复合材料有特性：
1、复合材料的比强度和比刚度较高。材料的强度除以密度称为比强度；材料的刚度除以密度称为比刚度。这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度大。这是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。
2、复合材料的力学性能可以设计，即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。例如，在某种铺层形式下，材料在一方向受拉而伸长时，在垂直于受拉的方向上材料也伸长，这与常用材料的性能完全不同。又如利用复合材料的耦合效应，在平板模上铺层制作层板，加温固化后，板就自动成为所需要的曲板或壳体。
3、复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40～50%，而某些复合材料可高达70～80%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍。
4、复合材料的减振性能良好。纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。
5、复合材料通常都能耐高温。在高温下，用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。普通铝合金在400℃时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好。
6、复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。
复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。
目前已有许多常规和特种加工方法可用于各种类型复合材料的加工。常规机械加工方法简单、方便、工艺较为成熟，但加工质量不高，易损坏加工件，刀具磨损快，而且难以加工形状复杂的工件。
复合材料特种加工方法各有特色。激光束加工的特点是切缝小、速度快、能大量节省原材料和可以加工形状复杂的工件。高压水切割的特点是切口质量高、结构完整性好、速度快，特别适宜金属基复合材料的切割。电火花加工的优点是切口质量高、不会产生微裂纹，唯一不足是工具磨损太快。超声波加工的特点是加工精度高，适宜在硬而脆的材料上打孔和开槽。电子束加工属微量切削加工，其特点是加工精度极高，没有热影响区，适宜在大多数复合材料上打孔、切割和开槽，它的不足是会产生裂纹和界面脱粘开裂。电化学加工的优点是不会损伤工件，适宜于大多数具有均匀导电性复合材料(前提是不吸湿)的开槽、钻孔、切削和复
杂孔腔的加工。
不难看出，复合材料特种加工方法具有的优点----刀具磨损小、加工质量高、能加工复杂形状的工件、容易监控和经济效益高等恰恰是常规机械加工方法的弊病，因此可以认为复合材料特种加工方法是未来复合材料加工的发展方向。
材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把材料、信息为社会文明的支柱；80年代以后高技术群为代表的新技术革命，又把新材料与信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料是国民经济建设、国防建设与人民生活所不可须臾缺少的重要组成部分。复合材料作为材料科学中一枝独立的新的科学分支，已经得到了广泛的重视，正日益发展并在许多工业部门中得到广泛运用，成为当今高科技发展中新材料发的一个重要方面。
鉴于材料的重要的基础地位和作用，每一次科学技术的突飞猛进，都对材料的性能提出了越来越高、越来越严和越来越多的要求。现如今在许多方面，传统的单一材料已经不能满足实际需要，在这种情况下，人们以其充满智慧的头脑将材料的新的发展方向伸向一个更加广阔的领域——复合材料。
本文就将对复合材料的基本概念、加工中的理论问题、制备工艺与方法和典型的应用加以阐述，希望能够比较全面的对复合材料做一个介绍。
首先我们来给复合材料下一个明确的定义。根据国际标准化组织（International Organization for Standardization, ISO）为复合材料下的定义，复合材料（Compose Material）是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的组份材料虽然保持其相对独立性，但是复合材料的性能却不是组份材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。在复合材料中通常有一相为连续相（称为基体），而另一相为分散相（增强材料）。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的。两相之间存在着相界面，分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料
复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，按照需要设计，复合成为综合性能优异的新型材料。可以预见，如果用材料作为历史分期的依据，那么，继石器、青铜、铁器、钢铁时代之后，在世纪，将是复合材料的时代。
在概述的余下一些篇幅中，我们来大致了解一下关于复合材料的一些基本内容
一、复合材料的命名和分类
复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上―复合材料‖即为材料名。为书写简便，也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一条斜线隔开，后面再加―复合材料‖。有时为了突出增强材料或者基体材料，视强调的组份不同也可将不需强调的部分加以省略或简写。
复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种:
a. 按增强材料形态分：连续纤维复合材料，短纤维复合材料，粒状填料复合材料，编织复合材料
b. 按增强纤维种类分类：玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料，有机纤维复合材料，金属纤维复合材料，陶瓷纤维复合材料，混杂复合材料（复合材料的―复合材料）
c. 按基体材料分类：聚合物基复合材料，金属基复合材料，无机非金属基复合材料
d. 按材料作用分类：结构复合材料，功能复合材料
二、复合材料的基本性能：
复合材料是由多相材料复合而成，其共同特点为:
(1) 综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能
(2) 可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造
(3) 可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工的工序由于复合材料性能受许多因素的影响，不同的复合材料性能不同，就是同一类复合材料的性能也不是一个定值，故在此处给出一些主要性能:
I 聚合物基复合材料
i) 比强度，比模量大, ii) 耐疲劳性能好, iii) 减震性好iv) 过载时安全性能好。v) 具有多种功能性，耐烧蚀性能，摩擦性能好(ⅵ) 有很好的加工工艺性
II 金属基复合材料
i) 高比强度，高比模量ii) 导热、导电性能高. iii) 热膨胀系数小，iv) 尺寸稳定性好良好的高温性能v) 耐磨性好. vi) 良好的抗疲劳性能和断裂韧性ⅶ) 不吸潮，不老化，气密性好
III 陶瓷基复合材料
i) 强度高，硬度大，ii) 耐高温，抗氧化，高温下抗磨损性好，耐化学腐蚀性优良，iii) 热膨胀系数和比重较小，iv) 制成复合材料以后抗弯强度高，断裂韧性高
IV 水泥基复合材料:
i) 压缩强度高i) 热能方面性能优异，ii) 制成复合材料以后抗拉性能和耐腐蚀性能增强，重量降低
通过以上的一些叙述，我们对复合材料的一些根本点有了初步的了解，下面就进入正题，对复合材料的制造工艺进行一些探讨
第二章加工中的理论问题在这一章中，我们将从基体与增强材料的选择、复合材料的界面以及增强材料的表面处理等方面入手，掌握一些复合材料加工的基本原理，以便对以后的工艺和技术的使用有一个理论基础
一、基体与增强材料的选择
由于基体材料的不同，我们有必要将这些材料分开论述。首先来看一下金属基复合材料的基体选择
金属基复合材料构（零）件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。在不同技术领域和不同的工况条件下对于复合材料构件的性能要求有很大的差异。应当根据不同的情况选择不同的复合材料基体。在航天、航空技术中高比强度、比模量、尺寸稳定性是最重要的性能要求。宜选用密度小的轻金属合金作为基体。高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度、比模量性能外，还要求复合材料具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作，需选用钛基、镍基合金以及金属间化合物做基体材料。汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低，适合批量生产，则使用铝合金做基体材料。工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。选用具有高导热率的Ag、Cu、Al等金属为基体
由于增强物的性质和增强机理的不同，在基体材料的选择原则上有很大差别。对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，其本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维的性能，故在连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。但对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体是主要承载物，其强度对非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响。故要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。
选择基体时应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并考虑到尽可能在金属基复合材料成型过程中，抑制界面反应。由于金属基复合材料需要在高温下成型，所以
在金属基复合材料制备过程中金属基体与增强物在高温复合过程中，处于高温热力学不平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成脆性的反映层，对复合材料的强度影响很大。再者，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素与增强物的反应程度和生成的反应物都不同，须在选用基体合金成分时充分考虑
接下来看无机胶凝材料，无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。其中研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料。我们就来看看水泥基材料的特征水泥基体为多孔体系，孔隙尺埃。其存在不仅会影响基体本身的性能，也会影响纤维与基体的界面粘接。纤维与水泥的弹性模量比不大，在纤维增强水泥复合材料中应力的传递效应远不如纤维增强树脂。水泥基材的断裂延伸率较低，在纤维尚未从水泥基材中拔出拉断前，水泥基材即行开裂。水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料，与纤维成点接触，故纤维的掺量受到很大限制。水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维不利。
基体的水化过程相当复杂，物理化学变化多样。由于篇幅有限，故在此略过不述。
我们看看陶瓷材料，陶瓷使金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量电子。劣势和优势同样明显。在陶瓷基复合材料诞生后，陶瓷的优势被保留，同时其劣势由于增强材料的加入又被弥补了，使陶瓷材料进入了新的发展领域。用作基体材料使用的陶瓷一般应具有耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷等。
另外一类重要的基体是聚合物基体，顾名思义，此基体的主要组分是聚合物。其种类多样，常用的有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。各组分的作用和关系都十分复杂。一般来说有三种主要作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。由于没有在本系中涉及此类材料，所以简略说明，若必要可参看参考
资料。
纤维在复合材料中起增强作用，是主要的承力组分。主要分为：
1．玻璃纤维及其制品：具有一些列优良性能，拉伸强度高、防火防霉防蛀、耐高温和电绝缘性能好，除对HF、浓碱、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。缺点是具有脆性、不耐磨、对人的皮肤有刺激性等。
2．碳纤维：比重在1.5～2.0之间，热膨胀系数有各向异性的特点，导热有方向性，比电阻与纤维类型有关，耐高低温性能良好，除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的，耐油、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子。
3．芳纶纤维（有机纤维）：拉伸强度高，弹性模量高，密度小，热稳定性高，热膨胀系数各向异性，有良好的耐介质性能，但易受各种酸碱的侵蚀，耐水性不好。
4．其他纤维：由碳化硅纤维、硼纤维、晶须、氧化铝纤维等。
以上基体和增强材料的结合运用，能使人们按照自己的要求制造出特种复合材料，在物质基础上满足人们的需要。
二、复合材料的界面及增强材料的表面处理
复合材料的界面指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载和传递作用的微小区域。一般可将界面的机能归纳为：传递效应、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应、诱导效应。界面上产生的这些效应，是任何一种单体材料所没有的特性，它对复合材料具有重要作用。界面的效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质等有关，也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相联。
复合材料中的界面并不是单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，界面区是从与增强剂内部性质不同的某一点开始，直到与树脂基体内整体性质相一致的点间的区域。此区域的结构与性质都不同于两相中的任一相，从结构来分，这一界面区有五个亚层组成（图
2-1），每一亚层的性能均与树脂基体和增强基的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成型方法等密切相关。
由于界面尺寸小且不均匀，化学成分基结构复杂，力学环境复杂，及对于成分和相结构也很难做出全面分析。因此迄今为止对复合材料界面的认识还是很不充分，更谈不上一个通用的模型来建立完整的理论。所以对于界面只能简单罗列一下各个理论。
对于聚合物基复合材料界面，其界面形成分为两个阶段：1.基体与增强纤维的接触与浸润过程；2.聚合物的固化阶段。目前有的理论为：界面浸润理论；化学键理论；物理吸附理论；变形层理论；拘束层理论；扩散层理论；减弱界面局部应力作用理论。
对于金属基复合材料的界面，比聚合物基复合材料复杂的多。表2-1列出金属基复合材料界面的几种类型。其中，Ⅰ类界面是平整的，厚度仅为分子层的程度，除原组成成分外，界面上基本不含其他物质；Ⅱ类界面是由原组成成分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面；Ⅲ类界面则含有亚微级左右的界面反应物质（界面反应层）。
类型Ⅰ类型Ⅱ类型Ⅲ
纤维与基体互不反应亦不溶解纤维与基体不反应但相互溶解纤维与基体相互反应形成界面反应层钨丝/铜
Al2O3纤维/铜
Al2O3纤维/银
硼纤维（表面涂BN）/铝不锈钢丝/铝
SiC纤维（CVD）/铝
硼纤维/铝
镀铬的钨丝/铜
碳纤维/镍
钨丝/镍
合金共晶体丝/同一合金
钨丝/铜-钛合金
碳纤维/铝（>580℃）
Al2O3纤维/钛
B纤维/Ti
B纤维/Ti-Al
SiC纤维/钛
硼纤维/镁SiO2纤维/Al
表2-1 金属基纤维复合材料界面的类型
界面类型还与复合方法有关。金属基纤维复合材料的界面结合可以分成以下几种形式：（1）物理结合；（2）溶解和浸润结合；（3）反应结合。在实际情况中，界面的结合方式往往不是单纯的一种类型。
与聚合物基复合材料相比，耐高温是金属基复合材料的主要特点。因此，金属基复合材料的界面能否在所允许的高温环境下长时间保持稳定是非常重要的。影响界面稳定性的因素包括：高温条件下增强纤维与基体之间的熔融；复合材料在加工和使用过程中发生的界面化学作用。此外，在金属基复合材料结构设计中，除了要考虑化学方面的因素外，还应注意增强纤维与金属基体的物理相容性。
再看陶瓷基复合材料的界面。其中增强纤维与基体之间形成的反应层质地比较均匀，对纤维和基体都能很好的结合，但通常是脆性的。因增强纤维的横截面多为圆形，故界面反应层常为空心圆筒状，其厚度可以控制。当反应层达到某一厚度时，复合材料的抗张强度开始降低，此时反应层的厚度可定义为第一临界厚度。若反应层厚度继续增大，材料强度亦随之降低，直至达某一强度时不再降低，这时反应层厚度成为第二临界厚度。
接下来我们对于不同的增强材料的表面处理做一个讨论：
玻璃纤维：本世纪40年代初期发展起来的玻璃纤维增强塑料即玻璃钢，具有质轻、高强、耐腐蚀、绝缘性好等优良性能，已经被广泛应用于航空、汽车、机械、造船、建材和体育器材等方面。玻璃纤维的表面状态及其与基体之间的界面状况对玻璃纤维复合材料的性能有很大影响。玻璃纤维的主要成分是硅酸盐。通常玻璃纤维与树脂的界面粘结性不好，故常采用偶
联剂涂层的方法对纤维表面进行处理。用表面处理剂处理玻璃纤维的方法，目前采用的有三种：前处理法、后处理法、迁移法。
碳纤维：由于碳纤维本身的结构特征，使其与树脂的界面粘结力不大，因此用未经表面处理的碳纤维制成的复合材料其层间剪切强度较低。可用于碳纤维表面处理的方法较多，有：氧化、沉积、电聚合与电沉积、等离子体处理等。
Kevlar纤维：与碳纤维相比，适于此纤维表面处理的方法不多，目前主要是基于化学键理论，通过有机化学反应和等离子体处理，在纤维表面引进或产生活性基团，从而改善纤维与基体之间的界面粘结性能。
超高分子量聚乙烯纤维：有一种力学性能优异的高强高模纤维。由于无机性基因，故很难与基体形成良好的界面结合，影响了复合材料的整体力学性能。目前交常用的改型方法为等离子体处理。
金属纤维：对于金属基复合材料，表面处理的目的主要是改善纤维的浸润性和抑制纤维与金属基体之间界面反应层的生成。
第三章制备工艺与方法
在上一章中，我们比较全面概括地说明了复合材料在加工过程中的一些原理。能给我们在这一章对加工工艺和设备的讨论中提供一些理论基础。在接下来的这一章中，我们来看看复合材料的加工工艺与设备。
一、聚合物基复合材料成型加工技术
复合材料的性能在纤维与树脂体系确立以后，主要决定适于成型固化工艺。所谓成型固化工艺包括两方面的内容，一是成形，就是将预浸料根据产品的要求，辅置成一定的形状，一般就是产品的形状。二是进行固化，这就是使一铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预计的性能要求。
复合材料及其制件的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用要求，结合材料的工艺性来确定的。从20世纪40年代聚合物及复合材料及其制件成型方法的研究与应用开始，随着聚合物及复合材料工业迅速发展和日渐完善，新的高效生产方法不断出现，已在生产中采用的成型方法有：
[1] 手糊成型—湿法铺层成型。［9］注射成型。
[2] 真空袋压法成型。[10] 挤出成型。
[3] 压力袋成型。[11] 纤维缠绕成型。
[4] 树脂注射和树脂传递成型。[12] 拉挤成型。
[5] 喷射成型。[13] 连续板材成型。
[6] 真空辅助树脂注射成型。［14］层压或卷制成型。
[7] 夹层结构成型。[15] 热塑性片状膜塑料热冲压成型。
[8] 模压成型。[16] 离心浇铸成型。
上述[9]、[10]、[15]为热塑性树脂基复合材料成型工艺，分别适用于短纤维增强和连续纤维热塑性复合材料两类。
这些成型方法中大部分使用已较普遍，在此对一些成型工艺作简单的介绍。随着科学技术的发展，复合材料及其制件的成型工艺将向更完善更精密的方向发展。
1.手糊工艺
手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在磨具上涂
刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后，在一定压力作用下加热固化成型（热压成型），或者利用树脂体系固化释放出的热量固化成型（冷压成型），最后唾沫得到复合材料制品，其工艺流程如图3-1所示：
成型工艺是复合材料最早的一种成型方法。虽然所占比重呈下降趋势，但仍不失为主要成型工艺。其优点为：[1] 手糊成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大批量小形状复杂产品的生产。[2] 设备简单，投资少，设备折旧费低。[3] 工艺简便。[4] 易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料。[5] 制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。
同时，手糊成型也有缺点：生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。产品质量不易控制，性能稳定性不高。产品力学性能较低。
2 。模压成型工艺
成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都是用的纤维复合材料成型方法。将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。
模压成型工艺是一种古老的工艺技术，生产效率较高，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无须有损制品性能的二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化，但是磨具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中小型制品。
3．RTM成型工艺
树脂传递模塑为Resin Transfer Molding,简称RTM。它是一种闭模成型的工艺方法，其基
本工艺过程为：将液态热固性树脂（通常为不饱和聚酯）及固化剂，由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，经固化、脱模、后加工而制成制品。
RTM与其他工艺的关系如图3-2所示。
4．其他工艺
由于篇幅有限，此处只能列出另外两种工艺的流程。
喷射成型工艺流程如图3-3，连续缠绕成型工艺流程如图3-4。
另外提一下挤出成型工艺。挤出成型工艺是热塑性复合材料的成型方法。主要包括加料、塑化、成型、定型四个过程。挤出成型需要完成粒料输运、塑化和在压力作用下使熔融物料通过机头口模获得所要求的断面形状制品。与此同时，外部热源与和物料摩擦热使料粒受热塑化，变成熔融粘流态，凭借螺杆推力，定量地从机头挤出。
二、金属基复合材料成型加工技术
金属基复合材料的成型加工技术因基体材料的不同而不同，一般有以下几种铸造方法：压力铸造法、机械搅拌法、喷射分散法、离心铸造法、中间合金法、涂覆铸造法、渗透铸造法。喷射分散法：一般用于航空航天工业。用粉末冶金工艺，铝和铝锂复合材料通过充填陶瓷颗粒可以提高强度、模量和耐热性。Cospray工艺是在威尔士大学于1969年前推出的Cosprey 工艺的基础上发展出来的。后者是将熔融的铝喷到模板上，集聚沉积成锭块，而新工艺则可使整块锭的性能保持恒定。通过对整个喷雾沉积过程进行控制，可以制造出具有均匀一致的显微结构的材料，并可使增强颗粒在铝复合材料中分布的均匀一致。
铸造凝固复合法是在基体处于熔融状态下进行的复合的方法，主要有铸造法、加压或非
加压含浸法以及原生（in-situ）复合法。
粉末冶金复合法是颗粒强化复合材料的最常用的制备方法。其工艺过程见图3-6。
搅拌法：通过高速旋转的搅拌使金属液产生漩涡，然后向旋涡中逐渐投入颗粒，使其分散，见图3-7。
三、陶瓷基复合材料加工技术
纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素，故在实际中针对不同的材料的制作方法也会不同，成型技术的不断研究与改进正是为了能获得性能更为优良的材料。
目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型方法主要有以下几种：
[1] 泥浆烧铸法：在陶瓷泥浆中把纤维分散，然后浇铸在石膏模型中。
[2] 热压烧结法：将长纤维切短，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法及可制得高性能的复合材料。
[3] 浸渍法：适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。
四、水泥基复合材料
凡是细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固的交接在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。
纤维增强水泥，无论在用途上还是制法上，都是处于开发的新材料。这是以玻璃纤维为例来介绍纤维增强水泥的成型工艺。
[1] 直接喷射法：是目前最常用的成型方法，将水泥、砂子、水搅拌成砂浆，与耐碱短切玻璃纤维短时间混合后形成预混料，振动模浇铸成型后养护。
[2] 喷射脱水法：砂浆和玻璃纤维同时往模具上喷射的机理与直接喷射法相同。但它是把玻璃纤维增强水泥喷射到一个常有减压装置的开孔台上，开孔台铺有滤布。喷射完后进行减压，通过滤纸或滤布，把玻璃纤维增强水泥的剩余水分脱掉。这种方法是成型水灰比低的高强度板状玻璃纤维增强水泥的方法。
[3] 预混料浇铸法：水泥、砂子、水、外加剂和切成适当长度的耐碱玻璃纤维（短切纤维）在搅拌机中混合成预混料，然后不断地注入到振动着的模具里进行成型。
[4] 压力法：预混料注入到模具里后，加压除去剩余水分，即使脱模，可以提高生产率，并能获得良好的表面尺寸精度。
[5] 离心成型法：在旋转的管状模具中喷入玻璃纤维和水泥浆。
[6] 抄造法：使用耐碱玻璃纤维时，一般是预先把玻璃纤维混合到原料浆液中。因为只有玻璃纤维过滤太快，过滤水中流失了很多水泥粒子，所以通常必须使用一定程度的砂浆和石棉作为内部过滤材料。
另外，现在正在进行挤出成型和注射成型工艺的研究。
五、碳/碳复合材料的成型加工技术
碳/碳复合材料的成型加工方法很多，其各种工艺过程大致可归纳为下图的几种方法：
第四章应用举例
在讨论了一些理论上的问题以后，我们来看一下一些具体的应用。由于篇幅有限，所以不可能在这里说的很多，只是将一些例子拿出来说明复合材料的应用的广泛性和重要性。具体的
可以参照本文所列的一些参考资料。
一、复合材料在飞机工程与航空构件上的运用
美国海军使用的―鹞‖式（Harrier）飞机采用了―飞马‖喷气发动机，其机翼的翼盒蒙皮、前机身、水平安定面、升降舵、方向舵、襟翼、副翼与翼上整流罩都是用碳纤维/环氧树脂复合材料重新设计与制造的。这种材料也用来制造―鹰鹞‖式（Hawker Harrier）机的外翼翼尖。这是在这种战斗机承担飞送交付任务时附加的，它扩大了跨越国家的交付飞行范围。这一并非必要的附件是一个理想的研究构件，最后即使出现故障，飞机没有它也会很好的飞行。当然复合材料并不一定用在军事用途的飞机上。下面的一个表格可以很好的表现复合材料的优越性：
零件名称金属碳纤维增强复合材料（CFRP）
梁盒107 52
前部36 4
端盒54 6
翼尖12 12
连接件（标准件）4938 1201
表4 –1
由于复合材料的特殊性能，在飞机的各个部件上，总有合适的复合材料可以很好的达到其要求。而且由于它的加工可以一次成型所以免去了很多由于加工而导致的质量问题。并且减少了零件的量。使飞机的性能得以提高。
二、复合材料在外科医学上的应用
1．原先的―铁制呼吸器‖是一种必须的但又笨重，不便使用的装置，因而人民做了许多努力来设计一种轻便的形式，使病人可以坐着或在室外几小时随身带着活动。一种用混杂的玻璃纤维/碳纤维/聚酯层合板做的重量轻的外壳或―胸甲‖，形状颇象龟背，沿周边有一极为柔软的与病人胸部相配的密封垫，由胸甲的拱形中央——大致在胸骨之上连着一根铠装软管，使轻便的泵可抽去和注入空气的呼吸器被设计出来。在胸甲内压力的变化作用在隔膜上，使人能在正常速度下呼吸。
2．Chas A Blatchford 与Sons 有限公司研制出的一系列碳纤维/环氧构件的假腿标准组件具有一般人使用的标准尺寸，可以连接到病人适宜的膝关节与踝关节处。如此使用的结构管材和外部软包覆件一起在压缩强度与弯曲强度以及扭转方面的性能都很好。比且在重量上有很大的节省，因而有助于老年与体弱的截肢者。
3．此外，复合材料在骨科，脑外科，韧带，假牙等方面都有很大的运用，由于篇幅有限不做一一表述。
三、复合材料在体育用品上的应用
鱼竿、弓、高尔夫球杆、球拍与球棒、雪橇等体育用品在强度、韧性、重量以及经济价值上对材料的要求都是很高的，而使用复合材料对这些用品的发展无疑起到了柳暗花明的作用。例如我们现在所使用的羽毛球拍、网球拍之中，好的都是碳纤维的复合材料作为拍子的支架部分的，拍线就更加不用说了，有谁看见别人用钢的或者铝的拍线来打球的？
四、复合材料在汽车制造上的应用
由于汽车制造涉及到很多的方面，故只举两个例子来体现复合材料的优越性。
TWR―美洲虎‖（Jaguar）XJR—6型赛车是有史以来第一辆运动赛车，是由不同厚度的坚固
而轻便的碳纤维与Kevlar（杜邦公司的纤维）复合而成。
美国福特公司生产的巨大的―绝技‖车（―tour-de-force‖）是几乎完全采用碳纤维来制造的一台原型高级轿车，重量可节省约565kg（1246 lb），而原来的车重为1700kg（3748 lb），这反过来就可节约相当多的燃油。
另外，在风力涡轮，船舶，航天结构，机械工程，乐器，化工厂等方面。复合材料都有很大的用武之地。其实，正如本文一开头所说的，聚合材料在材料的各个领域，其实也就是在生活的各个领域都正在发挥越来越大的作用。复合材料是材料发展的一个重要方向。21世纪的材料发展中，复合材料将占很大的一部分。
参考资料
1．《复合材料概论》王荣国、武卫莉、谷万里主编，张显友主审，哈尔滨工业大学出版社。（1999）
2．《复合材料工艺与设备》欧国荣、倪礼忠编著，华东化工学院出版社。（1991）3．《复合材料的设计基础与应用》[英]Leslie N Phillips等著，理有亲等译，航空工业出版社。（1992）
4.《未来新金属材料》宁兴龙/金属世界.2000,(2).-2-3
5.《金属陶瓷复合材料的组织结构与性能研究》于同仁/马钢科研.2000,(1).-17-22
6.《金属基复合材料加工的进展》全燕鸣/华南理工大学/机械设计与制造工程.1999,28(2).-5-7
7.《非晶合金复合材料的研究进展》陈文智/国家非晶微晶合金工程技术研究中心/金属功能
材料.1999,6(1).-1-7
8.《金属基复合材料的进展,问题与前景展望》王俊英杨启志/青岛建筑工程学院机械工程系/青岛建筑工程学院学报.1999,20(4).-90-95
9.《颗粒增强铸造铝基复合材料的研究状况》李国庆陈建华/郑州轻金属研究院/轻金属.1997,(6).-60-62
10.《钛基复合材料的研究与发展》罗国珍/西北有色金属研究所/稀有金属材料与工程.1997,26(2).-1-7
11.《颗粒强化铝基复合材料的制备与应用》谢建新刘静安/铝加工.1996,19(5).-36-41
12.《铝基复合材料镶嵌铸造工艺》费铸铭胡文彬/上海交通大学复合材料研究所/中国有色金属学报.1996,6(4).-78-82
13.《高压差充型制备金属基复合材料》秦富生陈美怡/上海交通大学/铸造设备研究.1996,(6).-19-21,26
14.《铝基复合材料熔铸生产的最新发展》张利明阎承康/轻合金加工技术.1996,24(1).-2-5
15.《铸造金属基颗粒复合材料》李俊钱翰城/机械.1996,23(3).-44-46
16.《离心铸造复合材料轧辊综述》张君利/中国铸造装备与技术.1996,(2).-14-15
17.《用喷雾沉积新工艺制造铝合金和铝金属基复合材料》宋忠烈/宇航材料工艺.1994,24(3).-51-52
18.《复合材料的静液挤压》Hawk.,TJ 刘晓英/轻金属.1993,(8).-58-60
19.《铸造金属基颗粒复合材料》牛建平戴鹏芳/机械工程材料.1993,17(5).-1-2,36
20.《有色金属材料的新进展》杨遇春/机械工程材料.1993,17(3).-1-5
21.《复合材料的放电电解加工新方法》王更新/世界机电技术.1992,(6).-23-23
22.《金属基复合材料的模压铸造工艺》徐海江/宇航材料工艺.1992,(4).-66-68
23.《金属基复合材料凝固工艺》Morte.,A 张汉林/宇航材料工艺.1991,(5).-20-28
24.《铸造复合材料研究进展》锦吴波杨全/铸造.1991,(6).-1-5,41
25.《用喷射冶金法制备金属基复合材料》甘永学陈昌麒/新技术新工艺.1991,(6).-4-5
26.《金属基复合材料的低压制造》石子源/热加工工艺.1990,(6).-32-34
27.《形状记忆合金智能复合材料系统的发展》李岩杨大智/大连理工大学材料工程第三束材料改性国家重点实验室,辽宁大连理工大学材料工程第三束材料改性国家重点实验功能材料.2000,31
先进聚合物复合材料界面设计与表征进展 姓名：卢刚班级：材研1005 学号：104972100244 摘要：本文简述了界面的形成与作用机理，着重介绍了聚合物基复合材料界面改进的几种方法。 关键词：聚合物；复合材料；界面 Abstract：This paper briefly describes the formation of the interface and the mechanism of action,mainly introduces some methods about the UI improvement of the polymer-based composites. 1引言 聚合物基复合材料是由纤维和基体结合为一个整体，使复合材料具备了原组成材料所没有的性能，并且由于界面的存在，纤维和基体所发挥的作用，是各自独立而又相互存在的。 界面是复合材料组成的重要组成成分，它的结构与性能，以及粘合强度等因素，直接关系到复合材料的性能。所以，复合材料界面问题的研究有着十分重要的意义。 现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析、原子粒显微镜等，在复合材料界面分析表征中得到充分利用，为揭示界面的本质、丰富界面的理论做出了重要贡献。 2界面的形成与作用机理 2.1界面的形成 复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成形加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两个阶段：第一阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程。在复合材料的制备过程中，要求组份间能牢固的结合，并有足够的强度。要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个液态对固体的相互浸润。所谓浸润，即把不同的液滴放到不同的液态表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润”。
（1）力学性能 石墨烯被认为是迄今为止强度最高的物质，添加石墨烯可以增加聚合物的力学性能。拓展石墨烯的改性范围，开发出多种的增强复合材料变得尤为重要。改性的程度有许多影响因素，例如强相的浓度和在基质中的分布状态，界面粘合性和增强相的长径比等。石墨稀纳米片和聚合物基体之间的界面粘合性强，是进行有效加固的关键。局部两相间不相容性可能由于石墨稀对基体的附着力差而降低应力转移几率，导致了一个较低的机械性能复合材料。可使用氢键和范德华力非共价键改善界面相互作用，提高聚合物基体机械性能[1]。 尽管些物理相互作用可以提高复合材料的性能，在外部受力下填料与基体之间相对移动是不可避免的。这限制了材料的最大使用强度。为了缓解该问题，关键是选择有效的手段，提高界面与基体间的抗剪切强度。改善填料与基体之间靠共价键形成的应力传递。例如，利用GO表面的羟基（-OH）与聚氨酯链上的端部的-NCO基团反应，形成聚氨甲酸酯键(-NH-CO)而共价键合到聚氨酯上。（2）导电导热性能 石墨烯的导电性能是目前已知导电材料中最好的，其载流子迁移率达15000 cm2·V- 1·s- 1[ 2]。这个数值是目前已知具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍，是商用硅片迁移率的10倍以上。石墨烯具有高导电性，当加入到聚合物基体中，可导电的石墨烯分散在基体中形成导电网络，可以大大提高复合材料的导电性。复合材料表现出导电性随石墨烯含量的增加呈现一种非线性增长。 石墨烯的导热性能很高，在室温下为3000W·M-1·K-1，已被用来作为基体填充物，以改善聚合物的热导率和热稳定性。片状石墨稀的二维片层结构在聚合物较低的界面热电阻，从而产生更好的导电性增强聚合物复合材料。其他因素，例如石墨稀片的长径比，取向和分散，基体的种类等也将影响复合材料的热性能。（3）热稳定性 热稳定性是复合材料的另一个重要性能，可以通过在聚合物基体中嵌入石墨烯来实现。高的热稳定性和层状结构的石墨烯的加入，会使复合材料热性能显著提高。Ramanathan等[3]系统研究发现石墨烯的加入可以使聚甲基丙烯酸甲酯的模量、强度、玻璃化转变温度和热分解温度大幅度提高。并且石墨烯的作用效果远远好于单壁碳纳米管和膨胀石墨。 （4）气体阻隔性能 石墨烯的加入相对于原始的聚合物可以显着减少气体对聚合物复合材料的透过率。各种研究表明,气体渗透性降低可能由于石墨稀长径比和高表面积,以及在聚合物基体中形成的“弯曲通道”效应 (tortuous path effect)，从而有效的阻隔了气体分子的扩散和穿透。Pinto等[4]研究了聚乳酸/石墨稀复合材料对氧气和氮气的阻隔性。结果表明，与未加入石墨稀前相比在复合物中使用0.4%(重量)添加量可以使复合材料对氧气的透过量下降三倍,对氮气的透过量下降四倍。（5）吸附性能 众所周知，吸附强烈依赖于孔隙结构和表面面积，以及吸附剂的官能团。石
复合材料结构分析总结 说明：整理自Simwe论坛，复合材料版块，原创fea_stud，大家要感谢他呀 目录 1# 复合材料结构分析总结（一）——概述篇 5# 复合材料结构分析总结（二）——建模篇 10# 复合材料结构分析总结（三）——分析篇 13# 复合材料结构分析总结（四）——优化篇 做了一年多的复合材料压力容器的分析工作，也积累了一些分析经验，到了总结的时候了，回想起来，总最初采用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最后选定Ansys为自己的分析工具，确实有一些东西值得和大家分享，与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。 （一）概述篇 复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成，其主要优点是具有优异的材料性能，在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料，这种材料的特性表现为正交各向异性，对于这种材料的模拟，很多的程序都提供了一些处理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。笔者最初是用I-Deas下建立各项异性材料结合三维实体结构单元来模拟（由于研究对象是厚壁容器，不宜采用壳单元），分析结果还是非常好的，而且I-Deas强大的建模功能，但由于课题要求要进行压力容器的优化分析，而且必须要自己写优化程序，I-Deas的二次开发功能开放性不是很强，所以改为MSC.Patran，Patran 提供了一种非常好的二次开发编程语言PCL（以后在MSC的版中专门给大家贴出这部分内容），采用Patran结合Nastran的分析环境，建立了基于正交各项异性和各项异性两种分析模型，但最终发现，在得到的最后结果中，复合材料层之间的应力结果始终不合理，而模型是没有问题的（因为在I-Deas中，相同的模型结果是合理的），于是最后转向Ansys，刚开始接触Ansys，真有相见恨晚的感觉，丰富的单元库，开放的二次开发环境（APDL 语言），下面就重点写Ansys的内容。 在ANSYS程序中，可以通过各项异性单元（Solid 64）来模拟，另外还专门提供了一类层合单元（Layer Elements）来模拟层合结构（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的复合材料。 采用ANSYS程序对复合材料结构进行处理的主要问题如下： （1）选择单元类型 针对不同的结构和输出结果的要求，选用不同的单元类型。 Shell 99 ——线性结构壳单元，用于较小或中等厚度复合材料板或壳结构，一般长度方向和厚度方向的比值大于10； Shell 91 ——非线性结构壳单元，这种单元支持材料的塑性和大应变行为； Shell 181——有限应变壳单元，这种单元支持几乎所有的包括大应变在内的材料 的非线性行为； Solid 46 ——三维实体结构单元，用于厚度较大的复合材料层合壳或实体结构；
1、复合材料的定义、分类、命名 定义：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的固体材料。 命名：（1）基体材料名称与增强体材料并用 （2）强调增强体时以增强体材料的名称为主 （3）强调基体时以基体材料的名称为主 分类：按基体材料分：聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥基复合材料，碳基复合材料； 按增强材料形态分为以下三类 （1）、纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料 b.非连续纤维复合材料 （2）、颗粒增强复合材料：包括微米颗粒和纳米颗粒； （3）、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。 （4）、层叠复合材料 按材料作用分两类 ①功能复合材料：使用的是材料的光、电、磁、热、声等非力学性能 ②结构复合材料：应用的材料的力学性能 2、复合材料都有哪些部分组成，各部分的作用是什么？ 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；基体的作用是将增强体粘合成整体并使复合材料具有一定的形状，传递外界作用力、保护增强体免受外界的各种侵蚀破坏作用。当然也决定复合材料的某些性能和加工工艺 另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等，功能复合材料中也称功能体)。 相界面是一个具有一定厚度的，结构随组分而异、与基体和增强体明显不同的新相。界面区的范围是从增强体内部性质不同的一点开始，到基体内整体性质相一致的点之间的区域。 界面是基体和增强体之间连接的纽带，是应力及其他信息传递的桥梁。它的结构、性能以及结合强度等因素，直接关系到复合材料的性能。 3、复合材料都有哪些性能特点？ （1）比强度、比模量高（2）良好的抗疲劳性能（3）优良的高温性能（4）减震性好（5）破断安全性好。 4、复合材料的界面定义是什么，包括哪些部分？ 复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。 包括：基体表面区，相互渗透区，增强剂表面区 5、复合材料界面具有哪些效应，都有哪些界面理论？ 界面的效应： (1)传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。 (2)阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。 (3)不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
复合材料的特点及应用 定义：复合材料是由两种或多种不同类型、不同性能、不同形态、不同成分和不同相型的组分材料，通过适当的复合方法，将其组合成一种具有整体结构特性的，使用性能优异的材料体系。 复合材料品种较多，按基本分类通常为：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料、碳/碳复合材料和纳米复合材料。 在这里，且介绍我们从事的树脂基复合材料。 树脂基复合材料主要由树脂基体、增强材料、填料与助剂组成。 一、常用的热固性树脂基本有：不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、乙烯基酯树脂、有机硅树脂等。见表1 表1几种热固性树脂及复合材料的主要特性和用途 二、树脂基复合材料常用的增强材料有玻璃纤维及其织物、芳纶纤维及其织物、碳纤维及其织物、高拉伸聚乙烯纤维及其织物以及其他高性能纤维及其织物等。 三、树脂基复合材料的主要特点 1.材料的形成与制品的成型同时完成。 利用复合材料形成和制品成型同时完成的特点，可以实现大型制品一次性成型，从而简化了制品结构并且减少了组成零件和联接零件的数量，这对减轻制品质量，降低工艺消耗和提高结构使用性能十分有利。 2.制品轻质高强、具有突出的比强度、比模量 纤维增强制品相对密度仅有1.4～2.0，只有普通钢的1/4～1/6，比铝合金还轻1/3。而机械强度却达到或超过普通钢的水平。玻璃纤维增强的环氧复合材料拉伸强度和弯曲强度均在400Mpa以上。碳纤维增强的环氧树脂比强度、比模量见表2
表2 1.03×）× 0.13×0.27× 可见复合材料的比强度比钢高3～8倍，比模量高3～6倍。 3.尺寸稳定性好 4.优越的耐热、耐高温特性。一般其热变形温度在150℃～260℃之内。 5.电性能优良 由于复合材料具备的优良的电性能，其制品不存在电化学腐蚀和杂散电流腐蚀，可广泛地用于制造仪表、电机及电器中的绝缘零部件，以提高电气设备的可靠性并延长其使用寿命。此外，制品在高频作用下良好的介电性和微波透过性，已用于制造多种雷达罩等高频绝缘产品。 6.卓越的耐腐蚀性 对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐等介质具有良好的化学稳定性，特别是在强的非氧化性酸和相当广泛的PH值范围内的介质中具有良好的稳定性。 7.可设计性、可配制性显著 鉴于复合材料的上述优越特性，多用于制造机械结构件、绝缘件、高频受力件和其他功能性结构部件。
复合材料界面层材料的研究＊ 卢国锋１，２ ，乔生儒１，许 艳３ （１ 西北工业大学，超高温结构复合材料国家重点实验室，西安７１００７２；２ 渭南师范学院装备工程技术中心， 渭南７１４０００；３ 渭南师范学院图书馆，渭南７１４０００）摘要 界面层是复合材料中的关键组成部分，因对复合材料的各项性能都有重要影响，而成为复合材料研究的重点之一。在叙述界面层功能的基础上，分别对层状结构界面层材料（包括层状晶体结构材料和多层陶瓷界面相）和非层状结构界面层材料进行了讨论，分析了研究中存在的问题，指出了未来研究的方向和重点。 关键词 界面层 复合材料 力学性能 抗氧化性能中图分类号：ＴＢ３３２ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｐ ｏｓｉｔｅｓＬＵ Ｇｕｏｆｅｎｇ１， ２，ＱＩＡＯ Ｓｈｅｎｇ ｒｕ１，ＸＵ Ｙａｎ３ （１ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｈｅｒｍｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２；２ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ａｒｍａｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｅｉｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｅｉｎａｎ ７１４０００；３ Ｌｉｂｒａｒｙ ｏｆ Ｗｅｉｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｅｉｎａｎ ７１４０００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ａｎｄ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ ｍａｔｅ－ｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｌａｙｅｒｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｃｅｒａｍｉｃ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ ｍａ－ｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｌａｙｅｒｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｏ－ｃｕｓ ｏｆ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅ ｐ ｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ＊国家自然科学基金（ ５０７７２０８９）；渭南师范学院科研项目（１３ＹＫＳ００３） 卢国锋：男，１９７５年生，博士，副教授，主要研究方向为陶瓷基复合材料和功能材料 Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｇ ｕｏｆ７５＠１６３．ｃｏｍ０ 引言 界面层是复合材料中处于增强体和基体之间的一个局部微小区域。它将增强体和基体彼此良好地结合在一起，起着传递载荷，阻止裂纹越过增强体表面进行扩展，缓解残余热应力，阻挡基体和纤维间元素的相互扩散、溶解和有害化 学反应， 阻止纤维在高温环境下发生氧化的作用［１］ 。界面层在复合材料中所占的体积分数虽不足１０％，但却是影响陶瓷基复合材料力学性能、抗环境侵蚀能力等的关键因素之一。特别是对于脆性纤维增强脆性基体复合材料来说，纤维与基体间的界面层是决定复合材料强度和韧性的重要因素。因此，对界面层材料及其结构的研究一直是复合材料研究的热点之一。本文对近年来在复合材料界面层领域的研究进行了综述。 １ 复合材料界面层的功能 一般来讲，界面层的功能主要有４个：传递、阻止裂纹扩展、缓解和阻挡。传递作用是指界面层作为一个“桥梁”将作用于基体的载荷充分传递至复合材料的主要承载者———纤维增强体上。阻止裂纹扩展是指当基体裂纹扩展到界面层 区域时， 基体和纤维沿它们之间的界面发生分离，并使裂纹的扩展方向发生改变，即裂纹偏转，阻止裂纹直接越过纤维表面进行扩展。缓解作用是指界面层通过过渡作用和界面滑移减少残余热应力。阻挡作用是指阻挡基体和纤维间元素的相互扩散、 溶解和有害化学反应，阻止外界环境对纤维增强体的侵害［ １，２］ 。以上只是一般意义上的界面层功能，但不同功用的复合材料对界面层的要求不同。例如：以承受载荷为主要目的的复合材料对前３种功能有更为苛刻的要求， 而以抗氧化为主要目的的复合材料则对阻挡功能要求更严。一种界面层所具有的功能主要取决于界面层的材质、结构、厚度以及界面层与纤维或基体间的相互作用等因素。为了满足不同复合材料功能的需求， 不同功用的复合材料应具有不同的界面层。复合材料界面层的研究正是在这种需求下不断进行的。目前常被研究的界面层材料有很多，大致可分为两类：层状结构材料和非层状结构材料，其中层状结构材料又包括层状晶体结构材料和多层陶瓷界面相。 ２ 层状晶体结构界面层材料 具有层状晶体结构的材料由于其层间结合力较弱，当外 ·０４·材料导报Ａ：综述篇 ２ ０１３年１１月（上）第２７卷第１１期
国 防 科 技 大 学 学 报 第32卷第2期 JOURNA L OF NA TIONA L UNIVERSITY OF DEFE NSE TECHNO LOGY V ol.32N o.22010文章编号:1001-2486(2010)02-0046-05 基于ANSYS的大型复合材料风力机叶片结构分析Ξ 周鹏展1,2,3,肖加余1,曾竟成1,王 进2,杨 军2 (1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙 410073; 2.株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲 412007; 3.长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙 410076) 摘 要:基于ANSY S软件,对某款应用于G L3A风场的1500kW大型复合材料风力机叶片进行了结构分析。分析结果表明:该叶片的振型以一阶挥舞和一阶摆振为主,其频率分别为0186H z和1159H z;在极限挥舞 载荷作用下,该叶片有限元模型计算得到的叶尖挠度为81445m,而该叶片全尺寸静力试验得到的极限挥舞载 荷作用下的叶尖挠度为8112m,计算值与试验值的误差只有318%;另外,该叶片的最大计算拉应力和压应力 分别为228MPa和201MPa,而该叶片玻纤Π环氧复合材料实测拉伸强度和实测压缩失稳强度分别为720MPa和 380MPa,其计算最大应力只有对应实测极限强度的3117%和5219%。 关键词:复合材料;风力机叶片;结构分析;极限挥舞载荷 中图分类号:TK8 文献标识码:A Structural Analysis of Large2scale Composite Wind Turbine B lade B ased on ANSYS ZH OU Peng2zhan1,2,3,XI AO Jia2yu1,ZE NGJing2cheng1,W ANGJin2,Y ANGJun2 (1.C ollege of Aerospace and M aterial Engineering,National Univ.of Defense T echnology,Changsha410073,China; 2.Zhuzhou T imes New M aterial T echnology C o.Ltd.,Zhuzhou412007,China; 3.C ollege of Energy and P ower Engineering,Changsha Univ.of Science&T echnology,Changsha410076,China) Abstract:Based on the ANSY S s oftware,the structural analysis of a kind of1500kW large2scale com posite wind turbine blade which applied in G L3A wind farm was carried out.The analysis results show that the vibration m odes of this blade are mainly presented as first flapwise m ode and first edgewise m ode,the frequencies of the vibration are respectively0.86H z and1.59H z.At the action of ultimate flapwise loads,the FE M analysis results show that the blade tip deformation is8.445m,while the blade tip deformation of the full scale blade under static test is8.12m,s o the deviation between the calculated and tested value of the blade tip deformation is only 3.8%.M oreover,the calculated maximum tensile stress and the com pressive stress are228MPa and201MPa,while the tested tensile strength and com pressive buckling strength of the glass2fiberΠepoxy com posite are720MPa and380MPa,respectively.C onsequently,the percentages of the calculated maximum stress and the tested ultimate strength are respectively31.7%and52.9%. K ey w ords:com posite;wind turbine blade;structural analysis;ultimate flapwise load 风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一,随着世界风力发电机组向大功率方向发展,风力机叶片的长度越来越长,目前世界最长的复合材料风力机叶片是丹麦LM公司生产的,其长度已达6115m,单片重约18t,从而对叶片结构的强度、刚度、重量等的设计提出了更高的要求[1-3]。复合材料具有比强度高、比刚度高、重量轻、可设计性强、承力性能好等特点[4-5],因而在大型风力机叶片中获得了广泛应用。风力机叶片的结构分析作为风力机叶片结构设计的技术基础之一,开始在大功率风力机叶片结构的校核与优化设计中发挥着日益重要的作用。 由于大型复合材料风力机叶片的外形结构和铺层结构都非常复杂,其外形由不同翼型构建而成,属Ξ收稿日期:2009-09-22 基金项目:国家863计划资助项目(2007AA03Z563);中国博士后科学基金资助项目(20070420832);湖南省科技资助项目(2008RS4033) 作者简介:周鹏展(1973—),男,博士后。
摘要：近年来，各种复合材料制备技术日益更新，从陶瓷基复合材料、金属基复合材料到聚合物基复合材料，各种制备技术都得到了很大改善，使得复合材料的性能和应用得到了显著提高。本文综述陶瓷基复合材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料等几种重要的研究方法以及应用。 关键词：先进，复合材料，制造技术。 正文：一·陶瓷基复合材料 工程陶瓷的开发是目前国内外甚为重视的新型材料研究领域。纯陶瓷材料因其脆性，不能满足苛刻条件下的使用要求。因此，目前广泛采取增韧技术来提高陶瓷的使用性能。纤维和晶须增韧陶瓷是一类有效的方法。用纤维来增韧陶瓷的技术是十年代以后开始的，最初是用碳纤维增强陶瓷，八十年代以来又开发了用陶瓷纤维和晶须增韧陶瓷，增韧效果不断取得进展，增韧技术也不断有所创新。连续纤维增强陶瓷基复合材料是最有前途的高温结构材料之一，以其优异的高韧性、高强度得到世界各国的高度重视。 连续纤维补强陶瓷基复合料(Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，简称CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用.20世纪70年代初，科学家在连续纤维增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究基础上，首次提出纤维增强陶瓷基复合材料的概念，为高性能陶瓷材料的研究与开发开辟了一个方向。随着纤维制备技术和其它相关技术的进步，人们逐步开发出制备这类材料的有效方法，使得纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术日渐成熟。 由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高温性能、高韧性、高比强、高比模以及热稳定性好等优点，能有效地克服对裂纹和热震的敏感性[5-6]，因此，在重复使用的热防护领域有着重要的应用和广泛的市场。连续纤维增韧陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不会发生灾难性破坏。其耐高温和低密度特性，使其成为发展先进航空发动机、火箭发动机和空天飞行器防热结构的关键材料。 二·金属基复合材料 金属基复合材料具有比强度高，比刚度高，耐热，耐磨，导热，导电，尺寸稳定等优点，是一种很有发展前途的新材料，金属基复合材料广泛应用于制造航空抗天零部件，也用于制造各种民用产品。 按基体分，金属基复合材料分为：铝基、镁基、钛基、锌基、铁基、铜基等金属基复合材料；按增强材料分，可分为：纤维增强金属基复合材料；其纤维有C、SiC、Si3N4、B4C、Al2O3等纤维；粒子增强金属基复合材料，增强粒子有：Al2O3、TiC、SiC、Si3N4、BN、SiC、MgO等。 纤维增强金属基复合材料的制造方法： （1）叠层加压法：工艺过程是：将金属（合金）箔片或纤维增强金属片按要求剪裁，并一层一层的进行叠层，然后加热加压进行成型和连接，一般是在真空或气体中进行。适于这种方法的材料有铝、钛、铜、高温合金，其增强纤维随需要而定。为了改善连接性能，有事在两片之间加入中间金属或在待连接表面涂覆或沉积一层中间金属。 （2）辊轧成型连接法：其主要的基材是铝、钛箔片，增强纤维主要是B、C、SiC、Si3N4等，有时在基材表面要涂覆一层低熔点的中间金属，增强纤维表面要预先浸沾铝或经物理气相沉积（PVI）、化学气相沉积（CVI）处理。 （3）钎焊法：在增强纤维与基材之间加入箔状、粉末状或膏状的钎料，经真空钎焊或保护钎焊而成。钎焊法可以制造管材、型材、叶片等。 （4）热等静压法：如图2所示，其工艺过程是：将纤维与基材进行叠层并装入一模具中，
Ansys10.0 复合材料结构分析操作指导书
第一章概述 复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在一起而形成的一种多相固体材料，具有很高的比刚度和比强度（刚度和强度与密度的比值），因而应用相当广泛，其应用即涉及航空、航天等高科技领域，也包括游艇、风电叶片等诸多民用领域。由于复合材料结构复杂，材料性质特殊，对其结构进行分析需要借助数值模拟的方法，众多数值模拟软件中Ansys是个不错的选择。 Ansys软件由美国ANSYS公司开发，是目前世界上唯一一款通过ISO9001质量体系认证的分析设计软件，有着近40年的发展历史，经过多次升级和收购其它CAE(Computer Aided Engineering )软件，目前已经发展成集结构力学、流体力学、电磁学、声学和热学分析于一体的大型通用有限元分析软件，是一款不可多得的工程分析软件。Ansys在做复合材料结构分析方面也有不俗的表现，此书将介绍如何使用该款软件进行复合材料结构分析。在开始之前有以下几点需要说明，希望大家能对有限元法有大体的认识，以及Ansys软件有哪些改进，最后给出一些学习Ansys软件的建议。 1、有限元分析方法应用简介 有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是建立在严格数学分析理论上的一种数值分析方法。该方法的基本思想是离散化模型，将求解目标离散成有限个单元(Element)，并在每个单元上指定有限个节点(Node)，单元通过节点相 连构成整个有限元模型，用该模型代替实际结构进行结构分析。在对结构离散后，要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys中称之为DOF(Degree Of Freedom)，试想一下，节点的位移包括沿x,y,z轴的平动和转动，也就是节点的自由度)，节点位移通过求解一系列代数方程组得到，在求得节点位移后，利用节点位移和应力、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应力、应变，应用线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应力、应变等信息。 2、Ansys软件的发展近况 Ansys软件目前已发展到Ansys V12版本，从V10开始Ansys加入了一个新的工作环境Workbench，原先的Ansys被称为Ansys (classic)，虽然操作界面不同，但两者的求解器是一样的。Ansys (classic)的前处理功能相对较弱（主要是建模方面），因而往往需要借助第三方软件，如CAD软件。也许是迫于另一个有限元分析软件ABQUS的竞争压力，Ansys推出了新的Workbench工作环境，Workbench在建模、划分网格、求解和后处理上都作了改进，尤其在建模和划分
树脂基复合材料缠绕成型工艺的研究与应用 姓名：刘伟萍 (西北工业大学机电学院, 陕西西安710072) 摘要：随着我国航空事业的发展，先进材料方面的需求越来越急迫，复合材料各方面的 优秀性能使得它在飞机上的应用越来越广泛。现阶段我国在复合材料方面虽然取得了一 定进展，但在成型工艺方面与欧美等国家还存在一定差距。复合材料的成型工艺方法很 多，本文主要介绍了树脂复合材料缠绕成型工艺的特点、工艺流程、及现阶段还存在的 一些问题和相应的解决办法。 关键字：树脂基复合材料缠绕成型工艺流程 The Research and Application of Winding And Forming Process of Polymer Composites Abstract:With the development of Chinese aviation industry,the demand in the spects of advanced materials become more urgent.Because of the excellent properties of composites,it is applied more and more widely in the aircraft.Nowadays,China has made some progress in terms of composite materials ,But in terms of composites forming process,there is still a gap between China and westen developed countries like America and UN.There is A lot of methods in c omposites and winding forming process,this paper describes the characteristics、forming process of polimer composites,it also introduces some problems and corresponding solutions. Keyword:Polymer Composites Winding And Forming Process technological process 1 绪论 1.1复合材料的应用与研究 复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料具有质量轻、比强度、比模量高，较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、耐高温、性能可设计性等特点，因此被大量用于航空航天等军事领域和民用领域，是制造飞机、火箭、航天飞行器等的理想材料。 在航空工业中，复合材料的应用越来越广泛，而且成为衡量飞机性能的重要参数。复合材料成型技术在应用过程中不断积累应用经验,提高技术水平, 完善
SMC复合材料特性 SMC复合材料,SMC复合材料是Sheet molding compound的缩写，翻译成中文是片状模塑料。主要原料由SMC专用纱、不饱和树脂、低收缩添加剂、填料及各种助剂组成，是树脂基复合材料的一种，它在20世纪60年代初首先出现在欧洲，在1965年左右，美、日相继发展了这种工艺。我国于80年代末，引进了国外先进的SMC材料生产线和生产工艺。纤维增强不饱和聚酯箱体材料采用SMC复合材料具有以下优点: 1、电性能好 用于制造电器产品的纤维增强聚酯材料有如下的电性能： 绝缘电阻（浸水24h）：1.0x10 MΩ 耐电弧：180s 耐漏电起痕指数：≥600v 绝缘防护和抗爬电指标符合DIN/VDE相关标准。这种材料不仅具有极佳的电绝缘性，而且在高频下亦能保持良好的介电性能，不受电磁作用，不反射电磁波。这些性能远非金属材料所能相比。 2、耐化学腐蚀 纤维增强聚酯材料具有很好的耐酸、稀碱、盐、有机溶剂、海水等腐蚀的特性，而金属材料不耐酸、不耐海水腐蚀。 3、轻质高强 比强度和比模量是衡量材料承载能力的指标之一，纤维增强聚酯材料的比模量与钢材相当，但其比强度可达到钢材的4倍。 4、抗疲劳性能好 纤维增强聚酯材料的拉伸强度略好于钢材，钢材及大多数金属材料的抗疲劳极限是其拉伸强度的40%-50%，而纤维增强的复合材料的抗疲劳极限普遍高于这一数值，最高的可达到70%-80%。 5、缺口敏感性 当构件超载并有少量纤维断裂时，载荷迅速分配在未破坏的纤维上重新达到力学平衡。这是金属构件不能相比的。 6、热导率低、膨胀系数小 在有温差时所产生的热导率低，是隔热应用的良好材料，热膨胀系数比金属小的多。 7、优异的耐紫外线抗老化性能 在非金属材料中，纤维增强聚酯材料有着优秀的抗老化性能。经过抗老化性能测试表明，使用地点不同，所处气候带不同，其表面最大老化厚度为20年小于50μm。大多数箱体的最小厚度为5mm，小于箱体厚度的1%，因此对箱体的机械性能没有明显的影响。令外我公司采取了一种特殊的耐紫外线表面处理工艺，更加强化了其耐老化性能。 8、使用寿命长
复合材料的种类及特点 用塑性材料将另一种高强度的纤维按受力方向粘接在一起，以获得一定的综合性能，这种材料则被称为复合材料。但是在近年来复合材料的定义又有了更广泛的含义。由两种或两种以上的材料复合在一起，并获得了新性能的材料都可以称其为复合材料。基体一般为一种连续相的材料，它把纤维或者是粒子等等的增强材料固结成为一个整体，所以在不同的基体和不同的增强材料下可以组成不同类型的复合材料。复合材料的分类方法有四种:第一种则是利用构成材料进行分类;第二种则是按照复合性质进行分类;第三种则是利用复合效果进行分类;第四种则是按照结构特点进行分类。通过这四种不同的分类方法可以将制备成型的复合材料进行有规律的分类。在我国复合材料拥有良好的发展空间，其首要的原因则是由于能源的短缺，不少陆地资源陆续出现枯竭的现象，同时随着社会的进步和发展所带来的工业化发展和人口急剧增加都会造成环境恶化等严重的问题;另一方面人们将步入高度的信息化社会，同时伴随着人们生活质量的提高。最后是我国国防事业的大力发展，在这些方面上都提供了复合材料发展的机遇。在复合材料领域中，由高比强度、比模量的高性能纤维作为增强体的树脂基复合材料被称为先进树脂基复合材料，它一直是发达国家对复
合材料应用和研究的主体。先进树脂基复合材料具有比强度和比刚度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形的独特优点，充分体现了集结构承载和功能于一身的鲜明特点。所以在研究领域发展先进树脂基复合材料成为至关重要的一项课题。 先进树脂基复合材料中包含有热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。其中热固性树脂基体在制备过程中产生交联反应，在理想的交联反应中不但能形成体型交联结构，而且在交联反应中能形成附加的刚性环结构，大大提高了热固性复合材料在极端恶劣环境下的使用，所以在大多数己经成型的研究中热固性树脂己经成为主要的研究对象，其在航空航天领域、能源工业方面、电子工业方面、体育日用品方面、建筑结构工程方面都做出了杰出的贡献。 热固性树脂复合材料的基体主要分为以下几种类型。 （1）环氧树脂(EP)基体:综合性能优异，工艺性好，价格较低，粘结力强，稳定性好目前依然是在各个领域中应用最广泛的树脂基体。但是由于环氧树脂基体还存在韧性不足耐湿耐热性能比较差，在制备预浸料的储存上时间较短，所以要在解决这些不足的基础上对环氧树脂基体进行各种性能的改性研究。随着科技的发展，环氧树脂的性能越
第四章复合材料计算实例 在有了前几章知识做铺垫，这一章我们来学习两个复合材料分析的例子，加深复合材料分析的理解，也希望读者能从中收获一些经验。在这里将第二章的流程图再次拿出来，进一步熟悉ANSYS有限元分析的基本过程。 图7 Ansys 结构分析流程图 4.1 层合板受压分析 4.1.1 问题描述 层合板指的是仅仅由FRP层叠而成的复合板材，中间不包含芯材，板材的性能不仅与纤维的弹性模量、剪切模量有关，还与纤维的铺层方向有着密切关系。本例中的板材有4层厚度为0.025m的单元板复合而成，单元板的铺层方向为0°、90°、90°、0°，见图13所示。单元板的材料属性见表4.1。 表 4.1 单元板材料属性 图13 复合材料板
4.1.2 求解步骤 根据问题描述，所要分析的问题为壳体结构的复合材料板，可以采用SOLID46单元建立3D有限元模型进行分析。结合图7的一般步骤进行分析。 步骤一：选取单元类型，设置单元实常数 ⑴、在开始一个新分析前，需要指定文件保存路径和文件名。 文件保存路径GUI：【Utility Menu】|【File】|【Change Directory】见图14 指定新的文件名GUI：【Utility Menu】|【File】|【Change Jobname】见图15所示 图14 指定文件保存路径 图15 修改文件名 ⑵、选取单元类型
1）选取单元类型的GUI操作：【Main Menu】|【Preprocessor】|【Element Type】|【Add/Edit/Delete】，执行后弹出Element Types对话框。2）在Element Types对话框点击Add定义新的单元类型，弹出“Library of Element Types”对话框，见图16所示，按图中所示选择，单元 类型参考号输入框中输入数字1。 图16 单元类型对话框 3）点击“OK”，回到“Element Types”对话框见图17所示，从图中可以看到，定义的单元类型参考号为1，单元类型对应为SOLID46。 图17 已经定义好的单元类型 4）接下来，还要对单元类型做一些选项设置，点击“Options”，弹出“SOLID46 element type options”对话框，在“Form of input”下拉 选择列表中有三个选项，分别是各材料层厚度相同、变厚度材料层、 自定义宏观材料本构矩阵，选择不同的选项，会导致后面需要输入 的材料参数不同。由于本例各层厚度相同，选择“Const thk layer” 项，点击“OK”，弹出“More SOLID46 element type options”，在 K8选项中选择“All layers”，然后单击OK，随后单击ElementTypes 对话框上的Close，关闭该对话框，完成单元类型选择，见图18。
第五章复合材料 5.1 复合材料的相关概念 复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。 复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。 ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。 5.2 建立复合材料模型 与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。本节主要探讨如下问题： 选择合适的单元类型； 定义材料层； 确定失效准则； 应遵循的建模和后处理规则。 5.2.1 选择合适的单元类型 用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和SHELL46 单元。具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。所有的层单元允许失效准则计算。 1、SHELL99--线性层状结构壳单元 SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。 2、SHELL91--非线性层状结构壳单元 SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为