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： 主讲教师：葛曷一 曹笃霞
从材料力学基础出发， 从材料力学基础出发，介绍复合材料 力学、 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： 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、 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。 的基本步骤和方法等内容。
σ/r(106cm)
10 2
4 3
材料名称 钢 铝 玻纤/聚酯 玻纤 聚酯CM 聚酯 碳纤/环氧 碳纤 环氧CM 环氧
比强度 0.13 0.17 0.53 1.03
比模量 0.27 0.26 0.21 0.21
1.3.2 复合材料结构设计的特点
(1) 复合材料既是一种材料又是一种结构
(2) 复合材料具有可设计性 (3) 复合材料结构设计包含材料设计
可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一 设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要 对结构设计的同时对材料本身进行设计。 求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。 具体体现在两个方面 力学设计—— 力学设计 给制品一定的 强度和刚度 功能设计——给 给 功能设计 制品除力学性能 外的其他性能
Al2O3晶须 铝 晶须/铝 玻璃/ 玻璃 环氧 5 硼/环氧 环氧 碳/环氧 环氧 铍
Al2O3晶须 晶须/Ni 钢 铝 3 4
复合材料在飞机上使 硼/铝 铝 用量已作为当代飞机 硼/镍 镍 硼/钼 先进性的指标之一 钼
5 10 E/r(106cm) 20 30 40
几种常用 材料和纤 维增强复 合材料比 强度、 强度、比 模量的比 较
结构复合材料
用途
以其力学性能如强度、 以其力学性能如强度、 刚度、 刚度、形变等特性为工程 所应用， 所应用，主要用于结构承 力或维持结构外形。 力或维持结构外形。
功能复合材料
以其声、 以其声、光、电、热、磁等 物理特性为工程所应用， 物理特性为工程所应用，用于如 绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、 绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减 振或热变形等热、 振或热变形等热、声、光、电、 磁的功能要求。 磁的功能要求。
耦合变形的示例
(2) 非均质性
耦合变形： 耦合变形： 层合结构复合材料在一种外力作 用下， 用下，除了引起本身的基本变形 还可能引起其他基本变形。 外，还可能引起其他基本变形。
(3) 层间强度低
在结构设计时， 在结构设计时，应尽量 减小层间应力， 减小层间应力，或采取 某些构造措施， 某些构造措施，以避免 层间分层破坏。 层间分层破坏。
课程先修 力学基础 材料力学和弹性力学
1.1 复合材料 复合材料(Composite Materials)定义、分类与命名 定义、 定义
(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。 新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。
(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、 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、 碳纤维复合材料、金 属纤维复合材料、 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
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。 酯树脂复合材料等。
组分材料和铺层方向可按照设计要求 进行选择。 进行选择。选择不同的基体材料与增强材 料以及它们的含量比， 料以及它们的含量比，不同的铺层方向与 构成形式，可以构成不同性能的复合材料。 构成形式，可以构成不同性能的复合材料。 组分材料有其自己的固有特性，而且组分 组分材料有其自己的固有特性， 材料之间要彼此相容(包括物理 化学、 包括物理、 材料之间要彼此相容 包括物理、化学、力 学等方面)，使其真正复合成一个整体， 学等方面 ，使其真正复合成一个整体，成 为一种新材料。 为一种新材料。
纤维复合材料基础设施应用
国内外复合材料在桥梁、房屋、 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 的基础应用广泛， 特别是在桥梁上和在房屋补强、 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。 程以料综合处理与再生
聚 丙 烯 腈 基 纤 维 发 展
我国碳纤维工业发展缓慢， 我国碳纤维工业发展缓慢，从 CF发展回顾、特点、国内碳纤维发 发展回顾、 发展回顾 特点、 展过程、中国PAN基CF市场概况、 市场概况、 展过程、中国 基 市场概况 特点、 十五”科技攻关情况看， 特点、“十五”科技攻关情况看，发 展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。 展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。
1.3复合材料及其结构设计的特点 复合材料及其结构设计的特点
1.3.1比强度高、比模量高 比强度高、 比强度高
(1) 组分材料密度都较低； 组分材料密度都较低； 纤维增强塑料是由高强度、脆性、 纤维增强塑料是由高强度、脆性、低密度的纤维材料与低 (2) 由于纤维具有很小的直径，其 由于纤维具有很小的直径， 强度、低模量、低密度、韧性较好的树脂基体所组成。 强度、低模量、低密度、韧性较好的树脂基体所组成。 内部缺陷要比块状形式的材料少 得多，所以强度较高。 得多，所以强度较高。 碳化硼/铝 碳化硼 铝
玻璃纤维结构调整
改进和发展纱类、机织物、 改进和发展纱类、机织物、无 纺毡、编织物、缝编织物、 纺毡、编织物、缝编织物、复 合毡， 合毡，推进玻纤与玻钢两行业 密切合作， 密切合作，促进玻璃纤维增强 材料的新发展。 材料的新发展。
开发能源、 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； 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； 汽车、城市轨道交通用复合材料； 民航客机用复合材料； 民航客机用复合材料； 船艇用复合材料。 船艇用复合材料。
1.3.3 复合材料力学性能的特点
(1) 各向异性性能
(2) 非均质性
(3)层间强度低 层间强度低
(1) 各向异性性能 材料弹性主方向： 材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵 用字母L表示 与其垂直的另一主方向称为横向， 表示， 向，用字母 表示，与其垂直的另一主方向称为横向， 用字母T表示 表示。 用字母 表示。 通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独 通常的各向同性材料中， 立的工程弹性常数有两个： 弹性模量 弹性模量)和 泊松比 泊松比) 立的工程弹性常数有两个：E(弹性模量 和ν(泊松比 或剪切弹性模量G。 或剪切弹性模量 。
1.3.4 几个基本假设
研究复合材料的刚度和强度时，基本假设： 研究复合材料的刚度和强度时，基本假设：
E G = 2 (1 + ν )
对于复合材料中的每个单层， 对于复合材料中的每个单层，表达材料弹性性能的独立 的工程弹性常数有四个：纵向弹性模量EL、横向弹性模量ET、 的工程弹性常数有四个：纵向弹性模量 横向弹性模量 或横向泊松比ν 纵向泊松比 νL (或横向泊松比 T)、面内剪切弹性模量 LT。 或横向泊松比 、面内剪切弹性模量G 耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、 耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合
重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回 重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回 ）、 热裂解）和能量回收，加强技术路线、 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， 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、 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 在拉挤制品中的应用以及在 模压制 品中的应用和典型产品中的应用。 品中的应用和典型产品中的应用。
颗粒直径范围1~50m，颗 ， 颗粒直径范围 粒体积含量25％ 粒体积含量 ％~70%，增强颗 ， 层合 粒之间的距离一般大于1m。 粒之间的距离一般大于 结构 。 由无纬布或纤维 颗粒的作用： 颗粒的作用：由于颗粒本身的 织物铺叠而成 复合 刚硬阻止基体变形而起到增强 材料 作用。 作用。
由纤维粗纱缠 短切 晶须 绕或纤维织物 纤维 复合 带按一定缠绕 复合 材料 规律卷绕而成 材料
20世纪 年代初，美国首先用玻璃 世纪40年代初 世纪 年代初， 纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。 纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之 玻纤增强塑料（我国俗称玻璃钢） 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、 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。 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 世纪60年代末期开始的 从20世纪 年代末期开始的。 世纪 年代末期开始的。
基体材料(连续相 基体材料 连续相) 连续相
组成
粘结、 粘结、保护 纤维， 纤维，并传 递应力
增强材料(分散相 增强材料 分散相) 分散相
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 树脂基复 合材料 热固性树脂 基复合材料 陶瓷基复 合材料 橡胶基复 合材料
热塑性树脂 基复合材料
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、 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 合 材 料 创 新
包括复合材料的技术发展、 包括复合材料的技术发展、复合材料的 工艺发展、 工艺发展、复合材料的产品发展和复合 材料的应用， 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、 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。 展创新和产品应用发展创新。
1、绪论 、