聚合物成型机械课件

1、安徽理工大学安徽理工大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院复合材料与工程专业复合材料与工程专业授课方式：上课授课方式：上课+自学自学学时：学时：50学分：学分：3考试方式：笔试考试方式：笔试成绩：成绩： 笔试笔试70%+平时平时30%（出勤率（出勤率+课堂表现课堂表现+作业）作业）2复合材料与工程专业复合材料与工程专业沈观林：复合材料力学沈观林：复合材料力学赵美英：复合材料结构力学与结构设计赵美英：复合材料结构力学与结构设计 张锦：新型复合材料力学机理及应用张锦：新型复合材料力学机理及应用李顺林：复合材料结构设计基础李顺林：复合材料结构设计基础王震鸣：复合材料力学与复合材料结构力学王震鸣：复

2、合材料力学与复合材料结构力学R. M. 琼斯：复合材料力学（中、英文）琼斯：复合材料力学（中、英文）Stephen W. Tasi：复合材料设计：复合材料设计3复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材料学复合材料学力学力学力学又称经典力学，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。4复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材料学复合材料学力学力学 复合材料学全面地介绍了复合材料的种类、性能、制法及应用，并较全面、详细地介绍了用于制备复合材料的整个材料领

3、域的各种材料的性能、形态、制备与应用等，便于科技工作者制造新性能的复合材料，从而丰富其材料及材料学知识。5复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材料学复合材料学力学力学理论力学理论力学材料力学材料力学弹性力学弹性力学6复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材料结构设计方法复合材料结构设计方法复合材料学复合材料学力学力学理论力学理论力学材料力学材料力学弹性力学弹性力学复合材料力学复合材料力学复合材料动力学复合材料动力学非线性复合材料力学非线性复合材料力学柔性复合材料力学柔性复合材料力学编织复合材料力学编织复合材料力学复合材料结构力学复合材料结构力学7复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材

4、料力学是固体力学的一个新兴分支，它研究由两种或多种不同性能的材料，在宏观尺度上组成的多相固体材料，即复合材料的力学问题。复合材料具有明显的非均匀性和各向异性性质，这是复合材料力学的重要特点。复合材料结构设计包括复合材料单层的刚度和强度、复合材料层合板的刚度和强度、复合材料结构复合材料结构分析、复合材料连接、复合材料设计的一般方法和分析、复合材料连接、复合材料设计的一般方法和典型产品设计。典型产品设计。8复合材料与工程专业复合材料与工程专业绪论绪论各向异性体弹性力学基础知识各向异性体弹性力学基础知识单层板的刚度与强度单层板的刚度与强度层合板的刚度与强度层合板的刚度与强度复合材料的细观力学复合材料

5、的细观力学复合材料的湿热效应复合材料的湿热效应复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础复合材料结构分析复合材料结构分析复合材料连接复合材料连接习题课习题课9复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材料发展历史复合材料定义复合材料特点复合材料制备复合材料分类复合材料的各种应用10复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材料的发展，经历了复合材料的发展，经历了古代、近代和现代古代、近代和现代三个阶段三个阶段自古以来，人们就会使用天然的复合材料自古以来，人们就会使用天然的复合材料木材、木材、竹、骨骼竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中掺稻草，制成掺稻草

6、，制成土砖土砖；在灰泥中掺马鬃或在熟石膏里加；在灰泥中掺马鬃或在熟石膏里加纸浆，可制成纤维增强复合材料。纸浆，可制成纤维增强复合材料。近代复合材料最早的有近代复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂玻璃纤维增强树脂（如酚醛（如酚醛树脂、环氧树脂等）树脂、环氧树脂等）玻璃钢。玻璃钢。原子能、航空、航天、电子、化工等的发展，对材原子能、航空、航天、电子、化工等的发展，对材料的轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐料的轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐腐蚀、电性能等提出了更高要求，使现代腐蚀、电性能等提出了更高要求，使现代先进复合材先进复合材料料蓬勃发展起来蓬勃发展起来高性能纤维高性能纤维和其他

7、各种形式的复和其他各种形式的复合材料合材料11复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材料复合材料是指由两种以上材料组合而成的、物理和化学性是指由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。复合质与原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。复合材料中，一种材料作为基体，其他材料作为增强剂材料中，一种材料作为基体，其他材料作为增强剂两种以上材料两种以上材料 宏观尺度上的组合宏观尺度上的组合 微观尺度上的组合（合金）微观尺度上的组合（合金） 具有各组分最好的性能，是个组分所没有具有各组分最好的性能，是个组分所没有的复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。所

8、谓复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。所谓“复合复合”，是在金属材料、有机高分子材料和无机非，是在金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料自身或相互间进行，从而获得单一材料无法金属材料自身或相互间进行，从而获得单一材料无法比拟的、具有综合优异性能的新型材料比拟的、具有综合优异性能的新型材料12复合材料与工程专业复合材料与工程专业三大材料：三大材料：金属金属无机非金属无机非金属有机高分子有机高分子复合材料复合材料取长补短取长补短协同作用协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料13复合材料与工程专业复合

9、材料与工程专业复合材料系统组合复合材料系统组合分散相分散相连续相连续相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机有机高分高分子材子材料料有机纤维

10、纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶14复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材料的特点：复合材料的特点： 151） 复合材料是由复合材料是由两种或两种两种或两种以上不同性能的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型材料，组元之间存在着明显的界面界面；2） 复合材料中各组元不但复合材料中各组元不但保持各自的固有特保持各自的固有特性性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特单一材料组元所不具备的优良特殊性能殊性能；3）复合材料具有复合

11、材料具有可设计性可设计性。可以根据使用条。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。途，从而极大地提高工程结构的效能。 复合材料与工程专业复合材料与工程专业 传统意义上的复合材料的制造，目前使用最广、传统意义上的复合材料的制造，目前使用最广、效果最好的是效果最好的是纤维增强纤维增强：采用熔铸、浸渍、层压等方法，把玻璃纤维、采用熔铸、浸渍、层压等方法，把玻璃纤维、有机纤维、碳纤维及其织物嵌入树脂基体中；有机纤维、碳纤维及其织物嵌入树脂基体中；采用熔铸、轧压等方法把硼纤维、高强度钢丝、采用熔铸、轧压等方法把硼纤维、高

12、强度钢丝、晶须等嵌入铝、镁、钛合金中晶须等嵌入铝、镁、钛合金中这样形成了纤维增强塑料、纤维增强金属和纤这样形成了纤维增强塑料、纤维增强金属和纤维增强陶瓷。维增强陶瓷。除了纤维增强以外，还广泛使用已有工艺制造除了纤维增强以外，还广泛使用已有工艺制造复合材料，如喷涂、离子注入、层叠及骨架复合等。复合材料，如喷涂、离子注入、层叠及骨架复合等。16复合材料与工程专业复合材料与工程专业 复合材料包括三要素：复合材料包括三要素：基体材料、增强剂及复基体材料、增强剂及复合方式合方式（界面结合形式）（界面结合形式）按增强剂形状不同，可分为颗粒、连续纤维、短纤维、按增强剂形状不同，可分为颗粒、连续纤维、短纤维、

13、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增强复合材料弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增强复合材料等等按使用功能不同，可分为按使用功能不同，可分为结构结构复合材料和复合材料和功能功能复合材料复合材料等等按照基体材料的不同，复合材料包括按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复合材料、聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料金属基复合材料、陶瓷基复合材料等等热固性、热塑性热固性、热塑性碳碳复合材料碳碳复合材料小知识小知识RMC: Resin Matrix CompositesMMC: Metal Matrix CompositesCMC: Ceramic Matrix Composites17

14、复合材料与工程专业复合材料与工程专业增强纤维增强纤维玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（Kevlar、Apmoc)、硼纤维、碳化硅纤维、硼纤维、碳化硅纤维树脂基体树脂基体热固性聚合物热固性聚合物聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺热塑性聚合物热塑性聚合物尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯18复合材料与工程专业复合材料与工程专业在在RMCRMC中，增强材料是决定复合材料的拉伸强度、中，增强材料是决定复合材料的拉伸强度、模量、延伸率的关键组分，增强纤维的种类、机模量、延伸率的关键组分，增强纤维的种类、机械性能核物理特征，在即体重的体积含量及纤维

15、械性能核物理特征，在即体重的体积含量及纤维的取向决定了复合材料的性质的取向决定了复合材料的性质树脂基体则是粘接并包容纤维，使纤维免受摩擦损树脂基体则是粘接并包容纤维，使纤维免受摩擦损伤，均衡和传递构件所承受的载荷的主要组分，伤，均衡和传递构件所承受的载荷的主要组分，树脂基体的种类、物理特性和化学特性决定了复树脂基体的种类、物理特性和化学特性决定了复合材料的剪切强度、横向拉伸强度（非纤维方合材料的剪切强度、横向拉伸强度（非纤维方向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性质）向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性质）19复合材料与工程专业复合材料与工程专业疲劳寿命疲劳寿命与温度有关的性能与温度有关的性能绝热性绝热性导

16、热性导热性隔音性隔音性强度强度刚度刚度耐腐蚀性耐腐蚀性耐磨性耐磨性重量重量 复合材料具有高比强度、高比刚度、材料轻、耐腐蚀、抗疲劳性能、减振性能和高温性能好意即可设计等特点20复合材料与工程专业复合材料与工程专业复合材料的各种应用复合材料的各种应用航空航天工程中船舶工程建筑工程兵器工业化学工程电器设备机械工程体育器材医学领域21复合材料与工程专业复合材料与工程专业B707B737B747B757B767B777B787B727B717A350B747-8产品发展方向产品发展方向全谱化全谱化系列化系列化A380飞机发展与复合材料应用飞机发展与复合材料应用22复合材料与工程专业复合材料与工程专业B

17、oeing 787 结构材料构成结构材料构成复合材料层合板复合材料层合板复合材料夹芯结构复合材料夹芯结构玻璃钢复合材料玻璃钢复合材料铝合金铝合金钛合金钛合金结构的主要材料构成结构的主要材料构成23复合材料与工程专业复合材料与工程专业B-777复合材料使用情况复合材料使用情况 24复合材料与工程专业复合材料与工程专业纤维铺放纤维铺放A380 后机身后机身大型复杂形状复合材料构件大型复杂形状复合材料构件优化后的复合材料铺层优化后的复合材料铺层 在在A380上的首次上的首次 使用使用纤维铺放机纤维铺放机25复合材料与工程专业复合材料与工程专业A-380复合材料使用情况复合材料使用情况26复合材料与工

18、程专业复合材料与工程专业27复合材料与工程专业复合材料与工程专业树脂转移模塑工艺树脂转移模塑工艺A380 后机后框后机后框A380 副翼梁副翼梁A380 连接件连接件28复合材料与工程专业复合材料与工程专业A380 中央翼盒中央翼盒29复合材料与工程专业复合材料与工程专业液体树脂渗透技术的应用液体树脂渗透技术的应用铺覆编织带铺覆编织带客舱后客舱后密封加筋密封加筋球形球形隔墙隔墙A380客舱后客舱后密封加筋密封加筋球形球形隔墙隔墙30复合材料与工程专业复合材料与工程专业高性能轻质结构用量达高性能轻质结构用量达62%空客第一架全复合材料机翼飞机空客第一架全复合材料机翼飞机在中型民机中燃油消耗最低在

19、中型民机中燃油消耗最低 百百公里公里2.5升升/ 人人机组人员休息不占用座舱空间机组人员休息不占用座舱空间超宽客机超宽客机 A35031复合材料与工程专业复合材料与工程专业F-18EF战斗机复合材料占战斗机复合材料占19%19%32复合材料与工程专业复合材料与工程专业AV8-B鹞式战斗机复合材料占鹞式战斗机复合材料占26%26%33复合材料与工程专业复合材料与工程专业F-22复合材料用量占飞机总重复合材料用量占飞机总重26%26%34复合材料与工程专业复合材料与工程专业F-22复合材料应用情况复合材料应用情况机 翼：蒙皮碳/双马 中梁碳/环氧机 身：钛合金、铝合金、复合材料平尾安定面：碳/双马

20、蒙皮铝蜂窝夹层板垂尾安定面：碳/双马蒙皮、碳/环氧梁操 纵 面：复合材料蜂窝夹层板35复合材料与工程专业复合材料与工程专业F-22复合材料机翼组装情况复合材料机翼组装情况36复合材料与工程专业复合材料与工程专业C-17军用运输机复合材料使用情况军用运输机复合材料使用情况原型机复合材料用于：次要结构和操纵面1994年将平尾改为复合材料（AS4/Epoxy）1998年通过静力试验： 133% Ultimate Load 破坏2001年70架飞机全换为复合材料平尾37复合材料与工程专业复合材料与工程专业C-17军用运输机平尾军用运输机平尾 38复合材料与工程专业复合材料与工程专业C-17军用运输机复

21、合材料应用效果军用运输机复合材料应用效果 复合材料使用量占总重量8%减 重：20%减少零件数：90%减少紧固件数：80%降 低 成 本：50%39复合材料与工程专业复合材料与工程专业V-22 旋旋 翼翼 机机 40复合材料与工程专业复合材料与工程专业V-22旋翼机复合材料使用情况旋翼机复合材料使用情况机 翼：IM6/3501-6机身和尾翼：AS4/3501-6复合材料使用量占总重量41%减 重：13%减少零件数：35%降 低 成本：22%41复合材料与工程专业复合材料与工程专业X-45无人战斗机无人战斗机42复合材料与工程专业复合材料与工程专业表表1-1 国外复合材料在军机上的应用情况国外复合

22、材料在军机上的应用情况国别机 种用量(%)首飞时间复合材料体系应 用 情 况美F-1411969硼/环氧树脂水平安定面F-151.21972硼/环氧树脂水平安定面、垂直安定面、方向舵F-163.41976碳/环氧树脂(AS4/3502)进气道斜板、垂尾、平尾。机翼蒙皮（碳/双马来酰亚胺）F/A-18A121978碳/环氧树脂除前机身外，包括机翼在内的所有蒙皮结构。前机身边条、翼根延伸段等AV-8B26.31982碳/环氧树脂机翼蒙皮和亚结构骨架，其机翼70%重量为复合材料结构。比金属结构减重20%以上。机翼梁和肋为“工”形剖面，腹板为正弦波纹板A-612碳/环氧树脂机翼蒙皮B-1轰炸机碳/环氧

23、树脂、硼/环氧树脂、Kevlar49/环氧树脂机身大梁、平尾、垂尾、前缘缝翼、襟翼、进气道斜板、舱门等X-31A171990碳/增韧环氧(IM6/6376)机翼、机身蒙皮YF-22231991碳/增韧双马(IM7/5250-2)机翼、中机身隔框和蒙皮、尾翼F-22241996碳增韧双马(IM6/5250-4)机翼、中机身隔框和蒙皮、尾翼、前机身43复合材料与工程专业复合材料与工程专业俄米格297S-3721前掠机翼等雅克-14124机翼、尾翼、部分机身1.42161.4430法Rafale24碳增韧双马(IM6/5245C)机翼、垂尾、鸭翼、副翼、前机身蒙皮幻影4000整体油箱翼盒、尾翼等AS

24、X10碳/环氧树脂机翼(壁板尺寸6.34m1.5m)、机身、垂尾瑞典JAS-39301988碳/环氧树脂(AS4/8552)机翼、机身、鸭翼、垂尾、进气道德、英西、意EF-2000301994碳/增韧双马(T800/5245)机翼、前机身、中机身、尾翼蒙皮日FS-X18整体机翼、垂尾、平尾等英美洲豹虎碳/环氧树脂机翼、方向舵复合材料与工程专业复合材料与工程专业占结构重量 百分比(%)机型材料表表1-2 民用飞机结构用材料重量百分比民用飞机结构用材料重量百分比复合材料铝合金钛合金钢第1代Boing7070.2第2代Boing747A300158176441313第3代Boing767Boeing

25、757A320335.5807876.5264.5141213.5第4代Boing777A34011870757611845复合材料与工程专业复合材料与工程专业Iphone4 的前后外壳的前后外壳 玻璃钢玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料。FRP-(Fiber Reinforced Plastics )纤维增强复合塑料，根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料（GFRP），碳纤维增强复合塑料（CFRP），硼纤维增强复合塑料等； 它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。46复合材料与工程专业复合材料与工程专业石墨烯散热膜石墨烯散热膜47复合材料与

26、工程专业复合材料与工程专业为什么能实现三防功能？为什么能实现三防功能？48复合材料与工程专业复合材料与工程专业普通的工程材料大多是均匀的、各向同性的普通的工程材料大多是均匀的、各向同性的均质：性能不是物体位置的函数均质：性能不是物体位置的函数各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向都是各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向都是相同的，性能不是一点方向上的函数相同的，性能不是一点方向上的函数复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材料性复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材料性能是位置和方向的函数能是位置和方向的函数各向异性：所有方向都有不同的性能，没有材料对称面各向异性：所有方向都有

27、不同的性能，没有材料对称面正交各向异性：在物体重的一点的三个相互垂直方向上正交各向异性：在物体重的一点的三个相互垂直方向上有不同的材料性能，此外还有三个相互垂直的有不同的材料性能，此外还有三个相互垂直的材料对材料对称面称面49复合材料与工程专业复合材料与工程专业宏观力学宏观力学假设材料是均质的，只从复合材料的平均表观性假设材料是均质的，只从复合材料的平均表观性质来检验组份材料的作用质来检验组份材料的作用细观力学方法细观力学方法固体力学与材料科学之间的交叉科学，从材料的固体力学与材料科学之间的交叉科学，从材料的细观结构入手，研究其与材料力学性能的关系细观结构入手，研究其与材料力学性能的关系用连续

28、介质力学研究材料的细观结构与宏观性能用连续介质力学研究材料的细观结构与宏观性能关系关系50复合材料与工程专业复合材料与工程专业材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、结材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、结构、组分的角度构、组分的角度Materials science tetrahedron;structure, processing, performance, and proprerties51复合材料与工程专业复合材料与工程专业固体力学：结构受力分析与材料的力学性能固体力学：结构受力分析与材料的力学性能示例：材料中的缺陷问题严重影响材料的强度等性示例：材料中的缺陷问题严重影响材料的

29、强度等性能，纤维比块状结构材料有更加完整的结构，晶体能，纤维比块状结构材料有更加完整的结构，晶体在纤维中沿着纤维轴向定位，内部缺陷少，有更高在纤维中沿着纤维轴向定位，内部缺陷少，有更高的强度的强度52复合材料与工程专业复合材料与工程专业 复合材料的可设计性是指，材料的性能（比如材料的性能（比如说强度、刚度、不同方向的力学性能）、形状、说强度、刚度、不同方向的力学性能）、形状、以及物理化学性能都可以通过复合材料的基体和以及物理化学性能都可以通过复合材料的基体和增强材料增强材料的选择以及工艺的选择来实现各种不同的需求。 根据我们的需求设计材料和结构材料和结构在我们所需要的方向上具有足够的强度和刚度

30、，其他方向上不需要，消除材料冗余，提高材料效率。53复合材料与工程专业复合材料与工程专业生物复合材料的设计生物复合材料的设计从常规设计向从常规设计向仿生仿生设计发展设计发展仿照仿照竹子竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。料。仿照仿照鲍鱼壳鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了铝和硼混合成陶瓷细带制成了1010微米厚的薄层，由此得到的微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固层状复合材料比其原材料坚固4040。仿照仿照骨骼骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。54复合材料与工程专业