關(guān)于復(fù)合材料及復(fù)合材料力學(xué)的基本認(rèn)識

邱嘉怡 朱濤

河南大學(xué)，中國·河南 開封 475000

1 引言

復(fù)合材料不同于單一材料，它是由兩種及兩種以上的材料通過物理方式或化學(xué)方式組合在一起的新型材料。復(fù)合材料的出現(xiàn)，大大克服了傳統(tǒng)常規(guī)單一材料的弊端，達(dá)到了“1+1＞2”的效果。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工便利、抗腐蝕性能好等多種優(yōu)點，其在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在中國具有巨大的發(fā)展前景，而隨著復(fù)合材料應(yīng)用價值不斷被挖掘，復(fù)合材料力學(xué)理論也在不斷的研究當(dāng)中發(fā)展成熟。

2 復(fù)合材料及復(fù)合材料力學(xué)

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組成的新性能材料，通過采用物理或化學(xué)的方法，使原本性能固定的單一材料能互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而使復(fù)合材料的性能比原各個組成部分更加全面，能滿足各種各樣的不同需求。

復(fù)合材料由兩個部分組成，一是增強(qiáng)物，增強(qiáng)物起著承受載荷的主要作用；二是基體，復(fù)合材料的幾何形式表現(xiàn)為長纖維、短纖維和顆粒狀物等，基體的作用包括支持、粘結(jié)以及保護(hù)增強(qiáng)物與傳遞應(yīng)力等。近年來，復(fù)合材料在現(xiàn)代技術(shù)各部門得到了越來越普遍的應(yīng)用。復(fù)合材料具有較大的發(fā)展?jié)摿?，這是毋庸置疑的[1]。

復(fù)合材料之所以被看好，除了具有極高的比力學(xué)性能以外，還因為它可以根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)以及作用在結(jié)構(gòu)上的載荷特性，通過改變增強(qiáng)纖維排列的方式而得到滿足要求的材料。

復(fù)合材料的力學(xué)問題，是一個非常重要的問題，同時也是一個非常復(fù)雜的問題。復(fù)合材料理論對確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)有著重要的意義。復(fù)合材料力學(xué)是固體力學(xué)的一個新分支，復(fù)合材料力學(xué)研究由兩種或兩種以上的不同性能的材料組成的復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)。復(fù)合材料力學(xué)突出特點就是復(fù)合材料所具有的非均勻性和各向異性性質(zhì)。復(fù)合材料力學(xué)是伴隨工程復(fù)合材料的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用而逐步興起的，如今，復(fù)合材料力學(xué)已經(jīng)是比較成熟的固體力學(xué)學(xué)科分支。

3 復(fù)合材料的具體應(yīng)用實例

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的力學(xué)性能、黏結(jié)性能、耐化學(xué)腐蝕性，且固化收縮率較小、尺寸穩(wěn)定性以及加工性能好，目前大多數(shù)封裝基體所選材料為環(huán)氧樹脂。但是，環(huán)氧樹脂的本征導(dǎo)熱系數(shù)較低，不利于降低電子元件的工作溫度。而通過添加高導(dǎo)熱系數(shù)填料的方式來改善環(huán)氧樹脂材料的導(dǎo)熱性能是一種簡單可行的方法。無機(jī)粉體填料如氧化鋁、氮化硼等與碳材料如石墨烯、碳納米管等高導(dǎo)熱功能填料成為提高環(huán)氧樹脂復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的可選目標(biāo)。

4 復(fù)合材料與復(fù)合材料力學(xué)的發(fā)展歷程

復(fù)合材料在自然界中是廣泛存在的，例如竹子、動物的骨骼等。天然復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常是理想的力學(xué)結(jié)構(gòu)，這些天然復(fù)合材料為發(fā)展人工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供了原始仿生學(xué)依據(jù)。有力學(xué)概念的復(fù)合材料在人類發(fā)展歷程中早已出現(xiàn)。早在兩千年前，中國就制造出生漆襯布，一種用來防腐蝕的材料；除此以外，中國漆器也是復(fù)合材料最初的雛形，這些原始復(fù)合材料具有重量輕，強(qiáng)度大等力學(xué)特性。體現(xiàn)了重量輕、強(qiáng)度及剛度大的力學(xué)特性[3]。一百多年前，出現(xiàn)了以混凝土為標(biāo)志的近代復(fù)合材料。

20世紀(jì)初，人們研制各類新材料以滿足軍用方面對于材料力學(xué)性能的要求，成功研制出玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，也就是玻璃鋼。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的出現(xiàn)大大豐富了復(fù)合材料力學(xué)內(nèi)容。后來又出現(xiàn)了更高強(qiáng)度的硼纖維、碳纖維復(fù)合材料，由此大大推動了復(fù)合材料的力學(xué)研究進(jìn)展，并逐步發(fā)展成為一門新興力學(xué)學(xué)科，也就是復(fù)合材料力學(xué)。

20 紀(jì)70 代，加快了對復(fù)合材料力學(xué)的研究，在這一時期取得的成果十分豐碩，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，賴?yán)突萏啬崽岢隽霜毩⒛Ｐ头▉泶_定復(fù)合材料彈性常數(shù)等等[4]。

19世紀(jì)70年代，瓊斯在多向?qū)影宸矫孢M(jìn)行了研究，得出簡單的精確解。除此以外，復(fù)合材料粘彈應(yīng)力分析以及單向?qū)影宸蔷€性變形性能等方面都出現(xiàn)了開創(chuàng)性的研究成果。

近些年來，眾多學(xué)者將研究的重點放在混雜復(fù)合材料力學(xué)的性能研究方面。后代的研究者將這一重大發(fā)現(xiàn)稱之為“混雜效應(yīng)”。近些年來，伴隨著時代的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，復(fù)合材料力學(xué)理論也在不斷的發(fā)展完善之中，為新型復(fù)合材料的研發(fā)和利用提供了有力的理論依據(jù)，隨著復(fù)合材料力學(xué)理論日趨成熟，復(fù)合材料在各個領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用將會越來越廣泛。

5 復(fù)合材料力學(xué)主要研究內(nèi)容

眾所周知，復(fù)合材料力學(xué)主要研究的內(nèi)容較多，復(fù)合材料力學(xué)涉及多方面的研究內(nèi)容，相比于常規(guī)材料的力學(xué)理論研究，其范圍更加寬廣，涉及到的課題也更加多樣化。常規(guī)材料當(dāng)中存在的力學(xué)問題在復(fù)合材料當(dāng)中也是存在的。

例如，結(jié)構(gòu)在外力作用下，其強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的問題。

由于復(fù)合材料具有各向異性以及不均勻的特點，再加上材料形狀、分布，各個單層的鋪層順序、方向等方面存在很多的可變因素，使復(fù)合材料力學(xué)對于上述的常見的力學(xué)問題，都需要重新進(jìn)行研究，如果常規(guī)力學(xué)理論無法適應(yīng)復(fù)合材料力學(xué)，那么就需要進(jìn)行一定的修正研究。

復(fù)合材料當(dāng)中存在很多常規(guī)材料不存在的力學(xué)問題，包括層間正應(yīng)力和剪應(yīng)力耦合引起的復(fù)雜斷裂及脫層現(xiàn)象、纖維斷裂、基體開裂等各種各樣的問題。在復(fù)合材料的材料設(shè)計、材料加工以及結(jié)構(gòu)設(shè)計過程當(dāng)中都存在著一定的力學(xué)問題，因為復(fù)合材料的材料設(shè)計工作以及結(jié)構(gòu)設(shè)計工作是同時進(jìn)行的。復(fù)合材料力學(xué)使用的研究方法包括解析、實驗以及數(shù)值方法等，從細(xì)觀以及宏觀兩種層次來研究復(fù)合材料的力學(xué)性能。在進(jìn)行復(fù)合材料力學(xué)研究時，需要根據(jù)復(fù)合材料的特點，綜合運用多種研究手段，使人們對于復(fù)合材料的力學(xué)行為以及其他的力學(xué)性能，能有更加深刻的理解和全面的認(rèn)識。

6 結(jié)語

綜上所述，筆者在論文之中對關(guān)于復(fù)合材料以及復(fù)合材料力學(xué)進(jìn)行了基本的認(rèn)識，希望能給予大家一些啟發(fā)。復(fù)合材料的發(fā)展以及復(fù)合材料力學(xué)的研究是相輔相成共同進(jìn)步的，伴隨著復(fù)合材料的應(yīng)用范圍越來越廣，復(fù)合材料力學(xué)的研究范圍也在不斷的擴(kuò)大，復(fù)合材料自身的飛速發(fā)展，也使復(fù)合材料力學(xué)研究內(nèi)容不斷的豐富與深化。

當(dāng)前，復(fù)合材料力學(xué)正在向多尺度以及多場耦合的方向進(jìn)行延伸，隨著理論研究的深入，將會極大推動復(fù)合材料的創(chuàng)新應(yīng)用。只有通過我們共同研究，才能全面的推進(jìn)其發(fā)展。