單向復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能

第十章單向復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能2010.9§10.1單向復(fù)合材料的對稱性和基本性能指標一、單向復(fù)合材料的對稱性用纖維復(fù)合材料制造的層合板或構(gòu)件大都由許多性質(zhì)不同的單向鋪層構(gòu)成。通常每個鋪層是用相同組分的材料制成的，但是一個鋪層與另一個鋪層可以在以下幾個方面不相同：①組分相對體積；②增強材料形式，如長的或短的纖維、編織的或未編織的增強材料；③纖維的取向?！?0.1單向復(fù)合材料的對稱性和基本性能指標

此外，在混雜復(fù)合材料中，各個鋪層中的組分材料還可不同。因此，單一鋪層的復(fù)合材料代表了層合板結(jié)構(gòu)的一個基本結(jié)構(gòu)單元，稱之為單向復(fù)合材料。典型的單向復(fù)合材料鋪層示意圖它是由平行的纖維嵌入基體中構(gòu)成。將幾層單向鋪層，按照規(guī)定的方向和順序鋪疊起來，即可制造成復(fù)合材料層合板。單向鋪層呈現(xiàn)正交各向異性，并有3個對稱平面。參見上圖，三個對稱平面與坐標x、y、z相符合。平行于纖維的方向稱為縱向（x軸），垂直于纖維的方向稱為橫向（y向或z向）。通常，在縱向上鋪層有最強的性能，而在其它兩個橫向方向上，材料性能近似相等。因此，鋪層可被看作是橫向各向同性。也就是說，在y-z平面內(nèi)，材料各向同性。實際的單向鋪層在鋪層厚度范圍內(nèi)，常常有數(shù)根纖維穿過鋪層，而且纖維在整個截面內(nèi)隨機分布，有時甚至在一些部位可能彼此接觸。只有直徑很大的纖維（如硼纖維）才可能在鋪層厚度范圍內(nèi)僅能容許一根穿過。增強體增強體鋪層橫截面示意圖對于各向異性的單向復(fù)合材料，強度和剛度都將隨方向而改變。單向復(fù)合材料有五個特征強度值，即：縱向拉伸強度橫向拉伸強度縱向壓縮強度橫向壓縮強度面內(nèi)剪切強度還有四個特征彈性常數(shù)，即：縱向彈性模量、橫向彈性模量、主泊松比面內(nèi)切變模量。實驗結(jié)果表明，這些特征強度和彈性常數(shù)是彼此獨立的。因此，單向復(fù)合材料有9個基本性能數(shù)據(jù)（單軸加載）。二、單向復(fù)合材料基本性能測試單向復(fù)合材料的9個獨立的基本性能指標是采用標準試驗方法測定的。拉伸試驗與金屬拉伸實驗相仿，單向復(fù)合材料的拉伸試驗要在縱向和橫向兩個方向分別進行。拉伸試驗與金屬拉伸實驗相仿，單向復(fù)合材料的拉伸試驗要在縱向和橫向兩個方向分別進行。

單向復(fù)合材料層板縱向受作用力x，由于泊松效應(yīng)引起雙軸應(yīng)變，在線彈性條件下，有：式中：EL

—縱向彈性模量；—為縱向泊松比，稱為主泊松比。單向復(fù)合材料橫向作用單軸拉應(yīng)力，也引起雙軸應(yīng)變：式中：

——橫向彈性模量；——為橫向泊松比，稱為次泊松比。

橫向剛度與縱向剛度的比較由前述對縱向剛度和橫向剛度的模型可以分別預(yù)測復(fù)合材料的縱向剛度EL和橫向剛度ET。纖維在提高復(fù)合材料橫向模量方面的作用遠遠小于縱向。從理論上看，只有纖維的含量提高到90％以上，才能使橫向模量提高到與縱向模量相當?shù)乃剑@樣高的纖維含量實際上是不可能的。因此，除纖維分數(shù)很高情況，實際纖維對提高橫向模量貢獻不大。10.3復(fù)合材料的失效模式和強度對于復(fù)合材料，材料內(nèi)部的損傷通常遠遠早于能觀察到宏觀外貌或特性的變化。復(fù)合材料內(nèi)部損傷的主要形式有：1.纖維斷裂2.基體微觀斷裂3.纖維與基體分離（脫膠）4.在層合復(fù)合材料中鋪層彼此分離（分層）這些損傷形式可能單獨地發(fā)生