工程材料力学性能优秀课件
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本课程主要讨论结构材料使用的复合材料， 纤维增强复合材料。
2021/2/25
工程材料力学性能
19
第二节 复合材料的一般特性
纤维与基体复合后，基体提供了一个连续的 介质，既保持了纤维的铺设方向，又从结构上保 证了纤维的载荷传递，允许纤维承受压缩和剪切 载荷，同时，基体在纤维间起着分散和传递载荷 的作用，也提高了纤维沿纤维方向的承载能力。 因此，复合材料的性质强烈地受组分的性质、分 布和相互作用的影响。
工程材料力学性能
2
复合材料的增强概念并不是新的概念。复合 材料使用的历史可以追溯到几千年以前的古老年 代。古代采用粘土和稻草砌成泥墙；中世纪用不 同材料层合做成的弓（以木材为芯，受拉面胶有 平等的纤维，受压面胶有牛角）、剑和盔甲等。 近代的胶合板和钢筋混凝土结构实际上都可以算 是复合材料。
现代复合材料从上个世纪40年代使用玻璃纤 维增强聚合物基体复合材料（俗称玻璃钢）算起 仅有几十年的历史。这种材料刚度较低，限制了 它在结构件上的应用。
11
2021/2/25
工程材料力学性能
12
先进复合材料应用动态
u应用趋势
——复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料
Titanium 5%
飞机 机体 结构 材料
15% Composites
65% Aluminium
15% Steel
65%
Composites
15%
Steel
15%
Aluminium
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工程材料力学性能
7
俄罗斯巨型运输机安-124的 部件使用了5.5吨复合材料
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工程材料力学性能
8
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工程材料力学性能
9
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工程材料力学性能
10
2021/2/25
采用复合材料达50% 的先进大型民机“梦
幻飞机”
B-787
工程材料力学性能
短纤维增强复合材料
（短纤维增强复合材料如模压复合 材料（SMC）和捏塑复合材料（DMC）
颗粒增强复合材料
2021/2/25
工程材料力学性能
18
同质物质复合的复合材料
基体和纤维采用同一物质构成的复合材料， 如碳-碳复合材料。
从以上可以看出，在复合材料中包含了一种 或几种不连续相和一种连续相，不连续相镶嵌于 连续相中。通常不连续相的强度和硬度比连续相 高，称作增强组分或增强材料，而连续相称为基 体。
2021/2/25
工程材料力学性能
16
复合材料分类：
按基体材料分类： 聚合物基复合材料（有机非金属材料、
热固性塑料、热塑性塑料） 金属基复合材料 陶瓷基复合材料（无机非金属材料）
2021/2/25
工程材料力学性能
Fra Baidu bibliotek
17
按增强材料分类：
纤维增强复合材料
（连续长纤维增强复合材料、结构 用复合材料，可以是纤维束增强，也可以 是织物增强）
工程材料力学性能
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工程材料力学性能
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2021/2/25
“首相一号”公务机在上 海虹桥机场亮相。 “首相一号”神奇之处在 于，该飞机机舱不用金属 框架、不用航空铝，而是 用碳纤维复合材料从里到 外一层层“织”出来的， 在同等外径的条件下，这 样制作的机舱比传统航空 铝机舱轻２０％，强度却 要提高３倍。
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工程材料力学性能
5
战斗机中大量使用复合材料，约占结 构总重量20~40%，直升机中约占40~50%。
复合材料在汽车、交通运输、工业设 备和化工、石油管道方面广泛应用。
F-22 “猛禽”
2021/2/25
工程材料力学性能
6
民用方面A310-300全尺寸复合材料垂直安定面翼 盒、波音767地板梁和所有损伤面使用近20吨复合材 料
2021/2/25
工程材料力学性能
3
玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制作 的直升机旋翼系统，使直升机的机动性和 加速性都得到改善，寿命几乎达到无限。
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工程材料力学性能
4
60年代高模量硼纤维的出现，硼/环氧 复合F-111水平安定面的研制成功，开始了 复合材料的高性能航空、航天结构上的应 用。此后碳纤维、芳纶纤维相继问世，并 很快形成了商品化产品，与此同时，适合 各种使用环境要求的多种环氧树脂可供设 计者选用，这不仅使复合材料成为高性能 结构的理想的结构材料，而且也使复合材 料成为科学技术上的一大突破。
复合材料力学分为微观力学和宏观力学。微 观力学主要研究纤维、基体组分性能与单向板性 能关系；宏观力学主要研究层合板的刚度与强度 分析，温湿环境影响等。
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工程材料力学性能
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第九章 复合材料的一般 特性、增强机理
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工程材料力学性能
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第一节 研究对象
复合材料是由两种或多种性质不同的 组分构成的材料，然而这样的材料太多了。 仅当材料各组分具有明显不同的物理性质、 组分间存在明显的界面，且复合后材料的 性质也明显不同于组分性质时，才能把这 种材料称为复合材料。
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工程材料力学性能
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密集度通常用组分的体积分数或质 量分数来表示。密集度不仅是影响复合 材料性能的一个重要参数，而且它是复 合材料制造过程中用来改变材料性能的 一个易于控制的参数。
密集度分布是材料体系匀相性的量 度。决定复合材料性能实际值与平均值 的差异程度。
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工程材料力学性能
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复合材料性质可能是组分性质的体积分数和； 或者，当不能用组分性质的简单体积分数和来估 算时，以某种叠加方法表征组分的相互作用，从 而预测复合材料的性质。因此在描述一个复合材 料体系时，除了要了解组分材料及其性质外，还 需要了解增强组分的几何条件（包括形状、尺寸 和尺寸分布），增强组分的密集度及密集度分布 和增强组分的方向。这些因素虽然很重要，但理 论研究中对上述因素都说明很困难。
5%
Titanium
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2000年
工程材料力学性能 2020年（预测）
13
目前发展和应用仍以热固性树脂基体碳纤维 复合材料为主，硼纤维成本高，加工困难，用量 很少，芳纶纤维吸湿开裂，吸湿增重，影响使用。
航空、航天技术的需求推动了金属基、陶瓷 基和C/C复合材料的发展。
复合材料力学性能的基本特点是各向异性、 可设计性和结构特性。这些性质以及它们引起的 特殊力学行为是均质的各向同性材料不具备的。 因此，我们需要学习有关复合材料的理论，掌握 其力学行为的基本特征及有效的试验方法。
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第二节 复合材料的一般特性
纤维与基体复合后，基体提供了一个连续的 介质，既保持了纤维的铺设方向，又从结构上保 证了纤维的载荷传递，允许纤维承受压缩和剪切 载荷，同时，基体在纤维间起着分散和传递载荷 的作用，也提高了纤维沿纤维方向的承载能力。 因此，复合材料的性质强烈地受组分的性质、分 布和相互作用的影响。
工程材料力学性能
2
复合材料的增强概念并不是新的概念。复合 材料使用的历史可以追溯到几千年以前的古老年 代。古代采用粘土和稻草砌成泥墙；中世纪用不 同材料层合做成的弓（以木材为芯，受拉面胶有 平等的纤维，受压面胶有牛角）、剑和盔甲等。 近代的胶合板和钢筋混凝土结构实际上都可以算 是复合材料。
现代复合材料从上个世纪40年代使用玻璃纤 维增强聚合物基体复合材料（俗称玻璃钢）算起 仅有几十年的历史。这种材料刚度较低，限制了 它在结构件上的应用。
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先进复合材料应用动态
u应用趋势
——复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料
Titanium 5%
飞机 机体 结构 材料
15% Composites
65% Aluminium
15% Steel
65%
Composites
15%
Steel
15%
Aluminium
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俄罗斯巨型运输机安-124的 部件使用了5.5吨复合材料
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工程材料力学性能
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采用复合材料达50% 的先进大型民机“梦
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短纤维增强复合材料
（短纤维增强复合材料如模压复合 材料（SMC）和捏塑复合材料（DMC）
颗粒增强复合材料
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同质物质复合的复合材料
基体和纤维采用同一物质构成的复合材料， 如碳-碳复合材料。
从以上可以看出，在复合材料中包含了一种 或几种不连续相和一种连续相，不连续相镶嵌于 连续相中。通常不连续相的强度和硬度比连续相 高，称作增强组分或增强材料，而连续相称为基 体。
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复合材料分类：
按基体材料分类： 聚合物基复合材料（有机非金属材料、
热固性塑料、热塑性塑料） 金属基复合材料 陶瓷基复合材料（无机非金属材料）
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按增强材料分类：
纤维增强复合材料
（连续长纤维增强复合材料、结构 用复合材料，可以是纤维束增强，也可以 是织物增强）
工程材料力学性能
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2021/2/25
“首相一号”公务机在上 海虹桥机场亮相。 “首相一号”神奇之处在 于，该飞机机舱不用金属 框架、不用航空铝，而是 用碳纤维复合材料从里到 外一层层“织”出来的， 在同等外径的条件下，这 样制作的机舱比传统航空 铝机舱轻２０％，强度却 要提高３倍。
2021/2/25
工程材料力学性能
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战斗机中大量使用复合材料，约占结 构总重量20~40%，直升机中约占40~50%。
复合材料在汽车、交通运输、工业设 备和化工、石油管道方面广泛应用。
F-22 “猛禽”
2021/2/25
工程材料力学性能
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民用方面A310-300全尺寸复合材料垂直安定面翼 盒、波音767地板梁和所有损伤面使用近20吨复合材 料
2021/2/25
工程材料力学性能
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玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制作 的直升机旋翼系统，使直升机的机动性和 加速性都得到改善，寿命几乎达到无限。
2021/2/25
工程材料力学性能
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60年代高模量硼纤维的出现，硼/环氧 复合F-111水平安定面的研制成功，开始了 复合材料的高性能航空、航天结构上的应 用。此后碳纤维、芳纶纤维相继问世，并 很快形成了商品化产品，与此同时，适合 各种使用环境要求的多种环氧树脂可供设 计者选用，这不仅使复合材料成为高性能 结构的理想的结构材料，而且也使复合材 料成为科学技术上的一大突破。
复合材料力学分为微观力学和宏观力学。微 观力学主要研究纤维、基体组分性能与单向板性 能关系；宏观力学主要研究层合板的刚度与强度 分析，温湿环境影响等。
2021/2/25
工程材料力学性能
14
第九章 复合材料的一般 特性、增强机理
2021/2/25
工程材料力学性能
15
第一节 研究对象
复合材料是由两种或多种性质不同的 组分构成的材料，然而这样的材料太多了。 仅当材料各组分具有明显不同的物理性质、 组分间存在明显的界面，且复合后材料的 性质也明显不同于组分性质时，才能把这 种材料称为复合材料。
2021/2/25
工程材料力学性能
21
密集度通常用组分的体积分数或质 量分数来表示。密集度不仅是影响复合 材料性能的一个重要参数，而且它是复 合材料制造过程中用来改变材料性能的 一个易于控制的参数。
密集度分布是材料体系匀相性的量 度。决定复合材料性能实际值与平均值 的差异程度。
2021/2/25
工程材料力学性能
20
复合材料性质可能是组分性质的体积分数和； 或者，当不能用组分性质的简单体积分数和来估 算时，以某种叠加方法表征组分的相互作用，从 而预测复合材料的性质。因此在描述一个复合材 料体系时，除了要了解组分材料及其性质外，还 需要了解增强组分的几何条件（包括形状、尺寸 和尺寸分布），增强组分的密集度及密集度分布 和增强组分的方向。这些因素虽然很重要，但理 论研究中对上述因素都说明很困难。
5%
Titanium
2021/2/25
2000年
工程材料力学性能 2020年（预测）
13
目前发展和应用仍以热固性树脂基体碳纤维 复合材料为主，硼纤维成本高，加工困难，用量 很少，芳纶纤维吸湿开裂，吸湿增重，影响使用。
航空、航天技术的需求推动了金属基、陶瓷 基和C/C复合材料的发展。
复合材料力学性能的基本特点是各向异性、 可设计性和结构特性。这些性质以及它们引起的 特殊力学行为是均质的各向同性材料不具备的。 因此，我们需要学习有关复合材料的理论，掌握 其力学行为的基本特征及有效的试验方法。