复合材料力学讲义

CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料力学1CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology课程说明•工程力学/固体力学专业•课时：36学时•任课教师：梁军•联系方式–0451-86412613–13936493570–[e-mail]rials,HarbinInstituteofTechnology参考教材•R.M.琼斯：复合材料力学（中、英文）•沈观林、胡更开：复合材料力学，清华大学出版社•王震鸣：复合材料力学与复合材料结构力学•StephenW.Tasi：复合材料设计•李顺林：复合材料结构设计方法•J.R.Vinson:TheBehaviorofStructuresComposedofCompositeMaterials•…CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology课程设置目的和学习方法•Whataretheclassesandtypesofcompositesandstructures?•Whyarecompositesusedinsteadofmetals,ceramics,orpolymers?•Howdoweestimatecompositestiffness&strengthorotherproperties?•Whataresometypicalapplications?兴趣、责任CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology课程设置目的和学习方法•学习目的–复合材料及其结构概念和内涵–为什么要学习复合材料力学?–主要学习什么内容?–如何去用这些知识?•学习方法–概念清晰、基础扎实–力学与材料相结合–微观与宏观相结合–试验测量与理论分析模型相结合–从实践中来，回到实践中去CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料力学的相关课程复合材料学复合材料力学弹性力学固体力学范畴CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料力学的相关课程•固体力学：结构受力分析与材料的力学性能–弹性力学–材料力学•材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、结构、组分的角度–复合材料学CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料力学的相关课程•宏观力学–假设材料是均质的，只从复合材料的平均表观性质来检验组份材料的作用•微观力学–从微观的角度检验组份材料之间相互影响研究复合材料的性能•细观力学方法–固体力学与材料科学之间的交叉科学，从材料的细观结构入手，研究其与材料力学性能的关系–用连续介质力学研究材料的细观结构与宏观性能关系CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料力学•复合材料力学–研究复合材料的微观和宏观力学特性、包括刚度、强度、破坏机理、断裂、疲劳、冲击、损伤、应力集中、边界效应、环境响应和力学测试等力学问题•复合材料结构力学–研究复合材料结构的应力、变形、稳定和振动等问题CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料力学课程主要内容•复合材料及其结构简介•复合材料的力学特点及其一般理论•简单层板宏观力学性能•复合材料简单层板刚度与强度的微观力学分析方法•层合板宏观力学性能的分析方法（刚度与强度）•复合材料力学的拓展与应用（1）•复合材料力学的拓展与应用（2）•答疑、考试CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料•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•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人的能动性CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料•历史曾用材料来划分人类的文明时代的四次重大突破–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（1924）、橡胶（1931）–复合材料：玻璃纤维（1942）玻璃纤维增强塑料（FiberGlassReinforcedPlastics,FRP）：俄文叫“CTeknonJ1Anhk”（玻璃塑料）。当时中文里没相应的词，想到材料里有玻璃，强度又高，就叫“玻璃钢”CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料金属材料的高峰四分天下CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料•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–（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，其他材料作为增强剂•一定尺度上的组合•微观尺度上的组合（合金）CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料•先进复合材料（AdvancedCompositeMaterials，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–(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CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyWhatareadvancedcomposites?•Advancedcompositematerialsarerefereedtothosecompositematerialsdevelopedandusedintheaerospaceindustries.Theyusuallyconsistofhighperformancefibersasreinforcingphasesandpolymersormetalsasmatrices.CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料•复合材料经历了古代、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，制成土砖；在灰泥中掺马鬃或在熟石膏里加纸浆，可制成纤维增强复合材料–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–高性能纤维和其他各种形式的先进复合材料第二次世界大战后期，为了增加雷达罩透波率，研制成玻璃钢，没料到这类复合材料后来由于它有高的比强度和比刚度而成为使钢、铝、钛等金属有时相形见拙的新型结构材料CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料•随着复合材料的广泛应用和人们在原材料、复合工艺、界面理论、复合效应等方面实践和理论研究的深入，使人们对复合材料有了更全面地认识–现在人们可以更能动地选择不同的增强材料（颗粒、片状物、纤维及其织物等）和基体进行合理的性能（功能和力学）设计（如宏观的铺层设计、微细观界面设计等）–采用多种特殊工艺使其复合或交叉结合，从而制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能，如优异的力学性能、物理-化学多功能（电、热、磁、光、耐烧蚀等）或生物效应的各类高级复合材料。因此“复合”涵盖的范围也越来越广CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料•与其他高技术的出现和发展紧密结合，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CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料天然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/碳复合材料玻璃钢CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology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”。–进入21世纪，美国国防部委托国家科学研究院经过三年的调查，在2003年发表的“面向21世纪国防需求的材料研究”报告指出CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料HighmodulusAbrasionresistantMetalsPoorcorrosionResistanceCeramicsBrittleGlassesBrittleElastomersCreepatlowtempPolymersCreepatlowtempCompositesCorrosionresistantCorrosionresistantLowmodulusHighstrengthHighstrength,Moderatemodulus,HighductilityCenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料的要素和分类•复合材料包括三要素：基体材料、增强剂及复合方式（界面结合形式）–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–按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复合材料等CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料的要素和分类CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料的要素和分类•增强纤维–玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（Kevlar、Apmoc)、硼纤维、碳化硅纤维•树脂基体–热固性聚合物•聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺–热塑性聚合物•尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology复合材料的要素和分类•在RMC中，增强材料是决定复合材料的拉伸强度、模量、延伸率的关键组分，增强纤维的种类、机械性能核物理特征，在即体重的体积含量及纤维的取向决定了复合