【2017年整理】復合材料力學緒論

1、復合材料力學,黃爭鳴,參考書：黃爭鳴，《復合材料細觀力學引論》，科學出版社，北京，2006.,沈觀林，《復合材料力學》，清華大學出版社，北京，1995.,Huang ZM，Zhou YX, Strength og Fobrous Composites, Zhejiang Univ. Press & Springer, 2011.,1.1 基本概念,固體材料一般分為四大類：金屬、陶瓷、聚合物與復合材料。前三類是各向同性的，第四類為

2、各向異性的。,復合材料是由兩種或兩種以上性能各異的單一材料，經(jīng)過物理或者化學的方法組合而成的一種新型材料。,復合材料分為天然與人工合成兩大類。天然復合材料種類繁多，包括一些動、植物組織如人的骨格。我們只討論人工合成復合材料 。,大多數(shù)人工合成的復合材料都是由兩相構(gòu)成：一個是增強相，為非連續(xù)體；另一個是基體(matrix)相，為連續(xù)體。,最早的復合材料案例可能是古人將雜草（稻草）與泥土混合糊制的磚墻。,現(xiàn)代復合材料一般是指以玻璃纖維為增強

3、體的復合材料，出現(xiàn)在上世紀40年代（玻璃纖維誕生）。,先進復合材料則是指以碳纖維、硼纖維、SiC纖維為增強體的復合材料，出現(xiàn)在上世紀60年代。,增強相可以是連續(xù)纖維（長/徑比L/d?105），短纖維（包括須莖、片、塊等, L/d= 5~200), 顆粒或粉末(L/d=1~2)。,連續(xù)纖維的增強能力最高，增強效果最好。,Griffith在1920基于前人和他自己的實驗結(jié)果，發(fā)表了一篇著名論文：纖維直徑越細、強度越高。,這是因為細小的纖維直

4、徑直接導致以下結(jié)果:,1) 更少、更小的微觀裂紋；,2) 聚合物鏈延展并取向；,3) 結(jié)晶更少并且晶體間的斷層密度更低；等等。,復合材料之所以被采用，主要原因是其性能難以由其中任何單一的組份材料所提供。,纖維拉伸強度高，但不能承受壓應力；聚合物韌性好、抗腐蝕，但強度不高。,傳統(tǒng)上，根據(jù)復合材料的用途可分為功能復合材料與結(jié)構(gòu)復合材料兩類。,功能復合材料主要是為滿足一些特殊的功能要求而發(fā)展的，如導電復合材料、吸波復合材料，在金屬中添加陶瓷顆

5、粒以增加復合材料的耐磨損性，等等,結(jié)構(gòu)復合材料則是為滿足不同領域的結(jié)構(gòu)性能要求而發(fā)展的。雖然在有些領域結(jié)構(gòu)和功能特性都同樣重要，但要同時兼顧往往比較困難。,本課程只討論結(jié)構(gòu)復合材料的力學性能分析計算。,復合材料力學同時采用理論與實驗的方法研究復合材料的宏觀力學特性，又稱為等效力學特性。,復合材料的力學性能主要依賴于:,1) 組成材料的力學性能;,3) 增強體的含量;,復合材料的理論分析方法分為宏觀力學理論與細觀力學理論。,4) 增強體的

6、排列方式。,宏觀力學(Macromechanical or phenomenological)理論: 根據(jù)沿某些特定方向測試得到的復合材料的宏觀力學性能預報其受其它任意載荷的力學特性。,細觀力學(Micromechanical)理論: 僅僅根據(jù)組成材料的力學性能預報復合材料受任意載荷作用的力學特性。,細觀理論與宏觀理論相比的優(yōu)點:,可以事先由組成材料設計復合材料的性能。,1.2 復合材料的分類,基于增強結(jié)構(gòu)形式的分類:,復合材料,UD=

7、單向(unidirectional),2D=二維,3D=三維,單向纖維,短纖維,機織布,編織布,針織布,典型的增強結(jié)構(gòu)形式:,在各種復合材料中，單向纖維增強復合材料(UD composites or UD laminas)是最重要的。,1) 它們被用來構(gòu)造層疊復合材料；,,,,如果對單向復合材料的細觀力學分析能夠?qū)崿F(xiàn)的話，則對任意連續(xù)纖維增強復合材料也能夠進行。,另外一種對復合材料進行分類的方法是基于基體材料。我們有金屬基復合材料(MM

8、C) 、陶瓷基復合材料(CMC)以及聚合物基復合材料(PMC or FRP)。,聚合物基復合材料是應用最廣的復合材料。,聚合物基復合材料可以分為熱固性與熱塑性兩類。,熱固性復合材料的成型可以不借助于溫度，并且一旦成型將不可再改變其形狀：不能通過加溫使其軟化。,熱塑性復合材料的成型必須通過加溫熔化，而且可以通過反復加溫使其形狀改變。,1.3 組成材料,1.3.1 增強體,典型增強纖維,1) 玻璃纖維（Glass fiber）,分為E型、

9、S型、A型和C型，主要成份為SiO2, 另含有些其它氧化物。,E (electrical insulator)型玻璃纖維應用最廣, 1938年實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)?，F(xiàn)代復合材料誕生于1940年。,S型玻璃纖維比E型纖維的模量、強度及韌性都高，但價格更高，最初主要是軍用。,A (for alkali)、C (for corrosion)分別具有優(yōu)異的抗堿、抗腐蝕性能。,一根玻璃纖維絲束內(nèi)一般含有200~1000根纖維絲。,玻璃纖維的生產(chǎn)一般是將

10、原料熔化、通過細孔拉絲再集成絲束使用。,玻璃纖維一般是各向同性的。,2) 碳纖維（Carbon fiber）,是最重要的先進纖維材料，1959年實現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)，故先進復合材料誕生于60年代。,碳纖維的生產(chǎn)由兩步法實現(xiàn)：紡絲（拉絲）和碳化,文獻中，除了碳纖維，還有石墨 (graphite) 纖維，實際上，兩者概念相同：石墨纖維的碳化溫度比碳纖維更高。,碳纖維的源絲材料: PAN、Pitch、Rayon,PAN碳纖維強度高；Pitch碳纖維模

11、量高；Rayon碳纖維主要用于制備碳/碳復合材料,碳纖維是橫觀各向同性的，有5個獨立的彈性常數(shù)。,同樣，應用中的碳纖維為絲束形式，分別用3k、6k、 12k …等表示碳纖維絲束中纖維絲的含量，1k=1000,絲束越小 (如3k)，碳纖維的性能越穩(wěn)定，價格越高。,盡管碳纖維實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)已有40多年的歷史，但國產(chǎn)碳纖維、尤其小絲束的碳纖維還沒有完全過關。,由于碳纖維是十分重要的國防工業(yè)原料（復合材料在國防領域有重要和廣泛的應用），因此，一

12、旦有戰(zhàn)事，就有可能受制于人。,3) 芳綸纖維（Aramid fiber）,是一種先進的聚合物纖維。,美國、日本、歐洲包括國內(nèi)都可以生產(chǎn)芳綸纖維，但美國杜邦生產(chǎn)的最為有名，其商標Kevlar（凱芙納）幾乎成了芳綸纖維的代名詞，具有不同的型號(Kevlar 29, Kevlar 49, 等),芳綸纖維強度高、韌性高、比重輕、延性好，具有很好的耐沖擊性能，但在可見光或紫外線照射下性能會退化。,4) 其它纖維,硼纖維：具有很好的力學性能，在航空

13、、航天領域發(fā)揮過重要作用，但與碳纖維相比，比重大、價格高。,碳化硅(SiC)纖維：陶瓷纖維，高溫穩(wěn)定性好，碳化硅(SiC)纖維增強金屬或陶瓷基復合材料是航空、航天發(fā)動機等的極好用材。,超高分子量聚乙烯 (UHMWPE )纖維：目前已知最輕的一種高強度纖維，化學穩(wěn)定性好。但很遺憾，與樹脂基結(jié)合界面差、所得復合材料性能較低，與金屬或陶瓷基則難以復合。,其他更多聚合物纖維如PET、Nylon、PU、PGA等纖維，在工程結(jié)構(gòu)件復合材料中用量不多

14、，但在生物復合材料中有較多應用。,需要指出的是，近20年才商業(yè)化生產(chǎn)的玄武巖纖維（Basalt）纖維，將有可能成為繼玻璃纖維、碳纖維后的第三大用途纖維。,一些典型增強纖維的性能,其它增強材料,1) 短纖維：由連續(xù)纖維切短；,2) 顆粒/粉末,一些典型陶瓷顆粒的性能,一般來說，直徑小于100nm;,具有和其它材料形式相比更高的力學性能;,比表面積 (面積與體積之比) 大;,其它一些獨有的物理性能。,納米纖維：仍然處在實驗室階段；,納米顆粒

15、：許多已經(jīng)實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。,基體所起的作用:,1) 支撐和固定纖維材料，將眾多纖維“捆綁”到一起形成一個整體；,2) 保護纖維不受外部損傷;,3) 將外載傳遞給纖維;,4) 提供其它所需要的特殊功能。,聚合物是使用最為廣泛的基體材料；,環(huán)氧 (Epoxy) 和聚脂 (Polyester) 則是主要的聚合物基體材料，為熱固性的；,1.3.2 基體材料,與環(huán)氧相比，聚脂的綜合力學性能要差些，成型后會產(chǎn)生收縮變形。,聚脂的最主要優(yōu)點是價格便宜

16、，每公斤15元左右，常用作玻璃纖維的基體材料。,E-型玻璃纖維每公斤12元左右，因而，玻璃纖維增強聚脂復合材料的材料成本一般不超過每公斤20元，低于鋁合金。,環(huán)氧的價格為每公斤25-80元，高等級的環(huán)氧用作為碳纖維的基體材料。,大絲束普通碳纖維每公斤300元左右，小絲束國防用碳纖維900元或更高。因而，碳纖維復合材料的材料成本一般高達每公斤250元，高于玻璃纖維復合材料一個數(shù)量級。,此外，聚脂一般只需在室溫下固化，而環(huán)氧則可以在較大溫度

17、范圍下固化，并且環(huán)氧在室溫下固化后一般要在中溫下后處理。,PEEK、PS、PE、Nylon等為熱塑性基體材料。,1.3.3 填充材料,它們可以被當作復合材料的第三種組分材料,一種復合材料下水管的橫截面,1.3.4 纖維/基體界面,碳纖維、玻璃纖維、金屬和陶瓷纖維一般都能與聚合物基體間有良好界面結(jié)合。,纖維和基體之間的載荷傳遞由界面來實現(xiàn)。,聚合物纖維 (如Aramid和UHMWPE纖維) 則很難與另外一種聚合物基體之間實現(xiàn)理想粘結(jié)。,人

18、們進行了許多努力以便改進聚合物纖維與聚合基體間的界面結(jié)合性能。,表面改性方法可分為化學的或物理的。化學手段旨在提高兩者間的范德華斯結(jié)合力，物理手段則增加纖維與基體的接觸面積。,1.4 復合材料的特性,優(yōu)點:,1) 高比強度、比模量;,2) 可設計性好；,3) 疲勞強度高、斷裂韌性好;,4) 對復雜構(gòu)件可以整體成型;,5) 卓越的抗腐蝕能力;,1) 成型后的復合材料構(gòu)件之間彼此連接困難;,2) 加工性能差（主要指加工后性能大大降低）;,3

19、) 成本一般較高，但對一些批量大的民品如風力發(fā)電機葉片，采用復合材料則具有很好的性價比。,缺點:,1.5 復合材料的應用,《紐約時報》在1990 發(fā)表過一篇關于復合材料應用的統(tǒng)計文章,1.5.1 航空航天器,國產(chǎn)戰(zhàn)機上只應用有限量的復合材料: 殲8II (1995年服役)占2%, 殲10 (2002年服役)占5%,殲11占11%。,減重是永恒的追求，應用復合材料可以減輕超過30%的總重量。,Aircraft B-2, on servic

20、e in 1990s, consumed more than 50% of its total weight with composites,A380 使用超過 25%的復合材料，節(jié)省25%的重量。,在航天工程中，先進復合材料是首選材料,1.5.2 文體用品,是先進復合材料的第二大應用領域,在該領域, 減重同樣是首先需要考慮的一個因素,1.5.3 工業(yè)應用,1、常見的復合材料有哪些種類？,2、影響纖維復合材料力學性能的因素有哪些？,3、