先进复合材料论文
石墨烯增强镁基复合材料复合材料论文

摘要碳纳米管、石墨烯具有优异的力学性能(高强度和高模量),是镁基复合材料理想的增强体。
如何改善碳纳米管、石墨烯在镁基体中的分散性和提高界面结合强度,是制备高性能纳米碳/镁基复合材料的关键。
采用粉末冶金和热挤压工艺制备了石墨烯(GNS)增强的AZ91镁基复合材料,测试了复合材料的力学性能,并用扫描电镜和能谱仪对复合材料断口形貌进行了观察和分析。
采用粉末冶金+热挤压工艺+T4固溶处理分别制备了CNTs,MgO@CNTs(包覆MgO碳纳米管)、GNPs (石墨烯纳米片)和RGO(还原石墨烯)增强的AZ91镁基复合材料,研究了碳纳米管表面包覆MGO工艺,纳米碳材料(CNTs,Mg O@CNTs,GNPs和GO)含量对AZ91合金的组织和力学性能的影响。
结果表明氧化石墨烯增强AZ91镁基复合材料的屈服强度、伸长率和显微硬度分别为225MPa,8%和70HV,比AZ91镁合金基体的分别提高了39.7%,35.4%和31.8%;而以石墨烯纳米片为增强相时复合材料的屈服强度、伸长率和显微硬度分别为192MPa,7%和60HV,比基体的仅提高了18.7%,9.9%和13.5%;通过以上两组实验对比,氧化石墨烯增强镁基复合材料无论在屈服强度抗拉强度,伸长率以及硬度上都是最好的。
关键词:碳纳米管、石墨烯纳米片、氧化石墨烯、AZ91镁合金绪论石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料,所以又叫做单原子层石墨。
因为具有十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性,在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展,作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
镁呈银白色,熔点649℃,质轻,密度为1.74g/cm3,约为铜的1/4、铝的2/3;其化学活性强,与氧的亲合力大,常用做还原剂。
先进复合材料在航空航天领域的应用研究

先进复合材料在航空航天领域的应用研究先进复合材料在航空航天领域的应用研究摘要:复合材料由于其优异的力学性能和轻质化特性,广泛应用于航空航天领域。
本文主要对先进复合材料在航空航天领域的应用进行综述,包括复合材料的种类及其特点、复合材料在飞机结构、发动机、燃料储存和导航系统中的应用,以及将来的发展趋势。
第一部分:引言航空航天工业对材料的需求一直都很高,要求材料具有轻量化、高强度、抗腐蚀等特性。
传统的金属材料在满足这些要求时存在一定的局限性。
而现代复合材料却能够满足这些需求,因此得到了广泛应用。
本文将对先进复合材料在航空航天领域的应用进行深入研究,以及对未来的发展趋势进行展望。
第二部分:复合材料及其特点先进复合材料由两种或多种不同的材料通过物理或化学方法组合而成,具有独特的力学性能和轻质化的特点。
常见的复合材料有纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Composites,简称FRC)和层板复合材料(Laminated Composites)等。
纤维增强复合材料由纤维和基体组成,以碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料最为常见。
层板复合材料由不同方向堆叠的多层材料组成,可以根据不同需求设计。
复合材料的特点包括高比强度、高比刚度、低热膨胀系数、良好的阻尼性能和耐腐蚀性等。
第三部分:复合材料在飞机结构中的应用先进复合材料在飞机结构中的应用主要包括机身、机翼和尾翼等部件。
由于复合材料的轻质化优势,可以减少飞机的整体重量,提高燃油效率。
同时,复合材料具有高强度和刚度,可以提高飞机的结构强度和抗风险能力。
此外,复合材料还具有良好的抗腐蚀性能,可以减少维护成本。
因此,将复合材料应用于飞机结构中能够满足飞机工业对材料的多重要求。
第四部分:复合材料在发动机中的应用先进复合材料也被广泛应用于航空发动机。
由于发动机工作环境恶劣,需要具有良好的温度和腐蚀抗性。
复合材料的优异特性使得其适用于制造高温部件,如涡轮叶片和燃烧室。
复合材料论文2篇

复合材料论文2篇复合材料是一种由两种或两种以上不同材料按一定方式组合而成的新材料。
它具有优异的性能和广泛的应用领域,如航空航天、汽车制造、建筑材料等。
本文将介绍两篇与复合材料相关的论文,并从不同角度对其进行分析和评价。
第一篇论文的题目是《复合材料的制备方法及性能研究》。
这篇论文主要探讨了复合材料的制备方法以及复合材料的性能研究。
在制备方法研究方面,研究者采用了多种方法,如层叠法、注塑法和压力法等。
通过对比不同方法的制备工艺和性能表现,研究者发现,不同制备方法对复合材料的性能影响较大,而且不同材料组合也会对复合材料的性能产生重要影响。
在性能研究方面,研究者主要关注了复合材料的力学性能、热学性能、电学性能和化学性能等方面。
力学性能的研究表明,复合材料具有高强度、高模量和低密度的特点,适用于高强度和轻量化的领域。
热学性能的研究发现,复合材料具有良好的导热性能和热膨胀系数,适用于高温和隔热材料。
电学性能的研究显示,复合材料具有优异的导电性能和绝缘性能,适用于电子器件领域。
化学性能的研究表明,复合材料具有优异的耐腐蚀性能和耐化学试剂性能,可以应用于化学工业和制药工业等领域。
综上所述,《复合材料的制备方法及性能研究》这篇论文通过对复合材料的制备方法和性能研究进行全面深入的探讨,拓宽了复合材料研究的视野,为复合材料的应用和发展提供了重要的理论依据和技术支持。
第二篇论文的题目是《复合材料在航空航天领域的应用研究》。
这篇论文着重研究了复合材料在航空航天领域的应用。
航空航天领域对材料的要求非常高,需要具备较高的强度、刚度和耐热性。
传统的金属材料在这些方面存在一定的局限性,而复合材料正是满足这些要求的理想选择。
研究者在论文中详细阐述了复合材料在航空航天领域的两个关键应用:飞机结构和航天器热控制。
在飞机结构方面,研究者通过对比传统金属结构和复合材料结构的性能,发现复合材料具有更高的强度和刚度,并且重量更轻,能够显著降低飞机燃油消耗。
先进复合材料在飞行器结构中的应用研究

先进复合材料在飞行器结构中的应用研究在现代航空航天领域,飞行器的性能和可靠性一直是人们追求的目标。
为了实现这一目标,先进复合材料因其出色的性能,在飞行器结构中得到了广泛的应用。
先进复合材料具有高强度、高刚度、低密度等优异特性,能够显著减轻飞行器的结构重量,提高燃油效率,增强飞行性能。
一、先进复合材料的特性先进复合材料通常由纤维增强材料和基体材料组成。
常见的纤维增强材料包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等,而基体材料则有环氧树脂、聚酯树脂等。
这些材料的组合赋予了复合材料独特的性能。
首先,其具有高强度和高刚度。
碳纤维增强复合材料的强度可以达到甚至超过某些金属材料,而刚度也能满足飞行器在复杂受力情况下的要求。
这使得飞行器的结构能够承受更大的载荷,同时保持较小的变形。
其次,先进复合材料的密度较低。
相比传统的金属材料,如铝合金和钛合金,复合材料能够大幅减轻结构重量。
对于飞行器来说,重量的减轻意味着燃油消耗的降低、航程的增加以及运载能力的提高。
此外,复合材料还具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能。
在飞行器长期的使用过程中,能够减少因疲劳和腐蚀导致的结构损伤,延长飞行器的使用寿命。
二、在飞行器结构中的应用部位先进复合材料在飞行器结构中的应用范围广泛,涵盖了机身、机翼、尾翼等多个部位。
在机身结构中,复合材料可用于制造机身蒙皮、隔框和纵梁等部件。
例如,波音 787 客机的机身大量采用了碳纤维增强复合材料,不仅减轻了机身重量,还提高了飞机的经济性和环保性能。
机翼是飞行器产生升力的关键部件,对材料的性能要求较高。
复合材料在机翼结构中的应用包括机翼蒙皮、翼梁和翼肋等。
通过使用复合材料,可以优化机翼的气动外形,提高升力效率,同时减轻机翼的重量,增强飞机的操控性能。
尾翼部分,如水平尾翼和垂直尾翼,也逐渐采用复合材料制造。
这有助于提高尾翼的结构强度和稳定性,改善飞行器的飞行姿态控制。
三、制造工艺先进复合材料在飞行器结构中的应用离不开先进的制造工艺。
碳纤维复合材料论文复合材料论文

碳纤维复合材料论文复合材料论文:我国碳纤维增强复合材料的市场状况【摘要】碳纤维复合材料(CFRP)作为一种先进的复合材料,具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点,在航空航天、汽车等领域已有广泛的应用。
文章通过对碳纤维在行业中的广泛应用及现状分析,对国内碳纤维复合材料市场的问题与前景进行了探讨。
【关键词】碳纤维复合材料;体育休闲用品;结构加固工程一、我国CFRP体育休闲用品的发展情况我国在八十年代初开始研制CFRP体育运动器材。
1983哈尔滨玻璃钢研究所研制的CFRP羽毛球拍,1987年研制成功碳纤维/玻璃纤维混杂增强环氧树脂的蜂窝夹层结构四人皮艇。
八十年代中期,由于中国的改革开放政策和劳动力低廉等原因,台湾逐步把劳动力密集,污染严重的CFRP体育器材制造业转往大陆沿海地区。
例如,台湾80%的高尔夫球杆、40.50%的网球拍、羽毛球拍,60%以上的自行车架制造业转移到深圳、东莞、福州和厦门等地;一些发达国家也把该种体育器材制造业转来中国。
例如,韩国把其大部分CFRP钓鱼杆制造业转来中国天津、威海和宁波等地。
据统计,2002年国产CFRP钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍、自行车等已分别占到世界同类产品产量的60%、60%、75%、65%。
这些CFRP体育休闲用品所消耗的CF量,约占当年世界CF消耗总量的16%。
然而,由于国际CFRP体育休闲用品已处于饱和状态,今后这方面产品将基本上处于稳定状态,年增长速度大体在1%左右。
二、结构加固工程已成为CFRP产业新的增长点中国从1997年开始从国外引入CFRP加固混凝土结构技术,并开始进行相关研究,由于其巨大的技术优势,在短短的时间内很快形成研究和工程应用的热点。
目前国内已有国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、清华大学、东南大学、天津大学、北京航空航天大学、北京化工大学、中国建筑科学研究院等数十个高校和科研院所先后开展了CF加固建筑结构的研究,已完成多项研究课颗,发表研究论文100多篇。
碳纤维复合材料论文

碳纤维复合材料论文导言碳纤维复合材料(CFRP)是一种由碳纤维和树脂基体组成的高性能材料。
随着科技的进步,CFRP在航空航天、汽车工业、体育用品等领域中得到了广泛的应用。
本论文将就CFRP的制备方法、性能特点以及应用前景进行详细探讨。
1. CFRP的制备方法CFRP的制备方法通常包括纺丝、预浸料、固化和成型四个步骤。
1.1 碳纤维纺丝碳纤维是由多个碳纤维丝束组成的。
纺丝过程中,先将碳纤维丝束在高温下拉伸,然后进行表面处理,以增加纤维与树脂的粘合性能。
1.2 预浸料制备预浸料是将纺丝得到的碳纤维与树脂基体进行浸渍得到的材料。
树脂基体一般采用环氧树脂。
预浸料制备过程中需要控制纤维的含量、纤维间的排列方式以及树脂的渗透性。
1.3 固化固化是指通过加热或加压将树脂基体中的单体或低分子量聚合物转变为高分子量聚合物的过程。
固化可以提高CFRP的强度和刚度。
1.4 成型成型是将固化后的预浸料经过特定形状的模具加热或加压成型,得到最终的CFRP产品。
2. CFRP的性能特点CFRP具有许多优良的性能特点,使其成为许多领域的首选材料。
2.1 高强度和高刚度相比于传统的金属材料,CFRP具有更高的强度和刚度。
其拉伸强度可以达到2000 MPa,弹性模量可以达到150 GPa以上。
2.2 轻质CFRP的密度大约为1.6 g/cm³,相比于钢材(7.8 g/cm³)和铝材(2.7g/cm³),CFRP具有更轻的重量优势。
2.3 抗腐蚀性由于CFRP的主要组成部分是碳纤维和树脂基体,它具有优良的抗腐蚀性能,不易受潮湿环境、化学物质和气候变化的影响。
2.4 热稳定性CFRP具有较高的热稳定性,可以在高温环境下长期使用而不发生形变或脆化。
2.5 高耐疲劳性由于CFRP的高强度和高刚度,它具有出色的耐疲劳性能,适用于长期受到重复加载的应用场景。
3. CFRP的应用前景随着CFRP技术的不断发展,其在各个领域的应用前景十分广阔。
复合材料发展应用研究论文

复合材料发展应用研究论文随着经济和科技的快速发展,复合材料作为一种极具前景、高性能的新型材料,已广泛应用于航空、航天、汽车、轨道交通、医疗、电子、军工等领域,无论在军事、民用领域都有巨大的应用潜力。
因此,复合材料的研究和应用一直是人们关注和追求的方向之一。
复合材料是由两种或两种以上不同材料按照一定比例或方式组合而成的新材料。
如玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料、陶瓷基复合材料等。
与单一材料相比,复合材料具有许多优异性能,如高强度、高模量、高耐腐蚀性、高温性、低密度等,而且还能具有特殊的电、磁、光、导、声等性能,因此使用领域非常广泛。
复合材料的发展史与人类文明的演进过程密不可分。
最早可以追溯到人类文明起源时期,人类就采用了一些简单的复合材料来增强自己的工具、武器等。
到了现代,深海和空间探索、医学和生物学的发展提出了更高的要求,使得复合材料发展的速度大大加快。
以航空航天领域为例,在20世纪末21世纪初的一段时间里,以碳纤维为代表的大型复合材料结构件已广泛应用于各种高性能飞机和航天器中。
值得一提的是,近年来,通过结合计算机辅助设计及先进复合加工技术(包括纤维张力成形技术、复合材料智能成型、树脂传递成型等),国内外相关研究机构和工程技术人员已逐步发展出一批高效、高能、低成本的复合材料工艺技术,使复合材料的制造成本大幅降低,生产技术更加成熟。
同时,为改善复合材料的适用性,层压、层间固化等加工工艺得到了大量研究和优化。
同时,一些优化材料在耐腐蚀性催化剂、新型电池电解质、传感器智能材料和光学成像材料等领域也得到了广泛应用。
然而,尽管复合材料具有如此优越性能,但是在实际应用中,还需要解决一些问题和挑战。
其中,复合材料的制造和应用技术需要得到进一步提高和优化。
特别是针对复合材料量产这个计划还面临着高可靠性、高质量、高成本、高效率和重要度的严峻考验。
同时,生产许可证、技术信誉度和解决版权等法律逐渐成为复合材料制造的重要挑战。
复合材料毕业论文

复合材料毕业论文复合材料毕业论文随着科技的不断进步和工业的快速发展,复合材料作为一种新型材料,逐渐引起了人们的关注和重视。
复合材料由两种或两种以上的材料组成,通过复合工艺制成,具有优异的性能和广泛的应用领域。
本篇文章将从复合材料的定义、分类、制备方法以及应用前景等方面进行探讨。
首先,复合材料是由两种或两种以上的材料组成的材料。
这些材料可以是金属、陶瓷、塑料等,通过复合工艺将它们结合在一起,形成新的材料。
复合材料的组成可以是纤维增强材料和基体材料的组合,也可以是不同种类的纤维增强材料的组合。
复合材料的制备过程需要经过层压、注塑、浸渍等工艺,以保证材料的均匀性和稳定性。
其次,复合材料可以根据其组成和结构进行分类。
最常见的分类方式是根据增强材料的类型进行划分,包括纤维增强复合材料和片层增强复合材料。
纤维增强复合材料是指将纤维材料(如玻璃纤维、碳纤维等)与基体材料(如树脂、金属等)结合在一起制成的材料。
片层增强复合材料则是指将两种或两种以上的材料通过层压工艺结合在一起,形成多层结构的材料。
然后,复合材料的制备方法有多种。
其中,最常用的方法是层压法和注塑法。
层压法是将预先制备好的纤维增强材料和基体材料按照一定的比例叠加在一起,然后通过热压或冷压的方式加固,使其形成坚固的复合材料。
注塑法则是将纤维增强材料和基体材料混合后,通过注塑机将混合物注入模具中,经过加热和冷却后形成所需的复合材料。
最后,复合材料在各个领域都有广泛的应用前景。
在航空航天领域,复合材料可以用于制造飞机的机身、翼面等部件,具有重量轻、强度高的特点,可以提高飞机的性能和燃油效率。
在汽车工业中,复合材料可以用于制造车身和零部件,可以减轻汽车的重量,提高车辆的燃油经济性和安全性。
此外,复合材料还可以应用于建筑、电子、医疗等领域,为各行各业带来更多的发展机遇。
综上所述,复合材料作为一种新型材料,具有广泛的应用前景和发展空间。
通过深入研究和不断创新,我们可以进一步发掘复合材料的潜力,为各个领域的发展做出更大的贡献。
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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、细观特征之间联系的基础上,建立了联系复合材料宏观、细观特征的1种数值型细观力学模型。
该模型不仅能够预测复合材料的宏观有效性能以及细观应力、应变场,还能够很容易地融人常规有限元方法中,实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。
复合材料的细观力学研究采用固体动力学和材料科学相结合,从细观和微观层次,承认材料内部细观结构的不均匀性,利用连续介质力学方法研究材料的宏观力学性能与细观结构的关系。
而要深入的认识复合材料的细观结构,就必须在广泛的尺寸范围内分析所要探测和测量的物理量并进行建模和有限元分析,因而微米和亚微米尺度测量及模拟分析对于分析细观结构的变化以及对性能的影响就显得尤为重要。
一方面,由于复合材料的力学本质常常是非线性的,因此研究复合材料力学性能的细观力学方法所研究的问题一般来说也是非线性的、时间相关的和三维的。
这些问题的数学解对计算力学而言,进行精确的分析和模拟是非常困难的。
因此,就必须以宏观和细观的测试实验为基础,建立切合实际的计算模型,用数值解法和有限元法对其进行复杂的和大量的计算和分析。
另一方面,尽管随着非线性结构力学和固体力学中计算方法的进步,人们在复合材料的计算力学研究方面取得了不少进展。
但复合材料计算力学分析的发展尚未达到解决材料性能研究和工程应用中所遇到的众多问题。
因此,以细观力学实验为基础结合细观力学模型和有限元分析的现代材料研究技术对今后材料的设计和应用具有重要意义。
2 细观力学实验技术D R Axelrad等通过大量的理论推导和实验事实证明了固体材料某一特定细观区域的某些场量及其分布函数是可以用试验方法确定的。
就多晶材料而言,其主要的运动学量为微观的变形和微观的转动。
对二维纤维结构的体系来说,则包括微观变形和纤维取向的角度分布。
基于上述细观力学实验技术的理论基础,目前用于组织结构分析的手段,如光学显微镜、扫描电子显微镜、x射线衍射、光谱分析及声发射等不能直接用来研究材料中各组元的变形,难以建立材料宏观行为与微观组织间的联系。
而“应力全息图像干涉仪”新技术,即将全息成像与X射线衍射相结合,可测定基体中某一组元的微小变形和微小转动。
应力全息图像干涉技术利用了全息图像的重构期使得物体变形前后的反射光波相互干涉而成像的原理,将未变形的物像与发生了变形的物像共同曝光于全息胶片上,该方法可直接用于测量样品的微变形。
这一技术与扫描电镜、透射电镜等技术结合是研究材料细观行为的重要实验手段。
3 细观力学模型细观力学模型的主要研究方法是在材料中选取一个有代表性的体积单元。
它要满足尺度的两重性,一方面,从宏观上其尺寸足够小,可以看作一个材料质点,因而其宏观应力场可视为均匀应力场;另一方面,从细观角度讲其尺寸足够大,包含足够多的细观结构信息,可以体现材料的统计平均性质。
历经数十年的发展,用于材料分析研究的细观力学模型获得了巨大发展。
细观力学分析中剪切滞后模型由Cox H L于1952年首次引入,其重点考虑材料结构的主要特点,不具体求解复合材料的应力场和应变场,通过造一个数学模型来计算复合材料结构对载荷的响应。
该模型仅研究了弹性基体中的单根纤维断裂后的应力分布,没有考虑其它临近纤维的应力分布,因而不能分析应力集中问题。
在此基础上,Hedgepeth J M等人研究了单向纤维增强复合材料的多根纤维断裂后的应力分布问题,并预测了无限根纤维增强复合材料的内部多根纤维断裂后的应力集中值。
该模型可以较好地描述基体的拉伸模量较低以及纤维体积分数较大的单向复合材料中纤维断点周围的应力集中现象。
不足之处是不适宜研究较多数目的纤维发生相继断裂以及裂纹临近的基体或界面也发生破坏的情况。
此后,科研工作者们采用近似分析的方法研究了含有垂直于纤维轴向的狭长割13的单向复合材料在轴向拉伸载荷作用下的应力分布问题,并研究了二维单向复合材料中纤维断裂、基体横向裂纹以及纤维/基体界面破坏等因素对于断口邻近的纤维和基体的应力集中的影响,但对于具体的纤维/基体界面破坏问题,仅能求解单根纤维断裂后的应力分布。
在前人研究的基础上,曾庆敦等通过大量的实验和分析后,提出了改善的剪切滞后模型,较好地解决了上述问题。
近年来,随着实验技术和相关力学学科的发展,人们对细观力学模型的各种实验条件和参量进行了更加合理的假定,综合考虑了基体轴向刚度、界面滑移和纤维非等距排列等因素对应力集中的影响,改进了剪切滞后模型并把剪切滞后模型推广到三维问题。
最近,宋迎东和刘波等在《纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型》一文中研究了复合材料宏、细观特征之间的联系,将宏观复合材料体中的一点赋予了细观结构特征。
基于细观结构周期性假设,建立了一种细观力学模型。
模型中用高阶多项式函数模拟基体和增强相中细观位移场,通过对细观单元力学方程的分析与求解,建立了复合材料宏、细观力学变量之间的联系。
该细观力学模型不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析,而且容易融入常规有限元法中,实现对复合材料结构的宏、细观一体化分析。
以该细观力学模型为基础的计算结果与试验结果及理论计算值具有较好的一致性。
4 细观力学的有限元分析由于计算机的出现与广泛应用所导致的工业革命是显而易见的事实。
针对复合材料及其结构,计算机技术的广泛应用也极大地提高了材料设计及结构性能评价的水准。
尤其是由于基于计算机基础上的有限元方法可以用来求解具有任意复杂形状与性能的结构承受任意载荷的问题,使得人们在复合材料不同层次上广泛应用了有限元分析技术。
目前,细观层次上有限元的应用主要为了求解细观应力场及材料的有效弹性性能。
有限元法与细观力学和材料科学相结合产生了有限元计算细观力学,它主要研究复合材料组分材料间力的相互作用和定量描述细观结构与性能之间的关系。
由于复合材料综合了组分材料的长处,对其材料力学行为的有意义的研究必须借助于细观力学进行。
因此,有限元计算细观力学正是在20世纪70年代随着细观力学的起飞而发展起来的。
但是,该领域却是在80年代末随着计算材料科学或称计算机辅助材料设计的兴起而真正得到迅猛发展的。
有限元计算细观力学的最大优点在于它能够获得纤维(或颗粒)直径尺度下的完整应力应变场来反映复合材料宏观应力应变响应特性。
这样,它能够分析复合材料宏观有效性能对细观结构的依赖关系,例如:能够定量描述诸如纤维(或颗粒)的形状、尺寸、分布和体积含量等细观结构参量对宏观力学性能的影响。
这些优点正是计算材料科学在材料细观结构设计时所必需的。
有限元计算细观力学应用于复合材料力学行为数值模拟的本质,是将有限元计算技术与细观力学和材料学相结合,根据复合材料具体的细观结构,建立代表性细观计算体元,确定合适的界面条件和边界条件,求解受载体元中具有夹杂的边值问题。
从而建立起细观局部场量与宏观平均场量之间的关系,最终获得复合材料的宏观力学响应。
代表性体元的材料模型应满足:(1)相对于细观分析的合适尺度;(2)反映细观结构的几何形状、分布和界面条件。
人们可以利用有限元计算细观力学来获得复合材料的细观结构与宏观有效模量之间的定量关系,所获得的主要结论是:(1)连续纤维的分布和形状对纤维轴向刚度没有影响,而对横截面上的杨氏模量有影响,所有的有效剪切模量和泊松比都依赖于纤维的形状和分布形式;(2)颗粒的取向、形状和分布对所有的有效模量都有影响;(3)增强相的取向、形状和分布对有效模量的影响随着增强相的增加而增大。
随着计算机科学的迅速发展,计算机辅助设计得到广泛应用。
复合材料由于具有可设计性,并有宽广的设计自由度,因而采用计算机辅助设计势在必行。
复合材料的设计涉及:增强相和基体的组分,界面粘结,细观结构,成型工艺以及性能测定等。
它与化学、物理、力学、材料学等多种学科有着广泛的内在联系,并互相渗透和互相推动。
有限元计算细观力学作为计算机辅助材料设计的基本方法是具有很大的应用和发展前景的。
5 国内外发展现状及趋势纤维增强复合材料的发展和应用,可迫溯到人们早期使用草秆猫土、纸筋石灰材料以及生物材料的竹、木、草、骨头、牙齿、毛皮和贝壳等,这些是天然复合材料,都具有很复杂的徽观构造和复合材料的全部特点,它们的构造和复合机理给人们很多深刻的启示,因而人们就利用草增强泥土制成坯砖。
后又出现了钢筋混凝土和胶合板等初期的复合材料以及轮胎等雏型纺织结构复合材料。
到了20世纪30-40年代.出现了性能良好的新一代的玻瑞纤维增强塑料复合材料:从此复合材料学作为一门学科、作为一个新兴材料工业出现在材料产业中。