尺度效应

干法：先把纤维铺设成平行的纤维带，加入黏性液态树脂、预热 使树脂成半熔态，制成预浸带，加宽、切割成所需长度铺成层合 板，在热压罐中加热抽出气体及挥发物，树脂再次熔融－直到聚 合物分子彼此交联而开始固化。
湿法：不经过中间半成品预浸带的过程，直接浇注树脂于纤维上， 如火箭的壳体结构，整体固化。 －根据铺设角度不同有单向叠层板、多向叠层板。
如：
欧洲380空中客车，除大梁外，机身、机翼、操作纵面均 采用复合材料，其用量是波音777的2倍，其中，仅机翼就 用了53T（真机翼88T） 随着军用到民用的大面积推广，说明了复合材料成熟程度 大大的提高，从损伤容限的设计、材料的选择、制造计算 的工程化都反映出技术的革命。 ~ 现代复合材料的出现，是自喷气式发动机发明以来最大的 技术革命。 现已经向民用化发展，车辆、船舶、化工、建筑及体育用品 等。
显然，不同点处，方向相同的面上应力一般不同，而同一点处不 同方向的面上，应力一般也不相同，所以一般情况下t是点的位 置和作用面方向的函数：
t f x, n
固定x而改变n，就得到过一点的不同 面上的应力，这就是一点的应力状态， x3 而改变x，得到不同点的应力状态，即 应力场。
因此，为了解和描述一点的应力状态， 必须固定x而改变n，即应当了解过此 点各个方向的面上的应力矢量，过一 点可作无穷多个面，然而可证明只要 知道了过一点的3个正交面上的应力， 就能完全确定过这点的任何其它的面 x1 上的应力。
t (ji ) 代表 t (i ) 在 ei 方向的分量，则
t ji
(i ) j
(1) (1) t (1) t1(1) e1 t2 e2 t3 e3 11e1 12e2 13e3
t t
(2) (3)
t e t e t e 21e1 22e2 23e3
取微小六面体
33 31 13 32 23
22
11
12 21
x2
t ji
(i ) j
又注意到均匀应力状态下，左右两面对应应力分量等值、反向， 即这两个平行平面上的应力矢量大小相当、方向相反。 这样，过一点的3个正交面上一共是3个应力矢量，3 3 9 个应 力分量。以 t (i ) 代表作用在外法线方向 ei 的面上的应力矢量，
现阶段的复合材料主要有6项特点：
1. 比强度高、比刚度大
只是指沿纤维方向受拉的优越性。如有偏离纤维方向的力存 在，这种材料的性能会很差。因此，在多项受力时，为发挥 复合材料的优越性，不能沿单一方向铺设。 如：T300/环氧5280的比强度是铝的6.3倍；比刚度是铝的4.16倍 －目前，在航空工业中使用的结构复合材料，主要是利用它的高 比刚度，如制造飞机的尾翼合安定面等。至于比强度，由于 现阶段强度数据分散，经验还不足，用作飞机承力结构还是 有所顾虑。
复合材料的定义及分类
定义－是两种或两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的
多相材料，或概括的讲：由两种或两种以上独立的物理相所组 成的固体材料。 概念：相物理：各相材料的物理性能；相几何：各相材料的几 何形状及分布总称，二者的改变可获得功能不同的复合材料； 界面：混合效应）
分类
按性能和用途分：功能复合材料，结构复合材料。前者利用其 物理性能（如耐烧蚀材料、可透波材料等），后者可用在承力 结构中。
(2) 1 1 (2) 2 2 (2) 3 3
t e t e t e 31e1 32e2 33e3
(3) 1 1 (3) 2 2 (3) 3 3
9个应力分量 ij 可排成三阶方阵形式：
11 12 13 21 22 23 31 32 33
材料的发展带动了实验方法的进步
发展
天然材料
人工合成材料
金属（Au、Ag、Al）
金属基复合材料
无机非金属（木、竹）
陶瓷基复合材料
有机非金属（骨、贝）
高分子有机材料
金属 金属和合金 二相结构
金属填充塑料 金属基复合材料
塑料，聚合物合 金，橡胶增韧聚 合物
GRP CFRP
陶瓷和玻璃，二相 结构，如水泥
柯西应力（Cauchy stress）
x3
F
P
t
P
S
n
M
x2 x1
柯西应力原理认为，在n 不变的情况下无限缩小 S 一直收缩 到P点，在 S 0 的过程中， F 对p的矩为零，而 F / S
趋于一个确定的极限。以 t 表示此极限，从而定义了 t 为 过P而外法线方向为n 的无限小面元dS上的应力矢量（也叫张 力矢量）即： F dF t lim S 0 S dS
Burt Rutan 公司首次制造出全复合材料飞机，经受了雷电风 暴，创造了不着陆环球飞行的记录； 1987年 美国X29前掠翼飞机试飞成功，增强纤维具有不反射 电磁波，透波无磁性等特点，是一种性能优良的隐身材料； 1988年 美国研制成功B2隐形轰炸机。 目前， 几乎所有的飞机、导弹、火箭和各种航天器都大 量的使用了复合材料。 应用部位：机翼、尾翼和整流罩、卫星天线等，约占结构总 重量的20－40％。
6. 成型工艺好－可制备各种形状复杂的零部件，一次成型，工艺 简单，无浪费等。
复合材料力学－基本术语、概念
应力 －应力是一个重要的概念，它是连续介质力学描述物体的一部 分与另一部分之间的相互作用时所具有的唯一方法。 •外力和内力 外力－物体之间的相互作用力 内力－物体内部两部分间的作用力 连续介质力学中的内力－指的是可变形体因受外力而变形，在 其内部各部分间因相对位置改变引起的相互作用力。 •体积力
热塑性树脂：
• • • • • • • 聚酰胺（PA） 聚醚醚酮（PPS） 聚碳酸酯（PC） 聚砜（PS） 聚醚酰亚胺（PEI） 聚醚砜（PES） 热塑性聚酰亚胺（TPI） 125 250 125 150 170 180 240
复合材料的发展及应用
现代的复合材料是在20世纪40年代以玻璃纤维增强聚合物 基体复合材料发展而来。 －60年代高摸量硼纤维问世。标志是F－11战术轰炸机水平 安定面的研制成功（硼纤维环氧树脂基复合材料），从而 开始了在高性能航空航天领域中的应用； －稍后，碳纤维问世，接着芳伦纤维，很快实现商品化。 现代复合材料的问世，是科学上一大突破，使原有的只 能为特定结构选择材料发展成为为特定结构物设计材料。 如：用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制作的直升飞机的螺 旋浆，合理利用材料的刚度和阻尼特性，设计结构简单， 使用维修方便，使飞机的机动性和加速性能大为提高，且 寿命得以延长；
按基体材料相分： 1. 聚合物基复合材料 2. 金属基复合材料
3. 陶瓷基复合材料
4. 橡胶基复合材料 按增强相材料分： 1. 纤维增强复合材料 2. 短切纤维增强复合材料
3. 颗粒增强复合材料
4. 片状增强复合材料 5. 晶须增强复合材料 －纤维增强复合材料是指连续长纤维增强复合材料，单双向随机。
概论及总体目标、术语介绍
力学的内涵与发展历程： 是研究物质机械运动规律的科学，研究对象 是宏观物质机械运动所遵从的客观规律。 人们实践基础上发展起来，十六、七世纪 开始形成物理学的一个分支，一般把力学分 为运动学、动力学和静力学三部分。
随着材料生产及测试技术水平的提高， 力学中的刚体力学、弹性力学、流体力学等 分支先后得以发展，形成了比较完整的体系。 科技水平的进一步发展，力学开始从物理学 的一个分支独立出来成为自然科学一个独立 的分支。 主要研究内容： • 固体力学 • 爆炸力学 • 应用力学 • 计算力学
纤维增强复合材料的性能特点
－纤维增强复合材料是制作复合材料结构的主要材料。
高强度＋高模量＝理想载体 通过基体复合提供了一个连续的介质， 即保证了纤维的铺设方向；又从结构上保障了纤维的载荷传递， 基体在纤维间起着分散合传递载荷的作用，同时也提高了纤维沿 着纤维方向的承载能力。总之，复合材料可以克服材料的弱点， 发挥其综合能力。 优越性在于：实现设计材料的要求。由于复合材料是两层次材料 （从力学观点来看，是需要在细观合宏观两个层次内进行复合材 料的材料，这是复合材料区别于传统材料关键的区别），因此它 的宏观性能可以根据人们的需要通过细观性能来设计，可充分发 挥材料的潜力。
• 断裂力学 • 损伤力学 • 细观力学 • 纳观力学 • …. • 各种与力学有关的交叉学科等。 －力学学科的发展是以新材料、新的生产工 艺、新的工程应用环境、检测手段以及评 价手段等近代力学性能实验方法的发展为 基础，同时，实验方法反过来又进一步促 进了力学学科的进步与发展。
近代力学性能实验方法
其中11 , 22 , 33 分别垂直于外法线方向为 e1, e2 , e3 的平面， 叫作正应力，另外6个应力 ij (i j)是它们的作用面力，剪 应力。 应变
力学性能实验方法及பைடு நூலகம்要解决的问题： 内涵 －是以近代力学理论为基础，以先进的科 学方法为手段，正确真实地评价材料、零 部件、结构等的技术手段与方法； －是用来解决“物尽其用”问题的科学方 法；
力学试验的总体目标
• • • • • 材料或产品的质量控制与质量保证 材料的筛选及相互比较 材料的设计计算与性能预报 材料在服役过程中的性能表征 理论发展的出发点及验证
2. 抗疲劳性能好
复合材料的疲劳破坏机制与金属均匀材料完全不同。金属材 料往往出现单一裂纹，汇合成主裂纹，主裂纹控制着最终疲 劳破坏。而复合材料往往在高应力区出现大量损伤（界面脱 胶、层间开裂、纤维断裂等）并于材料种类、铺设方式、
纤维断裂等）并与材料种类、铺设方式、疲劳载荷类型有关，机 理复杂。 3. 减振性能好 －结构的固有频率除与结构的形状有关外，还与材料的比模量的 平方根成正比。由于复合材料的比刚度大，故其自振频率甚高， 可避免早起共振。此外，在吸能能力强、振动阻尼大的特点，一 旦振动，衰减也快。如：轻金属合金梁需9s,而复合材料梁只需 2.5s。 4. 抗高温性能好和膨胀系数小 －人们可根据不同工况条件选择抗高低温性能良好、膨胀系数小 的复合材料。一般铝合金在400度时弹性模量几乎接近零，而硼 纤维/钛合金复合材料在此温度下性能不变，此外，韧性较好。 5. 安全性能好－ 单一纤维的断裂不会导致突然破坏。
近代力学实验方法
本科程讲授及实验内容
一、概论及总体目标、术语介绍 二、实验应变分析方法：电阻应变测量、光 测技术及其它方法 三、 无损检测方法及原位观测（AE）技术 四、复合材料的拉伸、压缩方法 五、剪切、弯曲、横向性能 六、断裂和韧性
七、复合材料冲击及损伤容限 八、疲劳性能 九、MEMS材料力学性能的测试技术薄膜力 学性能 十、复合材料环境测试、尺度效应、实验数 据处理 十一、复合材料层合板拉伸实验、压缩实 验、弯曲实验 复习考试
复合材料层叠结构
单层板：纤维＋基体；界面明显；复合材料而成的单板。其力学 性能确决于组分材料的力学、几何（形状、分布、含量）特性＋ 界面性能好坏。
层合板：按不同的方式叠合而成的层合结构，是复合材料的主要 形式。其物理性能取决于单板的力学性能、叠层厚度、铺设方向、 顺序等。 为了对其进行力学分析，必须对其制造过程有所了解 纤维增强树脂基复合材料的制备工艺大体可分为：干法、湿法。
纤维增强复合材料－层合复合材料 －航天、航空及国防的迫切需求，高强质轻 具有可设计性的新材料得以开发，出现了 纤维增强复合材料。 增强相－纤维的大体分类（参见P5－8） • 玻璃纤维 • 碳纤维 • 碳化硅纤维 • 硅化合物纤维 • 有机纤维
基体相－聚合物（树脂）的大体分类： 一、热固性： 最高使用温度 • 聚酯（PE） 50 • 环氧树脂（Ep） 150 • 酚醛树脂（Ph） 200 • 双马来酰亚胺（BMI） 220 • 聚酰亚胺（PI） 280
塑料
陶瓷
材料的发展
传统的材料的优缺点： 塑料：低密度，良好的短期化学稳定性和较好的耐 环境性能，易成型和连接；热稳定性差，力学性 能较低。 陶瓷：热稳定性极高，耐腐蚀耐磨损；呈脆性，成 型及加工及其困难。 金属：中高密度，如镁合金、铝合金等密度接近塑 料，具有良好热稳定性，合金耐腐蚀，力学性能 较高，韧性好，易成型及加工等；