篇一：复合材料的研究与进展
复合材料的研究与进展 摘要：所谓复合材料，指的是由两种或两种以上的材料经过复合而制备的多相材料，是一种混合物。复合材料可以由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等复合而成，各种材料的性能之间相互补充或增强，取长补短，产生协同效应，从而使复合材料的整体性能优于原组成材料。复合材料具有许多优点，如：质量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀性好等。被广泛应用于航空航天，汽车工业，化工纺织和医疗等领域。
关键词：复合材料 碳纤维复合材料 一.复合材料的发展历史
早在五千年年以前，在中东地区就有用芦苇混合沥青来造船的技术了，在古埃及，修建金字塔时用石灰、火山灰等作粘合剂，混和砂石等作砌料，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。而在古代中国，复合材料的应用则更为瑰丽广泛，如：从西安东郊半坡村仰韶文化遗址，发现早在公元前2000年以前，古代人已经用草茎增强土坯作住房墙体材料；中国沿用至今的漆器是用漆作基体，麻绒或丝绢织物作增强体的复合材料；1957年江苏吴江梅堰遗址出土有油漆彩绘陶器，1978年浙江余姚河姆渡遗址出土的朱漆木碗，就是两件最早的漆器实物；汉墓出土的漆器鼎壶、盆具和茶几等，用漆作胶粘剂，丝麻作增强体。在湖北随县出土的2000多年前曾侯乙墓葬中，发现有用于车战的长达3米多的戈戟，用木芯外包纵向竹丝，以漆作胶粘剂，丝线环向缠绕，其设计思想与近代复合材料相仿；1000多年以前，中国已用木料和牛角制弓，可在战车上放射；至元代，蒙古弓用木材芯子，受拉面贴单向纤维，受压面粘牛角片，丝线缠绕，漆作胶粘，弓轻巧有力，是古代复合材料中制造水平高超的夹层结构；在金属基复合材料方面，如越王剑，是金属包层复合材料制品，不仅光亮锋利，而且韧性和耐蚀性优异，埋藏在潮湿环境中几千年，出土后依然寒光夺目，锋利无比。【1】到了近现代，随着高技术发展的需要，在复合材料的基础上又发展出性能高的先进复合材料。例如在第一次世界大战前，用胶粘剂将云母片热压制成人造云母板，在20世纪初市场上有虫胶漆片与纸复合制成的层压板出售，但真正的纤维增强塑料工业，是在用合成树脂代替天然树脂、用人造纤维代替天然纤维以后才发展起来的。第一次世界大战期间，德国人拖动脚踏车轮拉拔玻璃纤维丝。20世纪30年代，美国发明用铂柑涡生产连续玻璃纤维的技术，从此在世界范围内领域开始取代金属材料。【2】
到了现代，随着航空航天工业汽车工业对于具有质量轻，强度高，耐腐蚀等优越性能的材料的需求，发展了比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好的先进复合材料。
二．复合材料对于国民经济发展、工业技术变革的作用
复合材料的主要应用领域有：航空航天领域、汽车工业、化工纺织领域还有医学领域。
1.航空航天领域
运用于航天航空领域的复合材料具有热稳定性好，比强度、比刚度高的特性，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的verton复合材料 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。【3】由于复合材料的出现，可以有效降低航天航空业的研究发展成本，而由于先进复合材料本身的优越性能，也使得航天飞机飞行器等的性能有了极大改善。例如高性能碳(石墨)纤维复合材料在导弹、运载火箭和卫星飞行器上就发挥着不可替代的作用，它的应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加工性，它的比重不到钢的1/4，碳
纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料。在美国75%的碳纤维复合材料应用于航天航空领域。【4】在二十一世纪人们对于地球的探索已臻完善，下一步是对太空的探索，一个国家只有掌握了更高的航空航天技术，能研制出性能更优越的航空器才能在对太空的探索中占得先机。而复合材料五一是一个很好的发展方向。
2.汽车工业
从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，可降解复合材料由于具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，而受到汽车工业的青睐。复合材料可用于制造汽(本文来自：wwW.xIaocAofanwEn.coM 小草 范文 网:复合材料疲劳分析方法研究进展)车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。同时复合材料在汽车中的应用仍有极大的发展空间，例如：为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板【5】；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。就我国来看，汽车工业是我国经济的一个重要组成部分，在汽车工业方面，复合材料应用前景广阔，产生的利润高，生产成本较低，可以很好的推动我国汽车工业的发展，从而促进我国的经济，使我国更好更快地发展。
化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。
在医学领域，复合材料已用于制造人工心脏、人工肺及人工血管等，用人造复合材料器官挽救生命的设想将成为现实，而复合材料牙齿，复合材料骨骼及用于创伤外科的复合材料呼吸器、支架、假肢、人工肌肉、人工皮肤等均有成功事例。【6】由于碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等，碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，在生物医疗器材方面也有着光明的应用前景。
此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。
正因为复合材料能在如此之多的产业中得到运用，所以复合材料的发展前景是美好的，所含有的经济意义也是不可忽视的，复合材料不再是单一的运用各种材料，而是有机的将各种材料结合起来，扬其所长避其所短，这种协同作用在现代的材料研究中也是非常有利的。同时正因为复合材料的巨大潜力，必将推动我国的国民经济发展和引领一个材料风潮。 三.复合材料的发展前景
21世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟和集团化，这将更充分的利用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。
由材料、结构和电子互相融合而构成的智能材料与结构， 是当今材料与结构高新技术发展的方向。随着智能材料与结构的发展还将出现一批新的学科与技术。包括： 综合材料学、精细工艺学、材料仿生学、生物工艺学、分子电子学、自适应力学以及神经元网络和人工智能学等。智能材料与结构已被许多国家确认为必须重点发展的一门新技术， 成为21 世纪复
合材料一个重要发展方向。
参考文献：
【1】：复合材料发展史潘福森济南大学
【2】：复合材料发展史佚名 豆丁网
【3】：掺杂改性C /C复合材料研究进坛 崔红 习联生 刘勇琼 张强 孟祥 西安航天复合材料研究所
【4】：碳纤维复合材料的应用及国外的最新进展 任杰 西安科技大学
【5】：先进复合材料在航空航天中的应用及发展 胡军
【6】：复合材料的发展概述
江苏大学 李旭飞
篇二：2015年复合材料现状及发展趋势分析
中国复合材料行业现状调研及发展前景分
析报告（2015-2022年）
报告编号：1588A57
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一、基本信息
报告名称： 中国复合材料行业现状调研及发展前景分析报告（2015-2022年） 报告编号： 1588A57←咨询时，请说明此编号。 优惠价： ￥6300 元 可开具增值税专用发票
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二、内容介绍
复 合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足 各种不同的要求，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合 金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。
中国产业调研网发布的中国复合材料行业现状调研及发展前景分析报告（2015-2022年）认为，现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。进入21世纪以来，全球复合材料市场快速增长，亚洲尤其中国市场增长较快。
《中国复合材料行业现状调研及发展前景分析报告（2015-2022年）》在多年复合材料行业研究结论的基础上，结合中国复合材料行业市场的发展现状，通过资深研究团队对复合材料市场各类资讯进行整理分析，并依托国家权威数据资源和长期市场监测的数据库，对复合材料行业进行了全面、细致的调查研究。
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正文目录
第一章 复合材料产业定义和市场特征研究 第一节 复合材料的概念及分类一、复合材料的概念二、复合材料的分类三、树脂基复合材料的分类四、纳米复合材料及其分类 第二节 复合材料的性能及应用一、复合材料的性能二、复合材料的主要应用领域三、复合材料的发展和应用
第二章 2014-2015年中国复合材料行业产业经济发展环境分析 第一节 2014-2015年中国复合材料行业产业经济运行环境分析一、2013年国内生产总值
二、2013年全国居民消费价格总水平三、2010-2015年全国居民收入情况分析四、2013年我国居民收入基尼系数五、2013年全国固定资产投资（不含农户）六、2013年社会消费品零售总额七、2013年我国外贸进出口总值
第二节 2014-2015年中国复合材料行业产业政策环境分析一、复合材料行业政策二、相关产业政策影响分析三、相关行业十二五发展规划
第三节 2014-2015年中国复合材料行业产业社会环境分析一、2014-2015年我国人口结构分析二、2014-2015年教育环境分析三、2014-2015年文化环境分析四、2014-2015年生态环境分析五、2014-2015年中国城镇化率分析
第四节 2014-2015年中国复合材料行业产业技术环境分析 第三章 2014-2015年世界复合材料产业发展态势分析 第一节 世界复合材料行业整体概况一、世界复合材料市场发展现状二、亚洲复合材料产业格局分析三、亚洲复合材料市场增长预测四、2015年全球复合材料市场增长预测五、国际复合材料发展呈两大趋势 第二节 美国
一、美国复合材料行业发展回顾二、美国木塑复合材料供应情况分析三、美国木塑复合材料市场发展现状浅析四、美国燃油新政推进复合材料发展五、美国复合材料发展方向 第三节 俄罗斯
一、俄罗斯复合材料行业概况二、俄罗斯将加大复合材料发展力度三、俄罗斯玻璃钢市场发展简析
篇三：多尺度方法在复合材料力学研究中的进展
多尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展
摘要 简要介绍了多尺度方法的分量及其适用范围，详细论述了多尺度分析方法在纤维增强复合材料弹性、塑性等力学性能中的研究进展，最后对多尺度分析方法的前景进行了展望。
关键词 多尺度分析方法，复合材料，力学性能，细观力学，均匀化理论
1 引 言
多尺度科学是一门研究不同长度尺度或时间尺度相互耦合现象的跨学科科学，是复杂系统的重要分支之一，具有丰富的科学内涵和研究价值。多尺度现象并存于生活的很多方面，它涵盖了许多领域。如介观、微观个宏观等多个物理、力学及其耦合领域[1]。空间和时间上的多尺度现象是材料科学中材料变形和失效的固有现象。
多尺度分析方法是考虑空间和时间的跨尺度与跨层次特征，并将相关尺度耦合的新方法，是求解各种复杂的计算材料科学和工程问题的重要方法和技术。对于求解与尺度相关的各种不连续问题。复合材料和异构材料的性能模拟问题，以及需要考虑材料微观或纳观物理特性，品格位错等问题，多尺度方法相当有效。
复合材料是由两种或者两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一个多相材料系统[2]。复合材料作为一种新型材料，由于具有较高的比强度和比刚度、低密度、强耐腐蚀性、低蠕变、高温下强度保持率高以及生物相容性好等一系列优点，越来越受到土木工程和航空航天工业等领域的重视。
复合材料是一种多相材料，其力学性能和失效机制不仅与宏观性能（如边界条件、载荷和约束等）有关，也与组分相的性能、增强相的形状、分布以及增强相与基体之间的界面特性等细观特征密切相关，为了优化复合材料和更好地开发利用复合材料，必须掌握其细观结构对材料宏观性能的影响，即应研究多尺度效应的影响。
如何建立起复合材料的有效性能和组分性能以及微观结构组织参数之间的
关系，一直是复合材料研究的重点，也是复合材料研究的核心目标之一。近年来，随着细观力学的发展和渐近均匀化理论的深化，人们逐渐认识并开始研究复合材料宏观尺度和细观尺度之间的联系，并把二者结合起来。本文综述了多尺度分析法在纤维增强复合材料力学性能中的研究进展，并对多尺度分析方法的发展进行了展望。
2 纤维增强复合材料力学性能分析中的多尺度方法
目前，纤维增强复合材料的研究方法可分为宏观力学和细观力学方法两种。复合材料宏观力学方法[3]是从唯象学的观点出发，基于均匀化假设，将复合材料当做宏观均匀介质，视增强相和基体为一体，不考虑组分相的相互影响，仅考虑复合材料的平均表现性能。宏观力学方法中的应力、应变不是基体和增强相的真实应力、应变，而是在宏观尺度上的某种平均值。
复合材料细观力学[4]的目的是建立复合材料宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系，是将微观结构形态特征量与宏观力学分析相综合，来建立两个不同尺度之间的联系，细观力学是介于宏观力学与微观力学之间的重要分支学科，对研究跨尺度效应的力学问题，既有重要的理论价值，也有重要的工程应用前景，是当前力学研究的国际前沿性问题。
纤维增强复合材料领域的多尺度分析方法主要为细观力学方法，主要分为两大类：分析法和细观力学有限元法[4]。
2.1 分析法
分析法是用来研究复合材料处于弹性范围时的弹性性能，现在也用于非弹性性能的预测。常见的方法包括自治方法、广义自治方法、Mori-Tanaka方法、胞元模型和均匀化方法等。
2.1.1 自治方法和广义自治方法
自治方法是Hershey[5]和Kroner[6]在50年代先后提出的，主要用来研究多晶体材料的弹性性能。自治方法所使用的模型为无限大均匀介质中内含单一夹杂的模型。如图1所示，认为夹杂单独处于一有效介质中，而夹杂周围有效介质的弹
性常数恰好就是复合材料的弹性常数。求解基本思想是由均匀边界条件下的自治模型求得夹杂相内的平均应变，从而求得有效弹性刚度张量。
2.1.2 Mori-Tanaka 方法
Mori-Tanaka[7]方法是1973年Mori和Tanaka在研究弥散硬化材料的加工硬化时，提出的求解材料内部平均应力的背应力方法，是一种基于Eshelby等效夹杂原理的非均质材料的等效弹性模量的计算方法。Mori-Tanaka方法建立了夹杂相平均应变同基体相平均应变间联系的四阶张量，并将这个依赖于夹杂浓度的四阶张量用无限大的基体材料内单一夹杂的平均应变和均与应变间联系张量来代替。近年来，该方法成为预测非均匀复合材料性能的手段之一，但是该方法只适用于夹杂物都体分比较小的情况，模型示意图如图2所示。
2.1.3 胞元模型
胞元模型，即宏观-细观统一的弹性本构模型，是Aboudi于1989年首次提
出来，并与1991年把该模型推广到通用单胞模型中，后来Aboudi[8]等又把
Bonder-Partom本构模型融入到MOC与GMC模型中，将其推广到纤维增强复合材料的弹塑性分析中。胞元模型是利用复合材料的周期性假设，将代表性体积单元划分为若干个子胞（如图3所示），假设子胞内任一点的位界条件（平均位移连续条件和应力连续条件），求解弹性力学的基本方程，获得RVE的应力应变场，再利用均匀化理论获得复合材料的宏观应力-应变关系。分析思路如图4所示。
2.1.4 均匀化理论
均匀化理论是20世纪70年代由法国科学家提出并应用到具有周期性结构的材料分析中[9]。Babuska曾预言均匀化理论应用于复合材料研究的可能性，后来Duvaut首先将其应用于单向纤维复合材料，并将所得结果与Halpin-Tsai的结果进行了比较，发现吻合较好。近年来该方法已成为分析夹杂、纤维增强复合材料、混凝土材料等效模量以及材料的细观结构拓扑优化常用的手段之一。均匀化方法是目前国际上分析复合材料宏细观力学性能较为流行的方法，现在我国的研究人员也致力于这方面的研究，并逐步运用到工程领域中。
均匀化方法是一种分析周期性微观结构材料性能的具有严格数学依据的方法，是一种既能分析复合材料的宏观特性，又能反映其细观结构特性并建立起二者之间的联系及相互作用的方法。它从构成材料的微观结构的“胞元”出发，将胞元均匀化理论同时引入宏观尺度和微观尺度中，利用渐近分析方法，来有效建立宏观和细观之间的联系。
2.2 细观力学有限元法
细观力学有限元法是通过划分网格将结构离散化来计算应力-应变关系，先求出应力-应变场，再通过均匀化方法求出宏观应力-应变关系，还可以根据细观场量进一步研究复合材料的塑性屈服、损伤破坏等问题。
细观力学的最大优点在于它能够获得细观尺度下完整的应力、应变场来反映复合材料的宏观相应特征，这样能够定量分析复合材料宏观性能对细观结构的依赖关系。细观力学有限元法是处理具有小周期构造的复合材料问题的一个重要理论方法，近年来许多学者建立和发展了多尺度有限元算法。
3 多尺度分析方法对纤维增强复合材料弹塑性性能的预测
3.1 弹性性能
复合材料是一种多相材料，影响其弹性性能的因素可以分为两大类：一类是复合材料每一组分材料的弹性常数；另一类是复合材料内部的微结构特征，它包括增强相的形状、种类、几何尺寸、在基体中的分布和增强相间的相互作用等。为了揭示复合材料特征对其宏观性能的影响，许多研究工作者从细观角度出发，发展了较为系统的细观力学方法，解决了一些理论和工程问题，特别是今年来出现的均匀化理论，已成为分析纤维增强复合材料多尺度问题最常用的方法。
崔俊芝等[10]研究了拟周期结构在线弹性边界条件下的均匀化方法，并给出了有限元基本计算量——位移、应力、应变和能量的估算。他们对具有小周期孔洞的复合材料弹性结构[11]进行了研究，得到了位移函数一类可以计算的双尺度渐近展开式。他们还分析了一类具有小周期系数的椭圆型边值问题的双尺度渐近方法
[12]，主要研究方法是将原始的计算问题转换到定义在边界层上的周期性问题的分