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复合材料导论

复合材料导论

IntroductiontoCompositeMaterials

（讲稿）

石南林

中国科学院金属研究所

2004年2月

目录

第一章前言

一、材料的发展与人类社会的进步

二、复合材料的提出

三、复合材料的发展历史和意义

四、课程的重点和要求

第二章复合材料概述

一、复合材料的定义和特点

1、复合材料的定义

2、复合材料的特点

3、复合材料的基本结构模式

二、复合材料的分类

三、复合材料的发展历史

四、复合材料的基本性能

第三章复合材料界面

一、复合材料的界面

二、复合材料的相容性

三、复合材料的界面理论

四、界面结合强度的测定

1、界面结合强度的测定

2、界面结合强度的表征

五、界面残余应力

第四章复合材料的复合理论

一、复合材料的增强机制

1、颗粒增强复合材料的增强机制

2、纤维（包括晶须、短纤维）增强复合材料的增强机制

二、复合材料的复合法则—混合定律

1、混合定律

2、连续纤维单向增强复合材料（单向板）

3、短纤维增强复合材料

第五章复合材料力学和结构设计基础

一、复合材料力学

1、单层复合材料

2、层合复合材料

二、复合材料设计

1、单向层弹性常数预测公式

2、正交层的工程弹性常数预测公式

3、单向板强度预测公式

4、复合材料的强度准则

5、平面正交织物复合材料的强度

6、应力的转换

7、复合材料的其它性能

第六章复合材料基体

一、聚合物

1、热固性树脂

2、热塑性树脂

二、金属

1、用于450C以下的轻金属基体（铝、镁及其合金）

2、用于450~750C复合材料的金属基体（钛及其合金）

3、用于750C以上高温复合材料的金属基体

三、陶瓷

1、氧化物陶瓷

2、非氧化物陶瓷

3、玻璃陶瓷

四、碳（石墨）

第七章复合材料增强剂

一、复合材料增强剂的特点

二、纤维

1、无机纤维

2、陶瓷纤维

3、有机纤维

4、各种纤维性能的比较

三、晶须

四、颗粒

第八章聚合物基复合材料（PMC）

一、聚合物基复合材料的分类

二、聚合物基复合材料的性能

三、聚合物基复合材料的制备工艺

四、复合材料成型固化工艺

1、工艺性

2、复合材料的固化工艺过程

五、PMC的界面

1、PMC的界面特点

2、PMC的界面表征

3、PMC的界面作用机理

4、PMC的界面设计

六、纤维增强聚合物复合材料的力学性能

1、静态力学性能

2、疲劳性能

3、冲击和韧性

七、铺层设计

1、层合板设计的一般原则

2、等代设计法

3、层合板排序设计法

4、层合板的层间问题

八、结构设计

1、明确设计条件

2、材料设计

3、结构设计

第九章金属基复合材料（MMC）

一、金属基复合材料概述

1、金属基复合材料的分类

2、金属基复合材料的研究特点

二、金属基复合材料的制备工艺

1、金属基复合材料的制备工艺概述

2、先驱（预制）丝（带、板）的制备

3、固态法（连续增强相金属基复合材料的制备工艺）

4、液态法（非连续增强相金属基复合材料的制备工艺）

5、粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料的制备工艺）

6、原位（insitu）生长（复合法）

三、金属基复合材料的界面和界面设计

1、金属基复合材料的界面

2、金属基复合材料的界面结合

3、金属基复合材料的界面残余应力

四、金属基复合材料的的性能

1、金属基复合材料的的一般性能特点

2、纤维增强金属基复合材料的的性能

3、颗粒、晶须增强金属基复合材料的的性能

第一十章陶瓷基复合材料（CMC）

一、陶瓷基复合材料概述

二、陶瓷基复合材料的制备工艺

1、粉末冶金法

2、浆体法

3、反应烧结法

4、液态浸渍法

5、直接氧化法

6、胶-凝胶（Sol-Gel）法

7、化学气相浸渍

8、其它方法

三、陶瓷基复合材料的界面和界面设计

1、界面的粘结形式

2、界面的作用

3、界面的改善

四、陶瓷基复合材料的的性能

1、室温力学性能

2、高温力学性能

五、陶瓷基复合材料的的增韧机制

1、颗粒增韧

2、纤维、晶须增韧

第一十一章碳碳复合材料（C/C）

一、碳碳复合材料概述

二、碳碳复合材料的制备工艺

1、碳碳复合材料的预成型和基体碳

2、碳碳复合材料的制备工艺

三、碳碳复合材料的界面

1、碳碳复合材料的界面和结构

2、碳碳复合材料的显微组织

四、碳碳复合材料的抗氧化

1、碳碳复合材料的氧化

2、碳碳复合材料的氧化保护原理

3、碳碳复合材料的抗氧化保护

第一十二章水泥复合材料

一、水泥

1、水泥的定义和分类

2、水泥的制造方法和主要成分

3、水泥的强度和硬化

二、水泥复合材料

1、混凝土

2、纤维增强水泥复合材料

3、聚合物改性混凝土

三、水泥复合材料的成型工艺

1、混凝土的配合比设计及成型工艺控制

2、钢筋混凝土的成型工艺

3、纤维增强水泥复合材料的成型工艺

4、聚合物改性混凝土的成型工艺

四、（钢筋混凝土）纤维/基体的界面

第一十三章混杂复合材料

一、混杂复合材料概述

二、混杂复合材料混杂方式

1、单向混杂纤维复合材料

2、单向预浸料角度铺层混杂

3、混杂织物混杂

4、超级混杂复合材料

5、三向编织物混浊

6、复合夹层结构

三、混杂复合材料的几个概念

1、混杂效应

2、混杂复合材料的界面和界面数

3、混杂比

4、分数度

5、铺层形式

6、临界含量

四、混杂复合材料的力学性能

1、弹性模量

2、横向弹性模量

3、单向混杂复合材料沿纤维主向的强度

4、纤维的临界含量

第一十四章纳米及分子复合材料

一、纳米粉体的合成

1、纳米粉体的物理制备方法

2、纳米粉体的的化学制备方法

二、先进纳米增强剂的制备

1、碳化硅纳米晶须

2、碳纳米管

3、纳米碳纤维

三、陶瓷基纳米复合材料的制备

1、纳米-纳米复合材料

2、纳米-微米复合材料

四、聚合物有机-无机纳米复合材料的制备方法

1、溶胶-凝胶（Sol-Gel）法

2、层间插入法

3、共混法

4、原位聚合法

5、分子的自组装和组装

6、辐射合成法

五、聚合物有机-无机纳米复合材料的应用现状

六、应用前景展望

第一十五章复合材料的应用和发展

一、复合材料的应用

1、聚合物基复合材料的应用

2、金属基复合材料的应用

3、陶瓷基复合材料的应用

4、碳碳复合材料

二、复合材料的发展

1、复合材料的性能对比

2、复合材料的发展趋势

第一章前言

一、材料的发展与人类社会的进步

材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。

综观人

类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用

都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人

类生活带来巨大的变化。

材料的发展与人类进步和发展息息相关。

一万年

前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也

进入了冷兵器时代。

7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜

制品广泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时

代。

同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。

5000年

前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。

十九世

纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、

铁路交通的发展。

随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时

代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。

核材料的发现，又将人类引入

了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光

明。

二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又

给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同

时人类进入太空的梦想成为了现实。

当前材料、能源、信息是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推

向新的阶段。

二十一世纪将是一个新材料时代。

二、复合材料的提出

现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时也对材料提出

了更高、更苛刻的要求。

在现代高技术迅猛发展的今天，特别是航空、航天和

海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而对材料提出了越来越苛

刻的要求。

例如，航天飞机等空间飞行器在飞行过程中要受到大气阻力、地球引

力、太阳辐射力、空间热环境、太阳风、宇宙射线、宇宙尘埃、流星、磁矩等的

作用。

飞行器发动机还要受到其热环境、内流形成的气动力、结构振动、机件高

速转动、液体晃动、振荡燃烧和POGO振动等非正常破坏力的作用。

同时由于飞

行范围（M数、飞行高度）的扩大、发动机的推力、比推力及推/重比大大提

高，导致了发动机压力比、涵道比、进口温度、燃烧室温度、TIT、转子转速等

也日益提高。

由此构成的力、热、化学和物理等效应的作用，最终都要集中到构

成飞行器和发动机结构的材料上去，因此对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗

疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。

又如现代武器系统的发展对新材料提出了如下要求：

1、高比强、高比模；

2、耐高温、抗氧化；

3、防热、隔热；

4、吸波、隐身；

5、全天候；

6、高抗破甲、抗穿甲性；

7、减振、降噪，稳定、隐蔽、高精度和命中率；

8、抗激光、抗定向武器；

9、多功能；

10、高可靠性和低成本。

很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金

属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。

例如，金属材料的强度、模量和高温性能等已几乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子材料的低模量、低熔点等固有的缺点极大地限制了其应用。

这些都促使人们研究开发并按预定性能设计新型材料。

复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。

它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”，可以得到单一材料无法比拟的优秀的综合性能，极大地满足了人类发展对新材料的需求。

因此，复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。

现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。

三、复合材料的发展历史和意义：

实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。

例如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料；人类肌肉/骨骼结构也是复合材料结构原理。

我们的祖先也早就创造和使用了复合材料。

6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑材料砌建房屋墙壁，迄今在某些贫穷农村仍然沿用着这种原始的非连续纤维增强复合材料。

在现代，复合材料的应用更比目皆是，与日常生活和国民经济密不可分。

如由沙石、钢筋和水泥构成的水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合材料。

现代高科技的发展更是离不开复合材料。

例如就航天、航空飞行器减轻结

构重量这点而言，喷气发动机结构重量减1Kg，飞机结构可减重4Kg，升限可提高10米；一枚小性洲际导弹第三级结构重量减轻1Kg，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50Kg，地面设备的结构重量就可减轻100Kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15~20Km；而航天飞机的重量每减轻1Kg，其发射成本费用就可以减少15000美元（图1、图2）。

因此，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较”。

图1火箭壳体材料对射程的影响

先进复合材料具有高比强度、高比模量的优点，可以显著减轻结构重量，是理想的现代飞行器结构材料。

先进复合材料的使用，不仅极大地提高了现代飞行器的性能，使得人类飞天、登月的梦想变成现实，同时也创造了巨大的经济效益。

先进复合材料结构在新型卫星结构中已占了85%以上，在现代高科技领域具有广泛的应用前景（图3）。

综上所述，复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。

复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。

复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破；复合材料的发展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。

可以预料，随着高性能树脂先进复合材料的不断成熟和发展、金属基、特别是金属间化合物基复合材料和陶瓷基复合材料的实用化、以及微观尺度的纳米复合材料和分子复合材料的发展，复合材料在人类生活中的重要性将越来越显著。

同时，随着科学技术的发展，现代复合材料也将赋予新的内容和使命。

21世纪将是复合材料的新时代。

图4

四、课程的重点和要求

本课程为先进复合材料专业研究生的专业基础课。

该课程的学习重点是使学生能够较全面和系统地理解复合材料及其力学的重要基本概念和理论，各类复合材料的性能、成型工艺、界面特征和结构设计以及复合材料，特别是先进复合材料的发展趋势，同时具有初步的复合材料设计能力。

为学生今后在复合材料领域的深造和专门研究奠定较坚实的基础。

第二章复合材料概述

一、复合材料的定义和特点：

1、复合材料的定义：

国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为是：

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。

F.L.Matthews和R.D.Rawlings认为复合材料是两个或两个以上组元或相组

成的混合物，并应满足下面三个条件：

（1）组元含量大于5%；

（2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；

（3）通过各种方法混合而成。

在“材料科学技术百科全书”和“材料大辞典”中将复合材料定义如下：

复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工

艺组合而成的新型材料。

它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。

可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。

复合材料将由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位生长复

合材料、纳米复合材料和分子复合材料等。

综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能特征。

2、复合材料的特点：

1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，

组分之间存在着明显的界面。

2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋

予单一材料所不具备的优良特殊性能。

3）复合材料具有可设计性。

3、复合材料的基本结构模式

复合材料由基体和增强剂两个组分构成：

复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。

增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。

增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。

增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。

二、复合材料的分类

——普通复合材料

—按性能分类：

——先进复合材料

—热固性

—聚合物复合材料——热塑性

—金属基复合材料

—按基体分类———陶瓷基复合材料

—碳碳复合材料

—水泥基复合材料

—结构复合材料

—按用途分类———功能复合材料

—智能复合材料

—按增强剂分类———颗粒增强复合材料

—晶须增强复合材料

—短纤维增强复合材料

—连续纤维增强复合材料

—混杂纤维增强复合材料

—三向编织复合材料

普通复合材料：

普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。

先进复合材料（AdvancedComposite，HighPerformanceComposite）：

高性能增强剂（碳、硼、Kevlar、氧化铝、SiC纤维及晶须等）增强高温聚

合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等复合材料。

一般来讲，先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到400MPa/（g/cm3）和

40GPa/（g/cm3）以上。

结构复合材料：

用作承力和次承力结构。

要求具有质量轻、高强度、高刚

度、耐高温以及其它性能。

功能复合材料：

电、热、声、摩擦、阻尼等。

包括机敏和智能复合材料。

混杂复合材料：

两种或两种以上增强体构成的复合材料。

通过产生混杂效应

改善性能和降低成本。

结构/功能一体化复合材料：

在保持材料基本力学性能的前提下，具有特定

功能特性，如光、电、磁、摩擦、阻尼等。

四、复合材料的基本性能（优点）：

1、高比强度、高比模量（刚度）：

图2-1典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较

与传统的单一材料相比，复合材料具有很高的比强度和比模量（刚度）：

比强度、比模量：

材料的强度或模量与其密度之比。

比强度=强度/密度MPa/（g/cm3）,

比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。

材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈大。

2、良好的高温性能：

图2–2不同SiC纤维复合材料的使用温度范围

复合材料可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基

体。

目前聚合物基复合材料的最高耐温上限为350C；金属基复合材料按不同的

基体性能，其使用温度在3501100C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温

度可达1400C；而碳碳复合材料的使用温度最高，可高达2800C。

3、良好的尺寸稳定性：

加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热

膨胀系数明显下降。

通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热

膨胀系数。

例如在石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48%

时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制品不发生热变形。

这对人

造卫星构件非常重要。

图2-3不同材料的尺寸稳定性和比模量

4、良好的化学稳定性：

聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。

5、良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：

由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等性能得到

提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善

6、良好的功能性能：

包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。

第三章复合材料界面

一、复合材料界面（InterfaceorInterphase）

复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结

合的、能起载荷传递作用的微小区域。

复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米（图3-

1、图3-2）。

此区域的结构与性质都不同于两相中的任何一相。

这一界面区由五

个亚层组成，每一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成型方法有

关。

1、外力场

2、基体

3、基体表面区

4、相互渗透区

5、增强剂表面区

6、增强剂

图3–1复合材料的界面示意图

图3–2SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo复合材料界面透射电镜照片及示意图

界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应：

（1）传递效应：

界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。

（2）阻断效应：

基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。

（3）不连续效应：

在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。

（4）散射和吸收效应：

光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。

（5）诱导效应：

一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。

界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。

界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。

界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。

对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。

许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、表面层的力学特性、润湿速度等。

界面结合较差的复合材料大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。

界面结合过强的复合材料则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。

界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。

因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考虑到最优化和最佳综合性能。

二、复合材料组分的相容性

物理相容性：

是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂

上，而不会有明显的不连续现象。

另外，由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。

另一个重要的物理关系是热膨胀系数。

基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。

例如对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。

这是因为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张应力；对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。

而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。

化学相容性：

化学相容性是一个复杂的问题。

对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。

对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。

纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。

但对高温复合材料来说，以下因素与复合材料化学相容性有关的问题则十分重要：

1）相反应的自由能F：

代表该反应的驱动力。

设计复合材料时，应确定

所选体系可能发生反应的自由能的变化。

2）化学势U：

各组分的化学势不等，常会导致界面的不稳定。

3）表面能T：

各组分的表面能可能很高，导致界面的不稳定。

4）晶界扩散系数D：

由晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。

三、复合材料的界面理论

1、界面润湿理论

界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。

液态树脂对纤维表面的良好浸润是十分重要的。

浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。

良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。

从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用表面张力来表征。

表面张力即为温度和体积不变的情况