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1、复合材料力学 易法军 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 2014 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 课程说明 课时：40学时 任课教师 易法军（13654523649）fajun_yi 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 参考教材 R. M. 琼斯：复合材料力学（中、英文） 沈观林、胡更开：复合材料力学，清华大学出版社 Stephen W. Tsai：复合材料设计 讲义 文献（图书馆和互联网） 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 内容安排 1：复合材料定义、分类、特点及其典型结构和应用 2
2、：简单层板的宏观力学性能-刚度问题 各向异性材料的应力-应变关系; 正交各向异性材料的工程常数； 正交各向异性材料平面应力问题的应力-应变关系; 简单层板在任意方向上的应力应变关系与刚度不变量性质； 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 内容安排 3：简单层板的宏观力学性能-强度问题 最大应力 最大应变 Tsai-Hill准则 Tsai-Wu准则 4：简单层板的微观力学性能 刚度的材料力学分析方法 刚度的弹性力学分析方法 强度的材料力学分析方法 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 内容安排 5：层合板的宏观力学性能 经典层合理论
3、、层合板刚度的特殊情况 层合板刚度的理论和实验的比较、层合板强度 层间应力、层合板刚度的不变量及其在设计中的应用 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 学习方法和要求 概念清晰、基础扎实 力学与材料相结合 微观与宏观相结合 试验与理论分析相结合 从实践中来，回到实践中去 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料及其结构力学 力学 结构 复合 材料 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料 自然界中普遍存在着天然复合材 料 树木、骨骼、草茎与泥土复合等 天然材料几乎都是复合材料，采取 复合
4、的形式是自然的规律 鸟巢 六千年以前，陕西西安半坡村的仰韶文 化住房遗址说明我国古人已经开始用草 混在泥土中筑墙和铺地，这种草泥就是 最原始的纤维增强复合材料，它与现代 高性能纤维增强复合材料非常相似 人的能动性人的能动性 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料 Cellulose Strands Lignin Polymer 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 Natural composites: Guides for stiff, st
5、rong, and tough composites? 跟腱结构跟腱结构 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 玻璃纤维增强塑料（玻璃纤维增强塑料（Fiber Glass Fiber Glass Reinforced Plastics, FRPReinforced Plastics, FRP）：俄）：俄 文叫文叫 “ “CTeknonJ1Anhk”CTeknonJ1Anhk”（玻璃（玻璃 塑料）。当时中文里没相应的词，塑料）。当时中文里没相应的词， 想到材料里有玻璃，强度又高，就想到材料里有玻
6、璃，强度又高，就 叫叫“玻璃钢玻璃钢” 复合材料 历史曾用材料来划分人类的文明时代的四次重大突破 天然材料：新石器时代 人工材料：铜器和铁器时代 合成材料：塑料（1924）、橡胶（1931） 复合材料：玻璃纤维（1942） 【物质物质】为构成宇宙间一切物体的实物和场为构成宇宙间一切物体的实物和场 【材料材料】是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料定义 由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种 多相固体材料 国际标准化组织 复合材料是指由有机高分子、
7、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型材料，它既能保留原有组分材 料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼 此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本 质的区别 （1994年出版，师昌绪主编材料大辞典） 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料定义 “Composite” Means “Consisting of Two or More Distinct Parts” 由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、 但又保持某些有效功能 并非随意将不同种类的原材料混合在一起都能够得到复合材料 即复合后的
8、整体性能应超过组分材料，同时保留了所期望的性能(例 如高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(例如低延性) ， 复合材料应该是多功能的材料系统，可提供任何单一材料所无法获得 的特性 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料定义 复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的，即复 合材料具有可设计性 组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理 和化学性质（区别于化合物和合金,复合材料是各组分之 间被明显界面区分的多相材料，即组元之间存在着明显的 界面） 可以通过光学或电子显微镜检验明显区分开来的两种或多种组分 组合形成的材料 哈尔滨工业大学复
9、合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料定义 先进复合材料（Advanced Composite Materials，简称ACM ）是指加进了新的高性能纤维的而区别于“低技术”的玻璃纤维 增强塑料的复合材料 (美国麻省理工学院材料科学与工程系教授J. P. Clark， 1985) 以碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、 高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、 金属与陶瓷等为基体，制成的具有比玻璃纤维复合材料更好 性能的先进复合材料 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料发展历程 复合材料经历了古代、近代
10、和现代三个阶段 自古以来，人们就会使用天然的复合材料木材、竹、骨骼等。 最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中掺稻草，制成土砖；在灰泥 中掺马鬃或在熟石膏里加纸浆，可制成纤维增强复合材料 近代复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂（如酚醛树脂、环氧树脂 等）玻璃钢 高性能纤维和其他各种形式的先进复合材料 第二次世界大战后期，为了增加雷达罩透波率，研制成玻璃钢，没第二次世界大战后期，为了增加雷达罩透波率，研制成玻璃钢，没 料到这类复合材料后来由于它有高的比强度和比刚度而成为使钢、料到这类复合材料后来由于它有高的比强度和比刚度而成为使钢、 铝、钛等金属有时相形见拙的新型结构材料铝、钛等金属有时相形见拙的新型
11、结构材料 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料发展历程 随着复合材料的广泛应用和人们在原材料、复合工艺、界 面理论、复合效应等方面实践和理论研究的深入，使人们 对复合材料有了更全面地认识 现在人们可以更能动地选择不同的增强材料（颗粒、片状物、纤 维及其织物等）和基体进行合理的性能（功能和力学）设计（如 宏观的铺层设计、微细观界面设计等） 采用多种特殊工艺使其复合或交叉结合，从而制造出高于原先单 一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能，如 优异的力学性能、物理-化学多功能（电、热、磁、光、耐烧蚀等 ）或生物效应的各类高级复合材料。因此“复合
12、”涵盖的范围也 越来越广 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料发展历程 与其他高技术的出现和发展紧密结合，复合材料 的内涵不断拓展 从宏观尺度的复合到纳米尺度的复合 从结构材料到结构功能一体化材料、多功能复合材料 从简单复合到非线性复合效应的复合 从复合材料到复合结构 从机械设计到仿生设计 复合材料发展历程 天然 复合材料 功能复合材料功能复合材料 智能复合材料智能复合材料 仿生复合材料仿生复合材料 纳米复合材料纳米复合材料 生物复合材料生物复合材料 复合结构复合结构 先进复合材料先进复合材料 树脂基复合材料树脂基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料
13、 金属基复合材料金属基复合材料 碳碳/ /碳复合材料碳复合材料 玻璃钢玻璃钢 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料发展历程 “到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25% 的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基复合材料的 密度、刚度、强度、韧性和抗高温能力都可能有 如此大的改善，而被列为最优先发展的材料”。 进入21世纪，美国国防部委托国家科学研究院经过三 年的调查，在2003年发表的“面向21世纪国防需求的 材料研究”报告指出 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料的要素和分类 复合材料包括三要素：基体材料、增
14、强相及复合方式（界 面结合形式） 按增强相形状不同，可分为颗粒、连续纤维、短纤维、弥散晶 须、层状、骨架或网状、编织体增强复合材料等 按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复合材料、金属基 复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料等 按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复合材料等 复合材料的要素和分类 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料的要素和分类 纤维增强聚合物基体复合材料 增强纤维 玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（Kevlar、Apmoc)、硼纤维、碳化 硅纤维 树脂基体 热固性聚合物 聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺 热塑性聚合物 尼龙、聚乙烯
15、、聚苯乙烯 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料的要素和分类 在RMC中，增强材料是决定复合材料的拉伸强度、模 量、延伸率的关键组分，增强纤维的种类、机械性能核物 理特征，在即体重的体积含量及纤维的取向决定了复合材 料的性质 树脂基体则是粘接并包容纤维，使纤维免受摩擦损伤，均 衡和传递构件所承受的载荷的主要组分，树脂基体的种 类、物理特性和化学特性决定了复合材料的剪切强度、横 向拉伸强度（非纤维方向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性 质） 复合材料的性能 强度 刚度 耐腐蚀性 耐磨性 重量 疲劳寿命 与温度有关的性能 绝热性 导热性 隔音性 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所 复合材料的特点 普通的工程材料大多是均匀的、各向同性的 均质：性能不是物体位置的函数 各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向都是相同的，性 能不是一点方向上的函数 复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材料性能是位 置和方向的函数 正交各向异性：在物体重的一点的三个相互垂直方向上有不同的材 料性能，此外还有三个相互垂直的材料对称面 各向异性：所有方向都有不同的性能，没有材料对称面 哈尔滨工
