复合材料结构设计基础(精品).ppt
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1、复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础材料科学与工程学院李顺林李顺林 王兴业王兴业 主编主编刘锡礼刘锡礼 刘德安刘德安 主审主审武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础主讲教师:葛曷一,任保胜主讲教师:葛曷一,任保胜课程先修课程先修力学基础力学基础 从材料力学基础出发,介绍复合材料从材料力学基础出发,介绍复合材料力学、复合材料结构力学和复合材料构件力学、复合材料结构力学和复合材料构件设计的基本知识。具体:复合材料经典层设计的基本知识。具体:复合材料经典层合板理论、刚度和强度的计算方法、复合合板理论、刚度和强度的计算方法、复合材料结构元件的分析和典型产品结构
2、设计材料结构元件的分析和典型产品结构设计的基本步骤和方法等内容。的基本步骤和方法等内容。材料力学和弹性力学材料力学和弹性力学 在在娱乐至死娱乐至死节目中,美国学者尼尔节目中,美国学者尼尔波兹曼提波兹曼提到了娱乐遵循的三原则:第一,你不能有前提条件,观到了娱乐遵循的三原则:第一,你不能有前提条件,观众在观看你的节目时,不需要具备其他知识;第二,你众在观看你的节目时,不需要具备其他知识;第二,你不能给观众出难题,动脑筋的事儿别涉及;第三你应该不能给观众出难题,动脑筋的事儿别涉及;第三你应该像躲避瘟神一样避开阐述、争论、假设、讨论、说理、像躲避瘟神一样避开阐述、争论、假设、讨论、说理、辩驳或其他传统
3、演说方法。辩驳或其他传统演说方法。在在复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础讲授中,我们同样指讲授中,我们同样指出学习必须遵循的三原则:第一,你一定有前提条件,出学习必须遵循的三原则:第一,你一定有前提条件,学生在听讲课时,必须需要具备其他知识;第二,你一学生在听讲课时,必须需要具备其他知识;第二,你一定给学生出难题,动脑筋的事儿特别多;第三你应该像定给学生出难题,动脑筋的事儿特别多;第三你应该像迎接丘比特一样喜爱阐述、假设、讨论、推理、计算或迎接丘比特一样喜爱阐述、假设、讨论、推理、计算或其他方法。其他方法。1、绪论、绪论1.1 复合材料复合材料(Composite Materials)定
4、义、分类与命定义、分类与命名名(1)由两种或两种以上具有不同的化学或物理性由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料,且各组分材料之间具有明显的界面。新材料,且各组分材料之间具有明显的界面。(2)两种或两种以上不同化学性质或不两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物体,以微观形式或宏观同组织相的物体,以微观形式或宏观形式组合而成的材料。形式组合而成的材料。(3)有连续相的基体)有连续相的基体(如聚合物树脂、金属、如聚合物树脂、金属、陶瓷等陶瓷等)与分散相的增强体材料与分散相的增强体材料(如各种纤维、织如各种
5、纤维、织物及粉末填料等物及粉末填料等)组成的多相体系。组成的多相体系。用用途途结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料 以其声、光、电、热、磁等以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用,用于如物理特性为工程所应用,用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、振或热变形等热、声、光、电、磁的功能要求。磁的功能要求。以其力学性能如强度、刚以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所度、形变等特性为工程所应用,主要用于结构承力应用,主要用于结构承力或维持结构外形。或维持结构外形。组成组成基体材料基体材料(连续相连续相)增强材料增强材料(分散相
6、分散相)粘结、保护粘结、保护纤维,并传纤维,并传递应力递应力金属基复金属基复合材料合材料非金属基非金属基复合材料复合材料复合材料复合材料高聚物基高聚物基复合材料复合材料陶瓷基复陶瓷基复合材料合材料树脂基复树脂基复合材料合材料橡胶基复橡胶基复合材料合材料热固性树脂热固性树脂基复合材料基复合材料热塑性树脂热塑性树脂基复合材料基复合材料颗粒增强颗粒增强复合材料复合材料纤维增强纤维增强复合材料复合材料复合材料复合材料连续纤维连续纤维复合材料复合材料不连续纤维不连续纤维复合材料复合材料层合层合结构结构复合复合材料材料缠绕缠绕结构结构复合复合材料材料颗粒强化颗粒强化复合材料复合材料弥散强化弥散强化复合材料
7、复合材料多向多向编织编织复合复合材料材料短切短切纤维纤维复合复合材料材料晶须晶须复合复合材料材料 颗粒直径范围颗粒直径范围150m,颗颗粒体积含量粒体积含量2570%,增强颗增强颗粒之间的距离一般大于粒之间的距离一般大于1m。颗粒的作用:由于颗粒本身的颗粒的作用:由于颗粒本身的刚硬阻止基体变形而起到增强刚硬阻止基体变形而起到增强作用。作用。颗粒直径范围颗粒直径范围0.010.1 m,颗粒体积含量颗粒体积含量115。颗颗粒的作用:阻止基体材料的粒的作用:阻止基体材料的位错运动而起到增强作用。位错运动而起到增强作用。由无纬布或纤维由无纬布或纤维织物铺叠而成织物铺叠而成由纤维粗纱缠由纤维粗纱缠绕或纤
8、维织物绕或纤维织物带按一定缠绕带按一定缠绕规律卷绕而成规律卷绕而成由纤维在三维多由纤维在三维多方向编织而成方向编织而成(1)强调基体强调基体 即强调了基体材料的即强调了基体材料的种类和特征种类和特征(2)强调增强体强调增强体 即强调增强材即强调增强材 料的料的 种类和性质种类和性质酚醛树脂基复合酚醛树脂基复合材料、铝合金基材料、铝合金基复合材料等复合材料等碳纤维复合材料、金碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等璃纤维复合材料等(3)基体与增强体并用基体与增强体并用 即同时出现基体材料即同时出现基体材料和增强体材料和增强体材料碳纤维增强环氧树脂复合材碳纤维增强环氧
9、树脂复合材料、玻璃纤维增强不饱和聚料、玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料等。酯树脂复合材料等。(4)俗称俗称玻璃钢就是玻璃玻璃钢就是玻璃纤维增强树脂基纤维增强树脂基复合材料的俗称复合材料的俗称1.2 复合材料的发展简史与现状泥坯泥坯(稻草掺入泥中稻草掺入泥中)、弓弓(木材为芯,在受拉木材为芯,在受拉面胶有平行的纤维面胶有平行的纤维)。十九世纪末期出现由纤维增强十九世纪末期出现由纤维增强橡胶制成的轮胎、橡胶布。橡胶制成的轮胎、橡胶布。20世纪世纪40年代初,美国首先用玻璃年代初,美国首先用玻璃纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之后,玻纤增强塑料(我国俗称玻璃钢)后
10、,玻纤增强塑料(我国俗称玻璃钢)广泛用于航空、造船、汽车、化工、电广泛用于航空、造船、汽车、化工、电器等国防和国民经济各部门。器等国防和国民经济各部门。我国先进复合材料的应用和研究是我国先进复合材料的应用和研究是从从20世纪世纪60年代末期开始的。年代末期开始的。复合材料创新复合材料创新聚丙烯腈基纤维发展聚丙烯腈基纤维发展 玻璃纤维结构调整玻璃纤维结构调整 开发能源、交通用复合材料市场开发能源、交通用复合材料市场纤维复合材料基础设施应用纤维复合材料基础设施应用 复合材料综合处理与再生复合材料综合处理与再生 复复合合材材料料创创新新包括复合材料的技术发展、复合材料的包括复合材料的技术发展、复合材
11、料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用,具体要抓住树脂基体发展材料的应用,具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。展创新和产品应用发展创新。聚聚丙丙烯烯腈腈基基纤纤维维发发展展 我国碳纤维工业发展缓慢,与发我国碳纤维工业发展缓慢,与发达国家比较存在很大差距。达国家比较存在很大差距。国内碳纤维发展过程国内碳纤维发展过程 中国中国PAN基基CF市场概况、特点市场概况、特点 大力发展聚丙烯腈基纤维既有需大力发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。要也有可能。玻璃纤维结构调整玻璃纤维结构
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