《复合材料力学分析》课程教学课件（讲稿）第1章 绪论 Mechanical Analysis of Composite Materials（西安交通大学：尚福林）

绪论第1章复合材料基本概念1.11.2复合材料的种类1.3复合材料的构造及制法1.4复合材料的性能和优缺点1.51复合材料的力学分析

第1章 绪论 1.1 复合材料基本概念 1.2 复合材料的种类 1.3 复合材料的构造及制法 1.4 复合材料的性能和优缺点 1.5 复合材料的力学分析

1.1复合材料基本概念ISO定义：复合材料是两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合（人工复合）而成的一种多相固体材料。CM的物理特性被显著改变！包含两种或更多不同的组分材料或相（在微观/宏观尺度，并非原子尺度，alloy？）：提供基（1）增强材料（增强相，Reinforcement）本性能(2)基体材料（基体相，Matrix）支撑R/保持材料形状/传递载荷等（3）结合部：界面相，Inter-phase关键因素：成分、配比、复合工艺（合理设计！）

1.1 复合材料基本概念 ▪ ISO定义：复合材料是两种或两种以上物理和化 学性质不同的物质组合（人工复合）而成的一种 多相固体材料。CM的物理特性被显著改变！ ▪ 包含两种或更多不同的组分材料或相（在微观/宏 观尺度，并非原子尺度，alloy?）： （1）增强材料（增强相，Reinforcement）提供基 本性能 （2）基体材料（基体相，Matrix）支撑R/保持材 料形状/传递载荷等 （3）结合部：界面相，Inter-phase 关键因素：成分、配比、复合工艺（合理设计！）

复合材料基本概念增强材料在复合材料中起主要作用，由它提供复合材料的刚度和强度。纤维是焦点，基体材料起配合作用，它支持和固定纤维材料传递纤维间的载荷，保护纤维等。？基体材料也可以改善复合材料的某些性能。例如要求比重小，则选取树脂作基体材料。要求有耐高温性能，可用陶瓷作为基体材料。为得到较高的韧性和剪切强度，一般考虑用金属作为基体材料。树脂的性能不重要？NASA的研究改变了这种看法：树脂性能非常关键！开发了复材增韧技术

复合材料基本概念 ▪ 增强材料在复合材料中起主要作用，由它提供复 合材料的刚度和强度。纤维是焦点； ▪ 基体材料起配合作用，它支持和固定纤维材料， 传递纤维间的载荷，保护纤维等。？ ▪ 基体材料也可以改善复合材料的某些性能。例如 要求比重小，则选取树脂作基体材料。要求有耐 高温性能，可用陶瓷作为基体材料。为得到较高 的韧性和剪切强度，一般考虑用金属作为基体材 料。 ▪ 树脂的性能不重要？NASA的研究改变了这种看 法：树脂性能非常关键！开发了复材增韧技术

复合材料基本概念常见的人工复合材料有玻璃纤维（glassfiber）、碳纤维(carbon fiber)，硼纤维(boron fiber)，芳纶纤维(aramid fiber)与树脂复合而成的材料Fibrous composites.纤维增强树脂材料(fiberreinforcedplastics:FRP）是先进复合材料中的典型代表。与CF相配合的树脂：多为热固性树脂酚醛树脂Phenolics,PH；环氧树脂Epoxies,EP双马来酰亚胺Bismaleimides.BM氰酸酯CyanateestersCE；聚酰亚胺Polyimides,PI

复合材料基本概念 ▪ 常见的人工复合材料有玻璃纤维(glass fiber)、碳 纤维(carbon fiber)，硼纤维(boron fiber)，芳纶 纤维(aramid fiber)与树脂复合而成的材料。 Fibrous composites. ▪ 纤维增强树脂材料(fiber reinforced plastics: FRP) 是先进复合材料中的典型代表。 ▪ 与CF相配合的树脂：多为热固性树脂 酚醛树脂Phenolics, PH；环氧树脂Epoxies, EP 双马来酰亚胺Bismaleimides, BMI 氰酸酯Cyanate esters, CE；聚酰亚胺Polyimides, PI

(b)玻璃纤维(a)碳纤维(d)碳纤维织物(c)芳纶纤维

图1-4环氧树脂及其固化辅助剂

纤维与基体的组合界面相？增强纤维基体碳硼玻璃芳纶氧化铝碳化硅热固性树脂不饱和聚酯树O444xx脂00004o环氧树脂004444聚酰亚胺树脂热塑性树脂0404PEEKxx044泛用树脂xxx金属000铝0x×钛0O04xx0镁444x×◎好×差○较好A一般

纤维与基体的组合（界面相？） 基 体 增 强 纤 维 玻璃 芳纶 碳 硼 碳化硅 氧化铝 热固性树脂 不饱和聚酯树 脂       环氧树脂       聚酰亚胺树脂       热塑性树脂 PEEK       泛用树脂       金属 铝       钛       镁        好  较好  一般  差

碳纤维与基材树脂的结合？实为碳纤维表面的浆料与基材树脂的结合！碳纤维制造的最后工序：对纤维进行表面处理并上浆，使纤维表面附着一层浆料，保护纤维。浆料多为溶于水的树脂根据相关报道：原丝、氧化、碳化、浆料为各制造商的商业秘密。浆料技术最为神秘！（日本东丽公司有上千种？）复合材料公司：提供碳纤维纺织物，提供配套的基材树脂matrix）和预浸料（半固化片）

碳纤维与基材树脂的结合？ 实为碳纤维表面的浆料与基材树脂的结合！ ▪ 碳纤维制造的最后工序：对纤维进行表面处理 并上浆，使纤维表面附着一层浆料，保护纤 维。浆料多为溶于水的树脂。 根据相关报道：原丝、氧化、碳化、浆料为各 制造商的商业秘密。浆料技术最为神秘！(日本 东丽公司有上千种 ?) ▪ 复合材料公司： ▪ 提供碳纤维纺织物，提供配套的基材树脂 (matrix)和预浸料(半固化片)

界面和界相Interface,interphase界面是复材性质的决定性因素界面是从基体到增强体的过渡区域，并非单纯的一个几何面：其微观结构和性质均不同，取决于基体和增强体、增强体的表面处理、复材制备工艺等；界面区的宽度：数纳米至数干微米：界面结合bonding或黏结adhesion来源于两者相接触表面之间的化学结合或物理结合：结合机理包括吸附和浸润、静电吸引、原子或分子相互扩散、机械啮合、化学键合（化学基团、化学反应形成新的化合物）、范德华力。CF/EP？

界面和界相 Interface, interphase ▪ 界面是复材性质的决定性因素。 ▪ 界面是从基体到增强体的过渡区域，并非单纯 的一个几何面；其微观结构和性质均不同，取 决于基体和增强体、增强体的表面处理、复材 制备工艺等； ▪ 界面区的宽度：数纳米至数十微米； ▪ 界面结合bonding或黏结adhesion来源于两者相接 触表面之间的化学结合或物理结合；结合机理 包括吸附和浸润、静电吸引、原子或分子相互 扩散、机械啮合、化学键合（化学基团、化学 反应形成新的化合物）、范德华力。CF/EP?

界面的作用将增强体育基体处理黏结在一起形成复材整体：将载荷从基体传递到增强体：或者偏转基体中裂纹的传播方向！（界面高性能复材需增强界面结合：高界面强度剪切强度和横向拉伸强度）：常用方法：纤维表面处理、赋予其新的化学/物理性质，以形成更强固结合；例如，交联剂处理、氧化处理、等离子体蚀刻、化学蚀刻、化学接枝、添加交联剂：基体材料改性：！还有弱结合界面：以增强材料的韧性。为什么？

界面的作用 ▪ 将增强体育基体处理黏结在一起形成复材整体； 将载荷从基体传递到增强体；或者偏转基体中裂 纹的传播方向！ ▪ 高性能复材需增强界面结合：高界面强度（界面 剪切强度和横向拉伸强度）； ▪ 常用方法：纤维表面处理、赋予其新的化学/物 理性质，以形成更强固结合；例如，交联剂处理 、氧化处理、等离子体蚀刻、化学蚀刻、化学接 枝、添加交联剂；基体材料改性； ▪ 还有弱结合界面：以增强材料的韧性。为什么？