第一章 复合材料力学绪论

§1-2-Байду номын сангаас 树脂基复合材料
一、纤维（增强体）
1、对纤维的基本要求
1）力学性能：一般要求要高
2）表面状态：应易于与树脂浸润 3）长度、根数及捻度：长度应满足 FRC的要求； 纤维束丝中单丝根数应能符合FRC每层压厚的要求。
4）细度和均匀度：细度是指单丝直径；均匀度是指 直径的均匀程度，须满足一定的规定。 5）毛丝，毛团：为纤维束中的杂质，在一定纤维束 长度上不允许超过一定数目。 6）环扣强度：是衡量纤维柔韧性的一个指标，可用 来表明纤维工艺性能的好坏。
目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%，而 某些直升机早已达到90%
荷兰计划研发新型绿色环保飞机 外形将酷似飞碟，另一个设想就是使用复合材料，如纤维增强 塑料。这种复合材料强度可与金属媲美，而重量却比金属轻得 多，因此可以节省燃油。
二、机械工业
主要用于阀、泵、齿轮、风机、风片、轴及 密封件等。
七、其他领域
船舶业，生物医学，运动器械，食品工业等。
绿可木，生态木塑复合材料， 木塑复合材料吸音板
复合材料（玻璃钢）制品
生物医学制品和体育运动
复合材料被用来预防受伤，矫正生理 机能，和帮助病人复原。
生物医学制品和以体育运动器材为主 的碳纤维复合材料制品
碳纤维/树脂复合材料
生产充气船及其胶布制品，采用国际上先进的A级 RTP复合材料
新型日光温室复合材料 温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成
热塑性复合材料在近20年中，增长速率持续较快， 是热固性的3倍。
聚合物纳米复合材料
传统的 复合材料 聚合物
插入的 纳米复合
层状粘土
片状剥 离的 纳米复
新型的纳米黏土
片层越小，分散得越好，则复合材料的性能越好
http://v.youku.com/v_show/id_XNDcwNjIzNTI=.html
玻璃纤维布
玻璃纤维绳
玻璃纤维绳
纳 米 碳 管 纤 维 玻璃纤维纸
碳 纤 维 绳
二、树脂基体
1、FRC树脂基体的基本要求
1）分子量及其分布：分子量要适中，其分布范围 应尽量小。 2）粘度和流动性：若树脂粘度小，则易于浸渍纤 维，并且流动性好。 3）挥发分 ：树脂挥发分应尽量小 4）固化特性：要求固化温度尽可能低，固化压力 尽可能小，固化时间尽可能短。 5）力学性能：具有一定的强度，模量，延伸率， 压缩性能。
§1-4 复合材料的应用
一、航空航天工程
碳纤维树脂基复合材料：发动机叶片。 硼纤维/铝：TF30-发动机叶片。 玻璃钢：直升机旋翼。
CF/GF复合材料：军用飞机机翼、机身。 石墨纤维复合材料：喷气发动机 CF/KF混杂复合材料：起落架，舱门
复合材料的应用实例
碳纤维/环氧树脂
碳纤维/芳纶/环氧树脂
复合材料及其力学基础
西南交通大学 应用力学与工程系
2014年2月
第一章 绪论
§1-1 复合材料的定义及分类 §1-2 复合材料的组分
§1-3 复合材料的力学分析方法 §1-4 复合材料的性能 §1-5 复合材料的应用
§1-6 复合材料的构造及制法
§1-1 复合材料的定义及分类
一、复合材料的定义
1、定义 广义：由两相或多相组分构成的材料（包括自然的 和人工的）。
3）芳纶
拉伸强度高，约为铝合金的5倍；弹性模量高，比玻 璃纤维高1倍；密度小；韧性好 。
4）硼纤维 拉 伸 强 度 >3.45GPa ； 密 度 2.4~2.6g/cm3 ； 拉 伸 模 量 400GPa 5）氧化铝纤维 拉 伸 强 度 1.7~2.0GPa ； 密 度 3.95g/cm3 ； 拉 伸 模 量 380GPa 6）碳化硅纤维 拉 伸 强 度 >3.35GPa ； 密 度 3.05g/cm3 ； 拉 伸 模 量 400GPa
增强相：其它一些以独立形态分布于整个连 续相中的分散相； 界 面：两者之间的结合部称为界面。
二、复合材料的分类
1、按来源分： ①天然（竹、木材、麻等）； ②人工 2、按基体材料的种类分： ①聚合物基复合材料：热固性、热塑性、橡胶； ②金属基复合材料：铝，钛合金； ③陶瓷基复合材料； ④石墨基复合材料：C-C； ⑤混凝土基复合材料
狭义：由两种或多种不同性质的材料用物理和化学 方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。
复合材料的发展，经历了古代、近代和现代三个 阶段
• 自古以来，人们就会使用天然的复合材料——木材、 竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中 掺稻草，制成土坯砖。
• 近代复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂（如酚醛树 脂、环氧树脂等）——玻璃钢。 • 原子能、航空、航天、电子、化工等的发展，对材料 的轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐腐 蚀、电性能等提出了更高要求，使现代先进复合材料 蓬勃发展起来——高性能纤维和其他各种形式的复合 材料
1.99
3.7 1.8 1.6 2.9 2.4
60
390 38.6 181.0 130 68
1750
900（弯曲 强度） 1500 1062 900 400
30.2
105 2104 113.1 49 28.8
879
243.2 833.3 663.8 310 166.7
A3钢
7.86
210
460
27
59
5、高、低温性能好，膨胀系数小 6、耐磨、减摩，自润性好
7、其它的特殊性能：
具有耐烧蚀性，耐辐射性，耐蠕变性以及特殊的光，
电，磁性能。
二、复合材料的缺点
1. 材料性能的各向异性严重
垂直于纤维方向的力学性能较低，特别是层间剪切强
度很低。
2. 材料性能分散性较大，质量控制和 检测比较困难。 3. 材料成本较高。 4. 有些复合材料韧性差，机械连接较困难。
2、特点
复合材料应具有如下三个特点：
由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观 或微观复合形成的一种新型材料，组元间存在着 明显的界面； 各组元不但保持各自的固有特性，而且还最大限 度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组 元所不具备的优良特殊性能；


复合材料具有可设计性。
3、基体和增强体 基 体：复合材料中比较连续的相；
6）与纤维的相容性：要好。 7）耐热性能：包含耐温性和耐热老化性。 8 ）有耐腐蚀性能，介电性能，阻燃性，自熄性 等。 2、树脂的分类 分为热固性树脂和热塑性树脂两类。 热固性：加温和加压固化，不溶不熔，不可再利用。 如聚酯，环氧，聚酰亚胺，酚醛等。
热塑性：加热液化，可溶可熔，结晶态有固定熔点， 可再利用。如聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯等。
§1-6 复合材料的构造及制法
§1-6-1 复合材料的基本构造形式
一、单层复合材料
纤维按一个方向整齐排列或由双向交织纤维平面 排列。（各向异性、线弹性） 1， 2， 3材料的主轴：纵向：纤维方向（ 1）；横 向：垂直于纤维方向（2）；厚度方向（3）：
二、叠层复合材料（层合板）
由多层的单层板铺放成叠层形式，进行粘合，经 过加热固化形成，各层单层板的纤维方向一般不同。 表示方法 a/0o/90o/-a
三、汽车工业及交通运输行业
主要用于整车重量的降低，是复合材料应用 最活跃的行业之一。
四、化学工业
耐蚀件，各种容器。
碳/碳复合材料
复合材料军用吉普车
玻璃纤维/ 碳纤维/增强树脂 美洲轻木 泡沫
超级跑车 车身大量应用碳纤维复合材料
五、兵器工业
复合装甲，防弹头盔
六、建筑领域
玻璃纤维增强水泥，玻璃钢等。
一 优点
1、不受产品尺寸和形状的限制，适宜尺寸大，批 量小，整体式及结构复杂产品的制作； 2、可以根据设计要求合理利用增强材料，可以在 制品不同部位任意局部增强； 3、制品树脂含量可调，耐腐蚀性能好； 4、设备简单，投资少，操作方便，生产准备时间 短，工艺简便。
二 缺点
1、生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条 件差； 2、产品质量不易控制，性能稳定性不高； 3、产品强度较其他成型工艺低，尺寸精度 较差。
二 缺点
1、模具设计制造复杂，压机及模具投资高；
2、制品尺寸受设备限制，一般只适合批量 大的中、小型制品。
2、分类 按形态可分为长纤维、短纤维、晶须和颗粒增 强体；从材质来看有碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅 纤维、石墨纤维、碳化钛纤维、氮化硼纤维等。
二、基体
1、选择基体应注意的事项 1）满足金属基复合材料的不同使用要求
飞行器和卫星构件 —— 密度小的轻金属合金，如 Mg 、 Al合金；
高性能发动机——耐高温的合金，如Ti、Ni基合金；
二、金属基复合材料 1、固态成型：扩散结合或粉末冶金成型。 2、液态成型：压铸、半固态复合铸造或无压 渗透成型。 3、喷涂和喷射沉积成型
4、原位复合成型：共晶合金定向凝固法、直 接金属氧化法和反应生成法。
3 树脂基复合材料成型技术简介
重点介绍手糊成型及模压成型
3.1 手糊成型
手糊成型是依次在模具型腔表面涂布或铺迭 脱模剂、胶衣、粘度适中的树脂基体(胶衣凝胶后 涂覆)，手持辊子或刷子使纤维浸渍基体，并驱除 气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到 制品的设计厚度。
2、纤维的分类：
无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维及氧化硅、 氧化铝纤维等； 有机纤维：芳纶纤维、尼龙纤维及聚烯烃纤维等。
3、几种常用的纤维 1）玻璃纤维 拉伸强度2.5~4.58GPa；密度2.14~2.55g/cm3；拉伸模 量 55~86GPa；延伸率 3.37~5.2%
2）碳纤维 拉伸强度 >1.7GPa ；拉伸模量 200~400GPa ；耐高温： 2000℃ 。
三、短纤维复合材料
由随机或单向排列的短切纤维组成。 随机取向：各向同性 单向取向：各向异性
四、颗粒增强复合材料
颗粒随机分布，宏观各向同性。
§1-6-2 复合材料成型方法
一、树脂基复合材料
1、接触成型：手糊成型；喷射成型。 2、压力成型：模压、袋压或层压成型。 3、缠绕成型：生产PMC回转体结构。 4、编织成型：制备多向、三维复合材料。 5、夹层结构制造成型 6、其他成型：注射、拉挤或树脂传递成型。
汽车发动机——耐磨，耐热，导热，一定的高温强度， 价廉的合金，如Al合金；
电子工业集成电路——高导热，低热膨胀材料，如银， 铜，铝等金属。 2）应注意金属基复合材料组成的特点 长纤维复合材料 ——纯或含有少量合金元素的合金， 如纯铝或铝合金（低强度）； 不连续增强复合材料——高强度合金。
§1-3 复合材料的性能
基本工艺流程
纤维增强材料
准备
模具 处理 树脂 涂脱模剂 剪裁 增强材料准 备 手糊成型 固化
为下一次手糊 成型做准备
固化剂
辅助材料
干燥
树脂胶液配 制 准备
脱模
修整
后处理
检验
成品
3.2 模压成型
一 优点
1、生产效率较高； 2、制品尺寸准确，表面光洁； 3、可一次成型，无需二次加工； 4、制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机 械化和自动化。
玻璃纤维增强塑料 芳纶/杜邦聚酰胺 芳纶/泡沫芯板 碳纤维/杜邦聚酰胺
GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮
B-2隐形轰炸机 除主体结构是钛复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨 等复合材料构成，不易反射。
轻巧的碳/碳复合材料
全复合材料机身：轻型机的价格，中型机的宽敞客舱， 客舱内站立高度为1.65米。
§1-2-2 金属基复合材料
一、增强体
1、MMC对增强体的基本要求 1）应具有能明显提高金属基体所需特性的性能； 2 ）应具有良好的化学稳定性，在金属基复合材料 制备和使用过程中基体有良好的化学相容性，不发 生严重的界面反应； 3 ）与金属有良好的浸润性或通过表面处理能与金 属良好浸润，以保证增强物与金属基体良好的复合 和均匀分布。
3、按增强相分类： ①纤维增强复合材料：长纤维，短纤维； ②晶须增强复合材料； ③颗粒增强复合材料； ④混合增强复合材料：不同形态的增强相共同增强 的复合材料。 4、按用途分类： ①结构复合材料； ②功能复合材料：电磁学、光学、热学、声学及摩 擦、阻尼材料； ③智能复合材料：自适应环境。
§1-2 复合材料的组分
一、复合材料的优点
1. 材料性能的可设计性
其宏观性能可根据人们的需要通过细观性能来设计， 因此可充分发挥材料的潜力。
2. 制造工艺简单，成本较低。 3. 化学稳定性高。
4、比强度，比刚度高
材料 密度 模量(GPa) 强度(MPa) 比刚度 比强度
连续S-玻璃纤 维/环氧树脂
25%SiCw/氧 化铝 GRP(GF/EP) CRP(CF/EP) 50%Al2O3f/Al 高强Al合金