第3章--复合材料力学性能的复合规律2013.ppt

第三章复合材料力学性能的复合规律,邮箱：fuhecailiao2012密码：20122012,课件及作业下载：,1、复合材料的复合效应2、复合材料的结构与复合效果3、模型与性能的一般规律,简要回顾:,第3章复合材料力学性能的复合规律,基本要求:了解：复合材料物理和化学性能的复合规律超细粒子对复合材料力学性能的影响重点:连续纤维增强复合材料的力学复合短纤维增强复合材料的力学复合粒子复合材料的力学性能复合材料力学复合的其他问题难点:纤维增强复合材料的力学复合，复合材料物理和化学性能的复合规律,研究层次：,第3章复合材料力学性能的复合规律,宏观侧重于对材料实际物理化学等性能的测试研究微观根据材料微观结构以及组成结构的各组份间的相互作用对材料的“平均性能”进行预测，而非准确的设计数据,研究模型及方法：,细观力学结构模型一种理想的情况：增强体均匀、细弹性、各向同性、间隔相、排列整齐等等；基体均匀、细弹性、各向同性等等。在处理的方法上则采用“材料力学”方法和“弹性理论”宏观模型结构模型材料中存在孔隙、脱粘以及残余应力等诸多缺陷,第3章复合材料力学性能的复合规律,本章主要是从细观力学的角度，采用“材料力学”方法和“弹性理论”的方法，根据材料的组分、结构来确定纤维增强、粒子增强复合材料的弹性模量以及强度等力学性质。,基本参数含义：作为单向纤维复合材料，其主弹性常数为：材料的主强度值为：,-纵向弹性模量,-横向弹性模量,-主泊比,-面内剪切模量,-纵向强度（拉、压）,-横向强度（拉、压）,-剪切强度,3.1连续纤维增强复合材料的力学复合,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.1单向板的力学性能1、纵向弹性模量E1,单向板模型,产生的应变（外力作用下长度变化量）,各部分承受的应力：各部分的弹性模量：,对于复合材料有：对于基体材料有：对于增强体有：,（1.1）,（1.2）,（1.3）,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.1单向板的力学性能1、纵向弹性模量E1,根据力的合成原理:,；,定义：,符合加合规律,（1.4）,（1.5）,（1.6）,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.1单向板的力学性能1、纵向弹性模量E1,；,复合材料的横向收缩产生的附加应力对材料纵向模量的影响的没有考虑在内,影响小于12%，可忽略不计,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.1单向板的力学性能2、横向弹性模量E2,结构简化模型,产生的应变：,（2.1）,（2.2）,承受的应力：,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.1单向板的力学性能2、纵向弹性模量E2,材料宽度W上变形是由增强体和基体共同产生的：,（2.3）,（2.5）,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.1单向板的力学性能2、纵向弹性模量E2,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.1单向板的力学性能2、弹性模量E1，E2,高性能纤维复合材料，由于EfEm,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.1单向板的力学性能3、单向板的主泊松比,主泊松比定义为:,宽度变形=增强体+基体,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.1单向板的力学性能4、单向板的剪切模量,条件：基体及增强体所承剪切应力相等，满足线性关系,材料总剪切变形：,其中：为复合材料的剪切应变；W为试样的宽度,复合材料、基体及增强体所受剪切应力相等：,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.2材料力学法预测E1,E2的修正,在材料力学进行复合材料弹性性能的讨论时，没考虑复合材料横向收缩产生的附加应力对材料纵向模量的影响，Ekavall进行修正：E1，E2的修正结果分别如下：,其中，m为基体的泊松比；m=0.3时修正量不大,其中，m为基体的泊松比；与实验结果更符合,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.3材料力学法分析单向板的强度性能,由于复合材料在横向的拉伸、剪切刚度和强度要比纵向的小得多，因此单向的复合材料应用得很少。前者取决于基体，后者取决于纤维的性质。,一、单向板的纵向拉伸强度,符号及其意义：,材料破坏前单向板承受的应力纤维破坏前纤维承受的应力基体破坏前基体承受的应力单向板平行轴向纤维的拉伸破坏应力平行于纤维轴向的拉伸破坏应力平行于基体轴向的拉伸破坏应力基体破坏时纤维承受的拉伸应力纤维破坏时纤维承受的拉伸应力,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.3材料力学法分析单向板的强度性能,1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度,复合材料、纤维及基体的应变、强度以及模量满足以下关系：,在外力作用下，复合材料的强度取决于基体以及纤维的性能，主要是材料的应变情况,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.3材料力学法分析单向板的强度性能,1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度,（1）,在纤维断裂前，先发生基体的断裂，此时所有载荷转移到纤维上。材料最终的状态取决于材料中纤维的体积含量a)Vf低，纤维不能承受载荷，被破坏，复合材料强度为：b)Vf高，纤维承受载荷不被破坏，此时复合材料的强度为：,临界体积分数,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.3材料力学法分析单向板的强度性能,1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度,（2）,在基体断裂前，先发生纤维的断裂，此时所有载荷转移到基体上。材料最终的状态取决于材料中纤维的体积含量a)Vf高，基体不能承受载荷，被破坏，复合材料强度为：b)Vf低，基体承受载荷，不被破坏，复合材料强度为：,临界体积分数,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.3材料力学法分析单向板的强度性能,2、单向板纵向拉伸中纤维的拔出,假设：基体纤维长度为le、纤维直径为2r、强度fu、界面剪切度、破坏拉力r2=2rlelc=fur/2,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.3材料力学法分析单向板的强度性能,3、单向板的横向拉伸强度,特点：无法直接计算，横向强度小于基本强度，纤维具有负增强作用。界面效应弱时，由基体决定材料的横向拉伸强度。此时，材料的强度，可简单计算为：2u=mu1-2（Vf/）1/2根据应变放大理论，可以证明：Vf增加，2u降低提高强度方法：弹性微粒改性体增强增强体一基体界面采用过渡层，消除应力集中效应,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.3材料力学法分析单向板的强度性能,4、单向板的纵向压缩强度,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.3材料力学法分析单向板的强度性能,4、单向板的纵向压缩强度,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.3材料力学法分析单向板的强度性能,5、单向板的横向压缩强度2u取决于作用力与纤维的方向6、单向板的偏轴拉伸强度对于大多数复合材料1u2cos4/1u2（1/u21/1u2）sin2cos2sin4/2u2-1/2在介于812上式可表达为：u0.5usin2,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.4单向板断裂韧性的一般概念,1、断裂表面能（）,衡量材料断裂韧性或抗裂纹护层阻力的度量。定义为：产生单位自由表面所需求的最小能量，单位：千焦/米2R2断裂阻力Gc称为断裂能量对于复合材料R1VfRfVmRm,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.1.4单向板断裂韧性的一般概念,2、断裂力学裂纹扩展的能量条件：能量释效率Gs断裂表面能R临界条件:G=Gc=R应力强度因子：KI各相同性材料的张开型裂纹：临界破坏状态：小裂纹薄板承受拉伸载荷情况：破坏时：裂纹转向条件：,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.2面内随机分布纤维单层板的弹性性能,模量预测：,取向板随取向变化的弹性模量,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.2面内随机分布纤维单层板的弹性性能,Akasaka简化式：,纤维的体积含量Vf的影响是通过其对E1、E2的依赖关系体现的,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.3短纤维增强复合材料的力学复合关系,短纤维增强复合材料：增强体（或功能体）具有一定长径比的复合系统,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.2面内随机分布纤维单层板的弹性性能,1、纤维长度的定义,3.2.1短纤维复合材料中纤维的长度分布,纤维的数均长度：,纤维的重均长度：,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.2面内随机分布纤维单层板的弹性性能,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.2.2短纤维复合材料中的纤维取向分布,在讨论注射成型的短纤维增强复合材料的纤维取向分布特性时，需要在三维方向上加以描述。,定义方法有2,1、纤维的取向分布,由方位角，定义取向,由纤维截面形状和方位角定义,第3章复合材料力学性能的复合规律,2、复合体系在流动过程中的纤维取向,流速分布,高粘度层,流头的流向,流道壁,与流动状态密切相关，如：注射过程中缺陷：分布不均匀，应力和力学性质发生取向,3.2.2短纤维复合材料中的纤维取向分布,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.2面内随机分布纤维单层板的弹性性能,3.2.3纤维端部的应力分布,理论及其实验研究表明：纤维端头效应明显，不可忽视，影响增强效果，断裂作用。,Cox用“剪切滞后分析”得沿纤维方向，X位置的拉伸压力:剪切应力:,x=0,fx=0；x=l/2,=0沿纤维方向，随着x增加，拉伸压力增加，剪切应力减小,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.2.4单向短纤维复合材料的力学复合,1、短纤维复合材料的弹性性能,单向短纤维复合材料的纵向弹性性能,当,时，,对短纤维复合材料有：,对连续纤维复合材料有：,所以：,当,时，,取向短纤维复合材料的弹性性能,3.2.4单向短纤维复合材料的力学复合,1、短纤维复合材料的弹性性能,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.2.4单向短纤维复合材料的力学复合,2、短纤维复合材料的强度性能,第3章复合材料力学性能的复合规律,当llc,时，,纤维的平均应力为：,复合材料承受的最大应力为：,纤维受拉应力作用达到它的拉伸屈曲破坏应力时基体所受应力,3.2.4单向短纤维复合材料的力学复合,第3章复合材料力学性能的复合规律,2、短纤维复合材料的强度性能,短,短,短,短,3.2.4单向短纤维复合材料的力学复合,第3章复合材料力学性能的复合规律,2、短纤维复合材料的强度性能,短,当llc时，,3.3粒子复合材料的力学性能,第3章复合材料力学性能的复合规律,Guth：适用于粒径较大及物料刚性较大的粒子复合材料Kerner：复合材料中的粒子刚性远大于基体刚性时，适用于无机填料聚合物体系Nielsen：除了粒子的形状之外，粒子的聚集状态、粒子与基体的模量特性等均对材料的性能有重要的影响,3.3.1粒子复合材料的弹性性能,3.3粒子复合材料的力学性能,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.3.2粒子复合材料的强度特性,在粒子复合材料中，粒子对其强度的影响有两种情况：,1、粒子表面呈惰性的复合体系,Nielsen公式：,PawderBeecher提出了以临界纵横比为界面的两个估算式：,2、粒子表面呈活性的复合体系,3.3粒子复合材料的力学性能,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.3.3粒子复合材料的延伸率,Nielesn对粒子复合材料设想为粒子与聚合物基体完全粘结和无粘结两种模型，并提出了适合于各个类型延伸率的理论公式：完全粘结体系=u/E无粘结体系m（1-Vf1/3）左图显示粘无粘,3.3粒子复合材料的力学性能,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.3.4超细粒子对复合材料力学性能的影响,超细粒子的体积和表面积与通常粒子相比，表现出特有的体积效应和表面效应。作用效果：具有极强的表面活性；粒子目身易发生集聚而不易分散到聚合物基体中。,3.4复合材料力学复合的其他问题,第3章复合材料力学性能的复合规律,一、抗冲击特性,二、撕裂强度,三、蠕变特性,四、疲劳特性,五、硬度,六、摩擦系数,试验方法：悬臂梁、简之梁、杜邦和落球冲击等,支配因素：裂缝的传播提高的措施：提高填料和聚合物的粘结性,Nielsen估算了复合材料的儒变（t）m(t)Em/Ec,取决于：基体聚合物种类、填料的刚度和形态、填料与聚合物的界面粘结,填料粗：摩擦系数大；反之，摩擦系数小,3.5复合材料物理和化学性能的复合规律,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.5.1密度,复合材料密度：c=m（1-Vf）+fVf（混合规律）其中c复合材料密度；m基体密度；f增强体密度Vf增强体体积分数如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数，则有：Vf=（1-Wm）m/Wmf+（1-Wm）m所以c=mf/Wmf+（1-Wm）m对于其他材料如玻璃，密度也符合加合规律=wii（i从1到n）,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.5.2热性能（热基础物性和耐热性）,1、热基础物性a）热膨胀系数=m（1-Vf）+fVf=mf/Wmf+（1-Wm）m实测值小于计算值原因：填料粒子束缚了其周围聚合物的热运动P142b）导热系数：重要意义A影响成型速度B制备导热或隔热性制品在理想情况下：c=m（1-Vf）+fVf在实际情况下：Nielsen公式c/m=1+ABVf/1-BVf其中A=KE-1；B=f/（m-1）/+（m+A）；=1+（1-Pf）/Pf2Vf式中KE：爱因斯坦系数；Pf：填料的最高填充容积分数c）比热一定温度下：比热计算（复合规律）：Cc=Cm(1-Vf)+CfVf实测值不明时，可按KaPP法计算（P144）,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.5.2热性能（热基础物性和耐热性）,2、耐热性（复合材料主要目的之一）a）表征耐热性的物理量：玻璃化温度Tg.宏观：Tg指聚合物玻璃态转变为高弹态的特征温度微观：Tg指高分子链段开始运动的温度b）填料对玻化温度的影响：一般是Vf大，玻化温度高.原因：1）改变界面聚合物大分子的活动能力，改变玻化温度2）填料与聚合物的作用力阻隔聚合物分子链的运动，提高玻化温度。实际应用中，可采用热变形温度作为材料耐热性的指标。热变形温度：1.86MPa或0.46Mpa，材料变形达到一定尺寸时的温度。,3.5复合材料物理和化学性能的复合规律,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.5.3燃烧特性,a）聚合物的燃烧特性燃烧过程：分解、燃烧。阻燃性判据：氧指数，取决于聚合物本身结构和热分解机理。b）填料对燃烧特性的影响A三氧化二锑：与有机卤化物并用。B钼化物：用作PVC和含卤聚酯的阻燃剂C含磷化合物：D氢氧化铝：热塑性和热固性聚合物。,第3章复合材料力学性能的复合规律,3.5.4光学性能,玻璃钢复合材料由于具有轻质、高强、透入光柔