复合材料力学课件第01章 绪论

片状增强
层合复合材料—至少由两层不同材料 层合复合材料 至少由两层不同材料 复合而成，增强其强度、刚度、耐腐蚀、 复合而成，增强其强度、刚度、耐腐蚀、 耐损伤等。 耐损伤等。 (1)双金属片 双金属片 (2)涂复金属 涂复金属 (3)夹层玻璃 夹层玻璃 (4)Sandwich
纤维增强
纤维增强复合材料( 纤维增强复合材料(Fibre Reinforced Composite Material——FRCM )的纤维强 Material——FRCM 度很高，而基体较弱； 度很高，而基体较弱；纤维主要用于传递 轴向力，基体则传递剪力。 轴向力，基体则传递剪力。 纤维增强复合材料按不同的方法分类， 纤维增强复合材料按不同的方法分类， 又进一步可分为： 又进一步可分为： 短纤维CM和长纤维 短纤维CM和长纤维CM 和长纤维CM 高性能FRCM和低性能 和低性能FRCM 高性能FRCM和低性能FRCM 单一纤维CM和混杂纤维 和混杂纤维CM 单一纤维CM和混杂纤维CM
图1 复合类型
分类三
复合材料按照其基体材料进行分类， 复合材料按照其基体材料进行分类， 可分为： 可分为： 聚合物基复合材料 金属基复合材料(CMC) 金属基复合材料(CMC) 陶瓷基复合材料 碳基体复合材料
§1.1(4)
4∘复合材料的开发设计程序——10步 复合材料的开发设计程序——10步
1 对 象 载荷及其分布 任 务 2 材料特性 材料性能 实验数据 成 本 9 动态分析 10 最终设计 3 选择材料 数种材料 数种方法 取最优 4 应力状态 分 析 估 算 5 与结构关系 连接形式 特殊加工 迭加效应 6 几何形式工艺性 层合板形式、 层合板形式、尺 结构形式、 寸、结构形式、 经济性
分类二
复合材料按照其增强材料的形状分类， 复合材料按照其增强材料的形状分类， 可分为三类： 可分为三类： 颗粒增强复合材料 纤维增强复合材料 片状复合材料 片状复合材料
颗粒增强
颗粒增强复合材料的颗粒坚硬； 颗粒增强复合材料的颗粒坚硬；这种 的颗粒坚硬 复合材料可看作各向同性体； 复合材料可看作各向同性体；其基体是主 要承载体，颗粒则阻碍位错的产生和运动， 要承载体，颗粒则阻碍位错的产生和运动， 以提高强度和刚度，但脆性增加。 以提高强度和刚度，但脆性增加。
特点五
由于复合材料的各向异性，使得： 由于复合材料的各向异性，使得：
层间剪切强度一般很低 缺口处的应力集中较大，例如： 缺口处的应力集中较大，例如： 1 金属材料： 金属材料： KT = 3 E E11 2 复合材料： 复合材料： KT = 1 + 2 11 − γ 12 +
层合板结构
图4 叠层材料构造形式
层合板的表示
层合板的表示方法是按叠层顺序依次将各铺 的角度写入方括号中， 层(ply)的角度写入方括号中，并用斜杠分隔 的角度写入方括号中 例如： 之。例如：[0/90/45/0/45/90/0]、[30/-30] 、 当有对称面时，可只写一半，并用下标S表 当有对称面时，可只写一半，并用下标 表 示对称。例如： 示对称。例如：[60/0/0/60] → [60/0]s 当有重复铺层时，可用数字下标表示。例如： 当有重复铺层时，可用数字下标表示。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 半重复层合板的表示方法为： 半重复层合板的表示方法为： [-30/60/0/60/-30] → [-30/60/ō]s
§1.1(1)
复合材料是把第二种材料(B)加到第一 “复合材料是把第二种材料 加到第一 种材料(A)中形成的 中形成的， 种材料 中形成的，以便控制第一种材 料成为所期待的物理形态，然后把(B) 组 料成为所期待的物理形态，然后把 分除去，也可以不除去。 分除去，也可以不除去。” (Kellyvitz.A)
§1.1(3)
3∘复合材料的分类 按用途或应用性质分类 按增强材料形状分类 按基体材料分类
分类一
复合材料按照其用途或应用性质分类， 复合材料按照其用途或应用性质分类， 可分为两大类： 可分为两大类： 功能复合材料，包括有： 功能复合材料，包括有：
导电复合材料、耐磨复合材料、 导电复合材料、耐磨复合材料、耐热复合材 耐腐蚀复合材料、透波复合材料等， 料、耐腐蚀复合材料、透波复合材料等，烧 蚀材料，摩阻材料等。 蚀材料，摩阻材料等。
几种特殊层合板
斜交板(Cross-ply Laminate) ： 斜交板 [±θ]ns —— 正交各向异性 ± 正交板： 正交板： [0n1/90n2]ns —— 正交各向异性 π板——各铺层含量相同，交错 板 各铺层含量相同， 弧度， 各铺层含量相同 交错π/m弧度，为 弧度 准各向同性，例如： 准各向同性，例如： [0/45/90/-45]s ——π/4板 板 [0/30/60/90/-60/-30]s ——π/6板 板
§1.1(1)
复合材料是多功能的系统材料， “复合材料是多功能的系统材料，它们 可提供任何单一材料所无法获得的特性， 可提供任何单一材料所无法获得的特性， 它们是由两种或多种成分不同、 它们是由两种或多种成分不同、性质不 有时形状也不同的相容材料， 同、有时形状也不同的相容材料，以物 理形式结合而成的； 理形式结合而成的； (Javitz.A.E) “复合材料是不同于合金的一种合成材 料，这种材料里每一种组分都保留着它 们独立的特性， 们独立的特性，构成复合材料时仅取决 于它们的优点而避开其缺点， 于它们的优点而避开其缺点，以便获得 一种改善了的材料。 一种改善了的材料。” (Berghezen.A)
材 料 玻璃／ 玻璃／环氧 高强碳／ 高强碳／环氧 高模碳／ 高模碳／环氧 硼／环氧 Kevlar49 ／环氧 碳／石墨 碳／铝 碳／镁 硼／铝 密度 纵向拉伸 纵向拉伸 比强度 比刚度 γ σb /γ E/γ 模量 E 强度 σb 1.80 1.50 1.69 1.97 1.38 2.20 2.34 1.83 2.64 1370 1330 636 1520 1310 738 800 510 1520 45000 155000 302000 215000 78000 137000 120000 301000 234000 761 887 376 771 949 335 342 279 576 25000 103000 179000 109000 57000 62000 51000 164000 89000
应用于航空(1)
航空工程中应用复合材料的例子 如表1－7： 如表1 碳纤维树脂基发动机叶片，玻璃钢 直升机飞机螺旋桨，非金属蜂窝夹层雷 达罩，CF/GF复合材料、中间硼纤维增强 蜂窝结构飞机机身，平尾，水平安定面， 垂直安定面，石墨纤维复合材料喷气发 动机，CF/KF混杂复合材料整流罩、主起 落架舱门等。AD200/400，基本上是高强 玻璃纤维/环氧复合材料制造的。
复合材料力学
教材：沈观林，复合材料力学，清华 教材：沈观林，复合材料力学， 大学出版社， 大学出版社，2006 学时： 学时：32h。 1-8周，最后一次课考试 。 周
第一章
§1.1 概述
绪论
§1.2 连续纤维复合材料的构造 §1.3 复合材料的特点 §1.4 复合材料的应用 §1.5 复合材料的力学分析方法
分类一
结构复合材料(主要研究) 结构复合材料(主要研究)
指各种承力结构材料， 指各种承力结构材料，由基体材料 和增强材料两种组分组成， 和增强材料两种组分组成，基体采用各 种树脂或金属、非金属材料； 种树脂或金属、非金属材料；增强材料 采用各种纤维状材料或其它材料， 采用各种纤维状材料或其它材料，它在 复合材料中起主要作用， 复合材料中起主要作用，提供复合材料 的刚度和强度，基体起配合作用， 的刚度和强度，基体起配合作用，支持 和固定纤维，传递纤维间的载荷。 和固定纤维，传递纤维间的载荷。保护 纤维，防止磨损或腐蚀， 纤维，防止磨损或腐蚀，改善复合材料 的某些性能。 的某些性能。
E22 G12 e.g. T300/5208 CM E11＝98.07GPa， E22＝8.83GPa， γ12＝0.31，G12=5.20GPa
对单向板：KT=5.99
图6 应力集中
特点六
由于复合材料性能的分散性较大， 由于复合材料性能的分散性较大，将 会给质量控制和检测带来困难。例如： 会给质量控制和检测带来困难。例如： 金属材料： 的变异系数约为5％ 金属材料：σb的变异系数约为 ％ σe的变异系数约为 ％ 的变异系数约为8％ 复合材料： 的变异系数大于10％ 复合材料：σb的变异系数大于 ％ σe的变异系数大于 ％ 的变异系数大于15％
8 强度分析 准则 安全系数
7 层合板 应力状态 分析
图2 开发设计程序
§1.2(1)
§1.2 连续纤维复合材料的构造
1∘单向板(Unidirectional Laminate ) 单向板(
图3 单层复合材料构造形式类型
§1.2(2)
2∘层合板(Multidirectional Laminate ) 层合板( 层合板结构 层合板的表示方法 几种特殊的层合板
§1.1(2)
2∘复合材料应具有的条件 根据Berghezen 的阐述，复合材料应 的阐述， 根据 具有如下条件： 具有如下条件： a) 选择合适的单元组分 各单元组分之间应成为理想的“配偶” b) 各单元组分之间应成为理想的“配偶” c) 具有一定的几何要求和良好的粘接状态 d) 复合后单元组分必需保留其固有特性 e) 复合后各组分应能发挥“扬长避短、相 复合后各组分应能发挥“扬长避短、 互支援” 互支援”的作用 f) 复合后整体特性优于各组分特性
特点四
复合材料之所以制造成本低 是因为： 复合材料之所以制造成本低，是因为： 制造成本 胶接连接， 胶接连接，共固化 无连接件 制造工序少 一次成型， 一次成型，材料浪费少 但目前复合材料的材料成本却相当昂 但目前复合材料的材料成本却相当昂 材料成本 因此使得复合材料的售价较高。 贵，因此使得复合材料的售价较高。
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§1.1(1)
§百度文库.1 概 述
1∘复合材料的定义 复合材料(Composite Material )是由两 复合材料 是由两 种或两种以上不同性质 不同性质的材料在细观尺度 种或两种以上不同性质的材料在细观尺度 上用物理或化学方法制成的具有新性能 新性能的 上用物理或化学方法制成的具有新性能的 材料。 材料。
§1.4
§1.4 复合材料的应用
复合材料是各国目前都正在大力发展 的新型材料，使得其性能不断提高， 的新型材料，使得其性能不断提高，同时 在先进结构上也得到了越来越广泛的应用。 在先进结构上也得到了越来越广泛的应用。 1∘在航空结构上的应用 2∘在航天工程中的应用 3∘在车辆制造业的应用 4∘其他用途
§1.1(1)
其它定义： 其它定义：
复合材料中， “复合材料中，复合是由两种或多种材料 在宏观尺度上组合成为一种有用的材料” 在宏观尺度上组合成为一种有用的材料”。 (Jones.R.M) “复合材料是由两种或更多的组分材料结 合在一起，复合后的整体性能应超过组分 合在一起， 材料，保留了所期望的特性(高强度 高强度、 材料，保留了所期望的特性 高强度、刚 重量轻) 抑止了不期望的特性(低延 度、重量轻 ，抑止了不期望的特性 低延 性)”。 (Tsai.S.W) ”
特点二
使用复合材料， 使用复合材料，可使设计提前到材料 的制造阶段， 的制造阶段，以最有效地发挥材料的潜力 和作用。例如： 和作用。例如：
图5 可设计复合材料结构
特点三
与金属材料相比， 与金属材料相比，复合材料的抗疲劳 断裂性能要好。一般而言， 断裂性能要好。一般而言， 复合材料 ：σe ≈60％σb ％ 金属材料： 金属材料： σe ≈30％σb ％
§1.3
§1.3 复合材料的特点
1∘重量轻——比强度和比刚度高 重量轻——比强度和比刚度高 2∘可设计性 3∘抗疲劳断裂特性好 4∘制造成本低 5∘各向异性 6∘材料性能分散性大
特点一
复合材料的比强度σ 和比刚度E/γ 较 复合材料的比强度 b /γ 和比刚度 尤其是CFRP。例如： 高，尤其是 。例如：