《複合材料力學》沈觀林編著清華大學出版社
第1章複合材料概論
1.1複合材料及其種類
1、複合材料是由兩種或多種不同性質的材料用物理和化學方法在巨集觀尺度上組成的具有新效能的材料。
2、複合材料從應用的性質分為功能複合材料和結構複合材料兩大類。功能複合材料主要具有特殊的功能。
3、結構複合材料由基體材料和增強材料兩種組分組成。其中增強材料在複合材料中起主要作用，提供剛度和強度，基本控制其效能。基體材料起配合作用，支援和固定纖維材料，傳遞纖維間的載荷，保護纖維。
根據複合材料中增強材料的幾何形狀，複合材料可分為三大類：顆粒複合材料、纖維增強複合材料(fiber-reinforced ***posite)、層和複合材料。
(1)顆粒：非金屬顆粒在非金屬基體中的複合材料如混凝土；金屬顆粒在非金屬基體如固體火箭推進劑；非金屬在金屬集體中如金屬陶瓷。
(2)層合（至少兩層材料復合而成）：雙金屬片；塗覆金屬；夾層玻璃。
(3)纖維增強：按纖維種類分為玻璃纖維（玻璃鋼）、硼纖維、碳纖維、碳化矽纖維、氧化鋁纖維和芳綸纖維等。
按基體材料分為各種樹脂基體、金屬基體、陶瓷基體、和碳基體。
按纖維形狀、尺寸可分為連續纖維、短纖維、纖維布增強複合材料。
還有兩種或更多纖維增強一種基體的複合材料。如玻璃纖維和碳纖維增強樹脂稱為混雜纖維複合材料。
5、常用纖維（效能表見p7表1-1）
玻璃纖維（高強度、高延伸率、低彈性模量、耐高溫）
硼纖維（早期用於飛行器，價高）
碳纖維（主要以聚丙烯腈pan纖維或瀝青為原料，經加熱氧化，碳化、石墨化處理而成；可分為高強度、高模量、極高模量，後兩種成為石墨纖維（經石墨化2500~3000°c）；密度比玻璃纖維小、彈性模量比其高；應力—應變關係為一直線，纖維斷裂前是彈性體；高模量碳纖維的最大延伸率為0.35%,高強度的延伸率為1.5%；纖維直徑6~10μm；各向異性，沿纖維方向熱膨脹係數α1=-0.
7×10-6~-0.9×10-6，垂直於纖維方向α2=22×10-6~32×10-6）
芳綸纖維（kevlar，聚芳醯胺，k-29繩索電纜、k-49複合材料製造、k-149航天容器；單絲強度比玻璃纖維高45%，彈性模量為碳纖維一半，α與碳纖維接近）
碳化矽纖維與氧化鋁纖維（同屬於陶瓷纖維，碳化矽有抗氧化、耐腐蝕、耐高溫優點，與金屬相容性好；氧化鋁纖維有多重制法）
6、常用基體
樹脂基體（分為熱固性樹脂和熱塑性，熱固性有環氧、酚醛、不飽和聚酯樹脂等；其中環氧應用最廣，粘結力強、表面浸潤性好、固化收縮性較高、耐熱性固化方便；酚醛耐高溫、吸水性小，電絕緣性好、便宜；聚酯工藝性好，室溫固化，固化後均不能軟化；熱塑性有聚乙烯、聚苯乙烯、聚醯胺/尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯等，加熱轉變溫度會重新軟化，製成模壓複合材料）
金屬基體（耐高溫、抗侵蝕、導電導熱、不透氣，應用較多的是鋁）
陶瓷基體（耐高溫、化學穩定性好、高模量、高抗壓強度、耐衝擊性差）
碳素基體（主要用於碳纖維增強碳基體複合材料，又稱為碳/碳複合材料，c-ca、c-ce分別用聚丙烯腈氧化法和催化法生產）
1.2複合材料的構造及制法
1、纖維增強複合材料幾種構造形式：
（1）單層複合材料（單層板），纖維按乙個方向整齊排列或由雙向交織纖維平面排列。其中纖維方向稱為縱向，用「1」表示，垂直於纖維方向為橫向，用「2」表示，沿單層材料厚度方向用「3」表示，1、2、3軸稱為材料主軸。一般是各向異性的。
單層板中纖維起增強和主要承載作用，基體起支撐纖維、保護纖維、分配和傳遞纖維間載荷作用。機理是在集體中產生剪應力，其應力—應變關係看作線彈性的。
（2）疊層複合材料（層合板），由單層板按照規定的纖維方向和次序，鋪放成疊層形式，進行粘合，經熱固化處理而成。每層纖維方向與疊層材料總座標軸x-y方向不一定相同，用角θ（1軸與x軸夾角，x軸逆時針方向到1軸為正）
其他層合板鋪層表示舉例如下：60°/-60°/0°/-60°/60°，可表示為（±60°/0°）s，這裡s表示對稱，「±」表示兩層正負交錯。
45°/90°/0°/0°/90°/45°還可表示為（45°/90°/0°）s,s表示普層上下對稱。
層合板也是各向異性的不均勻材料。
（3）短纖維複合材料，分為隨機取向的短切纖維複合材料和單向短纖維複合材料（具有正交各向異性）。
2、製造方法
（1）玻璃纖維環氧複合材料（預浸料→成型）
（2）碳纖維增強環氧複合材料（碳纖維整齊排列→環氧樹脂溶液→預浸料片→剪裁成單層板→鋪成多層複合板→熱壓成層合板材）
（3）碳纖維增強金屬基複合材料（擴散結合法、熔融金屬滲透法、連續鑄造法、等離子噴塗法）
（4）單向短纖維複合材料（懸浮在甘油中不停攪動→纖維走向與流向相同→纖維液膜沉積→定向纖維氈→加樹脂並模壓成單向短纖維複合材料板）
1.3複合材料的力學分析方法
（1）細觀力學：以纖維和基體作為基本單元，把纖維和基體分別看成是各向同性的均勻材料，根據材料纖維的幾何形狀和布置形式、纖維和基體的力學效能、纖維和基體之間的相互作用（有時考慮介面作用）等條件來分析複合材料的巨集觀物理力學效能。比較精細與複雜。
（2）巨集觀力學：假定材料是均勻的，只從複合材料的平均表觀效能檢驗組分材料的作用來研究複合材料的巨集觀力學效能。基礎是預知單層材料的巨集觀效能，如彈性常數、強度等，這些資料來自實驗測定或細觀力學分析。
（3）結構力學：借助現有均勻各向同性材料結構力學的分析方法，對各種形狀的結構元件進行力學分析。
1.4複合材料的力學效能
1、纖維增強複合材料
作為主要力學效能比較，常常採用比強度（σb/γ）和比模量(e/γ)值(σb為縱向拉伸強度，e為縱向拉伸模量，γ為相對密度)，它們表示在重量相當情形下材料的承載能力和剛度，其值越大，表示效能越好。
2、優點：比強度高、比模量高、材料具有可設計性、製造工藝簡單成本低、熱穩定性好、高溫效能好。
3、缺點：各向異性嚴重、材料效能分散度較大、材料成本較高、有些韌性較差，機械連線困難。
第2章各向異性彈性力學基礎
2.1 各向異性彈性力學基本方程
1、彈性體任意一點共有15個未知數——6個應力分量（σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx）、6個應變分量(εx、εy、εz、γxy、γyz、γzx)、3個位移分量(u、v、w)。
2、15個方程，加上給定力的邊界條件和給定位移的邊界條件可以確定15個未知量。
2.2各向異性彈性體的應力—應變關係
1、σ=cε
能量只取決於應力狀態或應變狀態，而與載入過程無關，這種能量稱為應變勢能。單位體積的應變勢能又稱為應變勢能密度，用w表示。
2、ε=sσ
滿足以上兩式的應力應變關係的材料為各向異性材料。
2.3正交各向異性材料的工程彈性常數
1、麥克斯韋定理p40 2-36
2、彈性模量、泊松比、剪下彈性模量的範圍，用來判斷實驗資料的正確性。
第三章單層複合材料的巨集觀力學分析
3.1平面應力應變關係
3.2 任意方向的應力應變關係
轉軸公式 、
3.3強度
1、各向同性材料四大強度理論
2、正交各向異性單層材料的強度概念
3.4正交各向異性單層材料
1、最大應力理論各方向均需滿足出現尖點，與實驗結果不很一致
2、最大應變理論不一致比最大應力理論還明顯
3、hill-蔡（s.w.tsai）強度理論
吻合度好，沒有尖點，應力σx隨θ連續減小，破壞強度x,y,s之間存在重要的相互聯絡，可簡化得到各向同性材料的結果。但未考慮拉、壓效能不同的複合材料，經hoffman改進。
3、蔡-吳（e.m.wu）張量理論
第四章複合材料力學效能的實驗測定
4.1纖維和集體的力學效能測定
複合材料力學作業
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