《复合材料与添加剂》课件

复合材料与添加剂本课程将全面介绍复合材料与添加剂的基础知识、分类体系、制备工艺以及广泛应用复合材料作为世纪最重要的工程材料之一，正在推动各个行业21的技术革新通过系统学习复合材料的组成原理、性能特点以及各类添加剂的功能机制，我们将深入理解这一前沿材料科学领域的核心内容课程简介1课程目标掌握复合材料基本概念、分类及性能特点，理解添加剂作用机理与应用方法2课程结构分为理论基础、材料分类、工艺技术、应用实例四大模块，循序渐进3行业前景复合材料产业年增长率超过，在航空航天、汽车、建筑等领域需求8%旺盛4实用价值培养材料设计思维，为未来从事相关研发工作奠定坚实基础什么是复合材料基本定义组成要素复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学通常包括基体材料和增强材料两个主要组分基体起到连接、保的方法，在宏观上组成具有新性能的材料这些组分材料在性能护和载荷传递作用，增强材料则主要承担载荷，提供强度和刚上互相补充，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成度两者的有机结合实现了性能的显著提升材料复合材料的定义与特征宏观均匀性微观多相性从宏观角度看，复合材料呈现均在微观尺度下，复合材料由不同匀的整体性能，各个部位的力学的相组成，各相保持各自的物理性能基本一致，可以作为均质材化学特性，在界面处发生相互作料进行工程计算和设计应用用，形成独特的微观结构优势互补效应通过合理的组分选择和结构设计，实现各组分材料优点的发挥和缺点的克服，获得单一材料无法实现的综合性能复合材料的优势高比强度耐腐蚀性设计灵活强度高而重量轻，比强优异的化学稳定性，能可根据使用要求调整组度可达钢材的倍，够抵抗酸碱、盐雾等恶分比例和结构形式，实3-4在航空航天、汽车轻量劣环境，延长使用寿现功能定制化，满足不化等领域具有显著优势命，降低维护成本同应用场景需求多功能性除力学性能外，还可兼具导电、导热、阻燃、抗菌等多种功能特性复合材料的局限与挑战成本问题原材料价格较高，特别是高性能纤维如碳纤维，制约了在民用领域的大规模应用生产工艺复杂也增加了制造成本工艺复杂性制备工艺参数多、控制精度要求高，需要专业设备和技术人员，对生产环境和质量控制提出严格要求回收难题热固性复合材料难以回收利用，环保压力增大，需要开发新的回收技术和可降解材料体系复合材料发展简史1年1839查尔斯固特异发明天然橡胶硫化技术，被认为是现代复合材料的起·源，开创了材料改性的先河2世纪年代2040玻璃纤维增强塑料问世，首次实现了高强度纤维与聚合物基体的有效结合，标志着现代复合材料工业的开始3年代1960碳纤维研制成功，为高性能复合材料发展奠定基础，推动了航空航天工业的技术革命4世纪21纳米复合材料兴起，智能复合材料快速发展，应用领域不断扩展到生物医学、新能源等前沿领域复合材料主要分类增强相分类按增强材料形态划分纤维增强复合材料•基体分类颗粒增强复合材料•按基体材料类型划分层状复合材料•高分子基复合材料•功能分类金属基复合材料•按主要功能特性划分陶瓷基复合材料•结构复合材料•功能复合材料•智能复合材料•基于基体分类高分子基复合材料以热塑性或热固性聚合物为基体，具有密度低、成型工艺灵活、耐腐蚀等优点广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域，是目前应用最广泛的复合材料类型金属基复合材料以铝、镁、钛等金属为基体，结合了金属的韧性和增强相的高强度具有优异的导热导电性能和高温稳定性，主要用于航空发动机、汽车发动机等高性能要求场合陶瓷基复合材料以氧化铝、碳化硅等陶瓷为基体，具有极高的耐热性和耐磨性克服了单一陶瓷脆性大的缺点，在高温结构件、切削工具、防护装甲等领域发挥重要作用基于增强相分类纤维增强型连续或短纤维提供主要强度颗粒增强型细小颗粒均匀分散改善性能层状复合型层状结构提供特殊功能不同增强相形态决定了复合材料的性能特点和应用方向纤维增强型提供最高的比强度和比刚度，颗粒增强型成本较低且各向同性好，层状复合型可实现特殊的功能设计高分子基复合材料基体材料包括环氧树脂、不饱和聚酯、聚丙烯等典型增强材料玻璃纤维是最常用的增强材料主要应用汽车零件、船舶、建筑材料等玻璃纤维增强塑料（）是最典型的高分子基复合材料，具有良好的力学性能和经济性其密度仅为钢材的，而强度可达到钢GFRP1/4材的水平，在减重要求高的应用中优势明显金属基复合材料航空航天汽车工业发动机叶片、机身结构件，要求高强度发动机活塞、制动盘，利用其优异的热和轻重量特性传导和耐磨性能防护装备电子散热装甲材料、防弹插板，结合韧性和强度高功率电子器件散热器，发挥金属基体要求的导热优势陶瓷基复合材料1650°C

4.2使用温度密度比可在极高温度下保持结构稳定性密度为钢材的一半，实现轻量化设计85%强度保持率高温下仍能保持常温强度的以上85%以碳化硅、氧化铝为代表的陶瓷基复合材料在超高温环境下表现卓越通过纤维增强克服了传统陶瓷脆性大的缺陷，在航空发动机热端部件、核反应堆结构材料等极端环境应用中发挥不可替代的作用常见增强材料增强材料密度拉伸强度弹性模量主要特点g/cm³GPa GPa玻璃纤维成本低、

2.

543.4-

3.872-85绝缘性好碳纤维高强高

1.

763.5-

7.0230-440模、导电芳纶纤维韧性好、

1.

442.8-

3.660-120耐冲击陶瓷颗粒耐磨、耐

3.2-

4.0-300-400高温复合材料的微观结构界面结合增强相与基体间的界面结合强度直接影响载荷传递效率分布均匀性增强相在基体中的分散程度决定材料性能的一致性取向控制纤维取向角度影响各方向的力学性能表现体积分数增强相含量需要优化以获得最佳综合性能复合材料的主要性能指标力学性能物理性能拉伸强度反映材料承受拉伸载荷的能力，通常可达到密度通常在之间，比传统金属材料轻热200-

1.2-

2.0g/cm³50-80%弹性模量表征材料的刚度，碳纤维复合材料可达导率根据基体和增强相的不同而变化很大，从到800MPa

0.2200W/m·K以上冲击韧性体现材料的抗冲击能力，对安全性要求不等电性能可通过添加导电填料进行调节，实现绝缘到导电的150GPa高的应用尤为重要宽范围调控物理性能优势力学性能提升案例航空应用实例性能对比数据波音客机机身采用碳纤维增传统铝合金机身重量约吨，复78745强复合材料，重量减轻，燃合材料机身仅需吨在相同载20%36油效率提升比强度达到钢荷条件下，复合材料结构的变形20%材的倍以上，同时具备优异的量减少，振动阻尼性能提升540%疲劳性能和损伤容限倍以上3经济效益分析虽然初期制造成本增加，但通过减重带来的燃油节省，在飞机年15%20使用期内可节省运营成本以上，总体经济效益显著30%耐腐蚀与耐候性海洋环境化工环境紫外老化温度循环在盐雾、海水侵蚀环境对强酸、强碱具有优异通过添加稳定剂，在到温UV-40°C+120°C下使用年仍保持良抗性，可在值可在强紫外线照射下使度循环下仍保持稳定性30pH1-14好性能，腐蚀速率比钢范围内长期使用而不发用年，适用于户能，热膨胀系数可调节15-20材低倍以上生明显性能下降外长期暴露环境匹配不同需求100添加剂作用概述性能改善功能扩展通过添加少量功能性添加剂，显著改善赋予复合材料新的功能特性，如抗菌、复合材料的特定性能，如韧性、阻燃导电、磁性、自修复等，拓展应用领域性、抗老化性等环保要求成本控制添加生物降解助剂、无毒稳定剂等，满通过添加填料、回用料等降低原料成足日益严格的环保法规要求本，或提高加工效率来减少制造成本添加剂基本分类添加剂种类繁多，按功能可分为增韧剂、阻燃剂、抗氧剂、光稳定剂、抗菌剂等每类添加剂都有特定的作用机理和适用范围，需要根据复合材料的应用要求进行合理选择和配比增韧剂与增塑剂1作用机理增韧剂通过在基体中形成微相分离结构，吸收冲击能量，阻止裂纹扩展，显著提升材料的韧性和抗冲击性能典型材料热塑性聚氨酯（）、乙烯醋酸乙烯共聚物（）、丁腈TPU-EVA橡胶（）等弹性体广泛用作增韧剂NBR性能提升添加增韧剂可使冲击强度提升倍，断裂韧性提升10-20%3-550-，同时保持较高的强度和模量100%阻燃剂阻燃机理通过稀释可燃气体、形成阻燃层、捕获自由基等多种机制抑制燃烧过程无卤阻燃磷系、氮系阻燃剂成为主流，避免卤素阻燃剂的毒性和腐蚀性问题应用领域建筑材料、电子电器、交通运输等对防火要求严格的行业标准要求需满足、等阻燃等级要求，同时考虑烟密度和毒性指标UL94LOI抗氧剂与光稳定剂抗氧化机理光稳定作用主抗氧剂通过捕获自由基阻断氧化链反应，辅助抗氧剂分解氢过紫外线吸收剂吸收有害辐射转化为热能释放，受阻胺光稳定UV氧化物防止进一步氧化两者协同作用可有效延缓材料老化，保剂（）捕获光氧化产生的自由基这些添加剂的合理配合HALS持长期性能稳定常用的主抗氧剂包括受阻酚类、芳香胺类等使用，可使户外暴露寿命延长倍，显著提升材料的耐候性5-10能相容剂在复合材料中的作用界面改善降低不同聚合物间的表面张力，改善相容性分子设计2主要为含有极性基团的嵌段或接枝共聚物性能提升显著改善共混物的力学性能和加工性能相容剂作为分子桥梁，其一端与一种聚合物相容，另一端与另一种聚合物相容，有效改善了不相容聚合物的界面结合马来酸酐接枝聚丙烯（）是最常用的相容剂之一PP-g-MAH典型共混改性实例共混体系PPE/PS聚苯醚（）与聚苯乙烯（）共混可获得优异的综合性能提PPE PSPPE供优异的耐热性和尺寸稳定性，提供良好的加工性能和成本优势两PS者具有良好的相容性，共混比例可在宽范围内调节韧性改性POM/TPU聚甲醛（）具有优异的力学性能但韧性不足，通过添加热塑性POM聚氨酯（）可显著提升冲击韧性的弹性体特性有效吸收冲TPU TPU击能量，使改性在保持高强度的同时获得良好的韧性POM性能平衡优化通过精确控制共混比例和添加适当的相容剂，可实现强度、韧性、加工性能和成本的最佳平衡这种多元素协调优化是复合材料设计的核心理念聚合物合金与共混技术化学共混法通过化学反应实现分子级混合物理共混法机械混合制备的多相体系化学物理结合两种方法的协同应用汽车配件是成功的共混实例，丁腈橡胶（）的加入使聚氯乙烯（）获得了优异的耐油性和低温柔韧性，广泛用于PVC/NBR NBRPVC汽车密封件、油管等部件，使用寿命提升倍以上3添加剂应用案例

①阻燃功能抗菌性能环保特性建筑用复合材料银离子抗菌剂的采用无毒稳定剂添加无卤阻燃加入使材料表面和环保增塑剂，剂，达到级细菌存活率降低室内甲醛释放量B1阻燃标准，火灾，适用低于级标准

99.9%E0时不产生有毒气于医院、学校等体公共场所耐久性能通过添加复合型抗老化剂，户外使用寿命延长至年以上25添加剂应用案例

②1抗冲击改性汽车前保险杠添加弹性体增韧剂，低温冲击强度提升，有效保护行人400%安全2减重效果采用空心玻璃微球填料，在保持强度的前提下密度降低，单车减重15%12公斤3节能减排整车重量减轻带来的燃油经济性改善，每公里可节省燃油升

1000.3-

0.54循环利用添加相容剂实现废旧塑料的高值化回用，回收料比例可达而不影响性能30%复合材料制备主要工艺拉挤工艺纤维导入连续纤维束通过导纱架整齐排列进入树脂浸渍槽树脂浸渍纤维在树脂槽中充分浸润，确保树脂完全渗透加热固化浸渍后的纤维束通过加热模具实现树脂固化连续牵引牵引装置以恒定速度拉出固化的复合材料型材手糊与模压工艺手糊工艺特点模压工艺优势手糊工艺是最传统的复合材料成型方法，适用于大型、复杂形状模压工艺采用加热模具对预浸料或团状模塑料进行压制成型生的制品工艺灵活性高，设备投资少，但劳动强度大，产品质量产效率高，尺寸精度好，表面光洁度高，纤维含量可达以60%依赖操作者技能纤维含量通常为，表面质量良好上适合批量生产中小型制品，自动化程度高25-40%尺寸精度高•设备简单，投资少•生产效率高•适合复杂几何形状•产品质量稳定•劳动密集型工艺•成型中的添加剂分散技术机械混合温度控制采用高速搅拌、双螺杆挤出等设备实现合理的加工温度既要保证添加剂充分分添加剂的均匀分散，剪切力和停留时间散，又要避免热敏性添加剂的分解失效是关键参数质量监控时间优化通过显微镜观察、流变测试等手段实时混合时间过短分散不均，过长可能导致监控分散效果和产品质量分子链断裂或添加剂降解纳米添加剂与复合材料

0.5%200%添加量强度提升极少的添加量即可显著改善性能拉伸强度可提升倍2-3倍1000导电性改善电导率可提升个数量级3-4纳米碳管、石墨烯、纳米陶瓷等纳米材料的加入开启了复合材料的新纪元这些纳米填料具有超高的比表面积和独特的物理化学性质，在极低添加量下就能显著改善基体材料的力学、电学、热学性能智能复合材料与功能添加剂传感监测功能自修复能力嵌入碳纤维传感器或压电陶瓷，材料可实时形状记忆功能微胶囊包裹的修复剂分散在基体中，当材料监测自身的应变、温度、损伤状态这为结通过添加形状记忆合金纤维或聚合物，材料出现微裂纹时胶囊破裂释放修复剂，自动愈构健康监测提供了新手段，实现了从被动使可在特定温度下恢复预设形状广泛应用于合损伤这种仿生设计大大延长了材料使用用到主动感知的转变航空航天的可展开结构、医疗器械的自调节寿命，特别适用于难以维护的结构件支架等领域，实现了材料的主动响应功能高性能复合材料应用

①机身结构碳纤维复合材料制造的机身具有优异的疲劳性能和损伤容限，重量比铝合金减轻15-20%发动机部件陶瓷基复合材料用于高温部件，工作温度可达，效率提升1650°C8-10%卫星结构超轻质复合材料桁架结构，比强度是钢的倍，满足空间环境的苛刻5要求火箭外壳高强度复合材料外壳承受极限载荷，同时实现最大的有效载荷比高性能复合材料应用

②风力发电叶片海洋工程管道大型风机叶片长度超过米，采深海石油管道采用纤维缠绕复合80用玻璃纤维和碳纤维混合增强设材料，具有优异的耐海水腐蚀性计复合材料的高比强度和优异能和高内压承载能力相比钢管的疲劳性能确保叶片在恶劣环境重量减轻，使用寿命延长至60%下年以上的安全运行年以上2030压力容器高压氢气储罐采用碳纤维全缠绕结构，工作压力可达复合材料70MPa的高比强度使储罐重量比金属容器减轻，为氢能技术发展提供关键50%支撑日常生活中的复合材料自行车车架碳纤维车架重量仅为铝合金的，同时提供更好的振动阻尼效果专业赛车采用的高模量碳纤维车架，刚性比钢架提升，为骑行者提供更高效的动力传递60%40%体育器材网球拍、高尔夫球杆、滑雪板等体育用品广泛采用复合材料碳纤维网球拍重量轻、控球精准，石墨复合材料高尔夫球杆提供更远的击球距离和更好的手感安全防护摩托车头盔外壳采用碳纤维或玻纤复合材料，重量轻但防护性能优异复合材料的能量吸收特性在撞击时有效保护头部，同时透气性和舒适性远超传统材料建筑装饰用复合材料外墙装饰板管道系统重量轻、安装简便耐腐蚀、使用寿命长铝塑复合板玻璃钢管道••石材复合板复合管••PE木塑复合材料复合管材••PVC门窗型材室内装饰隔热保温、耐候性好美观环保、功能多样塑钢型材复合地板••铝塑复合型材装饰板材••玻纤增强型材吊顶材料••汽车工业与复合材料应用车身轻量化碳纤维车身覆盖件减重效果显著，高端车型的发动机罩、车门等部件采用复合材料可减重材料广泛用于大型车身外板，具有良好的表面质量30-40%SMC和尺寸稳定性底盘系统复合材料传动轴重量比钢制轴减轻，同时降低车辆振动和噪音玻纤增50%强弹簧提供更好的乘坐舒适性，使用寿命是钢弹簧的倍以上2安全防护添加抗冲击改性剂的保险杠具有优异的能量吸收能力复合材料的渐进式破坏模式在碰撞时更有效地保护乘员安全，同时降低维修成本环保效益整车减重带来的燃油经济性改善显著降低碳排放可回收复合材料的应用符合汽车行业循环经济发展趋势，废料回收率可达以上80%电子电器领域应用阻燃安全抗静电散热性能电器外壳添加无卤阻燃添加导电填料制备的抗导热填料如氧化铝、氮剂，达到级标静电复合材料，表面电化硼的加入使热导率提UL94V-0准，确保电路故障时不阻控制在⁶⁹范升倍，有效解决高10-10Ω5-10会引发火灾围，保护敏感电子元件功率器件散热问题电磁屏蔽金属纤维或导电涂层复合材料提供以上60dB的屏蔽效果，消除电磁干扰绿色环保复合材料天然纤维增强亚麻、大麻、竹纤维等天然纤维替代玻璃纤维，可完全生物降解虽然强度略低，但环境友好，在包装、建材等领域应用前景广阔可降解基体聚乳酸（）、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯（）等PLA/PBAT生物降解塑料作为基体，在堆肥条件下个月内完全分解6环保添加剂植物油基增塑剂、天然抗氧剂、无毒着色剂的应用，确保材料全生命周期的环境友好性，满足严格的食品接触标准复合材料未来发展方向智能化自适应、自诊断、自修复功能多功能化结构承载与功能特性一体化设计绿色化可持续发展的环保材料体系纳米化纳米尺度的精确设计与调控未来复合材料将向着更加智能、环保、多功能的方向发展人工智能在材料设计中的应用将大大加速新材料的研发进程，数字化制造技术将实现复合材料的精确可控生产。