1、安徽理工大學安徽理工大學材料科學與工程學院材料科學與工程學院復合材料與工程專業復合材料與工程專業授課方式：上課授課方式：上課+自學自學學時：學時：50學分：學分：3考試方式：筆試考試方式：筆試成績：成績： 筆試筆試70%+平時平時30%（出勤率（出勤率+課堂表現課堂表現+作業）作業）2復合材料與工程專業復合材料與工程專業沈觀林：復合材料力學沈觀林：復合材料力學趙美英：復合材料結構力學與結構設計趙美英：復合材料結構力學與結構設計 張錦：新型復合材料力學機理及應用張錦：新型復合材料力學機理及應用李順林：復合材料結構設計基礎李順林：復合材料結構設計基礎王震鳴：復合材料力學與復合材料結構力學王震鳴：復

2、合材料力學與復合材料結構力學R. M. 瓊斯：復合材料力學（中、英文）瓊斯：復合材料力學（中、英文）Stephen W. Tasi：復合材料設計：復合材料設計3復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材料學復合材料學力學力學力學又稱經典力學，是研究通常尺寸的物體在受力下的形變，以及速度遠低于光速的運動過程的一門自然科學。力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎，機械、建筑、航天器和船艦等的合理設計都必須以經典力學為基本依據。4復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材料學復合材料學力學力學 復合材料學全面地介紹了復合材料的種類、性能、制法及應用，并較全面、詳細地介紹了用于制備復合材料的整個材料領

3、域的各種材料的性能、形態、制備與應用等，便于科技工作者制造新性能的復合材料，從而豐富其材料及材料學知識。5復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材料學復合材料學力學力學理論力學理論力學材料力學材料力學彈性力學彈性力學6復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材料結構設計方法復合材料結構設計方法復合材料學復合材料學力學力學理論力學理論力學材料力學材料力學彈性力學彈性力學復合材料力學復合材料力學復合材料動力學復合材料動力學非線性復合材料力學非線性復合材料力學柔性復合材料力學柔性復合材料力學編織復合材料力學編織復合材料力學復合材料結構力學復合材料結構力學7復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材

4、料力學是固體力學的一個新興分支，它研究由兩種或多種不同性能的材料，在宏觀尺度上組成的多相固體材料，即復合材料的力學問題。復合材料具有明顯的非均勻性和各向異性性質，這是復合材料力學的重要特點。復合材料結構設計包括復合材料單層的剛度和強度、復合材料層合板的剛度和強度、復合材料結構復合材料結構分析、復合材料連接、復合材料設計的一般方法和分析、復合材料連接、復合材料設計的一般方法和典型產品設計。典型產品設計。8復合材料與工程專業復合材料與工程專業緒論緒論各向異性體彈性力學基礎知識各向異性體彈性力學基礎知識單層板的剛度與強度單層板的剛度與強度層合板的剛度與強度層合板的剛度與強度復合材料的細觀力學復合材料

5、的細觀力學復合材料的濕熱效應復合材料的濕熱效應復合材料結構設計基礎復合材料結構設計基礎復合材料結構分析復合材料結構分析復合材料連接復合材料連接習題課習題課9復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材料發展歷史復合材料定義復合材料特點復合材料制備復合材料分類復合材料的各種應用10復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材料的發展，經歷了復合材料的發展，經歷了古代、近代和現代古代、近代和現代三個階段三個階段自古以來，人們就會使用天然的復合材料自古以來，人們就會使用天然的復合材料木材、木材、竹、骨骼竹、骨骼等。最原始的人造復合材料是在粘土泥漿中等。最原始的人造復合材料是在粘土泥漿中摻稻草，制成摻稻草

6、，制成土磚土磚；在灰泥中摻馬鬃或在熟石膏里加；在灰泥中摻馬鬃或在熟石膏里加紙漿，可制成纖維增強復合材料。紙漿，可制成纖維增強復合材料。近代復合材料最早的有近代復合材料最早的有玻璃纖維增強樹脂玻璃纖維增強樹脂（如酚醛（如酚醛樹脂、環氧樹脂等）樹脂、環氧樹脂等）玻璃鋼。玻璃鋼。原子能、航空、航天、電子、化工等的發展，對材原子能、航空、航天、電子、化工等的發展，對材料的輕質、高強、高模、高韌性、耐高溫、耐磨、耐料的輕質、高強、高模、高韌性、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、電性能等提出了更高要求，使現代腐蝕、電性能等提出了更高要求，使現代先進復合材先進復合材料料蓬勃發展起來蓬勃發展起來高性能纖維高性能纖維和其他

7、各種形式的復和其他各種形式的復合材料合材料11復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材料復合材料是指由兩種以上材料組合而成的、物理和化學性是指由兩種以上材料組合而成的、物理和化學性質與原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。復合質與原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。復合材料中，一種材料作為基體，其他材料作為增強劑材料中，一種材料作為基體，其他材料作為增強劑兩種以上材料兩種以上材料 宏觀尺度上的組合宏觀尺度上的組合 微觀尺度上的組合（合金）微觀尺度上的組合（合金） 具有各組分最好的性能，是個組分所沒有具有各組分最好的性能，是個組分所沒有的復合材料是材料家族中最年輕、最活躍的新成員。所

8、謂復合材料是材料家族中最年輕、最活躍的新成員。所謂“復合復合”，是在金屬材料、有機高分子材料和無機非，是在金屬材料、有機高分子材料和無機非金屬材料自身或相互間進行，從而獲得單一材料無法金屬材料自身或相互間進行，從而獲得單一材料無法比擬的、具有綜合優異性能的新型材料比擬的、具有綜合優異性能的新型材料12復合材料與工程專業復合材料與工程專業三大材料：三大材料：金屬金屬無機非金屬無機非金屬有機高分子有機高分子復合材料復合材料取長補短取長補短協同作用協同作用產生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能產生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能無機非金屬材料有機高分子材料金屬材料復合材料13復合材料與工程專業復合

9、材料與工程專業復合材料系統組合復合材料系統組合分散相分散相連續相連續相金屬材料金屬材料無機非金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料有機高分子材料金金屬屬材材料料金屬纖維纖維/金屬基復合材料鋼絲/水泥復合材料增強橡膠金屬晶須晶須/金屬基復合材料晶須/陶瓷基復合材料金屬片材金屬/塑料板無無機機非非金金屬屬材材料料陶瓷纖維纖維/金屬基復合材料纖維/陶瓷基復合材料晶須晶須/金屬基復合材料晶須/陶瓷基復合材料顆粒彌散強化合金材料粒子填充塑料玻璃纖維纖維/樹脂基復合材料顆粒碳纖維碳纖維/金屬基復合材料碳纖維/陶瓷基復合材料碳纖維/樹脂基復合材料炭黑顆粒/橡膠；顆粒/樹脂基有機有機高分高分子材子材料料有機纖維

10、纖維/樹脂基復合材料塑料金屬/塑料橡膠14復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材料的特點：復合材料的特點： 151） 復合材料是由復合材料是由兩種或兩種兩種或兩種以上不同性能的以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復合形成的一種新材料組元通過宏觀或微觀復合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的型材料，組元之間存在著明顯的界面界面；2） 復合材料中各組元不但復合材料中各組元不但保持各自的固有特保持各自的固有特性性，而且可最大限度發揮各種材料組元的特，而且可最大限度發揮各種材料組元的特性，并賦予性，并賦予單一材料組元所不具備的優良特單一材料組元所不具備的優良特殊性能殊性能；3）復合材料具有復合

11、材料具有可設計性可設計性。可以根據使用條。可以根據使用條件要求進行設計和制造，以滿足各種特殊用件要求進行設計和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結構的效能。途，從而極大地提高工程結構的效能。 復合材料與工程專業復合材料與工程專業 傳統意義上的復合材料的制造，目前使用最廣、傳統意義上的復合材料的制造，目前使用最廣、效果最好的是效果最好的是纖維增強纖維增強：采用熔鑄、浸漬、層壓等方法，把玻璃纖維、采用熔鑄、浸漬、層壓等方法，把玻璃纖維、有機纖維、碳纖維及其織物嵌入樹脂基體中；有機纖維、碳纖維及其織物嵌入樹脂基體中；采用熔鑄、軋壓等方法把硼纖維、高強度鋼絲、采用熔鑄、軋壓等方法把硼纖維、高

12、強度鋼絲、晶須等嵌入鋁、鎂、鈦合金中晶須等嵌入鋁、鎂、鈦合金中這樣形成了纖維增強塑料、纖維增強金屬和纖這樣形成了纖維增強塑料、纖維增強金屬和纖維增強陶瓷。維增強陶瓷。除了纖維增強以外，還廣泛使用已有工藝制造除了纖維增強以外，還廣泛使用已有工藝制造復合材料，如噴涂、離子注入、層疊及骨架復合等。復合材料，如噴涂、離子注入、層疊及骨架復合等。16復合材料與工程專業復合材料與工程專業 復合材料包括三要素：復合材料包括三要素：基體材料、增強劑及復基體材料、增強劑及復合方式合方式（界面結合形式）（界面結合形式）按增強劑形狀不同，可分為顆粒、連續纖維、短纖維、按增強劑形狀不同，可分為顆粒、連續纖維、短纖維、

13、彌散晶須、層狀、骨架或網狀、編織體增強復合材料彌散晶須、層狀、骨架或網狀、編織體增強復合材料等等按使用功能不同，可分為按使用功能不同，可分為結構結構復合材料和復合材料和功能功能復合材料復合材料等等按照基體材料的不同，復合材料包括按照基體材料的不同，復合材料包括聚合物基復合材料、聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等等熱固性、熱塑性熱固性、熱塑性碳碳復合材料碳碳復合材料小知識小知識RMC: Resin Matrix CompositesMMC: Metal Matrix CompositesCMC: Ceramic Matrix Composites17

14、復合材料與工程專業復合材料與工程專業增強纖維增強纖維玻璃纖維、碳纖維、聚芳酰胺纖維（玻璃纖維、碳纖維、聚芳酰胺纖維（Kevlar、Apmoc)、硼纖維、碳化硅纖維、硼纖維、碳化硅纖維樹脂基體樹脂基體熱固性聚合物熱固性聚合物聚酯、環氧、酚醛、聚酰亞胺聚酯、環氧、酚醛、聚酰亞胺熱塑性聚合物熱塑性聚合物尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯18復合材料與工程專業復合材料與工程專業在在RMCRMC中，增強材料是決定復合材料的拉伸強度、中，增強材料是決定復合材料的拉伸強度、模量、延伸率的關鍵組分，增強纖維的種類、機模量、延伸率的關鍵組分，增強纖維的種類、機械性能核物理特征，在即體重的體積含量及纖維

15、械性能核物理特征，在即體重的體積含量及纖維的取向決定了復合材料的性質的取向決定了復合材料的性質樹脂基體則是粘接并包容纖維，使纖維免受摩擦損樹脂基體則是粘接并包容纖維，使纖維免受摩擦損傷，均衡和傳遞構件所承受的載荷的主要組分，傷，均衡和傳遞構件所承受的載荷的主要組分，樹脂基體的種類、物理特性和化學特性決定了復樹脂基體的種類、物理特性和化學特性決定了復合材料的剪切強度、橫向拉伸強度（非纖維方合材料的剪切強度、橫向拉伸強度（非纖維方向）、壓縮強度、耐化學腐蝕等性質）向）、壓縮強度、耐化學腐蝕等性質）19復合材料與工程專業復合材料與工程專業疲勞壽命疲勞壽命與溫度有關的性能與溫度有關的性能絕熱性絕熱性導

16、熱性導熱性隔音性隔音性強度強度剛度剛度耐腐蝕性耐腐蝕性耐磨性耐磨性重量重量 復合材料具有高比強度、高比剛度、材料輕、耐腐蝕、抗疲勞性能、減振性能和高溫性能好意即可設計等特點20復合材料與工程專業復合材料與工程專業復合材料的各種應用復合材料的各種應用航空航天工程中船舶工程建筑工程兵器工業化學工程電器設備機械工程體育器材醫學領域21復合材料與工程專業復合材料與工程專業B707B737B747B757B767B777B787B727B717A350B747-8產品發展方向產品發展方向全譜化全譜化系列化系列化A380飛機發展與復合材料應用飛機發展與復合材料應用22復合材料與工程專業復合材料與工程專業B

17、oeing 787 結構材料構成結構材料構成復合材料層合板復合材料層合板復合材料夾芯結構復合材料夾芯結構玻璃鋼復合材料玻璃鋼復合材料鋁合金鋁合金鈦合金鈦合金結構的主要材料構成結構的主要材料構成23復合材料與工程專業復合材料與工程專業B-777復合材料使用情況復合材料使用情況 24復合材料與工程專業復合材料與工程專業纖維鋪放纖維鋪放A380 后機身后機身大型復雜形狀復合材料構件大型復雜形狀復合材料構件優化后的復合材料鋪層優化后的復合材料鋪層 在在A380上的首次上的首次 使用使用纖維鋪放機纖維鋪放機25復合材料與工程專業復合材料與工程專業A-380復合材料使用情況復合材料使用情況26復合材料與工

18、程專業復合材料與工程專業27復合材料與工程專業復合材料與工程專業樹脂轉移模塑工藝樹脂轉移模塑工藝A380 后機后框后機后框A380 副翼梁副翼梁A380 連接件連接件28復合材料與工程專業復合材料與工程專業A380 中央翼盒中央翼盒29復合材料與工程專業復合材料與工程專業液體樹脂滲透技術的應用液體樹脂滲透技術的應用鋪覆編織帶鋪覆編織帶客艙后客艙后密封加筋密封加筋球形球形隔墻隔墻A380客艙后客艙后密封加筋密封加筋球形球形隔墻隔墻30復合材料與工程專業復合材料與工程專業高性能輕質結構用量達高性能輕質結構用量達62%空客第一架全復合材料機翼飛機空客第一架全復合材料機翼飛機在中型民機中燃油消耗最低在

19、中型民機中燃油消耗最低 百百公里公里2.5升升/ 人人機組人員休息不占用座艙空間機組人員休息不占用座艙空間超寬客機超寬客機 A35031復合材料與工程專業復合材料與工程專業F-18EF戰斗機復合材料占戰斗機復合材料占19%19%32復合材料與工程專業復合材料與工程專業AV8-B鷂式戰斗機復合材料占鷂式戰斗機復合材料占26%26%33復合材料與工程專業復合材料與工程專業F-22復合材料用量占飛機總重復合材料用量占飛機總重26%26%34復合材料與工程專業復合材料與工程專業F-22復合材料應用情況復合材料應用情況機 翼：蒙皮碳/雙馬 中梁碳/環氧機 身：鈦合金、鋁合金、復合材料平尾安定面：碳/雙馬

20、蒙皮鋁蜂窩夾層板垂尾安定面：碳/雙馬蒙皮、碳/環氧梁操 縱 面：復合材料蜂窩夾層板35復合材料與工程專業復合材料與工程專業F-22復合材料機翼組裝情況復合材料機翼組裝情況36復合材料與工程專業復合材料與工程專業C-17軍用運輸機復合材料使用情況軍用運輸機復合材料使用情況原型機復合材料用于：次要結構和操縱面1994年將平尾改為復合材料（AS4/Epoxy）1998年通過靜力試驗： 133% Ultimate Load 破壞2001年70架飛機全換為復合材料平尾37復合材料與工程專業復合材料與工程專業C-17軍用運輸機平尾軍用運輸機平尾 38復合材料與工程專業復合材料與工程專業C-17軍用運輸機復

21、合材料應用效果軍用運輸機復合材料應用效果 復合材料使用量占總重量8%減 重：20%減少零件數：90%減少緊固件數：80%降 低 成 本：50%39復合材料與工程專業復合材料與工程專業V-22 旋旋 翼翼 機機 40復合材料與工程專業復合材料與工程專業V-22旋翼機復合材料使用情況旋翼機復合材料使用情況機 翼：IM6/3501-6機身和尾翼：AS4/3501-6復合材料使用量占總重量41%減 重：13%減少零件數：35%降 低 成本：22%41復合材料與工程專業復合材料與工程專業X-45無人戰斗機無人戰斗機42復合材料與工程專業復合材料與工程專業表表1-1 國外復合材料在軍機上的應用情況國外復合

22、材料在軍機上的應用情況國別機 種用量(%)首飛時間復合材料體系應 用 情 況美F-1411969硼/環氧樹脂水平安定面F-151.21972硼/環氧樹脂水平安定面、垂直安定面、方向舵F-163.41976碳/環氧樹脂(AS4/3502)進氣道斜板、垂尾、平尾。機翼蒙皮（碳/雙馬來酰亞胺）F/A-18A121978碳/環氧樹脂除前機身外，包括機翼在內的所有蒙皮結構。前機身邊條、翼根延伸段等AV-8B26.31982碳/環氧樹脂機翼蒙皮和亞結構骨架，其機翼70%重量為復合材料結構。比金屬結構減重20%以上。機翼梁和肋為“工”形剖面，腹板為正弦波紋板A-612碳/環氧樹脂機翼蒙皮B-1轟炸機碳/環氧

23、樹脂、硼/環氧樹脂、Kevlar49/環氧樹脂機身大梁、平尾、垂尾、前緣縫翼、襟翼、進氣道斜板、艙門等X-31A171990碳/增韌環氧(IM6/6376)機翼、機身蒙皮YF-22231991碳/增韌雙馬(IM7/5250-2)機翼、中機身隔框和蒙皮、尾翼F-22241996碳增韌雙馬(IM6/5250-4)機翼、中機身隔框和蒙皮、尾翼、前機身43復合材料與工程專業復合材料與工程專業俄米格297S-3721前掠機翼等雅克-14124機翼、尾翼、部分機身1.42161.4430法Rafale24碳增韌雙馬(IM6/5245C)機翼、垂尾、鴨翼、副翼、前機身蒙皮幻影4000整體油箱翼盒、尾翼等AS

24、X10碳/環氧樹脂機翼(壁板尺寸6.34m1.5m)、機身、垂尾瑞典JAS-39301988碳/環氧樹脂(AS4/8552)機翼、機身、鴨翼、垂尾、進氣道德、英西、意EF-2000301994碳/增韌雙馬(T800/5245)機翼、前機身、中機身、尾翼蒙皮日FS-X18整體機翼、垂尾、平尾等英美洲豹虎碳/環氧樹脂機翼、方向舵復合材料與工程專業復合材料與工程專業占結構重量 百分比(%)機型材料表表1-2 民用飛機結構用材料重量百分比民用飛機結構用材料重量百分比復合材料鋁合金鈦合金鋼第1代Boing7070.2第2代Boing747A300158176441313第3代Boing767Boeing

25、757A320335.5807876.5264.5141213.5第4代Boing777A34011870757611845復合材料與工程專業復合材料與工程專業Iphone4 的前后外殼的前后外殼 玻璃鋼玻璃鋼學名玻璃纖維增強塑料。FRP-(Fiber Reinforced Plastics )纖維增強復合塑料，根據采用的纖維不同分為玻璃纖維增強復合塑料（GFRP），碳纖維增強復合塑料（CFRP），硼纖維增強復合塑料等； 它是以玻璃纖維及其制品（玻璃布、帶、氈、紗等）作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復合材料。46復合材料與工程專業復合材料與工程專業石墨烯散熱膜石墨烯散熱膜47復合材料與

26、工程專業復合材料與工程專業為什么能實現三防功能？為什么能實現三防功能？48復合材料與工程專業復合材料與工程專業普通的工程材料大多是均勻的、各向同性的普通的工程材料大多是均勻的、各向同性的均質：性能不是物體位置的函數均質：性能不是物體位置的函數各向同性：物體的性能在物體內的一點的每個方向都是各向同性：物體的性能在物體內的一點的每個方向都是相同的，性能不是一點方向上的函數相同的，性能不是一點方向上的函數復合材料一般表現為非均質和各向異性的，材料性復合材料一般表現為非均質和各向異性的，材料性能是位置和方向的函數能是位置和方向的函數各向異性：所有方向都有不同的性能，沒有材料對稱面各向異性：所有方向都有

27、不同的性能，沒有材料對稱面正交各向異性：在物體重的一點的三個相互垂直方向上正交各向異性：在物體重的一點的三個相互垂直方向上有不同的材料性能，此外還有三個相互垂直的有不同的材料性能，此外還有三個相互垂直的材料對材料對稱面稱面49復合材料與工程專業復合材料與工程專業宏觀力學宏觀力學假設材料是均質的，只從復合材料的平均表觀性假設材料是均質的，只從復合材料的平均表觀性質來檢驗組份材料的作用質來檢驗組份材料的作用細觀力學方法細觀力學方法固體力學與材料科學之間的交叉科學，從材料的固體力學與材料科學之間的交叉科學，從材料的細觀結構入手，研究其與材料力學性能的關系細觀結構入手，研究其與材料力學性能的關系用連續

28、介質力學研究材料的細觀結構與宏觀性能用連續介質力學研究材料的細觀結構與宏觀性能關系關系50復合材料與工程專業復合材料與工程專業材料學：從材料的物理、化學性質、材料工藝、結材料學：從材料的物理、化學性質、材料工藝、結構、組分的角度構、組分的角度Materials science tetrahedron;structure, processing, performance, and proprerties51復合材料與工程專業復合材料與工程專業固體力學：結構受力分析與材料的力學性能固體力學：結構受力分析與材料的力學性能示例：材料中的缺陷問題嚴重影響材料的強度等性示例：材料中的缺陷問題嚴重影響材料的

29、強度等性能，纖維比塊狀結構材料有更加完整的結構，晶體能，纖維比塊狀結構材料有更加完整的結構，晶體在纖維中沿著纖維軸向定位，內部缺陷少，有更高在纖維中沿著纖維軸向定位，內部缺陷少，有更高的強度的強度52復合材料與工程專業復合材料與工程專業 復合材料的可設計性是指，材料的性能（比如材料的性能（比如說強度、剛度、不同方向的力學性能）、形狀、說強度、剛度、不同方向的力學性能）、形狀、以及物理化學性能都可以通過復合材料的基體和以及物理化學性能都可以通過復合材料的基體和增強材料增強材料的選擇以及工藝的選擇來實現各種不同的需求。 根據我們的需求設計材料和結構材料和結構在我們所需要的方向上具有足夠的強度和剛度

30、，其他方向上不需要，消除材料冗余，提高材料效率。53復合材料與工程專業復合材料與工程專業生物復合材料的設計生物復合材料的設計從常規設計向從常規設計向仿生仿生設計發展設計發展仿照仿照竹子竹子從表皮到內層纖維由密排到疏松的特點，成功地制備從表皮到內層纖維由密排到疏松的特點，成功地制備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復合材出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復合材料。料。仿照仿照鮑魚殼鮑魚殼的結構，西雅圖華盛頓大學的研究人員利用由碳、的結構，西雅圖華盛頓大學的研究人員利用由碳、鋁和硼混合成陶瓷細帶制成了鋁和硼混合成陶瓷細帶制成了1010微米厚的薄層，由此得到的微米厚的薄層，由此得到的層狀復合材料比其原材料堅固層狀復合材料比其原材料堅固4040。仿照仿照骨骼骨骼的組織特點，人們制造了類似結構的風力發電機和直的組織特點，人們制造了類似結構的風力發電機和直升飛機的旋翼，外層是剛度、強度高的碳纖維復合材料，中升飛機的旋翼，外層是剛度、強度高的碳纖維復合材料，中層是玻璃纖維增強復合材料、內層是硬泡沫塑料層是玻璃纖維增強復合材料、內層是硬泡沫塑料。54復合材料與工程專業