A1-复合材料力学解读.ppt

* Chapter 1 复 合 材 料 概 论 1. 1 复合材料的定义与分类 1.1.1 复合材料的定义 Complex stress state 两种或两种以上的异质、异性、异形的材料，在宏观尺度上复合成一种不同于其组成材料的新型材料。 一般各向异性材料也归于复合材料范畴。 1. 1 复合材料的定义与分类 1.1.1 复合材料的定义 Complex stress state 复合材料的组成材料称为组分材料。 组分材料分两种。 （1）基体材料 （2）增强体材料 基体 增强体 主要承担结构的工作载荷。 主要起粘接增强体、对结构赋形、传递应力和增韧作用。 1. 1 复合材料的定义与分类 1.1.1 复合材料的定义 Complex stress state 复合材料的组成材料称为组分材料。 组分材料分两种。 （1）基体材料 （2）增强体材料 有机聚合物，金属，陶瓷，水泥，碳（石墨）等。 纤维（连续纤维，长纤维，短纤维，晶须） 颗粒（宏观量级，微米量级，纳米量级） 片材（人工晶片，天然片状物） 复合材料的特点： （1）复合材料的性能优于各组分材料的性能，可能具有组分材料所没有的全新性能。 双金属材料在温度升高时具有弯曲效应。 伸长 伸长 伸长，弯曲 （2）复合材料含有两种或两种以上物理上不同但可用机械方法分离的材料。 优性能 可加工性 （3）复合材料可以通过将几种分离的材料混合在一起而制成。 复合材料的特点： 混合方法： 人为控制下将某种材料分散在其他材料中，使其达到最佳性能。 （4）复合材料可以通过选取不同的组分材料，改变组分材料的含量与分布等微结构参数，以改变复合材料的性能。 即复合材料具有可设计性并拥有最大的设计自由度。 可控制性 可设计性 复合材料的特点： 优性能 可加工性 可控制性 可设计性 1）天然复合材料：天然形成的复合材料，包括一般的各向异性材料。 2）构造复合材料：基于特殊目的，通过加工、混合人为制造的复合材料。 天然复合材料 构造复合材料 工程中一般使用构造复合材料。 构造复合材料能改善的性能： 强度 刚度 疲劳寿命 耐高温性 耐腐蚀性 耐磨性 重量 抗震性 导热性 绝热性 隔音性 黏附性 1.1.2 复合材料的分类 （1）按形成分类 1.1.2 复合材料的分类 （2）按性能优劣分类 1）常用复合材料 例：玻璃----环氧树脂复合材料；草泥墙；夯土结构。 2）先进复合材料 例：以碳、芳纶、硼等纤维和晶须等高性能增强体与耐高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等基体复合而成的复合材料。 （3）按用途分类 1）结构复合材料 主要用于制造承力或次承力构件的复合材料。 2）功能复合材料 实现具有某种特殊功能的复合材料。例如：导电性，导热性，导磁性，屏蔽性或绝缘性，绝热性等等。 结构复合材料按基体分类： 聚合物基 复合材料 金属基 复合材料 陶瓷基 复合材料 碳基 复合材料 水泥基 复合材料 热固性树脂基 热塑性树脂基 橡胶基 轻金属基 高熔点金属基 金属间化合物基 高温陶瓷基 玻璃陶瓷基 结构复合材料 结构复合材料按增强体分类： 纤维增强 复合材料 颗粒增强 复合材料 片材增强 复合材料 层叠式 复合材料 微米颗粒 纳米颗粒 人工晶片 天然片状物 结构复合材料 连续纤维 复合材料 不连续纤维 复合材料 单向纤维 二向织物 三向织物 短切纤维 晶须 1.1.3 几种常见纤维 1. 玻璃纤维 1）玻璃纤维品种 E玻璃 C玻璃 S玻璃 玻璃璃纤维品种 延展性好 电性能好 抗老化性能好 强度和刚度好 抗化学腐蚀性能好 成本高 强度低 高模量 耐高温性能好 成本高 2）玻璃纤维的特点 直径： 强度高，伸长率大，可制造成织物。 弹性模量： 较低，与铝差不多。 耐高温性能： 一般硅酸盐玻璃纤维 石英或高氧玻璃纤维 1.1.3 几种常见纤维 2. 碳纤维 1）碳纤维品种 高强度 高模量 碳纤维品种 2）碳纤维的特点 直径： 强度高： 弹性模量： 最大伸长率： 石墨化处理。 通过各种有机纤维加热碳化而成。主要以聚丙烯晴纤维或沥青为原料，经纤维加热氧化，碳化，石墨化处理而成。 工艺简单，价格便宜。 线膨胀系数： 沿纤维方向 垂直纤维方向 1.1.3 几种常见纤维 3. 高强有机纤维 高强有机纤维的特点： 例1： Kevlar49（杜邦公司） 抗拉强度： 弹性模量： 密度： （1）通过分子设计并借助相应合成方法制备具有刚棒状分子链的聚合物。如聚芳酰胺，聚芳脂类等。 （2）合成超高分子量的柔性链聚合物。如聚乙烯。 高强度，高模量。 例2：超高分子聚乙烯 抗拉强度： 弹性模量： 密度： 1.1.3 几种常见纤