MS02复合材料力学与结构分析(负责人付绍云、杨庆生)
复合材料的力学模型与性能预测
复合材料的力学模型与性能预测在当今的工程领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。
从航空航天到汽车制造，从体育用品到医疗设备，复合材料的应用日益广泛。
然而，要充分发挥复合材料的优势，准确理解其力学行为和预测其性能至关重要。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。
这些不同的组分相互作用，赋予了复合材料独特的性能。
常见的复合材料包括纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）和颗粒增强复合材料等。
为了研究复合材料的力学行为，科学家们建立了各种各样的力学模型。
其中，微观力学模型着重从材料的微观结构出发，分析单个纤维或颗粒与基体之间的相互作用。
通过这种模型，可以了解复合材料在微观尺度上的应力和应变分布，进而预测其整体性能。
例如，对于纤维增强复合材料，常用的微观力学模型有混合法则和等效夹杂模型。
混合法则基于材料的体积分数和各组分的性能，简单地对复合材料的性能进行估算。
虽然这种方法相对简单，但在一些情况下可能会产生较大的误差。
等效夹杂模型则将纤维视为等效的夹杂体，通过复杂的数学推导来计算复合材料的等效性能，其预测结果通常更为准确。
宏观力学模型则将复合材料视为均匀的连续体，不考虑其微观结构。
这种模型主要用于分析复合材料在宏观尺度上的力学响应，如梁、板等结构的弯曲、拉伸和压缩等行为。
常见的宏观力学模型包括经典层合板理论和有限元方法。
经典层合板理论将复合材料层合板视为由多层不同方向的单层板组成，通过叠加各单层板的贡献来计算层合板的整体性能。
这一理论在工程中得到了广泛的应用，但它对于复杂的加载情况和边界条件的处理能力有限。
有限元方法则是一种更为强大的工具，它可以模拟各种复杂的几何形状、加载条件和边界约束。
通过将复合材料结构离散为有限个单元，并对每个单元的力学行为进行分析，最终得到整个结构的响应。
有限元方法在复合材料的设计和分析中发挥着重要的作用，但它需要较高的计算资源和专业的软件支持。
复合材料的微观力学性能与性能优化
复合材料的微观力学性能与性能优化在现代材料科学的领域中，复合材料以其独特的性能优势占据了重要的地位。
复合材料并非单一的物质，而是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合而成。
这种独特的组合方式赋予了复合材料优异的性能，但要真正理解和充分发挥其优势，就需要深入研究其微观力学性能以及探索性能优化的方法。
复合材料的微观力学性能是其宏观性能的基础。
从微观角度来看，复合材料内部的不同组分之间存在着复杂的相互作用。
例如，增强相和基体相之间的界面结合强度，直接影响着应力的传递和材料的整体力学性能。
如果界面结合过弱，在受力时容易发生脱粘，导致材料过早失效；而界面结合过强，则可能限制了增强相的作用发挥，降低了材料的韧性。
以纤维增强复合材料为例，纤维作为增强相，具有高强度和高模量的特点。
当外部载荷作用于复合材料时，应力首先通过基体传递到纤维上。
纤维能否有效地承担这些应力，取决于纤维与基体之间的界面结合、纤维的分布和取向等微观因素。
如果纤维分布均匀且取向合理，能够在受力方向上提供有效的增强作用，从而显著提高复合材料的强度和刚度。
在微观尺度下，复合材料还存在着各种微观缺陷，如孔隙、微裂纹等。
这些缺陷虽然尺寸很小，但在受力过程中会成为应力集中的部位，引发材料的破坏。
因此，控制复合材料的微观结构，减少微观缺陷的产生，对于提高其力学性能至关重要。
了解了复合材料的微观力学性能特点后，如何对其性能进行优化就成为了关键问题。
首先，从材料的设计角度出发，可以选择合适的增强相和基体相。
增强相的种类、形状、尺寸和含量都会对复合材料的性能产生显著影响。
例如，使用高强度的碳纤维作为增强相，可以大幅提高复合材料的强度；而采用颗粒状的增强相，则可能更有利于提高材料的耐磨性。
基体相的选择也同样重要。
基体相不仅要能够将载荷有效地传递给增强相，还需要具备一定的韧性和耐腐蚀性。
通过优化基体相的化学成分和微观结构，可以改善复合材料的综合性能。
复合材料力学性能ppt课件
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
.
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
应变硬化
E D A
D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力. -应变曲线（玻璃态）
20
2.2 高分子材料的力学性能
.
21
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
扭转
F
.
17
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
.
电子万能材料试验机
18
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
.
19
MS004多功能复合材料及结构负责人吴林志马力-中国力学学会
秦 庆华 陈 立明
墙 交
报 流
24
MS004-0414-P MS004-0682-P MS004-0798-P MS004-0902-P MS004-0980-P 15:30 16:30 MS004-1294-P MS004-1295-P MS004-2004-P MS004-2145-P MS004-2297-P MS004-3402-P
于学会 于国财 杜 冰
16:30 16:45 17:00 17:15 1S004-3315-O MS004-1827-O MS004-0503-O MS004-0420-O MS109-1759-O
张永存 胡海涛 曾 鑫
大连理工大学 大连理工大学
MS004 多功能复合材料及结构（负责人：吴林志、马力）
8 月 16 日下午 地点：国家会议中心二层 213A 时间 13:30 13:45 14:00 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 15:30 编号 MS004-2999-O MS004-2204-O MS004-1265-O MS004-3152-O MS109-3261-O MS004-3347-O MS004-0744-O MS004-2274-O 报告人 柳占立 郑彬彬 王东炜 李 刘 响 禹 报告题目 Numerical Study of Stress Wave Attenuation in Polymer Matrix Composites 一种具有负膨胀效应的内凹蜂窝结构 金字塔点阵夹芯结构声学特性研究 方形蜂窝面内屈服强度的各向异性问题 适用于大变形、复杂曲面的器件数控 3D 打 印: 设计分析与工艺开发 泡沫填充金属薄壁方管的轴向压溃行为研究 多级复合材料蜂窝结构的力学行为研究 纤维增强热塑性复合材料波纹夹芯曲板的 制备与三点弯曲性能研究 面向相变温控的梯度金属多孔材料导热增 强设计 海洋脐带缆弯曲非线性滞回效应研究 单位 清华大学 中山大学 哈尔滨工业大学 北京航空航天大学 江南大学 西安交通大学 哈尔滨工程大学 重庆大学 马 阎 力 军 主持人
《复合材料》PPT课件(2024)
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
25
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
复合材料的微观结构与性能优化
复合材料的微观结构与性能优化在当今的材料科学领域，复合材料因其卓越的性能而备受关注。
从航空航天到汽车制造，从电子设备到医疗器械，复合材料的应用无处不在。
然而，要充分发挥复合材料的优势，深入理解其微观结构与性能之间的关系，并进行有效的性能优化至关重要。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成的多相材料。
其微观结构通常包括增强相、基体相以及它们之间的界面。
增强相可以是纤维、颗粒或晶须等，它们赋予复合材料高强度、高刚度等性能；基体相则起到粘结和传递载荷的作用，同时也影响着复合材料的韧性、耐腐蚀性等特性；而界面则是增强相与基体相之间的过渡区域，其性质对复合材料的性能有着关键影响。
以纤维增强复合材料为例，纤维的排列方式、长度、直径以及纤维与基体的结合强度等微观结构因素都会显著影响其力学性能。
如果纤维排列整齐且连续，能够有效地承担载荷，复合材料的强度和刚度就会大大提高。
相反，如果纤维分布不均匀或存在缺陷，就会成为应力集中点，降低材料的性能。
复合材料的微观结构对其物理性能也有着重要影响。
比如，在导热复合材料中，增强相和基体相的热导率、它们之间的接触热阻以及微观结构的均匀性都会决定复合材料整体的导热性能。
如果增强相具有高的热导率，并且与基体相之间能够形成良好的热传导通道，那么复合材料的导热性能就会得到显著提升。
了解了复合材料微观结构对性能的影响，接下来我们探讨如何通过优化微观结构来实现性能的优化。
首先，在材料设计阶段，可以选择合适的增强相和基体相材料，并通过调控它们的比例和分布来达到预期的性能目标。
例如，对于需要高强度的应用，可以增加增强相的含量并优化其分布；而对于需要良好韧性的情况，则可以适当降低增强相的含量，增强基体相的韧性。
其次，制造工艺对复合材料的微观结构和性能有着决定性的作用。
不同的制造方法，如手糊成型、注塑成型、热压罐成型等，会导致复合材料微观结构的差异。
以热压罐成型为例，通过精确控制温度、压力和固化时间，可以使树脂充分浸润纤维，减少孔隙等缺陷，从而获得性能优异的复合材料。
复合材料的微观结构及力学性能研究
ZrC/Cr2AlC复合材料的微观结构及力学性能研究摘要:Cr2AlC是MAX相家族中具有代表性的三元层状碳化物, 它兼具金属和陶瓷的特性, 有导电、耐腐蚀、抗氧化等优异性能。
为进一步提高Cr2AlC的综合性能, 本研究以ZrC为增强相, 利用热压烧结技术制备了ZrC/Cr2AlC复合材料, 探讨了增强相含量(10vol%~20vol%)对材料力学性能的影响。
结果表明: 10vol% ZrC/Cr2AlC复合材料的弯曲强度和硬度分别为715 MPa和7 GPa。
相比Cr2AlC 材料的强度(398 MPa)和硬度(3.4 GPa), 复合材料的强度和硬度提高幅度分别为80%和106%。
采用扫描电子显微镜对材料的微观结构进行了分析, 阐明了复合材料具有较高性能的原因。
本研究为拓宽Cr2AlC材料的应用领域奠定了基础。
关键词: ZrC/Cr2AlC; 复合材料; 力学性能; 微观结构纳米层状三元化合物MAX材料(M为过渡金属, A主要为IIIA和IVA族元素, X为碳或氮)属于六方晶结构, 具有金属和陶瓷的特性, 如高电导率和热导率、易加工、耐腐蚀、抗氧化等[1-3]。
MAX材料已被成功应用于高温电极、发热件、受电弓滑板等关键部件。
此外, 这类材料在冶金、航天、核电、化工等领域有广泛的应用前景。
Cr2AlC是MAX材料家族中最具吸引力的代表性材料之一。
它不仅具有上述的优异性能, 而且还展示出优异的抗热震性能、较好的损伤容限以及自愈合等性能[4-8]。
如Cr2AlC粗晶材料表面的硬度压痕对角线无放射性裂纹出现。
这主要是由于颗粒层裂、变形、弯折等多重耗能机制赋予材料具有损伤容限性能[4,6]。
Cr2AlC 材料表现出异常热震行为, 即随着热震温度提高, 材料强度下降; 但是当温度达到1200 ℃后, 强度不再下降反而升高。
其优异的热震性能归因于材料的自愈合能力[6-7]。
Cr2AlC材料可愈合长达毫米级的裂纹, 其愈合机制是高温形成与基体结合良好的Al2O3填充裂纹[8]。
复合材料的微观结构与力学性能分析
复合材料的微观结构与力学性能分析在当今的材料科学领域，复合材料因其卓越的性能而备受关注。
复合材料不是一种单一的材料，而是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法组合在一起，形成的一种具有新性能的材料。
理解复合材料的微观结构和力学性能之间的关系，对于设计和开发高性能的复合材料至关重要。
复合材料的微观结构是其性能的基础。
从微观角度来看，复合材料通常由基体和增强相组成。
基体材料就像是一个“背景”，为增强相提供了支撑和环境；而增强相则像是“英雄”，赋予了复合材料独特的性能。
以纤维增强复合材料为例，纤维作为增强相，具有高强度和高模量的特点。
这些纤维可以是玻璃纤维、碳纤维或者芳纶纤维等。
它们在基体中分布的方式、纤维的长度、直径以及纤维与基体之间的界面结合情况，都对复合材料的微观结构产生重要影响。
如果纤维分布均匀且取向一致，那么在受到外力作用时，力能够沿着纤维的方向有效地传递，从而提高复合材料的强度和刚度。
相反，如果纤维分布不均匀或者取向混乱，那么复合材料的性能就会大打折扣。
此外，纤维与基体之间的界面结合也非常关键。
一个良好的界面结合能够确保应力从基体有效地传递到纤维上，从而充分发挥纤维的增强作用。
如果界面结合不好，就容易在界面处产生脱粘、开裂等问题，导致复合材料的力学性能下降。
复合材料的微观结构还与制备工艺密切相关。
不同的制备方法会导致复合材料微观结构的差异，进而影响其力学性能。
例如，在注塑成型工艺中，由于材料在模具中的流动和冷却过程，可能会导致纤维的取向不一致，从而影响复合材料的各向同性性能。
而在热压成型工艺中，可以通过控制压力和温度，使纤维分布更加均匀，从而获得性能更优异的复合材料。
了解了复合材料的微观结构，接下来我们探讨一下它们的力学性能。
复合材料的力学性能主要包括强度、刚度、韧性和疲劳性能等。
强度是指材料抵抗破坏的能力；刚度是指材料抵抗变形的能力；韧性是指材料吸收能量而不发生断裂的能力；疲劳性能则反映了材料在反复加载下的耐久性。
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MS02 复合材料力学与结构分析（负责人：付绍云、杨庆生）
8月27日下午 地点：1层103B
时间 编号 报告题目
报告人 单位 主持人
13:30 MS02-3697-I 植物纤维增强复合材料的多尺度结构和界面性能研究 李
岩 同济大学
付绍云 付昆昆
13:50 MS02-2429-I 碳纤维复合材料雷击损伤的数值模拟 付昆昆 同济大学 14:05 MS02-0152-I 复合材料弹性力学解及坐标变换法 贾普荣 西北工业大学 14:20 MS02-2033-O 面向原位热固化缠绕工艺的张力解析算法 唐建波
中国科学院宁波材料技术与工程研究所
14:30 MS02-2907-O 任意梯度圆筒磁-热-弹性问题的状态空间解 吴枝根 合肥工业大学 14:40 MS02-1007-O Elastic inhomogeneities with uniform stresses in plane deformations
戴
明 南京航空航天大学
14:50 MS02-1319-O 弹性地基上各种变厚度梁弯曲和自由振动的高精度解法
李志远 河海大学 15:00 MS02-0144-O 不同工艺的针刺复合材料刚度性能的预测 戚云超 哈尔滨工业大学 15:10 MS02-2873-O 复合材料褶皱细观力学建模与宏观响应虚拟测试 申川川 浙江大学 15:20 15:30
MS02-0070-O
树状分叉增强相复合材料的弹性常数
汪晓锋 西南交通大学
16:30 MS02-3790-I 石墨烯/聚合物界面的力学及热学性能的分子动力学研究
胡
宁 河北工业大学 胡宁 李
岩
16:50 MS02-0645-I 含脱层碳纤维增强复合材料层合板结构非线性失效的多尺度分析
薛江红 暨南大学 17:05 MS02-0254-I 表面微结构对浸润和疏冰性能的研究
梁文彦 哈尔滨工程大学 17:20 MS02-0863-O 碳纤维增强复合材料层板的疲劳分层扩展行为 龚
愉 重庆大学
17:30 MS02-0898-O 复合材料弹性参数统计相关性实验验证及对结构可靠性的影响
张书锋 国防科技大学 17:40 MS02-2177-O FRP 复合材料压缩损伤竞争机制研究 原亚南 武汉大学 17:50 MS02-0722-O 谷子韧皮部位单纤维力学特性测试与分析 王文杰 山西农业大学 18:00 MS02-3352-O 形状记忆聚合物手性超结构的力学行为研究 陶
然 北京理工大学
18:10 MS02-2403-O 碳纳米管-PVA 纤维混杂增强水泥基材料力学性能 王晓冉 浙江大学 18:20 18:30
MS02-3335-O
3D 打印连续碳纤维复合材料的可设计刚度与吸能性能研究
吴依韵 中南大学
8月28日下午 地点：1层103B
时间 编号 报告题目
报告人 单位
主持人
13:30 MS02-3698-I 石墨烯增强金属基复合材料的力学性能研究——从分子动力学到晶体塑性力学
杨庆生 北京工业大学 熊健 龙连春 13:50 MS02-0190-I 压阻复合材料的多尺度结构设计及其力、电行为研究 李元庆 重庆大学 14:05 MS02-3433-O 功能梯度石墨烯片混合增强圆柱壳非线性屈曲行为研究
孙家斌 大连理工大学 14:15 MS02-1827-O 石墨烯金属复合材料的强韧化
王昊天 清华大学 14:25 MS02-3419-O Ti 基非晶复合材料力学性能与微结构关系 李阔 太原理工大学 14:35 MS02-1469-O 玻纤增强热塑性复合材料电阻焊工艺研究 杜冰 重庆大学
14:45 MS02-1724-O Structure design and analysis of the multilayer stack consisting of both hard and soft layers for flexible electronics
李
爽 中国科学院力学研究所
14:55 MS02-3061-O 导电胶剪切力学性能的加载率效应 吉新阔 西安交通大学 15:05 MS02-0536-O 无绝缘超导磁体充电期间力学行为的研究 刘东辉 兰州大学 15:15 15:25
MS02-0355-O
复合材料悬臂管叠加原理及其剪力效应
张灿辉 厦门大学
16:30 MS02-0002-I 多层级点阵夹芯结构的设计理论及力学机制 熊健 哈尔滨工业大学
杨庆生 李元庆
16:45 MS02-3056-I 含缺陷复合材料层合薄壁结构的屈曲性能研究 龙连春 北京工业大学 17:00 MS02-2989-O 天文望远镜结构系统设计与分析
王海仁
中国科学院紫金山天文台
17:10 MS02-2753-O 动载荷条件下FRP 复合材料对隧道衬砌加固效果的研究
王肖珊 青岛理工大学 17:20 MS02-2713-O 玻璃纤维增强复合材料双波纹泡沫夹芯结构的低速冲击力学行为研究
赵天 北京理工大学 17:30 MS02-2288-O 压头尺寸对蜂窝铝压入力学性能的影响 邱
吉 太原理工大学
17:40 MS02-3106-O 胞元材料及密度对点阵结构力学性能影响研究 赵安东 中南大学 17:50 MS02-2026-O 基于层间混杂拉剪耦合层合板的弯扭耦合结构 崔
达 国防科技大学
18:00 MS02-2117-O 基于应变分离的绝对节点坐标大变形复合层合板单元研究
张世雄 北京理工大学 18:10 18:20 MS02-0996-O
某型号飞机机翼前缘的构型预报及模具补偿研究
车
路 哈尔滨工业大学
墙报8月27日下午和8月28日下午地点：3层序厅
时间编号报告题目报告人单位
15:30-16:30MS02-0086-P 旋转层合圆板的磁-空气弹性行波动力学分析李龙飞山东科技大学
墙报
交流MS02-0380-P
含任意形状夹杂的压电复合材料电弹场及等效参
数分析
谢慈航西安交通大学
MS02-0713-P 功能梯度压电圆柱板中的周向导波复频散特性张小明河南理工大学
MS02-1043-P 无人机天线罩结构动力学特性研究张进北京环境特性研究所
MS02-1155-P Q型钢丝绳隔振器冲击与静态特性关系研究卢凯田海军研究院
MS02-1188-P
基于数字图像相关技术与有限元模型修正法的竹
材材料参数反演研究
高先智北京理工大学
MS02-1405-P 考虑材料和几何非线性的重装拖曳缆拉断力研究王东大连理工大学
MS02-1455-P 阻尼层合结构有限元建模与仿真高英山上海大学
MS02-1590-P 基于温敏性的形状记忆双向驱动复合梁结构的研究袁治轩西安交通大学
MS02-1601-P 含缺陷的钎焊铝蜂窝板的力学性能研究赵杰西南交通大学
MS02-1732-P 2.5D预制体变形过程的有限元模拟李梦北京理工大学
MS02-1813-P 张拉整体超材料缺陷模式的带隙特性及应用殷旭北京科技大学
MS02-1917-P 纤维缠绕复合材料压力容器内衬稳定性研究蔡雅琪大连理工大学
MS02-2239-P 金属蒙皮复合材料筋条结构的轻量化设计杨翔飞大连理工大学
MS02-2436-P 卢瑟福电缆力学性能分析蒋丽宾兰州大学
MS02-2726-P 多级蜂窝复合夹芯板的振动分析王永静西安交通大学
MS02-2776-P
罗布麻/黄麻纤维毡增强聚丙烯复合材料的设计及
力学性能
范秀君东华大学
MS02-2870-P
水下爆炸焊接制备Zr-BMG/Al复合材料及力学机
理的研究
梁汉良中国矿业大学
MS02-2962-P 低速冲击下钢筋混凝土梁的结构响应郭璐太原理工大学。