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第6章 复合材料细观力学PPT
1第6章复合材料细观力学
单层板和复合材料的复合效应本章内容
•引言
•复合材料的密度和组分材料的含量
•单向连续纤维增强复合材料弹性常数的预测
•单向连续纤维增强复合材料单层基本强度的预测
•正交织物复合材料弹性常数和强度的预测
•短纤维增强复合材料的细观力学分析
•颗粒增强复合材料的弹性模量和强度
•湿、热膨胀系数的细观力学分析
6.1 引言
•细观力学的基本概念
•细观力学的基本假设
•细观力学的分析方法
•细观力学分析的意义1.什么是复合材料细观力学
复合材料单层的基本力学性能，是指它的弹性
常数和基本强度。处于平面应力状态下的单层
有4个独立的(正轴)工程弹性常数和5个基本强
度。称为复合材料单层的“表观”性能。
复合材料的细观力学，研究复合材料单层的宏
观性能与组分材料性能及细观结构之间的定量
关系。它要揭示不向的材料组合具有不向宏观
性能的内在机制。
2.细观力学研究的假设
复合材料单层是宏观非均匀、线弹性
的．并且无初应力；
纤维是均质、线弹性的，各向同性(如玻璃
纤维)或横观各向同性(如石墨纤维,
硼纤维)的，形状和分布是规则的；
基体是均质、线弹性、各向同性的；
各相间粘结完好，界面无孔隙。3.细观力学的分析方法
材料力学法--------对代表性体积单元作一些简化假
设，得出较为简单实用的结果；
弹性力学法--------从组分材料的非均匀性和某些相几
何的具体假设出发，运用弹性理论进行分析，导出
较为繁复冗长的公式，并引入了难以确定的相几何
条件参数；
半经验法----------在细观力学分析的基础上，以宏观
实验值为依据作出某种修正，以使所获得的计算结
果与实验值接近。
26.细观力学分析的意义
细观力学研究的重要性在于阐明复
合材料性能的机理，并作为复合材料设
计的理论基础。如上所述，通过细观力
学预测复合材料的某项性能随组分材料
性能及细观结构变化的规律，从而为进
一步改善材料性能、进行材料设计和改
进制造工艺提供指导性的意见。6.2 复合材料的密度和组分材料的含量
复合材料力学
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1 第九章 复合材料力学
材料力学的任务是研究均匀、各向同性材料在外力作用下的变形、受力和破坏的规律。为合理设计构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法。自20世纪40年代开始，现代复合材料得到了飞速发展，这种由两种或两种以上组分材料复合而成的多相材料，其物理、化学、力学等性能，满足了任何单一材料都难以满足的性能要求。然而，这种复合材料在外力作用下的变形、受力和破坏的规律已不同于像传统金属材料那样的规律，因此复合材料力学就是研究这种新型的材料在外力作用下的变形、受力和破坏规律，为合理设计复合材料构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法。
本章介绍的复合材料力学是以纤维和塑料组成的纤维增强复合材料为主要对象的，主要介绍连续纤维增强复合材料在外力作用下的变形、受力和破坏的规律。
各向异性体弹性力学基础
传统的金属材料一般看作是各向同性体，通常在弹性范围内研究其变形和受力采用的是各向同性体弹性力学。然而纤维增强复合材料最常用的是层合板结构形式，即由纤维和基体组成一种铺层（或称单层），百度文库 - 让每个人平等地提升自我
2 并以不同方向层合而成一种多向层合板（如果同一种铺层都处于同一方向称为单向层合板）。这种层合板成为复合材料结构件的基本单元，而铺层是层合板的基本单元。因此本章介绍复合材料的刚度与强度，是从介绍铺层的刚度与强度开始，然后介绍多向层合板的刚度和强度。
铺层是由无纬布或交织布经预浸胶处理并按实际结构件的形状及构成多向层合板所规定的方向进行铺设，然后加温（或常温）固化制成。所以铺层、层合板和复合材料结构件是一次完成的一般的铺层（无论是无纬布或交织布形成的）是正交各向异性的，即具有两个相互垂直的弹性对称面。因此复合材料不同于金属材料，它具有各向异性的弹性特性，为此首先要对各向异性体弹性力学作一简要介绍。
各向异性体弹性力学与各向同性体弹性力学的主要差别，仅在于应力-应变关系的不同，而解决弹性力学问题还需涉及的平衡方程、几何方程、协调方程和边界条件等，则完全相同。这是由于在这里，假设铺层也是连续的、均匀的（不考虑铺层组分材料各自的性能差别及其相互作用，而将两相材料的影响反映在平均的表观性能上）、线弹性的和小变形的。所以，百度文库 - 让每个人平等地提升自我
复合材料力学 2
复合材料的定义 ：是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通
过复合工艺组合而成的新材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合
效应获得原组分所不具备的性能；可以通过设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的性能。
复合材料的特点：1复合材料具有可设计性2材料与结构具有同一性3复合
材料结构设计包括材料设计4材料性能对复合工艺的依赖性5复合材料具有各向
异性和非均质性的力学性能特点.
复合材料的优点:1比强度高、比模量大2抗疲劳性好3减振性能好4破损安全性好5耐腐蚀性能好6电性能好7热性能好‘
复合材料的缺点：1玻璃纤维复合材料的弹性模量低2层间强度低3属脆性
材料4树脂基复合材料的耐热性较低5材料性能的分散性大。
复合材料细观力学：研究复合材料单层的宏观性能与组分材料性能及细观结
构之间的定量关系。
复合材料细观力学假设：1复合材料单层是宏观非均匀、线弹性的、并且无
初应力2纤维是均质、线弹性的，各项同性或横观各项同性的，形状和分布是规
则的3基体是均质、线弹性、各项同性的4各相间粘结完好，界面无间隙。 在分析方法上，细观力学可采用材料力学法、弹性力学法和半经验法。
一次超静定问题和静定问题（串联模型的纵、横向弹性模量）
C是接触系数，它表示纤维横向接触的程度，且介于0和1之间。
哈尔平-蔡提出了一种近似地表达比较复杂的细观力学结果的内插法。
临界纤维体积含量的定义：
纤维微屈曲和剪切破坏是复合材料纵向压缩破坏的两个主要原因。
织物：指以相互垂直的经纱和纬纱构成的正交织物，如玻璃纤维布。
以织物为增强材料制成的复合材料单层板称为织物复合材料单层板，又称
双向单层板。 应力传递理论:当复合材料受作用时，载荷直接作用到基体上，然后基体将
载荷通过纤维与基体间界面上的剪应力传递到纤维上。主要有理想刚塑性基体、
弹性基体和弹塑性基体三大类。
短纤维全部随机分布于相互平行的平面内而制得的复合材料称为平面随机
复合材料力学 3
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
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复合材料力学复合材料力学复合材料力学复合材料力学2010201020102010年春季年
春季年春季年春季秦战明秦战明秦战明秦战明西安交通大学西安交通大学西安交通
大学西安交通大学航天航空学院航天航空学院航天航空学院航天航空学院第一章第一章第一章第一章概概概概论论论论??复合材料及种类复合材料及种类复合材料及
种类复合材料及种类??复合材料的基本特点复合材料的基本特点复合材料的基本特
点复合材料的基本特点??复合材料的发展与应用复合材料的发展与应用复合材料的
发展与应用复合材料的发展与应用??复合材料结构设计复合材料结构设计复合材料
结构设计复合材料结构设计??复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势??研究复合材料的力学学科与研究复合材料的力学学
科与研究复合材料的力学学科与研究复合材料的力学学科与力学问题力学问题力学
问题力学问题??智能复合材料智能复合材料智能复合材料智能复合材料复合材料是
什么复合材料是什么复合材料是什么复合材料是什么??复合材料复合材料复合材料
复合材料Composite material–由两种或多种不同性由两种或多种不同性由两种或多种不同性由两种或多种不同性质的材料用物理和化质的材料用物理和化质的材料用
物理和化质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上学方法在宏观尺度上学方法在宏
观尺度上学方法在宏观尺度上组成的具有综合优异组成的具有综合优异组成的具有
综合优异组成的具有综合优异性能的材料性能的材料性能的材料性能的材料....–复
合材料通常具有其复合材料通常具有其复合材料通常具有其复合材料通常具有其组成材料所没有的性组成材料所没有的性组成材料所没有的性组成材料所没有的性能
能能能....Particle reinforced composites/formulae/solid_mechanics/composites/comp_intro.cfmImages fromRandom short fiber reinforced compositesComposite material is Vinson et al. 2002:–Blending of two or more materials macroscopically insoluble in one another to form a new engineering material–Exhibiting certain properties not possessed by the constituentsWhat Is Composite MaterialVinson J.R. et al. 2002 The behavior of Structures Composed of Composite Materials KluwerAcademic Publishers. p. 5.??复合
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 量比其高；应力一应变关系为一直线，纤维断裂前是弹性体；高模量 碳纤维的最大延伸率为 0.35%,高强度的延伸率为 1.5%;纤维直径 6~10卩m;各向异性，沿纤维方向热膨胀系数 a i=-0.7X 10-6~-0.9X
复合材料细观力学性能
陶瓷纳米复合材料细观力学性能分析
一. 弓I言
纳米材料是指尺度为I 一 100nm的超粒，经压制、烧结或溅射而成的凝聚态
固体。它是80年代刚刚发展起来的先进材料，被美国材料科学会誉为“21世纪最
有前途的材料”。因此受到发达国家的高度重视，并且都在其发展高技术的计划中
瞄准了这一新的材料领域，投人了相当的人力和物力⑴。陶瓷材料是一种很有发展
前途的结构材料，具有高的硬度，耐磨性，耐高温性，耐腐蚀性等其他材料无法 比拟的优异性能，但脆性问题大大限制了陶瓷材料的应用发展， 为进一步改善其
断裂韧性和强度而进行陶瓷复合材料的研究。陶瓷纳米复合材料是新近发展起来 的一种陶瓷复合材料，复合系中至少一相为纳米尺寸［2,3］。
二. 纳米陶瓷复合材料的分类
在新型的纳米陶瓷复合材料中，其中的各相或至少其中某一相在一维上为纳 米级，根据弥散相的不同和基体尺寸可分为晶内型， 晶界型，晶内/晶界混合型， 纳米/纳米型，如图1。纳米弥散相分布在基体相晶粒内部为晶内型； 纳米弥散相 分布在基体晶界上为晶界型；实际制备中往往很难获得单纯一种纳米相处于晶内 或者纳米相处于晶界上的纳米复合材料，多为晶内 /晶间复合型；而在纳米/纳米 复合陶瓷材料中所有各相晶粒均为纳米级。纳米 /纳米复合陶瓷材料在制备上对 粉体性能以及烧结等工艺过程要求严格，使材料具有新的性能，如超塑性 ⑷。
图2-1纳米陶瓷复合材料的分类 三. 纳米陶瓷复合材料的力学性能分析
3.1 AI2O3粉末对纳米陶瓷复合材料的影响
为了改善纳米陶瓷复合材料的力学性能，探讨添加不同粒径和含量的 Al 2O3
粉末对纳米陶瓷复合材料微观结构和力学性能的影响。 实验采用真空热压烧结工
艺来制备ZrO2纳米陶瓷复合材料，添加相包括 AI2O3等金属粉末。混合粉末经 球磨48h和真空干燥24h后备用•在烧结温度为1450E、压力为30MPa、保温
1h的条件下，采用真空热压烧结工艺，将干燥后的混合粉末制备成样品。制得 的样片厚度约为5mm，并经过切割、粗磨、精磨、研磨和抛光后，制成 3mmx
复合材料力学性能
复合材料力学性能
复合材料是由两种或两种以上的不同材料按照一定规律组合而成的材料。与传统材料相比，复合材料具有独特的力学性能，以下将分别从强度、刚度、韧性、疲劳性能以及抗冲击性能等方面详细介绍复合材料的力学性能。
首先是复合材料的强度。由于复合材料采用了不同种类的材料组合，在强度上具有明显的优势。根据不同材料的组合方式和比例，复合材料可以获得高于单一材料的强度水平。此外，由于复合材料具有随机分布的纤维增强体，使得复合材料具有较好的抗层状剪切破坏能力，提高了材料的整体强度。
其次是复合材料的刚度。复合材料在刚性方面比传统材料更优越。这是因为纤维增强体具有高弹性模量和高刚度特性，并且材料中纤维的方向性可以调整，所以在应力作用下，纤维能够承受更多的外力而不易产生位移。因此，在力学应用中，复合材料能够提供更高的刚度和更小的变形。
再次是复合材料的韧性。韧性是指材料在受到外力作用下产生破坏之前能够吸收的能量。与传统材料相比，复合材料具有更好的韧性。这是因为在复合材料中纤维的分布可以有效地防止裂纹扩展，同时由于纤维的存在可以将应力分散到整个材料中，从而提高韧性。此外，复合材料也可以通过调整纤维增强体的类型和量来改善韧性。
复合材料的疲劳性能也是其重要的力学性能之一、在疲劳应力作用下，材料会出现裂纹的扩展，从而导致材料失效。复合材料由于具有纤维增强体和基体的分离结构，在疲劳载荷下，纤维增强体能够吸收部分载荷，减缓增长速率，提高疲劳寿命。此外，纤维增强体还能够增加复合材料的纵向和横向强度，降低应力集中，从而提高疲劳性能。
此外，复合材料的抗冲击性能也值得关注。复合材料由于纤维增强体的存在，使得其在受冲击或振动载荷下具有更好的表现。纤维增强体能够吸收冲击能量，减缓冲击载荷的传递，从而降低材料的损伤程度和失效概率。
综上所述，复合材料具有一系列优异的力学性能，如强度、刚度、韧性、疲劳性能和抗冲击性能等。这得益于其具有多种材料的组合优势以及纤维增强体的特殊结构。目前，复合材料在航空航天、汽车、建筑、医疗等领域得到广泛应用，并在材料科学和工程中发挥着重要作用。