复合材料的细观力学研究进展

作者：刘克明，金莹，康林萍，谌昀，付青峰， LIU Ke-ming， JIN Ying， KANG Lin-ping ， CHEN Yun， FU Qing-feng

作者单位：刘克明,LIU Ke-ming(江西省科学院江西省铜钨新材料重点实验室,江西,南昌,330029;中南大学材料科学与工程学院,湖南,长沙,410083)，金莹,康林萍,谌昀,付青峰,JIN Ying,KANG

Lin-ping,CHEN Yun,FU Qing-feng(江西省科学院江西省铜钨新材料重点实验室,江西,南昌

,330029)

刊名：

江西科学

英文刊名：JIANGXI SCIENCE

年，卷(期)：2010，28(3)

被引用次数：0次

参考文献(25条)

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4.Segurado J.Llorca J Computational micromechanics of composites:The effect of particle spatial distribution 2006

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20.方岱宁.周储伟有限元计算细观力学对复合材料力学行为的数值分析 1998(2)

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24.张少琴.杨维阳.张克颢复合材料的Z-断裂准则及专家系统 2003

25.雷友锋.魏德明.高德平细观力学有限元法预测复合材料宏观有效弹性模量 2003(3)

相似文献(10条)

1.会议论文杨庆生.马连华含流体夹杂复合材料的细观力学2008

含有流体夹杂复合材料具有广泛的实际背景，生物组织、饱和岩土、胶体材料等都是由固体骨架与间隙流体组成的复合材料。在这类材料中，流体与固体之间存在复杂的相互作用;由于流体夹杂的存在，它们展示出复杂的宏观性能。本文利用细观力学方法，建立了含有内压流体复合材料的力学模型;假设基体材料是弹性的，流体是可压缩静止流体，将等效夹杂原理推广到合流体夹杂复合材料的有效性能问题中。研究表明，复合材料的有效性能会受到流体夹杂含量、属性与初始内压的显著影响。

2.学位论文刘晓宁高阶连续介质细观力学方法研究2003

基体夹杂型复合材料的尺度效应已经为人们所公认,传统细观力学方法无法预测这种尺度现象.我们基于这样的观点:当夹杂尺度与基体的内在特征尺度接近时,其相互作用使得基体的非局部效应无法忽略,为此需要采用高阶连续介质理论来描述基体的响应.该文研究高阶连续介质理论框架下的细观力学方法,以此考虑尺度效应.提出了微极复合材料的宏细观过渡方法,给出把微极复合材料等效为Cauchy介质时的有效性质分析方法、Hill条件,以及基于Hill条件的扰动场分析方法.得到了微极介质球形夹杂平均Eshelby关系的解析结果,同时提出了平均等效夹杂方法,在此基础上将Mori-Tanaka方法推广到微极复合材料,给出了微极颗粒复合材料有效剪切和体积模量表达式.将基于二阶矩的割线模量方法,推广到微极复合材料,给出了一种能够预测复合材料颗粒尺度对其有效弹塑性性质影响的解析细观力学方法.给出了微极复合材料有效塑性性质的变分方法,由此证明对于微极复合材料系统也存在与Cauchy材料中Ponte Castaneda塑性势方法类似的变分结构.进而证明与传统Cauchy复合材料一致,该变分方法也对应着基于二阶矩的割线模量方法.给出了Microstretch理论的基本解,由此得到Microstretch介质中球形夹杂的Eshelby张量,并给出了平均Eshelby张量的解析式.提出了Microstretch复合材料的宏细观过渡及等效Cauchy性质分析方法.发展了Microstretch理论的形变塑性形式,并给出了分析Microstretch复合材料有效塑性性质的二阶矩割线方法.结果表明,在Microstretch理论框架下可以描述宏观三轴载荷作用下复合材料的尺度效应,弥补了微极理论的不足.研究了Micromorphic复合材料热传导的有效性质,给出了Micromorphic介质热传导的Eshelby关系及其平均表达式.研究了Micromorphic复合材料热传导的宏细观过度关系并给出了宏观有效性质的定义,利用M-T方法给出了有效传统热导率的解析式,该方法能够描述微结构的尺寸对有效热传导系数的影响.最后论文还考虑了将异质Cauchy介质等效为高阶介质的基本问题,研究了不同边界条件下向高阶介质的等效方法和定义.对于等效介质为Couple-Stress介质的情况,论文讨论了两种典型复合材料高阶模量的Voigt和Reuss界限.

3.期刊论文雷友锋.魏德明.高德平细观力学有限元法预测复合材料宏观有效弹性模量-燃气涡轮试验与研究

2003,16(3)

基于能量等效原理提出了复合材料有效弹性模量的定义,并指出了该定义的基础及前提条件.为从理论上计算复合材料宏观有效弹性模量,建立了通过细观力学有限元法计算复合材料有效弹性模量的方法.复合材料宏观弹性模量,是通过对复合材料细观结构代表性体积元的力学响应的计算来得到,在该计算方法中,给出了施加简便的边界载荷以及恰当的边界变形约束条件的方法.数值计算结果与部分试验结果具有较好的一致性,表明所提出的方法能够较好地计算复合材料的宏观有效弹性模量.

4.学位论文胡瓯尔理性有限元法在细观力学自洽方法求解复合材料等效弹性模量问题研究中的应用1998

该文根据钟万勰院士提出的理性有限元法建立了横观同性平面应变理性元,该方法与传统的有限元方法有很大的不同.它以力学的需求作为主导,将弹性力学基本解作为单元插值逼近的基础,充分考虑了力学的微分方程.作为一种探索,该文利用横观同性平面应变理性元结合自洽方法求解了单向长纤维复合材料的等效弹性模量,为将来利用理性有限元方法求解短纤维复合材料问题打下基础.

5.期刊论文罗以喜.胡红.Luo Yi-xi.Hu Hong针织复合材料细观力学研究进展-针织工业2006(9)

对针织物细观几何结构进行了研究,基本上采用了基于Micro-cell或RVE的分析方法,并建立了细观几何模型,包括:G.A.V.Leaf和A.Glaskin模型、纤维方向张量模型、二维线圈模型、三维线圈模型、MWK单胞模型及一些其他模型.从力学分析及计算方法上,可将针织物增强复合材料细观力学模型分为层板理论模型、取向平均模型和有限元分析模型三类,并具体加以介绍.最后,采用层板理论法、取向平均法和有限元分析法对针织复合材料细观力学进行了理论分析.

6.学位论文武义明表/界面性能对材料整体性能的影响2004

随着现代科技对工程结构和材料要求的不断提高,人们已经不能满足于仅限于对一般力学行为的材料的使用,而是希望在更多层面考虑、研究新型的功能材料.因此,对材料表/界面性能与表/界面性能对材料整体性能的影响的研究已经成为材料科学、力学和工程科学共同关心的课题.另一方面,基体—夹杂型复合材料的尺度效应已经被公认,并越来越多的受到关注,而传统的细观力学无法预测尺度效应.为此我们考虑将材料表/界面性能引入已有的细观力学体系,并通过考虑材料表/界面性能框架下的细观力学体系解决尺度效应问题.第一章,对经典的细观力学研究做一简单的综述,介绍了相关领域的研究概况与代表性工作.通过经典细观力学的限界方法,讨论了界面性能对复合材料整体性能的影响.第二章,首先,对于材料的尺度效应与能够考虑尺度效应的细观力学研究做一概述,主要已有的研究方法有:1,发展相关的应变梯度塑性理论.2,将微连续理论,如微态(Micromorphic)或微极(Micropolar)理论应用于复合材料有效性质的研究中,并由此发展基于微连续理论的细观力学方法.虽然以上理论能够解释与材料尺度效应有关的一些实验观察,但要确定材料内部微结构的特征长度参数以及合理给出对应于高阶应力的边界条件仍存在相当大的困难.因此,对于以上途径的有效性尚有待作进一步的研究.其次,介绍了材料表面的有关物理性质如表面张力等,并介绍了在解决表/界面问题中有重要作用的Yougg-Laplace方程.对于现有的基于物理机制的表/界面研究做了简单的介绍,发现现有的研究中,多数是从材料表面物理性质,如表面应力、表面能的角度考虑表面性能对材料宏观性能的影响.之后,将表面性能引入细观力学体系,并应用于对考虑表面影响的孔隙材料的等效性能的研究,得到了对基体—夹杂型复合材料的尺度效应进行预测的一套解析的细观力学方法.最后,对该文工作做一总结,提出了不足之处,并对下一步工作进行了展望.该文的工作为进一步研究表/界面性能对球形粒子填充复合材料整体性能的影响,及在已有的细观力学范围内预测基体—夹杂型复合材料的尺度效应提供了新的思路和理论分析.

7.期刊论文吕毅.吕国志.吕胜利.Lu Yi.Lu Guozhi.Lu Shengli细观力学方法预测单向复合材料的宏观弹性模量

-西北工业大学学报2006,24(6)

Msc.Patran/Nastran建立了RVE模型,进行了有限元模拟计算.两种方法计算的结果与实验均有较好的一致性,表明两种方法都是能够较好计算单向复合材料的宏观弹性模量.

8.学位论文梁军非线性基复合材料和铁电材料力学性能的细观研究1998

非线性基(弹塑性、粘弹性)复合材料和铁电材料在现代科学技术领域应用很广,研究它们的本构行为及力电耦合性能具有重要的理论和应用价值.该文利用细观力学理论这对两类材料进行了如下的研究工作:1.利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法研究了复杂材料的弹塑性问题.以铝基复合材料为例

,建立了多轴载荷作用下复合材料弹塑性应力-应变本构关系,并且理论预报与实验结果符合较好,分析了夹杂形状、体积分数以及加载路径对材料宏观性能的影响;2.研究了热塑性复合材料热膨胀系数与工艺温度之间的变化规律,分析了热残余变形对材料设计的影响.并探讨了单轴载荷作用下,编织复合材料的弹塑性本构关系;3.通过Laplace变换和对应性原理,研究了纤维增强复合材料的静、动态粘弹性力学性能.给出了材料模量随时间、载荷频率之间的变化规律,并与实验结果相符合;4.利用细观力学的Mori-Tanaka方法研究了多晶铁电陶瓷材料的有效电弹性能,及电畴极化转动对宏观性能的影响.预报了BaTiO<,3>晶体90度和180度畴变与应力和电场强度的关系;5.分析了以介电常数ε呈梯度变化时铅镁铌铁电陶瓷致力器的电致力学失效机理,通过梯度参数的优化设计,有效地降低了材料开裂的能量释放率,保证了铁电元器件微型化发展的要求.

9.期刊论文李华祥.刘应华.冯西桥.岑章志确定复合材料宏观屈服准则的细观力学方法-固体力学学报

2002,23(2)

运用细观力学中的均匀化方法,分析了含周期性微结构复合材料的宏观屈服准则,并对Hill-Tsai准则进行了修正.从基于复合材料细观结构的代表性胞元入手,运用塑性极限理论中的机动分析以及有限元方法,计算了细观结构的极限载荷域.通过宏细观尺度对应关系,得到复合材料的宏观屈服准则.

10.会议论文杜善义.吴林志.庞宝君.梁军复合材料细观力学与细观设计理论研究1998

复合材料具有丰富的细观结构组合方式，对其进行细观力学的研究是当前复合材料力学研究的主要发展方向。复合材料细观力学的研究内容包括含夹杂复合材料力学、编织复合材料的细观力学建模、灵敏度复合材料力学和复合材料在拉伸、压缩、剪切、冲击、疲劳加载下的损伤演化和破坏等等。该文将针对其中的几个主要问题介绍的研究工作。

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CSiC陶瓷基复合材料界面力学性能的离散元模拟李林涛

Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料界面力学性能的离散元模拟＊李林涛，谭援强，姜胜强（湘潭大学机械工程学院，湘潭４１１１０５）摘要采用离散元法（ＤＥＭ），用ＢＰＭ（Ｂｏｎｄｅｄ－ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ）模型分别建立并校准ＳｉＣ陶瓷基体和碳纤维离散元模型，采用位移软化接触模型表征层间和纤维／基体之间的界面元损伤双线性本构关系。通过ＤＣＢ试验（Ｄｏｕｂ－ｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｔｅｓｔ）和微滴脱黏试验分别对其界面强度进行收敛试验，动态地观察了塑性变形、裂纹扩展及界面脱黏过程。结果表明，位移软化接触模型可以很好地表征界面损伤过程，采用离散元法可以很好地动态模拟较复杂复合材料的损坏过程。关键词Ｃ／ＳｉＣ复合材料　界面性能　离散元法（ＤＥＭ）　位移软化接触模型　模拟中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：ＡＳｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃ／ＳｉＣ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｍａｔｒｉｘ　ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＵｓｉｎｇ　Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　ＭｅｔｈｏｄＬＩ　Ｌｉｎｔａｏ，ＴＡＮ　Ｙｕａｎｑｉａｎｇ，ＪＩＡＮＧ　Ｓｈｅｎｇｑｉａｎｇ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４１１１０５）ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｉｄ　ｏｆ　ＢＰＭ（Ｂｏｎｄｅｄ－ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ），ｔｈｅ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ＳｉＣ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｍａｔｒｉｘａｎｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｗｅｒｅ　ｓｅｔ　ｕｐ　ａｎｄ　ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ　ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ（ＤＥＭ）．Ｔｈｅ　ｂｉｌｉｎｅａｒ　ｃｏｈｅｓｉｖｅｌａｗ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ　ｉｎ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｏｎ　ｍａｔｒｉｘ／ｆｉｂｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｗａｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ－ｓｏｆ－ｔｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｍｏｄｅｌｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ　ｂｙ　ＤＣＢ　ｔｅｓｔ（Ｄｏｕｂｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｔｅｓｔ）ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｂｏｎｄ　ｔｅｓｔ，ｒｅ－ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｃｒａｃ－ｋｉｎｇ　ｇｒｏｗｔｈ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｄｅｂｏｎｄｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｏｂ－ｓｅｒｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅｓｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ－ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｕｌｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ　ｉｎ－ｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｎｉｃｅｌｙ，ａｎｄ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｕｌｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｄｍｉｒａｂｌｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓＣ／ＳｉＣ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ（ＤＥＭ），ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ－ｓｏｆｔｅｎｉｎｇｃｏｎｔａｃｔ　ｍｏｄｅｌ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　＊国家自然科学基金（５０８７５２２４；５１００５１９４）；湖南省研究生科研创新基金（ＣＸ２０１０Ｂ２６２）　李林涛：男，１９８５年生，硕士，主要从事机械工程材料和离散元研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｌｉｎｔａｏ２１２＠１６３．ｃｏｍ　谭援强：男，博士生导师，主要从事摩擦学、离散元和机械传动方面研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｎｙｑ＠ｘｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ０　引言Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料具有耐高温、抗腐蚀、高强度、高韧性等优良的高温力学性能，在航空航天、航海、汽车等领域有着广泛应用［１］。与ＳｉＣ陶瓷材料相比，由于碳纤维的加入，Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料的韧性得到了有效提高，使陶瓷脆性材料表现出伪塑性行为，减少了发生灾难性损坏的几率［２，３］。目前，国内外学者主要采用有限元法（ＦＥＭ）对复合材料进行计算模拟研究。张博明等［４］通过有限元模拟方法分析了微观参数（如界面强度等）对材料宏观性能的影响，从而对复合材料进行优化设计。李典森等［５］采用有限元法建立了编织型复合材料的三维模型，模拟得到合理的应力分布，可以对不同的复合材料起到预知作用。ＦＥＭ在工程应用上比较成熟，在复合材料上却很难解释基体微裂纹对界面的影响，也难以动态观察微裂纹的扩展过程。关于离散元法（ＤＥＭ），块体材料是由接触键和平行键相连接的颗粒集合来模拟其属性，只要外界载荷超过颗粒间键的强度或断裂能，键就发生断裂。改变断裂键的颜色就可以形象地观察到裂纹的运动以及界面脱黏等情况。同时位移软化接触模型是一种双线性结构，与界面元本构模型很接近，可以用来表征界面力学性能。基于ＤＥＭ的这些优势和特点，采用ＰＦＣ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｆｌｏｗ　ｃｏｄｅ）软件建立并校准复合材料ＳｉＣ基体和碳纤维的离散元（ＢＰＭ）模型，以位移软化接触模型模拟脆／脆复合材料的界面属性，并通过ＤＣＢ和微滴脱黏收敛试验，再现裂纹的生成与扩展及界面脱黏等过程，使离散元法在复合材料领域里发挥独特的优势。１　离散元法离散元法（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ＤＥＭ）起源于分子动力学。１９７１年，离散元法首先由Ｃｕｎｄａｌｌ提出（适用于岩·８４１·材料导报Ｂ：研究篇２０１２年１１月（下）第２６卷第１１期

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

复合材料力学

复合材料力学论文题目：用氧化铝填充导热和电绝缘环氧复合材料的无缺陷石墨烯纳米片院系班级：工程力学1302 姓名：黄义良学号： 201314060215

用氧化铝填充导热和电绝缘环氧复合材料的无缺陷石墨烯纳米片孙仁辉1 ，姚华1 ，张浩斌1 ，李越1 ，米耀荣2 ，于中振3 （1.北京化工大学材料科学与工程学院，有机无机复合材料国家重点实验室北京 100029;2.高级材料技术中心（CAMT ），航空航天，机械和机电工程学院J07，悉尼大学;3.北京化工大学软件物理科学与工程北京先进创新中心，北京100029）摘要：虽然石墨烯由于其高纵横比和优异的导热性可以显着地改善聚合物的导热性，但是其导致电绝缘的严重降低，并且因此限制了其聚合物复合材料在电子和系统的热管理中的广泛应用。为了解决这个问题，电绝缘Al 2O 3用于装饰高质量（无缺陷）石墨烯纳米片（GNP ）。借助超临界二氧化碳（scCO 2），通过Al(NO 3)3 前体的快速成核和水解，然后在600℃下煅烧，在惰性GNP 表面上形成许多Al 2O 3纳米颗粒。或者，通过用缓冲溶液控制Al 2(SO 4)3 前体的成核和水解，Al 2(SO 4)3 缓慢成核并在GNP 上水解以形成氢氧化铝，然后将其转化为Al 2O 3纳米层，而不通过煅烧进行相分离。与在scCO2的帮助下的Al 2O 3@GNP 混合物相比，在缓冲溶液的帮助下制备的混合物高度有效地赋予具有优良导热性的环氧树脂，同时保持其电绝缘。具有12％质量百分比的Al 2O 3@GNP 混合物的环氧复合材料表现出1.49W /（m ·K ）的高热导率，其比纯环氧树脂高677％，表明其作为导热和电绝缘填料用于基于聚合物的功能复合材料。关键词：聚合物复合基材料（PMCs ）功能复合材料电气特性热性能 Decoration of defect-free graphene nanoplatelets with alumina for thermally conductive and electrically insulating epoxy composites Renhui Sun 1，Hua Yao 1， Hao-Bin Zhang 1，Yue Li 1，Yiu-Wing Mai 2，Zhong-Zhen Yu 3 (1.State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2.Centre for Advanced Materials Technology (CAMT), School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering J07, The University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australia; 3.Beijing Advanced Innovation Center for Soft Matter Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China) Abstract:Although graphene can significantly improve the thermal conductivity of polymers due to its high aspect ratio and excellent thermal conductance, it causes serious reduction in electrical insulation and thus limits the wide applications of its polymer composites in the thermal management of electronics and systems. To solve this problem, electrically insulating Al 2O 3is used to decorate high quality (defect-free) graphene nanoplatelets (GNPs). Aided by supercritical carbon dioxide (scCO 2), numerous Al 2O 3 nanoparticles are formed

复合材料结构与力学设计复结习题(本科生)

《复合材料结构设计》习题 §1 绪论 1.1 什么是复合材料？ 1.2 复合材料如何分类？ 1.3 复合材料中主要的增强材料有哪些？ 1.4 复合材料中主要的基体材料有哪些？ 1.5 纤维复合材料力学性能的特点哪些？ 1.6 复合材料结构设计有何特点？ 1.7 根据复合材料力学性能的特点在复合材料结构设计时应特别注意到哪些问题? §2 纤维、树脂的基本力学性能 2.1 玻璃纤维的主要种类及其它们的主要成分的特点是什么？ 2.2 玻璃纤维的主要制品有哪些？玻璃纤维纱和织物规格的表示单位是什么？2.3 有一玻璃纤维纱的规格为2400tex，求该纱的横截面积（取玻璃纤维的密度为2.54g/cm3）？ 2.4 有一玻璃纤维短切毡其规格为450 g/m2，求该毡的厚度（取玻璃纤维的密度为2.54g/cm3）？ 2.5 无碱玻璃纤维（E-glass）的拉伸弹性模量、拉伸强度及断裂伸长率的大致值是多少？ 2.6 碳纤维T-300的拉伸弹性模量、拉伸强度及断裂伸长率的大致值是多少？密度为多少？ 2.7 芳纶纤维（kevlar纤维）的拉伸弹性模量、拉伸强度及断裂伸长率的大致值是多少？密度为多少？ 2.8 常用热固性树脂有哪几种？它们的拉伸弹性模量、拉伸强度的大致值是多少？密度为多少？热变形温度值大致值多少？ 2.9 简述单向纤维复合材料抗拉弹性模量、抗拉强度的估算方法。 2.10 试比较玻璃纤维、碳纤维单向复合材料顺纤维方向拉压弹性模量和强度值，指出其特点。 2.11 简述温度、湿度、大气、腐蚀质对复合材料性能的影响。 2.12 如何确定复合材料的线膨胀系数？ 2.13已知玻璃纤维密度为ρf=2.54g/cm3，树脂密度为ρR=1.20g/cm3，采用规格为450 g/m2的玻璃纤维短切毡制作内衬时，其树脂含量为70％，这样制作一层其GFRP的厚度为多少? 2.14 采用2400Tex的玻璃纤维（ρf=2.54g/cm3）制造管道，其树脂含量为35％（ρR=1.20g/cm3），缠绕密度为3股/10 mm，试求缠绕层单层厚度? 2.15 试估算上题中单层板顺纤维方向和垂直纤维方向的抗拉弹性模量和抗拉强度。 2.16已知碳纤维密度为ρf=1.80g/cm3，树脂密度为ρR=1.25g/cm3，采用规格为300 g/m2的碳纤维布制作复合材料时，其树脂含量为32％，这样制作一层其CFRP的厚度为多少?其纤维体积含量为多少？ 2.17 某拉挤构件的腹板，厚度为5mm，采用±45°的玻璃纤维多轴向织物（面密

树脂基复合材料的力学性能

树脂基复合材料的力学性能力学性能是材料最重要的性能。树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点，用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能，而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料，在制造和使用过程中，也必须考虑其力学性能，以保证产品的质量和使用寿命。 1、树脂基复合材料的刚度树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明，对于宏观均匀的树脂基复合材料，弹性特性复合是一种混合效应，表现为各种形式的混合律，它是组分材料刚性在某种意义上的平均，界面缺陷对它作用不是明显。由于制造工艺、随机因素的影响，在实际复合材料中不可避免地存在各种不均匀性和不连续性，残余应力、空隙、裂纹、界面结合不完善等都会影响到材料的弹性性能。此外，纤维（粒子）的外形、规整性、分布均匀性也会影响材料的弹性性能。但总体而言，树脂基复合材料的刚度是相材料稳定的宏观反映。对于树脂基复合材料的层合结构，基于单层的不同材质和性能及铺层的方向可出现耦合变形，使得刚度分析变得复杂。另一方面，也可以通过对单层的弹性常数（包括弹性模量和泊松比）进行设计，进而选择铺层方向、层数及顺序对层合结构的刚度进行设计，以适应不同场合的应用要求。 2、树脂基复合材料的强度材料的强度首先和破坏联系在一起。树脂基复合材料的破坏是一个动态的过程，且破坏模式复杂。各组分性能对破坏的作用机理、各种缺陷对强度的影响，均有街于具体深入研究。树脂基复合材强度的复合是一种协同效应，从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。对于最简单的情形，即单向树脂基复合材料的强度和破坏的细观力学研究，还不够成熟。单向树脂基复合材料的轴向拉、压强度不等，轴向压缩问题比拉伸问题复杂。其破坏机理也与拉伸不同，它伴随有纤维在基体中的局部屈曲。实验得知：单向树脂基复合材料在轴向压缩下，碳纤维是剪切破坏的；凯芙拉（Kevlar）纤维的破坏模式是扭结；玻璃纤维一般是弯曲破坏。单向树脂基复合材料的横向拉伸强度和压缩强度也不同。实验表

复合材料力学沈观林编着清华大学出版社

《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）、层禾口复合材料。（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O （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

复合材料力学

目录复合材料细观力学 (1) 简支层合板的自由振动 (9) 不同条件下对称层合板的弯曲分析 (14)

复合材料细观力学 ——混凝土细观力学一、研究背景复合材料细观力学复合材料细观力学是20世纪力学领域重要的科学研究成果之一，是连续介质力学和材料科学相互衍生形成的新兴学科。近20年来，我国科技工作者应用材料细观力学的理论和方法，成功研究了许多复合材料的增强，断裂和破坏问题，给出了一些特色和有价值的研究成果。混凝土细观力学混凝土作为一种重要的建筑材料已有百余年的历史，它广泛应用于房屋、桥梁、道路、矿井、及军工等诸多方面。在水工建筑方面，混凝土也被大量使用，特别是大体积混凝土，它是重力坝和拱坝的主要组成部分，对混凝土各项力学性能的准确把握及应用，在一定程度上决定了水工建筑物的质量和安全性能。二、研究目的长期以来，在混凝土应用的各个领域里，人们对混凝土的力学特性进行了大量的研究。如何充分的利用混凝土的力学性能，建造出更经济、更安全和更合理的建筑物或工程结构，一直都是结构工程设计领域研究的重要课题。三、研究现状混凝土是由粗骨料和水泥砂浆组成的非均质材料，它的力学性能

受到材料的品质、组分、施工工艺和使用条件等因素的影响。过去，人们对混凝土力学性能的研究很大程度上是依靠实验来确定的。随着实验技术的发展，混凝土各种力学性能被揭示出来。但由于实验需要花费大量的人力、物力和财力，而且所得到的实验成果往往由于实验条件的限制也是很有限的。现代科学的一个重要的思维方式与研究方法就是层次方法，在对客观世界的研究中，当停留在某一层次，许多问题无法解决时，深入到下一个层次，问题就会迎刃而解。对混凝土断裂问题的研究归纳为如下四个研究层次： 1)宏观层次：混凝土这种非均质材料存在着一个特征体积，经验的特征体积相应于3～4倍的最大骨料体积。当混凝土体积大于这种特征体积时，材料被假定为均质的，当小于这种特征体积时，材料的非均质性将会十分明显。有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应，这个特征体积的平均应力和平均应变称之谓宏观应力和宏观应变。 2)细观层次：在这个层次中，混凝土被认为是一种由骨料、砂浆和它们之间的粘结带组成的三相非均质复合材料，细观内部裂隙的发展将直接影响混凝土的宏观力学性。细观层次的模型一般是毫米或厘米量级。 3)微观层次：在这个层次上，认为砂浆的非均质性是由浆体中的孔隙所产生的。由于砂浆中孔隙很小而且量多，随机分布，水泥砂

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

界面力学报告

摘要：通过对复合材料界面力学问题基础知识以及基本概念的认识和理解；总结聚合物/金属基复合材料界面的处理方法，并分析处理前后界面力学性能和导热性能的变化，并在此基础上分析是哪些原因导致这些复合材料界面力学性能和导热性能的改变，同时还对界面性能测定所要用到的实验设备以及测试手段进行了总结。关键词：复合材料界面力学性能导热性能一．基本概念的介绍： 1. 界面及界面相界面是将不同的材料紧密的粘合起来所产生，并借此传递应力。把两种材料结合在一起的界面力可以是范德华力、化学键、机械互锁、静电吸引或以上力的协同作用。界面相具有一定的厚度，一般认为在几个分子层的厚度范围内。界面相虽然很薄，但是其结构是很复杂的。界面相从结构来分，这一界面相由５个亚层组成（如图１所示），每一亚层的性能均与基体和增强体的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成型方法等密切相关界面结构主要指界相区的结构，也包含邻近界相区的基体和增强体的结构。而且，随环境条件的改变，复合体系中的界面区结构可以发生变化。如温度的改变，可以改变两组分间的相互作用，从而导致界面层厚度、化学结构和界面效应（如应力传递）等的改变。通常复合材料界面除了在性能和结构上不同于相邻两组分外，还具有以下特点：（１）具有一定厚度；（２）性能在厚度方向上有一定的梯度变化；（３）随环境条件变化而改变。图1增强体与基体界面区示意图 2. 界面粘合理论主要有化学键理论、浸润理论、变形层理论和抑制层理论。 2.1 化学键理论认为两种材料在接触时，如二者表面的官能团能发生化学反应，就会生成化学键结合而形成具有一定结合强度的界面，从而有效防止裂纹扩展，抵抗应力破坏。2.2 浸润理论认为，两种材料可以依靠机械互锁粘合在一起，即一种材料在固化中浸入到另一材料的空隙和凹凸处形成机械锚定，从而形成有效界面结合。但是，如果两种材料的热膨胀系数相差较大，当二者粘合连接后，会在界面上产生使其发生破坏的附加应力，在外载荷作用下还会在界面上出现应力集中现象，从而导致界面成为复合材料的薄弱环节。 2.3 变形层理论认为，通过使用处理剂在两种材料的界面上形成一层热膨胀系数与二者都能较好匹配的塑性层，就能够松弛界面上的附加应力，减少界面应力集中现象。 2.4 抑制层理论则认为，处理剂应是介于高模量和低模量材料之间的中模量物质，它作为界面相的一部分，能够均匀传递应力并减小应力集中现象。

复合材料力学整理

基本概念： 1、单层复合材料的宏观均匀性、宏观正交各向异性的意义；简述复合材料的工艺特点、生产流程。宏观均匀性：材料内任意一点处的宏观物理特性都完全相同宏观正交各向异性：材料具有两个正交弹性对称面，且材料中同一点处沿不同方向的力学性能不同工艺特点： a.材料制造和构件成型同时完成，一般情况下，复合材料的生产过程也就是构件的成型过程，材料的性能必须根据构件的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足构件的物化性能、结构形状和外观质量要求等； b.成型工艺灵活简单，可用模具一次成型法来制造各种构件。常用的成型方法主要有：手糊成型、喷射成型、缠绕成型、层压成型、拉挤、RTM等方法。生产流程：复合材料的生产流程主要有四个步骤：润湿/浸渍、铺层、叠层、固化 a、润湿/浸渍：纤维和树脂混合形成薄层； b、铺层：按设计角度和位置铺设纤维布或预浸料； c、叠层：使每层预浸料或薄层之间紧密结合，排出气泡 d、固化：可在真空或压力辅助下进行，固化时间越短，工艺的生产效率越高。 2、复合材料的基本概念，种类，优缺点；基本概念：是由两种或者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，一般复合材料的性能优于组分材料，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。种类：根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料分为： a、颗粒复合材料，由颗粒增强材料和基体组成； b、纤维增强复合材料，由纤维和基体组成； c、层合复合材料，由多种片状材料层合而成优缺点：p16、p17 3、简述复合材料飞机雷达罩的性能要求以及基本组成结构和制造方法。 a、性能要求：透波、维持飞机整体空气动力学外形、减小阻力、保护雷达天线； b、组成结构：胶结泡沫板、充气式结构、螺接翼缘的实体薄板、金属空间骨架、薄蒙皮、

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—