第一章 復(fù)合材料力學(xué)緒論

復(fù)合材料及其力學(xué)基礎(chǔ)西南交通大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系2014年2月第一章緒論

§1-1復(fù)合材料的定義及分類

§1-3復(fù)合材料的力學(xué)分析方法§1-4復(fù)合材料的性能

§1-5復(fù)合材料的應(yīng)用

§1-6復(fù)合材料的構(gòu)造及制法

§1-2復(fù)合材料的組分

§1-1復(fù)合材料的定義及分類一、復(fù)合材料的定義廣義：由兩相或多相組分構(gòu)成的材料（包括自然的和人工的）。

狹義：由兩種或多種不同性質(zhì)的材料用物理和化學(xué)方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。1、定義復(fù)合材料的發(fā)展，經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代三個(gè)階段自古以來(lái)，人們就會(huì)使用天然的復(fù)合材料——木材、竹、骨骼等。最原始的人造復(fù)合材料是在粘土泥漿中摻稻草，制成土坯磚。近代復(fù)合材料最早的有玻璃纖維增強(qiáng)樹脂（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等）——玻璃鋼。原子能、航空、航天、電子、化工等的發(fā)展，對(duì)材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、高韌性、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、電性能等提出了更高要求，使現(xiàn)代先進(jìn)復(fù)合材料蓬勃發(fā)展起來(lái)——高性能纖維和其他各種形式的復(fù)合材料

復(fù)合材料應(yīng)具有如下三個(gè)特點(diǎn)：由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過(guò)宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元間存在著明顯的界面；各組元不但保持各自的固有特性，而且還最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。2、特點(diǎn)3、基體和增強(qiáng)體

基體：復(fù)合材料中比較連續(xù)的相；增強(qiáng)相：其它一些以獨(dú)立形態(tài)分布于整個(gè)連續(xù)相中的分散相；界面：兩者之間的結(jié)合部稱為界面。

二、復(fù)合材料的分類

1、按來(lái)源分：①天然（竹、木材、麻等）；②人工2、按基體材料的種類分：①聚合物基復(fù)合材料：熱固性、熱塑性、橡膠；②金屬基復(fù)合材料：鋁，鈦合金；③陶瓷基復(fù)合材料；④石墨基復(fù)合材料：C-C；⑤混凝土基復(fù)合材料3、按增強(qiáng)相分類：①纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：長(zhǎng)纖維，短纖維；②晶須增強(qiáng)復(fù)合材料；③顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；④混合增強(qiáng)復(fù)合材料：不同形態(tài)的增強(qiáng)相共同增強(qiáng)的復(fù)合材料。4、按用途分類：①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；②功能復(fù)合材料：電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)及摩擦、阻尼材料；③智能復(fù)合材料：自適應(yīng)環(huán)境?！?-2復(fù)合材料的組分

§1-2-1樹脂基復(fù)合材料一、纖維（增強(qiáng)體）

1、對(duì)纖維的基本要求

1）力學(xué)性能：一般要求要高2）表面狀態(tài)：應(yīng)易于與樹脂浸潤(rùn)3）長(zhǎng)度、根數(shù)及捻度：長(zhǎng)度應(yīng)滿足FRC的要求；纖維束絲中單絲根數(shù)應(yīng)能符合FRC每層壓厚的要求。6）環(huán)扣強(qiáng)度：是衡量纖維柔韌性的一個(gè)指標(biāo)，可用來(lái)表明纖維工藝性能的好壞。4）細(xì)度和均勻度：細(xì)度是指單絲直徑；均勻度是指直徑的均勻程度，須滿足一定的規(guī)定。5）毛絲，毛團(tuán)：為纖維束中的雜質(zhì)，在一定纖維束長(zhǎng)度上不允許超過(guò)一定數(shù)目。2、纖維的分類：

無(wú)機(jī)纖維：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維及氧化硅、氧化鋁纖維等；有機(jī)纖維：芳綸纖維、尼龍纖維及聚烯烴纖維等。1）玻璃纖維

3、幾種常用的纖維

拉伸強(qiáng)度2.5~4.58GPa；密度2.14~2.55g/cm3；拉伸模量55~86GPa；延伸率3.37~5.2%拉伸強(qiáng)度>1.7GPa；拉伸模量200~400GPa；耐高溫：2000℃。2）碳纖維

3）芳綸拉伸強(qiáng)度高，約為鋁合金的5倍；彈性模量高，比玻璃纖維高1倍；密度??；韌性好。4）硼纖維拉伸強(qiáng)度>3.45GPa；密度2.4~2.6g/cm3；拉伸模量400GPa5）氧化鋁纖維

拉伸強(qiáng)度1.7~2.0GPa；密度3.95g/cm3；拉伸模量380GPa6）碳化硅纖維

拉伸強(qiáng)度>3.35GPa；密度3.05g/cm3；拉伸模量400GPa玻璃纖維繩玻璃纖維布玻璃纖維繩玻璃纖維紙納米碳管纖維碳纖維繩二、樹脂基體1、FRC樹脂基體的基本要求1）分子量及其分布：分子量要適中，其分布范圍應(yīng)盡量小。2）粘度和流動(dòng)性：若樹脂粘度小，則易于浸漬纖維，并且流動(dòng)性好。3）揮發(fā)分：樹脂揮發(fā)分應(yīng)盡量小4）固化特性：要求固化溫度盡可能低，固化壓力盡可能小，固化時(shí)間盡可能短。5）力學(xué)性能：具有一定的強(qiáng)度，模量，延伸率，壓縮性能。6）與纖維的相容性：要好。7）耐熱性能：包含耐溫性和耐熱老化性。8）有耐腐蝕性能，介電性能，阻燃性，自熄性等。2、樹脂的分類分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩類。熱固性：加溫和加壓固化，不溶不熔，不可再利用。如聚酯，環(huán)氧，聚酰亞胺，酚醛等。熱塑性：加熱液化，可溶可熔，結(jié)晶態(tài)有固定熔點(diǎn)，可再利用。如聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯等。1、MMC對(duì)增強(qiáng)體的基本要求§1-2-2金屬基復(fù)合材料一、增強(qiáng)體1）應(yīng)具有能明顯提高金屬基體所需特性的性能；2）應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在金屬基復(fù)合材料制備和使用過(guò)程中基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)；3）與金屬有良好的浸潤(rùn)性或通過(guò)表面處理能與金屬良好浸潤(rùn)，以保證增強(qiáng)物與金屬基體良好的復(fù)合和均勻分布。2、分類

按形態(tài)可分為長(zhǎng)纖維、短纖維、晶須和顆粒增強(qiáng)體；從材質(zhì)來(lái)看有碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、石墨纖維、碳化鈦纖維、氮化硼纖維等。二、基體

1、選擇基體應(yīng)注意的事項(xiàng)

1）滿足金屬基復(fù)合材料的不同使用要求

飛行器和衛(wèi)星構(gòu)件——密度小的輕金屬合金，如Mg、Al合金；高性能發(fā)動(dòng)機(jī)——耐高溫的合金，如Ti、Ni基合金；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)——耐磨，耐熱，導(dǎo)熱，一定的高溫強(qiáng)度，價(jià)廉的合金，如Al合金；電子工業(yè)集成電路——高導(dǎo)熱，低熱膨脹材料，如銀，銅，鋁等金屬。2）應(yīng)注意金屬基復(fù)合材料組成的特點(diǎn)長(zhǎng)纖維復(fù)合材料——純或含有少量合金元素的合金，如純鋁或鋁合金（低強(qiáng)度）；不連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料——高強(qiáng)度合金?！?-3復(fù)合材料的性能

一、復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)

1.材料性能的可設(shè)計(jì)性

其宏觀性能可根據(jù)人們的需要通過(guò)細(xì)觀性能來(lái)設(shè)計(jì)，因此可充分發(fā)揮材料的潛力。

2.制造工藝簡(jiǎn)單，成本較低。3.化學(xué)穩(wěn)定性高。4、比強(qiáng)度，比剛度高

材料密度模量(GPa)強(qiáng)度(MPa)比剛度比強(qiáng)度連續(xù)S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂1.9960175030.287925%SiCw/氧化鋁3.7390900（彎曲強(qiáng)度）105243.2GRP(GF/EP)1.838.615002104833.3CRP(CF/EP)1.6181.01062113.1663.850%Al2O3f/Al2.913090049310高強(qiáng)Al合金2.46840028.8166.7A3鋼7.8621046027597、其它的特殊性能：

5、高、低溫性能好，膨脹系數(shù)小6、耐磨、減摩，自潤(rùn)性好

具有耐燒蝕性，耐輻射性，耐蠕變性以及特殊的光，電，磁性能。

二、復(fù)合材料的缺點(diǎn)

1.材料性能的各向異性嚴(yán)重

垂直于纖維方向的力學(xué)性能較低，特別是層間剪切強(qiáng)度很低。

2.材料性能分散性較大，質(zhì)量控制和檢測(cè)比較困難。3.材料成本較高。4.有些復(fù)合材料韌性差，機(jī)械連接較困難?！?-4復(fù)合材料的應(yīng)用

一、航空航天工程

碳纖維樹脂基復(fù)合材料：發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。

硼纖維/鋁：TF30-發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。玻璃鋼：直升機(jī)旋翼。CF/GF復(fù)合材料：軍用飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身。

石墨纖維復(fù)合材料：噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)CF/KF混雜復(fù)合材料：起落架，艙門復(fù)合材料的應(yīng)用實(shí)例碳纖維/環(huán)氧樹脂碳纖維/芳綸/環(huán)氧樹脂玻璃纖維增強(qiáng)塑料芳綸/杜邦聚酰胺芳綸/泡沫芯板碳纖維/杜邦聚酰胺GLARE蒙皮用于A380飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮B-2隱形轟炸機(jī)

除主體結(jié)構(gòu)是鈦復(fù)合材料外，其它部分均由碳纖維和石墨等復(fù)合材料構(gòu)成，不易反射。輕巧的碳/碳復(fù)合材料全復(fù)合材料機(jī)身：輕型機(jī)的價(jià)格，中型機(jī)的寬敞客艙，客艙內(nèi)站立高度為1.65米。目前商用飛機(jī)上復(fù)合材料僅占全機(jī)重量的50%，而某些直升機(jī)早已達(dá)到90%荷蘭計(jì)劃研發(fā)新型綠色環(huán)保飛機(jī)

外形將酷似飛碟，另一個(gè)設(shè)想就是使用復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)塑料。這種復(fù)合材料強(qiáng)度可與金屬媲美，而重量卻比金屬輕得多，因此可以節(jié)省燃油。二、機(jī)械工業(yè)

主要用于閥、泵、齒輪、風(fēng)機(jī)、風(fēng)片、軸及密封件等。三、汽車工業(yè)及交通運(yùn)輸行業(yè)

主要用于整車重量的降低，是復(fù)合材料應(yīng)用最活躍的行業(yè)之一。四、化學(xué)工業(yè)耐蝕件，各種容器。碳/碳復(fù)合材料復(fù)合材料軍用吉普車玻璃纖維/碳纖維/增強(qiáng)樹脂美洲輕木泡沫超級(jí)跑車

車身大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料五、兵器工業(yè)

復(fù)合裝甲，防彈頭盔

船舶業(yè)，生物醫(yī)學(xué)，運(yùn)動(dòng)器械，食品工業(yè)等。六、建筑領(lǐng)域玻璃纖維增強(qiáng)水泥，玻璃鋼等。七、其他領(lǐng)域綠可木，生態(tài)木塑復(fù)合材料，木塑復(fù)合材料吸音板復(fù)合材料（玻璃鋼）制品生物醫(yī)學(xué)制品和體育運(yùn)動(dòng)復(fù)合材料被用來(lái)預(yù)防受傷，矯正生理機(jī)能，和幫助病人復(fù)原。生物醫(yī)學(xué)制品和以體育運(yùn)動(dòng)器材為主的碳纖維復(fù)合材料制品碳纖維/樹脂復(fù)合材料生產(chǎn)充氣船及其膠布制品，采用國(guó)際上先進(jìn)的A級(jí)RTP復(fù)合材料新型日光溫室復(fù)合材料

溫室骨架和縱拉桿全部采用復(fù)合材料制成熱塑性復(fù)合材料在近20年中，增長(zhǎng)速率持續(xù)較快，是熱固性的3倍。聚合物納米復(fù)合材料聚合物層狀粘土傳統(tǒng)的復(fù)合材料插入的納米復(fù)合材料片狀剝離的納米復(fù)合材料新型的納米黏土片層越小，分散得越好，則復(fù)合材料的性能越好/v_show/id_XNDcwNjIzNTI=.html§1-6復(fù)合材料的構(gòu)造及制法

§1-6-1復(fù)合材料的基本構(gòu)造形式

纖維按一個(gè)方向整齊排列或由雙向交織纖維平面排列。（各向異性、線彈性）

1，2，3材料的主軸：縱向：纖維方向（1）；橫向：垂直于纖維方向（2）