复合材料工程及其应用31

E 横向弹性模量， T
横向泊松比， LT
在强度性能上有五个基本强度参数
X 纵向拉伸强度， t
Yt 横向拉伸强度， S 面内剪切强度
X 纵向压缩强度 c
Y 横向压缩强度 c
在外力作用下产生的变形也不同于普通的金属材料。例如：
P
M
M
P
拉伸引起剪切变形 （拉剪耦合）
弯曲引起扭转变形 （弯扭耦合）
P
P
拉伸引起弯曲变形（拉弯耦合）
基体特性
复合工艺条件
环境条件
几何条件
宏观 控制 因素
微观
复合材料界面微观结构和性能特征
结构
（界面热应力效应，界面化学反应
设计
和界面结晶效应引起的应力效应）
宏观 性能
力学性能 （拉、压、弯、冲、剪）
温湿效应
物理功能 （电、热、磁、光、声、生物效应）
高临界温度超导材料 永磁材料 太阳能转换材料 有机导电高分子、分离膜与生体机能模拟
材料
4. 生物功能和智能材料向更可靠和更相容方向 发展
金属（钛、不锈钢、钴铬合金） 陶瓷（Al3O2、铝酸钙、生物玻璃－Na2O-
CaO-SiO2-P2O5) 碳素材料 高分子材料 各种复合材料
(三) 先 进 材 料 定 义
•基体：环氧树脂、聚酯树脂等塑料橡胶、陶瓷、非金属
基当然还有金属基复合材料，基体是铝、钴、镍等金属材 料。 。 基体特性：强度、刚度、密度低，韧性好，它的主要作用 是粘结，保护纤维和传递剪应力的作用
纤维增强复合材料是一种结构材料
常见有两种结构形式
①简单层板（单向层板）：单向纤维或交织纤 维在基体中平行排列。
发动机用高温材料的工作温度 及其与比强度的关系
金属
玻璃钢
芳纶
碳-碳复合材料
射程（公里）
280 625 950
火箭壳体材料对射程的影响
2.信息功能材料向更高传输速度 和更高密度方向发展
集成电路材料 信息存储材料 光导纤维和光通讯材料 敏感材料和传感器
3. 能源功能材料向更高临界温度超导和 更高效能量转换方向发展
分类
增强相材料分类：
纤维增强（长纤维或短纤维）： 层合增强（夹层玻璃） 薄片增强 颗粒增强（混凝土）
基体相材料分类： 塑料基 橡胶基 陶瓷基 金属基
纤维复合材料：
•纤维：玻璃、碳、硼、石墨、铍、铝、钛、钢、凯芙拉
（芳纶）kevlar
纤维特性：直径小，接近于晶体大小，纤维内部缺陷出现 概率小，从微观结构讲，纤维存在的位错比块状材料少。 因而它比强度、比刚度都高。主要由它承担载荷
1.新型结构材料向更高温度,更高比强度 和耐苛刻工作环境方向发展
高温合金 金属间化合物 工程陶瓷 AL-LI合金 钛合金 工程塑料
工 作 温 度 （ 0C）
2200
高温陶瓷
金属基复合材料
C/C复 合 材 料
1100
钛及高 钛 及金高
温温合合
金
陶瓷基复合材料 金属间化物及其复合材料
比强度
力学性能的某些特点
复合材料有许多特性不同于常规工程材料 ➢常规工程材料通常是均质的和各向同性 ➢复合材料是非均质的，各向异性材料
它的特性是物体位置函数，由是物体中一点方向的函数。
对于简单层板（单向层板）来说，在弹性性能上，有四个独立的工程弹性常数：
E 纵向弹性模量， L
TL 纵向泊松比或者
G 面内剪切弹性模量 LT
科学技术发展史与材料发展史
人类历史是一部科学技术发展史， 也是与人类探索自然历史--新材料 的出现与使用历史。
石器时代—木器时代—青铜时代— 铁（钢）器时代—复合材料时代。
先进材料简介
(一)美国先进材料（Advanced Materials）在12项 新兴技术（Emerging Technology）中。其产值占 首位（43%）
• 结构与功能陶瓷, 陶瓷基与金属基复合
材料 • 金属间化合物与轻合金 • 先进塑料 • 表面改性材料 • 金刚石薄膜 • 膜材料与生物材料
(四) 复 合 材 料 定 义 与 分 类
•定 义 由两种或多种材料组分或相（Phase）
（1）增强相（Reinforcement）； （2）基体相（Matrix）； （3）界面相（Inter-phase） 在细观（Mini），亚观（Meso）或宏观（Macro） 尺度组成的新材料。其力学和功能上出现协同 效应或就位效应（崭新的性态）。
比强度 = 强度/密度 比模量 = 模量/密度
表1：各种材料的比强度和比模量
原因有两条：
① 纤维的内部缺陷要比块体状材料少得多， ② 复合材料一般密度小,较轻，尤其是纤维增强 材料，大都选元素周期表靠前的元 素：如铍，硼，碳，石墨，玻璃（硅）。。。
(五) 复 合 材 料 优 缺 点
•优点
（1）比强度高：Gr/Ep（HS）为7075Al合金4倍 （2）比刚度高： Gr/Ep（UHM）E/p为7075Al合金6倍 （3）抗疲劳性能高 （4）减振性能高：比金属梁快3倍 （5）高温性能好：C-C复合材料工作温度达1800度 （6）成型工艺简单 （7）可设计性好
②层合板：把不同方向铺层的简单层板，把它 们按次序进行铺设，然后加温固化形成层合板。
①①简单层板
简单层板
无纬铺层
层合板
0 90 45
层合板铺层
经纬交织铺层
45 90
0
具有可设计性
复合材料是由两种不同强度和模量的纤维和基体材料组 成的，而且每一铺层方向又可随意改变。 所以，可以改变组分材料的种类、含量以及铺层方向和 顺序，在一定范围内满足结构设计中对材料强度、弹性 和方向性的要求。使得材料充分发挥自己的性能，又满 足设计要求。
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12项新兴技术：
(年产值亿美金)
先进材料 超导材料 先进半导体器件 数字图象技术 高密度数据存储器 高功能计算 光电子 人工智能 柔性集成加工 传感技术 生物技术 医疗与诊断装置
1,500 50 750 40 150 500 40 50 200 50 150 80
(二) 先进材料的发展趋势
• 新型结构材料 • 信息功能材料 • 能源功能材料 • 生物功能材料
缺点
（1）横向和界面强度低 （2）成型工艺过程残余应力和变形大 （3）质量控制难
为什么复合材料存在哪么多优缺点???
复合材料(多相介质)
结构
多级、复杂的相间力的传递列程
矛 盾
丰富、逐步的宏微观的破坏机制 复合材料强韧化原理和优化设计的研究
复合材料力学与工程
材料宏、微结构
工程结构
增强体特性