【2017年整理】復(fù)合材料力學(xué)緒論

1、復(fù)合材料力學(xué),黃爭(zhēng)鳴,參考書：黃爭(zhēng)鳴，《復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)引論》，科學(xué)出版社，北京，2006.,沈觀林，《復(fù)合材料力學(xué)》，清華大學(xué)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(fù)合材料。前三類是各向同性的，第四類為

2、各向異性的。,復(fù)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(xué)的方法組合而成的一種新型材料。,復(fù)合材料分為天然與人工合成兩大類。天然復(fù)合材料種類繁多，包括一些動(dòng)、植物組織如人的骨格。我們只討論人工合成復(fù)合材料 。,大多數(shù)人工合成的復(fù)合材料都是由兩相構(gòu)成：一個(gè)是增強(qiáng)相，為非連續(xù)體；另一個(gè)是基體(matrix)相，為連續(xù)體。,最早的復(fù)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(fù)合材料一般是指以玻璃纖維為增強(qiáng)

3、體的復(fù)合材料，出現(xiàn)在上世紀(jì)40年代（玻璃纖維誕生）。,先進(jìn)復(fù)合材料則是指以碳纖維、硼纖維、SiC纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代。,增強(qiáng)相可以是連續(xù)纖維（長(zhǎng)/徑比L/d?105），短纖維（包括須莖、片、塊等, L/d= 5~200), 顆?；蚍勰?L/d=1~2)。,連續(xù)纖維的增強(qiáng)能力最高，增強(qiáng)效果最好。,Griffith在1920基于前人和他自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)表了一篇著名論文：纖維直徑越細(xì)、強(qiáng)度越高。,這是因?yàn)榧?xì)小的纖維直

4、徑直接導(dǎo)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(fù)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(qiáng)度高，但不能承受壓應(yīng)力；聚合物韌性好、抗腐蝕，但強(qiáng)度不高。,傳統(tǒng)上，根據(jù)復(fù)合材料的用途可分為功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料兩類。,功能復(fù)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(dǎo)電復(fù)合材料、吸波復(fù)合材料，在金屬中添加陶瓷顆

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

6、排列方式。,宏觀力學(xué)(Macromechanical or phenomenological)理論: 根據(jù)沿某些特定方向測(cè)試得到的復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能預(yù)報(bào)其受其它任意載荷的力學(xué)特性。,細(xì)觀力學(xué)(Micromechanical)理論: 僅僅根據(jù)組成材料的力學(xué)性能預(yù)報(bào)復(fù)合材料受任意載荷作用的力學(xué)特性。,細(xì)觀理論與宏觀理論相比的優(yōu)點(diǎn):,可以事先由組成材料設(shè)計(jì)復(fù)合材料的性能。,1.2 復(fù)合材料的分類,基于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式的分類:,復(fù)合材料,UD=

7、單向(unidirectional),2D=二維,3D=三維,單向纖維,短纖維,機(jī)織布,編織布,針織布,典型的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式:,在各種復(fù)合材料中，單向纖維增強(qiáng)復(fù)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(fù)合材料；,,,,如果對(duì)單向復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)分析能夠?qū)崿F(xiàn)的話，則對(duì)任意連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也能夠進(jìn)行。,另外一種對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行分類的方法是基于基體材料。我們有金屬基復(fù)合材料(MM

8、C) 、陶瓷基復(fù)合材料(CMC)以及聚合物基復(fù)合材料(PMC or FRP)。,聚合物基復(fù)合材料是應(yīng)用最廣的復(fù)合材料。,聚合物基復(fù)合材料可以分為熱固性與熱塑性兩類。,熱固性復(fù)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(fù)合材料的成型必須通過加溫熔化，而且可以通過反復(fù)加溫使其形狀改變。,1.3 組成材料,1.3.1 增強(qiáng)體,典型增強(qiáng)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(yīng)用最廣, 1938年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)?，F(xiàn)代復(fù)合材料誕生于1940年。,S型玻璃纖維比E型纖維的模量、強(qiáng)度及韌性都高，但價(jià)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(xì)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(jìn)纖維材料，1959年實(shí)現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)，故先進(jìn)復(fù)合材料誕生于60年代。,碳纖維的生產(chǎn)由兩步法實(shí)現(xiàn)：紡絲（拉絲）和碳化,文獻(xiàn)中，除了碳纖維，還有石墨 (graphite) 纖維，實(shí)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(qiáng)度高；Pitch碳纖維模

11、量高；Rayon碳纖維主要用于制備碳/碳復(fù)合材料,碳纖維是橫觀各向同性的，有5個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)。,同樣，應(yīng)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(jià)格越高。,盡管碳纖維實(shí)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(guān)。,由于碳纖維是十分重要的國防工業(yè)原料（復(fù)合材料在國防領(lǐng)域有重要和廣泛的應(yīng)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(jìn)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(biāo)Kevlar（凱芙納）幾乎成了芳綸纖維的代名詞，具有不同的型號(hào)(Kevlar 29, Kevlar 49, 等),芳綸纖維強(qiáng)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(huì)退化。,4) 其它纖維,硼纖維：具有很好的力學(xué)性能，在航空

13、、航天領(lǐng)域發(fā)揮過重要作用，但與碳纖維相比，比重大、價(jià)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(qiáng)金屬或陶瓷基復(fù)合材料是航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度纖維，化學(xué)穩(wěn)定性好。但很遺憾，與樹脂基結(jié)合界面差、所得復(fù)合材料性能較低，與金屬或陶瓷基則難以復(fù)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(fù)合材料中用量不多

14、，但在生物復(fù)合材料中有較多應(yīng)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(qiáng)纖維的性能,其它增強(qiáng)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(xué)性能;,比表面積 (面積與體積之比) 大;,其它一些獨(dú)有的物理性能。,納米纖維：仍然處在實(shí)驗(yàn)室階段；,納米顆粒

15、：許多已經(jīng)實(shí)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(gè)整體；,2) 保護(hù)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(xué)性能要差些，成型后會(huì)產(chǎn)生收縮變形。,聚脂的最主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)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(qiáng)聚脂復(fù)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(jià)格為每公斤25-80元，高等級(jí)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(fù)合材料的材料成本一般高達(dá)每公斤250元，高于玻璃纖維復(fù)合材料一個(gè)數(shù)量級(jí)。,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(dāng)作復(fù)合材料的第三種組分材料,一種復(fù)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(shí)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(shí)現(xiàn)理想粘結(jié)。,人

18、們進(jìn)行了許多努力以便改進(jìn)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(xué)的或物理的?；瘜W(xué)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(fù)合材料的特性,優(yōu)點(diǎn):,1) 高比強(qiáng)度、比模量;,2) 可設(shè)計(jì)性好；,3) 疲勞強(qiáng)度高、斷裂韌性好;,4) 對(duì)復(fù)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(fù)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(duì)一些批量大的民品如風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，采用復(fù)合材料則具有很好的性價(jià)比。,缺點(diǎn):,1.5 復(fù)合材料的應(yīng)用,《紐約時(shí)報(bào)》在1990 發(fā)表過一篇關(guān)于復(fù)合材料應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)文章,1.5.1 航空航天器,國產(chǎn)戰(zhàn)機(jī)上只應(yīng)用有限量的復(fù)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(yīng)用復(fù)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(fù)合材料，節(jié)省25%的重量。,在航天工程中，先進(jìn)復(fù)合材料是首選材料,1.5.2 文體用品,是先進(jìn)復(fù)合材料的第二大應(yīng)用領(lǐng)域,在該領(lǐng)域, 減重同樣是首先需要考慮的一個(gè)因素,1.5.3 工業(yè)應(yīng)用,1、常見的復(fù)合材料有哪些種類？,2、影響纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的因素有哪些？,3、