关于先进复合材料的论文
篇一：先进复合材料论文
摘要：纤维增强复合材料具有较强的结构特性，是一种多相体材料。其力学性能及损伤破坏规律不仅取决于各组分材料性能，同时也取决于细观结构特征。采用细观力学分析研究复合材料宏现力学性能与细观结构参数之间的内在联系具有重要的科学意义和工程价值。论述了细观力学实验技术的理论基础和常用实验技术及进展，介绍了复合材料的细观力学模型的发展，综述了复合材料力学行为有限元分析的研究现状，并对这一学科的研究发展进行了简要评述与展望。
纤维增强复合材料是目前最先进的复合材料之一。它以其轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，是其它复合材料所无法比拟的。纤维复合材料因其较高的比强度、比模量在国外先进战略、战术固体火箭发动机方面应用较多，如美国的战略导弹“侏儒”三级发动机壳体，“三叉戟”一、二、三级发动机壳体的复合材料裙，民兵系列发动机的喷管扩张段，部分固体发动机及高速战术导弹美国的11IAAD、ERINT等。除军用外，开发纤维复合材料的其它应用也大有作为，如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降，在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大。我国拟大力开发新型纤维增强复合材料建材及与环保、日用消费品档关的高科技纤维增强复合材料的新市场,因此，对于纤维增强复合材料的力学性能研究是十分必要的。
复合材料既表现出宏观特征，又具有明显的细观结构特征。复合材料力学是一种两层次的力学理论。在宏观尺度上，可以将复合材料当作各向异性的宏观均匀连续体，用连续介质力学理论研
究复合材料的力学行为旧，但是无法研究对宏观行为有重要影响的细观尺度上各组份相的变形及损伤失效行为。在细观尺度上，复合材料具有包含多种组份相的非均质结构，复合材料细观力学在宏观有效性能预测以及细观应力、应变场分析方面取得了一定进展。如果将复合材料宏观结构分析与细观结构分析结合起来，在进行宏观结构分析时就能够获得细观尺度上的力学参量值，将是一种更好的分析方法。本文在分析复合材料宏观、细观特
征之间联系的基础上，建立了联系复合材料宏观、细观特征的1种数值型细观力学模型。该模型不仅能够预测复合材料的宏观有效性能以及细观应力、应变场，还能够很容易地融人常规有限元方法中，实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。
复合材料的细观力学研究采用固体动力学和材料科学相结合，从细观和微观层次，承认材料内部细观结构的不均匀性，利用连续介质力学方法研究材料的宏观力学性能与细观结构的关系。而要深入的认识复合材料的细观结构，就必须在广泛的尺寸范围内分析所要探测和测量的物理量并进行建模和有限元分析，因而微米和亚微米尺度测量及模拟分析对于分析细观结构的变化以及对性能的影响就显得尤为重要。一方面，由于复合材料的力学本质常常是非线性的，因此研究复合材料力学性能的细观力学方法所研究的问题一般来说也是非线性的、时间相关的和三维的。这些问题的数学解对计算力学而言，进行精确的分析和模拟是非常困难的。因此，就必须以宏观和细观的测试实验为基础，建立切合实际的计算模型，用数值解法和有限元法对其进行复杂的和大量的计算和分析。另一方面，尽管随着非线性结构力学和固体力学中计算方法的进步，人们在复合材料的计算力学研究方面取得了不少进展。但复合材料计算力学分析的发展尚未达到解决材料性能研究和工程应用中所遇到的众多问题。因此，以细观力学实验为基础结合细观力学模型和有限元分析的现代材料研究技术对今后材料的设计和应用具有重要意义。
细观力学实验技术
D R Axelrad等通过大量的理论推导和实验事实证明了固体材料某一特定细观区域的某些场量及其分布函数是可以用试验方法确定的。就多晶材料而言，其主要的运动学量为微观的变形和微观的转动。对二维纤维结构的体系来说，则包括微观变形和纤维取向的角度分布。
基于上述细观力学实验技术的理论基础，目前用于组织结构分析的手段，如光学显微镜、扫描电子显微镜、x射线衍射、光谱分析及声发射等不能直接用来研究材料中各组元的变形，难以建立材料宏观行为与微观组织间的联系。而“应力全息图像干涉仪”新技术，即将全息成像与X射线衍射相结合，可测定基体中
某一组元的微小变形和微小转动。应力全息图像干涉技术利用了全息图像的重构期使得物体变形前后的反射光波相互干涉而成像的原理，将未变形的`物像与发生了变形的物像共同曝光于全息胶片上，该方法可直接用于测量样品的微变形。这一技术与扫描电镜、透射电镜等技术结合是研究材料细观行为的重要实验手段。
细观力学模型
细观力学模型的主要研究方法是在材料中选取一个有代表性的体积单元。它要满足尺度的两重性，一方面，从宏观上其尺寸足够小，可以看作一个材料质点，因而其宏观应力场可视为均匀应力场；另一方面，从细观角度讲其尺寸足够大，包含足够多的细观结构信息，可以体现材料的统计平均性质。历经数十年的发展，用于材料分析研究的细观力学模型获得了巨大发展。细观力学分析中剪切滞后模型由Cox H L于1952年首次引入，其重点考虑材料结构的主要特点，不具体求解复合材料的应力场和应变场，通过 造一个数学模型来计算复合材料结构对载荷的响应。该模型仅研究了弹性基体中的单根纤维断裂后的应力分布，没有考虑其它临近纤维的应力分布，因而不能分析应力集中问题。在此基础上，Hedgepeth J M等人研究了单向纤维增强复合材料的多根纤维断裂后的应力分布问题，并预测了无限根纤维增强复合材料的内部多根纤维断裂后的应力集中值。该模型可以较好地描述基体的拉伸模量较低以及纤维体积分数较大的单向复合材料中纤维断点周围的应力集中现象。不足之处是不适宜研究较多数目的纤维发生相继断裂以及裂纹临近的基体或界面也发生破坏的情况。此后，科研工作者们采用近似分析的方法研究了含有垂直于纤维轴向的狭长割13的单向复合材料在轴向拉伸载荷作用下的应力分布问题，并研究了二维单向复合材料中纤维断裂、基体横向裂纹以及纤维/基体界面破坏等因素对于断口邻近的纤维和基体的应力集中的影响，但对于具体的纤维／基体界面破坏问题，仅能求解单根纤维断裂后的应力分布。在前人研究的基础上，曾庆敦等通过大量的实验和分析后，提出了改善的剪切滞后模型，较好地解决了上述问题。近年来，随着实验技术和相关力学学科的发展，人们对细观力学模型的各种实验条件和参量进行了更加合理的假定，综合考虑了基体轴向刚度、界面滑移和纤维非等距排列等因素对应力集中的影响，改进了剪切滞后模型并把剪切滞后模型推广到三维问题。
最近，宋迎东和刘波等在《纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型》一文中研究了复合材料宏、细观特征之间的联系，将宏观复合材料体中的一点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设，建立了一种细观力学模型。模型中用高阶多项式函数模拟基体和增强相中细观位移场，通过对细观单元力学方程的分析与求解，建立了复合材料宏、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析，而且容易融入常规有限元法中，实现对复合材料结构的宏、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与试验结果及理论计算值具有较好的一致性。
细观力学的有限元分析
由于计算机的出现与广泛应用所导致的工业革命是显而易见的事实。针对 复合材料及其结构，计算机技术的广泛应用也极大地提高了材料设计及结构性 能评价的水准。尤其是由于基于计算机基础上的有限元方法可以用来求解具有 任意复杂形状与性能的结构承受任意载荷的问题，使得人们在复合材料不同层 次上广泛应用了有限元分析技术。目前，细观层次上有限元的应用主要为了求 解细观应力场及材料的有效弹性性能。
有限元法与细观力学和材料科学相结合产生了有限元计算细观力学，它主 要研究复合材料组分材料间力的相互作用和定量描述细观结构与性能之间的关 系。由于复合材料综合了组分材料的长处，对其材料力学行为的有意义的研究 必须借助于细观力学进行。因此，有限元计算细观力学正是在20世纪70年代 随着细观力学的起飞而发展起来的。但是，该领域却是在80年代末随着计算材料科学或称计算机辅助材料设计的兴起而真正得到迅猛发展的。
有限元计算细观力学的最大优点在于它能够获得纤维(或颗粒)直径尺度下的完整应力应变场来反映复合材料宏观应力应变响应特性。这样，它能够分析复合材料宏观有效性能对细观结构的依赖关系，例如：能够定量描述诸如纤维(或颗粒)的形状、尺寸、分布和体积含量等细观结构参量对宏观力学性能的影响。这些优点正是计算材料科学在材料细观结构设计时所必需的。
有限元计算细观力学应用于复合材料力学行为数值模拟的本质，是将有限元计算技术与细观力学和材料学相结合，根据复合材料具体的细观结构，建立代表
性细观计算体元，确定合适的界面条件和边界条件，求解受载体元中具有夹杂的边值问题。从而建立起细观局部场量与宏观平均场量之间的关系，最终获得复合材料的宏观力学响应。
代表性体元的材料模型应满足：(1)相对于细观分析的合适尺度；(2)反映细观结构的几何形状、分布和界面条件。
人们可以利用有限元计算细观力学来获得复合材料的细观结构与宏观有效模量之间的定量关系，所获得的主要结论是：(1)连续纤维的分布和形状对纤维轴向刚度没有影响，而对横截面上的杨氏模量有影响，所有的有效剪切模量和泊松比都依赖于纤维的形状和分布形式；(2)颗粒的取向、形状和分布对所有的有效模量都有影响；(3)增强相的取向、形状和分布对有效模量的影响随着增强相的增加而增大。
随着计算机科学的迅速发展，计算机辅助设计得到广泛应用。复合材料由于具有可设计性，并有宽广的设计自由度，因而采用计算机辅助设计势在必行。复合材料的设计涉及：增强相和基体的组分，界面粘结，细观结构，成型工艺以及性能测定等。它与化学、物理、力学、材料学等多种学科有着广泛的内在联系，并互相渗透和互相推动。有限元计算细观力学作为计算机辅助材料设计的基本方法是具有很大的应用和发展前景的。
国内外发展现状及趋势
纤维增强复合材料的发展和应用，可迫溯到人们早期使用草秆猫土、纸筋石灰材料以及生物材料的竹、木、草、骨头、牙齿、毛皮和贝壳等，这些是天然复合材料，都具有很复杂的徽观构造和复合材料的全部特点，它们的构造和复合机理给人们很多深刻的启示，因而人们就利用草增强泥土制成坯砖。后又出现了钢筋混凝土和胶合板等初期的复合材料以及轮胎等雏型纺织结构复合材料。到了20世纪30-40年代.出现了性能良好的新一代的玻瑞纤维增强塑料复合材料:从此复合材料学作为一门学科、作为一个新兴材料工业出现在材料产业中。人们预侧,21世纪将有可能是复合材料在新材料中占主导地位的时代，美国《科学与未来》预侧，到2016年以后在产品设计领城，复合材料将代替传统金属而占主导地位。 纤维在复合材料中有着不可替代的地位。复合材料按性能高低可分为常用复
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