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關(guān)于先進(jìn)復(fù)合材料的論文
篇一：先進(jìn)復(fù)合材料論文
摘要：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)特性，是一種多相體材料。其力學(xué)性能及損傷破壞規(guī)律不僅取決于各組分材料性能，同時(shí)也取決于細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。采用細(xì)觀力學(xué)分析研究復(fù)合材料宏現(xiàn)力學(xué)性能與細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。論述了細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的理論基礎(chǔ)和常用實(shí)驗(yàn)技術(shù)及進(jìn)展，介紹了復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)模型的發(fā)展，綜述了復(fù)合材料力學(xué)行為有限元分析的研究現(xiàn)狀，并對這一學(xué)科的研究發(fā)展進(jìn)行了簡要評述與展望。
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它以其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料，是其它復(fù)合材料所無法比擬的。纖維復(fù)合材料因其較高的比強(qiáng)度、比模量在國外先進(jìn)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)固體火箭發(fā)動機(jī)方面應(yīng)用較多，如美國的戰(zhàn)略導(dǎo)彈“侏儒”三級發(fā)動機(jī)殼體，“三叉戟”一、二、三級發(fā)動機(jī)殼體的復(fù)合材料裙，民兵系列發(fā)動機(jī)的噴管擴(kuò)張段，部分固體發(fā)動機(jī)及高速戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈美國的11IAAD、ERINT等。除軍用外，開發(fā)纖維復(fù)合材料的其它應(yīng)用也大有作為，如飛機(jī)及高速列車剎車系統(tǒng)、民用飛機(jī)及汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件、高性能碳纖維軸承、風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型葉片、體育運(yùn)動器材(如滑雪板、球拍、漁桿)等。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)成本的逐步下降，在增強(qiáng)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(yīng)用也必將迅速擴(kuò)大。我國擬大力開發(fā)新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建材及與環(huán)保、日用消費(fèi)品檔關(guān)的高科技纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的新市場,因此，對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能研究是十分必要的。
復(fù)合材料既表現(xiàn)出宏觀特征，又具有明顯的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。復(fù)合材料力學(xué)是一種兩層次的力學(xué)理論。在宏觀尺度上，可以將復(fù)合材料當(dāng)作各向異性的宏觀均勻連續(xù)體，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論研
究復(fù)合材料的力學(xué)行為舊，但是無法研究對宏觀行為有重要影響的細(xì)觀尺度上各組份相的變形及損傷失效行為。在細(xì)觀尺度上，復(fù)合材料具有包含多種組份相的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)在宏觀有效性能預(yù)測以及細(xì)觀應(yīng)力、應(yīng)變場分析方面取得了一定進(jìn)展。如果將復(fù)合材料宏觀結(jié)構(gòu)分析與細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來，在進(jìn)行宏觀結(jié)構(gòu)分析時(shí)就能夠獲得細(xì)觀尺度上的力學(xué)參量值，將是一種更好的分析方法。本文在分析復(fù)合材料宏觀、細(xì)觀特
征之間聯(lián)系的基礎(chǔ)上，建立了聯(lián)系復(fù)合材料宏觀、細(xì)觀特征的1種數(shù)值型細(xì)觀力學(xué)模型。該模型不僅能夠預(yù)測復(fù)合材料的宏觀有效性能以及細(xì)觀應(yīng)力、應(yīng)變場，還能夠很容易地融人常規(guī)有限元方法中，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏觀、細(xì)觀一體化分析。
復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)研究采用固體動力學(xué)和材料科學(xué)相結(jié)合，從細(xì)觀和微觀層次，承認(rèn)材料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法研究材料的宏觀力學(xué)性能與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。而要深入的認(rèn)識復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，就必須在廣泛的尺寸范圍內(nèi)分析所要探測和測量的物理量并進(jìn)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(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化以及對性能的影響就顯得尤為重要。一方面，由于復(fù)合材料的力學(xué)本質(zhì)常常是非線性的，因此研究復(fù)合材料力學(xué)性能的細(xì)觀力學(xué)方法所研究的問題一般來說也是非線性的、時(shí)間相關(guān)的和三維的。這些問題的數(shù)學(xué)解對計(jì)算力學(xué)而言，進(jìn)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(xì)觀的測試實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立切合實(shí)際的計(jì)算模型，用數(shù)值解法和有限元法對其進(jìn)行復(fù)雜的和大量的計(jì)算和分析。另一方面，盡管隨著非線性結(jié)構(gòu)力學(xué)和固體力學(xué)中計(jì)算方法的進(jìn)步，人們在復(fù)合材料的計(jì)算力學(xué)研究方面取得了不少進(jìn)展。但復(fù)合材料計(jì)算力學(xué)分析的發(fā)展尚未達(dá)到解決材料性能研究和工程應(yīng)用中所遇到的眾多問題。因此，以細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)結(jié)合細(xì)觀力學(xué)模型和有限元分析的現(xiàn)代材料研究技術(shù)對今后材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。
細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)
D R Axelrad等通過大量的理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了固體材料某一特定細(xì)觀區(qū)域的某些場量及其分布函數(shù)是可以用試驗(yàn)方法確定的。就多晶材料而言，其主要的運(yùn)動學(xué)量為微觀的變形和微觀的轉(zhuǎn)動。對二維纖維結(jié)構(gòu)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(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，目前用于組織結(jié)構(gòu)分析的手段，如光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、x射線衍射、光譜分析及聲發(fā)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(lián)系。而“應(yīng)力全息圖像干涉儀”新技術(shù)，即將全息成像與X射線衍射相結(jié)合，可測定基體中
某一組元的微小變形和微小轉(zhuǎn)動。應(yīng)力全息圖像干涉技術(shù)利用了全息圖像的重構(gòu)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(fā)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(shù)與掃描電鏡、透射電鏡等技術(shù)結(jié)合是研究材料細(xì)觀行為的重要實(shí)驗(yàn)手段。
細(xì)觀力學(xué)模型
細(xì)觀力學(xué)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(zhì)點(diǎn)，因而其宏觀應(yīng)力場可視為均勻應(yīng)力場；另一方面，從細(xì)觀角度講其尺寸足夠大，包含足夠多的細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息，可以體現(xiàn)材料的統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，用于材料分析研究的細(xì)觀力學(xué)模型獲得了巨大發(fā)展。細(xì)觀力學(xué)分析中剪切滯后模型由Cox H L于1952年首次引入，其重點(diǎn)考慮材料結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，不具體求解復(fù)合材料的應(yīng)力場和應(yīng)變場，通過 造一個數(shù)學(xué)模型來計(jì)算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對載荷的響應(yīng)。該模型僅研究了彈性基體中的單根纖維斷裂后的應(yīng)力分布，沒有考慮其它臨近纖維的應(yīng)力分布，因而不能分析應(yīng)力集中問題。在此基礎(chǔ)上，Hedgepeth J M等人研究了單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的多根纖維斷裂后的應(yīng)力分布問題，并預(yù)測了無限根纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的內(nèi)部多根纖維斷裂后的應(yīng)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?jǐn)?shù)較大的單向復(fù)合材料中纖維斷點(diǎn)周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象。不足之處是不適宜研究較多數(shù)目的纖維發(fā)生相繼斷裂以及裂紋臨近的基體或界面也發(fā)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(fù)合材料在軸向拉伸載荷作用下的應(yīng)力分布問題，并研究了二維單向復(fù)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(yīng)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(yīng)力分布。在前人研究的基礎(chǔ)上，曾慶敦等通過大量的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技術(shù)和相關(guān)力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，人們對細(xì)觀力學(xué)模型的各種實(shí)驗(yàn)條件和參量進(jìn)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(yīng)力集中的影響，改進(jìn)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(qiáng)復(fù)合材料宏觀與細(xì)觀統(tǒng)一的細(xì)觀力學(xué)模型》一文中研究了復(fù)合材料宏、細(xì)觀特征之間的聯(lián)系，將宏觀復(fù)合材料體中的一點(diǎn)賦予了細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征�；诩�(xì)觀結(jié)構(gòu)周期性假設(shè)，建立了一種細(xì)觀力學(xué)模型。模型中用高階多項(xiàng)式函數(shù)模擬基體和增強(qiáng)相中細(xì)觀位移場，通過對細(xì)觀單元力學(xué)方程的分析與求解，建立了復(fù)合材料宏、細(xì)觀力學(xué)變量之間的聯(lián)系。該細(xì)觀力學(xué)模型不僅能用于復(fù)合材料宏觀有效性能的預(yù)測及細(xì)觀應(yīng)力、應(yīng)變場的分析，而且容易融入常規(guī)有限元法中，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏、細(xì)觀一體化分析。以該細(xì)觀力學(xué)模型為基礎(chǔ)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果及理論計(jì)算值具有較好的一致性。
細(xì)觀力學(xué)的有限元分析
由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用所導(dǎo)致的工業(yè)革命是顯而易見的事實(shí)。針對 復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用也極大地提高了材料設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)性 能評價(jià)的水準(zhǔn)。尤其是由于基于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上的有限元方法可以用來求解具有 任意復(fù)雜形狀與性能的結(jié)構(gòu)承受任意載荷的問題，使得人們在復(fù)合材料不同層 次上廣泛應(yīng)用了有限元分析技術(shù)。目前，細(xì)觀層次上有限元的應(yīng)用主要為了求 解細(xì)觀應(yīng)力場及材料的有效彈性性能。
有限元法與細(xì)觀力學(xué)和材料科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生了有限元計(jì)算細(xì)觀力學(xué)，它主 要研究復(fù)合材料組分材料間力的相互作用和定量描述細(xì)觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān) 系。由于復(fù)合材料綜合了組分材料的長處，對其材料力學(xué)行為的有意義的研究 必須借助于細(xì)觀力學(xué)進(jìn)行。因此，有限元計(jì)算細(xì)觀力學(xué)正是在20世紀(jì)70年代 隨著細(xì)觀力學(xué)的起飛而發(fā)展起來的。但是，該領(lǐng)域卻是在80年代末隨著計(jì)算材料科學(xué)或稱計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)的興起而真正得到迅猛發(fā)展的。
有限元計(jì)算細(xì)觀力學(xué)的最大優(yōu)點(diǎn)在于它能夠獲得纖維(或顆粒)直徑尺度下的完整應(yīng)力應(yīng)變場來反映復(fù)合材料宏觀應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)特性。這樣，它能夠分析復(fù)合材料宏觀有效性能對細(xì)觀結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)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(xì)觀結(jié)構(gòu)參量對宏觀力學(xué)性能的影響。這些優(yōu)點(diǎn)正是計(jì)算材料科學(xué)在材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所必需的。
有限元計(jì)算細(xì)觀力學(xué)應(yīng)用于復(fù)合材料力學(xué)行為數(shù)值模擬的本質(zhì)，是將有限元計(jì)算技術(shù)與細(xì)觀力學(xué)和材料學(xué)相結(jié)合，根據(jù)復(fù)合材料具體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，建立代表
性細(xì)觀計(jì)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(xì)觀局部場量與宏觀平均場量之間的關(guān)系，最終獲得復(fù)合材料的宏觀力學(xué)響應(yīng)。
代表性體元的材料模型應(yīng)滿足：(1)相對于細(xì)觀分析的合適尺度；(2)反映細(xì)觀結(jié)構(gòu)的幾何形狀、分布和界面條件。
人們可以利用有限元計(jì)算細(xì)觀力學(xué)來獲得復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀有效模量之間的定量關(guān)系，所獲得的主要結(jié)論是：(1)連續(xù)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(qiáng)相的取向、形狀和分布對有效模量的影響隨著增強(qiáng)相的增加而增大。
隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料由于具有可設(shè)計(jì)性，并有寬廣的設(shè)計(jì)自由度，因而采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)勢在必行。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)涉及：增強(qiáng)相和基體的組分，界面粘結(jié)，細(xì)觀結(jié)構(gòu)，成型工藝以及性能測定等。它與化學(xué)、物理、力學(xué)、材料學(xué)等多種學(xué)科有著廣泛的內(nèi)在聯(lián)系，并互相滲透和互相推動。有限元計(jì)算細(xì)觀力學(xué)作為計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)的基本方法是具有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景的。
國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)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(fù)合材料，都具有很復(fù)雜的徽觀構(gòu)造和復(fù)合材料的全部特點(diǎn)，它們的構(gòu)造和復(fù)合機(jī)理給人們很多深刻的啟示，因而人們就利用草增強(qiáng)泥土制成坯磚。后又出現(xiàn)了鋼筋混凝土和膠合板等初期的復(fù)合材料以及輪胎等雛型紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。到了20世紀(jì)30-40年代.出現(xiàn)了性能良好的新一代的玻瑞纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料:從此復(fù)合材料學(xué)作為一門學(xué)科、作為一個新興材料工業(yè)出現(xiàn)在材料產(chǎn)業(yè)中。人們預(yù)側(cè),21世紀(jì)將有可能是復(fù)合材料在新材料中占主導(dǎo)地位的時(shí)代，美國《科學(xué)與未來》預(yù)側(cè)，到2016年以后在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)城，復(fù)合材料將代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬而占主導(dǎo)地位。 纖維在復(fù)合材料中有著不可替代的地位。復(fù)合材料按性能高低可分為常用復(fù)
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