复合材料工程及其应用

复合材料工程及其应用第1页，课件共149页，创作于2023年2月目录

科学技术发展史与材料发展史先进材料

复合材料力学与工程

美国NSF的资助计划复合材料应用复合材料发展趋势第2页，课件共149页，创作于2023年2月人类历史是一部科学技术发展史，也是与人类探索自然历史--新材料的出现与使用历史。石器时代—木器时代—青铜时代—铁（钢）器时代—复合材料时代。科学技术发展史与材料发展史第3页，课件共149页，创作于2023年2月先进材料简介第4页，课件共149页，创作于2023年2月(一)美国先进材料（AdvancedMaterials）在12项新兴技术（EmergingTechnology）中。其产值占首位（43%）12项新兴技术：(年产值亿美金)

先进材料1,500超导材料50先进半导体器件750数字图象技术40高密度数据存储器150高功能计算500光电子40人工智能50柔性集成加工200传感技术50生物技术150医疗与诊断装置80第5页，课件共149页，创作于2023年2月

(二)先进材料的发展趋势

新型结构材料

信息功能材料

能源功能材料

生物功能材料第6页，课件共149页，创作于2023年2月1.新型结构材料向更高温度,更高比强度

和耐苛刻工作环境方向发展高温合金金属间化合物工程陶瓷AL-LI合金钛合金工程塑料第7页，课件共149页，创作于2023年2月第8页，课件共149页，创作于2023年2月280625芳纶碳-碳复合材料金属玻璃钢950射程（公里）火箭壳体材料对射程的影响第9页，课件共149页，创作于2023年2月2.信息功能材料向更高传输速度

和更高密度方向发展集成电路材料信息存储材料光导纤维和光通讯材料敏感材料和传感器第10页，课件共149页，创作于2023年2月3.

能源功能材料向更高临界温度超导和

更高效能量转换方向发展高临界温度超导材料永磁材料太阳能转换材料有机导电高分子、分离膜与生体机能模拟材料第11页，课件共149页，创作于2023年2月4.

生物功能和智能材料向更可靠和更相容方向

发展金属（钛、不锈钢、钴铬合金）陶瓷（Al3O2、铝酸钙、生物玻璃－Na2O-CaO-SiO2-P2O5)碳素材料高分子材料各种复合材料第12页，课件共149页，创作于2023年2月(三)先进材料定义

结构与功能陶瓷,陶瓷基与金属基复合材料金属间化合物与轻合金先进塑料表面改性材料金刚石薄膜膜材料与生物材料第13页，课件共149页，创作于2023年2月定义由两种或多种材料组分或相（Phase）（1）增强相（Reinforcement）；（2）基体相（Matrix）；（3）界面相（Inter-phase）在细观（Mini），亚观（Meso）或宏观（Macro）尺度组成的新材料。其力学和功能上出现协同效应或就位效应（崭新的性态）。

(四)复合材料定义与分类第14页，课件共149页，创作于2023年2月分类增强相材料分类：

纤维增强（长纤维或短纤维）：层合增强（夹层玻璃）薄片增强颗粒增强（混凝土）基体相材料分类：塑料基橡胶基陶瓷基金属基第15页，课件共149页，创作于2023年2月纤维复合材料：纤维：玻璃、碳、硼、石墨、铍、铝、钛、钢、凯芙拉（芳纶）kevlar纤维特性：直径小，接近于晶体大小，纤维内部缺陷出现概率小，从微观结构讲，纤维存在的位错比块状材料少。因而它比强度、比刚度都高。主要由它承担载荷基体：环氧树脂、聚酯树脂等塑料橡胶、陶瓷、非金属基当然还有金属基复合材料，基体是铝、钴、镍等金属材料。。基体特性：强度、刚度、密度低，韧性好，它的主要作用是粘结，保护纤维和传递剪应力的作用第16页，课件共149页，创作于2023年2月纤维增强复合材料是一种结构材料常见有两种结构形式①简单层板（单向层板）：单向纤维或交织纤维在基体中平行排列。②层合板：把不同方向铺层的简单层板，把它们按次序进行铺设，然后加温固化形成层合板。第17页，课件共149页，创作于2023年2月无纬铺层经纬交织铺层

层合板层合板铺层①①简单层板简单层板第18页，课件共149页，创作于2023年2月具有可设计性复合材料是由两种不同强度和模量的纤维和基体材料组成的，而且每一铺层方向又可随意改变。所以，可以改变组分材料的种类、含量以及铺层方向和顺序，在一定范围内满足结构设计中对材料强度、弹性和方向性的要求。使得材料充分发挥自己的性能，又满足设计要求。力学性能的某些特点复合材料有许多特性不同于常规工程材料常规工程材料通常是均质的和各向同性复合材料是非均质的，各向异性材料它的特性是物体位置函数，由是物体中一点方向的函数。第19页，课件共149页，创作于2023年2月对于简单层板（单向层板）来说，在弹性性能上，有四个独立的工程弹性常数：在强度性能上有五个基本强度参数纵向拉伸强度，纵向压缩强度横向拉伸强度，横向压缩强度面内剪切强度纵向弹性模量，横向弹性模量，纵向泊松比或者横向泊松比，面内剪切弹性模量第20页，课件共149页，创作于2023年2月在外力作用下产生的变形也不同于普通的金属材料。例如：弯曲引起扭转变形（弯扭耦合）拉伸引起弯曲变形（拉弯耦合）拉伸引起剪切变形

（拉剪耦合）第21页，课件共149页，创作于2023年2月表1：各种材料的比强度和比模量

比强度=强度/密度比模量=模量/密度原因有两条：①纤维的内部缺陷要比块体状材料少得多，②复合材料一般密度小,较轻，尤其是纤维增强材料，大都选元素周期表靠前的元素：如铍，硼，碳，石墨，玻璃（硅）。。。第22页，课件共149页，创作于2023年2月

(五)复合材料优缺点

优点（1）比强度高：Gr/Ep（HS）为7075Al合金4倍（2）比刚度高：Gr/Ep（UHM）E/p为7075Al合金6倍（3）抗疲劳性能高（4）减振性能高：比金属梁快3倍（5）高温性能好：C-C复合材料工作温度达1800度（6）成型工艺简单（7）可设计性好第23页，课件共149页，创作于2023年2月缺点（1）横向和界面强度低（2）成型工艺过程残余应力和变形大（3）质量控制难为什么复合材料存在哪么多优缺点???第24页，课件共149页，创作于2023年2月复合材料(多相介质)结构多级、复杂的相间力的传递列程丰富、逐步的宏微观的破坏机制复合材料强韧化原理和优化设计的研究矛盾第25页，课件共149页，创作于2023年2月复合材料力学与工程材料宏、微结构工程结构第26页，课件共149页，创作于2023年2月第27页，课件共149页，创作于2023年2月材料分析和设计不同层次第28页，课件共149页，创作于2023年2月LengthScaleofMaterialSystemMacroMesoMicroNanoContinuummechanics

QMMD1M10-410-610-710-9第29页，课件共149页，创作于2023年2月参考书Jones,R.M.,MechanicsofCompositeMaterials.1998Gibson,R.F.,PrincipleofMechanicsofCompositeMaterials．2001沈观林，胡更开，复合材料力学.2006周履，范赋群，复合材料力学.1991蒋咏秋等，复合材料力学.1990王震鸣，复合材料力学和复合材料结构力学.1991王震鸣等主编，复合材料力学及其结构的力学进展.1991-1994陈烈民，复合材料力学和复合材料结构力学.2000第30页，课件共149页，创作于2023年2月(二)材料的损伤断裂的宏、微观力学理论

与设计原理(1)微孔洞

(2)微裂纹

1.四类细观损伤基元第31页，课件共149页，创作于2023年2月

(3)局部化带

(4)

界面损伤

第32页，课件共149页，创作于2023年2月硼纤维界面及纤芯损伤演化2145mm加载123445mm9mm放大9mm9mm9mm材料：硼纤维增强环氧；试件厚度：200μm；硼纤维直径：φ130μm第33页，课件共149页，创作于2023年2月材料的细、微观损伤与局部化

(1)

典型材料细观损伤的力学理论,包括孔洞、微裂纹等细观损伤模式(2)材料微观物理损伤研究,包括界面、疲劳、电磁热作用等微观物理损伤机理(3)损伤局部化及局部化带的细微观结构裂纹扩展与断裂过程区

(1)宏微观结合的断裂过程区理论与数值模拟(2)裂纹顶端损伤区汇入过程环境断裂的微观机理与定量理论(3)含氢致断裂、氢致韧脆转变。阳极溶解型应力腐蚀等环境断裂过程(4)高强能量热量脉冲下的断裂扩展过程2.宏、微观断裂与损伤力学理论第34页，课件共149页，创作于2023年2月

3.损伤断裂控制过程与材料设计原理

(1)损伤区耗能及顶端形貌设计(2)微裂纹集聚态控制与断裂路径设计(3)局部化诱导与局部化定向传播控制设计(4)材料微结构力学性能的优化设计原理(5)材料的致动、传感与智能构元设计(6)材料力学设计的专家系统式软件第35页，课件共149页，创作于2023年2月时间尺度分子动力学步长5～50飞秒点阵振荡周期100飞秒位错发射间隔1～10皮秒位错跨越晶界0.01～10纳秒位错交互作用传递1～100纳秒细观裂尖钝化0.1～100微秒宏观裂尖钝化0.001～1秒第36页，课件共149页，创作于2023年2月空间尺度第37页，课件共149页，创作于2023年2月4.微观断裂力学

数学：封闭系统方程.本构方程与破坏准则的统一物理：整体与局部连续介质描述的失效(纳米材料、微机械)材料:

微结构敏感参数(强度、韧性、断裂韧性)学科：局部强耦合问题(力、电、热、磁、化学)多相：表面与界面效应(表面物理损伤、界面结构、位错吸附)第38页，课件共149页，创作于2023年2月(三)3M力学分析和3M优化以层合复合材料结构为例：（一）细观（Mini）层次：力学和功能性态由组分或相Phase的几何（形状，分布和体分比）和物理（力学和功能性态）确定。（1）增强相（Reinforcement）；（2）基体相（Matrix）；（3）界面相（Inter-phase）。（二）亚观（Meso）层次：力学和功能性态由叠层几何（方向，次序和厚度）和叠层物理（力学和功能性态）确定。（三）宏观（Macro）层次：力学和功能性态由结构几何（形状）和结构物理（力学和功能性态）确定。

结构的最终力学和功能性态以以上三个层次几何和物理相关。第39页，课件共149页，创作于2023年2月(四)复合材料工程力学（1）复合材料力学——细观（Mini），亚观（Meso）和宏观（Macro）力学，包括损伤力学，断裂力学，本构理论（2）复合材料学和制造工艺——材料科学和工艺，细观（Mini），亚观（Meso）力学,纳观(Nano)力学和工艺力学（3）复合方法与设计方法——材料科学，细观（Mini）,亚观（Meso）力学,纳观(Nano)力学（4）成型方法——成型和工艺力学（5）复合材料结构理论——复合材料结构，损伤力学，断裂力学（6）质量控制——工艺力学（7）试验方法及评价——实验力学（8）应用第40页，课件共149页，创作于2023年2月性能(Properties)(五)复合材料工程第41页，课件共149页，创作于2023年2月第42页，课件共149页，创作于2023年2月第43页，课件共149页，创作于2023年2月VisionoftheFutureofSolidMechanics

ZdenekP.Bozant

JournalofAppliedMechanics

2006March,73:181-182Advancesinsolidmechanicsaremadepossibleby

newsuperior

instrumentation,

novelandingenious

experimentalmethods,better

mathematicalmodels,even

morepowerful

computationaltools,and

newandgrowing

interactionswith

aneverexpandingrangeof

disciplines.第44页，课件共149页，创作于2023年2月美国NSF的资助计划特点：当前将力学与材料列为一个学科交叉项目领域进行资助，其四个研究方向：（１）具有卓越力学行为的新材料设计与实现；（２）多轴和动态加载下非弹性变形与破坏的宏微观本构模型的物理实验；（３）高温材料、复合材料破坏、计算机技术的表面与界面失效的细微观力学；（４）包括光电材料和装置在内材料制造工艺过程的热力建模与计算机模拟。第45页，课件共149页，创作于2023年2月

国民经济生产总值

(GNP)

工业/农业/交通/建筑/商业

一.复合材料的工业应用

二.复合材料在建筑业中的应用

三.复合材料在交通运输业中的应用

四.复合材料在农业生产中的应用

五.复合材料在航空和航天工业应用

六.复合材料在生物工程中的应用复合材料的应用第46页，课件共149页，创作于2023年2月一、复合材料的工业应用

机械工业

汽车制造业

化学工业

采矿工业

能源电力工业第47页，课件共149页，创作于2023年2月1、工业基础件的复合材料化

齿轮轴承刹车闸瓦

各种发动机零部件……第48页，课件共149页，创作于2023年2月1〉复合材料齿轮

耐磨、自润滑、成本低、减振降噪

工程绞车---玻璃纤维增强尼龙6复合材料齿轮15kw噪声减少50%第49页，课件共149页，创作于2023年2月箭杆织布机传动齿轮

玻纤/改性酚醛复合材料70dB---65dB第50页，课件共149页，创作于2023年2月短纤维增强塑料复合材料齿轮

----仪器仪表，办公机械

第51页，课件共149页，创作于2023年2月2〉复合材料轴承

刚度、强度、耐磨性、耐冲击性、抗疲劳性及自润滑功能

铁皮包复木材

钢背衬复合白金衬里

粉末烧结

缩醛含油钢衬缩醛树脂

镶嵌型固体润滑

干膜固体润滑

SF型三层复合复合材料

第52页，课件共149页，创作于2023年2月

SF型滑动轴承

钢背青铜粉聚四氟乙烯或聚甲醛汽车、工程机械、农业机械、水工机械、机床、烘房、冷库、纺织机械、印刷机械、水中机械及真空中工作的仪器仪表第53页，课件共149页，创作于2023年2月短纤维增强塑料保持架短纤维增强塑料内外套圈、滚动体.农业机械、化工机械、通风机械、雷达装备、医院装备、食品机械、体育用具和家具第54页，课件共149页，创作于2023年2月复杂外形的短纤维增强塑料滚动轴承第55页，课件共149页，创作于2023年2月MEMSMEMS陀螺仪封装管壳留片后的硅片MEMS微装配系统第56页，课件共149页，创作于2023年2月反恐防暴机器人第57页，课件共149页，创作于2023年2月2、汽车制造业

能源

排放污染轻量化复合材料化降低能耗减少排放污染减轻自重第58页，课件共149页，创作于2023年2月车身---受力物体---悬挂系统---传动轴---发动机车身20-28%底盘19~24%发动机10~15%内外装饰

20~25%复合材料化第59页，课件共149页，创作于2023年2月

1〉玻纤增强塑料复合材料汽车车身

手糊成形

玻璃钢

1952年第60页，课件共149页，创作于2023年2月1970年

---SMC

90年代---RTM

高速反应注射成型第61页，课件共149页，创作于2023年2月德国Daimler-Chrysler公司

法国雷诺公司

短纤增强热塑性塑料汽车车身第62页，课件共149页，创作于2023年2月

纳米复合材料的汽车车身部件第63页，课件共149页，创作于2023年2月近年复合材料车身新发展

Resinfilminfusion.第64页，课件共149页，创作于2023年2月第65页，课件共149页，创作于2023年2月美国Texas州的汽车复合材料设计公司

热塑性粉末和碳纤维拉挤成型材----

焊结成车身框架----

加热焊结及冷却15秒第66页，课件共149页，创作于2023年2月大型客车

复合材料车身

RTM成型

客车车身侧板第67页，课件共149页，创作于2023年2月

2）复合材料板弹簧

.

70年代初美国GM公司拉挤成型

缠绕成型LiteftexTM

钢板弹簧与复合材料板弹簧性能对比

性能钢板弹簧LiteftexTM板弹簧弹性模量（MPa）20.7×1043.8×104延伸率（%）0.55.0设计应力（MPa）655586应变能储量（N.m/kg）3282520自重(kg)18.63.6第68页，课件共149页，创作于2023年2月第69页，课件共149页，创作于2023年2月3）复合材料发动机

.高压线圈壳、发电机壳、点火线圈分配器壳，仪表盘、正时齿轮、齿形皮带、凸轮罩、密封垫、发动机油底壳、进气歧管第70页，课件共149页，创作于2023年2月

机体缸头缸盖1985年

全复合材料发动机..复合材料传动轴、复合材料发动机散热器复合材料汽车轮壳.第71页，课件共149页，创作于2023年2月复合材料在汽车制造业中的应用---最新动向第72页，课件共149页，创作于2023年2月第73页，课件共149页，创作于2023年2月3、模具制造业复合材料模具---有效的快速制模技术第74页，课件共149页，创作于2023年2月金属喷涂复合材料快速制模第75页，课件共149页，创作于2023年2月第76页，课件共149页，创作于2023年2月4、化学工业聚合物基复合材料------耐腐蚀性能化工设备：贮槽、容器、反应罐、风机、泵、蒸发器、烟筒及管道标准规范第77页，课件共149页，创作于2023年2月第78页，课件共149页，创作于2023年2月第79页，课件共149页，创作于2023年2月

复合材料冷却塔第80页，课件共149页，创作于2023年2月复合材料化工设备第81页，课件共149页，创作于2023年2月5、造船工业.质轻、高强、耐腐蚀、抗生物附着、无磁性、介电性能好、隔热、整体成型工艺性好、维修方便--------聚合物基复合材料40年代中期，美国造出世界上第一艘玻璃钢舰艇复合材料游艇、扫雷艇、帆船、渔船、救生艇及高速客船.中国1958年上海第82页，课件共149页，创作于2023年2月第83页，课件共149页，创作于2023年2月第84页，课件共149页，创作于2023年2月第85页，课件共149页，创作于2023年2月复合材料豪华游艇第86页，课件共149页，创作于2023年2月美国深海运载技术6500米；3人正式立项研制新“阿尔文”号第87页，课件共149页，创作于2023年2月6、能源电力工业轻质高强绝缘性能好

电子功能材料

印刷电路板纸基覆铜板玻璃布基覆铜板通讯设备电磁屏蔽设备输电设备能源设备第88页，课件共149页，创作于2023年2月第89页，课件共149页，创作于2023年2月第90页，课件共149页，创作于2023年2月California高压输电塔26。5米拉挤成型减重2/3第91页，课件共149页，创作于2023年2月风力发电2002年:美国4685MW欧洲23056MW印度1702MW中国468MW2007年:83000MW第92页，课件共149页，创作于2023年2月第93页，课件共149页，创作于2023年2月复合材料飞轮第94页，课件共149页，创作于2023年2月第95页，课件共149页，创作于2023年2月第96页，课件共149页，创作于2023年2月卫星太阳能帆板第97页，课件共149页，创作于2023年2月二、复合材料在建筑业中的应用国民经济支柱产业.减轻自重、提高建筑物的使用功能、革新建筑设计、加速施工进度、降低工程造价.建筑材料结构材料、围护材料、土木工程材料、采光材料、门窗及室内装饰材料、采暖通风材料及卫生洁具材料第98页，课件共149页，创作于2023年2月1.复合材料“洋”房

第99页，课件共149页，创作于2023年2月第100页，课件共149页，创作于2023年2月第101页，课件共149页，创作于2023年2月屋面瓦-------碎石、纤维/树脂复合材料岩棉隔热材料木结构承重墙

------多层复合材料：

石膏面板/木架/发泡塑料/隔热层/单层砖.装饰砖-----

颗粒/基料复合材料

节约能源的优化设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。第102页，课件共149页，创作于2023年2月第103页，课件共149页，创作于2023年2月2.门窗及室内装饰材料、采暖通风材料及卫生洁具材料第104页，课件共149页，创作于2023年2月3.复合材料配筋第105页，课件共149页，创作于2023年2月4.复合材料型材第106页，课件共149页，创作于2023年2月5.复合材料建筑结构上海东方明珠电视塔球形雷达天线罩全玻璃钢球形娱乐场第107页，课件共149页，创作于2023年2月.三、复合材料在交通运输业中的应用交通运输业-----复合材料总量的40%排第一位1交通设施---防撞护栏、道路隔离网、拦杆、防眩板、标牌标志及码头设施.第108页，课件共149页，创作于2023年2月公路路面、机场跑道和桥面

钢纤维混凝土，相对于普通混凝土路面，可减少厚度40~50%；伸缩间距可增大到40~50m，提高了10倍；使用寿命提高一个数量级。第109页，课件共149页，创作于2023年2月

3复合材料桥梁

活载应力

（活载+恒载）应力

钢筋混凝土桥梁10~20%

复合材料桥梁50~70%.

第110页，课件共149页，创作于2023年2月拉挤成型复合材料型材

恒载可减少80%

下部结构的修建

基础处理的工作量

桥梁地震设防措施.第111页，课件共149页，创作于2023年2月手糊成型人行桥.

拉挤成型箱梁/蜂窝夹层结构设计70t的重型卡车100t的坦克.

第112页，课件共149页，创作于2023年2月大型跨海桥樑第113页，课件共149页，创作于2023年2月4自行车、三轮车、摩托车等个人用小型交通工具

质轻、高强、

方便搬运。第114页，课件共149页，创作于2023年2月5铁路运输系统中的复合材料铁路---国民经济的动脉。运输总量的60%。传统铁路系统---优质钢材和木材堆积现代铁路系统---大量地采用复合材料第115页，课件共149页，创作于2023年2月复合材料转向架第116页，课件共149页，创作于2023年2月铁路轨道复合材料绝缘接头机械强度高、压缩率大、复原性好、电绝缘性好、耐水、耐油浸蚀、耐气候性好2002年的JEC奖励第117页，课件共149页，创作于2023年2月铁路客车车箱---玻璃钢和聚氨脂泡沫夹层结构客车的车门和车窗---SMC模压水箱、整体厕所、洗脸间---复合材料。.车内装饰：座椅架、卧铺框板、天花板、车顶通风系统，以及餐车洗菜池----复合材料化。第118页，课件共149页，创作于2023年2月第119页，课件共149页，创作于2023年2月第120页，课件共149页，创作于2023年2月6交通工具的壳体如复合材料拖车车身、运输槽车、冷藏车及高速列车（磁浮列车）的车身，具有重量轻、节能、安全、噪音低、保温、隔热等一系列的优点第121页，课件共149页，创作于2023年2月四、复合材料在农业生产中的应用

农业建筑结构、农业及渔业设施、器具，农业和渔业产品的贮存、包装和运输，以及农业作物的改进种植技术第122页，课件共149页，创作于2023年2月1、透明玻璃钢温室

温室---现代化农业的生产工厂透明玻璃钢的太阳光谱.红橙光散射作物产量高第123页，课件共149页，创作于2023年2月2农场用储水罐第124页，课件共149页，创作于2023年2月3农用机具第125页，课件共149页，创作于2023年2月4

花卉载培用具第126页，课件共149页，创作于2023年2月五、复合材料在航空、航天工业中的应用复合材料首先是在航空、航天飞行器上应用,

然后才扩展到其它领域。第127页，课件共149页，创作于2023年2月复合材料用量占飞机结构重量的比例战斗机20％~50％中大型运输机10％~20％特种飞机40%~80%大型客机25%~55%第128页，课件共149页，创作于2023年2月F18F-1171.

新型战斗机第129页，课件共149页，创作于2023年2月F-35

F-22第130页，课件共149页，创作于2023年2月2.新型轰炸机B-2第131页，课件共149页，创作于2023年2月3.

无人战斗机（UCAV）X-45复合材料用量～90％第132页，课件共149页，创作于2023年2月4.A-380复合材料的应用RearPressureBulkhead:CFRP,ResinFilmInfusion,noncrimpedfabricsHorizontalTailPlane:(IM)CFRP,ATLfortorsionboxandelevatorsCFRPVerticalTailPlane:(IM)CFRP,AutomatedTapeLayingfortorsionboxandruddersWing:GlassThermoplasticJ-noseUn-pressurizedFuselage:solidlaminatedCFRP,AFPUpperDeck