A1-复合材料力学

Chapter1,复合材料概论,1.1复合材料的定义与分类,1.1.1复合材料的定义,Complexstressstate,两种或两种以上的异质、异性、异形的材料，在宏观尺度上复合成一种不同于其组成材料的新型材料。,一般各向异性材料也归于复合材料范畴。,1.1复合材料的定义与分类,1.1.1复合材料的定义,Complexstressstate,复合材料的组成材料称为组分材料。,组分材料分两种。,（1）基体材料,（2）增强体材料,主要承担结构的工作载荷。,主要起粘接增强体、对结构赋形、传递应力和增韧作用。,1.1复合材料的定义与分类,1.1.1复合材料的定义,Complexstressstate,复合材料的组成材料称为组分材料。,组分材料分两种。,（1）基体材料,（2）增强体材料,有机聚合物，金属，陶瓷，水泥，碳（石墨）等。,纤维（连续纤维，长纤维，短纤维，晶须）,颗粒（宏观量级，微米量级，纳米量级）,片材（人工晶片，天然片状物）,复合材料的特点：,（1）复合材料的性能优于各组分材料的性能，可能具有组分材料所没有的全新性能。,双金属材料在温度升高时具有弯曲效应。,（2）复合材料含有两种或两种以上物理上不同但可用机械方法分离的材料。,优性能,可加工性,（3）复合材料可以通过将几种分离的材料混合在一起而制成。,复合材料的特点：,混合方法：,人为控制下将某种材料分散在其他材料中，使其达到最佳性能。,（4）复合材料可以通过选取不同的组分材料，改变组分材料的含量与分布等微结构参数，以改变复合材料的性能。,即复合材料具有可设计性并拥有最大的设计自由度。,可控制性,可设计性,复合材料的特点：,1）天然复合材料：天然形成的复合材料，包括一般的各向异性材料。,2）构造复合材料：基于特殊目的，通过加工、混合人为制造的复合材料。,工程中一般使用构造复合材料。,构造复合材料能改善的性能：,1.1.2复合材料的分类,（1）按形成分类,1.1.2复合材料的分类,（2）按性能优劣分类,1）常用复合材料,例：玻璃-环氧树脂复合材料；草泥墙；夯土结构。,2）先进复合材料,例：以碳、芳纶、硼等纤维和晶须等高性能增强体与耐高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等基体复合而成的复合材料。,（3）按用途分类,1）结构复合材料,主要用于制造承力或次承力构件的复合材料。,2）功能复合材料,实现具有某种特殊功能的复合材料。例如：导电性，导热性，导磁性，屏蔽性或绝缘性，绝热性等等。,结构复合材料按基体分类：,聚合物基复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料,碳基复合材料,水泥基复合材料,结构复合材料,结构复合材料按增强体分类：,纤维增强复合材料,颗粒增强复合材料,片材增强复合材料,层叠式复合材料,结构复合材料,连续纤维复合材料,不连续纤维复合材料,1.1.3几种常见纤维,1.玻璃纤维,1）玻璃纤维品种,E玻璃,C玻璃,S玻璃,玻璃璃纤维品种,2）玻璃纤维的特点,直径：,强度高，伸长率大，可制造成织物。,弹性模量：,较低，与铝差不多。,耐高温性能：,一般硅酸盐玻璃纤维,石英或高氧玻璃纤维,1.1.3几种常见纤维,2.碳纤维,1）碳纤维品种,高强度,高模量,碳纤维品种,2）碳纤维的特点,直径：,强度高：,弹性模量：,最大伸长率：,石墨化处理。,通过各种有机纤维加热碳化而成。主要以聚丙烯晴纤维或沥青为原料，经纤维加热氧化，碳化，石墨化处理而成。,工艺简单，价格便宜。,线膨胀系数：,沿纤维方向,垂直纤维方向,1.1.3几种常见纤维,3.高强有机纤维,高强有机纤维的特点：,例1：Kevlar49（杜邦公司）,抗拉强度：,弹性模量：,密度：,（1）通过分子设计并借助相应合成方法制备具有刚棒状分子链的聚合物。如聚芳酰胺，聚芳脂类等。（2）合成超高分子量的柔性链聚合物。如聚乙烯。,高强度，高模量。,例2：超高分子聚乙烯,抗拉强度：,弹性模量：,密度：,1.1.3几种常见纤维,4.无机纤维,无机机纤维的特点：,例1：硼纤维,抗拉强度：,弹性模量：,密度：,高强度，高模量，高熔点，比重较大。特别适合与金属基，陶瓷基和碳基等形成复合材料。,例2：碳化硅纤维（CVD法生产）,抗拉强度：,弹性模量：,密度：,直径：,直径：,价格昂贵,例3：碳化硅纤维（有机体先驱纤维烧制）,抗拉强度：,弹性模量：,密度：,直径：,玻璃纤维,氧化铝纤维,聚乙烯,聚乙烯,硅酸铝纤维,各种纤维增强体的抗拉强度和弹性模量：,1.1.4几种常用基体,1.树脂基体,（1）热固性树脂基体,环氧树脂,酚醛树脂,不饱和聚酯树脂,环氧树脂用得最广泛,环氧树脂特点：,酚醛树脂特点：,1.1.4几种常用基体,1.树脂基体,（2）热塑性树脂基体,聚乙烯,聚酰胺（尼龙）,聚碳酸脂,热塑性树脂特点：,加热到转变温度时会从新软化，易于制造模压复合材料。,聚苯乙烯,聚苯烯,1.1.4几种常用基体,2.金属基体,基体材料：,铝，铝合金，镍，钛合金，镁，铜等。,用途：,主要用于耐高温或其他特殊需要场合的复合材料。,特点：,应用较多的是铝。,耐300度以上高温,表面抗浸蚀,导热导电,不透气,1.1.4几种常用基体,3.陶瓷基体,基体材料：,陶瓷，玻璃，玻璃陶瓷。,用途：,前景大好！是目前主要研究的材料。,特点：,耐高温,化学稳定性好,高模量,高抗压强度,易碎,抗冲击性差,用纤维增强陶瓷基复合材料，可改善其抗冲击能力。,1.1.4几种常用基体,3.碳素基体,用途：,主要用于碳纤维增强基体复合材料。,根据纤维与基体的不同分类：,称为碳/碳复合材料。,碳纤维增强碳,石墨纤维增强碳,石墨纤维增强石墨,特点：,耐高温性最高,强度随温度增加而增加，2500度时达到最大值。,抗烧蚀性好,抗热震性好,碳/碳复合材料主要用于导弹头部再入热防护，固体发动机喷管和飞机刹车片等。,本课程主要介绍纤维增强复合材料。,1.2复合材料的结构形式与制造方法,1.2.1复合材料的基本结构形式,1.单向板,1，2，3称为材料的主轴,1.2复合材料的结构形式与制造方法,1.2.1复合材料的基本结构形式,2.层合板,若干材料主向不同的单向板叠合在一起的板,主要用于满足某些方向要求的强度和刚度，以达到结构在某些方向的承载荷能力。,1.2.2复合材料的制造方法,1.2复合材料的结构形式与制造方法,1.组分材料的初始形式,2.制造方法,层合纤维增强复合材料,纤维预浸渍,用树脂材料浸泡,1.2.3复合材料的质量控制,1.2复合材料的结构形式与制造方法,纤维复合材料制造和成型过程中，材料缺陷将直接影响产品是否达到设计的强度和刚度。,质量控制是关键。,纤维复合材料制造和成型过程中，可能的缺陷有：,1.3复合材料的特性和分析方法,1.复合材料的特性,（1）力学性能非均匀性、各向异性与随机性,（2）比强度、比模量高,单位质量的强度和模量称为比强度和比模量。,碳化硅纤维,复合材料和一般材料的比强度和比模量比较图,1.3复合材料的特性和分析方法,1.复合材料的特性,（1）力学性能非均匀性、各向异性与随机性,（2）比强度、比模量高,单位质量的强度和模量称为比强度和比模量。,（3）材料具有可设计性,（4）制造工艺简单，成本低,（5）热稳定性好,1.3复合材料的特性和分析方法,2.复合材料的分析方法,（1）宏观力学分析方法,从复合材料平均表现性能检验组分材料的作用来研究其宏观力学性能,不考虑纤维和基体材料的具体区别，用平均性能表示单层材料的强度和刚度特性。分析单层和叠层材料的宏观力学行为。,复合材料力学主要采用这种方法。,1.3复合材料的特性和分析方法,2.复合材料的分析方法,（2）细观力学分析方法,分析组分之间的相互影响来研究复合材料的宏观力学性能,根据纤维材料的几何物理特性以及在基体中的分布情况，分析与基体材料的相互影响与作用，从而预测复合材料的宏观力学性能与行为。,复合材料力学也采用