第一章 总论
1.1 复合材料发展概况 1.2 复合材料命名与分类
1.3 复合材料的基本性能
1.4 复合材料结构设计基础
万里长城
用整齐的条石、块石和大城砖包砌城墙，胶结材料用的是
糯米石灰浆
“石柜”
距今400年前的木乃伊（发现于南充市） 糯米石灰浆
埃及金字塔是如何建造的
2000年，法国的约瑟· 大
新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展
现代复合材料的发展（中国）
我国树脂基复合材料始于1958年，当时以手糊工艺研制 了树脂基复合材料渔船，以层压和卷制工艺研制成功树脂基 复合材料板、管和火箭筒等。1971年以前我国的树脂基复合 材料工业主要是军工产品，70年代后开始转向民用。2007年，
铝基复合材料、钛基复合材料等；
(3) 陶瓷基复合材料：以无机非金属材料(包括玻璃和
水泥)为基体的复合材料。
第一章 总论
1.1 复合材料发展概况 1.2 复合材料命名与分类
1.3 复合材料的基本性能
1.4 复合材料结构设计基础
复合材料的基本性能
复合材料的共同特点：
性能的可设计性。例如，针对方向性材料强度的设计，
卫杜维斯根据化验结果得 出结论：金字塔上的石头 是用石灰和贝壳经人工浇 筑混凝而成的。
混合物凝固硬结好，它和
天然石头的差别难以分辨。
石头中发现了一缕约1英寸长的人发。
现代考古研究证实人类早在数千年前就知道如何制作混凝土。
曹操修建铜雀台
建安十五年，曹操击败袁绍及其三子，并北征乌桓，平定 北方。于是在邺建都，于漳河畔大兴土木修建铜雀台，高十 丈，分三台（包括随后修建的金凤台和冰井台），各相距六 十步远，中间各架飞桥相连。铜雀台建成后曹操召集文武在 台前举行比武大会，又命自己的几个儿子登台作赋。其中曹 植下笔成章，作《铜雀台赋》。
ISO的定义:
复合材料是由两种或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。
复合材料的组成
通常有一相为连续相，称为基体,如混凝土中 的水泥凝胶； 另一相为分散相，称为增强材料,如混凝土中 的砂石。分散相以独立形态分布在整个连续相中， 两相之间存在相界面-界面相。分散相包括增强纤 维,颗粒状或弥散填料。
第一章 总论
1.1 复合材料发展概况 1.2 复合材料命名与分类
1.3 复合材料的基本性能
1.4 复合材料结构设计基础
复合材料的命名
玻璃纤维环氧树脂复合材料或玻璃／环氧复合材料
石墨/铝复合材料 (Gr/Al) 碳/二氧化硅复合材料
碳/碳复合材料
复合材料的分类(1)
按增强纤维种类分类 (1) 玻璃纤维复合材料； (2) 碳纤维复合材料； (3) 有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、
• 简单剪切：材料受到与截面相平行、大小相等、方向相反且不在同一
直线上的两个力F作用时，发生简单剪切。 g = △l / l0 = tan q, s s = F/ A0 • 均匀压缩： gv = △V / V0
力学性能的基本指标—弹性模量
弹性模量（模量）
单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。
三种形变对应三种模量 拉伸模量（杨氏模量）：E = s / e 剪切模量 ：G = ss / g 体积模量（本体模量）：B = P / gv
架外，几乎看不到金属，可提高燃油效率２０％ ,该机为世界 上第一个采用复合材料机翼和机身的大型客机； 国产大飞机,复合材料至少占２５％.
复合材料具有高强度、高刚性，良好的抗疲劳性、抗 腐蚀性等一系列优点。在飞机上采用复合材料意味着
可以显著减轻飞机的结构重量、提高飞机的性能。
航天飞机与复合材料
“发现号”
我国热固性复合材料(FRSP)产量为180万吨。
先进复合材料
(Advanced Composite Materials, ACM )
以碳纤维、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纤维作为增强
材料，并使用高性能树脂、金属及陶瓷为基体的复
合材料。 先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能， 是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器 的理想材料。
3) 粒状填料复合材料：微小颗粒状增强材料分散在
基体材料中；
4) 编织复合材料：以平面二维或立体三维纤维编织
物为增强材料与基体复合而成。
复合材料的分类(3)
按基体材料分类
(1) 聚合物基复合材料：以有机聚合物为基体的复合
材料，如热固性和热塑性聚合物基复合材料;
(2) 金属基复合材料：以金属为基体的复合材料，如
高强度聚烯烃纤维等)复合材料；
(4) 金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等)复合材料； (5) 陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维
等 )复合材料；
(6) 混杂纤维复合材料。
复合材料的分类(2)
按增强材料形态分类
1) 连续纤维复合材料：作为分散相的纤维，每根 纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；例? 2) 短纤维复合材料；短纤维无规则地分散在基体材 料中；
耐疲劳性能好
金属材料的疲劳破坏常常是突发性的，而聚合物基复合材料中纤维
与基体的界面能阻止材料受力所致裂纹的扩展，其疲劳破坏有明显的 预兆。 大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗张强度的40％-50％。而碳 纤维／聚酯复合材料的疲劳强度极限可达其抗张强度的70％-80％。
聚合物基复合材料的主要性能(3)
铜雀台是如何构筑的？核桃油浸地砖
草秸增强泥巴筑墙
古代的灰油 (桐油+石灰)
近代复合材料: 混凝土
现代复合材料: 玻璃钢制 品
玻璃钢制品
现代复合材料的发展(1)
1932年树脂基复合材料在美国诞生 ； 1944年以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机试飞成功； 1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形 状准确的复合材料模压件； 1961年片状模塑料（SMC）问世，该技术可制出大幅面表面 光洁、尺寸稳定的制品，如汽车、船的壳体以及卫生洁具等；
减震性好 相同形状受力结构的自振频率与结构材料比模量的平方根成 正比，复合材料比模量高，具有高的自振颜率。同时，复合材 料界面具有吸振能力，使材料的振动阻尼很高。 试验表明：同样大小的振动，轻合金梁需9s停止，而碳纤维 复合材料梁只需2.5s就会停止。 过载时安全性好
使用先进复合材料作为主承力结构，使用碳纤维、 有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维复 合材料制造机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件， 不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞 行性能。
国产支线飞机ARJ-700
所用复合材料主要从美国进口
大飞机与复合材料
Ａ３８０,复合材料占２５％；
Ｂ７８７,复合材料占５０％ , 除机翼、尾翼前缘、发动机挂
针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。 综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能。 例如,玻璃/环氧复合材料，既具有类似钢材的强度、又具有 塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
可制成所需任意形状的产品，可避免多次加工。例如，
可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
高分子材料的力学性能
力学性能的基本指标 高弹性能 粘弹性 聚合物的力学屈服 聚合物的力学强度 摩擦与磨耗 疲劳强度
复合材料概论
内容
复合材料的定义.分类.特性.发展
课时
2 4 8
内容
复合材料的界面 聚合物基复合材料 的制备工艺
课时
4
复合材料的基体材料 复合材料的增强材料
教材与参考书 :
6 8
聚合物基复合材料 的性能
1. 王荣国，武卫莉，谷万里编，《复合材料概论》，哈尔滨工业大学出版社，1999年； 2. 陈华辉，邓海金，李明等编，《现代复合材料》，中国物资出版社，1998年； 3. 黄家康，岳红军，董永祺编，《复合材料成型技术》，化学工业出版社，1999年； 4. 期刊: Advanced Materials; Chemical Materials; Composites.
力学性能的基本指标—应力和应变
应变
受到外力作用而又不产生惯性移动时，材料的几何形状和尺寸发生的变化
应力
定义为单位面积上的内力，内力是材料宏观变形时，其内部分子及原子间 发生相对位移，产生分子间及原子间对抗外力的附加内力。
材料的受力方式
• 简单拉伸：张应变e = △l / l0, 习用应力s = F/ A0.
三种模量间的关系：E = 2G ( 1 + n ) = 3 B (1- 2n)
n 是泊松比：拉伸形变中横向应变与纵向应变的比值
力学性能的基本指标—硬度与强度
硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的一种指标。
硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关。
有时用硬度作为抗张强度和弹性模量的一种近似估值。 强度 抗张强度（拉伸强度）:试样断裂前所承受的最大载荷与其截
60年代中期利用拉挤成型工艺实现复合材料制品的连续化生产， 能生产棒状、管、箱形、槽形、工字形等复杂截面的型材;
现代复合材料的发展(2)
70年代树脂反应注射成型（RIM）和增强树脂反应注射 成型（ RRIM）技术研究成功，使产品两面光洁，现已大量 用于卫生洁具和汽车零件的生产; 1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模塑料成型技 术。改变了热固性基体复合材料生产周期长、废料不能回 收问题; 80年代发展离心浇铸成型法，曾使用这种工艺生产10 m 长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等 .
密度
抗张强度 弹性模量 比强度 比模量
(105MPa) (107cm) (109cm)
(g/cm3) (103MPa)
硼/铝复合材料