总论 复合材料的基体材料 复合材料的增强材料 复合材料的界面 聚合物基复合材料 金属基复合材料 碳/碳复合材料
第一章
总 论
1.1 发展概况
1.2 复合材料定义、命名 和分类 1.3 复合材料的基本性能
第一章 总 论
1.1 发展概况
材料发展历史： 石器、铜器、铁器时代等 实现生产、科学目的： 新材料研究 材料科学历史： 四十多年
问 题： （1）复合产物能否为液体或气体？ （2）复合材料是不是只能是一个
连续相与一个分散相的复合？
1.2.2 命名
例：玻璃纤维增强树脂基复合材料命名
玻璃钢 玻纤增强塑料、玻璃塑料、玻璃布 层压板、玻璃纤维复合材料
命名原则：
增强材料+基体材料+复合材料
例：碳纤维环氧树脂复合材料 书写： 碳/环氧复合材料
亚短钢纤维（长度40—60mm) 短钢纤维（长度20—35mm) 超短钢纤维（长度＜15mm)
横截面形状：圆形、矩形截面 钢纤维主要品种：不锈钢、低碳钢
图 15
高架桥
1.3.6 三种复合材料性能比较 （1）使用温度、硬度 使用温度： CMC >MMC > PMC 硬 度: CMC >MMC > PMC
纤维增强树脂基复合材料：
● 基体强韧性降低裂纹扩展速度 ● 纤维对裂纹阻隔作用，使裂纹 尖端变纯或改变方向
裂纹扩展路径曲折、复杂
图12 三种材料疲劳性能比较
1—碳纤维复合材料
3—铝合金
2—玻璃钢
金属疲劳强度=20—50%抗张强度
碳纤维复合材料疲劳强度=
70—80%抗张强度
（3）减振性能好 影响自振频率因素：
1.3.2 聚合物基复合材料及主要性能
英文：Polymer Matrix Composites 简称：PMC （1）比强度、比模量大 比强度= 抗拉强度/密度 比模量= 弹性模量/密度
例： 金属制成的飞机最高时速约 3000Km/hr，最高飞行高度约30Km， 最大飞行距离约2万Km。如果重量减
普通陶瓷
陶瓷
天然材料 传统陶瓷 人工合成材料 精细陶瓷、高级陶瓷
特种陶瓷
普通陶瓷材料：粘土 精细陶瓷材料：
氧化物、氮化物、碳化物、硅化 物、硼化物
特种陶瓷主要优点：
化学稳定性、耐高温性、耐磨
损性、高熔点、高硬度
主要使用场合：高温、腐蚀、幅射 特种陶瓷主要缺点：
脆性大、韧性低、抗热震性能差
主要缺陷:
晶须
CM基体发展历史：
树脂基
金属基
无机非 金属基
第二代 先进CM 第三代
高级CM、高性能CM
第二代复合材料特点：
高比强度、比刚度、耐热
第三代复合材料特点：
耐热、高韧性、多功能
应用：
快餐桌椅、公园椅、垃圾桶、垃圾车、 移动厕所，儿童游乐设施、篮球架、篮球 板、乒乓球台、台球桌、健身器材、塑胶 跑道、球场及场地设施，花盆、喷泉、浮 雕、圆雕、罗马柱 、防腐池槽、电镀槽、 防腐地面、抗静电、净化地面及各式防腐 工程、游船、保安亭、水箱、机器外壳， 设备外壳、马达外壳、风机外壳
（2）性能具有可设计性
改变材料的组分、结构、工艺
方法、工艺参数等调节材料的性
能
（3）材料与构件制造的一致性 CM材料 CM构件
意义： 减少零件数目，避免接头过多 ， 降低应力集中；减轻质量，减少制 造工序和加工量，降低成本
一次成型： 根据构件形状设计模具，再根 据铺层设计铺设增强体，使基体 材料与增强体组合、固结后获得 复合材料构件的制造过程。
尖端科学技术对材料要求：
减轻重量、提高强度、降低成本
单一材料是否满足以上全部要求?
复合材料： 英文：Composite Material
简称：CM
复合材料历史:
早期CM 稻草+泥巴、钢筋混凝土 通用CM 现代CM 先进CM
第三代：聚酰亚胺、 第一代：GFRP 第二代：BFRP、 CFRP、KFRP
增强材料:
无机非金属——陶瓷、碳、石墨、 硼纤维 金属丝——W、Mo、Al、不锈钢
主要性能：
（1）高比强度、高比模量 在纤维增强金属基复合材料中， MMC的比强度、比模量明显优于金
属材料
（2）导热、导电性能好 可使局部的高温热源和集中电荷 很好扩散消除
（3）热膨胀系数小，尺寸稳定性好 使用α小的材料不会因温度差造 成变形 （4）良好的高温性能 对温度变化和热冲击的敏感性低
图 14 SS-n-15反潜导弹
例：法国将长纤维增强碳化硅复合材
料应用于制作超高速列车的制动件，
具有传统的制动件所无法比拟的优异 的磨擦磨损特性，取得了满意的应用 效果。
1.3.5 水泥基复合材料 水泥基复合材料： 以混凝土或水泥砂浆为基体，掺
入纤维形成的复合材料
又称为纤维水泥、纤维混凝土
钢纤维：
例1： BF/Ep在室温时具有比金属基复 合材料更高的比强度，但在约150 ℃ 时的比强度已显著下降。而 BF/Al在 400℃下仍有较高的比强度。
例2：BF/Al和其基体材料相比，使
用温度可提高100℃以上。BF/Al可
以在350—400℃工作，而铝在316℃
时其比强度损失达70%以上。
（5）耐磨性好
二次加工： 构件的连接；机械切削加工 及坯件的进一步塑性变形
1.3.1.2 复合材料的不足
（1）增强体和基体可供选择的范围有限; （2）工艺比较复杂，质量重复性不能 完全保证; （3）成本较高
复合材料的最大特点：
性能可设计性
例：玻纤/不饱和聚酯复合材料性能变化 密度：1.4—2.2g/cm3 拉伸强度：70—350MPa
材料结构、形状、比模量
自振频率∝ 比模量½ 减振性能好原因： ① 自振频率高，不容易出现因共振 而快速脆断的现象;
② 振动阻尼性强 非均质多相体系 纤维与基 体界面
反射、吸收 振动能量
振动阻尼强 振动很快衰减
图13 钢、碳纤维增强复合材料的振动 衰振特性比较 1—碳纤维增强复合材料; 2 —钢
对相同形状和尺寸的梁进行停止
FRP：纤维增强热固性树脂复合材料
结构材料
FRTP：纤维增强热塑性树脂复合材料
功能材料
一般树脂基复合材料使用温度： T：60—250℃ 聚酰亚胺树脂（PI）基复合材料使用温度： T > 250℃
树脂基复合材料主要缺点：
耐热性、老化、变质、传热性、 尺寸稳定性较差
1.3.3 金属基复合材料及主要性能 英文：Metal Matrix Composite 简称：MMC 定义：以金属及其合金为基体， 与一种或几种金属或非金属增强相 人工结合成的复合材料
一次结构、二次结构、三次结构
（2）复合材料设计
单层材料设计、铺层设计、结构设计
（3）复合材料与常规材料的区别
各向异性、非均质性
单层板参数：弹性模量、强度、热 膨胀系数、导热率等是方向的函数
L
T
L—T坐标系
图15 层板方向
第二章
复合材料的基体材料
2.1 金属材料 航空航天技术对材料的要求:
高韧性、导电、导热、耐高温、 耐磨
裂纹、空隙、杂质
碎裂
制备CMC主要目的之一：
提高陶瓷的韧性
制约CMC发展的主要因素： （1）高温增强材料出现较晚、品种缺少； （2）高温制备工艺较复杂；陶瓷基体与
增强材料的热膨胀系数的差异，易产生热
应力
（3）成本昂贵
CMC应用：
刀具、滑动构件、发动机制件、 能源构件、导弹头锥、火箭喷管、 航天飞机结构件
碳纤维复合材料 环氧树脂复合材料
例： Cf / Al、 CF / Al
碳 /碳复合材料
1.2.3 分类 （1）按性能高低 ① 通用复合材料 ② 先进复合材料
（2）按增强材料形态 ① 连续纤维复合材料 ② 短纤维复合材料 ③ 粒状或碎片状复合材料 ④ 编织复合材料
（3）按增强纤维种类
① 玻璃纤维复合材料 ② 碳纤维复合材料 ③ 有机纤维复合材料 ④ 金属纤维复合材料 ⑤ 陶瓷纤维复合材料
纯镁：d=1.74
复合材料： BF/Al、BF/Mg、CF/Al、CF/Mg
例1: 用高强度、高模量硼纤维增强铝 基复合材料（BF/Al）取代铝合金，做 成航天飞机主仓框架、支柱，可使重
（60—70年代）
图1 玻璃钢瓦
图2 玻璃钢雨棚
图3 玻璃钢警示牌
图4 方结圆形灯笼灯箱
图5 圆形逆流工式超低噪声冷却塔
GFRP主要缺点:
模量小、温度低
现代技术对先进复合材料(ACM)要求：
高比强度、比刚度、剪切强度、
剪切模量、高温耐热性等
GF 纤维 BF、CF、Kevlar (Al2O3)f 、SiCf 、 (Al2O3)w 纤维
（2）耐自然老化性能 CMC > MMC > PMC （3）导热性能 MMC > CMC > PMC
（4）耐化学腐蚀性
CMC、PMC较好；MMC较差 （5）生产工艺、成本 成本从低到高： PMC、MMC、CMC 工艺从简单到复杂： PMC、MMC、CMC
1.4 复合材料结构设计基础 （1）复合材料结构层次
振动试验结果 :
轻合金梁 9 秒钟停止振动 碳纤维复合材料梁 2～3秒钟停止振动 应用领域:
精密控制和精密检测的仪器、仪表
（4）过载安全性好 纤维复合材料中，有大量独立 纤维。当过载少量纤维断裂时， 载荷会迅速重新分配，构件不会 在瞬间完全失去承载能力而断裂
（5）具有多种功能性 耐烧蚀、摩擦、电绝缘、耐腐性等 （6）很好的加工工艺性 多种生产成型方法： 手糊、模压、缠绕、注射、拉挤、喷射、 真空袋压法、离心浇铸、层压成型等
（3）某些组分保持其固有的物理和化学性质； （4）性能取决于各组成相性能的协同； （5）各组分之间被明显界面区分的多 相固体材料