【正文】 復(fù)合材料工程及其應(yīng)用 陳 浩 然 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實驗室 目 錄 ? 科學(xué)技術(shù)發(fā)展史與材料發(fā)展史 ? 先進(jìn)材料 ? 復(fù)合材料力學(xué)與工程 ? 美國 NSF的資助計劃 ? 復(fù)合材料應(yīng)用 ? 復(fù)合材料發(fā)展趨勢 人類歷史是一部科學(xué)技術(shù)發(fā)展史 ，也是與人類探索自然歷史 新材料的出現(xiàn)與使用歷史 。 石器時代 — 木器時代 — 青銅時代 —鐵 （ 鋼 ） 器時代 — 復(fù)合材料時代 。 科學(xué)技術(shù)發(fā)展史與材料發(fā)展史 先 進(jìn) 材 料 簡 介 (一 )美國先進(jìn)材料 （ Advanced Materials） 在 12項新興技術(shù) （ Emerging Technology） 中 。 其產(chǎn)值占首位 （ 43%） 12項新興技術(shù)： (年產(chǎn)值億美金 ) 先進(jìn)材料 1,500 超導(dǎo)材料 50 先進(jìn)半導(dǎo)體器件 750 數(shù)字圖象技術(shù) 40 高密度數(shù)據(jù)存儲器 150 高功能計算 500 光電子 40 人工智能 50 柔性集成加工 200 傳感技術(shù) 50 生物技術(shù) 150 醫(yī)療與診斷裝置 80 (二 ) 先進(jìn)材料的發(fā)展趨勢 ? 新型結(jié)構(gòu)材料 ? 信息功能材料 ? 能源功能材料 ? 生物功能材料 向更高溫度 ,更高比強(qiáng)度 和耐苛刻工作環(huán)境方向發(fā)展 ? 高溫合金 ? 金屬間化合物 ? 工程陶瓷 ? ALLI合金 ? 鈦合金 ? 工程塑料 鈦 及 高 溫 合 金金 屬 基 復(fù) 合 材 料鈦及高溫合金高 溫 陶 瓷陶 瓷 基 復(fù) 合 材 料金 屬 間 化 物 及 其 復(fù) 合 材 料C / C 復(fù) 合 材 料1 1 0 02 2 0 0工 作 溫 度 （0C ）比 強(qiáng) 度發(fā) 動 機(jī) 用 高 溫 材 料 的 工 作 溫 度 及 其 與 比 強(qiáng) 度 的 關(guān) 系280 625 芳綸 碳 碳復(fù)合材料 金屬 玻璃鋼 950 射程 （ 公里 ） 火箭殼體材料對射程的影響 向更高傳輸速度 和更高密度方向發(fā)展 ? 集成電路材料 ? 信息存儲材料 ? 光導(dǎo)纖維和光通訊材料 ? 敏感材料和傳感器 3. 能源功能材料 向更高臨界溫度超導(dǎo)和 更高效能量轉(zhuǎn)換方向發(fā)展 ? 高臨界溫度超導(dǎo)材料 ? 永磁材料 ? 太陽能轉(zhuǎn)換材料 ? 有機(jī)導(dǎo)電高分子、分離膜與生體機(jī)能模擬材料 4. 生物功能和智能材料 向更可靠和更相容方向 發(fā)展 ? 金屬（鈦、不銹鋼、鈷鉻合金） ? 陶瓷（ Al3O鋁酸鈣、生物玻璃－ Na2OCaOSiO2P2O5) ? 碳素材料 ? 高分子材料 ? 各種復(fù)合材料 (三 ) 先 進(jìn) 材 料 定 義 ? 結(jié)構(gòu)與功能陶瓷 , 陶瓷基與金屬基復(fù)合 材料 ? 金屬間化合物與輕合金 ? 先進(jìn)塑料 ? 表面改性材料 ? 金剛石薄膜 ? 膜材料與生物材料 ?定 義 由兩種或多種材料組分或相 （ Phase） （ 1）增強(qiáng)相（ Reinforcement）； （ 2）基體相（ Matrix）； （ 3）界面相（ Interphase） 在 細(xì)觀（ Mini），亞觀（ Meso）或宏觀（ Macro）尺度組成的新材料。其力學(xué)和功能上 出 現(xiàn) 協(xié)同效應(yīng) 或 就位效應(yīng) （嶄新的性態(tài)）。 (四 ) 復(fù) 合 材 料 定 義 與 分 類 分 類 增強(qiáng)相材料分類： 纖維增強(qiáng) （ 長纖維或短纖維 ） ： 層合增強(qiáng) （ 夾層玻璃 ） 薄片增強(qiáng) 顆粒增強(qiáng) （ 混凝土 ） 基體相材料分類 ： 塑料基 橡膠基 陶瓷基 金屬基 纖維復(fù)合材料 ： ?纖維 ：玻璃、碳、硼、石墨、鈹、鋁、鈦、鋼、凱芙拉（芳綸） kevlar 纖維特性 ：直徑小，接近于晶體大小，纖維內(nèi)部缺陷出現(xiàn)概率小，從微觀結(jié)構(gòu)講，纖維存在的位錯比塊狀材料少。因而它比強(qiáng)度、比剛度都高。主要由它承擔(dān)載荷 ?基體： 環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等塑料橡膠、陶瓷、非金屬基當(dāng)然還有金屬基復(fù)合材料，基體是鋁、鈷、鎳等金屬材料。 。 基體特性 ：強(qiáng)度、剛度、密度低，韌性好，它的主要作用是粘結(jié)，保護(hù)纖維和傳遞剪應(yīng)力的作用 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種結(jié)構(gòu)材料 常見有兩種結(jié)構(gòu)形式 ① 簡單層板（單向?qū)影澹?：單向纖維或交織纖維在基體中平行排列。 ② 層合板 ： 把不同方向鋪層的簡單層板，把它們按次序進(jìn)行鋪設(shè)，然后加溫固化形成層合板。 無緯鋪層 經(jīng)緯交織鋪層 層合板 層合板鋪層 0459045?090①① 簡單層板 簡單層板 具有可設(shè)計性 復(fù)合材料是由兩種不同強(qiáng)度和模量的纖維和基體材料組成的，而且每一鋪層方向又可隨意改變。 所以，可以改變組分材料的種類、含量以及鋪層方向和順序，在一定范圍內(nèi)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計中對材料強(qiáng)度、彈性和方向性的要求。使得材料充分發(fā)揮自己的性能，又滿足設(shè)計要求。 力學(xué)性能的某些特點(diǎn) 復(fù)合材料有許多特性不同于常規(guī)工程材料 ?常規(guī)工程材料通常是 均質(zhì)的和各向同性 ?復(fù)合材料 是 非均質(zhì)的 ， 各向異性材料 它的特性是 物體位置 函數(shù) ， 由是物體中一點(diǎn) 方向的函數(shù) 。 對于簡單層板（單向?qū)影澹﹣碚f，在 彈性性能 上，有 四個獨(dú)立的工程彈性常數(shù) ： 在 強(qiáng)度性能 上有 五 個基本強(qiáng)度參數(shù) tX cXtY cYS縱向拉伸強(qiáng)度， 縱向壓縮強(qiáng)度 橫向拉伸