复合材料力学发展现状及展望

复合材料力学发展现状与展望本硕121班 孟宪章 5702112111复合材料是指由两种或两种以上的材料复合组成的材料，又因组成成分的不同而复合 程度不同，有的简单，有的复杂，且因其成分和结构的特殊性而具有不同于单一材料所独 有的力学特性。1复合材料的诞生对于复合材料的力学研究，是从最常见的复合材料土，以及人们常用的来自于大自然一些天然材料岩石、竹子、树木、动物的皮革和骨骼等的力学研究开始的。研究 活动也是由表及里，由浅入深，逐步揭开力学奥秘。混凝土是19世纪发明的典型复合 建筑材料，已广泛应用于各种工程建设中，并长期占据建筑材料市场。后因混凝土材料 的比强不大，人们不断研究开发出新的复合材料并推向建筑市场。特别是军事对材料的苛 刻要求，促使复合材料的研制与推广应用，进一步促使复合材料的力学研究的诞生，复 合材料力学随之得到大力发展。2复合材料的发展历程复合材料的应用由来已久，人类历来就利用夯土、三合土、稻草与粘泥、树木、秸 秆及石膏等胶凝材料组合成复合材料应用到房屋建筑等方面。房屋建筑过程中涉及力学原 理，这些复合材料的性能研究也就是复合材料力学研究的开端。但这些研究都没有形成理 论性的知识。直到中世纪，人们逐渐形成了复合材料力学的概念，指出复合材料力学是 指研究复合材料的微观和宏观力学特性，包括复合材料的刚度、强度、破坏机理、断裂、 疲劳、冲击、损伤、应力集中、边界效应、环境响应和力学测试等力学问题等。到20 世纪80年代，复合材料力学已经发展得非常完善，新型复合材料不断研发与利用，理 论的发展为复合材料的研制和应用打下了坚实的基础，并提供了强有力的依据。3复合材料的研究与应用前沿阵地复合材料力学是研究复合材料的力学行为，其内容基于理论力学、材料力学、弹性 力学及塑性力学等基础上，同时它又有其独到的一面，是专门研究不同材料组合情况下的 力学行为，为复合材料的研究开发与利用提供理论依据。3.1结构炭/炭复合材料力学炭/炭复合材料是一种新型高温结构材料，其密度小（小于2.0 g/cm3），比强度高，重 要的是这种材料随着温度的升高，其强度不降低，甚至比室温还高。目前C/C材料作为 超高温结构材料用于制造航空发动机的热端部件，是目前世界上先进国家研究和发展的方 向。3.2光纤智能复合材料光纤智能复合材料结构是目前国内外研究的热点。它是材料科学、电子技术、光纤 传感技术、信息技术和现代控制理论等学科综合与集成的新兴交叉学科。3.3碳纤维增强树脂基复合材料界面碳纤维作为一种高性能纤维，因具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、摩擦系 数低、耐低温性能良好等特性，而成为近年来树脂基复合材料昀重要的增强材料，被广 泛应用在航空航天构件和体育用品中。复合材料性能基本与增强体和基体的性能有关，同 时与增强体和基体的界面黏接强度也有很大关系，良好的界面结合能有效地传递载荷，提 高复合材料的力学性能。碳纤维表面呈惰性，比表面积小，边缘活性炭原子少，表面能 低和树脂浸润性及两相界面黏结性差，复合材料层间剪切强度低，性能基本不变，应避 免纤维过度氧化。3.4碳纤维布增强复合材料纤维增强塑料（FRP）是一种新型的结构加固技术。我国从20世纪80年代后期 开始应用此材料加固修复土木建筑结构。目前我国进行纤维增强复合材料加固土木工程结 构的研究和应用越来越多，其生产和销量也逐步加大。4复合材料的力学性能1）复合材料有着比其他材料高很多的比强度和比模量。例如较为典型的复合材料碳 纤维增强环氧树脂的比强度是钢材的7倍，其比模量是钢材的3倍。2）复合材料的抗疲劳性能很好。材料的疲劳破坏是指材料在反复作用的力作用下，因 为材料内部组织无法及时调整以应付反复作用的力，而在某个部位出现应力集中，以突破 其所能承受的最大应力，从而在该点出现破坏，它一是种没有任何预兆的突发性破坏。复 合材料因其材料的结构组成的特性，在很大程度上能防止这种应力集中，有效提高其抗疲 劳强度。3）复合材料的延性较高，减振性能较好。因建筑结构的自振频率与其组成材料比模 量的平方根成正比，然而，复合材料的比模量较大，从而其自振频率较高，在通常加载 速率下不容易出现因共振而快速脆断的现象。同时复合材料中因为存在大量纤维与基体的 界面，这些界面能对振动产生吸收或反射作用，具有较大的振动阻尼，从而在某种程度 上，能够缓解动力荷载振动所带来的损伤，具有很好的减振性能。4）复合材料的可设计性能较强，其原因在于复合材料的可复合的原材料众多，且其 组合方式多样，基体和增强体的选择众多，复合材料的基体与增强体的量比例具有很大的 可变性，结构的布置形式也多种多样，从而可以设计出各种各样满足工程结构和性能需要 的复合材料。5）复合材料还具有其他一些非复合材料所没有或较差的力学性能，如复合材料具有 很高的抗高温蠕变、耐磨性能，具有良好的导电、导热或绝热、隔热性能，具有很好 的耐压、耐电、耐腐蚀、耐燃烧、耐侵蚀性和耐老化、光热反应性能，有的复合材料 还具有很好的生物相容性，甚至具有隐形性能等。5复合材料的主要研究内容同一般材料力学相比，复合材料力学更具有深度和广度，涉及的范围更广，研究的 课题更多，并随着社会的发展、工程实际的需要而不断扩充。首先，复合材料力学的深 入研究是基于一般材料力学的原理和知识的基础上进行的。第二，复合材料中还有许多普 通材料中不存在的力学问题，如层间应力，以及层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断 裂和脱层现象、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂、增强体增强效 果失效等问题。第三，基于复合材料的材料和结构设计是同时进行的，所以复合材料中的 基体材料和增强材料的选取和组合方式的确定、加工过程以及工艺技巧和结构设计过程中 都存在大量及深奥的力学问题。6结束语如今，因为科技的高速发展，复合材料力学的研究工作向微观方向发展，纳米技术 的出现，使得复合材料的研制日新月异，从而促使复合材料力学的研究向微观、细观力 学努力，主要集中层间的板壳结构的原理分析以及结构的开发应用，以及改变组成材料的 微观甚至颗粒结构方面，以改善复合材料的各种优良性能而下工夫。