第十一章復合材料的力學性能

1、復合材料的力學性能復合材料的力學性能內容提要內容提要1 1 復合材料概述復合材料概述2 2 復合材料的變形復合材料的變形3 3 連續(xù)纖維增強復合材料的強度連續(xù)纖維增強復合材料的強度4 4 短纖維增強復合材料的強度短纖維增強復合材料的強度5 5 纖維增強復合材料的斷裂與疲勞纖維增強復合材料的斷裂與疲勞1 復合材料概述復合材料概述人類發(fā)展史和材料發(fā)展史息息相關。人類發(fā)展史和材料發(fā)展史息息相關。人類歷史上各方面進步與新材料的發(fā)現(xiàn)、制造人類歷史上各方面進步與新材料的發(fā)現(xiàn)、制造和應用分不開。和應用分不開。新材料時代（高分子材料、復合材料和智能材新材料時代（高分子材料、復合材料和智能材料）。料）。石石器器

2、時時代代陶陶器器時時代代青青銅銅器器時時代代鐵鐵器器時時代代新新材材料料時時代代復合材料發(fā)展史復合材料發(fā)展史天然復合材料：天然復合材料：竹、木、茅草、貝殼、骨骼竹、木、茅草、貝殼、骨骼 傳統(tǒng)復合材料：傳統(tǒng)復合材料：麻刀（紙筋）石灰；土坯麻刀（紙筋）石灰；土坯（草稈、粘土）；鋼筋混凝土；（草稈、粘土）；鋼筋混凝土；通用復合材料：通用復合材料：19401940年，玻璃纖維增強塑料年，玻璃纖維增強塑料（GFRPGFRP） 先進復合材料：先進復合材料：19601960年后，結構復合材料年后，結構復合材料單功能復合材料單功能復合材料多功能復合材料多功能復合材料機敏材機敏材料和智能材料。料和智能材料。 什

3、么是復合材料？什么是復合材料？兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的固兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的固體材料，以微觀或宏觀的形式復合而成的體材料，以微觀或宏觀的形式復合而成的一種多相材料，性能與組成物質不同。一種多相材料，性能與組成物質不同。命名：命名：增強物名在前，增強物名在前，基體名在后，如基體名在后，如碳纖維環(huán)氧復合碳纖維環(huán)氧復合材料。材料。n基體相基體相- -連續(xù)的，粘結、支持、保護增強物連續(xù)的，粘結、支持、保護增強物和傳遞應力作用。和傳遞應力作用。n增強相增強相- -分散的，被基體包圍，承受載荷作分散的，被基體包圍，承受載荷作用。用。 n近代復合材料主要有近代復合材料主要有纖維增強復

4、合材料和纖維增強復合材料和粒子增強復合材料粒子增強復合材料。復合材料按基體材料分類復合材料按基體材料分類熱固性熱塑性樹脂基金屬基碳基玻璃基水泥基陶瓷基復合材料復合材料按功能分類復合材料按功能分類力結 構 復 合 材 料電 、 磁 、 光 、 熱 、 放 射 性耐 腐 蝕 、 耐 燒 蝕 、 生 物 相 容 性 、 隱 身 等功 能 復 合 材 料復 合 材 料復合材料的應用復合材料的應用-飛機用飛機用增韌石墨增韌石墨石墨石墨混雜復合材料混雜復合材料玻璃纖維玻璃纖維空中巨無霸空中巨無霸-A380機身蒙皮機身蒙皮-GLARE材料材料目前商用飛機上復合材料僅占全機重目前商用飛機上復合材料僅占全機重量

5、的量的50%50%，部分直升機已達，部分直升機已達90%90%超級跑車超級跑車-碳纖維復合材料碳纖維復合材料碳纖維碳纖維/樹脂復合材料樹脂復合材料生產充氣船及其膠布制品，采用國生產充氣船及其膠布制品，采用國際上先進的際上先進的A級級RTP復合材料復合材料新型日光溫室復合材料新型日光溫室復合材料溫室溫室骨架骨架和和縱拉桿縱拉桿全部采用復合材料制成全部采用復合材料制成熱塑性復合材料熱塑性復合材料碳碳/碳復合材料碳復合材料2 復合材料的性能特點復合材料的性能特點v比強度、比剛度（比模量）大比強度、比剛度（比模量）大v力學性能可以設計力學性能可以設計v抗疲勞性能好抗疲勞性能好v減震性好減震性好v通常都

6、能耐高溫通常都能耐高溫v過載時安全性好過載時安全性好v有很好的加工工藝性有很好的加工工藝性典型復合材料和常用材料性能對比典型復合材料和常用材料性能對比材料材料密度密度(g/cm3)拉伸強拉伸強度度(GPa)比強度比強度 107(mm)拉伸模拉伸模量量(GPa)比模量比模量 109(mm)沖擊強沖擊強度度(kgcm/cm2)碳纖維碳纖維/環(huán)氧環(huán)氧1.61.811.31288.076硼纖維硼纖維/環(huán)氧環(huán)氧2.11.67.622010.5-碳化硅纖維碳化硅纖維/環(huán)氧環(huán)氧2.01.57.51306.5260石墨纖維石墨纖維/鋁鋁2.20.83.623110.5-鋼鋼7.81.41.82102.7-鋁合

7、金鋁合金2.80.51.7772.8-鈦合金鈦合金4.51.02.21102.4-2.1 2.1 復合材料的變形復合材料的變形 常規(guī)材料：常規(guī)材料：均質，各向同均質，各向同性；性；復合材料：復合材料：非均質，位置影響性能非均質，位置影響性能各向異性，不同方向性各向異性，不同方向性能不同能不同3 連續(xù)纖維增強復合材料的強度連續(xù)纖維增強復合材料的強度1 1 各向異性材料的應力各向異性材料的應力- -應變關系應變關系2 2 單層板的應力單層板的應力- -應變關系應變關系3 3 單層板強度理論單層板強度理論連續(xù)纖維在基體中呈連續(xù)纖維在基體中呈同向平行等距排列。同向平行等距排列。單向連續(xù)纖維增強復合材料

8、單向連續(xù)纖維增強復合材料單向復合材料微觀力學性能單向復合材料微觀力學性能 彈性模量由纖維和基體的性能及其相對體彈性模量由纖維和基體的性能及其相對體積含量共同確定。積含量共同確定。),(mmmfffijijVEVECC細觀結構單元細觀結構單元1方向：方向：1= f= m 2方向：方向：2= Vff +Vmm， = f = mfffEmmmE單元在單元在1方向拉伸方向拉伸n復合材料單元上的合力：復合材料單元上的合力：n混合定則：混合定則：纖維和基體對復合材料的力學性纖維和基體對復合材料的力學性能所做的貢獻與其體積分數成正比。能所做的貢獻與其體積分數成正比。mmff1AAAPmmff1VEVEE1

9、= f = m 碳纖維碳纖維/ /環(huán)氧樹脂復合材料的相關數據如下：環(huán)氧樹脂復合材料的相關數據如下： MPaEVMPaEmff3000,5480,180000MPaE51101實測值為實測值為 MPa103860，與預測值較接近。，與預測值較接近。 舉例舉例求求E E1 1？單元在單元在2方向單向拉伸方向單向拉伸mffmmf2EVEVEEE2 = Vff +Vmm， = f = mmmff21EVEVE圖7-5 E2/Em隨纖維體積含量的變化圖 縱向應力縱向應力- -應變曲線應變曲線基基體體和和纖纖維維應應力力應應變變曲曲線線變形和斷裂：變形和斷裂：纖維和基體彈性纖維和基體彈性變形；變形；纖維彈

10、變，基體纖維彈變，基體非彈變；非彈變；兩者都非彈變；兩者都非彈變；纖維斷裂，進而纖維斷裂，進而整體斷裂。整體斷裂。復合材料的應力應變曲線特征復合材料的應力應變曲線特征l 曲線處于纖維和基體的應力應變曲線之間。曲線處于纖維和基體的應力應變曲線之間。l 曲線的位置取決于纖維的體積分數。曲線的位置取決于纖維的體積分數。l 纖維體積分數越高，曲線越接近纖維的應力應纖維體積分數越高，曲線越接近纖維的應力應變曲線；變曲線；l 當基體體積分數高時，曲線則接近基體應力應當基體體積分數高時，曲線則接近基體應力應變曲線。變曲線。 4 4 短纖維增強復合材料的強度短纖維增強復合材料的強度 類型：類型：n單向短纖維增

11、強單向短纖維增強n面內短纖維雜亂增強面內短纖維雜亂增強n空間短纖維雜亂增強空間短纖維雜亂增強性能（與同類長纖維增強材料相比）：性能（與同類長纖維增強材料相比）：n纖維少，作用弱，性能變差，但橫向拉纖維少，作用弱，性能變差，但橫向拉伸強度和剪切強度高，可制復雜件，效伸強度和剪切強度高，可制復雜件，效率高。率高。纖維增強復合材料力學特性纖維增強復合材料力學特性短纖維增強復合材料的應力傳遞短纖維增強復合材料的應力傳遞 單纖維微元體：單纖維微元體：纖維線彈性，纖維線彈性，界面結合完全。界面結合完全。 )()2()(22fffefffdrdzrrzfffzr00d2纖維上的應力分布：纖維上的應力分布：理

12、想狀態(tài)下纖維應力沿纖維向的變化情況理想狀態(tài)下纖維應力沿纖維向的變化情況若假設纖維末端不傳遞正應力，即若假設纖維末端不傳遞正應力，即f0f0=0=0，纖維上正應力分布可簡化為：纖維上正應力分布可簡化為：fsfrz2正應力隨纖維長度增加而增加。正應力隨纖維長度增加而增加。纖維臨界長度纖維臨界長度 n纖維傳遞應力達到其強度極限時的纖維最纖維傳遞應力達到其強度極限時的纖維最小長度稱為臨界長度。小長度稱為臨界長度。n短纖維復合材料中纖維的長度應大于臨界短纖維復合材料中纖維的長度應大于臨界長度，這時才可能充分發(fā)揮纖維的增強作長度，這時才可能充分發(fā)揮纖維的增強作用。用。5 5 纖維增強復合材料的斷裂與疲勞纖

13、維增強復合材料的斷裂與疲勞斷裂過程：斷裂過程：n形成微觀裂紋；形成微觀裂紋；n微觀裂紋穩(wěn)定擴展，與其它微觀裂紋相接而微觀裂紋穩(wěn)定擴展，與其它微觀裂紋相接而達到宏觀裂紋尺度；達到宏觀裂紋尺度；n在臨界應力水平下宏觀裂紋不穩(wěn)定擴展。在臨界應力水平下宏觀裂紋不穩(wěn)定擴展。n斷裂方式：斷裂方式：單個組分斷裂或組分間界面分離（如層合單個組分斷裂或組分間界面分離（如層合板）。板）。樹脂基層合板的損傷形式樹脂基層合板的損傷形式 n基體強度比纖維低兩個數量級，層間薄弱，易基體強度比纖維低兩個數量級，層間薄弱，易形形成層間分離成層間分離，是其主要損傷形式。，是其主要損傷形式。n分層后，板強度和剛度明顯下降。分層后

14、，板強度和剛度明顯下降。 n分層主要因素：制造缺陷引起的層間粘結不好和分層主要因素：制造缺陷引起的層間粘結不好和層間應力集中或沖擊載荷引起的層間分離。層間應力集中或沖擊載荷引起的層間分離。復合材料的疲勞復合材料的疲勞 n交變載荷，損傷包括基體開裂、界面脫膠、交變載荷，損傷包括基體開裂、界面脫膠、分層和少量纖維斷裂等多種形式。分層和少量纖維斷裂等多種形式。 n損傷缺乏規(guī)律性，聚合物基體有高阻尼，損傷缺乏規(guī)律性，聚合物基體有高阻尼，疲勞裂紋無明顯快速擴展。疲勞裂紋無明顯快速擴展。n雖有缺陷，但疲勞壽命比金屬高。雖有缺陷，但疲勞壽命比金屬高。 疲勞破壞機理疲勞破壞機理-長纖維增強長纖維增強界面粘結過

15、強界面粘結過強 界面粘結過弱界面粘結過弱 界面粘結中等界面粘結中等纖維加載受力，纖維加載受力，但受纖維應變的但受纖維應變的限制，總應力和限制，總應力和應變不高，裂紋應變不高，裂紋擴展慢，疲勞強擴展慢，疲勞強度高。度高。1. 纖維斷裂拔纖維斷裂拔出，裂紋張開出，裂紋張開2. 纖維脫粘纖維脫粘3. 基體開裂基體開裂幾種破壞模式示意圖幾種破壞模式示意圖短纖維增強短纖維增強-差別大差別大n短：纖維加載受力，但含量少，分布既不短：纖維加載受力，但含量少，分布既不均勻也不規(guī)則，基體和界面應力狀態(tài)相當均勻也不規(guī)則，基體和界面應力狀態(tài)相當復雜，局部應力或應變高，疲勞強度低。復雜，局部應力或應變高，疲勞強度低。n疲勞破壞主要機理：基體開裂、界面脫膠、疲勞破壞主要機理：基體開裂、界面脫膠、分層和纖維斷裂。分層和纖維斷裂。 復合材料的疲勞特性復合材料的疲勞特性