复合材料结构特点

复合材料结构力学

复合材料结构力学是指在复合材料结构中，力学特性与工程设计的关系。复合材料结构力学的主要任务是分析和设计具有优良性能的复合材料结构，使结构具有较高的强度、刚度和耐久性。

复合材料结构力学所涉及的主要内容包括复合材料的应力分析、弹性、蠕变和疲劳特性分析、裂纹扩展和断裂特性分析等。这些分析都是用来评估复合材料结构的力学性能，以确定最佳的材料组合和结构设计。

因为复合材料的性质和结构相对比较复杂，所以在复合材料结构力学的分析中，需要运用材料力学、结构力学、断裂力学、热力学等相关学科的知识。同时，因为复合材料结构的制造过程也是非常重要的，因此需要运用相关的制造技术来考虑制造工艺对复合材料结构力学性能的影响。

总之，复合材料结构力学在设计和制造高强度、高性能的复合材料结构中起着至关重要的作用，同时也是未来材料研究的重要发展方向之一。

材料的结构与性能特点

第一章材料的结构与性能

固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。

材料的相互作用

组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。主要有共价键、离子键、金属键、分子键。

离子键

形成：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。

特性：离子键没有方向性，无饱和性。NaCl晶体结构如图所示。

性能特点：离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。

共价键

形成：元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳

定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。氧化硅中硅氧原子间共价键，其结构如图所示。

性能特点：共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。

金属键 形成：由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。如图所示。

性能特点：

1)良好的导电性及导热性；

2)正的电阻温度系数；

3)良好的强度及塑性；

4)特有的金属光泽。

分子键

形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键（或分子键）。

特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。

材料的结合键类型不同，则其性能不同。常见结合键的特性见表1-1。

晶体材料的原子排列

所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。

理想的晶体结构

1.晶体的基本概念

(1) 晶格与晶胞 晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。晶胞各棱边的尺寸称为晶格常数。

第一章 绪论

复合材料的定义： 复合材料(Composite materials)，是由界面分明、物理化学性质不同的组分材料，通过物理或化学的方法构成的性能优越的多相材料。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。

复合材料应具有以下三个特点：

(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。

(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。

(3)复合材料具有可设计性。

复合材料的发展现状

（1）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟 广泛的应用

（2）金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位

（3）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决

复合材料的组成结构特点和分类

*细观复合：一种或几种制成细微形状的材料均匀分散于另一种连续材料中

宏观复合：两层以上不同材料的叠合,层合复合材料可以是几种单成分材料,也可以细观复合材料

细观复合材料的组成结构特点：

1基体相（连续相）：Co包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，作用是粘结保护分散相材料和传递应力

2界面：位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域

3增强相（分散相）：被基体相包裹分隔，具有比基体相高的模量和强度，起到抵抗变形和破坏的作用

细观复合材料的分类

细观复合材料的分类 （按分散相分类)

1纤维增强复合材料 (包括连续纤维增强：“纤维的两端达到制成的复合材料构件的边界” 和

短纤维增强："将长纤维或纤维束切断分散于基体中"）

2 颗粒增强复合材料 3晶须增强复合材料

按连续相分类

非金属基复合材料 金属基复合材料

2.1复合材料的概述

所谓复合材料，是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料，目的是通过复合来提高单一材料所不能发挥的各种特性。它包括基体相和增强相，基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料团结成一体，并起传递应力的作用；增强相一般为分散相，主要起承受应力和显示功能的作用，这两相最终以符合的固相材料出现。

2.2复合材料的制备

聚合物基粘土纳米复合材料的制备方法分为三种，即原位插层聚合法，溶液共混法及熔融共混法

2.2.1原位插层聚合法制备粘土/聚合物纳米复合材料

单体原位插层聚合，即在位分散聚合。首先将粘土分散于液体单体或单体溶液中，然后通过热、辐射等引发聚合，或在粘土片层之间插入有机、无机引发剂，催化剂等引发单体在粘土片层内外聚合，最终得到插层/解离纳米复合材料。Tudor【1】首次采用原位聚合法制备了聚丙烯纳米复合材料，发现可溶性金属茂化合物可以置入层状硅酸盐，并在层内外对丙烯的聚合反应有同等程度的催化作用，甲基烷氧基铝处理的锂蒙脱石由于可以除去粘土表面的质子酸所以更合适过度金属催化剂进入。Messersmith等【2】首次报道了原位插层法制备粘土/环氧树脂纳米复合材料的方法。采用经过了一种烷基铵阳离子改性的蒙脱土改性双酚A型二环氧甘油醚环氧树脂，研究了固化剂种类、固化反应条件等对所形成纳米复合材料结构的影响。单体原位插层聚合法制备纳米复合材料中的纳米粒子完好无损，同时在位填充过程中只经过一次聚合，不需热加工，避免了由此产生的大分子降解，从而保证基体各种性能的稳定。

2.2.2溶液共混法制备粘土/聚合物纳米复合材料

把树脂基体溶解于适当的溶剂中，然后加入层状结构粘土纳米粒子，在溶液状态下把聚合物嵌入到无机物层间域中，除去溶液，得到纳米复合材料的方法称聚合物溶液共混插层法。Hackett【3】等采用溶液共混法制备MMT/PEO纳米复合材料的方法。他们选用极性不同的各种溶剂，如水、甲醇、乙腈、甲醇-水（1:1）、甲醇-乙腈（1:1）等进行系列研究，发现溶剂极性对聚合物插层有着至关重要的作用。采用聚合物溶液插层法制备纳米复合材料时，粘土片层内释放出大量溶剂分子获得的熵增大可以补偿大分子链进入受限粘土片层时减少的熵值，促进粘土的插层与解离。溶剂小分子插入粘土片层过程时减少的熵值，促进粘土的插层与解离。溶剂小分子插入粘土片层过程为熵减过程，而聚合物大分子置换层间溶剂分子过程则为熵增过程，所以溶剂化作用太弱不利于溶剂分子插入有机粘土片层间，溶剂化作用太清也不易得到预期结构的纳米复合材料，因而应综合考虑所选溶剂对聚合物的溶解能力和对粘土片层间吸附的有机阳离子的溶剂化作用。而对单体溶液插层原位引发聚合反应来说，溶剂不但要对单体和硅酸盐产生溶剂化作用，还要使溶剂分子自身能够有效进入粘土的层间，并且能够溶解聚合反应所形成的大分子。所以，在溶液共混插层工艺中，溶剂的选择非常重要。