第一章 复合材料力学绪论

复合材料及其力学基础西南交通大学应用力学与工程系2014年 2月第一章 绪论 1-1 复合材料的定义及分类 1-3 复合材料的力学分析方法1-4 复合材料的性能 1-5 复合材料的应用 1-6 复合材料的构造及制法 1-2 复合材料的组分 1-1 复合材料的定义及分类 一、复合材料的定义广义： 由两相或多相组分构成的材料（包括自然的和人工的）。狭义： 由 两种 或 多种不同性质 的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。1、定义 复合材料的发展，经历了古代、近代和现代三个阶段 自古以来，人们就会使用天然的复合材料 木材、竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中掺稻草，制成土坯砖。 近代复合材料最早的有 玻璃纤维增强树脂 （如酚醛树脂、环氧树脂等） 玻璃钢。 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、耐腐蚀、电性能等提出了更高要求，使现代 先进复合材料蓬勃发展起来 高性能纤维 和其他各种形式的复合材料复合材料应具有如下三个特点： 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，组元间存在着明显的界面； 各组元不但保持各自的固有特性，而且还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； 复合材料具有可设计性。2、特点3、基体和增强体 基 体： 复合材料中比较连续的相；增强相： 其它一些以独立形态分布于整个连续相中的分散相；界 面： 两者之间的结合部称为界面。 二、复合材料的分类 1、按来源分： 天然（竹、木材、麻等）； 人工 2、按基体材料的种类分： 聚合物基复合材料：热固性、热塑性、橡胶； 金属基复合材料：铝，钛合金； 陶瓷基复合材料； 石墨基复合材料： C-C； 混凝土基复合材料 3、按增强相分类： 纤维增强复合材料：长纤维，短纤维； 晶须增强复合材料； 颗粒增强复合材料； 混合增强复合材料：不同形态的增强相共同增强的复合材料。4、按用途分类： 结构复合材料； 功能复合材料：电磁学、光学、热学、声学及摩擦、阻尼材料； 智能复合材料：自适应环境。 1-2 复合材料的组分 1-2-1 树脂基复合材料一、纤维（增强体） 1、对纤维的基本要求 1）力学性能：一般要求要高2）表面状态：应易于与树脂浸润3）长度、根数及捻度：长度应满足 FRC的要求；纤维束丝中单丝根数应能符合 FRC每层压厚的要求。6）环扣强度：是衡量纤维柔韧性的一个指标，可用来表明纤维工艺性能的好坏。 4）细度和均匀度：细度是指单丝直径；均匀度是指直径的均匀程度，须满足一定的规定。5）毛丝，毛团：为纤维束中的杂质，在一定纤维束长度上不允许超过一定数目。2、纤维的分类： 无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维及氧化硅、氧化铝纤维等；有机纤维：芳纶纤维、尼龙纤维及聚烯烃纤维等。1）玻璃纤维 3、几种常用的纤维 拉伸强度 2.54.58GPa；密度 2.142.55g/cm3；拉伸模量 5586GPa；延伸率 3.375.2% 拉伸强度 1.7GPa；拉伸模量 200400GPa；耐高温： 2000 。2）碳纤维 3）芳纶 拉伸强度高，约为铝合金的 5倍；弹性模量高，比玻璃纤维高 1倍；密度小；韧性好 。 4）硼纤维 拉伸强度 3.45GPa；密度 2.42.6g/cm3；拉伸模量 400GPa5）氧化铝纤维 拉伸强度 1.72.0GPa；密度 3.95g/cm3；拉伸模量 380GPa6）碳化硅纤维 拉伸强度 3.35GPa；密度 3.05g/cm3；拉伸模量400GPa玻璃纤维绳玻璃纤维布玻璃纤维绳玻璃纤维纸纳米碳管纤维碳纤维绳二、树脂基体1、 FRC树脂基体的基本要求 1）分子量及其分布：分子量要适中，其分布范围应尽量小。2）粘度和流动性：若树脂粘度小，则易于浸渍纤维，并且流动性好。3）挥发分 ：树脂挥发分应尽量小4）固化特性：要求固化温度尽可能低，固化压力尽可能小，固化时间尽可能短。5）力学性能：具有一定的强度，模量，延伸率，压缩性能。6）与纤维的相容性：要好。7）耐热性能：包含耐温性和耐热老化性。8）有耐腐蚀性能，介电性能，阻燃性，自熄性等。2、树脂的分类分为热固性树脂和热塑性树脂两类。 热固性： 加温和加压固化，不溶不熔，不可再利用。如聚酯，环氧，聚酰亚胺，酚醛等。热塑性： 加热液化，可溶可熔，结晶态有固定熔点，可再利用。如聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯等。1、 MMC对增强体的基本要求1-2-2 金属基复合材料一、增强体1）应具有能明显提高金属基体所需特性的性能；2）应具有良好的化学稳定性，在金属基复合材料制备和使用过程中基体有良好的化学相容性，不发生严重的界面反应；3）与金属有良好的浸润性或通过表面处理能与金属良好浸润，以保证增强物与金属基体良好的复合和均匀分布。2、分类 按形态可分为长纤维、短纤维、晶须和颗粒增强体；从材质来看有碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、石墨纤维、碳化钛纤维、氮化硼纤维等。二、基体 1、选择基体应注意的事项 1）满足金属基复合材料的不同使用要求 飞行器和卫星构件 密度小的轻金属合金，如 Mg、 Al合金；高性能发动机 耐高温的合金，如 Ti、 Ni基合金；汽车发动机 耐磨，耐热，导热，一定的高温强度，价廉的合金，如 Al合金；电子工业集成电路 高导热，低热膨胀材料，如银，铜，铝等金属。2）应注意金属基复合材料组成的特点长纤维复合材料 纯或含有少量合金元素的合金，如纯铝或铝合金（低强度）；不连续增强复合材料 高强度合金 。1-3 复合材料的性能 一、复合材料的优点 1. 材料性能的可设计性其宏观性能可根据人们的需要通过细观性能来设计，因此可充分发挥材料的潜力。 2. 制造工艺简单，成本较低。3. 化学稳定性高。4、 比强度，比刚度高 材料 密度 模量(GPa)强度 (MPa) 比刚度 比强度连续 S-玻璃纤维 /环氧树脂1.99 60 1750 30.2 87925%SiCw/ 氧化铝3.7 390 900（弯曲强度）105 243.2GRP(GF/EP) 1.8 38.6 1500 2104 833.3CRP(CF/EP) 1.6 181.0 1062 113.1 663.850%Al 2O3f/Al 2.9 130 900 49 310高强 Al合金 2.4 68 400 28.8 166.7A3钢 7.86 210 460 27 597、 其它的特殊性能： 5、 高、低温性能好，膨胀系数小6、 耐磨、减摩，自润性好具有耐烧蚀性，耐辐射性，耐蠕变性以及特殊的光，电，磁性能。 二、复合材料的缺点1. 材料性能的各向异性严重垂直于纤维方向的力学性能较低，特别是层间剪切强度很低。 2. 材料性能分散性较大，质量控制和检测比较困难。3. 材料成本较高。4. 有些复合材料韧性差，机械连接较困难。1-4 复合材料的应用 一、航空航天工程碳纤维树脂基复合材料：发动机叶片。硼纤维 /铝： TF30-发动机叶片。玻璃钢：直升机旋翼。CF/GF复合材料：军用飞机机翼、机身。石墨纤维复合材料：喷气发动机CF/KF混杂复合材料：起落架