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復(fù)合材料力學(xué)常識(shí)

閱讀：363發(fā)布時(shí)間：2022-2-8

在自然界中，存在著大量的復(fù)合材料，如竹子、木材、動(dòng)物的肌肉和骨骼等。從力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，天然復(fù)合材料結(jié)構(gòu)往往是很理想的結(jié)構(gòu)，它們?yōu)榘l(fā)展人工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供了仿生學(xué)依據(jù)。

人類早已創(chuàng)制了有力學(xué)概念的復(fù)合材料。例如，古代中國(guó)人和猶太人用稻草或麥秸增強(qiáng)蓋房用的泥磚；兩千年前，中國(guó)制造了防腐蝕用的生漆襯布；由薄綢和漆粘結(jié)制成的中國(guó)漆器，也是近代纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的雛形，它體現(xiàn)了重量輕、強(qiáng)度和剛度大的力學(xué)優(yōu)點(diǎn)。

以混凝土為標(biāo)志的近代復(fù)合材料是在一百多年前出現(xiàn)的。后來(lái)，原有的混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足高層建筑的強(qiáng)度要求，建筑者轉(zhuǎn)而使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中的鋼筋提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，從而解決了建筑方面的大量問題。

20世紀(jì)初，為滿足方面對(duì)材料力學(xué)性能的要求，人們開始研制新材料，并在20世紀(jì)40年代研制成功玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（即玻璃鋼）。它的出現(xiàn)豐富了復(fù)合材料的力學(xué)內(nèi)容。50年代又出現(xiàn)了強(qiáng)度更高的碳纖維、硼纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料的力學(xué)研究工作由此得到很大發(fā)展，并逐步形成了一門新興的力學(xué)學(xué)科——復(fù)合材料力學(xué)。

為了克服碳纖維、硼纖維不耐高溫和抗剪切能力差等缺點(diǎn)，近二十年來(lái)，人們又研制出金屬基和陶瓷基的復(fù)合材料。華人在復(fù)合材料的研究中做出了很多貢獻(xiàn)，但中國(guó)在復(fù)合材料力學(xué)研究方面的起步和水平晚于歐美十到十五年。 

進(jìn)入20世紀(jì)60年代后，復(fù)合材料力學(xué)發(fā)展的步伐加快了。1964年羅森提出了確定單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料縱向壓縮強(qiáng)度的方法。1966年惠特尼和賴?yán)岢隽舜_定復(fù)合材料彈性常數(shù)的獨(dú)立模型法。1968年，經(jīng)蔡為侖和希爾的多年研究形成了蔡-希爾破壞準(zhǔn)則；后于1971年又出現(xiàn)了張量形式的蔡-吳破壞準(zhǔn)則。

1970年瓊斯研究了一般的多向?qū)影?，并得到?jiǎn)單的精確解；1972年惠特尼用雙重傅里葉級(jí)數(shù)，求解了扭轉(zhuǎn)耦合剛度對(duì)各向異性層板的撓度、屈曲載荷和振動(dòng)的影響問題，用這種方法求解的位移既滿足自然邊界條件，又能很快收斂到精確解；同年，夏米斯、漢森和塞拉菲尼研究了復(fù)合材料的抗沖擊性能。另外，蔡為侖在單向?qū)影宸蔷€性變形性能的分析方面，亞當(dāng)斯在非彈性問題的細(xì)觀力學(xué)理論方面，索哈佩里在復(fù)合材料粘彈性應(yīng)力分析等都做了開創(chuàng)性的研究工作。

近年來(lái)，混雜復(fù)合材料力學(xué)性能的研究吸引了一些學(xué)者的注意力。林毅于1972年首先發(fā)現(xiàn)，混雜復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線部分所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，已超過(guò)混雜復(fù)合材料中具有低延伸率的纖維的破壞應(yīng)變。這一不易理解的現(xiàn)象，于1974年又被班塞爾等所發(fā)現(xiàn)，后人稱之為“混雜效應(yīng)"。

合材料力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)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(fù)合材料的力學(xué)問題。復(fù)合材料具有明顯的非均勻性和各向異性性質(zhì)，這是復(fù)合材料力學(xué)的重要特點(diǎn)。

復(fù)合材料由增強(qiáng)物和基體組成，增強(qiáng)物起著承受載荷的主要作用，其幾何形式有長(zhǎng)纖維、短纖維和顆粒狀物等多種；基體起著粘結(jié)、支持、保護(hù)增強(qiáng)物和傳遞應(yīng)力的作用，常采用橡膠、石墨、樹脂、金屬和陶瓷等。

近代復(fù)合材料最重要的有兩類：一類是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，主要是長(zhǎng)纖維鋪層復(fù)合材料，如玻璃鋼；另一類是粒子增強(qiáng)復(fù)合材料，如建筑工程中廣泛應(yīng)用的混凝上。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種高功能材料，它在力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等方面都明顯優(yōu)于單一材料。

發(fā)展纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是當(dāng)前國(guó)際上極為重視的科學(xué)技術(shù)問題?，F(xiàn)今在方面，飛機(jī)、火箭、、人造衛(wèi)星、艦艇、坦克、常規(guī)裝備等，都已采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；在民用方面，運(yùn)輸工具、建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)器和儀表部件、化工管道和容器、電子和核能工程結(jié)構(gòu)，以至人體工程、醫(yī)療器械和體育用品等也逐漸開始使用這種復(fù)合材料。

復(fù)合材料的特性
 
復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度較高。材料的強(qiáng)度除以密度稱為比強(qiáng)度；材料的剛度除以密度稱為比剛度。這兩個(gè)參量是衡量材料承載能力的重要指標(biāo)。比強(qiáng)度和比剛度較高說(shuō)明材料重量輕，而強(qiáng)度和剛度大。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)材料的重要要求?，F(xiàn)代飛機(jī)、和衛(wèi)星等機(jī)體結(jié)構(gòu)正逐漸擴(kuò)大使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比例。

復(fù)合材料的力學(xué)性能可以設(shè)計(jì)，即可以通過(guò)選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，使復(fù)合材料構(gòu)件或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿足使用要求。滄州歐譜例如，在某種鋪層形式下，材料在一方向受拉而伸長(zhǎng)時(shí)，在垂直于受拉的方向上材料也伸長(zhǎng)，這與常用材料的性能*不同。又如利用復(fù)合材料的耦合效應(yīng)，在平板模上鋪層制作層板，加溫固化后，板就自動(dòng)成為所需要的曲板或殼體。

復(fù)合材料的減振性能良好。纖維復(fù)合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動(dòng)試驗(yàn)，碳纖維復(fù)合材料粱的振動(dòng)衰減時(shí)間比輕金屬粱要短得多。

復(fù)合材料的成型工藝簡(jiǎn)單。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般適合于整體成型，因而減少了零部件的數(shù)目，從而可減少設(shè)計(jì)計(jì)算工作量并有利于提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外，制作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件的步驟是把纖維和基體粘結(jié)在一起，先用模具成型，而后加溫固化，在制作過(guò)程中基體由流體變?yōu)楣腆w，不易在材料中造成微小裂紋，而且固化后殘余應(yīng)力很小。

復(fù)合材料的抗疲勞性能良好。一般金屬的疲勞強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的40～50%，而某些復(fù)合材料可高達(dá)70～80%。復(fù)合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴(kuò)展到纖維和基體的界面上，沒有突發(fā)性的變化。因此，復(fù)合材料在破壞前有預(yù)兆，可以檢查和補(bǔ)救。纖維復(fù)合材料還具有較好的抗聲振疲勞性能。用復(fù)合材料制成的直升飛機(jī)旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長(zhǎng)數(shù)倍。

復(fù)合材料通常都能耐高溫。在高溫下，用碳或硼纖維增強(qiáng)的金屬其強(qiáng)度和剛度都比原金屬的強(qiáng)度和剛度高很多。普通鋁合金在400℃時(shí)，彈性模量大幅度下降，強(qiáng)度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)的鋁合金的強(qiáng)度和彈性模量基本不變。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率一般都小，因而它的瞬時(shí)耐超高溫性能比較好。

復(fù)合材料的安全性好。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體中有成千上萬(wàn)根獨(dú)立的纖維。當(dāng)用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個(gè)構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力。

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