复合材料力学性能ppt课件

2 复合材料的力学性能 2 1高分子材料的力学状态 物质的物理状态 相态 凝胶态 热力学概念 动力学概念 凝胶态 根据物质对外场 外部作用 特别是外力场的响应特性划分 按物质力学性能随温度变化的特性划分 力学状态 2 1高分子材料的力学状态 物质的力学三态 气态液态固态 温度增加 聚合物力学状态具有特殊性 原因 没有气态 具有非晶态 结晶具有不完善性 热机械曲线 形变 温度曲线 实验示意 2 1高分子材料的力学状态 等速升温 线型无定形聚合物的力学三态及其转变 2 1高分子材料的力学状态 线形无定形聚合物的力学三态 玻璃态 高弹态 粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度 玻璃转变温度 Tg 高弹态和粘流态之间的转变温度 粘流温度 Tf 图2 1线型无定形高聚物热机械曲线 玻璃态 T Tg 2 力学特征 形变量小 0 01 1 模量高 109 1010Pa 形变与时间无关 呈普弹性 3 常温下处于玻璃态的聚合物通常用作塑料 1 分子运动机制 键长 键角的改变或支链 侧基的运动 2 1高分子材料的力学状态 高弹态 Tg Tf 1 分子运动机制 链段 解冻 可以运动 2 力学特征 形变量大 100 1000 模量小 105 107Pa形变可逆 一个松弛过程 3 常温下处于高弹态的高聚物用作橡胶材料 分子运动特点之一 时间依赖性 物质从一种平衡状态 与外界条件相适应的另一种平衡状态 外场作用下 通过分子运动 低分子是瞬变过程 10 9 10 10秒 高分子是松弛过程 需要时间 10 1 10 4秒 各种运动单元的运动需要克服内摩擦阻力 不可能瞬时完成 运动单元多重性 键长 键角 侧基 支链 链节 链段 分子链 粘流态 Tf Td 2 力学特征 形变量很大 流动 形变不可逆模量极小 3 Tf与摩尔平均质量有关 1 分子运动机制 整链分子产生相对位移 分解温度 结晶聚合物的力学三态及其转变 2 1高分子材料的力学状态 结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物 晶区起交联点作用 温度 非晶区进入高弹态 整个材料具有韧性和强度 结晶度 40 晶区互相衔接 贯穿成连续相 观察不到明显的非晶区玻璃化转变现象 2 1高分子材料的力学状态 图2 2高结晶度聚合物的热机械曲线 不呈现高弹态 呈现高弹态 结晶聚合物能否观察到高弹态 取决于聚合物的摩尔平均质量 问题 交联 网状聚合物是否有粘流态 Cross linked交联 Network 3D 网状 答案 不出现粘流态 2 1高分子材料的力学状态 玻璃化转变现象及Tg的重要性 2 1高分子材料的力学状态 玻璃化转变是高聚物的一种普遍现象 发生玻璃化转变时 许多物理性能发生急剧变化 可完全改变材料的使用性能 T Tg时高聚物处于高弹态 弹性体 T Tg时高聚物处于玻璃态 塑料 纤维 Tg是决定材料使用范围的重要参数 Tg是橡胶的最低使用温度 Tg是塑料的最高使用温度 自由体积理论 表征材料力学性能的基本指标 2 2高分子材料的力学性能 应力 应变 弹性模量 拉伸 杨氏 模量 剪切 刚性 模量 体积 本体 模量 硬度 机械强度 拉伸 抗张 强度 弯曲强度 冲击强度 应力 应变 应变 形变 外力作用而不产生惯性移动时其几何形状和尺寸所发生的变化 材料发生形变产生附加内力内力使形变回复并自行逐步消除 2 2高分子材料的力学性能 应力 单位面积上的内力 外力作用 材料欲保持原状 外力卸载 简单拉伸示意图产生的形变 拉伸形变 相对伸长率 A0 l0 l Dl A F F A0 F F 简单剪切示意图剪切应力 剪切应变 材料受力方式的基本类型 2 2高分子材料的力学性能 A0 F F 三点弯曲 一点弯曲 扭转 均匀压缩体积形变 压缩应变 2 2高分子材料的力学性能 电子万能材料试验机 实验条件 一定拉伸速率和温度 2 2高分子材料的力学性能 应力 应变曲线Stress straincurve 标准哑铃型试样 图2 3高分子材料三种典型的应力 应变曲线 2 2高分子材料的力学性能 A Y B Yieldingpoint屈服点 Pointofelasticlimit弹性极限点 Breakingpoint断裂点 Strainsoftening应变软化 plasticdeformation塑性形变 Strainhardening应变硬化 y O N D 图2 4非晶态聚合物的应力 应变曲线 玻璃态 2 2高分子材料的力学性能 2 2高分子材料的力学性能 软 硬 模量 强 弱 拉伸强度 韧 脆 断裂能 2 2高分子材料的力学性能 2 3几个重要的力学参数 拉伸强度拉伸模量断裂伸长率屈服强度 1 拉伸强度与模量 1 脆性断裂 在断裂前不产生塑性变形 只发生弹性形变 符合虎克定律 E 也称为杨氏模量 youngmodulus 两个力学参数 弹性模量与脆性断裂强度 2 塑性变形 弹性模量E单纯弹性变形过程中应力与应变的比值 E 2 塑性变形 屈服强度 s 对于拉伸曲线上有明显的屈服平台的材料 塑性变形硬化不连续 屈服平台所对应的应力即为屈服强度 记为 s 屈服强度 s 对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料 塑性变形硬化过程是连续的 此时将屈服强度定义为产生0 2 残余伸长时的应力 记为 0 2 抗拉强度 b 抗拉强度表示材料的极限承载能力 在拉伸应力 应变曲线上 与最高载荷Pb对应的应力值 b即为抗拉强度 b Pb A0 断裂伸长率 延伸率 k 根据原始标距l0和拉伸断裂后测得的标距lk计算 2 4复合材料力学性能 单向板的力学性能面内随机分布长纤维单层板的弹性性能 1 连续纤维增强复合材料的力学复合 单向板的弹性性能 体积元 模型 单向层板的模型及典型体积元 简化二维元 单向层板的模型及典型体积元 1 单向板的纵向弹性模量E1 并联模型 即复合材料的终应变 1 基体应变 1m 纤维应变 1f相等 对应的应力分别为 1 m f 相应的弹性模量分别为E1 Em Ef 则有 并联模型 1 E1 1 m Em 1m f Ef 1f外加应力作用在由纤维横截面积Af和基体横截面积Am组成的复合材料横截面积A上 由于纤维和基体平行地承受应力 所以有 1 A f Af m Am若复合材料纤维体积含量为Vf 基体体积含量为Vm 则 Vf Af AVm Am AVf Vm 1则代入 1 A f Af m Am得 1 f Vf m Vm由 E 得E1 Ef Vf Em Vm或E1 Ef Vf Em 1 Vf 混合定律 碳纤维 环氧树脂复合材料 Ef 180GPa Vf 0 548 Em 3000MPa时 算得E1 1 105MPa拉伸实测值为103860MPa 与预测值差别较小 讨论 复合材料在受轴向力时 基体和纤维所承受的载荷大小与它们的模量和体积分数有关 纤维承受的载荷占总载荷的比例为 2 单向板的横向弹性模量E2 由图知 可看作纤维与基体的串联模型 则 2 2f 2m所以纤维 基体和复合材料的应变分别为 f 2 Ef m 2 Em m 2 E2 串联模型 由于变形是在宽度W上产生的 所以变形增量为 W Wf Wm又 W W所以 2W f VfW m VmW 所以 注 在典型的纤维体积含量为50 60 的复合材料中 基体对E1 纵向弹性模量 有很小的影响 纤维对E2 横向弹性模量 有很小的影响 所以可得近似式 E1 Ef VfE2 Em Vm E1 Ef Vf E2 Em Vm 3 单层板的面内剪切模量G12典型体积元所承受的外加剪切应力和所产生的变形如图所示 假定 f m且复合材料的剪切特性是线性的 则总剪切变形D W 复合材料的剪切应变 W 试样宽度 D Df Dm或 W f VfW m VmW 又剪切应力相等 所以 m Gm f Gf G12把此式再代入上式 W f VfW m VmW 可得到 注 因为Gm与Gf相比非常小 所以在Vf为0 5 0 6范围内的复合材料 Gm对G12是主要的 材料力学法分析单向板的纵向拉伸强度 1 均匀强度的纤维单向复合板的纵向拉伸强度均匀强度的纤维 是指同一根纤维上各处强度相等 而且每一根纤维间的强度也相等 对于单向板平行于纤维轴向拉伸时 有 1 f m 由E1 Ef Vf Em 1 Vf 得 1 Ef 1Vf Em 1 1 Vf 对玻璃纤维 炭纤维 Kevlar纤维在拉伸到纤维断裂强度 1范围内表现为弹性而聚酯树脂和环氧树脂等具有非线性的应力 应变曲线 在断裂之前可产生相当大的粘弹性变形此时 单层板中平行于纤维的应力可表示 1 fVf m 1 Vf 讨论 1 f m 脆 脆复合材料 当Vf较低时 单层板强度 1主要依赖于 m 在纤维断裂前先发生基体断裂 所有载荷转移到纤维上而最终使纤维破坏 则 1 f Vf m 1 Vf f m 基体破坏时纤维承受的拉伸应力和纤维破坏时基体所承受的应力 断裂前 f m时 先发生基体断裂 当Vf较大时 因Ef Em 基体只承受小部分载荷 载荷增加至纤维断裂 则 1 fVf 可求出Vf 2 当 f m时 脆 韧复合材料 纤维将首先破坏 当Vf较小时 纤维断裂而转移载荷很小 复合材料的强度为 1 m 1 Vf 当Vf较高时 纤维断裂而转移到基体上载荷很大 此时 基体随之断裂 复合材料的强度为 1 fVf m