第1章复合材料绪论汇总课件.ppt

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1、Composite Processing & Application 复合材料及加工应用,11/18/2022,1,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,Composite Processing & Applica,主要内容,第1章 绪论 2学时第2章 复合材料的增强体 3学时第3章 聚合物基复合材料 4学时第4章 陶瓷基复合材料 3学时第5章 生物材料与仿生材料 2学时第6章 纳米复合材料 2学时,11/18/2022,2,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,主要内容第1章 绪论,成绩评定与参考资料,成绩评定： 平

2、时（含考勤、课堂测验和提问、课后作业等） 50% 期末考试 （闭卷） 50% 参考资料： 1、顾书英，任杰编著，聚合物基复合材料，化 学工业出版社，2007年3月（普通高等教育“十一五”国家级规划教材） 2、黄锐主编，塑料成型工艺学（第二版），中国轻工业出版社，2009年2月 3、鲁云，朱世杰等编著，先进复合材料，机械工业出版社，2004年1月 4、瞿金平等，2002，聚合物成型原理与技术，北京：化学工业出版社,11/18/2022,3,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,成绩评定与参考资料 成绩评定：9/24/20223Chem,第1章 绪论,1.1

3、材料发展史1.2 复合材料加工工艺发展史1.3 复合材料定义与分类1.4 复合材料的结构设计基础1.5 复合材料的应用与发展现状,11/18/2022,4,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,第1章 绪论1.1 材料发展史9/24/20224Chemi,1.1 材料发展史,11/18/2022,5,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,1.1 材料发展史9/24/20225Chemistry,Stone Age,11/18/2022,6,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,St

4、one Age9/24/20226Chemistry o,Pottery Age,新石器时期马家窑式水纹彩陶钵,新石器时期半山式菱形点纹壶,11/18/2022,7,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,Pottery Age新石器时期新石器时期9/24/2022,唐 三彩鸳鸯壶,明 掐丝珐琅 葫芦式扁瓶,橘皮釉,China,11/18/2022,8,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,唐 三彩鸳鸯壶 明 掐丝珐琅橘皮釉 China9/24/20,Bronze Age,11/18/2022,9,Chemistry o

5、f Materials 2004, Chapter7,Bronze Age9/24/20229Chemistry,Cu Sn Pb Zn,第一个合金材料：铜锡合金（青铜）,结构与性能的关系,11/18/2022,10,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,含锡量1/6 韧性好 制造钟鼎含锡量2/5 ,战国青铜编钟,中国古铜镜,11/18/2022,11,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,战国青铜编钟 中国古铜镜9/24/202211Chemist,吴王矛（上）、越王剑（中）与秦剑（下）,11/18/2022,12,

6、Chemistry of Materials 2004, Chapter7,吴王矛（上）、越王剑（中）与秦剑（下）9/24/202212,11/18/2022,13,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,9/24/202213Chemistry of Materi,Iron Age,11/18/2022,14,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,Iron Age9/24/202214Chemistry o,铸铁,锻铁,钢铁,依含碳量和杂质多少,铁和碳的合金,11/18/2022,15,Chemistry of Mat

7、erials 2004, Chapter7,铸铁锻铁钢铁依含碳量铁和碳的合金9/24/202215Che,11/18/2022,16,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,第八世纪的 Carolingian剑东方曲剑 Pers,11/18/2022,17,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,9/24/202217Chemistry of Materi,Composite Age,11/18/2022,18,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,Composite Age9/24/

8、202218Chemis,古代,泥坯墙(稻草、树枝等掺入泥中)、石墙(泥、石灰粘合石块)。,1.2 复合材料加工工艺发展史,11/18/2022,19,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,古代泥坯墙(稻草、树枝等掺入泥中)、石墙(泥、石灰粘合石块),1.2 复合材料加工工艺发展史,1932年 诞生于美国4245年 手糊军用雷达罩，远航飞机油箱材料 玻纤增强聚酯树脂。44年 飞机机身、机翼 与上述改进：玻钢夹层结构46年 纤维缠绕成型50年 压制成型，直升机螺旋桨 49年 玻纤预混，对模压制成型,11/18/2022,20,Chemistry of Mat

9、erials 2004, Chapter7,1.2 复合材料加工工艺发展史1932年 诞生于,手糊成型又称接触成型Hand Lay Up,1.2 复合材料加工工艺发展史,11/18/2022,21,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,手糊成型又称接触成型Hand Lay Up1.2 复合材,60年代 机械式，计算机缠绕 玻纤、聚酯树脂喷射成型61年 德国，片状模塑料（SMC）问世 63年 FRP板材工业化生产，美、法、日60年代中 美、日SMC汽车部件，浴盆，船上构件60年代 棒材、细管、定型截面制品70年代 拉挤，环向缠绕 树脂反应注射成型（RIM）

10、增强树脂反应注射成型（RRIM） 卫生器具，汽车零件,1.2 复合材料加工工艺发展史,11/18/2022,22,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,60年代 机械式，计算机缠绕1.2 复合材料加,72年 美国PPG公司，热塑性片状模塑料 (SMTC)80年 法国，湿法热塑性片状模塑料(GMT)6080年代 离心浇铸成型，瑞士 美国，大口负压管道发展领域 军民 美国 民军 西欧,1.2 复合材料加工工艺发展史,11/18/2022,23,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,72年 美国PPG公司，热塑性片状,碳纤维

11、/聚合物复合材料,改性的韧性环氧树脂/高强碳纤维优点： 重量轻：1.6g/cm3，比铝合金轻2530 比强度高、高模量、耐腐蚀、耐磨损 抗疲劳：比铝合金寿命提高1015倍 成型性好、可设计、成本低用于：机身、机翼、舱门、机尾、。 衡量飞机先进性的重要指标, 用量 50 除作为结构材料外，通过复合材料的选择，还可具有一定的功能。,11/18/2022,24,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,碳纤维/聚合物复合材料改性的韧性环氧树脂/高强碳纤维9/24,黄领才，刘秀芝，航空制造技术，10（2008）47,复合材料在飞机中应用的概况,11/18/2022,2

12、5,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,黄领才，刘秀芝，航空制造技术，10（2008）47复合材料在,A380 B787,Composites,11/18/2022,26,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,A380 Composites9/24/202226Chem,复合材料在飞机中的应用,11/18/2022,27,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,复合材料在飞机中的应用 9/24/202227Chemist,B787材料分布,11/18/2022,28,Chemist

13、ry of Materials 2004, Chapter7,B787材料分布9/24/202228Chemistry o,玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢,复合材料(玻璃钢)制作的渔船,11/18/2022,29,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,玻璃钢建筑材料用于复合材料(玻璃钢)9/24/202229C,11/18/2022,30,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,9/24/202230Chemistry of Materi,建筑材料,11/18/2022,31,Chemistry of Ma

14、terials 2004, Chapter7,建筑材料 9/24/202231Chemistry of M,1.2 复合材料的命名与分类,复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的多相固体材料。,11/18/2022,32,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,1.2 复合材料的命名与分类 复合材料是由两种或两种以上,特点,保持各相的固有特性；各相原有特性的强化（协同效应）；赋予单一材料所不具备的特殊性能。,11/18/2022,33,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,特点

15、保持各相的固有特性；9/24/202233Chemist,复合材料中一相为连续相，称为基体Matrix，占主要组分；另一相为分散相，称为增强材料Reinforcement。,11/18/2022,34,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,复合材料中 分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两,各种类型的复合材料中相的排列,11/18/2022,35,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,各种类型的复合材料中相的排列9/24/202235Chemi,植物纤维增强树脂,SiO2增强聚丙烯,碳纤维增强聚碳酸酯,蒙脱土增强

16、环氧树脂,11/18/2022,36,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,植物纤维增强树脂SiO2增强聚丙烯碳纤维增强聚碳酸酯蒙脱土增,11/18/2022,37,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,9/24/202237Chemistry of Materi,金属基复合材料,非金属基复合材料,复合材料,高聚物基复合材料,陶瓷基复合材料,树脂基复合材料,橡胶基复合材料,热固性树脂基复合材料,热塑性树脂基复合材料,11/18/2022,38,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,

17、金属基复合材料非金属基复合材料复合材料高聚物基复合材料陶瓷基,1.3 复合材料的结构设计基础,1.3.1 基本概念,11/18/2022,39,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,1.3 复合材料的结构设计基础1.3.1 基本概念组元组成材,phase,atom,组织是材料性能的决定性因素,Relation of component，phase and texture,chemical element,chemical substance,molecule,component,texture,simplex texture,multiple textur

18、e,11/18/2022,40,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,haseatom 组织是材料性能的Relation of,1.3.2 复合材料复合原理,复合材料界面粘结方式,11/18/2022,41,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,1.3.2 复合材料复合原理复合材料界面粘结方式 9/24/,蒙脱土增强尼龙6时基体与增强材料之间的氢键作用,11/18/2022,42,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,蒙脱土增强尼龙6时基体与增强材料之间的氢键作用9/24/20,J

19、,SiCf / Ti的界面及界面反应层,11/18/2022,43,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,JSiCf / Ti的界面及界面反应层9/24/202243,碳纳米管表面被聚合物基体覆盖,11/18/2022,44,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,碳纳米管表面被聚合物基体覆盖9/24/202244Chemi,11/18/2022,45,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,由于复合材料是由两种或两种以上不同的材料组分（,混合法则 Rule of Mixtures,P

20、c 表示复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；Pi 表示各组分材料的对应复合材料的某性能；V 表示组成复合材料各组分的体积百分比（vol.%）；下标 i表示组成复合材料的组分数。,在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）：,11/18/2022,46,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,混合法则 Rule of MixturesPc 表示复合材料,颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系,11/18/2022,47,Chemistry

21、of Materials 2004, Chapter7,颗粒增强复合材料的9/24/202247Chemistry,碳纳米管增强PA6复合材料的杨氏模量与CNTs质量分数的关系,粘土增强聚合物复合材料中粘土的质量分数对材料力学性能的影响,11/18/2022,48,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,碳纳米管增强PA6复合材料的杨氏模量与CNTs质量分数的关系,1.3.3 复合材料的结构与性能,材料性能,材料应用,11/18/2022,49,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,1.3.3 复合材料的结构与性能化学组

22、成组织结构材料性能材料,材料,性质和现象赋予材料的价值和应用性,使用性能是材料在使用条件下应用性能的量度,结构与成分包括了决定材料性质和使用性能的原子类型和排列方式,合成和加工实现了特定的原子排列,可根据对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量进行选择，并进行适当的制备与加工。,11/18/2022,50,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,材料性质和现象赋予材料的价值和应用性使用性能结构与成分合成和,Relation of Four Essentials,Property,Performance,Structure & Composition,S

23、ynthesis & Process,11/18/2022,51,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,Relation of Four EssentialsPro,可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一,设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。,具体体现在两个方面,力学设计给制品一定的强度和刚度,功能设计给制品除力学性能外的其他性能,11/18/2022,52,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之,单层的种类 (a)无

24、纬单层 (b)经纬交织单层,层合结构复合材料,由纤维与基体所组成的单层以不同方向层合而成,11/18/2022,53,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,单层的种类 (a)无纬单层 (b)经纬交织单层层合结,1.3.4 复合材料中的键合方式与结构,Metallic bondIonic bondCovalent bondHydrogen bondVan der Waals bond,11/18/2022,54,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,1.3.4 复合材料中的键合方式与结构Metallic bo,实际材料中

25、的结合键,11/18/2022,55,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,实际材料中的结合键9/24/202255Chemistry,General Characters of Materials,11/18/2022,56,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,General Characters of Material,The Structure of Materials,宏观组织结构 亚微观组织结构 微观结构,11/18/2022,57,Chemistry of Materials 2004, Chapter7

26、,The Structure of Materials9/24,骨骼天然的纳米复合材料,骨骼是天然的纳米复合材料其中30%为胶原纤维，剩下的70%是纳米级的磷酸钙晶体,亚微观结构,11/18/2022,58,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,骨骼天然的纳米复合材料骨骼是天然的纳米复合材料其中30%,钻石薄膜在放大1000倍下显示的亚微观结构,11/18/2022,59,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,钻石薄膜在放大1000倍下显示的亚微观结构9/24/2022,钠玻璃,石英玻璃,石英晶体,微观结构,11/18

27、/2022,60,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,钠玻璃石英玻璃石英晶体微观结构9/24/202260Chem,复合材料机械性能的特点,(1) 各向异性性能,(2) 非均质性,(3)层间强度低,1.3.5 复合材料的性能,11/18/2022,61,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,复合材料机械性能的特点(1) 各向异性性能(2) 非均质性(,材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵向，用字母L表示，与其垂直的另一主方向称为横向，用字母T表示。,(1) 各向异性性能,通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独

28、立的工程弹性常数有两个：E(弹性模量)和(泊松比)或剪切弹性模量G。,11/18/2022,62,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵向，,(2) 非均质性,(3) 层间强度低,层合结构复合材料在一种外力作用下，除了引起本身的基本变形外，还可能引起其他基本变形。,耦合变形：,在结构设计时，应尽量减小层间应力，或采取某些构造措施，以避免层间分层破坏。,11/18/2022,63,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,(2) 非均质性(3) 层间强度低层合结构复合材料在一种外力,

29、材料抵抗各种介质作用的能力,1.3.5 复合材料的性能,11/18/2022,64,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,溶蚀性材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性1.3.5 复合材,无机非金属材料的化学稳定性,11/18/2022,65,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,无机非金属材料的化学稳定性耐酸材料 以酸性氧化物SiO2为主,化学稳定性好，耐酸耐碱,高分子材料的化学稳定性,11/18/2022,66,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料

30、的化学稳定性主链原子以共价键,材料的机械性能测试,材料受外力作用时的变形行为及其抵抗破坏的能力,样品拉伸实验示意图,11/18/2022,67,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,材料的机械性能测试材料受外力作用时的变形行为及其抵抗破坏的能,冲击实验装置,11/18/2022,68,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,冲击实验装置9/24/202268Chemistry of,硬度,断裂与韧性,脆性断裂和韧性断裂,疲劳特性与耐磨性,材料抵抗其他较硬物体压入表面的能力,11/18/2022,69,Chemistry

31、of Materials 2004, Chapter7,硬度断裂与韧性脆性断裂和韧性断裂疲劳特性与耐磨性9/24/2,热传导,耐热性,由材料熔融或分解所需温度的高低反映出来,11/18/2022,70,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,热传导耐热性由材料熔融或分解所需温度的高低反映出来9/24/,金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）,电性能 Electrical Property,11/18/2022,71,Chemistry of Materials 2004

32、, Chapter7,金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）电性能 Electr,光性能,光的反射、吸收和透过的特征,11/18/2022,72,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,光性能光的反射、吸收和透过的特征9/24/202272Che,1.4 复合材料的应用与发展,与基体材料相比，复合材料的优异性能：,11/18/2022,73,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,1.4 复合材料的应用与发展与基体材料相比，复合材料的优异,11/18/2022,74,Chemistry of Materials 2004

33、, Chapter7,9/24/202274Chemistry of Materi,应用范围,建筑 轻型房屋 装饰（雕塑、装饰件） 卫生洁具（淋浴室） 冷却塔 贮水箱 波形瓦 塑钢门窗 落水系统（落水管、雨蓬） 地面，墙布，桌椅，卫生桶,11/18/2022,75,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,应用范围 建筑 轻型房屋9/24/202275Che,化学工业 防腐管、泵、罐、槽、衬里、隔层架交通 汽车构件、铁路客车、通讯器材、 高速公路格栅造船 各种小艇、无磁性小艇、破障艇电器 元器件、灯具（杯）、绝缘工具军事航空 弹体件、雷达罩、飞机附件体育 撑杆

34、、弓箭、球拍、雪橇、赛车、 滑板、赛艇、 皮艇、划桨、渔杆、按摩舱农业 温室（FILON板，透光率99%） 食品级设备机械 机械零配件,应用范围,11/18/2022,76,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,化学工业 防腐管、泵、罐、槽、衬里、隔层架应用范围 9/2,复合材料综合了各种材料如纤维（晶须）、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，可按需要设计、复合成为综合性能优异的各种新材料。,生物陶瓷,记忆合金,11/18/2022,77,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,复合材料综合了各种材料如纤维（晶须）、树脂、,

35、材料、能源和信息构成现代文明的三大支柱。 新世纪对材料不仅功能上提出更高的要求，而且必须考虑资源、能源、环境和安全等与可持续发展有关的问题。,对未来复合材料的发展趋势大致可以概括为“六化”：即智能化、仿生化，复合化、纳米化、轻量化和高功能化。,复合材料的发展方向,11/18/2022,78,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,材料、能源和信息构成现代文明的三大支柱。 新世纪对材,智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而自动作出适时、灵敏和适当的响应，并能自动地调节、修饰和修复。例如，形状记忆合金便是一种智能材料。,高分子属于软物质，其特点是对弱的

36、外界影响作出相对显著的响应和变化。因此研究高分子的软物质特征，利用外场的变化来调节高分子功能的变化，发掘高分子的自适应性，寻找实现高分子复合材料智能化的途径，将是人们今后的努力目标。,智能化,11/18/2022,79,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而自,通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，学习制造新材料的思路和方法，并在材料的设计和制造中加以模仿，称为仿生材料学。,科学家找到了贝壳硬而摔不破的原因，于是模仿贝壳的结构设计出一种摔不破的陶瓷。将涂有石墨层的SiC陶瓷片用热压法层层叠起来，抗冲

37、击能力可提高100倍。英国科学家用其制造汽车陶瓷发动机，它耐高温，不需要水冷系统。,仿生化,11/18/2022,80,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，学习制造新,既坚硬又柔韧的仿生陶瓷是航天航空理想的发动机材料，也是制造装甲车、坦克和防弹车的理想材料。,蜘蛛丝是世界上最坚韧的纤维之一，美国投入很大力量研究天然蜘蛛丝的结构、性能及生长机理，已研制出仿生蛛丝。,11/18/2022,81,Chemistry of Materials 2004, Chapter7,既坚硬又柔韧的仿生陶瓷是航天航空理想的发动机材料，也是制造装,