复合材料课件 第4章 复合材料设计原理

（1）相乘效应
两种具有转换功能的组分复合 在一起，有可能产生新的功能。
（X/Y）·（Y/Z）＝ X/Z
A相性质 X/Y 压磁效应 压磁效应 压电效应
磁致伸缩效应 光电效应 热电效应
热致变形效应
表4-1 复合材料的乘积效应
B相性质 Y/Z
复合后的乘积性质 X/Z
磁阻效应
压敏电阻效应
磁电效应
压电效应
场致发光效应
h
EI E bh3
b
12
EI
EI1
EI2＝2E
b 12
h 2
3
1 4
bh3 12
4.1.2 复合效应
线性效应 非线性效应
线性指量与量之 间成正比关系
非线性指量与量 之间成曲线关系
一次函数y=kx+b 叫线性函数,它的图象是一条直线。
非一次函数(如y=x2, y=k/x, y=sinx...)都叫非线性函数,它们的图象 都不是直线。
①结构所能承受的各种载荷，确保使用期内的安全 ②对结构形状和尺寸的限制，提供附件的空间 ③ 隔绝外界的环境状态而保护内部物体
结构的性能
飞机火箭、船 舶、车辆
化工装置
雷达罩、天 线
飞行器
结构质量 耐腐蚀性 电磁性能
防雷击
（2）载荷情况
•静
•动
载
载
荷
荷
瞬时作用载荷 冲击载荷 交变载荷
例如，风扇叶片由于旋转式的惯性力将引起拉应力
复合材料是一种结构材料
E-1
三次结构
二次结构
一次结构
复合材料设计的基本步骤
对外部环境与载荷的要求
机械载荷 热载荷 潮湿环境
选材要求 基体材料 增强材料 几何形状
成型工艺及 工艺过程优 化的设计料
损伤及破坏分析
强度准则 损伤机理 破坏过程
复合材料的响应 应力场 温度场等 设计变量的优化
代表性单元的性能考察 细观力学方法 有限元方法荷 试验力学方法 典型结构的宏观性能法
以确保结构的 强度与刚度
结构设计的步骤：
（1）明确设计条件：性能要求，载荷要求，环境条件， 形状限制等。
（2）材料设计：原材料选择，铺层性能确定，复合 材料层合板的设计。
（3）结构设计: 典型结构件（杆、梁、板、壳）的设 计等，以及复合材料（衍梁、钢架）的设计。
2.复合材料结构设计条件
（1）性能要求
不同复合效应的类别
线性效应
非线性效应
平均效应
相乘效应
平行效应
诱导效应
相补效应
共振效应
相抵效应
系统效应
4.1.2.1 平均效应
是复合材料所显示的最典型 的一种复合效应。
并联模型
串联模型
基体
增强体
Kc=∑KiVi（并联模型） 1/Kc =∑Vi/Ki（串联模型）
Knc=∑KniVi
ρc＝ρmVm+ρfVf
组成复合材料的基体与增强体，在性能上互补， 弥补各自的缺点，从而提高了综合性能。
脆性的高强度 纤维增强体
适宜的结合
韧性基体
4.1.2.4 相抵效应
基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约， 限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。
脆性的纤维
界面结合很强
脆性断裂
脆性陶瓷 基体
4.1.2.2 非线性效应
影响结构的 腐蚀、磨损、 老化等
（4）结构的可靠性和经济性
• 可靠性是指结构在所规定的使用寿命内，在给予的载荷
情况和环境条件下，充分实现所预期的性能时结构正常 工作的能力，这种能力用一种概率来度量称为可靠度。 • 结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。
压力发光效应
压阻效应
磁阻效应
电致效应
光致伸缩
电致发光效应
红外光转换可见光效应
压敏电阻效应
热敏电阻效应
变形-电 阻效应
石墨粉
复合
热致变形 高聚物
自控发热体
（2）诱导效应
在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使 另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。
例如： 结晶的纤维增强体对非晶 基体的诱导结晶或基体的晶形取 向作用。
各向异性和非均质性导致耦合变形和高温固化翘曲变形 非均质性还将构成复合材料力学性能的其它一些特性
变形复杂性－耦合变形
拉剪耦合
拉弯耦合
屈服 强度
弯扭耦合
极限 强度
各向同性材料强度指标1个： S （塑性材料） b（脆性材料）
正交各向异性强度指标5个： Xt、X c、Yt、Yc、S
（3）层间强度低
合材料中突出地发挥。又称强选择效应。
利用这种效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固 有频率而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料，同 样可以根据外来波长的频率特征，调制复合材料频率，达到 吸收外来波的目的。
• 例如，有关领域要求导电而不导热的材料，就是通 过选择组元和复合状态，在保留导体组元导电性的 同时，抑制其导热性而获得的特殊功能材料。
20
涤纶纤维增强聚丙烯复合材料
横晶
球晶
21Hale Waihona Puke Baidu
（3）系统效应
指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复 合后，使复合材料具有单个组分不具有的新性能。
• 红、黄、蓝三色组成的彩色世界 • 涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和
（4）共振效应
它是指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使 A组分的大多数性能受到较大抑制，而使其中某一项性能在复
第4章 复合材料 设计原理
4.1 复合材料的可设计性
复杂性
灵活性
刚度
强度
制造工 艺
复合材料力学性能特点
（1）各向异性
性能是一点方向的函数
正交各向异性 纵向（L）
横向（T）
各向同性材料工程弹性常数：E、μ (G)
正交各向异性工程弹性常数： EL、ET、L、T、GLT
（2）非均质性
性能是位置的函数
• 共振效应在阻尼减振和电磁波吸收复合材料的研究 和设计中获得利用。
4.2 材料的设计目标和设计类型 4.2.1 材料的使用性能和设计目标
①力学性能 ②物理性能 ③化学性能
性能要求 约束条件
4.2.2 复合材料的设计类型
安全设计 单项性能设计 等强度设计 等刚度设计 优化设计
4.3.1复合材料结构设计过程
Ec=EmVm+ EfVf
Kc—材料性能； Vi—为组分材料的体积分数； c—复合材料；m—基体；f—增强体（功能体）
4.1.2.2 平行效应
复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的性 质，既无制约，也无补偿。
玻璃纤维增强环氧树脂复合材料 与
环氧树脂的耐腐蚀性能基本相当
4.1.2.3 相补效应
➢在静载荷作用下结构应具有足够的强度和 刚度；
➢在冲击载荷下要求结构有一定的韧性； ➢交变载荷下要求结构有耐疲劳性能。
（3）环境条件
a力学条件：加速度、冲击、振动、声音等 b物理条件：压力、温度、湿度等 c气象条件：风雨、冰雹、日光等 d大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等
影响结构 的强度和 刚度