复合材料学（06版）.doc

复合材料学 第一章 总 论 1.1 复合材料的发展概况 材料是社会进步的物质基础和先导,人们常按照人类使用的主要材料把社会发展分为不同的阶段。如石器时代、铜器时代、铁器时代等等。每一种重要材料的发现和使用都会给人类生活和社会带来巨大变化。 现代社会广泛使用的三大基础材料是金属材料、无机非金属材料和高分子材料。 它们各有特点和使用范围。 随着对材料的要求越来越高，单一材料的性能有时已经不能满足需要，因此人们把眼光投向了复合材料。 复合材料是继天然材料、加工材料和合成材料之后发展起来的新一代材料。 复合材料的发展经历了以下阶段： 砖坯－漆器－混凝土－硫化橡胶－玻璃钢－特种纤维增强材料－金属基、陶瓷基复合材料. 远古时期，人们把草杆掺入黏土制成土坯，把麻布加入生漆制成漆器。 现代复合材料的发展是以1942年的玻璃纤维强化树脂开始的，由于这种材料的比强度和比模量均超过了当时的钢材，所以倍受关注并迅速发展，经过20年的发展逐渐成熟和完善，成为第一代复合材料。 为了进一步提高复合材料的性能，1960-1970年间研发了许多新型的纤维和晶须，如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等，用这些纤维或晶须做增强材料制成的复合材料当时被叫做先进复合材料，是第二代复合材料。 进入上世纪80年代，先进复合材料进一步发展，采用高模量高强度的纤维与金属基体或陶瓷基体复合，制成了一系列性能优异的先进复合材料，复合材料的发展进入了第三代。 复合材料的产量越来越大，已在建筑、交通运输、化工、船舶，通用机械和航空航天等领域广泛应用。 复合材料各组分之间取长补短，协同作用，极大地弥补了单一材料的缺点，产生了单一材料所不具有的新性能。它综合了各种材料的优点，按需要设计。其性能和应用范围会越来越高越来越广，可以预言，21世纪将是复合材料的时代。 复合材料的定义：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。（ISO定义） 复合材料的组分材料虽然保持相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的性能的简单加和，而是有重大改进。 复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。 分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 1.2 复合材料的命名和分类 1.2.1 命名 1、增强材料名称+基体材料名称+复合材料。如：玻璃纤维环氧树脂复合材料。 2、增强材料缩写名称/基体材料缩写名称+复合材料。如：玻璃/环氧复合材料。 3、有时突出增强材料或基体材料。如玻璃纤维复合材料或环氧树脂复合材料，金属基复合材料。 1.2.2 分类 1、按增强材料的形态分类 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； 2）短纤维复合材料：短纤维无规则地分散在基体材料中； 3）粒状填料复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中； 4）编织复合材料：以二维或三维纤维编织物为增强材料与基体复合。 2、按增强纤维种类分 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。 此外，如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料。混杂复合材料可以看成是两种或多种单一纤维复合材料的相互组合，即复合材料的复合材料。 3、按基体材料分 1）聚合物基复合材料：以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体； 2）金属基复合材料：如铝基、钛基等； 3）无机非金属基复合材料：如陶瓷基、水泥基等。 4、按作用分 1）结构复合材料：用于制造受力构件； 2）功能复合材料：具有各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、换能、屏蔽等等）。 此外还有同质复合材料和异质复合材料。增强材料和基体材料属于同种物质的叫同质复合材料，如碳/碳复合材料。而前面所提及的复合材料多属异质复合材料。 1.3 复合材料的基本性能 复合材料的共同特点是: 1) 可综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多种功能,具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，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。 2）可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。 3）可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。 * 性能的可设计性是复合材料的最大特点. 影响复合材料性能的主要因素： 1）增强材料的性能、含量及分布状况； 2）基体材料的性能、含量； 3）界面结合情况； 4）结构设计情况； 5）成型工艺情