复合材料力学绪论

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.HuangZM，ZhouYX,StrengthogFobrousComposites,ZhejiangUniv.Press&Springer,2011.复合材料力学第一章、引言1.1基本概念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。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。复合材料力学第一章、引言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/d105），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。复合材料力学第一章、引言随直径减小，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。复合材料力学第一章、引言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。复合材料力学第一章、引言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。复合材料的力学性能主要依赖于:1)组成材料的力学性能;3)增强体的含量;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。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）;4)增强体的排列方式。复合材料力学第一章、引言宏观力学(Macromechanicalorphenomenological)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。复合材料力学第一章、引言1.2复合材料的分类基于增强结构形式的分类:复合材料3D复合材料2D复合材料UD复合材料,平面层合板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)连续纤维复合材料(L/d105)颗粒复合材料,粉末复合材料(L/d=1~2)UD=单向(unidirectional)2D=二维3D=三维复合材料力学第一章、引言单向纤维短纤维颗粒/粉末机织布编织布针织布典型的增强结构形式:复合材料力学第一章、引言在各种复合材料中，单向纤维增强复合材料(UDcompositesorUDlaminas)是最重要的。1)它们被用来构造层叠复合材料；=10x1=2=0=30xx1yz[1/2/3]复合材料力学第一章、引言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。xyx1x2(d)单向复合材料(c)特征体元xyz(a)针织复合材料ydxxdyydxyx(b)单胞yx复合材料力学第一章、引言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(PMCorFRP)。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。复合材料力学第一章、引言1.3组成材料1.3.1增强体典型增强纤维1)玻璃纤维（Glassfiber）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(electricalinsulator)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。A(foralkali)、C(forcorrosion)分别具有优异的抗碱、抗腐蚀性能。复合材料力学第一章、引言一根玻璃纤维丝束内一般含有200~1000根纤维丝。玻璃纤维的生产一般是将原料熔化、通过细孔拉丝再集成丝束使用。玻璃纤维一般是各向同性的。2)碳纤维（Carbonfiber）是最重要的先进纤维材料，1959年实现商业生产，故先进复合材料诞生于60年代。碳纤维的生产由两步法实现：纺丝（拉丝）和碳化文献中，除了碳纤维，还有石墨(graphite)纤维，实际上，两者概念相同：石墨纤维的碳化温度比碳纤维更高。碳纤维的源丝材料:PAN、Pitch、Rayon复合材料力学第一章、引言PAN碳纤维强度高；Pitch碳纤维模量高；Rayon碳纤维主要用于制备碳/碳复合材料碳纤维是横观各向同性的，有5个独立的弹性常数。同样，应用中的碳纤维为丝束形式，分别用3k、6k、12k…等表示碳纤维丝束中纤维丝的含量，1k=1000丝束越小(如3k)，碳纤维的性能越稳定，价格越高。尽管碳纤维实现商业化生产已有40多年的历史，但国产碳纤维、尤其小丝束的碳纤维还没有完全过关。由于碳纤维是十分重要的国防工业原料（复合材料在国防领域有重要和广泛的应用），因此，一旦有战事，就有可能受制于人。复合材料力学第一章、引言3)芳纶纤维（Aramidfiber）是一种先进的聚合物纤维。美国、日本、欧洲包括国内都可以生产芳纶纤维，但美国杜邦生产的最为有名，其商标Kevlar（凯芙纳）几乎成了芳纶纤维的代名词，具有不同的型号(Kevlar29,Kevlar49,等)芳纶纤维强度高、韧性高、比重轻、延性好，具有很好的耐冲击性能，但在可见光或紫外线照射下性能会退化。4)其它纤维硼纤维：具有很好的力学性能，在航空、航天领域发挥过重要作用，但与碳纤维相比，比重大、价格高。复合材料力学第一章、引言碳化硅(SiC)纤维：陶瓷纤维，高温稳定性好，碳化硅(SiC)纤维增强金属或陶瓷基复合材料是航空、航天发动机等的极好用材。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维：目前已知最轻的一种高强度纤维，化学稳定性好。但很遗憾，与树脂基结合界面差、所得复合材料性能较低，与金属或陶瓷基则难以复合。其他更多聚合物纤维如PET、Nylon、PU、PGA等纤维，在工程结构件复合材料中用量不多，但在生物复合材料中有较多应用。需要指出的是，近20年才商业化生产的玄武岩纤维（Basalt）纤维，将有可能成为继玻璃纤维、碳纤维后的第三大用途纤维。复合材料力学第一章、引言纤维直径(m)密度(g/cm3)轴向拉伸模量(GPa)轴向拉伸强度(GPa)轴向压缩强度(GPa)E-玻璃3-202.54722.1-3.51.4S-玻璃3-202.49854.61.1PAN-碳纤维7-81.7-1.9230-8302.3-7.11.05-2.75Pitch-碳纤维7-81.6-2.238-8200.8-2.30.48Aramid121.4460-2002.60.34-0.48UHMWPE270.971753.00.17Boron50-2002.494003.54.08SiC1423.044273.45一些典型增强纤维的性能复合材料力学第一章、引言其它增强材料1)短纤维：由连续纤维切短；2)颗粒/粉末颗粒材料密度(kg/m3)拉伸模量(GPa)拉伸强度(GPa)压缩强度(GPa)断裂韧性(MPam1/2)Alumina3.98366-3800.313-3.84Silica2.48741.00.7Bioglass2.66350.042Hydroxyapatite(HA)3.1680-1100.5-1.01.0一些典型陶瓷颗粒的性能复合材料力学第一章、引言一般来说，直径小于100nm;具有和其它材料形式相比更高的力学性能;比表面积(面积与体积之比)大;其它一些独有的物理性能。3)纳米增强材料（纳米纤维或纳米颗粒）纳米纤维：仍然处在实验室阶段；纳米颗粒：许多已经实现商品化生产。复合材料力学第一章、引言基体所起的作用:1)支撑和固定纤维材料，将众多纤维“捆绑”到一起形成一个整体；2)保护纤维不受外部损伤;3)将外载传递给纤维;4)提供其它所需要的特殊功能。聚合物是使用最为广泛的基体材料；环氧(Epoxy)和聚脂(Polyester)则是主要的聚合物基体材料，为热固性的；1.3.2基体材料与环氧相比，聚脂的综合力学性能要差些，成型后会产生收缩变形。复合材料力学第一章、引言聚脂的最主要优点是价格便宜，每公斤15元左右，常用作玻璃纤维的基体材料。E-型玻璃纤维每公斤12元左右，因而，玻璃纤维增强聚脂复合材料的材料成本一般不超过每公斤20元，低于铝合金。环氧的价格为每公斤25-80元，高等级的环氧用作为碳纤维的基体材料。大丝束普通碳纤维每公斤300元左右，小丝束国防用碳纤维900元或更高。因而，碳纤维复合材料的材料成本一般高达每公斤250元，高于玻璃纤维复合材料一个数量级。此外，聚脂一般只需在室温下固化，而环氧则可以在较大温度范围下固化，并且环氧在室温下固化后一般要在中温下后处理。复合材料力学第一章、引言PEEK、PS、PE、Nylon等为热塑性基体材料。1.3.3填充材料它们可以被当作复合材料的第三种组分材料高强度复合材料面板低密度的蜂窝芯胶粘膜将面板与芯粘在一起轻质蜂窝芯为填充材料复合材料力学第一章、引言一种复合材料下水管的横截面高强度复合材料砂粒作为填充材料复合材料力学第一章、引言1.3.4纤维/基体界面碳纤维、玻璃纤维、金属和陶瓷纤维一般都能与聚合物基体间有良好界面结合。纤维和基体之间的载荷传递由界面来实现。聚合物纤维(如Aramid和UHMWPE纤维)则很难与另外一种聚合物基体之间实现理想粘结。人们进行了许多努力以便改进聚合物纤维与聚合基体间的界面结合性能。表面改性方法可分为化学的或物理的。化学手段旨在提高两者间的范德华斯结合力，物理手段则增加纤维与基体的接触面积。复合材料力学第一章、引言1.4复合材料的特性优点:1)高比强度、比模量;材料密度(g/cm3)拉伸模量E(GPa)拉伸强度b(MPa)比模量(E/)比强度(b/)铝2.716931025.46114.39不锈钢7.83210103426.82132.