复合材料力学与结构设计 第一章 复合材料

1、复合材料力学与结构设计BooksGeorge Z. Voyiadjis, Peter I. Kattan. Mechanics of Composite Materials with MATLAB. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005Autar K. Kaw. Mechanics of Composite Materials, Taylor & Francis Group, LLC, 2006Your HWs1 send me all your email address of DHU for example: dhu*2 submit your H

2、W to me by email: file name: HW_1_name for example: HW_1_孙宝忠复合材料1 复合材料力学总体介绍Whats is a composite？由两种或以上组分互相结合而成的结构材料，各组分在宏观水平上互相不容。其中组分分别称为增强相（reinforcing phase）和基本相（matrix, resin）增强材料：纤维、颗粒、碎片基本相通常为连续相July 27, 1987.M. F. Ashby, S. F. Bush, N. Swindells, R. Bullough, G. Ellison, Y. Lindblom, R. W. C

3、ahn, J. F. Barnes . Technology of the 1990s: Advanced Materials and Predictive Design and Discussion. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1987, A322(1567): 393-407天然复合材料举例：木材-纤维素纤维增强木质素An Example of a Natural CompositeA tree is a g

4、ood example of a natural composite, consisting of cellulose (the fibrous material) and lignin (a natural polymer) forming the woody cell walls and the cementing (reinforcing) material between them.复合材料的特点及应用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它最早应用于国防、航空、航天等尖端科学技术领域，近年来，汽车、造船、建筑、化工石油、体育用

5、品、生物、医疗、娱乐等部门也推广使用复合材料全复合材料汽车汽油之后的变革高性能体育器械-网球、棒球、高尔夫球、赛车、滑雪、鱼杆（光威）人造器官输油管道、储罐、压力容器等 先进复合材料 Advanced Composite materials 复合材料的制备传统意义上的复合材料的制造，目前使用最广、效果最好的是纤维增强：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；采用熔铸、轧压等方法把硼纤维、高强度钢丝、晶须等嵌入铝、镁、钛合金中这样形成了纤维增强塑料、纤维增强金属和纤维增强陶瓷。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

6、合等复合材料的制备Hand LayupVacuum Bag/AutoclaveMatched Die/MoldingFilament WindingPressure & Roll BondingPlasma Spraying TechniquesPowder MetallurgyLiquid InfiltrationCoextrusionControlled SolidificationRotational MoldingPultrusionInjection MoldingCentrifugal CastingSheet Molding CompoundPneumatic Impaction

7、复合材料的分类复合材料包括三要素：基体材料、增强材料及复合方式（界面结合形式）按增强材料形状不同，可分为颗粒、连续纤维、短纤维、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增强复合材料等按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复合材料等按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等热固性、热塑性碳碳复合材料小知识RMC: Resin Matrix CompositesMMC: Metal Matrix CompositesCMC: Ceramic Matrix Composites先进复合材料树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料碳/碳复合材料增强纤维与基体增强纤

8、维玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（Kevlar、Apmoc)、硼纤维、碳化硅纤维树脂基体热固性聚合物聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺热塑性聚合物尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯What are the advantages of using composite over metals？ 单一金属材料和合金材料不能完全满足现在先进技术发展的需要，由几种材料进行组合即可达到需求。 如：卫星支架（结构架）：在16094范围内外形稳定，若膨胀系数必须在 m/m/ ，而一般金属材料不能满足此要求，如钢： m/m/ ，石墨纤维/环氧复合材料得以使用。用复合材料更有效复合材料其它优点：强度、刚度、耐腐蚀和冲击、耐磨性能 示

9、例：材料的比强度与比刚度图 不同材料比强度与工作温度关系图 几种高温材料的比强度比强度值越大，表明越轻质高强，在金属中，比强度值不能突破4X10000inchAre there any drawbacks or limitations in using composites? Yes 制造成本高。如：石墨纤维/环氧复合材料制造费用是材料成本的1015倍复合材料结构的力学表征远比金属材料复杂：复合材料是非各向同性的，表征最简单的复合材料层板需要9个刚度和强度系数，而单一金属材料只需四个常数。在分析结构件时将更复杂，有些性能的测量，如压缩强度尚在进一步研究中。 复合材料修补比较困难，有些关键的杂质

10、和裂纹难以观测强度和断裂韧性不能同时有很高的值复合材料不是在所有性质方面都有较好的值：如选择材料的6个主要参数：强度、断裂韧性( )、可成型性、构件间的连接相容性（join-ability）、耐腐蚀性、成本。复合材料在强度方面比金属材料好，但在其它方面比金属材料差。 Why are fiber reinforcements of a thin diameter?（为什么用细直径纤维增强？）材料实际强度远低于理论强度，主要是因为有缺陷存在。 如：钢板强度是689MPa，用该钢板制成的线材强度是4100MPa,且线材强度随其直径增加而直线下降。 为使复合材料有好的延展性及载荷在基体、纤维面有效传递

11、，必须使纤维与基体间接触面积大，而相同纤维体积含量条件下，基体与纤维间接触面积反比于纤维直径证：假设单层板有N根直径为D的纤维，板长为L，则接触面积 .如果用直径为d的纤维，在保证上述纤维体积含量基础上的纤维根数为 ，则此时接触面积为： （Vf:纤维体积）即：在确定总体积的复合材料中，如果纤维体积一定，则纤维与基体接触面积与纤维直径成反比。纤维易弯曲性（弯曲时不折断）有利于复合材料制造，尤其是织物复合材料。What fiber factors contribute to the mechanical performance of a composite? 长度：长纤维容易取向和加工，短纤维取向

12、不容易实现。长纤维比短纤维有更多优点：如冲击阻抗高，低伸缩，表面处理好，尺寸稳定。但短纤维低价、制造复合材料工艺短，材料缺陷少（强度高）。取向截面形态：方形截面和六角截面堆积密度高。材料What are the matrix factors which contribute to the mechanical performance of composites? 纤维本身用途有限，但用于增强体即可生产种类极多的复合材料，基体主要作用是：固结纤维；防止纤维复加工过程和环境条件的损害；把外界载荷均布于纤维。虽然基体与纤维相比，其力学特征值较低。但基体本身影响复合材料的许多其它性质：如横向模量和强度

13、、剪切模量和强度、压缩强度、层向剪切强度、疲劳性能、热能系数、耐热性质。增强纤维与基体的作用与贡献在RMC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，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（非纤维方向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性质）Other than the fiber and the matrix，what other factors influence mechani

14、cal performance of a composite?界面(interface)：它决定载荷如何从基体转移到纤维。分类：按增强体的几何形状（particulate,flake, fibers）和基体类型（聚合物、金属、陶瓷、碳）分类聚合物复合材料（PMC）低价、高强、易于制造，在相同重量下，石墨/环氧复合材料强度是钢的五倍缺点：低使用温度、高耐热、低膨胀系数、在某些方向的低弹性性能金属复合材料 (MMC)mafrix:AL,Mg,Ti纤维：碳纤、碳化硅(SiC)有其单一基体金属不具备的优点：在增强低密度金属如：Al, Ti等有较高的比强度和比模量在采用石墨纤维时，有低的热膨胀系数耐高温

15、高的弹性性能、高使用温度缺点：加工温度高、密度高用途：space shuttle:Boron/Al材料：重量轻，隔热好运输（transportation）:发动机 Ceramic Matrix Composites(CMC)如：SiC/Al2O3优点：高强、高硬、耐高温、化学惰性（inertness）、低密度（其中PMC:400;MMC:1000;CMC:1500）缺点：低断裂韧性用途：耐温性高的场合，可用作切割工具 Carbon-Carbon Composites(CCC)3315场合，强度是石墨纤维的20倍，重量轻30优点：碳纤本身很脆，用时存在很多缺陷，形成C-C-C后使复合材料逐渐断裂

16、，同时在高温下有很多优点：低蠕变、低密度、高拉伸和压缩强度、耐磨损、导热好、摩擦系数高缺点：成本高、低剪切模量、高温下易氧化应用举例：space shuttle:头端罩，飞机刹车片，机械紧固件2 常用力学术语 (1) 应力(stress)：MPa, GPa正应力(normal)、剪应力(shear)、压应力与纺织用强力指标如cN/dtex的换算应力和应变 (stress and strain)截面积为S，载荷为P，单位面积的力为：应力原长为L，伸长量为，延伸率为：应变在小载荷范围内，有虎克定律：弹性模量材料断裂时的应力为材料强度应力和应变(stress and strain)PPPPNNPNT

17、N,N为内力，等于P对于与轴向成角的截面正应力剪应力剪切应变剪切弹性常数泊松比 本构（Constitutive equation）各向同性、各向异性、正交各向异性 均质、非均质 模量与柔量泊松比 当本构在i方向只承受正载荷时，j方向的正应变负值与i方向的正应变之比复合材料的力学性能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材料对称面各向异性：

18、所有方向都有不同的性能，没有材料对称面从微细观和宏观两个角度研究微观力学从微观的角度检验组份材料之间相互影响研究复合材料的性能宏观力学假设材料是均质的，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，从材料的细观结构入手，研究其与材料力学性能的关系用连续介质力学研究材料的细观结构与宏观性能关系材料与力学材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、结构、组分的角度固体力学：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，有更高的强度复合材料的可设计性材料与结构不可分根据需求设计材料和结构在所需要的方向上具有足够的强度和刚度，其他方向上不需要，消除材料冗余，提高材料效率Anisotropic elasticity An in-depth discussion of the important differences between composites and conventional monolithic materials types is discussed in terms of developing the concepts associated with directional material properties.复合