复合材料力学ppt演示教学
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第6章 复合材料细观力学PPT
物理关系
G , G , G Ⅱ
12
12 12 f 12
f 12 f m12
m12 m
于是
GⅡ 12
Gf
f
Gm m
6.3.3 植村-山胁的经验公式
E1 EⅠ1 E1Ⅱ
E2 (1 c)EⅠ2 cEⅡ2
1 (1 c)Ⅰ1 c1Ⅱ
2
E2 E1
1
G12 (1 c)GⅠ12 cG1Ⅱ2
(3)泊松比
I 1
,
I 2
当正轴σ1方向受力作用时，纵向泊 松比的定义为
I 1
2 1
单元的横向变形量Δb为 b b 2 b1I 1
从细观来看，单元的横向变形量应等于纤维与基 体的横向变形量之和,即
bbf 2 bm2 bff 2 bmm2 bfff1bmmm1
3
因为
1 f 1 m1
所以
E f 1 Em f 3(1 f )
（拉压 型）
Xc
Gm 1 f
（剪切 型）
7
练习题
• 用材料力学方法证明单向纤维复合材料中纤维所承受
载荷Pf与纵向总裁荷P之比为
Pf 1/(1 Em m )
P
Ef f
• 已知某纤维Xft=2000MPa,Ef1=90GPa,基体树脂 Xmt=220MPa,Em=3.5GPa.若基体的延伸率大于纤维，试 求由以上基体和纤维制得的复合材料单向板的临界纤
X ft
X mt
X ft
Em Ef1
vfmin称为纤维控制的最小体积含量
6.4.2 纵向压缩强度Xc
拉压型微屈曲引起破坏的纵向压缩强度
X c 2 f
E f Em f 3(1 f )
《复合材料》PPT课件
界面作用
界面在复合材料中起到传递载荷、阻止裂纹扩展和调节内应力的作 用。
界面优化
通过改变界面形态、引入界面相容剂或采用表面处理技术等方法，可 改善界面性能，提高复合材料的综合性能。
03
复合材料的制备工艺
原材料选择与预处理
增强材料选择
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比强度、高比模量等 优点。
医疗器械
复合材料可用于制造医疗器械如手术器械、牙科 设备和医疗床等，具有轻质便携、X光透过性好 和耐消毒等优点。
能源领域
复合材料可用于制造风力发电机叶片、太阳能板 支架和石油管道等，具有耐候性强、抗腐蚀和轻 质高强等优点。
06
复合材料的未来发展趋势
新型复合材料研究进展
碳纳米管增强复合材料
具有优异的力学、电学和热学性能，广泛应用于航空航天、汽车 、电子等领域。
航天器结构
复合材料用于制造卫星、火箭和导弹等航天器的结构件，如碳纤维/环 氧树脂复合材料在卫星结构中的应用。
03
发动机部件
复合材料可用于制造航空发动机的叶片、机匣和涡轮等部件，提高发动
机的推力和效率，如陶瓷基复合材料在发动机热端部件中的应用。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度 。
桥梁和道路
复合材料可用于制造桥梁结构、道路护栏和标志牌等，具有耐久性强、维护成本低等优点 。
其他领域应用
1如网球拍、高尔 夫球杆和自行车车架等，具有轻质高强和良好的 力学性能。
界面在复合材料中起到传递载荷、阻止裂纹扩展和调节内应力的作 用。
界面优化
通过改变界面形态、引入界面相容剂或采用表面处理技术等方法，可 改善界面性能，提高复合材料的综合性能。
03
复合材料的制备工艺
原材料选择与预处理
增强材料选择
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比强度、高比模量等 优点。
医疗器械
复合材料可用于制造医疗器械如手术器械、牙科 设备和医疗床等，具有轻质便携、X光透过性好 和耐消毒等优点。
能源领域
复合材料可用于制造风力发电机叶片、太阳能板 支架和石油管道等，具有耐候性强、抗腐蚀和轻 质高强等优点。
06
复合材料的未来发展趋势
新型复合材料研究进展
碳纳米管增强复合材料
具有优异的力学、电学和热学性能，广泛应用于航空航天、汽车 、电子等领域。
航天器结构
复合材料用于制造卫星、火箭和导弹等航天器的结构件，如碳纤维/环 氧树脂复合材料在卫星结构中的应用。
03
发动机部件
复合材料可用于制造航空发动机的叶片、机匣和涡轮等部件，提高发动
机的推力和效率，如陶瓷基复合材料在发动机热端部件中的应用。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度 。
桥梁和道路
复合材料可用于制造桥梁结构、道路护栏和标志牌等，具有耐久性强、维护成本低等优点 。
其他领域应用
1如网球拍、高尔 夫球杆和自行车车架等，具有轻质高强和良好的 力学性能。
复合材料力学性能ppt课件
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
.
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
应变硬化
E D A
D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力. -应变曲线（玻璃态）
20
2.2 高分子材料的力学性能
.
21
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
扭转
F
.
17
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
.
电子万能材料试验机
18
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
.
19
复合材料力学-3-PPT精选文档67页
1
2
E 2 2
E 2 V f
2 Ef
Vm
2 Em
W
纤维 基体
E2
E fE m V m E f V fE m
E2
1
E m V m V f(E m / E f )
2 与试验值相比，较小，由于纤维随
基体模量正化
机排列，兼有串联和并联的成分 12
刚度的材料力学分析方法
1
Gm
V
m
V
f
G G
m f
基体
1
纤维
基体
m/2 f
14
刚度的材料力学分析方法
进一步工作
采用各种不同的模型，可以给出不同的弹性常数
欧克凡尔考虑了由于纤维约束引起在基体中的三向 应力状态而得到了如下的混合率表达式
E1
Ef Vf
E
' m
V
m
E2
E
f
E
' m
Vm
E
f
(1
2 m
)
时 1 1 m m 2 2 m 2 m 2 d E E d d V V d d 1 1 d d 2 2 d 2 d 2 E m m E V m m V m
U* 0
24
证明：表观弹性模量的上限
U *221 1d 4 d d 2 d 222EdV d1 1m m 4 m 2 m 222Em V mV
由于 UU*
1 2E2V221 1d 4 d d 2 d 222EdV d1 1m m 4 m 2 m 222Em V mV
2
E 2 2
E 2 V f
2 Ef
Vm
2 Em
W
纤维 基体
E2
E fE m V m E f V fE m
E2
1
E m V m V f(E m / E f )
2 与试验值相比，较小，由于纤维随
基体模量正化
机排列，兼有串联和并联的成分 12
刚度的材料力学分析方法
1
Gm
V
m
V
f
G G
m f
基体
1
纤维
基体
m/2 f
14
刚度的材料力学分析方法
进一步工作
采用各种不同的模型，可以给出不同的弹性常数
欧克凡尔考虑了由于纤维约束引起在基体中的三向 应力状态而得到了如下的混合率表达式
E1
Ef Vf
E
' m
V
m
E2
E
f
E
' m
Vm
E
f
(1
2 m
)
时 1 1 m m 2 2 m 2 m 2 d E E d d V V d d 1 1 d d 2 2 d 2 d 2 E m m E V m m V m
U* 0
24
证明：表观弹性模量的上限
U *221 1d 4 d d 2 d 222EdV d1 1m m 4 m 2 m 222Em V mV
由于 UU*
1 2E2V221 1d 4 d d 2 d 222EdV d1 1m m 4 m 2 m 222Em V mV
复合材料的力学性能ppt课件
外表改性剂对植物纤维/ 聚丙烯复 合资料力学性能的影响
采用不同的外表改性剂(苯甲酸、硬脂酸、 有机硅烷) 对植物纤维/ 聚丙烯复合体系进 展了处置,研讨了外表改性剂对体系力学性 能的影响规律,讨论了复合资料界面粘接机 理,分析了力学性能的变化规律。研讨结果 阐明,苯甲酸的参与可以使复合资料的拉伸 强度有较大提高,但冲击强度下降;经硬脂 酸处置的复合资料,其冲击强度有明显提高; 经有机硅烷处置的复合资料,拉伸强度及冲 击强度均有所提高。
由以下图可知,随着有机硅烷用量的加,复合资料的 拉伸强度会明显添加, 当有机烷含量达115 %时,拉 伸强度达最大值。以上结果阐明,硅烷偶联剂水溶 液的浸透性极强,可浸透植物纤维颗粒的一切间隙, 从而进一步浸润植物纤维颗粒的全部外表,使得偶 联剂与植物纤维外表坚持良好的接触;而有机硅烷 中的烷氧基团水解后构成硅醇,这样,硅醇就可以跟 植物纤维中的羟基作用,使纤维的吸水性减少,降低 了纤维的极性[3 ] 。
复合资料的特点
以天然植物纤维与热塑性树脂混合制备的复合资料 具有质量轻,加工性能好的特点,在许多领域有着广 泛的运用前景。植物纤维价廉易得,具有较大的强 度,刚度和耐热性。作为天然资料,植物纤维还可被 生物降解,植物纤维/ 热塑性树脂复合资料也因此具 备一定的环境相容性,是一条减轻目前“白色污染 〞的可行途径。因此,对植物纤维/ 聚丙烯复合资料 的研讨有着很重要的实际意义和适用价值。由于植 物纤维分子构造中含有大量的羟基,极性较强,与非 极性的聚丙烯混合时相互作用力很小,界面结合力 差,会影响复合资料的力学性能。故必需运用外表 改性剂对资料进展改性,以提高两种资料的界面结
苯甲酸含量对复合资料拉伸性能和冲击性能的影响
硬脂酸含量对复合资料力学性能的影响
以下图分别表示了在复合资料中参与了硬脂酸之 后,其拉伸性能和冲击性能的变化。从图 中可知, 复合资料的拉伸性能随硬脂酸含量的添加变化不
采用不同的外表改性剂(苯甲酸、硬脂酸、 有机硅烷) 对植物纤维/ 聚丙烯复合体系进 展了处置,研讨了外表改性剂对体系力学性 能的影响规律,讨论了复合资料界面粘接机 理,分析了力学性能的变化规律。研讨结果 阐明,苯甲酸的参与可以使复合资料的拉伸 强度有较大提高,但冲击强度下降;经硬脂 酸处置的复合资料,其冲击强度有明显提高; 经有机硅烷处置的复合资料,拉伸强度及冲 击强度均有所提高。
由以下图可知,随着有机硅烷用量的加,复合资料的 拉伸强度会明显添加, 当有机烷含量达115 %时,拉 伸强度达最大值。以上结果阐明,硅烷偶联剂水溶 液的浸透性极强,可浸透植物纤维颗粒的一切间隙, 从而进一步浸润植物纤维颗粒的全部外表,使得偶 联剂与植物纤维外表坚持良好的接触;而有机硅烷 中的烷氧基团水解后构成硅醇,这样,硅醇就可以跟 植物纤维中的羟基作用,使纤维的吸水性减少,降低 了纤维的极性[3 ] 。
复合资料的特点
以天然植物纤维与热塑性树脂混合制备的复合资料 具有质量轻,加工性能好的特点,在许多领域有着广 泛的运用前景。植物纤维价廉易得,具有较大的强 度,刚度和耐热性。作为天然资料,植物纤维还可被 生物降解,植物纤维/ 热塑性树脂复合资料也因此具 备一定的环境相容性,是一条减轻目前“白色污染 〞的可行途径。因此,对植物纤维/ 聚丙烯复合资料 的研讨有着很重要的实际意义和适用价值。由于植 物纤维分子构造中含有大量的羟基,极性较强,与非 极性的聚丙烯混合时相互作用力很小,界面结合力 差,会影响复合资料的力学性能。故必需运用外表 改性剂对资料进展改性,以提高两种资料的界面结
苯甲酸含量对复合资料拉伸性能和冲击性能的影响
硬脂酸含量对复合资料力学性能的影响
以下图分别表示了在复合资料中参与了硬脂酸之 后,其拉伸性能和冲击性能的变化。从图 中可知, 复合资料的拉伸性能随硬脂酸含量的添加变化不
复合材料力学第二章2PPT课件
S13S 22
, C 22
S11S 33
S
2 13
S
,
C 23
S 1 2 S 1 3 S S2 3 1 1 S
, C 33
S11S 22 S
S
2 12
C 44
1 S 44
, C 55
1 S 55
, C 66
1 S 66
其中：
S S 1 1 S 2 2 S 3 3 S 1 1 S 2 2 3 S 2 2 S 1 2 3 S 3 3 S 1 2 2 2 S 1 2 S 2 3 S 1 3
S12 0
S11 0
0 2 S11 S12
0 0
0
0
0 0 0 0 0 0
0 0
2S11 S120ຫໍສະໝຸດ 02S11 S12
同样可写出几种特殊材料的刚度矩阵形式及独立常数 个数。
2 S 1 1 S 1 2 2 ( 1 / E / E ) 2 ( 1 ) / E 1 / G
§2-2 正交各向异性材料的工程常数
i j 为应力在i方向作用时在j方向产生横向应变的泊松比
ij
j i
根据柔度矩阵的对称性 Sij S ji
可得： i j j i 正交各向异性材料三个互等关系 Ei E j
由此可见：只要知道3个弹性模量和3个泊松比，就可
以计算出另3个泊松比。所以：有9个独立的工程常数
下面用二维图形简单解释一下应力-应变关系
1 E2
32 E3
0
0
0
S ij
13 E1
23 E2
0
0
1 E3
0
0
1 G 23
0 0
0
0
复合材料力学讲义(第二版)2精品PPT课件
– Electrical conductivity, σe: Replace E by σe. – Thermal conductivity, k: Replace E by k.
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
• (A) Crack Deflection (偏转) – A crack meeting the reinforcement is deflected along the interface where energy is used to effect separation
– The properties of the fibre
– The properties of the resin
– The ratio of fibre to resin in the composite (Fibre Volume Fraction)
– The geometry and orientation of the fibres in the composite
TERMINOLOGY / CLASSIFICATION
• Composites
– Multiphase material w/significant proportions of ea. Phase
• Matrix — The continuous phase
– Purpose is to transfer stress to other pБайду номын сангаасases， protect phases from environment
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
• (A) Crack Deflection (偏转) – A crack meeting the reinforcement is deflected along the interface where energy is used to effect separation
– The properties of the fibre
– The properties of the resin
– The ratio of fibre to resin in the composite (Fibre Volume Fraction)
– The geometry and orientation of the fibres in the composite
TERMINOLOGY / CLASSIFICATION
• Composites
– Multiphase material w/significant proportions of ea. Phase
• Matrix — The continuous phase
– Purpose is to transfer stress to other pБайду номын сангаасases， protect phases from environment
复合材料力学ppt
yx
y
yz
zx zy z
变形分析
物质坐标和空间坐标 应变张量的定义 微小应变张量的几何解释 主应变和应变主轴 应变协调方程
几何方程
x
u , x
yz
y
v , y
zx
z
w z
,
xy
w y
v z
;
u z
w ; x
v x
u y
.
x
yx
zx
xy y zy
x z
– 美国国防部委托国家科学研究院发表的面向21世纪国 防需求的材料研究报告指出
• 复合材料包括三要素：
• 基体材料 • 增强相 • 复合方式界面结合形式
• 复合材料的分类
– 按增强剂形状不同;可分为颗粒 连续纤维 短纤维 弥散晶须 层状 骨架或网状 编织体增强复合材料 等
– 按照基体材料的不同;复合材料包括聚合物基复合 材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳/碳复合 材料等
y z
z
变形协调方程
2 x y 2
2 y x 2
2 xy xy
2 y z 2
2 z y 2
2 yz yz
2 z x 2
2 x z 2
2 xz zx
x
xz y
xy z
yz x
2 2x yz
y
xy z
yz x
zx y
2 2y zx
z
yz x
zx y
xy z
2 2z xy
物理方程— 本构关系 Hooke 定理
on S :
s
u u*
v v*
w w*
• 第三类基本问题
– 在弹性体的一部分表面上都给定了外力;在 其余的表面上给定了位移;要求确定弹性体 内部及表面任意一点的应力和位移
复合材料力学第五章复合材料层合板的强度精品PPT课件
平行于中面的坐标系
Oxyz
对 Oxyz 坐标系，有：
M NA B
Bε Dκ
上式中的各量可通过变换用中面坐标系里的相应量表示：
z z z0 ,x x ,y y
即：
u
0
u
0
z 0
w x
v
0
v0
z 0
w y
w w
ε0 ε0 z0κ κ κ
为了得到 N 、M ，可将中面内力 N、M向 Oxyz
§5-1 概述·标记法
一、概述
本章讨论经典叠层板的本构方程，即叠层板的中面内力 和中面变形的物理关系，以及借助本构方程得以求解的简单 问题。
叠层板的每一单层视为均匀的正交异性薄板；但沿垂直 于叠层板的方向，各层性能是不相同的。
假设：采用了弹性板壳理论中的直法线假设，即认为横向剪应
变 23, 31 和法线方向的应变 z 都为零。
k1
Dij
1 3
n k1
Q(k) ji
(zk3
z3k21)
n k1
Qj(ik)tk
(tk2 12
dk2
)
tk , d k 分别为k层的厚度及其中心线的z坐标值。
例5.1 求角叠层T300/5209[ 458 /458 ]的刚度矩阵
和柔度矩阵，以及在 Nx 9.81103N/m
作用下叠层的变形与应力分布。
不考虑第一破坏后应力重新分布的影响第一破坏时0层所具有的应变值gpa22313代入可得与无退化时的02254gpa差不多0层先破坏但其不会因退化而引起90层破坏故因在施加部分载荷而使材料最后破坏2压缩时1051910519gpa9189检查在下由于应力重新分布90层是否破坏
第五章 复合材料层合板的强度 和刚度分析
Oxyz
对 Oxyz 坐标系，有：
M NA B
Bε Dκ
上式中的各量可通过变换用中面坐标系里的相应量表示：
z z z0 ,x x ,y y
即：
u
0
u
0
z 0
w x
v
0
v0
z 0
w y
w w
ε0 ε0 z0κ κ κ
为了得到 N 、M ，可将中面内力 N、M向 Oxyz
§5-1 概述·标记法
一、概述
本章讨论经典叠层板的本构方程，即叠层板的中面内力 和中面变形的物理关系，以及借助本构方程得以求解的简单 问题。
叠层板的每一单层视为均匀的正交异性薄板；但沿垂直 于叠层板的方向，各层性能是不相同的。
假设：采用了弹性板壳理论中的直法线假设，即认为横向剪应
变 23, 31 和法线方向的应变 z 都为零。
k1
Dij
1 3
n k1
Q(k) ji
(zk3
z3k21)
n k1
Qj(ik)tk
(tk2 12
dk2
)
tk , d k 分别为k层的厚度及其中心线的z坐标值。
例5.1 求角叠层T300/5209[ 458 /458 ]的刚度矩阵
和柔度矩阵，以及在 Nx 9.81103N/m
作用下叠层的变形与应力分布。
不考虑第一破坏后应力重新分布的影响第一破坏时0层所具有的应变值gpa22313代入可得与无退化时的02254gpa差不多0层先破坏但其不会因退化而引起90层破坏故因在施加部分载荷而使材料最后破坏2压缩时1051910519gpa9189检查在下由于应力重新分布90层是否破坏
第五章 复合材料层合板的强度 和刚度分析
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合材料 – 从简单复合到非线性复合效应的复合 – 从复合材料到复合结构 – 从机械设计到仿生设计
•复合材料的定义？
• 复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不 同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原 有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能 互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材 料的简单混合有本质的区别
• 自然界中普遍存在着天然复合材料
– 树木、骨骼、草茎与泥土复合等 – 天然材料几乎都是复合材料，采取复合的形式
是自然的规律
• 人类利用复合材料的历史经历了古代、 近代和现代三个阶段
– 房屋、纸张……
六千年以前，陕西西安半坡村的仰韶文化住房遗址 说明我国古人已经开始用草混在泥土中筑墙和铺地， 这种草泥就是最原始的纤维增强复合材料，它与现 代高性能纤维增强复合材料非常相似
始）
受力复 中机身段、中央翼盒 杂规模 ➢A380 中央翼盒 用量25%
大 ➢B787 机身 用量50%
第四阶段 （21世纪初开
始）
受力很大 代替钢结构
起落架用复合材料 ➢F-16 起落架后支撑杆 ➢NH-90 直升机起落架
国防、航空其它领域：
轻型飞机、通用航空领域（70-90%） 直升机（50%-80%） 无人机（50%-80%）
– （1994年出版，师昌绪主编《材料大辞典》）
• 由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、但 又保持某些有效功能
• 一般一种先进复合材料（Advanced Composite Materials， 简称ACM）是指加进了新的高性能纤维的而区别 于“低技术”的玻璃纤维增强塑料的复合材料
性能特点
• 耐疲劳性能好
金属材料疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50%，碳纤维增强树脂基复 合材料的约为70%~80%
• 阻尼减振性能好
基体和纤维界面有较大的吸收振动能量的能力
• 破损安全性好
不会突然丧失承载能力
• 耐化学腐蚀性、电、热性能好
• 界面强度低 • 延展性差，多为脆性材料 • 材料性能的分散性大 • 树脂基复合材料的耐热性较低
与其它材料相比，复合材料对力学的这种需求显 得更为迫切
力学工作者对自己提出的要求是同时具备理论、 实验和计算机计算的三个方面的本领，才能应付 复合材料发展中所提出的问题.这些问题
将导弹射程提高1000Km以上
第一阶段
受载不大的
（70年代初完成） 简单零部件
舱门、口盖、整流罩、方 向舵、襟副翼、雷达罩、
起落架舱门
第二阶段
承力大
（80年代初开始） 规模大
尾翼（垂尾、平尾）、前机身段、机翼 ➢F-14 硼/环氧复合材料平尾 ➢F/A-18 机翼 用量13%
第三阶段 （90年代末开
第一部分 复合材料力学基础 第一章 绪 论
理论力学、弹性力学、材料力学 ✓运动、变形、受力…… ✓塑性变形、损伤失效……
✓均质、各向同性、线弹性……
复合材料力学？ 复合材料？
金属材料 的高峰
四分天下
• 人类历史上的材料应用的四次重大突 破
– 天然材料：新石器时代 – 人工材料：铜器和铁器时代 – 合成材料：塑料、橡胶 – 复合材料：玻璃纤维
• (美国麻省理工学院材料科学与工程系教授J. P. Clark， 1985)
• 以碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶 纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用 高性能树脂、金属与陶瓷等为基体，制成的具有比玻 璃纤维复合材料更好性能的先进复合材料
• “到2020年，只有复合材料才有潜力获得2025%的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基复合材 料的密度、刚度、强度、韧性和抗高温能力都可 能有如此大的改善，而被列为最优先发展的材 料”。
– 近现代逐步开始主动利用复合材料的功能性
玻璃钢、先进复合材料
天然 复合材料
玻璃钢
先进复合材料 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 碳/碳复合材料
智能复合材料 仿生复合材料 功能复合材料 纳米复合材料 生物复合材料 材料复合结构
• 复合材料的内涵不断拓展
– 从宏观尺度的复合到纳米尺度的复合 – 从结构材料到结构功能一体化材料和多功能复
– 按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复 合材料等
• 复合材料关注的性能
− 强度、刚度、耐腐蚀性、疲劳寿命 − 与温度有关的性能和绝热性等 − 其它性能
• 可设计性 • 材料与结构的同一性
✓ 复合材料结构设计中包含材料设计
• 材料性能对复合工艺的依赖性 • 复合材料具有各向异性和非均质性的力学
复合材料的材料设计与结构设计是 同时进行，因而在复合材料设计、 加工工艺条件相互之间密切相关
力学其传统的兴趣中心已从结构分析转移到发展 更加符合实际的材料本构关系和更加有效而精确 的计算
由于本身发展的需要，要求力学在微结构的水平 上来研究材料的行为.通过研究微结构的变形、损 伤和破坏对材料宏观性能的影响来指出改进材料 的方向和途径
• 民用领域 • 基础设施 • 海洋石油工业 • 新能源工业 • 电子信息领域
复合材料在应用中对传统设计理 念所带来的冲击
复合材料的可设计性为材料开发 带来了无限的可能性
常规材料中存在的力学问题，复合 材料中依然存在，且更复杂；
复合材料中存在很多常规材料中不 存在的力学问题，如层间应力、边 界效应，纤维脱胶、断裂等
– 美国国防部委托国家科学研究院发表的“面向21世纪 国防需求的材料研究”报告指出
• 复合材料包括三要素：
• 基体材料 • 增强相 • 复合方式（界面结合形式）
• 复合材料的分类
– 按增强剂形状不同，可分为颗粒、连续纤维、短 纤维、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增 强复合材料等
– 按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复 合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/ 碳复合材料等
增加有效载荷 增加射程和续航能力 减小能耗、降低成本 机动性能和生存能力
降低结构质量 提高结构效率
战略导弹弹头减少1Kg结构 重量，增加射程20Km
战略导弹三级固体火箭 发动机减少1Kg结构重量 ，增加射程16Km
某第三级固体发动机壳体采用碳/ 环氧复合材料后，结构质量由原 来的116千克降为46千克，仅此就
•复合材料的定义？
• 复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不 同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原 有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能 互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材 料的简单混合有本质的区别
• 自然界中普遍存在着天然复合材料
– 树木、骨骼、草茎与泥土复合等 – 天然材料几乎都是复合材料，采取复合的形式
是自然的规律
• 人类利用复合材料的历史经历了古代、 近代和现代三个阶段
– 房屋、纸张……
六千年以前，陕西西安半坡村的仰韶文化住房遗址 说明我国古人已经开始用草混在泥土中筑墙和铺地， 这种草泥就是最原始的纤维增强复合材料，它与现 代高性能纤维增强复合材料非常相似
始）
受力复 中机身段、中央翼盒 杂规模 ➢A380 中央翼盒 用量25%
大 ➢B787 机身 用量50%
第四阶段 （21世纪初开
始）
受力很大 代替钢结构
起落架用复合材料 ➢F-16 起落架后支撑杆 ➢NH-90 直升机起落架
国防、航空其它领域：
轻型飞机、通用航空领域（70-90%） 直升机（50%-80%） 无人机（50%-80%）
– （1994年出版，师昌绪主编《材料大辞典》）
• 由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、但 又保持某些有效功能
• 一般一种先进复合材料（Advanced Composite Materials， 简称ACM）是指加进了新的高性能纤维的而区别 于“低技术”的玻璃纤维增强塑料的复合材料
性能特点
• 耐疲劳性能好
金属材料疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50%，碳纤维增强树脂基复 合材料的约为70%~80%
• 阻尼减振性能好
基体和纤维界面有较大的吸收振动能量的能力
• 破损安全性好
不会突然丧失承载能力
• 耐化学腐蚀性、电、热性能好
• 界面强度低 • 延展性差，多为脆性材料 • 材料性能的分散性大 • 树脂基复合材料的耐热性较低
与其它材料相比，复合材料对力学的这种需求显 得更为迫切
力学工作者对自己提出的要求是同时具备理论、 实验和计算机计算的三个方面的本领，才能应付 复合材料发展中所提出的问题.这些问题
将导弹射程提高1000Km以上
第一阶段
受载不大的
（70年代初完成） 简单零部件
舱门、口盖、整流罩、方 向舵、襟副翼、雷达罩、
起落架舱门
第二阶段
承力大
（80年代初开始） 规模大
尾翼（垂尾、平尾）、前机身段、机翼 ➢F-14 硼/环氧复合材料平尾 ➢F/A-18 机翼 用量13%
第三阶段 （90年代末开
第一部分 复合材料力学基础 第一章 绪 论
理论力学、弹性力学、材料力学 ✓运动、变形、受力…… ✓塑性变形、损伤失效……
✓均质、各向同性、线弹性……
复合材料力学？ 复合材料？
金属材料 的高峰
四分天下
• 人类历史上的材料应用的四次重大突 破
– 天然材料：新石器时代 – 人工材料：铜器和铁器时代 – 合成材料：塑料、橡胶 – 复合材料：玻璃纤维
• (美国麻省理工学院材料科学与工程系教授J. P. Clark， 1985)
• 以碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶 纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用 高性能树脂、金属与陶瓷等为基体，制成的具有比玻 璃纤维复合材料更好性能的先进复合材料
• “到2020年，只有复合材料才有潜力获得2025%的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基复合材 料的密度、刚度、强度、韧性和抗高温能力都可 能有如此大的改善，而被列为最优先发展的材 料”。
– 近现代逐步开始主动利用复合材料的功能性
玻璃钢、先进复合材料
天然 复合材料
玻璃钢
先进复合材料 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 碳/碳复合材料
智能复合材料 仿生复合材料 功能复合材料 纳米复合材料 生物复合材料 材料复合结构
• 复合材料的内涵不断拓展
– 从宏观尺度的复合到纳米尺度的复合 – 从结构材料到结构功能一体化材料和多功能复
– 按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复 合材料等
• 复合材料关注的性能
− 强度、刚度、耐腐蚀性、疲劳寿命 − 与温度有关的性能和绝热性等 − 其它性能
• 可设计性 • 材料与结构的同一性
✓ 复合材料结构设计中包含材料设计
• 材料性能对复合工艺的依赖性 • 复合材料具有各向异性和非均质性的力学
复合材料的材料设计与结构设计是 同时进行，因而在复合材料设计、 加工工艺条件相互之间密切相关
力学其传统的兴趣中心已从结构分析转移到发展 更加符合实际的材料本构关系和更加有效而精确 的计算
由于本身发展的需要，要求力学在微结构的水平 上来研究材料的行为.通过研究微结构的变形、损 伤和破坏对材料宏观性能的影响来指出改进材料 的方向和途径
• 民用领域 • 基础设施 • 海洋石油工业 • 新能源工业 • 电子信息领域
复合材料在应用中对传统设计理 念所带来的冲击
复合材料的可设计性为材料开发 带来了无限的可能性
常规材料中存在的力学问题，复合 材料中依然存在，且更复杂；
复合材料中存在很多常规材料中不 存在的力学问题，如层间应力、边 界效应，纤维脱胶、断裂等
– 美国国防部委托国家科学研究院发表的“面向21世纪 国防需求的材料研究”报告指出
• 复合材料包括三要素：
• 基体材料 • 增强相 • 复合方式（界面结合形式）
• 复合材料的分类
– 按增强剂形状不同，可分为颗粒、连续纤维、短 纤维、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增 强复合材料等
– 按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复 合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/ 碳复合材料等
增加有效载荷 增加射程和续航能力 减小能耗、降低成本 机动性能和生存能力
降低结构质量 提高结构效率
战略导弹弹头减少1Kg结构 重量，增加射程20Km
战略导弹三级固体火箭 发动机减少1Kg结构重量 ，增加射程16Km
某第三级固体发动机壳体采用碳/ 环氧复合材料后，结构质量由原 来的116千克降为46千克，仅此就