复合材料力学沈观林编着清华大学出版社

1、复合材料力学沈观林编著 清华大学出版社 第一章 复合材料概论 1.1 复合材料及其种类 1、复合材料是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。 2、复合材料从应用的性质分为功能复合材料和结构复合材料两大 类。功能复合材料主要具有特殊的功能。 3、结构复合材料由基体材料和增强材料两种组分组成。其中增强材 料在复合材料中起主要作用，提供刚度和强度，基本控制其性能。基 体材料起配合作用，支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷，保护 纤维。 根据复合材料中增强材料的几何形状， 复合材料可分为三大类： 颗粒 复合材料、纤维增强复合材料 （fiber-reinforc

2、ed composite） 、层和 复合材料。 （1）颗粒：非金属颗粒在非金属基体中的复合材料如混凝土；金属颗 粒在非金属基体如固体火箭推进剂；非金属在金属集体中如金属陶 瓷。 （2）层合（至少两层材料复合而成） ：双金属片； 涂覆金属； 夹层玻璃。 （3）纤维增强： 按纤维种类分为玻璃纤维 （玻璃钢）、硼纤维、碳纤维、 碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。 按基体材料分为各种树脂基体、 金属基体、 陶瓷基体、和碳基体。 按纤维形状、尺寸可分为连续纤维、短纤维、纤维布增强复合材 料。 还有两种或更多纤维增强一种基体的复合材料。 如玻璃纤维和碳 纤维增强树脂称为混杂纤维复合材料。 5、常用纤维（

3、性能表见 P7表 1-1） 玻璃纤维（高强度、高延伸率、低弹性模量、耐高温） 硼纤维（早期用于飞行器，价高） 碳纤维（主要以聚丙烯腈 PAN 纤维或沥青为原料，经加热氧化，碳 化、石墨化处理而成；可分为高强度、高模量、极高模量，后两种成 为石墨纤维（经石墨化 25003000C）；密度比玻璃纤维小、弹性模 量比其高；应力应变关系为一直线，纤维断裂前是弹性体；高模量 碳纤维的最大延伸率为 0.35%,高强度的延伸率为 1.5%；纤维直径 610 m；各向异性，沿纤维方向热膨胀系数 1=-0.710-6-0.9 10-6，垂直于纤维方向 2=2210-63210-6） 芳纶纤维（ Kevlar，聚

4、芳酰胺， K-29 绳索电缆、 K-49 复合材料制造、 K-149 航天容器；单丝强度比玻璃纤维高 45%，弹性模量为碳纤维一 半， 与碳纤维接近） 碳化硅纤维与氧化铝纤维（同属于陶瓷纤维，碳化硅有抗氧化、耐腐 蚀、耐高温优点，与金属相容性好；氧化铝纤维有多重制法） 6、常用基体 树脂基体（分为热固性树脂和热塑性，热固性有环氧、酚醛、不饱和 聚酯树脂等；其中环氧应用最广，粘结力强、表面浸润性好、固化收 缩性较高、耐热性固化方便；酚醛耐高温、吸水性小，电绝缘性好、 便宜；聚酯工艺性好，室温固化，固化后均不能软化；热塑性有聚乙 烯、聚苯乙烯、聚酰胺 /尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯等，加热转变温度 会重

5、新软化，制成模压复合材料） 金属基体（耐高温、抗侵蚀、导电导热、不透气，应用较多的是铝） 陶瓷基体（耐高温、化学稳定性好、高模量、高抗压强度、耐冲击性 差） 碳素基体（主要用于碳纤维增强碳基体复合材料，又称为碳/碳复合 材料， C-CA 、C-CE 分别用聚丙烯腈氧化法和催化法生产） 1.2 复合材料的构造及制法 1、纤维增强复合材料几种构造形式： （1）单层复合材料（单层板），纤维按一个方向整齐排列或由双向交 织纤维平面排列。其中纤维方向称为纵向，用“ 1”表示，垂直于纤 维方向为横向，用“ 2”表示，沿单层材料厚度方向用“ 3”表示， 1、 2、3 轴称为材料主轴。一般是各向异性的。 单层

6、板中纤维起增强和主要承载作用， 基体起支撑纤维、 保护纤 维、分配和传递纤维间载荷作用。机理是在集体中产生剪应力，其应 力应变关系看作线弹性的。 （2）叠层复合材料（层合板），由单层板按照规定的纤维方向和次序， 铺放成叠层形式，进行粘合，经热固化处理而成。每层纤维方向与叠 层材料总坐标轴 x-y 方向不一定相同，用角 （ 1 轴与 x 轴夹角， x 轴逆时针方向到 1 轴为正） 其他层合板铺层表示举例如下： 60/-60/0/-60 /60，可 表示为（ 60/0）s，这里 s 表示对称，“”表示两层正负交错。 45/90/0/0/90/45还可表示为（ 45 /90/0） s,s 表 示普层

7、上下对称。 层合板也是各向异性的不均匀材料。 （3）短纤维复合材料，分为随机取向的短切纤维复合材料和单向短 纤维复合材料（具有正交各向异性） 。 2、制造方法 （1）玻璃纤维环氧复合材料（预浸料成型） （2）碳纤维增强环氧复合材料（碳纤维整齐排列环氧树脂溶液 预浸料片剪裁成单层板铺成多层复合板热压成层合板材） （3）碳纤维增强金属基复合材料（扩散结合法、熔融金属渗透法、 连续铸造法、等离子喷涂法） （4）单向短纤维复合材料（悬浮在甘油中不停搅动纤维走向与流 向相同纤维液膜沉积定向纤维毡加树脂并模压成单向短纤维 复合材料板） 1.3 复合材料的力学分析方法 （1）细观力学：以纤维和基体作为基本单

8、元，把纤维和基体分别看 成是各向同性的均匀材料， 根据材料纤维的几何形状和布置形式、 纤 维和基体的力学性能、 纤维和基体之间的相互作用 （有时考虑界面作 用）等条件来分析复合材料的宏观物理力学性能。比较精细与复杂。 （2）宏观力学：假定材料是均匀的，只从复合材料的平均表观性能 检验组分材料的作用来研究复合材料的宏观力学性能。 基础是预知单 层材料的宏观性能，如弹性常数、强度等，这些数据来自实验测定或 细观力学分析。 （3）结构力学：借助现有均匀各向同性材料结构力学的分析方法， 对各种形状的结构元件进行力学分析。 1.4复合材料的力学性能 1、纤维增强复合材料 作为主要力学性能比较，常常采用比

9、强度（ b/）和比模量 （E/ ）值（b为纵向拉伸强度， E 为纵向拉伸模量， 为相对密度 ），它 们表示在重量相当情形下材料的承载能力和刚度， 其值越大， 表示性 能越好。 2、优点：比强度高、比模量高、材料具有可设计性、制造工艺简单 成本低、热稳定性好、高温性能好。 3、缺点：各向异性严重、材料性能分散度较大、材料成本较高、有 些韧性较差，机械连接困难。 第二章 各向异性弹性力学基础 2.1 各向异性弹性力学基本方程 1、弹性体任意一点共有 15 个未知数 6 个应力分量（ x、 y、 z、xy、 yz、 zx）、 6 个应变分量 （ x、y、z、 xy、yz、 zx）、3 个位移分量 （

10、u、 v、w）。 2、 15个方程，加上给定力的边界条件和给定位移的边界条件可以确 定 15 个未知量。 2.2 各向异性弹性体的应力应变关系 1、=C 能量只取决于应力状态或应变状态， 而与加载过程无关， 这种能 量称为应变势能。单位体积的应变势能又称为应变势能密度，用 W 表示。 2、 =S 满足以上两式的应力应变关系的材料为各向异性材料。 2.3 正交各向异性材料的工程弹性常数 1、麦克斯韦定理 P40 2-36 2、弹性模量、泊松比、剪切弹性模量的范围，用来判断实验数据的 正确性。 第三章 单层复合材料的宏观力学分析 3.1 平面应力应变关系 3.2 任意方向的应力应变关系 转轴公式 、 3.3 强度 1、各向同性材料四大强度理论 2、正交各向异性单层材料的强度概念 3.4 正交各向异性单层材料 1、最大应力理论 各方向均需满足 出现尖点，与实验结果不很一致 2、最大应变理论 不一致比最大 应力理论还明显 3、Hill-