第一章 复合材料概述

复合材料概论1.复合材料的定义：复合材料是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或者多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。

2.复合材料的结构：三个“结构层次”：一次结构（由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何和界面区的性能）；二次结构（单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何）；三次结构（工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何）。

3、复合材料与传统材料的不同：复合材料既能保持原组分材料的重要特性，又可通过复合效应使各组分的性能相互补充，获得传统材料不具备的许多优良性能。

4.金属基复合材料组成特点：非连续增强金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响。

因此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。

5.无机凝胶材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。

6.聚合物基体的种类：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。

7.聚合物基体的组分：主要组分是聚合物，其他组分油固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等。

8.聚合物基体的作用：基体材料通过与增强材料界面间的粘接成为一个整体，并以剪应力的形式向增强材料传递载荷，保护增强材料免受外界环境的作用和物理损伤。

9.不饱和树脂聚酯的固化特点：不饱和聚酯树脂的固化是一个放热反应，其过程可以分三个阶段：a.胶凝阶段：从加入促进剂到树脂变成凝胶状态的一段时间，影响凝胶时间的因素有很多，如阻聚剂、引发剂和促进剂的量，环境温度和湿度、树脂的体积、交联剂蒸发损失等。

b.硬化阶段：硬化阶段是从树脂开始凝胶到一定硬度，能把制品从模具上取下为之的一段时间。

c.完全固化阶段：通常在室温下进行，并用后处理的方法来加速，这段时间越长，制品吸水率越小，性能越好。

10.玻璃纤维的结构：玻璃纤维的结构假说有“微晶结构假说”和“网络结构假说”。

《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。

然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。

此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。

70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。

这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。

1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。

复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。

例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。

- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。

例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。

- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。

这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。

- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。

例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。

- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。

例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。

1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。

主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。

复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。

复合材料力学课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解复合材料的定义、分类和基本性质，掌握复合材料的基本力学原理；2. 使学生掌握复合材料力学性能的表征方法，了解影响复合材料力学性能的因素；3. 引导学生运用所学知识，分析复合材料在工程实际中的应用，并能解决简单问题。

技能目标：1. 培养学生运用数学和力学知识分析复合材料力学问题的能力；2. 提高学生设计复合材料结构的能力，能根据实际需求选择合适的复合材料和结构；3. 培养学生通过实验和计算等方法，对复合材料力学性能进行测试和评估的能力。

情感态度价值观目标：1. 激发学生对复合材料及其力学性能的兴趣，培养学生对材料科学的热爱；2. 培养学生的创新意识和团队协作精神，让学生在探讨问题中学会尊重他人意见；3. 使学生认识到复合材料在现代科技发展中的重要性，增强学生的社会责任感和使命感。

课程性质：本课程为高二年级选修课程，旨在让学生在掌握力学基础知识的基础上，进一步学习复合材料的力学性质及其应用。

学生特点：高二学生在知识结构、思维能力和实践能力方面有一定基础，具备一定的自主学习能力和合作探究精神。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高学生的创新能力和实践操作能力。

在教学过程中，注重目标导向，分解课程目标为具体学习成果，以便教学设计和评估。

二、教学内容1. 复合材料概述- 复合材料的定义、分类及特点- 复合材料的应用领域2. 复合材料基本力学原理- 弹性力学基础理论- 复合材料的应力-应变关系- 复合材料的强度理论3. 复合材料力学性能表征- 弹性模量、泊松比等力学性能参数- 力学性能测试方法及设备- 影响复合材料力学性能的因素4. 复合材料设计与应用- 复合材料结构设计原则- 复合材料选材及结构优化- 复合材料在工程实际中的应用案例5. 复合材料力学问题分析- 简单复合材料结构的力学分析- 复合材料力学问题的求解方法- 复合材料力学问题的实验研究教学大纲安排：第一周：复合材料概述第二周：复合材料基本力学原理第三周：复合材料力学性能表征第四周：复合材料设计与应用第五周：复合材料力学问题分析教材章节：第一章：复合材料概述第二章：复合材料基本力学原理第三章：复合材料力学性能表征第四章：复合材料设计与应用第五章：复合材料力学问题分析教学内容与课程目标紧密关联，旨在确保学生掌握复合材料力学的基本知识和实践应用，注重内容的科学性和系统性。

第一章复合材料的概念分类及其发展历程复合材料是由两种或两种以上不同的成分构成的材料体系。

它以其各成分的优点相互补充、相互作用，达到材料性能的综合优良，被广泛应用于各个领域。

复合材料的分类主要依据是其增强相的特征，一般可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状结构复合材料。

颗粒增强复合材料是将颗粒状的增强相与基体相结合而形成的材料。

增强相可以是金属颗粒、陶瓷颗粒、碳纳米管等。

颗粒增强复合材料具有良好的抗磨损性能、高硬度等特点，常用于制造耐磨材料、陶瓷刀具等。

纤维增强复合材料是以纤维为增强相的复合材料。

纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、腈纶纤维等。

纤维增强复合材料具有高强度、高模量、低密度等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。

层状结构复合材料是通过将两种或两种以上的不同材料叠加起来形成的复合材料。

层状结构复合材料具有多种性能，如强度、刚度、导热性、耐磨性等，常用于制造电路板、涂层等。

复合材料的发展历程可以追溯到古代，但真正的发展始于20世纪。

20世纪50年代，随着塑料和树脂材料的应用，复合材料的发展进入了一个新阶段。

20世纪60年代，纤维增强塑料的出现推动了复合材料的应用。

20世纪70年代，碳纤维复合材料的出现使复合材料的强度和刚度得到了进一步提高。

20世纪90年代以后，复合材料的应用领域不断扩大，涉及到各个行业。

复合材料的发展主要受到科学技术的推动。

随着纳米技术、材料科学等领域的不断发展，复合材料的性能和应用范围将会有更大的突破。

预计未来的复合材料将更加轻量化、高强度、高性能，可以满足更多领域的需求。

综上所述，复合材料是由两种或两种以上不同的成分构成的材料体系，根据增强相的特征可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状结构复合材料。

复合材料的发展历程起源于古代，但真正的发展始于20世纪，受到科学技术的不断推动。

未来的复合材料将更加轻量化、高强度、高性能，满足更多领域的需求。

第一章绪论1.1复合材料的发展概况一、材料的发展与人类社会的进步从人类发展的历史来看，材料是社会进步的物质基础。

综观人类发展和材料发展的历史，可以看到，每一种重要材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。

材料的发展与人类进步和发展息息相关。

一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。

7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品广泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。

同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。

5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。

十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。

随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。

随之核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。

二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材1料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命。

当前材料、能源、信息是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。

二十一世纪将是一个新材料时代。

二、复合材料的提出现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。

在现代高技术迅速发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而对材料提出了越来越苛刻的要求。

另外对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。

如现代武器系统的发展对新材料提出了高比强高比模；吸波、隐身；抗穿甲性；减振、降噪，抗激光等。

很显然，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。

第一章复合材料概述课件一、教学内容本节课我们将学习教材中第一章“复合材料概述”的内容。

具体包括：1.1节复合材料的定义与分类，详细探讨复合材料的组成、结构特点及其分类方法；1.2节复合材料的基本性能，介绍复合材料的力学、热学、电学等性能及其影响因素；1.3节复合材料的应用领域，分析复合材料在航空、航天、汽车、建筑等行业的应用实例。

二、教学目标1. 了解复合材料的定义、分类及其基本性能；2. 掌握复合材料的应用领域，培养学生的创新意识；3. 提高学生对复合材料结构与性能关系的认识，培养学生的科学素养。

三、教学难点与重点难点：复合材料的基本性能及其影响因素，复合材料的应用领域。

重点：复合材料的定义与分类，复合材料的结构与性能关系。

四、教具与学具准备1. 教具：复合材料样品、PPT课件、投影仪；五、教学过程1. 导入：展示复合材料样品，让学生观察并思考：什么是复合材料？它们有什么特点？2. 讲解：通过PPT课件，讲解复合材料的定义、分类、基本性能及应用领域。

3. 实践情景引入：介绍复合材料在生活中的应用实例，如碳纤维自行车、玻璃钢船舶等。

4. 例题讲解：讲解复合材料力学性能的计算方法，并进行随堂练习。

5. 课堂讨论：分析复合材料在航空、航天等领域的应用优势，引导学生探讨其未来发展方向。

六、板书设计1. 复合材料的定义与分类2. 复合材料的基本性能3. 复合材料的应用领域七、作业设计1. 作业题目：请简述复合材料的定义、分类及其应用领域。

2. 作业题目：请举例说明复合材料的基本性能及其影响因素。

答案：复合材料的基本性能包括力学性能、热学性能、电学性能等。

影响因素包括：基体材料、增强材料、界面结合、制备工艺等。

例如，碳纤维增强树脂基复合材料具有较高的强度和模量，其性能受碳纤维的排列方式、含量、界面结合等因素影响。

八、课后反思及拓展延伸本节课通过讲解复合材料的基本概念、性能和应用，使学生了解复合材料的优势和特点。

2024年第一章复合材料概述课件一、教学内容本节课主要依据教材《复合材料》第一章“复合材料概述”部分，详细内容如下：1. 复合材料的定义及分类；2. 复合材料的性能特点；3. 复合材料的应用领域；4. 我国复合材料的发展现状及趋势。

二、教学目标1. 让学生掌握复合材料的定义、分类及性能特点；2. 使学生了解复合材料的应用领域及我国复合材料的发展现状；3. 培养学生运用复合材料知识解决实际问题的能力。

三、教学难点与重点教学难点：复合材料的性能特点及其应用领域。

教学重点：复合材料的定义、分类及我国复合材料的发展趋势。

四、教具与学具准备1. 教具：多媒体课件、实物样品；2. 学具：教材、笔记本、文具。

五、教学过程1. 导入：通过展示复合材料实物样品，引发学生对复合材料的兴趣，提出问题：“什么是复合材料？它有哪些独特的性能和应用？”2. 讲解：（1）复合材料的定义及分类；（2）复合材料的性能特点；（3）复合材料的应用领域；（4）我国复合材料的发展现状及趋势。

3. 例题讲解：讲解一道与复合材料性能特点相关的例题，引导学生运用所学知识解决实际问题。

4. 随堂练习：布置一道与复合材料应用领域相关的练习题，检验学生对课堂所学内容的掌握程度。

5. 小组讨论：分组讨论复合材料在日常生活、工程领域的应用，培养学生团队协作和解决问题的能力。

六、板书设计1. 复合材料定义2. 复合材料分类3. 复合材料性能特点4. 复合材料应用领域5. 我国复合材料发展现状及趋势七、作业设计1. 作业题目：简述复合材料的定义、分类及性能特点，并举例说明其在实际应用中的优势。

2. 答案：参照课堂所学内容，结合实例进行解答。

八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课学生对复合材料的定义、分类及性能特点掌握较好，但在应用领域方面的理解还需加强，今后教学中需注重实际案例的讲解。

2. 拓展延伸：鼓励学生课后查阅资料，了解复合材料在其他领域的应用，如航空航天、建筑、医疗等，拓宽知识面。

Ansys复合材料结构分析操作指导书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。

复合材料概述复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的新材料。

它具有多种优良性能，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程、电子通信等领域。

本文将从复合材料的定义、组成、制备方法、应用领域以及未来发展趋势等方面进行概述。

一、复合材料的定义复合材料是由两种或两种以上具有不同化学成分和物理性质的材料经过一定方式组合而成的新材料。

它通常由增强相和基体相组成，其中增强相起到增强材料强度和刚度的作用，而基体相则起到固定增强相的作用。

二、复合材料的组成复合材料的组成主要包括增强相和基体相两部分。

增强相可以是纤维、颗粒或片层等形式，常见的有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等；基体相则可以是金属、陶瓷或聚合物等，常见的有环氧树脂、聚酰亚胺等。

通过选择不同的增强相和基体相组合，可以得到具有不同性能和应用领域的复合材料。

三、复合材料的制备方法复合材料的制备方法主要包括预浸法、纺织法、注塑法、层压法等。

预浸法是将增强相浸渍在基体相中，然后通过固化使其固定；纺织法是将纤维交织在一起形成纺织品，再通过浸渍固化形成复合材料；注塑法是将增强相和基体相混合后注入模具中，通过固化形成复合材料；层压法是将增强相和基体相交替层叠，然后通过高温高压使其固化。

不同的制备方法适用于不同的复合材料类型和应用需求。

四、复合材料的应用领域复合材料由于其优异的性能，在各个领域都有广泛的应用。

在航空航天领域，复合材料被广泛应用于飞机机身、翼面、推进器等部件，以提高飞机的性能和降低重量；在汽车制造领域，复合材料被用于制造车身、发动机罩等部件，以提高汽车的燃油经济性和安全性；在建筑工程领域，复合材料被应用于加固和修复混凝土结构、制造新型建筑材料等；在电子通信领域，复合材料被用于制造印刷电路板、光纤等部件，以提高电子设备的性能和可靠性。

五、复合材料的未来发展趋势随着科技的不断进步，复合材料的研究和应用也在不断发展。

未来，复合材料将更加注重环保和可持续发展，研究和开发新型的高性能、低成本复合材料；同时，随着3D打印技术的发展，将有望实现复合材料的定制化制造，提高生产效率和产品质量；此外，纳米复合材料、生物可降解复合材料等新型复合材料的研究也将成为未来的热点领域。