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
黄争鸣
参考书：黄争鸣，《复合材料细观力学引论》，科学出版 社，北京，2006. 沈观林，《复合材料力学》，清华大学出版社， 北京，1995.
布赖恩· 哈里斯(英 )，《工程复合材料》, 化学工 业出版社材料科学与工程出版中心, 2004.
第一章、引言
1.1 基本概念
复合材料力学
固体材料一般分为四大类：金属、陶瓷、聚合物 与复合材料。前三类是各向同性的，第四类为各 向异性的。
UD杆, 针织复合材料, 编织复 合材料, 机织复合材料, 缝织复 合材料, 无纺布复合材料
UD=单向(unidirectional) 2D=二维 3D=三维
第一章、引言
典型的增强结构形式:
复合材料力学
单向纤维
短纤维
颗粒/粉末
机织布 编织
在各种复合材料中，单向纤维增强复合材料(UD composites or UD laminas)是最重要的。 1) 它们被用来构造层叠复合材料；
第一章、引言
1.2 复合材料的分类
复合材料力学
基于增强结构形式的分类:
复合材料
短(短切)纤维复合材料，须茎增强 复合材料，片、块增强复合材料
(L/d=5~200 )
(L/d105)
连续纤维复合材料
颗粒复合材料, 粉末 复合材料
(L/d=1~2 )
2D 复合材料
3D 复合材料
UD复合材料, 平面 层合板
复合材料力学
如果对单向复合材料的细观力学分析能够实现的话， 则对任意连续纤维增强复合材料也能够进行。 另外一种对复合材料进行分类的方法是基于基体材 料。我们有金属基复合材料(MMC) 、陶瓷基复合 材料(CMC)以及聚合物基复合材料(PMC or FRP)。 聚合物基复合材料是应用最广的复合材料。 聚合物基复合材料可以分为热固性与热塑性两类。 热固性复合材料的成型可以不借助于温度，并且一 旦成型将不可再改变其形状：不能通过加温使其软 化。 热塑性复合材料的成型必须通过加温熔化，而且可 以通过反复加温使其形状改变。
第一章、引言
复合材料力学
复合材料之所以被采用，主要原因是其性能难以由 其中任何单一的组份材料所提供。 纤维拉伸强度高，但不能承受压应力；聚合物韧性 好、抗腐蚀，但强度不高。 传统上，根据复合材料的用途可分为功能复合材料 与结构复合材料两类。 功能复合材料主要是为满足一些特殊的功能要求而 发展的，如导电复合材料、吸波复合材料，在金属 中添加陶瓷颗粒以增加复合材料的耐磨损性，等等。 结构复合材料则是为满足不同领域的结构性能要求 而发展的。虽然在有些领域结构和功能特性都同样 重要，但要同时兼顾往往比较困难。 本课程只讨论结构复合材料的力学性能分析计算。
=1<0 x1






x =2=0




第一章、引言
复合材料力学
复合材料的力学性能主要依赖于:
1) 组成材料的力学性能;
2) 增强体的结构形式（如连续纤维与短纤维的增强 效果不一样）; 3) 增强体的含量; 4) 增强体的排列方式。 复合材料力学同时采用理论与实验的方法研究复合 材料的宏观力学特性，又称为等效力学特性。
复合材料的理论分析方法分为宏观力学理论与细观 力学理论。
y


=3>0 x1
[1/2/3] z
第一章、引言
复合材料力学
2) 任何连续纤维增强复合材料都可以分解成一系列 单向复合材料的组合。
x
dxy dxx x y
dyy
y (a) 针织复合材料
(b) 单胞
x2
z
y
y
x (c) 特征体元
x

x1
(d) 单向复合材料
第一章、引言
第一章、引言
复合材料力学
最早的复合材料案例可能是古人将杂草（稻草）与 泥土混合糊制的砖墙。 现代复合材料一般是指以玻璃纤维为增强体的复合 材料，出现在上世纪40年代（玻璃纤维诞生）。 先进复合材料则是指以碳纤维、硼纤维、SiC纤维 为增强体的复合材料，出现在上世纪60年代。 增强相可以是连续纤维（长/径比L/d105），短纤 维（包括须茎、片、块等, L/d= 5~200), 颗粒或粉 末(L/d=1~2)。 连续纤维的增强能力最高，增强效果最好。 Griffith在1920基于前人和他自己的实验结果，发 表了一篇著名论文：纤维直径越细、强度越高。