復(fù)合材料學(xué)

第一篇緒論

1復(fù)合材料的特性

1.1引言

1.2復(fù)合材料的定義與命名

1.3復(fù)合材料的分類

1.4復(fù)合材料的特性

第二篇復(fù)合材料的基本材料

2金屬材料

2.1金屬的性能與結(jié)構(gòu)

2.2鋁及其合金

2.3銅及其合金

2.4鈦及其合金

2.5鎂及其合金

3無(wú)機(jī)膠凝材料

3.1水泥

3.2鎂質(zhì)膠凝材料

3.3石膏

4陶瓷材料

4.1概述

4.2陶瓷原料與制坯

4.3陶瓷的燒制

4.4高溫氧化物陶瓷

4.5碳化物陶瓷

4.6氮化物陶瓷

5聚合物材料

5.1聚合物的種類

5.2聚合物的結(jié)構(gòu)與性能

5.3聚合物體系的流變行為

5.4復(fù)合材料選用聚合物的原則

6其他材料

6.1半導(dǎo)體材料

6.2磁性材料

6.3超導(dǎo)材料

6.4光功能材料

6.5功能轉(zhuǎn)換材料

第三篇復(fù)合材料的增強(qiáng)材料

7玻璃纖維及其制品

7.1概述

7.2玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與組成

7.3玻璃纖維的性能

7.4玻璃纖維及其制品

7.5玻璃纖維的表面處理

7.6特種玻璃纖維

8碳纖維

8.1概述

8.2碳纖維的分類與制造

8.3碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能

8.4碳纖維的表面處理

9其他無(wú)機(jī)纖維增強(qiáng)材料

9.1硼纖維

9.2碳化硅纖維

9.3氧化鋁纖維

9.4石棉

9.5硅灰石

10芳綸纖維

10.1概述

10.2芳綸纖維的結(jié)構(gòu)與特性

10.3芳綸纖維的制造

10.4凱芙拉纖維的制品

10.5芳綸纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用

11填料

11.1概述

11.2石墨

11.3云母

11.4高嶺土

11.5膨潤(rùn)土

11.6碳酸鈣

11.7滑石粉

11.8白碳黑

11.9空心玻璃微珠

第四篇復(fù)合材料各論

12聚合物基復(fù)合材料

12.1聚合物基復(fù)合材料的分類與結(jié)構(gòu)形式

12.2聚合物基復(fù)合材料的制造技術(shù)

12.3聚合物基復(fù)合材料的基本性能

12.4聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用

13金屬基復(fù)合材料

13.1金屬基復(fù)合材料的類型

13.2金屬基復(fù)合材料的制造技術(shù)

13.3某些金屬基復(fù)合材料的基本性能

13.4金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用

14陶瓷基復(fù)合材料

14.1陶瓷基復(fù)合材料的探索

14.2陶瓷基復(fù)合材料的成型工藝及基本性能

14.3陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用

15碳/碳復(fù)合材料

15.1碳/碳復(fù)合材料的制造技術(shù)

15.2碳/碳復(fù)合材料的性能及應(yīng)用

16無(wú)機(jī)膠凝復(fù)合材料

16.1玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）

16.2鋼纖維增強(qiáng)混凝土

16.3纖維增強(qiáng)石膏

17混雜復(fù)合材料

17.1混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形式

17.2混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特性

17.3混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用

18其他復(fù)合材料

18.1功能復(fù)合材料

18.2生體復(fù)合材料

18.3智能復(fù)合材料

參考文獻(xiàn)

復(fù)合材料是人們?cè)谡莆赵袉我徊牧匣A(chǔ)上采用一定的復(fù)合方式而制造的新材料?！稄?fù)合材料學(xué)》較全面地介紹了復(fù)合材料的種類、性能、制法及應(yīng)用，并較全面、詳細(xì)地介紹了用于制備復(fù)合材料的整個(gè)材料領(lǐng)域的各種材料的性能、形態(tài)、制備與應(yīng)用等，便于科技工作者制造新性能的復(fù)合材料，從而豐富其材料及材料學(xué)知識(shí)。《復(fù)合材料學(xué)》是大學(xué)本科生、研究生的教材，對(duì)從事材料研究、工程設(shè)計(jì)和復(fù)合材料生產(chǎn)的技術(shù)人員也有重要參考價(jià)值。

近代復(fù)合材料最重要的有兩類：一類是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，主要是長(zhǎng)纖維鋪層復(fù)合材料，如玻璃鋼；另一類是粒子增強(qiáng)復(fù)合材料，如建筑工程中廣泛應(yīng)用的混凝上。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種高功能材料，它在力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等方面都明顯優(yōu)于單一材料。

發(fā)展纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是當(dāng)前國(guó)際上極為重視的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題?，F(xiàn)今在軍用方面，飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、艦艇、坦克、常規(guī)武器裝備等，都已采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；在民用方面，運(yùn)輸工具、建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)器和儀表部件、化工管道和容器、電子和核能工程結(jié)構(gòu)，以至人體工程、醫(yī)療器械和體育用品等也逐漸開始使用這種復(fù)合材料。

在自然界中，存在著大量的復(fù)合材料，如竹子、木材、動(dòng)物的肌肉和骨骼等。從力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，天然復(fù)合材料結(jié)構(gòu)往往是很理想的結(jié)構(gòu)，它們?yōu)榘l(fā)展人工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供了仿生學(xué)依據(jù)。

人類早已創(chuàng)制了有力學(xué)概念的復(fù)合材料。例如，古代中國(guó)人和猶太人用稻草或麥秸增強(qiáng)蓋房用的泥磚；兩千年前，中國(guó)制造了防腐蝕用的生漆襯布；由薄綢和漆粘結(jié)制成的中國(guó)漆器，也是近代纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的雛形，它體現(xiàn)了重量輕、強(qiáng)度和剛度大的力學(xué)優(yōu)點(diǎn)。

以混凝土為標(biāo)志的近代復(fù)合材料是在一百多年前出現(xiàn)的。后來(lái)，原有的混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足高層建筑的強(qiáng)度要求，建筑者轉(zhuǎn)而使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中的鋼筋提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，從而解決了建筑方面的大量問(wèn)題。

20世紀(jì)初，為滿足軍用方面對(duì)材料力學(xué)性能的要求，人們開始研制新材料，并在20世紀(jì)40年代研制成功玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(即玻璃鋼)。它的出現(xiàn)豐富了復(fù)合材料的力學(xué)內(nèi)容。50年代又出現(xiàn)了強(qiáng)度更高的碳纖維、硼纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料的力學(xué)研究工作由此得到很大發(fā)展，并逐步形成了一門新興的力學(xué)學(xué)科——復(fù)合材料力學(xué)。

為了克服碳纖維、硼纖維不耐高溫和抗剪切能力差等缺點(diǎn)，近二十年來(lái)，人們又研制出金屬基和陶瓷基的復(fù)合材料。華人在復(fù)合材料的研究中做出了很多貢獻(xiàn)，但中國(guó)在復(fù)合材料力學(xué)研究方面的起步和水平晚于歐美十到十五年。

進(jìn)入20世紀(jì)60年代后，復(fù)合材料力學(xué)發(fā)展的步伐加快了。1964年羅森提出了確定單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料縱向壓縮強(qiáng)度的方法。1966年惠特尼和賴?yán)岢隽舜_定復(fù)合材料彈性常數(shù)的獨(dú)立模型法。1968年，經(jīng)蔡為侖和希爾的多年研究形成了蔡-希爾破壞準(zhǔn)則；后于1971年又出現(xiàn)了張量形式的蔡-吳破壞準(zhǔn)則。

1970年瓊斯研究了一般的多向?qū)影?，并得到?jiǎn)單的精確解；1972年惠特尼用雙重傅里葉級(jí)數(shù)，求解了扭轉(zhuǎn)耦合剛度對(duì)各向異性層板的撓度、屈曲載荷和振動(dòng)的影響問(wèn)題，用這種方法求解的位移既滿足自然邊界條件，又能很快收斂到精確解；同年，夏米斯、漢森和塞拉菲尼研究了復(fù)合材料的抗沖擊性能。另外，蔡為侖在單向?qū)影宸蔷€性變形性能的分析方面，亞當(dāng)斯在非彈性問(wèn)題的細(xì)觀力學(xué)理論方面，索哈佩里在復(fù)合材料粘彈性應(yīng)力分析等都做了開創(chuàng)性的研究工作。

近年來(lái)，混雜復(fù)合材料力學(xué)性能的研究吸引了一些學(xué)者的注意力。林毅于1972年首先發(fā)現(xiàn)，混雜復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線部分所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變，已超過(guò)混雜復(fù)合材料中具有低延伸率的纖維的破壞應(yīng)變。這一不易理解的現(xiàn)象，于1974年又被班塞爾等所發(fā)現(xiàn)，后人稱之為“混雜效應(yīng)”。

《復(fù)合材料力學(xué)基礎(chǔ)》闡述了復(fù)合材料力學(xué)基礎(chǔ)、復(fù)合材料宏觀力學(xué)基本理論和分析方法。其主要內(nèi)容包括復(fù)合材料概述，變形體幾何分析、基本守恒原理，線彈性各向異性彈性力學(xué)本構(gòu)方程，復(fù)合材料單層板理論，復(fù)合材料單層板強(qiáng)度理論，復(fù)合材料層合板理論以及復(fù)合材料層合板彎曲、屈曲和振動(dòng)等。

《復(fù)合材料力學(xué)基礎(chǔ)》可供高等學(xué)校力學(xué)及相關(guān)專業(yè)本科生、研究生復(fù)合材料力學(xué)課程作為教材使用，也可供有關(guān)科技人員學(xué)習(xí)參考。