工程材料力學(xué)性能第七章

2023/1/13材料力學(xué)性能1第二篇復(fù)合材料的力學(xué)性能復(fù)合材料是一種新發(fā)展起來的新材料，也是高新技術(shù)之一。由于復(fù)合材料所具有的許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如比強(qiáng)度和比模量高，抗疲勞性能和抗振性能好，結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性和工藝性等等，在國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，從航空、航天到汽車、造船，從化工、機(jī)械到建筑、能源……起來越來越得到廣泛的應(yīng)用。2023/1/13材料力學(xué)性能2“首相一號”公務(wù)機(jī)在上海虹橋機(jī)場亮相?！笆紫嘁惶枴鄙衿嬷幵谟?，該飛機(jī)機(jī)艙不用金屬框架、不用航空鋁，而是用碳纖維復(fù)合材料從里到外一層層“織”出來的，在同等外徑的條件下，這樣制作的機(jī)艙比傳統(tǒng)航空鋁機(jī)艙輕２０％，強(qiáng)度卻要提高３倍。2023/1/13材料力學(xué)性能3復(fù)合材料的增強(qiáng)概念并不是新的概念。復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到幾千年以前的古老年代。古代采用粘土和稻草砌成泥墻；中世紀(jì)用不同材料層合做成的弓（以木材為芯，受拉面膠有平等的纖維，受壓面膠有牛角）、劍和盔甲等。近代的膠合板和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際上都可以算是復(fù)合材料?，F(xiàn)代復(fù)合材料從上個世紀(jì)40年代使用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物基體復(fù)合材料（俗稱玻璃鋼）算起僅有幾十年的歷史。這種材料剛度較低，限制了它在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。2023/1/13材料力學(xué)性能4玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制作的直升機(jī)旋翼系統(tǒng)，使直升機(jī)的機(jī)動性和加速性都得到改善，壽命幾乎達(dá)到無限。

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60年代高模量硼纖維的出現(xiàn)，硼/環(huán)氧復(fù)合F-111水平安定面的研制成功，開始了復(fù)合材料的高性能航空、航天結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。此后碳纖維、芳綸纖維相繼問世，并很快形成了商品化產(chǎn)品，與此同時，適合各種使用環(huán)境要求的多種環(huán)氧樹脂可供設(shè)計(jì)者選用，這不僅使復(fù)合材料成為高性能結(jié)構(gòu)的理想的結(jié)構(gòu)材料，而且也使復(fù)合材料成為科學(xué)技術(shù)上的一大突破。2023/1/13材料力學(xué)性能6戰(zhàn)斗機(jī)中大量使用復(fù)合材料，約占結(jié)構(gòu)總重量20~40%，直升機(jī)中約占40~50%。復(fù)合材料在汽車、交通運(yùn)輸、工業(yè)設(shè)備和化工、石油管道方面廣泛應(yīng)用。F-22“猛禽”

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民用方面A310-300全尺寸復(fù)合材料垂直安定面翼盒、波音767地板梁和所有損傷面使用近20噸復(fù)合材料2023/1/13材料力學(xué)性能8俄羅斯巨型運(yùn)輸機(jī)安-124的部件使用了5.5噸復(fù)合材料2023/1/13材料力學(xué)性能9

2023/1/13材料力學(xué)性能102023/1/13材料力學(xué)性能11B-787采用復(fù)合材料達(dá)50%的先進(jìn)大型民機(jī)“夢幻飛機(jī)”2023/1/13材料力學(xué)性能12目前發(fā)展和應(yīng)用仍以熱固性樹脂基體碳纖維復(fù)合材料為主，硼纖維成本高，加工困難，用量很少，芳綸纖維吸濕開裂，吸濕增重，影響使用。航空、航天技術(shù)的需求推動了金屬基、陶瓷基和C/C復(fù)合材料的發(fā)展。復(fù)合材料力學(xué)性能的基本特點(diǎn)是各向異性、可設(shè)計(jì)性和結(jié)構(gòu)特性。這些性質(zhì)以及它們引起的特殊力學(xué)行為是均質(zhì)的各向同性材料不具備的。因此，我們需要學(xué)習(xí)有關(guān)復(fù)合材料的理論，掌握其力學(xué)行為的基本特征及有效的試驗(yàn)方法。復(fù)合材料力學(xué)分為微觀力學(xué)和宏觀力學(xué)。微觀力學(xué)主要研究纖維、基體組分性能與單向板性能關(guān)系；宏觀力學(xué)主要研究層合板的剛度與強(qiáng)度分析，溫濕環(huán)境影響等。2023/1/13材料力學(xué)性能13第七章復(fù)合材料的一般

特性、增強(qiáng)機(jī)理2023/1/13材料力學(xué)性能14第一節(jié)研究對象

復(fù)合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同的組分構(gòu)成的材料，然而這樣的材料太多了。僅當(dāng)材料各組分具有明顯不同的物理性質(zhì)、組分間存在明顯的界面，且復(fù)合后材料的性質(zhì)也明顯不同于組分性質(zhì)時，才能把這種材料稱為復(fù)合材料。2023/1/13材料力學(xué)性能15復(fù)合材料分類：

按基體材料分類：聚合物基復(fù)合材料（有機(jī)非金屬材料、熱固性塑料、熱塑性塑料）金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料（無機(jī)非金屬材料）2023/1/13材料力學(xué)性能16

按增強(qiáng)材料分類：

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（連續(xù)長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料，可以是纖維束增強(qiáng)，也可以是織物增強(qiáng)）

短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料如模壓復(fù)合材料（SMC）和捏塑復(fù)合材料（DMC）

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料2023/1/13材料力學(xué)性能17

同質(zhì)物質(zhì)復(fù)合的復(fù)合材料基體和纖維采用同一物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料，如碳-碳復(fù)合材料。從以上可以看出，在復(fù)合材料中包含了一種或幾種不連續(xù)相和一種連續(xù)相，不連續(xù)相鑲嵌于連續(xù)相中。通常不連續(xù)相的強(qiáng)度和硬度比連續(xù)相高，稱作增強(qiáng)組分或增強(qiáng)材料，而連續(xù)相稱為基體。本課程主要討論結(jié)構(gòu)材料使用的復(fù)合材料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。2023/1/13材料力學(xué)性能18第二節(jié)復(fù)合材料的一般特性

纖維與基體復(fù)合后，基體提供了一個連續(xù)的介質(zhì)，既保持了纖維的鋪設(shè)方向，又從結(jié)構(gòu)上保證了纖維的載荷傳遞，允許纖維承受壓縮和剪切載荷，同時，基體在纖維間起著分散和傳遞載荷的作用，也提高了纖維沿纖維方向的承載能力。因此，復(fù)合材料的性質(zhì)強(qiáng)烈地受組分的性質(zhì)、分布和相互作用的影響。2023/1/13材料力學(xué)性能19

復(fù)合材料性質(zhì)可能是組分性質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)和；或者，當(dāng)不能用組分性質(zhì)的簡單體積分?jǐn)?shù)和來估算時，以某種疊加方法表征組分的相互作用，從而預(yù)測復(fù)合材料的性質(zhì)。因此在描述一個復(fù)合材料體系時，除了要了解組分材料及其性質(zhì)外，還需要了解增強(qiáng)組分的幾何條件（包括形狀、尺寸和尺寸分布），增強(qiáng)組分的密集度及密集度分布和增強(qiáng)組分的方向。這些因素雖然很重要，但理論研究中對上述因素都說明很困難。2023/1/13材料力學(xué)性能20

密集度通常用組分的體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示。密集度不僅是影響復(fù)合材料性能的一個重要參數(shù)，而且它是復(fù)合材料制造過程中用來改變材料性能的一個易于控制的參數(shù)。

密集度分布是材料體系勻相性的量度。決定復(fù)合材料性能實(shí)際值與平均值的差異程度。增強(qiáng)組分的方向?qū)?fù)合材料性能有重大影響。若纖維隨機(jī)取向，則各向同性，而各向異性是人們希望的。2023/1/13材料力學(xué)性能21第三節(jié)增強(qiáng)機(jī)理及分類

對復(fù)合材料的