复合材料力学ppt
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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
2024版复合材料力学讲课课件
31
课程总结回顾
复合材料力学基础知识
涵盖了复合材料的组成、结构、性能 及其力学行为等方面的基本概念和原
理。
复合材料的力学性能
深入探讨了复合材料的强度、刚度、 韧性等力学性能，以及不同加载条件
下的力学响应。
复合材料的失效与破坏
分析了复合材料的失效模式、破坏机 理和寿命预测方法，为学生提供了对
复合材料耐久性的全面理解。
应力-应变关系
分析复合材料在不同加载条件下 的应力-应变关系，可以揭示其弹 性性能的变化规律。
弹性力学模型
建立复合材料的弹性力学模型， 如层合板理论、等效连续介质模 型等，可以预测其宏观弹性性能。
2024/1/25
16
塑性力学方法
01
屈服准则
通过确定复合材料的屈服准则， 可以判断其在复杂应力状态下的 塑性变形行为。
复合材料力学研究内容
1 2
复合材料的力学性能 研究复合材料的强度、刚度、韧性等力学性能。
复合材料的破坏机理 研究复合材料在不同应力状态下的破坏形式和机 理。
3
复合材料的优化设计 通过改变复合材料的组分、结构等，优化其力学 性能。
2024/1/25
5
复合材料力学发展历程
2024/1/25
起步阶段
01
随着汽车工业向电动化、智能化、轻量化方 向发展，复合材料的应用前景广阔。
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29
其他领域应用拓展及创新点
体育器材
复合材料可用于制造高性能的体育器材，如自行车 车架、高尔夫球杆、滑雪板等，提高运动成绩和体 验。
医疗器械
复合材料可用于制造医疗器械和人体植入物，如手 术器械、人工关节等，提高医疗器械的性能和人体 相容性。
复合材料力学课件第01章 绪论
复合材料力学
教材：沈观林，复合材料力学，清华 教材：沈观林，复合材料力学， 大学出版社， 大学出版社，2006 学时： 学时：32h。 1-8周，最后一次课考试 。 周
第一章
§1.1 概述
绪论
§1.2 连续纤维复合材料的构造 §1.3 复合材料的特点 §1.4 复合材料的应用 §1.5 复合材料的力学分析方法
应用于航空(1)
航空工程中应用复合材料的例子 如表1－7： 如表1 碳纤维树脂基发动机叶片，玻璃钢 直升机飞机螺旋桨，非金属蜂窝夹层雷 达罩，CF/GF复合材料、中间硼纤维增强 蜂窝结构飞机机身，平尾，水平安定面， 垂直安定面，石墨纤维复合材料喷气发 动机，CF/KF混杂复合材料整流罩、主起 落架舱门等。AD200/400，基本上是高强 玻璃纤维/环氧复合材料制造的。
特点二
使用复合材料， 使用复合材料，可使设计提前到材料 的制造阶段， 的制造阶段，以最有效地发挥材料的潜力 和作用。例如： 和作用。例如：
图5 可设计复合材料结构
特点三
与金属材料相比， 与金属材料相比，复合材料的抗疲劳 断裂性能要好。一般而言， 断裂性能要好。一般而言， 复合材料 ：σe ≈60％σb ％ 金属材料： 金属材料： σe ≈30％σb ％
§1.4
§1.4 复合材料的应用
复合材料是各国目前都正在大力发展 的新型材料，使得其性能不断提高， 的新型材料，使得其性能不断提高，同时 在先进结构上也得到了越来越广泛的应用。 在先进结构上也得到了越来越广泛的应用。 1∘在航空结构上的应用 2∘在航天工程中的应用 3∘在车辆制造业的应用 4∘其他用途
层合板结构
图4 叠层材料构造形式
层合板的表示
层合板的表示方法是按叠层顺序依次将各铺 的角度写入方括号中， 层(ply)的角度写入方括号中，并用斜杠分隔 的角度写入方括号中 例如： 之。例如：[0/90/45/0/45/90/0]、[30/-30] 、 当有对称面时，可只写一半，并用下标S表 当有对称面时，可只写一半，并用下标 表 示对称。例如： 示对称。例如：[60/0/0/60] → [60/0]s 当有重复铺层时，可用数字下标表示。例如： 当有重复铺层时，可用数字下标表示。例如： [60/60/0/0/60/60] → [602/0]s [30/-30/0/0/-30/30] → [±30/0]s ± [30/0/0/30/30/0/0/30] → [30/0]2s 半重复层合板的表示方法为： 半重复层合板的表示方法为： [-30/60/0/60/-30] → [定义： 其它定义：
教材：沈观林，复合材料力学，清华 教材：沈观林，复合材料力学， 大学出版社， 大学出版社，2006 学时： 学时：32h。 1-8周，最后一次课考试 。 周
第一章
§1.1 概述
绪论
§1.2 连续纤维复合材料的构造 §1.3 复合材料的特点 §1.4 复合材料的应用 §1.5 复合材料的力学分析方法
应用于航空(1)
航空工程中应用复合材料的例子 如表1－7： 如表1 碳纤维树脂基发动机叶片，玻璃钢 直升机飞机螺旋桨，非金属蜂窝夹层雷 达罩，CF/GF复合材料、中间硼纤维增强 蜂窝结构飞机机身，平尾，水平安定面， 垂直安定面，石墨纤维复合材料喷气发 动机，CF/KF混杂复合材料整流罩、主起 落架舱门等。AD200/400，基本上是高强 玻璃纤维/环氧复合材料制造的。
特点二
使用复合材料， 使用复合材料，可使设计提前到材料 的制造阶段， 的制造阶段，以最有效地发挥材料的潜力 和作用。例如： 和作用。例如：
图5 可设计复合材料结构
特点三
与金属材料相比， 与金属材料相比，复合材料的抗疲劳 断裂性能要好。一般而言， 断裂性能要好。一般而言， 复合材料 ：σe ≈60％σb ％ 金属材料： 金属材料： σe ≈30％σb ％
§1.4
§1.4 复合材料的应用
复合材料是各国目前都正在大力发展 的新型材料，使得其性能不断提高， 的新型材料，使得其性能不断提高，同时 在先进结构上也得到了越来越广泛的应用。 在先进结构上也得到了越来越广泛的应用。 1∘在航空结构上的应用 2∘在航天工程中的应用 3∘在车辆制造业的应用 4∘其他用途
层合板结构
图4 叠层材料构造形式
层合板的表示
层合板的表示方法是按叠层顺序依次将各铺 的角度写入方括号中， 层(ply)的角度写入方括号中，并用斜杠分隔 的角度写入方括号中 例如： 之。例如：[0/90/45/0/45/90/0]、[30/-30] 、 当有对称面时，可只写一半，并用下标S表 当有对称面时，可只写一半，并用下标 表 示对称。例如： 示对称。例如：[60/0/0/60] → [60/0]s 当有重复铺层时，可用数字下标表示。例如： 当有重复铺层时，可用数字下标表示。例如： [60/60/0/0/60/60] → [602/0]s [30/-30/0/0/-30/30] → [±30/0]s ± [30/0/0/30/30/0/0/30] → [30/0]2s 半重复层合板的表示方法为： 半重复层合板的表示方法为： [-30/60/0/60/-30] → [定义： 其它定义：
《复合材料原理》表面与界面基础 ppt课件
ppt课件 12
2. 表面与界面热力学
2.2 固体表面热力学
固体表面张力 =(1+2)/2 1 2表面应力 表面应力，单位长度力
力学定义 固体表面张力 1=2 各相同性 12 各向异性 对于某各向异性的固体，在二维方向上面积 各增加dA1和dA2 d(A1GS)= 1 dA1 d(A2GS)= 2 dA2
ZZdZ时：曲面面积变化为：
y
y+dy
A＝(x+dx)(y+dy)-xy=xdy+ydx
新增加的表面能为： A＝ (xdy+ydx)
P所做的膨胀功为 P.x.y.dz
平衡时有： （xdy+ydx）=Pxydz
ppt课件 29
3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
3. 表面与界面效应
3.2 Kelvin方程
p M 1 1 ln( ) ( ) p0 RT r1 r2
当r1=r2
弯曲表面上的蒸汽压
r1=R1
r2=R2 Kelvin
p 2 M ln( ) p0 rRT
1 1 P ( ) r1 r2
当r1=r2
ppt课件
1 1 P ( ) R1 R2
ppt课件
y
y+dy
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3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
弯曲表面下的附加压力
平表面：R1 R2 △P=0 毛细管：R1=R2=R/ △P根据曲面方向分为： 毛细上升 毛细下降 l 为液体的密度; s 为气体的密度 因l>>g所以：2/R'=lgh
复合材料力学ppt课件
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7
（3）复合材料结构力学 它借助现有均匀各向同性材料结构力学的分 析方法，对各种形状的结构元件如板、壳等 进行力学分析，其中有层合板和壳结构的弯 曲、屈曲与振动问题以及疲劳、断裂、损伤 、开孔强度等问题。
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8
4复合材料的优点和缺点
复合材料的优点
(1)比强度高。
(2)比模量高。
示对称，“±”号表示两层正负角交错。
40/5 90/0 0 0/0 0/90/0 405 还可表示为 405 /900 /0 0s ，s表示
铺层上下对称。
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5
3复合材料的力学分析方法 （1）细观力学 它以纤维和基体作为基本单元，把纤维和基 体分别看成是各向同性的均匀材料(有的纤维 属横观各向同性材料)，根据材料纤维的几何 形状和布置形式、纤维和基体的力学性能、 纤维和基体之间的相互作用(有时应考虑纤维 和基体之间界面的作用)等条件来分析复合材 料的宏观物理力学性能。
21
四 单层复合材料的宏观力学分析 1 平面应力下单层复合材料的应力一应变关系 可近似认为 3 0 ， ，这就定义 23 431 50 了平面 应力状态，对正交各向异性材料，平面应力状态下 应力应变关系为
(3.1)
其中，
S 11
1 E1
S 22
1 E2
S 66
1 G12
S12E121E212
主方向应变分量间关系为
反过来有
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26
（3）任意方向上的应力一应变关系 在正交各向异性材料巾，平面应力状态主方向有下 列应力应变关系式
(3.4)
现应用式(3.3)和式(3.4)可得出偏轴向应力-应变 关系：
现用 Q 表示 T1Q(T1) ，则在x-y坐标中应力应变关系 可表示为
复合材料力学课件第02章-各向异性弹性力学基础
通过研究复合材料的损伤演化机制和 破坏准则，可以预测和防止在使用过 程中出现的损伤和破坏，提高复合材 料的安全性和可靠性。
优化设计
利用各向异性弹性力学理论，可以对 复合材料的铺层角度、厚度等进行优 化设计，以实现最佳的力学性能和功 能特性。
各向异性弹性力学在其他领域的应用
生物医学工程
在人工关节、牙科植入物等生物医学 工程领域，各向异性弹性力学理论被 用于模拟和预测材料的生物相容性和 力学性能。
边界条件和载荷的复杂性
由于各向异性材料的特性，其边界条件和所受的 载荷也相对复杂，需要细致考虑。
3
数值模拟的困难性
由于各向异性材料的复杂性，数值模拟方法需要 更高的精度和稳定性，以准确模拟其力学行为。
各向异性弹性力学的发展趋势与展望
发展更高效的数值分析方法
针对各向异性材料的特性，发展更高效、精确的数值分析方法， 如有限元法、边界元法等。
详细描述
边界条件和初始条件是确定弹性力学问题解的重要因素。边界条件描述了材料边 界上的应力分布，而初始条件描述了材料在初始时刻的应力状态。这些条件对于 确定材料的响应至关重要。
各向异性弹性常数及其物理意义
总结词
描述各向异性弹性材料的五个独立弹 性常数及其物理意义。
详细描述
各向异性弹性材料的五个独立弹性常数包括三 个主剪切模量G1、G2、G3，一个主压剪切模 量G12，以及一个主压模量K1。这些弹性常数 分别描述了材料在各个方向上的剪切和压缩行 为，对于理解材料的力学性能和预测其响应具 有重要意义。
平衡方程
总结词
描述各向异性弹性材料在受到外力作用时内部应力和应变之间的平衡关系。
详细描述
平衡方程是描述材料内部应力分布的微分方程，它基于连续介质力学原理，即 在一个封闭的体积中，应力矢量的散度为零。平衡方程是建立各向异性弹性力 学方程的基础。
复合材料力学(全套课件240P)
第一章、引言
复合材料力学
随直径减小，玻璃纤维拉伸强度趋 向于原子间的内聚强度11,000MPa
随直径减小，玻璃纤维拉伸强度 趋向于玻璃板材的强度170MPa
这是因为细小的纤维直径直接导致以下结果: 1) 更少、更小的微观裂纹；
2) 聚合物链延展并取向；
3) 结晶更少并且晶体间的断层密度更低；等等。
第一章、引言
复合材料力学
宏观力学(Macromechanical or phenomenological) 理论: 根据沿某些特定方向测试得到的复合材料的 宏观力学性能预报其受其它任意载荷的力学特性。 细观力学(Micromechanical)理论: 仅仅根据组成 材料的力学性能预报复合材料受任意载荷作用的 力学特性。 细观理论与宏观理论相比的优点: • 只需一次性确定组成材料的性能参数, 大大节省时间与金钱； • 可以事先由组成材料设计复合材料的性能。
第一章、引言
1.3 组成材料
1.3.1 增强体
复合材料力学
典型增强纤维
1) 玻璃纤维（Glass fiber） 分为E型、 S型、A型和C型，主要成份为SiO2, 另 含有些其它氧化物。 E (electrical insulator)型玻璃纤维应用最广, 1938 年实现商业化生产。现代复合材料诞生于1940年。 S型玻璃纤维比E型纤维的模量、强度及韧性都高， 但价格更高，最初主要是军用。
复合材料是由两种或两种以上性能各异的单一材 料，经过物理或者化学的方法组合而成的一种新 型材料。
复合材料分为天然与人工合成两大类。天然复合 材料种类繁多，包括一些动、植物组织如人的骨 格。我们只讨论人工合成复合材料 。 大多数人工合成的复合材料都是由两相构成：一个 是增强相，为非连续体；另一个是基体(matrix)相， 为连续体。
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》课件
《复合材料力学》PPT课 件
本课程将介绍《复合材料力学》的基本概念和原理，帮助您加深对复合材料 的理解。让我们一起探索这个引人入胜的领域！
课程介绍
本节课将介绍复合材料的定义和用途，以及复合材料的发展历程和重要性。
复合材料概述
碳纤维复合材料
探索碳纤维复合材料的独特性质 和广泛应用领域。
纤维增强复合材料
复合材料破坏
深入了解复合材料的破坏模式和失效预测方法。
层间剪切破坏
了解复合材料的层间剪切破坏机制源自阻尼性能。拉伸应力研究复合材料在拉伸载荷下的应力应变关系和断 裂性能。
剪切应力
了解复合材料在剪切加载下的应力传递和破坏行 为。
压缩应力
了解复合材料在压缩状态下的应力传递和稳定性。
应变分析
线性应变
研究复合材料的线弹性行为，理 解应变的定义和计算方法。
蠕变应变
深入了解复合材料的蠕变行为和 长期稳定性。
疲劳应变
探索复合材料在循环加载下的应 变累积和损伤机制。
了解纤维增强材料的制备方法和 优越性能。
复合材料的结构
深入了解复合材料的组成和层次 结构。
力学基础
1
静力学
了解复合材料在静态负载下的行为和力
动力学
2
学原理。
探索复合材料在动态负载下的响应和振
动特性。
3
固体力学
学习固体力学的基本概念和数学模型， 以理解复合材料的变形和应力分析。
应力分析
弯曲应力
探索复合材料受弯曲载荷时的应力分布和失效机 制。
弹性力学
1
胶合弹性性能
研究复合材料胶合界面的弹性行为和界
多层复合材料
2
面破坏机制。
了解多层复合材料的弹性性能和层间剪
本课程将介绍《复合材料力学》的基本概念和原理，帮助您加深对复合材料 的理解。让我们一起探索这个引人入胜的领域！
课程介绍
本节课将介绍复合材料的定义和用途，以及复合材料的发展历程和重要性。
复合材料概述
碳纤维复合材料
探索碳纤维复合材料的独特性质 和广泛应用领域。
纤维增强复合材料
复合材料破坏
深入了解复合材料的破坏模式和失效预测方法。
层间剪切破坏
了解复合材料的层间剪切破坏机制源自阻尼性能。拉伸应力研究复合材料在拉伸载荷下的应力应变关系和断 裂性能。
剪切应力
了解复合材料在剪切加载下的应力传递和破坏行 为。
压缩应力
了解复合材料在压缩状态下的应力传递和稳定性。
应变分析
线性应变
研究复合材料的线弹性行为，理 解应变的定义和计算方法。
蠕变应变
深入了解复合材料的蠕变行为和 长期稳定性。
疲劳应变
探索复合材料在循环加载下的应 变累积和损伤机制。
了解纤维增强材料的制备方法和 优越性能。
复合材料的结构
深入了解复合材料的组成和层次 结构。
力学基础
1
静力学
了解复合材料在静态负载下的行为和力
动力学
2
学原理。
探索复合材料在动态负载下的响应和振
动特性。
3
固体力学
学习固体力学的基本概念和数学模型， 以理解复合材料的变形和应力分析。
应力分析
弯曲应力
探索复合材料受弯曲载荷时的应力分布和失效机 制。
弹性力学
1
胶合弹性性能
研究复合材料胶合界面的弹性行为和界
多层复合材料
2
面破坏机制。
了解多层复合材料的弹性性能和层间剪
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– 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
国外航空复合材料发展历史
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
始）
• 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
– 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
复合材料的特点
• 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
复合材料应用中的力学问题！
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
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
力学与复合材料
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
– （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
• 一般一种材料作为基体，其他材料作为增强相 • 一定尺度上的组合
• 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
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
A380复合材料部件 (用量23%)
Boeing 787 结构材料构成
国防、航空其它领域：
复合材料的应用
国防、航空航天领域——轻质化
增加有效载荷
增加射程和续航能力
减小能耗、降低成本 Kg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 就将导弹射程提高1000Km以上
– 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
性能特点
复合材料的优点
• 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
复合材料的缺点
• 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
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
• (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20-25% 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”。
轻型飞机、通用航空领域（70-90%） 直升机（50%-80%） 无人机（50%-80%）
其它领域
• 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
复合材料应用中的机遇和挑战！
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
复合材料力学
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
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
国外航空复合材料发展历史
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
始）
• 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
– 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
复合材料的特点
• 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
复合材料应用中的力学问题！
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
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
力学与复合材料
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
– （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
• 一般一种材料作为基体，其他材料作为增强相 • 一定尺度上的组合
• 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
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
A380复合材料部件 (用量23%)
Boeing 787 结构材料构成
国防、航空其它领域：
复合材料的应用
国防、航空航天领域——轻质化
增加有效载荷
增加射程和续航能力
减小能耗、降低成本 Kg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 就将导弹射程提高1000Km以上
– 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
性能特点
复合材料的优点
• 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
复合材料的缺点
• 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
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
• (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20-25% 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”。
轻型飞机、通用航空领域（70-90%） 直升机（50%-80%） 无人机（50%-80%）
其它领域
• 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
复合材料应用中的机遇和挑战！
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
复合材料力学
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