- 相關推薦
關于先進復合材料的論文
篇一：先進復合材料論文
摘要：纖維增強復合材料具有較強的結構特性，是一種多相體材料。其力學性能及損傷破壞規律不僅取決于各組分材料性能，同時也取決于細觀結構特征。采用細觀力學分析研究復合材料宏現力學性能與細觀結構參數之間的內在聯系具有重要的科學意義和工程價值。論述了細觀力學實驗技術的理論基礎和常用實驗技術及進展，介紹了復合材料的細觀力學模型的發展，綜述了復合材料力學行為有限元分析的研究現狀，并對這一學科的研究發展進行了簡要評述與展望。
纖維增強復合材料是目前最先進的復合材料之一。它以其輕質高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優良等特點廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料，是其它復合材料所無法比擬的。纖維復合材料因其較高的比強度、比模量在國外先進戰略、戰術固體火箭發動機方面應用較多，如美國的戰略導彈“侏儒”三級發動機殼體，“三叉戟”一、二、三級發動機殼體的復合材料裙，民兵系列發動機的噴管擴張段，部分固體發動機及高速戰術導彈美國的11IAAD、ERINT等。除軍用外，開發纖維復合材料的其它應用也大有作為，如飛機及高速列車剎車系統、民用飛機及汽車復合材料結構件、高性能碳纖維軸承、風力發電機大型葉片、體育運動器材(如滑雪板、球拍、漁桿)等。隨著碳纖維生產規模的擴大和生產成本的逐步下降，在增強混凝土、新型取暖裝置、新型電極材料乃至日常生活用品中的應用也必將迅速擴大。我國擬大力開發新型纖維增強復合材料建材及與環保、日用消費品檔關的高科技纖維增強復合材料的新市場,因此，對于纖維增強復合材料的力學性能研究是十分必要的。
復合材料既表現出宏觀特征，又具有明顯的細觀結構特征。復合材料力學是一種兩層次的力學理論。在宏觀尺度上，可以將復合材料當作各向異性的宏觀均勻連續體，用連續介質力學理論研
究復合材料的力學行為舊，但是無法研究對宏觀行為有重要影響的細觀尺度上各組份相的變形及損傷失效行為。在細觀尺度上，復合材料具有包含多種組份相的非均質結構，復合材料細觀力學在宏觀有效性能預測以及細觀應力、應變場分析方面取得了一定進展。如果將復合材料宏觀結構分析與細觀結構分析結合起來，在進行宏觀結構分析時就能夠獲得細觀尺度上的力學參量值，將是一種更好的分析方法。本文在分析復合材料宏觀、細觀特
征之間聯系的基礎上，建立了聯系復合材料宏觀、細觀特征的1種數值型細觀力學模型。該模型不僅能夠預測復合材料的宏觀有效性能以及細觀應力、應變場，還能夠很容易地融人常規有限元方法中，實現對復合材料結構的宏觀、細觀一體化分析。
復合材料的細觀力學研究采用固體動力學和材料科學相結合，從細觀和微觀層次，承認材料內部細觀結構的不均勻性，利用連續介質力學方法研究材料的宏觀力學性能與細觀結構的關系。而要深入的認識復合材料的細觀結構，就必須在廣泛的尺寸范圍內分析所要探測和測量的物理量并進行建模和有限元分析，因而微米和亞微米尺度測量及模擬分析對于分析細觀結構的變化以及對性能的影響就顯得尤為重要。一方面，由于復合材料的力學本質常常是非線性的，因此研究復合材料力學性能的細觀力學方法所研究的問題一般來說也是非線性的、時間相關的和三維的。這些問題的數學解對計算力學而言，進行精確的分析和模擬是非常困難的。因此，就必須以宏觀和細觀的測試實驗為基礎，建立切合實際的計算模型，用數值解法和有限元法對其進行復雜的和大量的計算和分析。另一方面，盡管隨著非線性結構力學和固體力學中計算方法的進步，人們在復合材料的計算力學研究方面取得了不少進展。但復合材料計算力學分析的發展尚未達到解決材料性能研究和工程應用中所遇到的眾多問題。因此，以細觀力學實驗為基礎結合細觀力學模型和有限元分析的現代材料研究技術對今后材料的設計和應用具有重要意義。
細觀力學實驗技術
D R Axelrad等通過大量的理論推導和實驗事實證明了固體材料某一特定細觀區域的某些場量及其分布函數是可以用試驗方法確定的。就多晶材料而言，其主要的運動學量為微觀的變形和微觀的轉動。對二維纖維結構的體系來說，則包括微觀變形和纖維取向的角度分布。
基于上述細觀力學實驗技術的理論基礎，目前用于組織結構分析的手段，如光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、x射線衍射、光譜分析及聲發射等不能直接用來研究材料中各組元的變形，難以建立材料宏觀行為與微觀組織間的聯系。而“應力全息圖像干涉儀”新技術，即將全息成像與X射線衍射相結合，可測定基體中
某一組元的微小變形和微小轉動。應力全息圖像干涉技術利用了全息圖像的重構期使得物體變形前后的反射光波相互干涉而成像的原理，將未變形的物像與發生了變形的物像共同曝光于全息膠片上，該方法可直接用于測量樣品的微變形。這一技術與掃描電鏡、透射電鏡等技術結合是研究材料細觀行為的重要實驗手段。
細觀力學模型
細觀力學模型的主要研究方法是在材料中選取一個有代表性的體積單元。它要滿足尺度的兩重性，一方面，從宏觀上其尺寸足夠小，可以看作一個材料質點，因而其宏觀應力場可視為均勻應力場；另一方面，從細觀角度講其尺寸足夠大，包含足夠多的細觀結構信息，可以體現材料的統計平均性質。歷經數十年的發展，用于材料分析研究的細觀力學模型獲得了巨大發展。細觀力學分析中剪切滯后模型由Cox H L于1952年首次引入，其重點考慮材料結構的主要特點，不具體求解復合材料的應力場和應變場，通過 造一個數學模型來計算復合材料結構對載荷的響應。該模型僅研究了彈性基體中的單根纖維斷裂后的應力分布，沒有考慮其它臨近纖維的應力分布，因而不能分析應力集中問題。在此基礎上，Hedgepeth J M等人研究了單向纖維增強復合材料的多根纖維斷裂后的應力分布問題，并預測了無限根纖維增強復合材料的內部多根纖維斷裂后的應力集中值。該模型可以較好地描述基體的拉伸模量較低以及纖維體積分數較大的單向復合材料中纖維斷點周圍的應力集中現象。不足之處是不適宜研究較多數目的纖維發生相繼斷裂以及裂紋臨近的基體或界面也發生破壞的情況。此后，科研工作者們采用近似分析的方法研究了含有垂直于纖維軸向的狹長割13的單向復合材料在軸向拉伸載荷作用下的應力分布問題，并研究了二維單向復合材料中纖維斷裂、基體橫向裂紋以及纖維/基體界面破壞等因素對于斷口鄰近的纖維和基體的應力集中的影響，但對于具體的纖維／基體界面破壞問題，僅能求解單根纖維斷裂后的應力分布。在前人研究的基礎上，曾慶敦等通過大量的實驗和分析后，提出了改善的剪切滯后模型，較好地解決了上述問題。近年來，隨著實驗技術和相關力學學科的發展，人們對細觀力學模型的各種實驗條件和參量進行了更加合理的假定，綜合考慮了基體軸向剛度、界面滑移和纖維非等距排列等因素對應力集中的影響，改進了剪切滯后模型并把剪切滯后模型推廣到三維問題。
最近，宋迎東和劉波等在《纖維增強復合材料宏觀與細觀統一的細觀力學模型》一文中研究了復合材料宏、細觀特征之間的聯系，將宏觀復合材料體中的一點賦予了細觀結構特征�；诩氂^結構周期性假設，建立了一種細觀力學模型。模型中用高階多項式函數模擬基體和增強相中細觀位移場，通過對細觀單元力學方程的分析與求解，建立了復合材料宏、細觀力學變量之間的聯系。該細觀力學模型不僅能用于復合材料宏觀有效性能的預測及細觀應力、應變場的分析，而且容易融入常規有限元法中，實現對復合材料結構的宏、細觀一體化分析。以該細觀力學模型為基礎的計算結果與試驗結果及理論計算值具有較好的一致性。
細觀力學的有限元分析
由于計算機的出現與廣泛應用所導致的工業革命是顯而易見的事實。針對 復合材料及其結構，計算機技術的廣泛應用也極大地提高了材料設計及結構性 能評價的水準。尤其是由于基于計算機基礎上的有限元方法可以用來求解具有 任意復雜形狀與性能的結構承受任意載荷的問題，使得人們在復合材料不同層 次上廣泛應用了有限元分析技術。目前，細觀層次上有限元的應用主要為了求 解細觀應力場及材料的有效彈性性能。
有限元法與細觀力學和材料科學相結合產生了有限元計算細觀力學，它主 要研究復合材料組分材料間力的相互作用和定量描述細觀結構與性能之間的關 系。由于復合材料綜合了組分材料的長處，對其材料力學行為的有意義的研究 必須借助于細觀力學進行。因此，有限元計算細觀力學正是在20世紀70年代 隨著細觀力學的起飛而發展起來的。但是，該領域卻是在80年代末隨著計算材料科學或稱計算機輔助材料設計的興起而真正得到迅猛發展的。
有限元計算細觀力學的最大優點在于它能夠獲得纖維(或顆粒)直徑尺度下的完整應力應變場來反映復合材料宏觀應力應變響應特性。這樣，它能夠分析復合材料宏觀有效性能對細觀結構的依賴關系，例如：能夠定量描述諸如纖維(或顆粒)的形狀、尺寸、分布和體積含量等細觀結構參量對宏觀力學性能的影響。這些優點正是計算材料科學在材料細觀結構設計時所必需的。
有限元計算細觀力學應用于復合材料力學行為數值模擬的本質，是將有限元計算技術與細觀力學和材料學相結合，根據復合材料具體的細觀結構，建立代表
性細觀計算體元，確定合適的界面條件和邊界條件，求解受載體元中具有夾雜的邊值問題。從而建立起細觀局部場量與宏觀平均場量之間的關系，最終獲得復合材料的宏觀力學響應。
代表性體元的材料模型應滿足：(1)相對于細觀分析的合適尺度；(2)反映細觀結構的幾何形狀、分布和界面條件。
人們可以利用有限元計算細觀力學來獲得復合材料的細觀結構與宏觀有效模量之間的定量關系，所獲得的主要結論是：(1)連續纖維的分布和形狀對纖維軸向剛度沒有影響，而對橫截面上的楊氏模量有影響，所有的有效剪切模量和泊松比都依賴于纖維的形狀和分布形式；(2)顆粒的取向、形狀和分布對所有的有效模量都有影響；(3)增強相的取向、形狀和分布對有效模量的影響隨著增強相的增加而增大。
隨著計算機科學的迅速發展，計算機輔助設計得到廣泛應用。復合材料由于具有可設計性，并有寬廣的設計自由度，因而采用計算機輔助設計勢在必行。復合材料的設計涉及：增強相和基體的組分，界面粘結，細觀結構，成型工藝以及性能測定等。它與化學、物理、力學、材料學等多種學科有著廣泛的內在聯系，并互相滲透和互相推動。有限元計算細觀力學作為計算機輔助材料設計的基本方法是具有很大的應用和發展前景的。
國內外發展現狀及趨勢
纖維增強復合材料的發展和應用，可迫溯到人們早期使用草稈貓土、紙筋石灰材料以及生物材料的竹、木、草、骨頭、牙齒、毛皮和貝殼等，這些是天然復合材料，都具有很復雜的徽觀構造和復合材料的全部特點，它們的構造和復合機理給人們很多深刻的啟示，因而人們就利用草增強泥土制成坯磚。后又出現了鋼筋混凝土和膠合板等初期的復合材料以及輪胎等雛型紡織結構復合材料。到了20世紀30-40年代.出現了性能良好的新一代的玻瑞纖維增強塑料復合材料:從此復合材料學作為一門學科、作為一個新興材料工業出現在材料產業中。人們預側,21世紀將有可能是復合材料在新材料中占主導地位的時代，美國《科學與未來》預側，到2016年以后在產品設計領城，復合材料將代替傳統金屬而占主導地位。 纖維在復合材料中有著不可替代的地位。復合材料按性能高低可分為常用復
【先進復合材料的論文】相關文章：
金屬基復合材料論文10-27
復合材料的發展和應用論文08-25
復合材料在汽車上的運用研究論文07-07
淺析PBS/淀粉復合材料的研制論文09-03
建筑節能復合材料應用論文10-31
復合材料對土木工程的應用論文08-27
水性聚氨酯復合材料的制備與性能研究論文05-22
木塑復合材料發展動態及專利現狀論文07-08
碳纖維復合材料制備及電容性能研究論文07-26