复合材料界面前言.ppt

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1、前言,一、材料的发展与人类社会的进步二、复合材料的出现、发展及其应用,一、材料的发展与人类社会的进步 材料是人类社会一切生产和生活水平提高的物质基础。人类为了谋求生存和发展，企求用理想材料制成新工具的愿望总是随着历史的发展不断探索前进。因此人类发展的历史就和材料的发展的历史息息相关。,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，

2、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、信息是现代科学技术的三大支柱，发展新材料是发展创新技术的关键。,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

3、；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、转子转速等也日益提高。由此构成的力、热

4、、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，传统的单一材料比如钢、Al、Ti等纯金属或合金是无法满足以上综合要求，这是因为单一金属材料的强度、模量和高温性能等几乎已开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子材料的低

5、模量、低熔点等固有缺点，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。,三、复合材料的发展历史复合材料的历史一般可以分为两个阶段，即早期复合材料和现代复合材料。这里不包括具有复合材料特征的天然物质（如木材、骨骼、贝壳和海带等）。早期复合材料的历史较长，很多实例

6、散见于现存的历史遗迹中，并且多少可以从中发现现代复合材料的思想萌芽。,（一）、早期复合材料历程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，如在西安半坡村原始人遗址（原仰韶文化）中发现用草拌泥作的墙体和地面，即以天然纤维状材料草作为粘土的增强剂，用来阻止粘土的干裂和剥落，提高墙体和地面耐受侵蚀的能力，增进了粘土的实用性能，这可以算作是纤维复合材料的渊源；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。,（一）、早期复合材料历程公元前3000年左右，古埃及和美索不达米亚人用芦苇、纸莎草加沥青或树胶制造小艇，也可以看作现代复合材料船的前身；中国西周时期（公元前1000

7、年）用木片或竹片、动物的腱和鬃、丝等制作弓，是混杂复合材料的祖先；古埃及干尸（木乃伊）是将用香料处理过的尸体缠绕亚麻布带后再浸渍天然树脂，它是缠绕工艺的一个雏形，与现代复合材料的管道、压力容器等的成型工艺在原理上是一致的，同时也符合现代防腐工程的原理；,（一）、早期复合材料历程日本绳纹文化（日本新石器时代）中期以后，已经知道在矾士（粘士）中加云母和砂粒来改进陶器性能，防止烧结时龟裂，这是粒子增强陶瓷复合材料思想的萌芽；中国春秋战国时期（距今2500年），用含锡量较低的青铜作剑身，采用两次浇注技术，在其刃部复合一层含锡量较高的青铜，并在锡青铜表面涂覆一层硫化铜（含铬和镍）制成花纹，使其剑内柔外刚

8、，刚柔相济，作为其代表的著名的越王勾践剑，1965年在湖北江陵楚墓出土时，仍然光可鉴人，锋利异常，被誉为“永不生锈的青铜剑”。它可看成是最早的包层金属复合材料；,（一）、早期复合材料历程印度人用细砂和虫胶制作磨刀石，这是现代砂轮的前身，是颗粒增强复合材料的又一例子；公元前埃及金字塔采用了砂石和火山灰制成的混凝土，这也可看成是颗粒复合材料；中国民间的布底鞋，代表着三向编织复合材料的雏形；古埃及文明时代，木材复合材料已有所应用，人们利用紫檀木贴在普通木材上进行表面装饰（如棺椁），到了工业革命以后，欧、美等国发明了薄片加工机械和各种锯，并与粘接剂（胶）技术结合，才演变到胶合板和装饰板的工业生产，这是

9、叠层复合材料的前身。,（二）、现代复合材料发展在现代，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4 kg，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50 kg，地面设备的结构重量就可减轻100 kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15 20 km

10、；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。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”。,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。空客A380飞机制造拥有380多项技术专利，在这些知识创新中，一项空客首创的技术则是大量使用像碳纤维增强高分子（塑料）这样的先进轻型复合材料制造A380飞机的主要大结构件。A380飞机的25%的结构都是由复合材料制成，使得A380飞

11、机的总重量减轻了15吨，具有耗油量低且噪音小的优点。先进复合材料结构在新型卫星结构中已占了85%以上，因此复合材料在现代高科技领域具有广泛的应用前景。,（二）、现代复合材料发展历程现代复合材料的发展只有60多年历史，它的主要特征是基体采用合成材料。1940年，世界上第一次用玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂制造了军用飞机雷达罩。1942年，用手糊工艺制成第一艘玻璃钢渔船。至20世纪6070年代，玻璃纤维增强塑料（简记为GFRP，俗称玻璃钢）制品已经广泛应用于航空、机械、化学、体育和建筑工业中。这种复合材料中玻璃纤维的用量为30%60%，所用基体材料主要有不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂。玻璃钢的比强

12、度（即抗拉强度/密度）比钢还要高，而且耐腐蚀性能好，被称之为第一代现代复合材料。,（二）、现代复合材料发展20世纪80年代以后，由于人们丰富了复合材料设计、制造和测试等方面的知识与经验，如层合板力学性能的准确计算；短纤维或连续纤维的纱束、垫、毡或编织物、编织布及预浸料的制作；模压、缠绕、拉挤、注射等成型工艺的出现；性能标准化以及玻璃纤维、树脂等原材料的不断改进，使玻璃纤维增强塑料的发展达到成熟阶段。但是，与现代高新技术所要求的性能相比，它的许多性能尤其是模量和使用温度尚嫌不足，因此，玻璃钢不属于高级复合材料的范畴。,（二）、现代复合材料发展现代技术对高级复合材料(advanced compos

13、ite materials，简记为ACM)的要求是：不仅比强度（强度/密度）高，而且要求比刚度（模量/密度）高，同时剪切强度和剪切模量也要高；高温性能和耐热性高。针对玻璃纤维杨氏模量较低的主要缺点，20世纪5060年代相继开发了硼(B)纤维、碳(C)纤维和芳纶纤维(Kevlar)。这些纤维均具有比玻璃纤维高得多的杨氏模量和更低的密度。因此被称为高级纤维(advanced fibers)。另一方面，玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂的耐热性能较差，当温度大于60，其力学性能开始下降，温度为90时，力学性能保留率仅为60%。用硼纤维、碳纤维和芳纶纤维增强塑料基复合材料(BFRP、CFRP和KFRP)的最高

14、使用温度长期可达150以上，它们兼具高比刚度和比强度，称为第二代现代复合材料。,（二）、现代复合材料发展用聚酰亚胺作基体，以上述高级纤维作增强体的复合材料，使用温度较高，但不超过200，用金属（铝、镁、钛、金属间化合物）作基体的复合材料，使用温度范围是175900。用陶瓷（碳化硅、氮化硅、碳等）作基体的复合材料，使用温度范围是10002000。20世纪70年代，开发了耐热性更高的氧化铝纤维和碳化硅纤维，还开发了各种晶须（如碳化硅晶须和氧化铝晶须等），使现代复合材料的性能向耐热、高韧性和多功能方向发展，称为第三代现代复合材料。第二代和第三代现代复合材料称为高级复合材料或高性能复合材料（也称为先进

15、复合材料）。高级复合材料是具有特殊优异性能的材料，其制造过程涉及先进技术。它主要应用于尖端科学领域，如航天航空、体育等，也应用于汽车、建筑、医疗及其他领域。,（二）、现代复合材料发展高性能复合材料由各种高性能增强材料（纤维和织物、晶须、颗粒）与各种聚合物、金属、碳及非碳陶瓷基体复合而成。高性能复合材料是具有高比模量、高比强度、优异的高温性能或特殊的多功能复合材料。按照增强纤维和颗粒的直径大小，可将高性能复合材料分为宏观复合材料和微观复合材料。宏观复合材料是指增强相的尺寸在微米(m)级的复合材料。采用混杂纤维（即两种以上的纤维）或混杂基体（即两种以上的基体）制成性能成型工艺成本最佳平衡匹配的复合

16、材料，称为混杂复合材料(hybrid composite materials，简记为HCM)。,（二）、现代复合材料发展不同类型的增强组分以叠层结构形式组成的复合材料称为混杂叠层复合材料。其增强组分可以为纤维、片材或蜂窝芯材，其基体可以为树脂或金属。混杂叠层复合材料的典型例子是铝-纤维/环氧叠层板。通常是将经过表面处理的铝片与纤维织物的环氧树脂预浸片交替叠层后热压而成。常用的纤维有芳纶、碳、玻璃等。铝-芳纶/环氧叠层板（商品名ARALL）已工业化，用作飞机的蒙皮材料。增强相的尺寸为纳米(nm)等级的复合材料称为纳米复合材料。增强相尺寸控制在埃级，即原子或分子水平的称为杂化材料，两者统称微观复合

17、材料，它们主要用作新型结构材料或功能材料。,（二）、现代复合材料发展近年来开发了宏观-微观复合为一体的各种新型复合材料，例如20世纪80年代后期出现了功能梯度复合材料（即梯度复合材料）。它以先进的材料设计为依据，采用先进的材料复合技术，通过控制构成材料的要素（组成、结构等）由一侧向另一侧呈连续梯度变化，使其内部界面消失，从而获得材料的性质和功能相应于组成和结构的变化而呈现梯度变化的非均质材料。,该材料的研制初衷是用作新航天飞机缓和热应力超耐热材料。其制备方法有相分布控制和粒子排列技术两大类，包括物理真空镀膜、化学气相沉积、粒子排列烧结、等离子喷镀、薄膜叠层和自蔓延高温合成法等。梯度复合材料在核

18、能、电子、光学、化学、电磁学、生物医学仍至日常生活领域都有着一定的潜在应用前景。由于这种材料性能在空间位置的梯度分布规律与材料使用中环境条件对材料性能的要求相适应，因此，由它所制成的器件或结构将具有最优的环境匹配性。它也被称为最先进复合材料。,（二）、现代复合材料发展机敏复合材料（smart composite）是现代复合材料发展的最新阶段，机敏复合材料（或材料器件的复合结构）能验知环境变化，并通过改变自身一个或多个性能参数对环境变化及时做出响应，使之与变化后的环境相适应，它一般也称为机敏材料或机敏结构，具有自诊断、自适应或自愈合功能，因此，它是验知材料和执行材料的复合，有时还需要外接的电源、

19、信息处理和反馈系统。例如，具有自诊断功能的机敏复合材料是把光导纤维与增强纤维一同与基体复合，每根光导纤维均接于独立的光源和检测系统。当复合材料的某处发生应力集中或破坏时，该处的光导纤维即发生相应的应变或断裂，从而可据此诊断出该处的情况。,又如，能对振动产生自适应阻尼的机敏复合材料是由压电材料和形状记忆材料与高聚物构成的执行材料复合在一起。当压电材料验知振动时，信号启动外接电路使形状记忆合金发生形变，从而改变了复合材料的固有振动模态而减振。机敏复合材料已用于主动检测振动与噪声，主动探测复合材料构件的损伤，根据环境变化主动改变构件几何尺寸等，也可用于控制树脂基复合材料自身的固化过程。,复合材料的应

20、用,航天航空国防建设医药卫生工业、娱乐,A380客机(2007年10月,首次商业航行,复合材料占总质量25%)是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱,最先进、最宽敞和最高效的飞机。技术参数：翼展：79.8米；机长：73米；宽度：7.14米；最大起飞重量：560吨；巡航速度：0.89马赫；载 客 量：555人；最大航程：15000公里。,航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架,我国研制的ARJ21（Advanced Regional Jet）支线客机“翔凤”(复合材料占总质量2%)2007年12月21日下线，2008年上半年首飞；载客量70100人;最大燃油航程：4164 km.,卫星用颗粒增强铝基复合材料零件,雷达波,聚合物基复合材料在导弹火箭上的应用,(导弹减轻1公斤,射程增加1520公里),有TiN涂层的高尔夫球头,预处理前后SiC的SEM形貌,复合材料玻璃钢,玻 璃 钢 游 艇,玻璃钢冷却塔,玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工业包括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要作用,聚丙烯腈基碳纤维（PAN）,聚丙烯腈预氧化纤维（PANOF）,