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第一章 绪论

教学目的：了解复合材料的基本概念，理解复合材料的性能特点，初步了解复合材料中的材料设计和结构设计的原理, 明确本课程研究的范围，理解学习本课程的意义和要求。

教学重点：复合材料的性能特点，复合材料中的材料设计和结构设计的原理 教学过程和主要内容：

1 复合材料的起源及发展

复合材料是继天然材料，加工材料和合成材料之后发展起来的新一代材料。 发展过程：古代－近代－先进复合材料 (1) 原始复合材料——天然复合材料

－竹、贝壳，树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 －动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 人类：使用 、效仿

半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今；

漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年； 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆， (2) 现代意义上的复合材料的发展

近代，复合材料的发展始于20世纪40年代，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。50年代得到了迅速发展。我国从1958年开始发展复合材料

首先在航空航天技术和军事上应用: 如导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，同时，复合材料也成为发展高技术的关键材料。

另外，还广泛应用于汽车工业、化工、纺织、精密仪器、造船、建筑、电子、桥梁、医疗、建筑、体育运动器材等领域。

例： 波音757的机翼和机身复合材料整流包皮、直升飞机中能量吸收结构部件等。

F117隐性飞机－－全复合材料 体育器材――金牌有科学家的一半

各国在发展高技术计划中对先进复合材料都给予优先考虑。为增强我国综合

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国力，我国已把先进复合材料作为发展高技术领域的关键新材料，被列位国家高技术研究发展计划纲要重要内容。

•第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料 •第二代：1960年到1980年，先进复合材料

1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49

1975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复

合材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。

•第三代：1980年到1990年，碳纤维增强聚合物基复合材料。以环氧复合材料的应用最为广泛。

•：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。

任何事物的发展都有其一定的基础。复合材料也是在三大基本材料，即无机材料、金属材料、高分子材料基础上发展起来的，并成为材料科学中第四种基本材料。按照无机材料、金属材料、高分子材料的组合类型，可以得到多种复合材料，但均可归结为聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料三大类型。

2 复合材料的定义

复合材料一词出现于50年代，但有关它的确切定义却至今尚未定论。按通常的说法，复合材料是指由两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同复合方法所得到的宏观多相材料。那么是不是我们随意把两种材料混合到一起就是复合材料呢？答案是否定的。

复合材料区别于任意混合材料的一个主要特征是多相结构存在复合效应。复合材料通常是指相区尺寸大于1um的宏观多相材料，不包括相区尺寸在0.01~1um之间微观分相材料，按传统的说法，后者仍属于单一材料的范畴，但随着科学技术的发展，这一概念在逐步淡化，并出现了分子复合材料。

国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。

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《材料科学技术百科全书》 ：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各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。

《材料大词典》 ：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。复合材料的特点之一是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能；特点之二是它的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。

对各种定释总结：①复合材料应包括至少包括两种物理和力学性能不同的组元，其中一组元的体积分数一般不低于20％，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；(组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择)；②复合材料是人工制造的，而非天然形成的；③复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应优于组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。

复合材料的组成：作为多相结构的复合材料通常是两相或两个以上的相。①基体：通常复合材料的结构中一个相为连续相；②分散相：另外一相是以的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为增强材料（增强体、增强剂、增强相等）。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料；③界面：在基体和增强体之间存在着界面。 3 复合材料的分类

根据构成复合材料基体材料的不同可以分为无机非金属基复合材料、聚合物基复合材料、金属基复合材料。

从工程应用的角度看，复合材料可分为两大类：结构复合材料和功能复合材料。

⑪ 结构复合材料主要是以其力学性能如强度、刚性、变形等特性为工程所应用。其中分散相又被成为增强体，它在结构复合材料中主要起承受载荷的作用。基体则起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用；

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⑫ 功能复合材料则是以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，诸如压电材料、阻尼材料、自控发热材料、吸波屏蔽材料、磁性材料、生物相容性材料、磁性分离材料。其中分散相又被称为功能体，它则是赋予复合材料以一定的物理、化学功能，而基体则主要起连接作用。

综上所述对复合材料的解释，可以总结出复合材料应具备以下三个特点： •1） 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；

•2） 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；

•3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。 4 复合材料中的材料设计和结构设计

复合材料的主要特点之一是不仅保持其原组分的部分优点，而且具有原组分不具备的特性；复合材料区别于单一材料的另一个显著特性是材料的可设计性。传统的单一材料只能被选用，而不能被设计（指宏观的设计，不含分子设计）。

由于复合材料的多相特性，即由不同单一材料组成，故存在单一原材料的选择、原材料的含量及几何形态、复合方式和程度，以及界面情况等不同的配合和选择等一系列影响因素。由于各种原材料都有各自的优点和缺点，因此，复合材料在组合上可能出现如图1.1的复合结果。因而，复合材料也必须通过对组分的选择、各组分分布设计和工艺条件的控制等，以期保证原组分材料的优点相互补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥复合的优势

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举例：

⑪ 高力学性能的材料：高强度结构材料可选用高强度纤维，如玻璃纤维或高强度碳纤维为增强体与树脂基体相配合所组成的复合材料。而高模量结构材料则应选用高模量纤维，如高模量碳纤维或聚芳酰胺纤维等为增强体所组成的树脂基复合材料，此外，设计结构复合材料时，应考虑增强体与基体的体积比，并将增强纤维的轴向分布在主应力方向上。

⑫ 耐高温的材料：高温下使用的结构复合材料应选择耐高温材料为基体，由于聚合物材料的耐热性较差，故树脂基复合材料一般只适用于400℃以下使用，更高温度下使用的复合材料应考虑以碳、金属或陶瓷作为复合材料的基体，组成所谓碳－碳复合材料（<2400℃）、金属基复合材料（400～1300℃）或陶瓷基复合材料（1300～1650℃）。

⑬电磁波透过/屏蔽的材料：玻璃纤维增强塑料由于玻璃纤维和塑料都不反射电磁波而具有良好的电磁波透过性，因此，它是设计雷达罩用的“理想”材料。与之相反，为了防止电磁波干扰而设计的电磁波屏蔽材料，则应选用含有导电性功能的树脂基复合材料。

⑭ 耐腐蚀的材料：用于化工防腐蚀的玻璃纤维增强塑料，在材料设计时应针对接触介质的不同而采用不同的复合方式。例如，对于酸性介质，宜选用中碱玻璃纤维为增强体和耐酸性良好的树脂（如乙烯基酯树脂）为基体所组成的复合材料。对于碱性介质，则宜采用无碱玻璃纤维为增强体和耐碱性良好的树脂（如胺固化环氧树脂）所组成的复合材料。由于玻璃纤维易被酸、碱所侵蚀，故作为耐腐蚀复合材料，在保证必要的力学性能前提下，应尽量减少玻璃纤维在复合材

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料中所占的体积比例，使纤维周围的树脂基体尽量保护这些纤维不受介质的侵蚀。

总结上述例子可见，复合材料的性能是受其组成材料的性能所制约的。无论是基体或增强体（含填料）和功能体，都给复合材料以决定性影响，因此，复合材料设计人员必须熟知复合材料中这些组分本身的独特性能。

根据复合材料的组成，分析影响复合材料性能的影响因素： ⑪ 基体对复合材料性能的影响

由于目前工程应用最广的复合材料是树脂基复合材料。在此着重论述聚合物基体的性能特点：

① 密度低，因而单位体积质量轻。大多数聚合物的相对密度约为1。相对密度最低的聚合物为聚4-甲基戊烯－1，为0.83,相对密度最高的为聚四氟乙烯，为2.2，大多数聚合物的相对密度在0.9～1.45之间。

② 耐腐蚀。聚合物一般耐酸、碱和盐的水溶液，但不耐有机溶剂。

③ 易氧化、老化。特别是紫外线引起的老化必须引起足够的注意，因为老化使聚合物失去韧性和降低强度。

④ 聚合物的耐热性通常较差，在不太高的稳定下就引起降解和氧化。 ⑤ 聚合物一般易燃。

⑥ 低的摩擦系数。聚合物－聚合物和聚合物－金属接触面的摩擦系数通常很低。 ⑦ 低的导热性和高的热膨胀性是聚合物材料典型的热性能。但是这些热性能可以通过填料来改变，特别是纤维填料能降低热膨胀性。

⑧ 极佳的电绝缘性和静电积累是有机材料典型的电学性能。非极性聚合物的介电损耗极低，但极性聚合物则较高。 ⑨ 聚合物可以整体着色而制得带色制品。

⑩ 聚合物的一些力学性能，例如蠕变、弹性模量、强度和韧性等等，可随其分子结构的改变而大幅度变化。

⑫ 分散相对复合材料性能的影响

增强体和功能体在复合材料中起主导作用，概括起来可有以下三种代表性作用：填充、增强、赋予功能。

⑬ 界面对复合材料性能的影响

除了基体和增强体或功能体对复合材料的性能有决定性影响外，界面的作用

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也是不可忽视的。界面、界面效应对复合材料性能的巨大影响正是复合材料区别于一般混合材料的重要标志。例如①玻璃纤维增强塑料的力学性能，特别是湿态力学性能在很大程度上与玻璃纤维和树脂间界面的粘结状态有关；②对于透光复合材料，界面粘结好坏更是决定透光材料使用寿命的依据。

为了改善基体和增强体的界面粘结状态，就必须对增强体进行表面处理。表面处理的方法通常有两大类：一类是用物理或化学的方法使填料表面的结构发生改变；另一类是用一种叫“偶联剂”的化合物引入增强体表面以实现改变增强体表面结构的目的。

复合材料区别于单一材料的另一种显著特征是材料与结构的一致性。即复合材料既是材料又是结构，故材料设计与结构设计往往相互交叉而没有明显的分界线，同时这种设计都受到成型技术的制约。通常认为复合材料中的材料设计属于复合材料科学(材料物理及材料化学)的研究范畴，而结构设计则属于复合材料力学的研究范畴。

许多复合材料制件不是由复合材料经二次加工而成，而是由基体、增强体经一次成型而得。例如，玻璃纤维增强塑料高压气瓶，是由玻璃纤维及树脂经缠绕成型一次加工而成的，这里就存在着成型前的结构设计问题。从事复合材料的工程技术人员除了需确定选用适宜的材料外（包括增强体的处理技术），还必须进行结构设计或功能设计，并且结构设计或功能设计还必须考虑工程实施的可能性和合理性。又如，玻璃纤维增强塑料塑料耐腐蚀储罐，从材料设计角度，应按其储存介质的性质和温度来确定组成复合材料的原材料。对耐酸储罐应选用表面经KH-570处理的中碱玻璃纤维作增强材料及耐腐蚀的不饱和聚酯树脂为基体材料组成的复合材料，在其直接接触介质的内层，树脂含量应设计得高一些。而结构设计的任务是通过力学计算确定储罐的壁厚及纤维的铺设方式。 5 本课程研究的范围

本课程研究的范围简单地说就是研究复合材料中的材料设计。对于B两种原材料复合而成的材料C，其性能既包含A、B两种原材料所固有的性能，又具有A、B两种原材料所不具备的新性能，即所谓的复合效应。例如，玻璃纤维可以承受很强的拉伸应力，但不能承受即使很小的压缩应力和弯曲应力。当玻璃纤维由基体树脂加以固化后，所得玻璃纤维增强塑料就不但可以承受很高的拉伸应力，同

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时可以承受很高的压缩应力和弯曲应力。又例如，一束玻璃纤维透过性很差，但当分散在具有相同折光指数的基体树脂中后，所得的玻璃增强塑料即具有良好的力学性能，又具有良好的透光性。

本课程即是一门研究材料设计的课程，则研究范围就涉及到基体的结构和性能、增强体或功能体的结构和性能、界面结构和界面效应、复合后材料的物理及力学性能的一般规律和共性，复合过程的一般规律和共性。上述研究内容正是整个复合材料学的理论基础。 6 学习本课程的意义和要求

复合材料作为一种新材料品种，从原材料到制品。包含以下的专业知识，即材料设计、结构（制品）设计、成型工艺及设备和产品性能检测。复合材料区别于单一材料的两个显著特征，即材料性能的可设计性和材料与结构的一致性，将促使复合材料制品的设计程序发生重大变更，使工程设计人员、力学工作者和材料工作者一起将工程构件的设计从“微观”或“亚微观”水平开始，根据工程要求进行设计。

通过学习复合材料原理这门课程，将使大家掌握材料设计的基础知识，能根据工程上对复合材料制品的要求，从微观或亚微观水平上选定合宜的基体和增强体或功能体，并确定合适的表面处理技术和成型工艺，使基体和增强体或功能体有良好的界面，从而达到预期的性能指标。

为了学好本课程，要求学生学好选修课程：材料学、高分子（或金属、陶瓷等基体）物理和化学，充分运用物理学、化学、力学的知识，掌握本课程的精髓部分„„结构与性能关系。

作业：

1．聚合物基复合材料的性能特点是什么？ 2．复合材料区别于单一材料的主要特点是什么？ 3．增强体和功能体在复合材料中代表性的作用是什么？

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