复合材料结构设计基础
材料科学与工程学院
复合材料结构设计基础
李顺林 王兴业 主编 刘锡礼 刘德安 主审
武汉理工大学出版社
主讲教师：葛曷一，任保胜
从材料力学基础出发，介绍复合材料 力学、复合材料结构力学和复合材料构件 设计的基本知识。具体：复合材料经典层 合板理论、刚度和强度的计算方法、复合 材料结构元件的分析和典型产品结构设计 的基本步骤和方法等内容。
在《复合材料结构设计基础》讲授中，我们同样指 出学习必须遵循的三原则：第一，你一定有前提条件， 学生在听讲课时，必须需要具备其他知识；第二，你一 定给学生出难题，动脑筋的事儿特别多；第三你应该像 迎接丘比特一样喜爱阐述、假设、讨论、推理、计算或 其他方法。
1、绪论
1.1 复合材料(Composite Materials)定义、分类与命名
(1) 由两种或两种以上具有不同的化学或物理性 质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的 新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。
(2) 两种或两种以上不同化学性质或不 同组织相的物体，以微观形式或宏观 形式组合而成的材料。
（3）有连续相的基体(如聚合物－树脂、金属、 陶瓷等)与分散相的增强体材料(如各种纤维、织 物及粉末填料等)组成的多相体系。
课程先修 力学基础
材料力学和弹性力学
在《娱乐至死》节目中，美国学者尼尔·波兹曼提到 了娱乐遵循的三原则：第一，你不能有前提条件，观众 在观看你的节目时，不需要具备其他知识；第二，你不 能给观众出难题，动脑筋的事儿别涉及；第三你应该像 躲避瘟神一样避开阐述、争论、假设、讨论、说理、辩 驳或其他传统演说方法。
颗粒强化 复合材料
弥散强化 连续纤维 复合材料由纤维复在合三材维料多
方向编织而成
不连续纤维 复合材料
颗粒直径范围1~50μm，颗 粒体积含量25％~70%，增层强合颗 粒之间由的无距纬离布一或般纤大维于1μ结m。构 颗粒的织作物用铺：叠由而于成颗粒本复身合的 刚硬阻止基体变形而起到材增料强 作用。
多向 编织 复合 材料
聚
丙
我国碳纤维工业发展缓慢，与发
烯
达国家比较存在很大差距。
腈
国内碳纤维发展过程
基
中国PAN基CF市场概况、特点
纤 维
大力发展聚丙烯腈基纤维既有需
发
要也有可能。
展
玻璃纤维结构调整
改进和发展纱类、机织物、无 纺毡、编织物、缝编织物、复 合毡，推进玻纤与玻钢两行业 密切合作，促进玻璃纤维增强 材料点发展物理回收（粉碎回收）、化学回 收（热裂解）和能量回收，加强技术路线、综 合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用 研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、 在拉挤制品中的应用以及在SMC/BMC模压制 品中的应用和典型产品中的应用。
1.3复合材料及其结构设计的特点
1.3.1比强度高、比模量高
纤强度维、增低强模塑量料、是低由密高度强、度韧、((内12))性脆部组由较性缺分于好、陷材纤低的要料维树密比密具脂度块度有基的状都 很纤体形较小所维式低的组材的；直成料材径与。料，低少其
Al2O3晶须/铝
得多碳，化所硼以/铝强度较高。
σ/r(106cm)
10 2 3 4 5
碳纤维增强环氧树脂复合材 料、玻璃纤维增强不饱和聚 酯树脂复合材料等。
(4) 俗称
玻璃钢就是玻璃 纤维增强树脂基 复合材料的俗称
1.2 复合材料的发展简史与现状
泥坯(稻草掺入泥中)、 弓(木材为芯，在受拉 面胶有平行的纤维)。
十九世纪末期出现由纤维增强 橡胶制成的轮胎、橡胶布。
20世纪40年代初，美国首先用玻璃纤维 增强塑料制造飞机雷达天线罩。之后，玻 纤增强塑料（我国俗称玻璃钢）广泛用于 航空、造船、汽车、化工、电器等国防和 国民经济各部门。
我国先进复合材料的应用和研究是从20 世纪60年代末期开始的。
复合材料创新 聚丙烯腈基纤维发展 玻璃纤维结构调整 开发能源、交通用复合材料市场 纤维复合材料基础设施应用 复合材料综合处理与再生
复
包括复合材料的技术发展、复合材料的
合
工艺发展、复合材料的产品发展和复合
材 料 创 新
材料的应用，具体要抓住树脂基体发展 创新、增强材料发展创新、生产工艺发 展创新和产品应用发展创新。
缠绕 结构 复合 材料
由短纤切维粗纱晶缠须 绕纤或维纤维织复物合 带复按合一定缠材绕料 规材律料卷绕而成
(1) 强调基体
即强调了基体材料的 种类和特征
酚醛树脂基复合 材料、铝合金基 复合材料等
(2) 强调增强体 即强调增强材 料的
种类和性质
碳纤维复合材料、金 属纤维复合材料、玻 璃纤维复合材料等
(3) 基体与增强体并用 即同时出现基体材料 和增强体材料
以其力学性能如强度、刚
结构复合材料
度、形变等特性为工程所 应用，主要用于结构承力
或维持结构外形。
用
途
以其声、光、电、热、磁等 物理特性为工程所应用，用于如
功能复合材料 绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减
振或热变形等热、声、光、电、
磁的功能要求。
基体材料(连续相)
组成
增强材料(分散相)
粘结、保护 纤维，并传 递应力
开发能源、交通用复合材料市场
清洁、可再生能源用复合材料； 汽车、城市轨道交通用复合材料； 民航客机用复合材料； 船艇用复合材料。
纤维复合材料基础设施应用
国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中 的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优 点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工 程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。
玻璃/ 环氧
硼/环氧 碳/环氧
Al2O3晶须/Ni
铍
复合材硼/料铝 在飞机上使
钢 铝
硼/钼 用先量进硼已性/镍作的为指当标代之飞一机
几种常用 材料和纤 维增强复 合材料比 强度、比 模量的比 较
3 45
10
E/r(106cm)
20 30 40
材料名称 钢 铝
玻纤/聚酯CM 碳纤/环氧CM
比强度 0.13 0.17 0.53 1.03
复合材料
金属基复 合材料
非金属基 复合材料
高聚物基 复合材料
陶瓷基复 合材料
树脂基复 合材料
橡胶基复 合材料
热固性树脂 基复合材料
热塑性树脂 基复合材料
颗粒直径范围0.01~0.1复μm合，材料 颗粒体积含量1％~15％。颗
粒位的 错作运颗复用动粒合：而增材阻起强料止到基增体强材作料用的。
纤维增强 复合材料