《复合材料概论》课件

复合材料概论本课程将全面介绍复合材料的基础理论、制备工艺、性能特点及应用领域通过系统学习，学生将掌握复合材料的基本概念、分类方法、设计原理和发展趋势课程导入社会需求驱动技术发展推动随着能源短缺和环境污染日益航空航天、汽车、新能源等高严重，轻量化、高性能材料成技术产业对材料性能提出更高为各行业发展的迫切需求要求产业升级需要复合材料的定义基本定义组成要素复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，通过物理或化学基体材料起粘结作用，传递载荷，保护增强体方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料各组分材料在性能增强材料承担主要载荷，决定复合材料的主要力学性能上互相补充，产生协同效应界面连接基体和增强体，影响载荷传递效率复合材料的性能不是各组分材料性能的简单叠加，而是通过合理的设计实现性能的优化组合复合材料的发展历史古代天然复合材料早在年前，人类就开始使用泥土与稻草混合制成砖块，这5000是最早的复合材料应用工业时代兴起世纪初，酚醛树脂与纤维的结合标志着现代合成复合材料的20诞生航空推动发展二战期间军用飞机需求推动了玻璃纤维增强塑料的快速发展高性能时代年代碳纤维问世，开启了高性能复合材料的新纪元1960复合材料与传统材料对比金属材料陶瓷材料优点韧性好、导电导热、易加工优点耐高温、硬度高、化学稳定缺点密度大、易腐蚀、强度有限缺点脆性大、加工困难、韧性差聚合物材料复合材料优点轻质、易成型、绝缘性好优点高强度、轻质、可设计性强缺点强度低、耐温性差、易老化缺点成本高、工艺复杂、界面问题复合材料的主要特点高强度与高刚度轻质可设计优异耐腐蚀性比强度和比刚度远超传密度低，可根据使用要在酸碱环境中表现优统金属材料，在相同强求设计材料的组成、结异，使用寿命长，维护度下重量可减轻30-50%构和性能成本低良好耐疲劳性在循环载荷作用下疲劳性能突出，适用于动态载荷环境复合材料的主要组成增强材料体积比30-50%•纤维增强碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维基体材料体积比40-60%•颗粒增强陶瓷颗粒、金属颗粒•聚合物基体环氧树脂、聚酯树脂•薄片增强云母片、石墨片•金属基体铝合金、镁合金界面相•陶瓷基体碳化硅、氧化铝体积比1-5%连接基体与增强体，决定载荷传递效率和复合材料整体性能复合材料的分类方法按增强体形态分类•纤维增强复合材料连续纤维、短纤维•颗粒增强复合材料球形、不规则形状•层状复合材料夹层结构、叠层结构按基体类型分类•聚合物基复合材料热固性、热塑性•金属基复合材料轻金属、难熔金属•陶瓷基复合材料氧化物、非氧化物按应用领域分类•航空航天复合材料高温、轻质•汽车复合材料结构件、装饰件•建筑复合材料结构材料、装饰材料纤维增强复合材料高性能应用航空发动机叶片、导弹壳体汽车结构件车身覆盖件、底盘部件体育器材网球拍、自行车架、钓鱼竿建筑应用桥梁加固、建筑外墙板纤维基础连续纤维提供主要承载能力常见纤维类型碳纤维最高强度和模量，密度最低，航空航天首选芳纶纤维优异的冲击韧性和耐疲劳性，防护用品专用玻璃纤维成本低廉，工艺成熟，应用最广泛的增强纤维碳纤维具有最优异的力学性能，比强度是钢的倍；芳纶纤维具有突出的韧性和冲击吸收能力；玻璃纤维成本低廉且工艺成熟，在民7-9用领域应用最为广泛三种纤维各有特色，在不同应用场合发挥重要作用颗粒增强复合材料颗粒分散强化细小颗粒在基体中均匀分布，通过位错强化机制提高材料强度和硬度性能优化设计通过调节颗粒尺寸、形状和体积分数，实现强度、韧性和耐磨性的平衡工程应用拓展广泛应用于汽车发动机活塞、刹车片、切削工具等高性能部件层状（夹层）复合材料蜂窝夹层结构建筑应用面板承受拉压载荷，芯材承受剪切载幕墙板、屋面板等建筑围护结构，具有荷，实现轻质高强的完美结合优异的保温隔热性能能源装备交通运输风力发电叶片、太阳能支架等新能源设货车厢体、船舶甲板等大面积结构件，备的关键部件减重效果显著金属基复合材料倍40%2-3重量减轻强度提升相比传统金属材料的减重效果比强度相对于基体金属的提升倍数600°C使用温度钛基复合材料的最高工作温度金属基复合材料结合了金属的韧性和陶瓷增强相的高强度，广泛应用于航空发动机压气机叶片、涡轮盘等高温高载荷部件铝基复合材料在汽车工业中用于发动机缸体和活塞，钛基复合材料则是航空航天的关键材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料热固性基体热塑性基体环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂等，固化后形成三维交联网络聚丙烯、尼龙、聚醚醚酮等，加热时软化，冷却后硬化，可反复结构，具有良好的尺寸稳定性和耐溶剂性加工成型广泛应用于航空航天、船舶、建筑等要求高性能的领域，成型后具有良好的冲击韧性和可回收性，在汽车、电子、消费品等领域不可再塑应用广泛复合材料的界面概念物理结合化学结合扩散结合界面改性机械嵌锁、范德华力共价键、离子键形成原子互扩散形成过渡层偶联剂、表面处理提升结合界面是决定复合材料性能的关键因素，良好的界面结合能够有效传递载荷，提高材料的整体性能界面结合强度不足会导致界面脱粘，严重影响复合材料的力学性能和使用寿命复合材料的界面问题界面脱粘分层破坏纤维与基体之间的粘结失效，层间界面强度不足引起的层间导致载荷传递中断和材料性能分离，常见于层合板结构下降界面改善技术表面处理、偶联剂、界面层设计等方法提高界面结合强度复合材料的性能设计复合材料性能设计的核心是通过调节组分材料的种类、含量、分布和排列方式来获得所需的性能纤维体积分数、铺层角度、铺层顺序等都是重要的设计参数各向异性与各向同性材料对比单向纤维复合材料沿纤维方向具有最高强度和刚度，横向性能相对较低，表现出明显的各向异性特征织物复合材料通过纤维的交织和多层铺叠，可以实现准各向同性的性能分布传统金属材料各方向性能基本相同，具有各向同性特征，设计相对简单复合材料的主要力学性能拉伸性能弯曲性能剪切性能拉伸强度可达1000-弯曲强度优异，适用于层间剪切强度相对较3000MPa，远超普通钢梁、板等弯曲构件低，是设计关键参数材冲击韧性能量吸收能力强，具有良好的抗冲击性能复合材料的物理性能性能参数碳纤维复合材玻璃纤维复合钢材（对比）料材料密度g/cm³

1.5-

1.

61.8-

2.

07.8热膨胀系数-

0.5~

2.06-1012⁻10⁶/°C热导率20-

2000.3-

0.550W/m·K电阻率⁻⁻⁻Ω·cm10³-10¹10¹²-10¹⁶10⁵复合材料的物理性能具有可设计性强的特点密度低、热膨胀系数小、导热性可调等优势使其在精密仪器、电子设备等领域具有独特优势复合材料应用领域

（一）民用航空军用航空波音787和空客A350机身50%以战斗机机身、雷达罩、导弹发射上采用复合材料，实现大幅减重筒等关键部件，提供隐身和轻量和燃油经济性提升化优势航天器卫星结构、火箭整流罩、载人飞船等，在极端环境下保证可靠性复合材料应用领域

（二）汽车轻量化新能源汽车车身覆盖件、电池壳体等，减重提升续航里30-40%程轨道交通高速列车车头、车体侧墙等，提高运行速度和乘坐舒适性船舶海工游艇船体、海上风电平台等，优异的耐海水腐蚀性能复合材料应用领域

（三）装甲防护军用装备应用比例应用比例45%25%•装甲车辆外壳•雷达天线罩个人防护特种器材•舰船装甲板•导弹壳体应用比例应用比例20%10%•防弹衣、头盔•工程器械防刺服装检测设备••1复合材料应用领域

（四）体育器材医疗器械网球拍、高尔夫球杆、自行车车架等高端体育用品广泛采用碳纤人工关节、骨科植入物、假肢等医疗器械领域，生物相容性好的维复合材料，重量减轻的同时大幅提升性能表现复合材料为患者提供更好的治疗效果•网球拍重量减轻30%，挥拍速度提升•人工关节耐磨性好，使用寿命长•自行车车架强度提高，骑行效率优化•骨科修复弹性模量接近人骨•滑雪板弹性好，操控性强•牙科材料美观性和功能性并重复合材料制备工艺概述手糊成型最传统的工艺方法，适用于大型构件和小批量生产，工艺简单但劳动强度大，产品质量依赖操作工人技能水平模压成型使用加热模具在压力下成型，适合批量生产，产品尺寸精度高，表面质量好，广泛用于汽车零部件制造拉挤成型连续生产工艺，适用于等截面长条形制品，如型材、管材、杆材等，生产效率高，成本相对较低复合材料成型新工艺RTM树脂传递模塑将干纤维预制体放入闭合模具中，通过压力将树脂注入模具完成浸润固化•产品质量稳定一致•适合复杂形状制品•生产效率高自动铺丝技术计算机控制的自动化设备将预浸料丝束按预定轨迹铺放在模具上•铺放精度极高•减少材料浪费•适合大型复杂构件3D打印技术增材制造技术在复合材料领域的应用，实现复杂结构的一体化成型•设计自由度大•快速原型制作•个性化定制复合材料的加工与连接机械加工胶接连接钻孔、切割、铣削等传统加工结构胶粘剂连接是复合材料的方法，需要专用刀具和合适的主要连接方式，连接强度高且工艺参数以避免分层和纤维撕不会产生应力集中裂机械连接螺栓、铆钉等机械紧固件连接，可拆卸但会在孔边产生应力集中，需要加强设计复合材料的检测与评价无损检测超声波、射线、热成像检测内部缺陷X微观分析显微镜观察纤维分布和界面质量力学测试拉伸、弯曲、冲击等标准力学性能测试环境试验高温、湿热、紫外老化等环境适应性测试质量控制原材料检验到成品测试的全过程质量管理常见失效模式分层失效纤维断裂基体开裂层间界面失效导致的层拉伸载荷超过纤维强度基体材料达到破坏极限间分离，常发生在弯曲时发生，是脆性破坏的产生裂纹，影响载荷传和冲击载荷下主要形式递效果界面脱粘纤维与基体界面结合失效，导致载荷传递中断复合材料的耐环境性复合材料的可持续性回收利用生物基材料开发热塑性基体复合材料，实现材料的利用植物纤维和生物基树脂制备环保型循环再利用，减少环境负担复合材料，降低碳足迹生命周期评估清洁生产从原料获取到废弃处理的全生命周期环改进制备工艺，减少有害物质排放，提3境影响评价高生产过程的环境友好性典型纤维增强复合材料案例航空主梁结构体育器材应用碳纤维增强环氧树脂复合材料制造的飞机主梁，相比铝合金减重高端网球拍采用碳纤维/环氧树脂体系，重量仅280-320克，击球40%，疲劳寿命提高3倍以上威力显著提升采用自动铺丝工艺制造，纤维取向精确控制，承载能力优异在F1赛车车身采用碳纤维复合材料单体壳结构，重量轻、强度A

380、B787等大型客机上大量应用高、安全性好，是现代赛车的标准配置功能型复合材料智能响应材料具有自愈合、形状记忆、自感知等智能特性导电复合材料添加碳纳米管、石墨烯等导电填料实现导电功能磁性复合材料结合磁性颗粒制备具有磁响应特性的复合材料功能型复合材料将结构功能与特殊功能相结合，如具有自愈合能力的聚合物复合材料可以自动修复微裂纹，延长使用寿命导电复合材料在电磁屏蔽、防静电等领域具有重要应用价值结构功能一体化/结构电池电子基板传感集成电磁屏蔽承载结构与储能功能一体化设导电纤维实现信号传输功能嵌入传感器实现健康监测导电网络提供电磁防护计结构功能一体化是复合材料发展的重要趋势，通过在结构材料中集成功能组件，实现重量减轻和功能集成的双重优势结构电池技术有望在电动汽车和无人机领域实现革命性突破复合材料发展趋势

（一）智能化发展仿生设计集成传感、驱动、控制功能的学习自然界生物结构的优化设智能复合材料，具备自诊断、计，如模仿鲍鱼壳的层状结自适应、自修复能力，实现材构、竹子的纤维排列，实现性料的智能化响应能的突破多功能集成从单一的结构功能向结构功能一体化发展，同时具备承载、导电、导-热、阻尼等多种功能复合材料发展趋势

（二）绿色可持续开发生物基原料、可降解基体、可回收纤维，建立循环经济模式，实现材料的全生命周期环保数字化制造打印技术在复合材料领域的深度应用，实现复杂结构的快速成型和个性化定制生产3D纳米技术融合纳米材料的引入大幅提升复合材料性能，如石墨烯、碳纳米管等纳米增强相的应用中国复合材料产业现状万吨亿4502800年产量规模产业产值全球产量占比约，位居世界第一年产值超过亿元人民币，增长势头40%2800强劲15%年增长率近五年平均增长率，高于全球平均水平中国已成为全球最大的复合材料生产国和消费国，在玻璃钢、碳纤维复合材料等领域形成了完整的产业链国产碳纤维技术水平快速提升，在风电叶片、汽车轻量化等民用领域应用广泛，航空航天高端应用正在快速发展国际著名复合材料企业国际复合材料产业由少数跨国公司主导，如美国公司专注航空航天预浸料，日本东丽集团在碳纤维原丝技术方面领先，德国Hexcel集团在工业碳纤维应用方面实力强劲这些企业在技术研发、专利布局和市场占有率方面具有明显优势SGL复合材料在国防战略中的作用军用航空导弹武器占比占比35%25%•隐身战机结构•导弹壳体•发动机部件•整流罩•雷达天线罩•控制舵面航天装备海军装备占比占比20%20%•卫星结构•舰艇上层建筑•太阳能电池板•声纳导流罩•整流罩•天线基座复合材料相关标准国际标准国家标准•ASTM D系列美国材料试验•GB/T标准中国国家推荐标协会标准准•ISO标准国际标准化组织规•GJB标准国军标准系列范•HB标准航空行业标准•EN标准欧洲标准委员会规范行业标准•JT标准交通运输行业•JC标准建材行业标准•QC标准汽车行业标准复合材料安全与健康纤维粉尘控制建立有效的除尘系统和个人防护措施，防止纤维粉尘吸入造成呼吸系统疾病，特别是碳纤维和玻璃纤维加工过程化学品安全管理树脂固化剂、溶剂等化学品的安全储存、使用和处置，建立完善的化学品安全数据单管理制度SDS职业健康监护定期进行职业健康检查，建立从业人员健康档案，及时发现和预防职业病的发生复合材料经济效益分析复合材料知识拓展生物基复合材料仿生结构设计利用亚麻、大麻、竹纤维等天然纤维和聚乳酸、淀粉基树脂等生模仿蜘蛛丝的高强韧性设计纤维结构，学习鸟类羽毛的轻质多孔物基基体制备的环保型复合材料结构设计复合材料内部构型具有可再生、可降解、碳足迹低的优势，在包装、汽车内饰、建贝壳的砖-泥层状结构启发了高韧性复合材料设计，竹子的梯度筑装饰等领域应用前景广阔欧洲已将其作为传统合成复合材料纤维分布为功能梯度复合材料提供了设计思路的重要替代方案典型研究进展案例超级黑体材料碳纳米管阵列复合材料实现的光吸收率，是目前最黑的人工材料

99.965%在太空望远镜、太阳能电池、军用隐身等领域具有重要应用价值石墨烯复合材料少量石墨烯添加可显著提升复合材料的导电、导热和力学性能在柔性电子器件、导热界面材料、防腐涂层等新兴领域展现巨大潜力DNA仿生复合材料模仿双螺旋结构设计的纤维复合材料具有优异的拉伸和扭转性能DNA为开发新型高性能纤维和智能响应材料提供了全新的设计思路复合材料未来挑战性能预测精度多尺度建模与仿真技术突破微观机理理解界面行为与失效机制深入研究工艺技术成熟3自动化制造与质量控制技术成本效益优化原材料成本与制造成本双降规模化生产从实验室到产业化的技术转化。