1、復合材料學的基體材料和增強材料各論 第一篇 緒論 1 復合材料的特性 第二篇 復合材料的基體材料 3 無機膠凝材料 5 聚合物材料 6 其他材料 第三篇 復合材料的增強材料 7 玻璃纖維及其制品主要內容 8 碳纖維 10 芳綸纖維 11 填料 第四篇 復合材料各論 12 聚合物基復合材料 15 碳/碳復合材料 16 無機膠凝復合材料無機非金屬材料：具有性質穩定，抗腐蝕、耐高溫等優點。但質脆，經不起熱沖擊。金屬材料：力學性能好，耐高溫。但密度大，抗腐蝕性能差。高分子材料：性質穩定，耐腐蝕性好。但不耐高溫，力學性能較差。復合材料第一篇 緒論1 復合材料的特性1.1 引言 一門應用性的基礎學科。用化

2、學組成和結構的原理來闡明材料性能的規律性，進而研究和發展具有指定性能的新材料。材料科學一、CM的定義廣義的定義1.2 復合材料的定義與命名Composite Material，簡稱CM 由兩種或兩種以上的不同材料，通過一定的工藝復合而成的，性能優于原單一材料的多相固體材料。注意：CM與化合材料、混合材料的區別多相體系 復合效果CM = 增強材料 基體材料狹義定義(通常研究的內容) ： 用纖維增強樹脂、金屬、無機非金屬材料所得的多相固體材料。強調基體 強調基體材料的種類和特征(2) 強調增強體 強調增強材料的種類和性質酚醛樹脂基復合材料、鋁合金基復合材料等碳纖維復合材料、金屬纖維復合材料、玻璃纖

3、維復合材料等二、CM的命名(3) 基體與增強體并用 同時出現基體材料和增強體材料碳纖維增強環氧樹脂復合材料、玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂復合材料等。碳纖維環氧樹脂復合材料碳/環氧復合材料碳/金屬復合材料碳/碳復合材料(4) 俗稱玻璃鋼就是玻璃纖維增強樹脂基復合材料的俗稱材料的分類材料按材料的化學性質金屬材料非金屬材料按材料的物理性質絕緣材料磁性材料透光材料導電材料半導體材料耐高溫材料按材料的用途航空材料建筑材料電工材料包裝材料耐燒蝕材料復合材料根據增強原理彌散增強型粒子增強型纖維增強型復合過程的性質化學復合的復合材料物理復合的復合材料自然復合的復合材料根據復材的功能電功能復合材料熱功能復合材料光

4、功能復合材料粒子直徑：150m，體積分數20% 粒子直徑：，粒子體積分數：1%5%; 根據使用目的結構復合材料功能復合材料1.3 復合材料的分類復合材料根據基體材料金屬基復合材料聚合物基復合材料無機非金屬基復合材料增強纖維的類型碳纖維復合材料玻璃纖維復合材料有機纖維復合材料增強物的外形連續纖維增強復合材料纖維織物或片狀纖維短纖維增強硼纖維復合材料混雜纖維復合材料粒狀填料化學組成同質復合異質復合 進入20世紀70年代，開發了一批如碳纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強材料，并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體，制成先進復合材料，是用于飛機、火箭、衛星、飛船等航空航天飛行器的理想

5、材料。 先進復合材料Advanced Composite Materials, 簡稱ACM2007年6月8日，“阿特蘭蒂斯”號航天飛機在位于美國佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射升空，飛往國際空間站。美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機-里爾芳2100號，并試飛成功，這架飛機僅重567kg，它以結構小巧重量輕而稱奇于世。采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機。在波音-767大型客機上使用了先進復合材料作為主承力結構，不僅使飛機結構重量減輕，還提高了飛機的各種飛行性能。1.4 復合材料的特性聚合物基復合材料（纖維-樹脂復合材料 Fiber Reinforced Polyme

6、r or Fiber Reinforced Composite）是復合材料中發展最迅速、應用最廣泛的一類復合材料聚合物基復合材料的特性1、輕質高強 CM最突出、重要的特點。用比強度，比模量。材料名稱比強度比模量鋼0.130.27鋁0.170.26玻纖/聚酯CM0.530.21碳纖/環氧CM1.030.21強度與密度之比模量與密度之比Glass fiber reinforced compositesCarbon fiber reinforced compositesBoron fiber reinforced composites材料密度(g/cm3)拉伸強度(GPa)彈性模量(102GPa)比

7、強度(105cm)比模量(105cm)鋼7.81.032.10.130.27鋁合金2.80.470.750.170.26鈦合金4.50.961.140.210.25玻璃纖維復合材料2.01.060.40.530.20碳纖維II/環氧1.451.51.41.030.97碳纖維I/環氧1.61.072.40.671.5有機纖維/環氧1.41.40.81.00.57硼纖維/環氧2.11.382.10.661.0硼纖維/鋁2.651.02.00.380.57由表1-2可見：FRC的密度約為鋼的1/5，鋁的1/2 比模量：高模量碳纖維/環氧復合材料為鋼的5倍，作用：在強度和剛度相同的情況下，結構質量可以

8、減輕，或尺寸減小。這在節省能源，提高構件的使用性能方面，是現有其他材料所不能比擬的。另外：其他基體的復合材料，凡是用作結構材料的，其比強度，比模量大都比原來單一的基體材料高得多。2、可設計性好 復合材料區別于傳統材料的根本特點之一設計人員可根據所需制品對力學及其它性能的要求，對結構設計的同時對材料本身進行設計。具體體現在兩個方面力學設計給制品一定的強度和剛度功能設計給制品除力學性能外的其他性能 復合材料的工藝性能十分優越，其成型方法多種多樣，成型條件機動靈活。3、工藝性能好具體到玻璃纖維增強樹脂基復合材料特性：熱性能好、耐腐蝕性能好、電性能好、耐候性、耐疲勞性、耐沖擊性、耐蠕變性，透光性等。導

9、熱系數小，是金屬材料1/1001/1000；特殊類型的玻璃鋼可耐瞬時高溫。可以耐酸、堿、鹽的腐蝕、海水、微生物腐蝕，適合于制作化工管道、儲罐、船舶等。a、電絕緣性能好，不受電磁作用；b、微波穿透性好；c、可制作成不帶靜電的制品。4、材料與結構的統一性 制造材料的同時，獲得了制件。復雜制件一次成型。 零件數目減少-減輕了部件質量 降低了應力集中5、 耐疲勞性能好：疲勞破壞的種類不同： 金屬 突發性破壞 極限30%50% 聚合物基復合材料 有預兆破壞 極限70%80%6、減震性好： 受力結構的自振頻率有關因素： 結構形狀 比模量的平方根同時，復合材料中的基體界面具有吸震能力，使材料的震動阻尼很高材

10、料工藝的穩定性差材料性能的分散性大長期耐高溫與環境老化性能不好抗沖擊性能低橫向強度和層間剪切強度不夠好聚合物基復合材料存在的缺點：(1) 在建筑工業中，廣泛用于各種輕型結構房屋、建筑裝飾及雕塑、衛生潔具、門及窗構件、地面等。(2) 在化學工業中，主要用于各種防腐蝕管、罐、泵、閥門、貯槽及各種防腐設備的襯里。(3) 在交通運輸方面，汽車制造工業中，主要用于各種車身構件、儀表盤、車門等；在鐵路運輸中用于客車車廂、車門窗、水箱及各種通訊線路器材等。(4) 在造船工業中，用于生產各種工作艇、漁船、潛水艇、救生艇及游艇等。1.5 復合材料的應用(5) 體育用品中各種體育器材。如球拍、滑板、賽艇、皮艇、劃

11、槳等(6) 在軍械及航空工業中，用于生產子彈、彈殼、火炮護罩、雷達罩、機翼、直升機旗翼等。(7) 在電器工業中，用于生產層壓板、路燈燈具、帶電操作工具等。(8) 在機械制造工業中，玻璃鋼葉片、風機、泵、齒輪等。復合材料用于建筑構件復合材料用于城市雕塑復合材料用于家用設備玻璃鋼花盆 玻璃鋼管道儲存罐復合材料應用于汽車配件復合材料應用于電路板復合材料應用于體育器材復合材料應用于商用飛機復合材料應用于風力發電Examples of commercially used composites Passenger CarThe Worlds Fastest BikeAll-Composite Busine

12、ss JetCommercial AirplaneCommercial AirplaneMilitary AircraftF-15 Eagle FighterMilitary HelicopterThe first jet plane to fly around the globe with refueling The Virgin Atlantic GlobalFlyer traveled a total distance of 26,389.3 miles in 76 hours and 45 minutes Left: The Voyager aircraft, which made a

13、 25000 mile nonstop flight around the world without midair refueling. Right: High-strength, low-density structural members of the Voyager are constructed from a series of cross plies consisting of graphite fibers that are aligned and embedded within an epoxy matrix. (Photograph courtesy of Hercules

14、Inc.)Space ShuttleVirgin Space Ship SpaceShipOne cracked the barrier to manned commercial space flight in June by flying 98,547 meters, or about 99 kilometers (328,491 feet, or about 62 miles) above Earth, just a little more than 120 meters (400 feet) above the distance scientists widely consider to

15、 be the boundary of space. The flight lasted 90 minutes.National Aero Space Plane (NASP).a new Orient Express that could, by the end of the next decade, take off from Dulles Airport and accelerate up to twenty-five times the speed of sound, attaining low earth orbit or flying to Tokyo within two hou

16、rs. Ronald Reagan (Use of high-temperature composites)SatelliteBulletproof ProductsMilitary Kevlar Helmets Ballistic ClothingOther Applications具Kevlar 短纖及 Ceramics 六角板狀結晶，可提升抗刺穿能力，減少刺破機會。 碳纖維自行車車架TCRAlliance是一部結合了FO碳纖及Aluxx鋁合金科技的自行車,不但保留了碳纖的輕量及吸震優點,而且同時擁有了絕佳的競速效能接近於全碳纖車的等級TCRAlliance絕對是碳纖入門車款的最佳選擇車架

17、GIANT formulaOne & Compact Road TM 碳纖/ALUXX SL車架前叉GIANT 碳纖前叉重量9.5kg 複合材料自行車車架技術發展歷程第一代Carbon/Epoxy金屬焊接膠合無法回收1985第二代Carbon/Epoxy鋁合金膠合無法回收1987第三代Carbon/EpoxyCarbon/Epoxy壓模成型無法回收1990第四代Carbon/TP鋁合金？可回收？第五代Carbon/TPCarbon/TP發明專利可回收1994高性能熱塑性複合材料車架之特點 無製程污染：加工過程無須使用任何溶劑，而且廢料可作回收使用。材料特性：常溫儲存，使用壽命無限。安全性：材料

18、強且韌：且破壞韌性(GIC值)約傳統碳纖維五倍以上，大大提昇車架之抗撞擊特性。高殘留強度：管件疲勞測試後彎曲強度仍可維持原有強度的70%以上，為使用者之最佳安全保障。回收性：材料可回收，符合全世界綠色環保設計理念。經濟性：加工過程可倚賴自動化設備，可降低人力及品質成本。舒適性：傳統碳纖維吸震性約較鋁合金優20%，熱塑性複合材料較傳統碳纖維優30%。碳纖維網球拍表面膜 Surface CoatCarbon Hybrid Cloth碳纖維編紗束 Carbon Roving碳纖維布 Carbon Cloth尿烷芯材 Urethane Core柿木、金屬和碳纖維球頭之擊球距離和準確度比較圖氣墊船(Hovercraft)A U.S. Navy LCAC hovercraft attached to the Amphibious assault ship USS Kearsarge Vosper Thornycroft VT2 格柵格柵是采用高強度玻璃纖維長絲做增強材料，以不飽和聚酯樹脂為基體，經特殊加工復合成型的玻璃鋼結構材料。具有良好的耐腐蝕性；輕質、高強、且便于切割、安裝。內在交錯編制結構，整體成型的應用將負載分布在 縱向柵條和橫向柵條上絕緣、絕燃、無磁性。