復合材料的力學知識

復合材料力學是固體力學的一個新興分支，它研究由兩種或多種不同性能的材料，在宏觀尺度上組成的多相固體材料，即復合材料的力學問題。復合材料具有明顯的非均勻性和各向異性性質，這是復合材料力學的重要特點。
復合材料由增強物和基體組成，增強物起著承受載荷的主要作用，其幾何形式有長纖維、短纖維和顆粒狀物等多種；基體起著粘結、支持、保護增強物和傳遞應力的作用，常采用橡膠、石墨、樹脂、金屬和陶瓷等。
近代復合材料ZUI重要的有兩類：一類是纖維增強復合材料，主要是長纖維鋪層復合材料，如玻璃鋼；另一類是粒子增強復合材料，如建筑工程中廣泛應用的混凝上。纖維增強復合材料是一種高功能材料，它在力學性能、物理性能和化學性能等方面都明顯優于單一材料。
發展纖維增強復合材料是當前國際上極為重視的科學技術問題。現今在軍用方面，飛機、火箭、導彈、人造衛星、艦艇、坦克、常規武器裝備等，都已采用纖維增強復合材料；在民用方面，運輸工具、建筑結構、機器和儀表部件、化工管道和容器、電子和核能工程結構，以至人體工程、醫療器械和體育用品等也逐漸開始使用這種復合材料。
 
復合材料力學的發展簡史
在自然界中，存在著大量的復合材料，如竹子、木材、動物的肌肉和骨骼等。從力學的觀點來看，天然復合材料結構往往是很理想的結構，它們為發展人工纖維增強復合材料提供了仿生學依據。
人類早已創制了有力學概念的復合材料。例如，古代中國人和猶太人用稻草或麥秸增強蓋房用的泥磚；兩千年前，中國制造了防腐蝕用的生漆襯布；由薄綢和漆粘結制成的中國漆器，也是近代纖維增強復合材料的雛形，它體現了重量輕、強度和剛度大的力學優點。
以混凝土為標志的近代復合材料是在一百多年前出現的。后來，原有的混凝土結構不能滿足高層建筑的強度要求，建筑者轉而使用鋼筋混凝土結構，其中的鋼筋提高了混凝土的抗拉強度，從而解決了建筑方面的大量問題。
20世紀初，為滿足軍用方面對材料力學性能的要求，人們開始研制新材料，并在20世紀40年代研制成功玻璃纖維增強復合材料（即玻璃鋼）。它的出現豐富了復合材料的力學內容。50年代又出現了強度更高的碳纖維、硼纖維復合材料，復合材料的力學研究工作由此得到很大發展，并逐步形成了一門新興的力學學科——復合材料力學。
為了克服碳纖維、硼纖維不耐高溫和抗剪切能力差等缺點，近二十年來，人們又研制出金屬基和陶瓷基的復合材料。華人在復合材料的研究中做出了很多貢獻，但中國在復合材料力學研究方面的起步和水平晚于歐美十到十五年。
進入20世紀60年代后，復合材料力學發展的步伐加快了。1964年羅森提出了確定單向纖維增強復合材料縱向壓縮強度的方法。1966年惠特尼和賴利提出了確定復合材料彈性常數的獨立模型法。1968年，經蔡為侖和希爾的多年研究形成了蔡-希爾破壞準則；后于1971年又出現了張量形式的蔡-吳破壞準則。
1970年瓊斯研究了一般的多向層板，并得到簡單的精確解；1972年惠特尼用雙重傅里葉級數，求解了扭轉耦合剛度對各向異性層板的撓度、屈曲載荷和振動的影響問題，用這種方法求解的位移既滿足自然邊界條件，又能很快收斂到精確解；同年，夏米斯、漢森和塞拉菲尼研究了復合材料的抗沖擊性能。另外，蔡為侖在單向層板非線性變形性能的分析方面，亞當斯在非彈性問題的細觀力學理論方面，索哈佩里在復合材料粘彈性應力分析等都做了開創性的研究工作。
近年來，混雜復合材料力學性能的研究吸引了一些學者的注意力。林毅于1972年首先發現，混雜復合材料的應力-應變曲線的直線部分所對應的ZUI大應變，已超過混雜復合材料中具有低延伸率的纖維的破壞應變。這一不易理解的現象，于1974年又被班塞爾等所發現，后人稱之為“混雜效應”。
復合材料的特性
復合材料的比強度和比剛度較高。材料的強度除以密度稱為比強度；材料的剛度除以密度稱為比剛度。這兩個參量是衡量材料承載能力的重要指標。比強度和比剛度較高說明材料重量輕，而強度和剛度大。這是結構設計，特別是航空、航天結構設計對材料的重要要求。現代飛機、導彈和衛星等機體結構正逐漸擴大使用纖維增強復合材料的比例。
復合材料的力學性能可以設計，即可以通過選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，使復合材料構件或復合材料結構滿足使用要求。例如，在某種鋪層形式下，材料在一方向受拉而伸長時，在垂直于受拉的方向上材料也伸長，這與常用材料的性能完全不同。又如利用復合材料的耦合效應，在平板模上鋪層制作層板，加溫固化后，板就自動成為所需要的曲板或殼體。
復合材料的抗疲勞性能良好。一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的40～50%，而某些復合材料可高達70～80%。復合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴展到纖維和基體的界面上，沒有突發性的變化。因此，復合材料在破壞前有預兆，可以檢查和補救。纖維復合材料還具有較好的抗聲振疲勞性能。用復合材料制成的直升飛機旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長數倍。
復合材料的減振性能良好。纖維復合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動試驗，碳纖維復合材料粱的振動衰減時間比輕金屬粱要短得多。
復合材料通常都能耐高溫。在高溫下，用碳或硼纖維增強的金屬其強度和剛度都比原金屬的強度和剛度高很多。普通鋁合金在400℃時，彈性模量大幅度下降，強度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強的鋁合金的強度和彈性模量基本不變。復合材料的熱導率一般都小，因而它的瞬時耐超高溫性能比較好。
復合材料的安全性好。在纖維增強復合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料制成的構件超載，并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個構件不至于在短時間內喪失承載能力。
復合材料的成型工藝簡單。纖維增強復合材料一般適合于整體成型，因而減少了零部件的數目，從而可減少設計計算工作量并有利于提高計算的準確性。另外，制作纖維增強復合材料部件的步驟是把纖維和基體粘結在一起，先用模具成型，而后加溫固化，在制作過程中基體由流體變為固體，不易在材料中造成微小裂紋，而且固化后殘余應力很小。