教材：沈觀林，復合材料力學，清華大學出版社，2006學時：32h。1-8周，最后一次課考試復合材料力學2021/10/10星期日1第一章緒論§1.2

連續纖維復合材料的構造§1.1

概述§1.3

復合材料的特點§1.4

復合材料的應用§1.5

復合材料的力學分析方法回總目錄2021/10/10星期日2§1.1概述復合材料(CompositeMaterial)是由兩種或兩種以上不同性質的材料在細觀尺度上用物理或化學方法制成的具有新性能的材料。1°復合材料的定義§1.1(1)2021/10/10星期日3其它定義：“復合材料中，復合是由兩種或多種材料在宏觀尺度上組合成為一種有用的材料”。

(Jones.R.M)“復合材料是由兩種或更多的組分材料結合在一起，復合后的整體性能應超過組分材料，保留了所期望的特性(高強度、剛度、重量輕)，抑止了不期望的特性(低延性)”。(Tsai.S.W)§1.1(1)2021/10/10星期日4“復合材料是多功能的系統材料，它們可提供任何單一材料所無法獲得的特性，它們是由兩種或多種成分不同、性質不同、有時形狀也不同的相容材料，以物理形式結合而成的；(Javitz.A.E)“復合材料是不同于合金的一種合成材料，這種材料里每一種組分都保留著它們獨立的特性，構成復合材料時僅取決于它們的優點而避開其缺點，以便獲得一種改善了的材料。”(Berghezen.A)§1.1(1)2021/10/10星期日5“復合材料是把第二種材料(B)加到第一種材料(A)中形成的，以便控制第一種材料成為所期待的物理形態，然后把(B)組分除去，也可以不除去。”

(Kellyvitz.A)§1.1(1)2021/10/10星期日6§1.1(2)2°復合材料應具有的條件根據Berghezen的闡述，復合材料應具有如下條件：選擇合適的單元組分各單元組分之間應成為理想的“配偶”具有一定的幾何要求和良好的粘接狀態復合后單元組分必需保留其固有特性復合后各組分應能發揮“揚長避短、相互支援”的作用復合后整體特性優于各組分特性2021/10/10星期日7§1.1(3)3°復合材料的分類按用途或應用性質分類按增強材料形狀分類按基體材料分類2021/10/10星期日8分類一復合材料按照其用途或應用性質分類，可分為兩大類：功能復合材料，包括有：導電復合材料、耐磨復合材料、耐熱復合材料、耐腐蝕復合材料、透波復合材料等，燒蝕材料，摩阻材料等。2021/10/10星期日9分類一結構復合材料(主要研究)指各種承力結構材料，由基體材料和增強材料兩種組分組成，基體采用各種樹脂或金屬、非金屬材料；增強材料采用各種纖維狀材料或其它材料，它在復合材料中起主要作用，提供復合材料的剛度和強度，基體起配合作用，支持和固定纖維，傳遞纖維間的載荷。保護纖維，防止磨損或腐蝕，改善復合材料的某些性能。2021/10/10星期日10分類二復合材料按照其增強材料的形狀分類，可分為三類：顆粒增強復合材料纖維增強復合材料片狀復合材料2021/10/10星期日11顆粒增強顆粒增強復合材料的顆粒堅硬；這種復合材料可看作各向同性體；其基體是主要承載體，顆粒則阻礙位錯的產生和運動，以提高強度和剛度，但脆性增加。2021/10/10星期日12片狀增強層合復合材料—至少由兩層不同材料復合而成，增強其強度、剛度、耐腐蝕、耐損傷等。(1)雙金屬片(2)涂復金屬(3)夾層玻璃(4)Sandwich2021/10/10星期日13纖維增強纖維增強復合材料(FibreReinforcedCompositeMaterial——FRCM)的纖維強度很高，而基體較弱；纖維主要用于傳遞軸向力，基體則傳遞剪力。纖維增強復合材料按不同的方法分類，又進一步可分為：

短纖維CM和長纖維CM

高性能FRCM和低性能FRCM

單一纖維CM和混雜纖維CM2021/10/10星期日14圖1復合類型2021/10/10星期日15分類三復合材料按照其基體材料進行分類，可分為：聚合物基復合材料金屬基復合材料(CMC)陶瓷基復合材料碳基體復合材料2021/10/10星期日16§1.1(4)4°復合材料的開發設計程序——10步對象載荷及其分布任務材料特性材料性能實驗數據成本選擇材料數種材料數種方法取最優應力狀態分析估算與結構關系連接形式特殊加工迭加效應幾何形式工藝性層合板形式、尺寸、結構形式、經濟性層合板應力狀態分析強度分析準則安全系數動態分析最終設計12345678910圖2開發設計程序2021/10/10星期日17§1.2連續纖維復合材料的構造1°單向板(UnidirectionalLaminate)§1.2(1)圖3單層復合材料構造形式類型2021/10/10星期日18§1.2(2)2°層合板(MultidirectionalLaminate)層合板結構層合板的表示方法幾種特殊的層合板2021/10/10星期日19層合板結構圖4疊層材料構造形式2021/10/10星期日20層合板的表示層合板的表示方法是按疊層順序依次將各鋪層(ply)的角度寫入方括號中，并用斜杠分隔之。例如：[0/90/45/0/45/90/0]、[30/-30]當有對稱面時，可只寫一半，并用下標S表示對稱。例如：[60/0/0/60]→[60/0]s當有重復鋪層時，可用數字下標表示。例如：

[60/60/0/0/60/60]→[602/0]s[30/-30/0/0/-30/30]→[±30/0]s

[30/0/0/30/30/0/0/30]→[30/0]2s半重復層合板的表示方法為：

[-30/60/0/60/-30]→[-30/60/ō]s2021/10/10星期日21幾種特殊層合板斜交板(Cross-plyLaminate)：

[±θ]ns——正交各向異性正交板：

[0n1/90n2]ns——正交各向異性π板——各鋪層含量相同，交錯π/m弧度，為準各向同性，例如：

[0/45/90/-45]s

——π/4板

[0/30/60/90/-60/-30]s

——π/6板2021/10/10星期日22§1.3復合材料的特點1°重量輕——比強度和比剛度高2°可設計性3°抗疲勞斷裂特性好4°制造成本低5°各向異性6°材料性能分散性大§1.32021/10/10星期日23特點一復合材料的比強度σb

/γ和比剛度E/γ較高，尤其是CFRP。例如：材料密度γ縱向拉伸強度σb縱向拉伸模量E比強度σb/γ比剛度E/γ玻璃／環氧高強碳／環氧高模碳／環氧硼／環氧Kevlar49／環氧碳／石墨碳／鋁碳／鎂硼／鋁1.801.501.691.971.382.202.341.832.6413701330636152013107388005101520450001550003020002150007800013700012000030100023400076188737677194933534227957625000103000179000109000570006200051000164000890002021/10/10星期日24特點二使用復合材料，可使設計提前到材料的制造階段，以最有效地發揮材料的潛力和作用。例如：圖5可設計復合材料結構2021/10/10星期日25特點三與金屬材料相比，復合材料的抗疲勞斷裂性能要好。一般而言，復合材料：σe

≈60％σb金屬材料：

σe

≈30％σb2021/10/10星期日26特點四復合材料之所以制造成本低，是因為：膠接連接，共固化無連接件制造工序少一次成型，材料浪費少但目前復合材料的材料成本卻相當昂貴，因此使得復合材料的售價較高。2021/10/10星期日27特點五由于復合材料的各向異性，使得：層間剪切強度一般很低缺口處的應力集中較大，例如：金屬材料：復合材料：e.g.T300/5208CME11＝98.07GPa，E22＝8.83GPa，

12＝0.31，G12=5.20GPa對單向板：KT=5.99圖6應力集中2021/10/10星期日28特點六由于復合材料性能的分散性較大，將會給質量控制和檢測帶來困難。例如：金屬材料：σb的變異系數約為5％σe的變異系數約為8％復合材料：σb的變異系數大于10％σe的變異系數大于15％2021/10/10星期日29§1.4復合材料的應用1°在航空結構上的應用2°在航天工程中的應用3°在車輛制造業的應用4°其他用途§1.4復合材料是各國目前都正在大力發展的新型材料，使得其性能不斷提高，同時在先進結構上也得到了越來越廣泛的應用。2021/10/10星期日30應用于航空(1)航空工程中應用復合材料的例子如表1－7：碳纖維樹脂基發動機葉片，玻璃鋼直升機飛機螺旋槳，非金屬蜂窩夾層雷達罩，CF/GF復合材料、中間硼纖維增強蜂窩結構飛機機身，平尾，水平安定面，垂直安定面，石墨纖維復合材料噴氣發動機，CF/KF混雜復合材料整流罩、主起落架艙門等。AD200/400，基本上是高強玻璃纖維/環氧復合材料制造的。2021/10/10星期日31應用于航空(1)F-15復合材料全動平尾；F-16復合材料方向舵和水平尾翼；空客A310－300，全復合材料垂直安定面盒形，結構簡單；波音767飛機地板梁和所有操縱面，采用了約2噸復合材料；安－124部件使用了5.5噸復合材料；2021/10/10星期日32應用于航空(2)1986年BurtRutan公司及其合作者設計和制造的Voyager（旅行者號），創下了全球飛行的世界記錄；2021/10/10星期日33應用于航空(2)美國格魯門公司鴨式氣動布局的X-29前掠翼飛機于1987年試飛成功。2021/10/10星期日34應用于航空(2)美國B-2隱形轟炸機2021/10/10星期日35應用于航空(3)復合材料在航空工程中的應用2021/10/10星期日36應用于航空(4)復合材料在航空工程中的應用2021/10/10星期日37應用于航空(5)復合材料在航空工程中的應用2021/10/10星期日38應用于航空(6)復合材料在航空工程中的應用2021/10/10星期日39應用于航天(1)復合材料在航天工程中的應用如表1－7：纖維復合材料發動機殼體，金屬蜂窩增強陶瓷的彈頭，鋁面板玻璃布蜂窩夾芯火箭隔艙，鋁面板酚醛玻璃布蜂窩夾芯儲箱共底，中間硼纖維增強蜂窩結構飛機機身，航天飛機石墨環氧層壓面板Nomex夾芯蜂窩的機身艙門，石墨/鋁復合材料的外科構架、太陽能電池帆板、天線等。2021/10/10星期日40應用于航天(2)復合材料在航天工程中的應用2021/10/10星期日41應用于航天(3)2021/10/10星期日42應用于車輛復合材料在車輛制造業中的應用又包括：火車——機車車身、車廂門窗、臥鋪床板等汽車——這是復合材料應用很活躍的領

域，可用于汽車車身、彈簧、驅動軸、引擎、保險杠、底盤、方向盤等上百個部件自行車2021/10/10星期日43其他應用(1)復合材料還被廣泛地應用于各行各業，例如：船舶工程——艦艇、漁船、游艇、賽艇等建筑工程——大型場館的屋頂、裝飾板、各種水管、公路橋梁等兵器工業——坦克裝甲、炮彈殼、槍把、防彈背心、頭盔等化學工程——貯罐、管道、冷凝器、蒸發器、吸收塔、離心泵等2021/10/10星期日44其他應用(2)體育器械——滑雪板、網球拍、棒球棒、撐竿、標槍桿、釣魚桿、弓箭、各種球棍等醫學領域——人造關節、骨骼等人體內部材料、假肢等；醫療設備支架、

X光底片暗盒、床板等機械工程——風機葉片和滑輪葉片