復(fù)合材料力學(xué)課件第01章緒論

教材：沈觀林，復(fù)合材料力學(xué)，清華大學(xué)出版社，2006學(xué)時(shí)：32h。1-8周，最后一次課考試復(fù)合材料力學(xué)2021/10/10星期日1第一章緒論§1.2

連續(xù)纖維復(fù)合材料的構(gòu)造§1.1

概述§1.3

復(fù)合材料的特點(diǎn)§1.4

復(fù)合材料的應(yīng)用§1.5

復(fù)合材料的力學(xué)分析方法回總目錄2021/10/10星期日2§1.1概述復(fù)合材料(CompositeMaterial)是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料在細(xì)觀尺度上用物理或化學(xué)方法制成的具有新性能的材料。1°復(fù)合材料的定義§1.1(1)2021/10/10星期日3其它定義：“復(fù)合材料中，復(fù)合是由兩種或多種材料在宏觀尺度上組合成為一種有用的材料”。

(Jones.R.M)“復(fù)合材料是由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復(fù)合后的整體性能應(yīng)超過(guò)組分材料，保留了所期望的特性(高強(qiáng)度、剛度、重量輕)，抑止了不期望的特性(低延性)”。(Tsai.S.W)§1.1(1)2021/10/10星期日4“復(fù)合材料是多功能的系統(tǒng)材料，它們可提供任何單一材料所無(wú)法獲得的特性，它們是由兩種或多種成分不同、性質(zhì)不同、有時(shí)形狀也不同的相容材料，以物理形式結(jié)合而成的；(Javitz.A.E)“復(fù)合材料是不同于合金的一種合成材料，這種材料里每一種組分都保留著它們獨(dú)立的特性，構(gòu)成復(fù)合材料時(shí)僅取決于它們的優(yōu)點(diǎn)而避開其缺點(diǎn)，以便獲得一種改善了的材料?！?Berghezen.A)§1.1(1)2021/10/10星期日5“復(fù)合材料是把第二種材料(B)加到第一種材料(A)中形成的，以便控制第一種材料成為所期待的物理形態(tài)，然后把(B)組分除去，也可以不除去?！?/p>

(Kellyvitz.A)§1.1(1)2021/10/10星期日6§1.1(2)2°復(fù)合材料應(yīng)具有的條件根據(jù)Berghezen的闡述，復(fù)合材料應(yīng)具有如下條件：選擇合適的單元組分各單元組分之間應(yīng)成為理想的“配偶”具有一定的幾何要求和良好的粘接狀態(tài)復(fù)合后單元組分必需保留其固有特性復(fù)合后各組分應(yīng)能發(fā)揮“揚(yáng)長(zhǎng)避短、相互支援”的作用復(fù)合后整體特性優(yōu)于各組分特性2021/10/10星期日7§1.1(3)3°復(fù)合材料的分類按用途或應(yīng)用性質(zhì)分類按增強(qiáng)材料形狀分類按基體材料分類2021/10/10星期日8分類一復(fù)合材料按照其用途或應(yīng)用性質(zhì)分類，可分為兩大類：功能復(fù)合材料，包括有：導(dǎo)電復(fù)合材料、耐磨復(fù)合材料、耐熱復(fù)合材料、耐腐蝕復(fù)合材料、透波復(fù)合材料等，燒蝕材料，摩阻材料等。2021/10/10星期日9分類一結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(主要研究)指各種承力結(jié)構(gòu)材料，由基體材料和增強(qiáng)材料兩種組分組成，基體采用各種樹脂或金屬、非金屬材料；增強(qiáng)材料采用各種纖維狀材料或其它材料，它在復(fù)合材料中起主要作用，提供復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度，基體起配合作用，支持和固定纖維，傳遞纖維間的載荷。保護(hù)纖維，防止磨損或腐蝕，改善復(fù)合材料的某些性能。2021/10/10星期日10分類二復(fù)合材料按照其增強(qiáng)材料的形狀分類，可分為三類：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片狀復(fù)合材料2021/10/10星期日11顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的顆粒堅(jiān)硬；這種復(fù)合材料可看作各向同性體；其基體是主要承載體，顆粒則阻礙位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)，以提高強(qiáng)度和剛度，但脆性增加。2021/10/10星期日12片狀增強(qiáng)層合復(fù)合材料—至少由兩層不同材料復(fù)合而成，增強(qiáng)其強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕、耐損傷等。(1)雙金屬片(2)涂復(fù)金屬(3)夾層玻璃(4)Sandwich2021/10/10星期日13纖維增強(qiáng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FibreReinforcedCompositeMaterial——FRCM)的纖維強(qiáng)度很高，而基體較弱；纖維主要用于傳遞軸向力，基體則傳遞剪力。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料按不同的方法分類，又進(jìn)一步可分為：

短纖維CM和長(zhǎng)纖維CM

高性能FRCM和低性能FRCM

單一纖維CM和混雜纖維CM2021/10/10星期日14圖1復(fù)合類型2021/10/10星期日15分類三復(fù)合材料按照其基體材料進(jìn)行分類，可分為：聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料(CMC)陶瓷基復(fù)合材料碳基體復(fù)合材料2021/10/10星期日16§1.1(4)4°復(fù)合材料的開發(fā)設(shè)計(jì)程序——10步對(duì)象載荷及其分布任務(wù)材料特性材料性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成本選擇材料數(shù)種材料數(shù)種方法取最優(yōu)應(yīng)力狀態(tài)分析估算與結(jié)構(gòu)關(guān)系連接形式特殊加工迭加效應(yīng)幾何形式工藝性層合板形式、尺寸、結(jié)構(gòu)形式、經(jīng)濟(jì)性層合板應(yīng)力狀態(tài)分析強(qiáng)度分析準(zhǔn)則安全系數(shù)動(dòng)態(tài)分析最終設(shè)計(jì)12345678910圖2開發(fā)設(shè)計(jì)程序2021/10/10星期日17§1.2連續(xù)纖維復(fù)合材料的構(gòu)造1°單向板(UnidirectionalLaminate)§1.2(1)圖3單層復(fù)合材料構(gòu)造形式類型2021/10/10星期日18§1.2(2)2°層合板(MultidirectionalLaminate)層合板結(jié)構(gòu)層合板的表示方法幾種特殊的層合板2021/10/10星期日19層合板結(jié)構(gòu)圖4疊層材料構(gòu)造形式2021/10/10星期日20層合板的表示層合板的表示方法是按疊層順序依次將各鋪層(ply)的角度寫入方括號(hào)中，并用斜杠分隔之。例如：[0/90/45/0/45/90/0]、[30/-30]當(dāng)有對(duì)稱面時(shí)，可只寫一半，并用下標(biāo)S表示對(duì)稱。例如：[60/0/0/60]→[60/0]s當(dāng)有重復(fù)鋪層時(shí)，可用數(shù)字下標(biāo)表示。例如：

[60/60/0/0/60/60]→[602/0]s[30/-30/0/0/-30/30]→[±30/0]s

[30/0/0/30/30/0/0/30]→[30/0]2s半重復(fù)層合板的表示方法為：

[-30/60/0/60/-30]→[-30/60/ō]s2021/10/10星期日21幾種特殊層合板斜交板(Cross-plyLaminate)：

[±θ]ns——正交各向異性正交板：

[0n1/90n2]ns——正交各向異性π板——各鋪層含量相同，交錯(cuò)π/m弧度，為準(zhǔn)各向同性，例如：

[0/45/90/-45]s

——π/4板

[0/30/60/90/-60/-30]s

——π/6板2021/10/10星期日22§1.3復(fù)合材料的特點(diǎn)1°重量輕——比強(qiáng)度和比剛度高2°可設(shè)計(jì)性3°抗疲勞斷裂特性好4°制造成本低5°各向異性6°材料性能分散性大§1.32021/10/10星期日23特點(diǎn)一復(fù)合材料的比強(qiáng)度σb

/γ和比剛度E/γ較高，尤其是CFRP。例如：材料密度γ縱向拉伸強(qiáng)度σb縱向拉伸模量E比強(qiáng)度σb/γ比剛度E/γ玻璃／環(huán)氧高強(qiáng)碳／環(huán)氧高模碳／環(huán)氧硼／環(huán)氧Kevlar49／環(huán)氧碳／石墨碳／鋁碳／鎂硼／鋁1.801.501.691.971.382.202.341.832.6413701330636152013107388005101520450001550003020002150007800013700012000030100023400076188737677194933534227957625000103000179000109000570006200051000164000890002021/10/10星期日24特點(diǎn)二使用復(fù)合材料，可使設(shè)計(jì)提前到材料的制造階段，以最有效地發(fā)揮材料的潛力和作用。例如：圖5可設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)2021/10/10星期日25特點(diǎn)三與金屬材料相比，復(fù)合材料的抗疲勞斷裂性能要好。一般而言，復(fù)合材料：σe

≈60％σb金屬材料：

σe

≈30％σb2021/10/10星期日26特點(diǎn)四復(fù)合材料之所以制造成本低，是因?yàn)椋耗z接連接，共固化無(wú)連接件制造工序少一次成型，材料浪費(fèi)少但目前復(fù)合材料的材料成本卻相當(dāng)昂貴，因此使得復(fù)合材料的售價(jià)較高。2021/10/10星期日27特點(diǎn)五由于復(fù)合材料的各向異性，使得：層間剪切強(qiáng)度一般很低缺口處的應(yīng)力集中較大，例如：金屬材料：復(fù)合材料：e.g.T300/5208CME11＝98.07GPa，E22＝8.83GPa，

12＝0.31，G12=5.20GPa對(duì)單向板：KT=5.99圖6應(yīng)力集中2021/10/10星期日28特點(diǎn)六由于復(fù)合材料性能的分散性較大，將會(huì)給質(zhì)量控制和檢測(cè)帶來(lái)困難。例如：金屬材料：σb的變異系數(shù)約為5％σe的變異系數(shù)約為8％復(fù)合材料：σb的變異系數(shù)大于10％σe的變異系數(shù)大于15％2021/10/10星期日29§1.4復(fù)合材料的應(yīng)用1°在航空結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用2°在航天工程中的應(yīng)用3°在車輛制造業(yè)的應(yīng)用4°其他用途§1.4復(fù)合材料是各國(guó)目前都正在大力發(fā)展的新型材料，使得其性能不斷提高，同時(shí)在先進(jìn)結(jié)構(gòu)上也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。2021/10/10星期日30應(yīng)用于航空(1)航空工程中應(yīng)用復(fù)合材料的例子如表1－7：碳纖維樹脂基發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，玻璃鋼直升機(jī)飛機(jī)螺旋槳，非金屬蜂窩夾層雷達(dá)罩，CF/GF復(fù)合材料、中間硼纖維增強(qiáng)蜂窩結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)身，平尾，水平安定面，垂直安定面，石墨纖維復(fù)合材料噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，CF/KF混雜復(fù)合材料整流罩、主起落架艙門等。AD200/400，基本上是高強(qiáng)玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制造的。2021/10/10星期日31應(yīng)用于航空(1)F-15復(fù)合材料全動(dòng)平尾；F-16復(fù)合材料方向舵和水平尾翼；空客A310－300，全復(fù)合材料垂直安定面盒形，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；波音767飛機(jī)地板梁和所有操縱面，采用了約2噸復(fù)合材料；安－124部件使用了5.5噸復(fù)合材料；2021/10/10星期日32應(yīng)用于航空(2)1986年BurtRutan公司及其合作者設(shè)計(jì)和制造的Voyager（旅行者號(hào)），創(chuàng)下了全球飛行的世界記錄；2021/10/10星期日33應(yīng)用于航空(2)美國(guó)格魯門公司鴨式氣動(dòng)布局的X-29前掠翼飛機(jī)于1987年試飛成功。2021/10/10星期日34應(yīng)用于航空(2)美國(guó)B-2隱形轟炸機(jī)2021/10/10星期日35應(yīng)用于航空(3)復(fù)合材料在航空工程中的應(yīng)用2021/10/10星期日36應(yīng)用于航空(4)復(fù)合材料在航空工程中的應(yīng)用2021/10/10星期日37應(yīng)用于航空(5)復(fù)合材料在航空工程中的應(yīng)用2021/10/10星期日38應(yīng)用于航空(6)復(fù)合材料在航空工程中的應(yīng)用2021/10/10星期日39應(yīng)用于航天(1)復(fù)合材料在航天工程中的應(yīng)用如表1－7：纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，金屬蜂窩增強(qiáng)陶瓷的彈頭，鋁面板玻璃布蜂窩夾芯火箭隔艙，鋁面板酚醛玻璃布蜂窩夾芯儲(chǔ)箱共底，中間硼纖維增強(qiáng)蜂窩結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)身，航天飛機(jī)石墨環(huán)氧層壓面板Nomex夾芯蜂窩的機(jī)身艙門，石墨/鋁復(fù)合材料的外科構(gòu)架、太陽(yáng)能電池帆板、天線等。2021/10/10星期日40應(yīng)用于航天(2)復(fù)合材料在航天工程中的應(yīng)用2021/10/10星期日41應(yīng)用于航天(3)2021/10/10星期日42應(yīng)用于車輛復(fù)合材料在車輛制造業(yè)中的應(yīng)用又包括：火車——機(jī)車車身、車廂門窗、臥鋪床板等汽車——這是復(fù)合材料應(yīng)用很活躍的領(lǐng)

域，可用于汽車車身、彈簧、驅(qū)動(dòng)軸、引擎、保險(xiǎn)杠、底盤、方向盤等上百個(gè)部件自行車2021/10/10星期日43其他應(yīng)用(1)復(fù)合材料還被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，例如：船舶工程——艦艇、漁船、游艇、賽艇等建筑工程——大型場(chǎng)館的屋頂、裝飾板、各種水管、公路橋梁等兵器工業(yè)——坦克裝甲、炮彈殼、槍把、防彈背心、頭盔等化學(xué)工程——貯罐、管道、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收塔、離心泵等2021/10/10星期日44其他應(yīng)用(2)體育器械——滑雪板、網(wǎng)球拍、棒球棒、撐竿、標(biāo)槍桿、釣魚桿、弓箭、各種球棍等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域——人造關(guān)節(jié)、骨骼等人體內(nèi)部材料、假肢等；醫(yī)療設(shè)備支架、

X光底片暗盒、床板等機(jī)械工程——風(fēng)機(jī)葉片和滑輪葉片