1.3.1 视频单元慕课视频播放-复合材料设计与成型-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

接下来我们一起来学习复合材料的特点

也就是回答“为什么是复合材料”的问题

复合材料与一般材料性能的区别主要在哪里呢？

复合材料区别于普通材料的特点可以归纳总结为三点，也称为复合材料的三性

一是性能可设计性，二是材料与构件一体性，三是好的使用性能

第3点很好理解

复合材料因为具有高的比强度，高的比模量、较好的耐疲劳特性，阻尼减震性

相对于传统材料具有优异的使用性能

那什么是性能的可设计性？什么又是材料与构件的一体性呢？

首先来看复合材料性能的可设计性

复合材料层合板是由单向板一定的角度铺叠而成

单向板有个特点，沿纤维方向的力学性能最好，而垂直于纤维方向的力学性能最差

当载荷方向与单向板的纤维方向的夹角由零度逐渐变化为90度的时候

其拉伸强度的变化如左图所示

可以看到复合材料的力学性能是随着方向变化而变化的，也就是表现出各向异性

而传统的金属材料、高分子材料都属于各向同性材料

也就是各个方向的力学性能相同

复合材料层合板是由单向板，以一定的角度一定的顺序铺叠而成的

因此复合材料层合板的性能可以通过调节增强体的取向、含量等等，实现复合材料性能的调控

传统金属材料，比如说45号钢这个材料给你以后，它的性能就是固定的

而复合材料即便告诉你是什么种类的碳纤维，什么样的树脂

复合材料的性能仍然不确定，可调节

那复合材料性能的可设计性有什么用呢？

我们来看个例子，一个薄壁压力容器需要确定它的壁厚

什么是压力容器呢？

以前家里使用的煤气坛就是一个典型的压力容器，形状也给也跟图中类似

由中间的直筒段和两端的半球形壳体构成

它的主要作用是承受内压，在内压P的作用下

我们在容器壳体上取一小块进行受力分析，它主要承受轴向的应力σa以及环向应力σc的作用

σa与σc的大小，如何来确定呢？

可以通过内力与外力的平衡关系来求得

首先假设将压力容器沿轴向剖开一分为二，在垂直于轴向的方向建立的平衡关系

该方向作用的内力是环向应力σc，作用面积是上下两个壁厚

大家可以看一下

在垂直于轴向的方向上，作用的内力是环向应力σc

作用面积是上下两个壁厚

所以合力是2倍的σc×厚度t×长度l

就可以得到内力产生的合力

外力就是内压P坐在半个圆柱壳上，那么在垂直于轴向的方向上的等效合力

那么在垂直轴向方向上的等效合力

就相当于P直接作用在这样一个矩形的截面积上，也就是p×d×l

这样就可以把σc的表达式求出来

假设将压力容器沿垂直于轴向的方向把它劈开

这次在轴向上建立力平衡关系，该方向上作用的内力是轴向力σa

作用面积是壁厚这一圈圆环上，因此轴向力=σa×该圆环的面积

因此轴向力的合力等于什么呀？

是不是等于σa乘以该圆环的面积

壁厚足够小的时候，该圆环的面积可以近似为周长×壁厚

外力在轴向上的合力是什么呢？

外力即内压力P作用在端部的半球形壳体内表面

内压力在轴向上的合力呢，就相当于P 直接作用在横截面圆的面积上

因此外力的合力等于P×πd2/4，从而求得轴向应力的大小

结果发现，环向应力始终为轴向应力的两倍

所以我们在选择薄壁容器的材料的时候

材料的强度必须要按照环向应力的大小来进行选择

也就是说，内压P由0 逐渐增加，一直到整个压力容器发生破坏

是哪个方向的应力首先达到其强度值？

很显然然是环向应力

那这个时候轴向应力呢，还没有达到其强度值，这会造成什么结果？

材料在轴向性能上有富余，还没有达到其极限值

对于传统的各向同性材料，比如金属材料而言，是没有办法解决这个问题的

那有没有一种材料，它的轴向强度正好是环向强度的一半呢

也就是当内压逐渐增加，发生破坏的一瞬间

筒体的轴向应力与环向应力同时达到其强度值

两个方向的材料性能都发挥到了极致，没有富余和浪费

复合材料由于性能可设计，就能实现这一点

比如采用连续纤维缠绕工艺，来制备该压力容器

假设沿纤维方向的应力为σr

则环向应力σc=σr×sin平方θ，轴向应力σa=σr×cos平方θ

令轴向应力为环向应力的两倍，则可以求得θ=54°44′08″

也就是以该角度螺旋缠绕制备得到的内压容器

环向和轴向可以同时达到材料强度的强度值，实现所谓的等强度设计

这里请同学们注意

环向应力σc为什么等于σr×sin平方θ

这平方哪来的？

为什么不是直接进行矢量分解用σr×sinθ？

这就要从应力的定义来进行解释

沿纤维方向我们取一个微小的体积单元

作用力为Fr，作用面积为Ar

则沿纤维方向的应力σr=Fr/Ar

对纤维方向的力Fr进行矢量分解，则得到环向力Fc=Fr×sinθ

与环向力垂直的作用面积Ac则=Ar/sinθ

根据正应力的定义，环向应力σc=Fc/Ac=σr×sin平方θ

轴向应力的推导与此类似，也是三角函数平方的关系

接下来我们一起来看一下，什么是复合材料的材料与构件一体性

仍然以刚才压力容器的例子为例

采用连续纤维缠绕工艺制备压力容器

是将干的纤维纱经过胶槽预浸渍，然后通过缠绕机，缠绕到旋转的芯模

缠绕完成后，连同芯模一起放入烘箱中加热固化，从而形成压力容器

在这个过程当中，树脂在加热固化以前

纤维依然是纤维，树脂还没有形成固体，仍处于液态，依然是树脂

并没有形成多相固体材料，也就是没有形成复合材料

当加热固化完成后，树脂与纤维固结成为一体，形成了复合材料

与此同时也得到了整个压力

也就是材料的形成与构件的成型是同步完成的

而不是先有材料，然后拿着这个材料再去加工成我们所需要的构件

因此称为材料与构件一体性

再来看个例子，汽车的保险杠

大家可以想一想，如果是金属的汽车保险杠，是怎么制造的呢？

是不是先有金属板，然后对金属板进行冲压成型获得的呀

也就是先有金属板，先有材料

然后对材料进行加工，得到我们所要的构件

而碳纤维复合材料汽车保险杠的成型

首先将干的碳纤维织物放入模具

通过液相成型法，或者其它方法，让树脂基体与纤维预成型体充分浸润

然后放入烘箱中加热固化，脱模后即得到保险杠产品

在加热固化的过程中，树脂将纤维固结在一起形成复合材料

与此同时，汽车保险杠也就形成了，材料与构件是同时形成的

材料与构件的一体性有什么用呢？

以某型飞机的尾翼为例

之前采用铝合金来制造，构成该尾翼的铝合金零部件成百上千

零部件之间的连接呢，主要依靠机械连接，如螺接、铆接等等

后来采用复合材料来制造该尾翼

通过合理的工艺设计，使得零部件的数量减少50%

也就是很多零部件可以整体成型

由此带来的紧固件减少60%，从而使整个尾翼的重量减轻26.8%

这部分重量的减轻，一部分是由于紧固件减少，即连接赘重减少造成的

另外一部分是由于复合材料本身轻质高强的特点带来的

复合材料的第三个特点，性能优异，举两个例子来说明

首先是高比强度，高比模量

比强度、比模量分别是指材料的强度、模量与密度之比

采用高比强度和高比模量的材料，可以实现结构的轻量化设计

举例说明，如图所示的一个初始长度为L0的构件

在载荷Pc的作用下，伸长量为δc

根据材料力学的知识，应变等于应力除以模量

将式子左边的应变用伸长量δc除以初始长度L0来替换

右边的应力σ用力Pc除以作用面积A来替换

这样就可以得到面积A的表达式

结构重量M=密度乘以体积得到，体积又等于截面积乘以长度

这里的截面积A用刚才左边的式子替换

经过变换可以得到下面两个式子

可以看到，作为分母的比模量、比强度越高，结构重量M就越小

也就是说，在相同设计要求前提下

采用比强度、比模量高的材料可以实现结构减重

这张表反映了常见的金属材料以及复合材料的强度、模量、密度以及比强度和比模量

可见复合材料的比强度、比模量一般高于普通的金属材料

除此以外，复合材料还具有良好的耐疲劳性

首先来看两个概念

疲劳强度和静态强度

静态强度，就是指我们一般意义上的材料的强度

而疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力

疲劳强度与静态强度之比，实际上反映的是材料可以长期工作的应力水平

复合材料的这个比值高达80%，一般的金属材料约为30%

这说明复合材料可以长期处于高应力水平状态下进行工作

耐疲劳特性优于普通的金属材料

在相同的应力水平下，疲劳强度越高，疲劳寿命就越长

当然这里的复合材料特指聚合物基复合材料

陶瓷基复合材料的疲劳性能则相对较差

通过以上复合材料特点的学习

我们就可以回答，为什么需要复合材料这个问题

因为复合材料性能可设计，材料与构件一体性，以及具有好的使用性能

复合材料设计与成型课程列表：

上篇基础--复合材料的概念与原理 1 引言

-1.1 课程简介及复合材料定义

--1.1.1 视频单元

--1.1.2 作业

--1.1.3讨论

-1.2 复合材料的命名与分类

--1.2.1 视频单元

--1.2.2 作业

-1.3 复合材料的特点

--1.3.1 视频单元

--1.3.2 作业

-1.4 复合材料的应用

--1.4.1 视频单元

--1.4.2 作业

--1.4.3 讨论题

--1 引言课件

2 复合原理及界面

-2.1 颗粒增强原理

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 短纤维增强原理

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 界面效应

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2.4 复合材料界面

--2.4.1 视频单元

--2.4.2 作业

-2.5 复合材料界面表征与分析

--2.5.1 视频单元

--2.5.2 作业

-2 复合原理及界面课件

3 增强材料

-3.1 增强材料概述

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 玻璃纤维概述、生产工艺、成分与结构

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3.3 玻璃纤维的性能、制品与规格

--3.3.1 视频单元

--3.3.2 作业

-3.4 碳纤维概述

--3.4.1 视频单元

--3.4.2 作业

-3.5 碳纤维的制备工艺

--3.5.1 视频单元

--3.5.2 作业

-3.6 碳纤维的结构、性能、制品与规格

--3.6.1 视频单元

--3.6.2 作业

-3.7 芳纶纤维

--3.7.1 视频单元

--3.7.2 作业

-3 增强材料课件

4 聚合物基复合材料

-4.1 聚合物概述

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 聚酯概述、化学结构、合成与交联

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 聚酯的性能与应用

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4.4 环氧树脂概述、化学结构、合成与表征

--4.4.1 视频单元

--4.4.2 作业

-4.5 环氧树脂的交联、性能与应用

--4.5.1 视频单元

--4.5.2 作业

-4.6 酚醛树脂及其他热固性树脂

--4.6.1 视频单元

--4.6.2 作业

-4.7 热塑性树脂及聚合物基复合材料的应用

--4.7.1 视频单元

--4.7.2 作业

-4 聚合物基复合材料课件

5 陶瓷基复合材料

-5.1 陶瓷及陶瓷基复合材料概述

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 陶瓷基复合材料成型工艺

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 陶瓷基复合材料的界面及强韧化

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5.4 碳碳复合材料及陶瓷基复合材料的应用

--5.4.1 视频单元

--5.4.2 作业

-5 陶瓷基复合材料课件

6 金属基复合材料

-6.1 金属基体

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 金属基复合材料成型工艺

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 金属基复合材料的界面

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6.4 金属基复合材料的性能与应用

--6.4.1 视频单元

--6.4.2 作业

-6 金属基复合材料课件

中篇理论--复合材料结构设计原理 1 引言

-1.1 视频单元

-1.2 作业

-1 引言课件

2 应力-应变关系

-2.1 应力与应变

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 广义胡克定律

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 工程常数、平面应力状态、应力应变转换

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2 应力-应变关系课件

3 单向板的刚度

-3.1 单向板的正轴刚度、刚度柔度变换

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 倍角变换、偏轴工程常数

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3 单向板的刚度课件

4 层合板的刚度

-4.1 层合板的代号、面内刚度

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 典型层合板的面内刚度

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 层合板的弯曲刚度

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4.4 单向层合板、对称层合板及夹芯结构的弯曲刚度

--4.4.1 视频单元

--4.4.2 作业

-4 层合板的刚度课件

5 层合板的强度

-5.1 最大应力与最大应变准则

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 蔡-希尔、蔡-吴强度准则

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 层合板的强度分析

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5.4 层合板的极限强度

--5.4.1 视频单元

--5.4.2 作业

-5 层合板的强度课件

6 复合材料细观力学

-6.1 细观力学引言、平均性质

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 单向板的工程常数

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 单向板的强度

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6.4 热膨胀与湿溶胀系数

--6.4.1 视频单元

--6.4.2 作业

-6.5 层合板的残余应力

--6.5.1 视频单元

--6.5.2 作业

-6 复合材料细观力学课件

7 复合材料一维受力构件分析

-7.1 复合材料结构控制方程

--7.1.1 视频单元

--7.1.2 作业

-7.2 简单构型复合材料一维受力构件的力学分析

--7.2.1 视频单元

--7.2.2 作业

-7 复合材料一维受力构件分析课件

8 复合材料梁

-8.1 复合材料层合梁

--8.1.1 视频单元

--8.1.2 作业

-8.2 复合材料板梁

--8.2.1 视频单元

--8.2.2 作业

-8.3 复合材料薄壁梁

--8.3.1 视频单元

--8.3.2 作业

-8 复合材料梁课件

下篇应用--复合材料成型工艺 1 引言

-1.1 绪论

--1.1.1 视频单元

--1.1.2 作业

--1.1.3 讨论

-1 引言课件

2 手糊成型工艺

-2.1 手糊基本原理

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 树脂对纤维的润湿（上）

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 树脂对纤维的润湿（下）

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2.4 手糊技术进展和典型应用

--2.4.1 视频单元

--2.4.2 作业

-2 手糊成型工艺课件

3 树脂传递模塑工艺

-3.1 RTM基本原理

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 树脂渗流规律

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3.3 树脂流动模拟分析

--3.3.1 视频单元

--3.3.2 作业

-3.4 RTM技术发展和典型应用

--3.4.1 视频单元

--3.4.2 作业

-3 树脂传递模塑工艺课件

4 树脂膜熔融浸渍工艺

-4.1 RFI基本原理

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 RFI树脂膜体系

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 树脂固化制度的确定和RFI典型应用

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4 树脂膜熔融浸渍工艺课件

5 真空导入模塑工艺

-5.1 VIMP基本原理

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 树脂的粘度特性

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 纤维预成型体的渗透特性和VIMP典型应用

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5 真空导入工艺课件

6 拉挤成型工艺

-6.1 拉挤基本原理

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 拉挤内脱模剂

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 拉挤技术发展和典型应用

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6 拉挤成型工艺课件

7 缠绕成型工艺

-7.1 缠绕基本原理

--7.1.1 视频单元

--7.1.2 作业

-7.2 缠绕线型规律

--7.2.1 视频单元

--7.2.2 作业

-7.3 缠绕工艺参数、技术发展和典型应用

--7.3.1 视频单元

--7.3.2 作业

-7 缠绕成型工艺课件

8 模压成型工艺

-8.1 模压基本原理和模压料工艺性

--8.1.1 视频单元

--8.1.2 作业

-8.2 SMC片状模塑料

--8.2.1 视频单元

--8.2.2 作业

-8.3 模压关键工艺参数和典型应用

--8.3.1 视频单元

--8.3.2 作业

-8 模压成型工艺课件

9 有机先驱体转化法

-9.1 概述

--9.1.1 视频单元

--9.1.2 作业

-9.2 PIP基本原理

--9.2.1 视频单元

--9.2.2 作业

-9.3 PIP关键步骤

--9.3.1 视频单元

--9.3.2 作业

-9.4 致密化和典型应用

--9.4.1 视频单元

--9.4.2 作业

-9 先驱体转化法课件

考试

-课程考试

1.3.1 视频单元在线视频

1.3.1 视频单元课程教案、知识点、字幕

复合材料设计与成型课程列表：

上篇基础--复合材料的概念与原理 1 引言

2 复合原理及界面

3 增强材料

4 聚合物基复合材料

5 陶瓷基复合材料

6 金属基复合材料

中篇理论--复合材料结构设计原理 1 引言

2 应力-应变关系

3 单向板的刚度

4 层合板的刚度

5 层合板的强度

6 复合材料细观力学

7 复合材料一维受力构件分析

8 复合材料梁

下篇应用--复合材料成型工艺 1 引言

2 手糊成型工艺

3 树脂传递模塑工艺

4 树脂膜熔融浸渍工艺

5 真空导入模塑工艺

6 拉挤成型工艺

7 缠绕成型工艺

8 模压成型工艺

9 有机先驱体转化法

考试

1.3.1 视频单元笔记与讨论

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2 复合原理及界面

3 增强材料

4 聚合物基复合材料

5 陶瓷基复合材料

6 金属基复合材料

中篇 理论--复合材料结构设计原理 1 引言

2 应力-应变关系

3 单向板的刚度

4 层合板的刚度

5 层合板的强度

6 复合材料细观力学

7 复合材料一维受力构件分析

8 复合材料梁

下篇 应用--复合材料成型工艺 1 引言

2 手糊成型工艺

3 树脂传递模塑工艺

4 树脂膜熔融浸渍工艺

5 真空导入模塑工艺

6 拉挤成型工艺

7 缠绕成型工艺

8 模压成型工艺

9 有机先驱体转化法

考试

1.3.1 视频单元笔记与讨论

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中篇理论--复合材料结构设计原理 1 引言

下篇应用--复合材料成型工艺 1 引言