短纤维复合材料的细观力学分析

实际中没有无限长的纤维，而短纤维又容易制备（如碳纳米管），因此研究短纤维复合材料的性质很重要

1. 应力传递理论

2. 模量的预测

3. 强度的预测

()()

dz r

d τπσ

σ?=+002z f dz r στ=+?纤维末端有应力集中是最薄弱的环节，会发生屈服或

纤维长度中点由对称性条件得剪应力

该公式的前提是基体和纤维界面处处存在剪应力, 而基体与纤维变形协调时,剪应力消失, 也不能用该式来预测纤维

因此需确定σf -z曲线上的转折点位置来判断在给定应力是何种分布

随着远离纤维端头, 纤维的拉应力上升, 而基体承受的拉应力下降, 纤维中间段与基体的变形有可能趋于协调而剪应力消失,

纤维最危险处如果基体和界面无限结实, 最终破坏的

不同长度纤维应力和界面剪应力的变化规律

（最大承载情况）

平台段的行为同单向复合材料(连续纤维), 所以当短纤维

足够长时, 近似退化到单向复合材料

短纤维应力平台段的最大应力由于界面和基体强度不足达

不到纤维破坏强度, 因此强度低于给纤维直接加载的加载方式(如理想的单向复合材料)

Rosen的剪滞法有很多近似,

1.2 相对准确的有限元计算得应力分布

纤维端部应力不为零剪应力不是常值

哪条曲线对应于哪个应力

剪滞法, 有限元法与实验的对比

强度效率K是短纤维复合材料强度与相应的连续纤维复合材料强度之比

有限元法的预测与实验更符合

l l l <当()

max

s l d

σστ==c σ

基体或界面破坏(假设出现在三角形以后)

短纤维复合材料的细观力学分析小结

应力传递理论

Rosen的剪滞法

有限元分析

模量的预测

单向短纤维:对连续纤维的Halpin-蔡公式修正随机走向短纤维复合材料:经验公式

强度的预测

混合律预测单向短纤维复合材料强度

单向短纤维复合材料偏轴拉伸强度

随机走向短纤维复合材料的强度

/~m p 1E E 1000

Biocomposites such as bones and shells have hierarchical micro structures. On the

bottom level (nanoscale), they share the same topology structures.

Mineral: stiff but brittle Protein: tough but soft

Biocomposites: stiff and tough

Graphene-derived layer-by-layer nanocomposites.

碳纤维复合材料结构设计要点

强度与刚度既然是结构部件，那么设计者首先要考虑的是强度和刚度。部件在外力载荷的作用下，有抵抗变形与破坏的能力，但是这个能力又是有限度的。如何4定部件的使用载荷，不会超出部件的能力极限，是通过材料力学计算得出。而部件的这个能力极限，就是碳纤维复合材料结构设计者需要考虑的问题。通过合理的搭配纤维和树脂，优化纤维排布，用最少的材料，满足设计需求，体现了复合材料设计者精湛的技巧。不过决定复合材料强度与刚度的因素，不但与纤维和树脂的种类有关，还与碳纤维的铺层方向以及层与层之间结合搭配有关。所以，设计者在设计碳纤维复合材料结构部件时，需要考虑三个层级结构的力学性能。由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列) 。最顶层结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。稳定性除了强度与刚度要求，设计者还需考虑复合材料部件的失稳，尤其是对一些细长杆结构，在受压时，应该能够保证其原有的直线平衡状态。对于一些框架结构部件，如果铺层不均匀，也会产生翘曲失稳，所以在制造过程中尤其注意。最好采用对称铺层，以防变形不均匀。一般情况下，在部件没有达到极限载荷之下，不允许产生失稳现象。但是如果对于一些特殊要求，可以产生失稳现象，那么设计过程中，要考虑失稳过程不会因此影响极限载荷。铺层结构铺层结构是碳纤维复合材料结构设计的关键，如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结构部件上，铺层结构起到承上启下的作用。关于复合材料铺层应注意以下几点： 1. 树脂是碳纤维复合材料力学性能的短板，所以尽量避免将载荷直接加到层间或者树脂之间。也就是说，0°、±45°、90°的纤维都要有，否则载荷会将部件从没有纤维排布的方向撕裂。 2. 为了防止层合板边缘开裂，尽量避免重复单一方向的铺层，设计时最多不超过5层。 3. 为了防止最外层铺层的剥离，在部件的主载荷方向，应铺放±45°纤维，而不能铺放0°和90°纤维。另外，避免最外层铺层间断或不完整。 4. 若使用非对称铺层，每层因同方向上热膨胀系数不同会出现翘曲，因此，一般要采用对称铺层。 5. 当增加补强铺层时，每层阶梯最少要3.8- 6.4mm，附加铺层也应尽量采用对称铺层。

碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡

第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.

大丝束碳纤维复合材料力学性能研究

第２８卷第６期２００３年１２月高斟拉纤维与应用Ｈｊ妇ｈＦｉｂｅｒ＆ＡｐｐＪｉｃ州ｏｎＶ０１．２８．Ｎｏ．６Ｄｅｃ。２００３大丝束碳纤维复合材料力学性能研究刘宝锋１，陈绍杰‘，李佩兰１（１．北京航空材料研究院，北京１０００９６；２．沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳ｌｌ００３５）摘要：本文研究了大丝柬碳纤维（４８Ｋ）复合材料的常规力学性能及耐湿热性能，并与小韭束碳纤维（髓００。３Ｋ）复合材料进行了对比，研究结果可为太丝束复合材料在航空器的次承力件或非承力件的应用提供技术基础．关键词：大丝束碳纤维（４８Ｋ）：复合材料；力争】生能中图分类号：Ｔ０３”３文献标识码：Ａ文章编号：１００７－９８１５（２００３）０６删８．０４刖舌由于大丝束碳纤维（≥４８Ｋ）具有价格低、来源容易、性能与１２Ｋ碳纤维相当等优点，其复合材料在钓鱼竿、高尔夫球杆、建筑补强、天然气储罐、医疗器械等方面应用广泛”…，随着大丝束碳纤维价格的进一步降低，其应用领域将不断扩大。目前，航空航天领域所用复合材料主要使用３Ｋ—１２Ｋ碳纤维，还未见有大丝束碳纤维在此领域应用的报道。它能否在航空航天领域应用的关键决定于其复合材料的力学性能及其稳定性。本文结合实际科研工作，利用自行研制的高温固化（１８０℃）树脂体系５２２２Ｂ和国外进口的４８Ｋ碳纤维制成预浸料，并对复合材料层合板力学性能进行了研究。测试了大丝束复合材料单向板和多向板的拉伸、压缩、弯曲、剪切性能及湿热老化性能，并与小丝束碳纤维（Ｔ３００—３Ｋ）复合材料的相应性能进行了对比，将为大丝束碳纤维复合材料在航空航天领域的应用提供技术依据。１实验部分１．１主要原材料５２２２Ｂ高温固化改性环氧树脂体系，浅黄色粘稠体，靠为２２２℃，北京航空材料研究院自行研制。ＰＡＮＥｘ３３．４８Ｋ碳纤维，性能见表ｌ，美国ｚｏＬＴＥＫ公司制造。１．２试验方法（１）预浸料树胎含量或面密度，按ＧＢ厂ｒ７１９２．１９８２进行。（２）拉伸性能，按ＧＢ厂ｒ３３５４—１９８２进行。（３）压缩性能，按ＧＢ／Ｔ３８５６－１９８３进行。 “）面内剪切强度、模量，按ＧＢ厂ｒ３３５５．１９８２进行。（５）弯曲性能，按ＧＢ厂ｒ３３５６．１９８２进行。（６）层问剪切强度，按ＪＣ厂ｒ７７３．１９８２（１９９６）进行。１．３制备大丝束碳纤维预浸料先用１．２２ｍ热熔胶膜机制备３２０ｍｍ幅宽、外观均匀平整的５２２２Ｂ树脂胶膜，然后将胶膜再与４８Ｋ碳纤维在１．２２ｍ热熔预浸机上进行复合浸渍，通过调整预浸温度、压力、速度、纤维张力等工艺参数，制出幅宽３００ｍｍ的４８Ｋ碳纤维预浸料，其纤维面密度为（１３０±５）ｇ，秆，预浸料树脂质量分数。为（３８±３）％，预浸料外观均匀、平整、无干纱。１．４制备大丝束复合材料层压板将１６层的４８Ｋ碳纤维预浸料按Ｏ。方向铺贴成单向板；将２０层４８Ｋ碳纤维预浸料按ｆ４５。／Ｏ。＾４５。／９０。／４５。／０。／－４５。／０。／４５。／－４５。ｌ。铺贴成多向板后，分别在热压机上模压成型。所制收稿日期：２００３－ｌｌ—１２；修定日期：２∞３－１２一０５作者简介：刘宝锋【１９６７一），男，高级工程师，主要从事复合材料树脂基体及预浸料研制开发工作．

复合材料细观力学答案

一、知识部分 1、计算面心立方、体心立方结构的（100）、（110）、（111）等晶面的面密度，计算密排六方结构的（0001）、（1010）晶面的面密度（面密度定义为原子数/单位面积）。解：设立方结构的晶胞棱长为a 、密排六方结构晶胞轴长为a 和c 。（1）体心立方：在一个晶胞中的（001）面的面积是2a ，在这个面积上有1个原子，所以其面密度为21a ；在一个晶胞中的（110）面的面积是22a ，在这个面积上有2个原子，所以其面密度为22 a ；在一个晶胞中的（111）面的面积是223a ，在这个面积上有2个原子，所以其面密度为223a 。（2）面心立方：在一个晶胞中的（001）面的面积是2a ，在这个面积上有2个原子，所以其面密度为22a ；在一个晶胞中的（110）面的面积是22a ，在这个面积上有2个原子，所以其面密度为22 a ；在一个晶胞中的（111）面的面积是223a ，在这个面积上有1.5个原子，所以其面密度为23a 。（3）密排六方：在一个晶胞中的（0001）面的面积是22 3a ，在这个面积上有1个原子，所以其面密度为2332a ；在一个晶胞中的（1010）面的面积是c a 2，在这个面积上有次个原子，所以其面密度为 c a 21；

2、纯铁在912℃由bcc 结构转变为fcc 结构，体积减少1.06%，根据fcc 结构的原子半径计算bcc 结构的原子半径。它们的相对变化为多少？如果假定转变前后原子半径不变，计算转变后的体积变化。这些结果说明了什么？解：设bcc 结构的点阵常数为a b ，fcc 结构的点阵常数为a f ，由bcc 结构转变为fcc 结构时体积减少1.06％，因bcc 单胞含2个原子，fcc 单胞含4个原子，所以2个bcc 单胞转变为1个fcc 单胞。则 10006.122333=-b b f a a a 即 b b f a a a 264.110006.10121=??? ???= bcc 结构的原子半径b b a r 43=，fcc 结构的原子半径f f a r 4 2=，把上面计算的a f 和a b 的关系代入，并以r f 表示r b ，则 f f f b b r r a a r 9689.02264.1443264.14343=???=?== 它们的相对变化为 0311.019689.0-=-=-b f b r r r 如果假定转变前后原子半径不变，转变后的体积变化为 ()()()1.8342342242233 3333-=-=-b b f b b f r r r a a a ％从上面的计算结果可以看出，如果转变前后的原子半径不变，则转变后的体积变化很大，和实际测得的结果不符，也和金属键的性质不符。所以，同一种金属，不同结构的原子半径改变，尽量使其体积变化最小。 3、根据Fe-C 相图 ①计算)(C w 为0.1%以及1.2%的铁碳合金在室温时平衡状态下相的相对量，计算共析体（珠光体）的相对量。 ②计算)(C w 为 3.4%的铁碳合金在室温时平衡状态下相的相对量，计算刚凝固完毕时初生γ相（奥氏体）和共晶体的相对量。计算

《碳纤维复合材料》阅读练习及答案

阅读文章，回答问题。碳纤维复合材料 ①2018年11月6日，两年一度的珠海航展上，中俄合作研制的280座远程宽体客机CR929，以1：1的展示样机首次亮相国际航展。在这款最新一代的大型飞机上，复合材料的使用比例有望．．超过50%。同样，在去年5月5日首飞的C919大客机上，使用的复合材料占到飞机结构重量的12%。这里的复合材料，主要就是碳纤维复合材料。 ②碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。它不存在腐蚀生锈的问题。由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，质量小，动力消耗少，可节约大量燃料。 ③碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具实现“轻量化”的完美材料。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，新一代大型民用客机空客A380和波音787使用了约为50%的碳纤维复合材料。这使飞机机体的结构重量减轻了20%，比同类飞机可节省20%的燃油，从而大幅降低了运行成本、减少二氧化碳排放。碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大。它的重量仅相当于钢材的20%到30%，硬度却是钢材的10倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，并带来节省能源的社会效益。 ④随着航空航天、汽车轻量化、风电、轨道交通等行业领域对碳

纤维的需求爆发，碳纤维工业应用开始进入规模化生产。业内预测，预计到2020年，全球碳纤维需求量将超过16万吨，到2025年，将超过33万吨。面对如此巨大而重要的市场，国内企业既要通过掌握关键技术来实现碳纤维的稳定批量生产和大规模工程化应用，同时也要瞄准国产新一代碳纤维及其复合材料及早研发和布局，2016年2月15日，中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。2018年2月，中国完全自主研发出第一条百吨级T1000碳纤维生产线，这标志着我国已经牢牢站稳全球高端碳纤维市场的一席之地。 101．阅读选文第①段和第③段，回答问题。（1）选文第①段加点词“有望”能删去？请说出理由。（2）选文第③段画线句运用了哪些说明方法？有何作用？ 102．随着科学技术的发展，请你设想一下生活中将会有哪些碳纤维复合材料的产品。【答案】 101．（1）不能删去，“有望”是有希望的意思，说明“在这款最新一代的大型飞机上，复合材料的使用比例”未来有希望超过“50%”，该词体现了说明文语言的准确性和科学性。（2）列数字、作比较，具体准确地说明了碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大。 102．碳纤维复合材料制成的羽毛球拍、登山器械等体育休闲用品；汽车、地铁等交通工具；以及碳纤维复合材料制成的衣服、家具等日

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料编辑本段概况在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。编辑本段结构碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。编辑本段用途碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)

·开发与创新· Development and Applications of Carbon Fiber and Its Composites GAO Bo ,XU Zi-Li (Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix 0引言碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa ,也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。 1碳纤维的发展史 1.1国外碳纤维的发展历史 20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959 年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝

先进复合材料论文

摘要：纤维增强复合材料具有较强的结构特性，是一种多相体材料。其力学性能及损伤破坏规律不仅取决于各组分材料性能，同时也取决于细观结构特征。采用细观力学分析研究复合材料宏现力学性能与细观结构参数之间的内在联系具有重要的科学意义和工程价值。论述了细观力学实验技术的理论基础和常用实验技术及进展，介绍了复合材料的细观力学模型的发展，综述了复合材料力学行为有限元分析的研究现状，并对这一学科的研究发展进行了简要评述与展望。 1 前言纤维增强复合材料是目前最先进的复合材料之一。它以其轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，是其它复合材料所无法比拟的。纤维复合材料因其较高的比强度、比模量在国外先进战略、战术固体火箭发动机方面应用较多，如美国的战略导弹“侏儒”三级发动机壳体，“三叉戟”一、二、三级发动机壳体的复合材料裙，民兵系列发动机的喷管扩张段，部分固体发动机及高速战术导弹美国的11IAAD、ERINT等。除军用外，开发纤维复合材料的其它应用也大有作为，如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降，在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大。我国拟大力开发新型纤维增强复合材料建材及与环保、日用消费品档关的高科技纤维增强复合材料的新市场,因此，对于纤维增强复合材料的力学性能研究是十分必要的。复合材料既表现出宏观特征，又具有明显的细观结构特征。复合材料力学是一种两层次的力学理论。在宏观尺度上，可以将复合材料当作各向异性的宏观均匀连续体，用连续介质力学理论研究复合材料的力学行为旧，但是无法研究对宏观行为有重要影响的细观尺度上各组份相的变形及损伤失效行为。在细观尺度上，复合材料具有包含多种组份相的非均质结构，复合材料细观力学在宏观有效性能预测以及细观应力、应变场分析方面取得了一定进展。如果将复合材料宏观结构分析与细观结构分析结合起来，在进行宏观结构分析时就能够获得细观尺度上的力学参量值，将是一种更好的分析方法。本文在分析复合材料宏观、细观特

碳纤维及复合材料的种类、制备和应用

碳纤维及复合材料的种类、制备及应用杨晨材研0906 （北京化工大学材料学院，100029）摘要：本文主要陈述总结了复合材料及其碳纤维的种类、制备及应用方面的相关知识。关键词：碳纤维；复合材料；种类；制备；应用 1.复合材料复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。具有比强度高，比模量高，剪切强度和剪切模量高，高温性能高，耐热性高等特性广泛应用于各个领域。 1.1种类复合材料按其性能高低可分为常用复合材料和先进复合材料；根据其用途可分为结构复合材料和功能复合材料；按照复合方式可分为宏观复合材料和微观复合材料。根据不同增强体形式可分为纤维复合材料、颗粒复合材料、片材复合材料和叠层复合材料。还有，可以根据基体材料的不同细分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料。本文主要以基体材料的细分方式介绍复合材料的制备及其应用。其生产流程见图1.1。图1.1 复合材料制品的生产流程图 1.2聚合物基复合材料聚合物基复合材料是聚合物或俗称树脂作为基体与粒状、片状、纤维状填充组分作为增强体的复合材料。按基体的不同还可以分成热固性树脂基、热塑性树脂基和橡胶基。

1.2.1制备其主要制备方法有：预浸料、手糊成型工艺、喷射成型、袋压成型、模压成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、熔融流动成型、增强反应注射成型和树脂传递模塑。 1.2.2应用聚合物基复合材料在建筑、化学、交通运输、机械电器、电子工业及医疗、国防、航天航空及火箭等领域都有广泛应用。如手糊成型制得的广播卫星抛物面天线、太阳能电池帆板；纤维缠绕成型可制得雷达罩、火箭发动机壳、压力容器；模压成型制得的整体浴室和汽车保险杠等等。 1.3金属基复合材料金属基复合材料是以金属、合金和金属间化合物为基体，以无机纤维和金属间化合物等为增强体，通过浸渗、固结工艺制成的复合材料。根据其基体的种类可细分为轻金属基、高熔点金属基和金属间化合物基。 1.3.1制备金属基复合材料的主要制备工艺方法有：固相法、液相法和原位复合法。固相法主要有粉末冶金、固态热压法、热等静压法；液态法主要有真空压力浸渍法、挤压铸造法；原位复合法主要包括共晶合金定向凝固、直接金属氧化物法、反应生成法。 1.3.2应用金属基复合材料主要可应用于航天、航空、汽车、医疗、体育用品等领域。如航天飞机中段主机身的B/Al关键桁架、臂状支柱；齿轮；高尔夫球杆击球头及各种支架等等。 1.4无机非金属基复合材料无机非金属复合材料主要有陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳基复合材料。 1.4.1陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体，并以陶瓷、碳纤维和难熔金属的纤维、晶须、晶片和颗粒为增强体，通过适当的复合工艺所构成的复合材料。主要可细分为高温陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料和玻璃陶瓷基复合材料。其制备工艺主要有：粉末冶金法(颗粒）、浆体法（液体法）、热压烧结法、液态浸渍法、直接氧化法、溶胶-凝胶法、化学气相浸渍法（CVI）、先驱体转化和反应熔融浸渗（RMI）等。陶瓷基复合材料可应用于切削工具方面及航空航天领域的研究。如刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强炭化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1) 密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200OC时可保留室温强度；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现” 假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2) 热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3) 耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象，通过表层材料的烧蚀带走大量的热量，可阻止热流入材料内部， C-C材料是一种升华-辐射型材料。复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。碳纤维增强尼龙的特色碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3? 5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长(接连)纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长(接连)纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增

复合材料力学笔记

《复合材料力学》沈观林编著清华大学出版社第一章复合材料概论 1.1复合材料及其种类 1、复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。 2、复合材料从应用的性质分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊的功能。 3、结构复合材料由基体材料和增强材料两种组分组成。其中增强材料在复合材料中起主要作用，提供刚度和强度，基本控制其性能。基体材料起配合作用，支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷，保护纤维。根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料可分为三大类：颗粒复合材料、纤维增强复合材料(fiber-reinforced composite)、层和复合材料。 (1)颗粒：非金属颗粒在非金属基体中的复合材料如混凝土；金属颗粒在非金属基体如固体火箭推进剂；非金属在金属集体中如金属陶瓷。 (2)层合（至少两层材料复合而成）：双金属片；涂覆金属；夹层玻璃。 (3)纤维增强：按纤维种类分为玻璃纤维（玻璃钢）、硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。按基体材料分为各种树脂基体、金属基体、陶瓷基体、和碳基体。按纤维形状、尺寸可分为连续纤维、短纤维、纤维布增强复合材料。还有两种或更多纤维增强一种基体的复合材料。如玻璃纤维和碳纤维增强树脂称为混杂纤维复合材料。 5、常用纤维（性能表见P7表1-1）玻璃纤维（高强度、高延伸率、低弹性模量、耐高温）硼纤维（早期用于飞行器，价高）碳纤维（主要以聚丙烯腈PAN纤维或沥青为原料，经加热氧化，碳化、石墨化处理而成；可分为高强度、高模量、极高模量，后两种成为石墨纤维（经石墨化2500~3000°C）；密度比玻璃纤维小、弹性模

PP／碳纤维复合材料力学性能的研究

PP／碳纤维复合材料力学性能的研究徐久升摘要：综合考虑碳纤维材料的加工适应性以及对基体力学性能改善的能力，分别选取了短切碳纤维和碳纤维粉末作为增强相，比较了它们对于PP的增强效果以及加工的难易，通过测定拉伸性能和冲击韧性考察了短切碳纤维的含量以及碳纤维粉末的含量对各自复合材料力学性能的影响。结果表明，随着碳纤维含量的增加，两种复合材料的冲击韧性以及拉伸性能都呈先增加后减小的趋势，短切碳纤维作为增强相对于基体树脂的力学性能增强效果更为显著，碳纤维粉末作为增强相的复合材料加工适应性强，性能更加稳定，该研究对碳纤维制品的实际注塑生产具有十分重要的意义。关键词：PP／碳纤维复合材料；拉伸强度；冲击韧性 Research on Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced PP Composites Xu Jiusheng Abstract：In consideration of the difficulty of producing and the ability of property improving，short carbon fiber and carbon fiber powder were selected as reinforced phase to compare the improving effect and producing difficulty of them，the influences of short carbon fiber／carbon fiber powder on the mechanical properties of these two composite materials were discussed by determining tensile property and impact toughness.The results show that with the content of carbon fiber increase，the impact toughness and the tensile property of these two composite materials increase first and then reduce，the reinforce effect of mechanical property are more obvious if short carbon fiber is chosen as the reinforced phase，on the contrary，when carbon fiber powder is chosen to be reinforced phase，a composite material with more stable property and easier producing adaptability is acquired，which is instructive to the actualinjection production of carbon fiber products. Keywords：PP／CF composite；tensile strength；impact toughness 碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维，按其原料可分为3类：聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维，其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广，需求量也最大，碳纤维是通过有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等)高温(1000～3000℃，惰性气体环境)分解，碳化制成的，碳纤维增强复合材料(CFRP)是以碳纤维作为增强体的复合材料，与传统材料相比，它具有高比强度、高比模量、质量轻等优越性能，密度不到钢的1／4，能像铜那样导电，比不锈钢还耐腐蚀，拉伸强度一般都在3500MPa以上，是钢的7～9倍，拉伸弹性模量为23000～43000MPa，也高于钢，在新型民用超音速飞机、水下核潜艇、高速列车等尖端科学技术领域以及建筑、机械、化工等领域得到愈来愈广泛的应用，并且在某些领域有逐步取代传统金属材料的趋势。碳纤维的加入大大改善材料的力学性能，目前市场上的碳纤维主要有纤维态、粉末态两种，对于纤维态碳纤维，由于本身纤维的形态可以承受高强度的力学性能，但对于大型复合制品，由于纤维表面的静电吸引作用，导致纤维和基体很难均匀混合所以加工成型的难度大、成本高，而对于粉末态碳纤维的复合制品，其力学性能略逊，但是加工成型则较容易，笔者通过测定短切碳纤维增强PP复合材料以及碳纤维粉末增强PP复合材料的力学性能，考察了短切碳纤维以及碳纤维粉末的含量对各自复合材料力学性能的影响，最后比较了两者对于基体树脂(PP)的增强效果以及加工的难易，这为生产实际中使用碳纤维的形态选择提供了参考。 1实验部分 1．1实验原材料

碳纤维及其复合材料

碳纤维及其复合材料研究进展摘要：本文简述了碳纤维的基本特性及其制造方法，并阐述了不同基体碳纤维增强复合材料的性能与制备工艺，以及当前碳纤维增强复合材料的研究应用现状，并展望其未来的发展方向。关键词：碳纤维结构与性能增强复合材料碳纤维（carbon fiber）它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。此外，还具有纤维的柔曲性和可编性。碳纤维既可用作结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速。 1碳纤维的结构、特性以及分类碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。其是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000℃以上的高温下碳化形成，且含碳量在90%以上的高性能纤维材料。碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺, 但无论用哪种材料, 碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向。用x-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构，如图1-1。构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格，由层晶格组成层平面。在层

国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向概要

--] 诺贝尔学术资源网->材料资源->《转》国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向[打印本页] 登录->注册->回复主题->发表主题 romanceliu 2008-01-15 17:37 查看完整版本: [-- 《转》国内外碳纤维复合材料现状及研究开发方向一.国外情况 1996年世界碳纤维生产能力15000t,实际产量约10000t左右,其中日本约占60%。日本有三家大公司从事碳纤维的生产、研究和开发,东丽公司、东邦人造丝公司和三菱人造丝公司是世界著名的碳纤维生产企业,它们都在积极扩展碳纤维生产,继续加强其在世界市场上的主导地位,并纷纷实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制,碳纤维及其下游产品己成为这些公司的支柱产业和新的经济增长点。随着航空航天飞行器各项性能的不断提高,对结构件用材料的性能要求也越来越高。今后日本先进复合材料的发展方向是:在增强材料方面,进一步提高碳纤维的强度和模量,降低成本;在树脂基体方面,主要提高树脂的冲击后压缩强度和耐湿热性;在复合材料成型技术方面,进一步实现整体成型技术、固化监控、自动化技术及三维复合材料技术,从而同时提高复合材料性能降低制造成本。美国是碳纤维生产大国,更是消费大国,世界碳纤维40%以上的市场在美国。美国199 6年碳纤维生产能力约为4500t,其中卓尔泰克(ZOLT E K公司1997年在美国德克萨斯州的亚平伦城和匈亚利的布达佩斯附近建了5条碳纤维生产线,1997年的总生产能力达3000t左右,一跃成为世界上生产碳纤维的最大集团之一。

它的产品有许多特色,最主要是低成本、低价格、大丝束、采用纺织用的丙烯酸原丝和开发工业级碳纤维等。该公司生产的碳纤维价格已降至17.64$/kg,而日本东丽同类产品大约30$/kg。在应用方面,美国摩里逊(Morison公司为达纳(Dcna公司生产汽车传动轴,供通用汽车公司用;采用碳纤维复合材料可使原来由两件合并成一个传动轴简化成单件,与钢材料相比,可减重60%。美国斯道顿复合材料公司(Stoug hton开发碳纤维复合材料集装箱,重量轻、耐磨,在碳纤维价格降至17.6$/kg 时,此集装箱的价格可与金属集装箱竞争。目前,美国正在开发碳纤维复合材料的五大新市场,即清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探和生产、风力发电机大型叶片、高尔夫球杆和球拍。这是推动美国和世界碳纤维复合材料大发展的动力。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的下降,在增强木材、机械和电器零部件、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用必将迅速扩大。除日美之外,德国、英国和韩国也具有一定碳纤维复合材料生产能力。据预测,今后十年世界碳纤维及复合材料需求量将稳定高速增长。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环,而我国目前尚不具备国际竞争能力。我国当前及今后一个时期内最大的市场在体育用品方面。我国碳纤维及其复合材料业存在的几个问题为:原丝质量差、生产规模小、质量低、价格高、应用基础研究薄弱等。二.国内情况 1.转自泰州市科协《科技快讯》总第110期:碳纤维取代钢筋钢筋是混凝土不可缺少的材料,现在日本科学家开发出利用碳纤维取代钢筋制作钢筋混凝土的技术。根据这项新技术,先将1.2万根直径约7微米的碳纤维困在一起,制成30根碳纤维绳,然后呈螺旋状在骨架上缠绕碳纤维绳,只在连接处用树脂固定起来。整个工作由机器人按输入的设计完成。

复合材料力学答案

复合材料力学答案【篇一：材料力学】教程第二版 pdf格式下载单辉祖主编本书是单辉祖主编《材料力学教程》的第2版。是根据高等工业院校《材料力学教学基本要求》修订而成。可作为一般高等工业院校中、少学时类材料力学课程的教材，也可作为多学时类材料力学课程基本部分的教材，还可供有关工程技术人员参考。内容简介回到顶部↑本教村是普通高等教育“十五”国家级规划教材。. 本教材仍保持第一版模块式的特点，由《材料力学(Ⅰ)》与《材料力学(Ⅱ)》两部分组成。《材料力学(Ⅰ)》包括材料力学的基本部分，涉及杆件变形的基本形式与组合形式，涵盖强度、刚度与稳定性问题。《材料力学(Ⅱ)》包括材料力学的加深与扩展部分。本书为《材料力学(Ⅱ)》，包括非对称弯曲与特殊梁能量法(二)、能量法 (二)、静不定问题分析、杆与杆系分析的计算机方法、应力分析的实验方法、疲劳与断裂以及考虑材料塑性的强度计算等八章。各章均附有复匀题与习题，个别章还安排了利用计算机解题的作业。.. 与第一版相同，本教材具有论述严谨、文字精炼、重视基础与应用、重视学生能力培养、专业面宽与教学适用性强等特点，而且，在选材与论述上，特别注意与近代力学的发展相适应。本教材可作为高等学校工科本科多学时类材料力学课程教材，也可供高职高专、成人高校师生以及工程技术人员参考。以本教材为主教材的相关教学资源，尚有《材料力学课堂教学多媒体课件与教学参考》、《材料力学学习指导书》、《材料力学网上作业与查询系统》与《材料力学网络课程》等。... 作译者回到顶部↑本书提供作译者介绍单辉祖，北京航空航天大学教。1953年毕业于华东航空学院飞机结构专业，1954年在北京航空学院飞机结构专业研究生班学习。1992—1993年，在美国特拉华大学复合材料中心．从事合作研究。.历任教育部工科力学教材编审委员、国家教委工科力学课程指导委员会委员、中国力学学会教育工作委员会副主任委员、北京航空航天大学校务委员会委员、校学科评审组成员与校教学指导委员会委员等。..

复合材料力学

3019《复合材料力学》考试大纲《复合材料力学》全面、系统地阐述了复合材料力学基础、宏观力学和细观力学的基本理论、分析方法和结果，并介绍了混杂复合材料，复合材料疲劳、断裂和连接等专题，以及纳米复合材料、生物／仿生复合材料和智能复合材料等现代新型复合材料及其分析方法。考试内容及要求如下：第1章单层复合材料的宏观力学分析平面应力下单层复合材料的应力—应变关系，单层材料任意方向的应力—应变关系单层复合材料的强度，正交各向异性单层材料的强度理论第2章复合材料力学性能的实验测定纤维和基体的力学性能测定，单层板基本力学性能的实验测定，其他力学性能实验第3章层合板刚度的宏观力学分析层合板的刚度和柔度，几种典型层合板的刚度计算，层合板刚度的理论和实验比较第4章层合板强度的宏观力学分析层合板强度概述，层合板的应力分析，层合板的强度分析，层合板的层间应力分析第5章湿热效应单层板的湿热变形，考虑湿热变形的单层板应力—应变关系，考虑湿热变形的层合板刚度关系，考虑湿热变形的层合板应力和强度分析第6章层合平板的弯曲、屈曲与振动层合平板的弯曲，层合平板的屈曲，层合平板的振动，层合板中耦合影响的简单讨论第7章若干专题混杂复合材料及其力学分析，金属基复合材料和陶瓷基复合材料，纳米复合材料简介，复合材料的疲劳，复合材料的损伤和断裂，复合材料的蠕变，复合材料的连接，横向剪切的影响第8章复合材料的有效性质和均质化方法尺度和代表单元的概念，细观过渡方法第9章单层复合材料的细观力学分析刚度的材料力学分析方法，强度的材料力学分析方法，短纤维复合材料的细观力学分析，热膨胀的力学分析，刚度的弹性力学分析方法第10章复合材料线性有效模量预测的近似方法宏观整体坐标系和局部坐标系，稀疏方法，Mori—Tanaka方法，自洽方法，微分法，广 —1—