复合材料的力学知识

在自然界中，存在着大量的复合材料，如竹子、木材、动物的肌肉和骨骼等。从力学的观点来看，天然复合材料结构往往是很理想的结构，它们为发展人工纤维增强复合材料提供了仿生学依据。

人类早已创制了有力学概念的复合材料。例如，古代中国人和犹太人用稻草或麦秸增强盖房用的泥砖；两千年前，中国制造了防腐蚀用的生漆衬布；由薄绸和漆粘结制成的中国漆器，也是近代纤维增强复合材料的雏形，它体现了重量轻、强度和刚度大的力学优点。

以混凝土为标志的近代复合材料是在一百多年前出现的。后来，原有的混凝土结构不能满足高层建筑的强度要求，建筑者转而使用钢筋混凝土结构，其中的钢筋提高了混凝土的抗拉强度，从而解决了建筑方面的大量问题。

20世纪初，为满足军用方面对材料力学性能的要求，人们开始研制新材料，并在20世纪40年代研制成功玻璃纤维增强复合材料（即玻璃钢）。它的出现丰富了复合材料的力学内容。50年代又出现了强度更高的碳纤维、硼纤维复合材料，复合材料的力学研究工作由此得到很大发展，并逐步形成了一门新兴的力学学科——复合材料力学。

进入20世纪60年代后，复合材料力学发展的步伐加快了。1964年罗森提出了确定单向纤维增强复合材料纵向压缩强度的方法。1966年惠特尼和赖利提出了确定复合材料弹性常数的独立模型法。1968年，经蔡为仑和希尔的多年研究形成了蔡-希尔破坏准则；后于1971年又出现了张量形式的蔡-吴破坏准则。

1970年琼斯研究了一般的多向层板，并得到简单的解；1972年惠特尼用双重傅里叶级数，求解了扭转耦合刚度对各向异性层板的挠度、屈曲载荷和振动的影响问题，用这种方法求解的位移既满足自然边界条件，又能很快收敛到解；同年，夏米斯、汉森和塞拉菲尼研究了复合材料的抗冲击性能。另外，蔡为仑在单向层板非线性变形性能的分析方面，亚当斯在非弹性问题的细观力学理论方面，索哈佩里在复合材料粘弹性应力分析等都做了开创性的研究工作。

近年来，混杂复合材料力学性能的研究吸引了一些学者的注意力。林毅于1972年首先发现，混杂复合材料的应力-应变曲线的直线部分所对应的zui大应变，已超过混杂复合材料中具有低延伸率的纤维的破坏应变。这一不易理解的现象，于1974年又被班塞尔等所发现，后人称之为“混杂效应”。

复合材料的比强度和比刚度较高。材料的强度除以密度称为比强度；材料的刚度除以密度称为比刚度。这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度大。这是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。

复合材料的力学性能可以设计，即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。例如，在某种铺层形式下，材料在一方向受拉而伸长时，在垂直于受拉的方向上材料也伸长，这与常用材料的性能*不同。又如利用复合材料的耦合效应，在平板模上铺层制作层板，加温固化后，板就自动成为所需要的曲板或壳体。

复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40～50%，而某些复合材料可高达70～80%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍。

复合材料通常都能耐高温。在高温下，用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。普通铝合金在400℃时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好。

复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。

复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。