g/cm /GPa /GPa 7.8 2.8 1.01 0.46 206 74 0.13 0.17 26 26
钛 玻璃钢 CFII/Epoxy CFI /Epoxy Kevlar/Epoxy
硼纤维/Epoxy
硼纤维/铝
A380平尾
A380中央翼盒
A380机身上盖板纵梁支撑Glare层板
A380压力仓盖舱盖
航空航天
787复合材料占结构重量的50%
航空航天
A400M占结构重 量的40% 左右
航空航天
A350飞机将复合材料用量由39%、三次提高到
52%与B787飞机竞争。
航空航天
航天器燃料贮箱
太阳帆板基板
B-2战斗机上复合材料的应用
复合材料在无人机上的应用
X-45复合材料用量提高到 90%以上
RQ-4B“全球鹰” 复合材料机翼长 39.9米，重约1814千克
复合材料在直升机上的应用
RAH-66 “Kamanche” 攻击/侦察直升机，复合 材料占整个直升机结构重量的51%
V-22“鱼鹰” 偏转翼直 升机，59%的机体为复 合材料，只有454Kg是 金属材料。
引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结 构划分为0-3型、1-3型、 2-2型、2-3型、3-3型等 几种典型结构。
界
面
• 在复合材料的两种组成部分中，即在基体和
增强材料存在着一个界面，界面则对复合材 料的性质起到非常重要的作用。
• 在纤维复合材料中，纤维起增强作用，承受
大部分载荷。基体和纤维通过界面连接在一 起，基体将载荷经界面传递给纤维，不仅能 够充分发挥纤维的抗张性能优异的特点，还 能起到使载荷均匀分布和保护纤维免遭外界 损伤的作用。
Horizontal Tail Plane: IM Fiber, ATL for Torsion Box and Elevators
Center Wing Box: HT & IM Fiber, ATL
Flap Track Panels: CFRP
Rear Pressure Bulkhead: CFRP, RFI, NCF
1.4 纤维复合材料的特点
（1）比强度和比模量高
•
–
比强度和比模量的定义
比强度和比模量是指材料强度和模量与材料密度之比值.
• •
为什么高分子纤维的比强度高，ρ较小，注意单位
如钢、铅、玻璃钢、CF/环氧树脂、kevlar、硼纤维
比强度和比模量越大， 这种结构材料制成同样强度构件的质量越小， 这对航空航天工业有着特别重要的意义。 如宇宙飞船的质量减轻1kg， 就可以使推送它的火箭减轻500kg的质量。
复合材料基础
李勇
lyong@
对学习的态度：知识就是力量； 对工作的态度：既来之，则安之； 对机会的态度：时刻准备着。
考虑问题要一分为二：
在顺利的时候想到问题，在取得成绩的时候看到不
足，在逆境遇挫的时候看到未来的前景。
内容提要
• 第一章 • 第二章 • 第三章 • 第四章 • 第五章 • 第六章
• 最具有说服力的定义是 ISO（International
Organization for Standandization），即“复合材 料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质 组合而成的一种多相固体材料。”
国防科技大学胡振渭教授在80年代初期曾对复合材料做过较为
简明的定义。他指出：“复合材料是由两种或两种以上不同性 质或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的一种材料， 它既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没 有的新性能的一种多相材料”。 各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作
长期以来，人类为了生产和科学技术的进步，一直 不断的开发新材料。从材料的角度来看，任何一种单一 材料都有其若干突出的优点，但也存在一些明显的缺点， 而且这些缺点的改善有时又是非常的困难的。 尤其是近三十年来科学技术发展迅速，特别是尖端 科学技术的突飞猛进，对材料的性能提出了越来越高的 要求。因此单一材料已经不能满足这种需求。研究发现， 将两种或两种以上的材料采用某种方式复合后，可以制 成一种新的材料（我们称之为复合材料）。这些新材料 常常保留了原有单一组分的优点，同时克服或弥补了它 的缺点，显示出一些新的特性。
Computer
Sporting goods
民用工业
民用工业
民用工业
复合材料补强
由于复合材料高耐腐蚀性的特点，在 沿海油气田领域有广泛的应用前景
抛物面天线
航空航天
减轻重量、降低成本
各种飞行器减重的经济效益，元/公斤 轻型民航机 直升机 航空发动机 战斗机 干线飞机 近地轨道卫星 同步轨道卫星 飞船、空间站 600 1000 4500 4500 4500 20000 200000 300000
4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65
0.94 1.04 1.47 1.05 1.37 1.34 0.98
112 39 137 235 78 206 196
0.21 0.52 1.02 0.66 0.98 0.64 0.37
25 20 95 147 56 98 74
1.4 纤维复合材料的特点
通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获
得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别”。

复合材料是材料中的君子——和而不同
基体材料和增强材料
复合材料中存在两种或者两种以上的物理 相，可以是连续的，也可以是不连续的。其中 连续的物理相称之为基体材料，而不连续的物 理相以独立的形式分散在连续的基体中，即分 散相。如果它对材料起到增强作用，则称增强 材料。 现代增强材料也有连续的情况，例如三维 编织用于复合材料的增强材料。