复合材料力学是固体力学的一个新兴分支,它研究由两种或多种不同性能的材料,在宏观尺度上组成的多相固体材料,即复合材料的力学问题。复合材料具有明显的非均匀性和各向异性性质,这是复合材料力学的重要特点。
复合材料由增强物和基体组成,增强物起着承受载荷的主要作用,其几何形式有长纤维、短纤维和颗粒状物等多种;基体起着粘结、支持、保护增强物和传递应力的作用,常采用橡胶、石墨、树脂、金属和陶瓷等。
近代复合材料*重要的有两类:一类是纤维增强复合材料,主要是长纤维铺层复合材料,如玻璃钢;另一类是粒子增强复合材料,如建筑工程中广泛应用的混凝上。纤维增强复合材料是一种高功能材料,它在力学性能、物理性能和化学性能等方面都明显优于单一材料。
发展纤维增强复合材料是当前国际上极为重视的科学技术问题。现今在**方面,飞机、火箭、导弹、人造卫星、舰艇、坦克、常规武器装备等,都已采用纤维增强复合材料;在民用方面,运输工具、建筑结构、机器和仪表部件、化工管道和容器、电子和核能工程结构,以至人体工程、医疗器械和体育用品等也逐渐开始使用这种复合材料。
复合材料的特性
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,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。
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。
复合材料的**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。