复合材料力学介绍—— 基本概念和分类

引言

复合材料的定义有多种，大体而言，指的是两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成具有新性能的材料。

本系列大体上参考《复合材料力学》，沈观林等著，清华大学出版社。

文章尽量少地牵涉数学公式，以概念和观点为主，并在最后增加了一些案例，说明复合材料力学是如何进行分析的。

本人在复合材料力学分析的水平和经验水平有限，希望大家能一起学习讨论。

基本概念

复合材料这个概念并不新鲜，人类很早就开始使用复合材料，如古代使用的土坯砖就是由黏土和稻草（或麦秆）组成；此外，我们熟知的钢筋混凝土、胶合板等，都是复合材料。

复合材料从应用的角度大致可以分为2类：

• 功能复合材料，如导电、耐高温烧蚀、磨阻等；
• 结构复合材料，作为一种结构件，具有高比强度或比刚度，我们这个系列主要讨论的就是这类复合材料。

基本分类

结构学复合材料力学由基体材料和增强材料两部分组成：

• 基体材料，主要起到连接、固定、传递、保护等作用，通常由树脂、金属和非金属；
• 增强材料，核心作用，提供材料的刚度和强度。

复合材料相比金属材料，复杂得多，具有很多特点，并且可设计。

复合材料按照增强材料的形式，大致分为3类：

• 颗粒增强复合材料，包括非金属颗粒+非金属基体（如混凝土）、金属颗粒+非金属基体（如固体火箭剂）和非金属颗粒+金属基体（金属陶瓷）；
• 纤维增强复合材料，由于纤维比块状同样材料的强度大得多，通过纤维增强，可极大提升比刚度和比强度；其中纤维通常有碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维等；基体通常有树脂基体、金属基体陶瓷基体和碳基体等；此外，纤维增强复合材料按纤维形状、尺寸可分为连续纤维、短纤维和纤维布等；
• 层合复合材料，通过两层或多层不同的复合材料形成。

其中，纤维增强复合材料和层合复合材料是该系列讨论的重点。

最后

本文简要介绍了复合材料的基本概念和分类，下文将主要介绍常用的纤维、基体，及其应用。