材料力学性能第十一章

1、第十一章第十一章 复合材料的复合材料的力学性能力学性能 李华冠（材料工程学院）李华冠（材料工程学院） 邮箱：邮箱： 电话：电话2 20世纪50年代以来，航空航天、电子、汽车等高技术 领域的迅速发展，对材料性能的要求日益提高，单一 的金属、陶瓷、高分子等工程材料已难以满足迅速增 长的性能要求，促进了复合材料的研制和开发。 复合材料具有单一材料所无法达到的特殊性能或综合 性能，有着“二十一世纪材料”之称。 复合材料性能的基本特点：各向异性、可设计性 这些特性以及它们所引起的特殊力学行为与均质 各向同性材料存在很大差别。 3 复合材料的发展： 原始的复合材料：几千年前，砌墙

2、的麻、泥土 和草 已使用上百年的钢筋混凝土 20世纪50年代：玻璃纤维增强塑料（玻璃钢） 20世纪60年代：碳纤维、碳纤维增强树脂 现在：金属基、陶瓷基、C/C复合材料、混杂 复合材料、功能复合材料。 4 碳纤维环氧增强塑料复合材料 2000年，获得雅典奥运会男子自行车公路赛冠军的德 国著名车手乌尔里希的“坐骑”是用碳纤维环氧复合材 料做的支架，质量仅7.5千克 还可制作：高尔夫球杆、钓鱼竿、滑雪板及赛车、游艇等 5 南非的Oscar Pistorius利用由冰岛Oessur公司制造的J形碳纤维 假肢赛跑。经过几个月的考量，他成为南非参加伦敦奥运会 的田径队的成员。参加单人400米和4400米

3、接力赛跑，成 为第一个参加运动会的截肢径赛运动员。 6 波音787材料应用图 空中客车A-380 25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为 碳纤维增强塑料(CFRP)，是民用领域大量使 用 CFRP的代表。 大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直 接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本 法国阿里安娜V 型导弹 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 7 美国F-22 军用飞机 碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合 材料应用在战机机身、主翼、垂 尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起 到了明显的减重作用，大大提高 了抗疲劳、耐腐蚀等性能 8 现在，

4、几乎所有的 商业级风力发电机 叶片均采用复合材 料为主体制造 目前商业化风力发电所 用的电机容量一般为 1.5-2.0MW，与之配套 的复合材料叶片长度大 约32-40米，重6-8t； 小型叶片采用玻璃纤维增强树脂基复合材料（GERP) 大于42m的大型叶片则采用碳纤维或碳玻混杂纤维增强 9 11.1 复合材料的定义和性能特点 11.2 单向复合材料的力学性能 11.3 短纤维复合材料力学性能(略) 11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳 主要内容 10 存在相界面 增强体(不连续相) ：纤维（碳纤维、陶瓷 纤维、芳纶纤维、晶须）、 颗粒状填料等 增强体可为一种或多种 强度、硬度：增强体基体 1

5、1.1 复合材料的定义和性能特点 一、 复合材料的定义和分类 复合材料：由两种或两种以上异质、异形、异性的 材料复合形成的新型材料 基体(连续相)：金属、陶瓷、聚合物 复合材料分类： 连续纤维复合材料 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 有机纤维复合材料 金属纤维复合材料 陶瓷纤维复合材料 11 按增强纤维种类分类 非连续纤维复合材料 颗粒复合材料 层合板复合材料 聚合物基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 按增强体分类 按基体分类 按用途分类 结构复合材料 功能复合材料 利用强度、耐磨等力学性能做结构件 利用磁、电等特殊物理性能做功能件 12 金属基复合材料（Metal Matri

6、x Composite materials，简称MMCs） 是以金属材料为基体，与其它种材料（包括金属、非金属）通过某 种形式复合而构成了具有优良性能的新型材料。 特点： 具有金属的导电、导热等优良性能 比模量、比强度高 对疲劳和蠕变的抗力大 使用温度范围宽 可通过对组分材料的优化设计，制成所需的具备减摩、 耐磨、耐热、耐蚀和减震等优良性能的复合材料。 13 按制备方法分，金属基复合材料有人工复合和自生复合两大类。 人工复合：将两种或两种 以上的材料通过一定的工艺 而合成的材料属人工复合材 料，如双金属复合材料和 SiC颗粒增强的铅基复合材 料等。 自生复合：通过材料的相 变产生的，它的第二相

7、是定 向排列的细片和细纤维，其 性能往往是各向异性的，如 Fe-C系，Al-Si系等 。 Al/SiC复合材料的组织 14 二、复合材料的性能特点 (1)高比强度、比模量 复合材料的突出优点是比强度和比模量高。 原因：以高性能纤维为主要承载体，其比模量很高；是航天、航空技 术领域的理想结构材料 (2)各向异性 纤维增强的复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等 方面具有明显各向异性。采用合理的铺层可在不同的方向分别满足设 计要求，使结构设计得更为合理，能明显地减轻重量和更好地发挥结 构的效能 (3)抗疲劳性好 金属的疲劳破坏是无明显预兆的突发性破坏，而纤维 复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩

8、展，破坏前有明显预兆。 (4)减振性能好 纤维复合材料比模量大，自振频率高，不易共振。相 界面吸收或反射振动，振动阻尼强，使振动很快衰减。 (5)可设计性强 通过改变纤维、基体的种类及相对含量，纤维集合形 式及排布方式等可满足复合材料结构与性能的设计要求。 15 16 世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测 17 11.2 单向复合材料的力学性能 单向连续纤维增强复合材料：连续纤维在基体中呈同 向平行排列的复合材料。 正交各向异性，并有三个对称平面： 平行于纤维的方向通常叫做纵向(1轴)； 垂直于纤维方向叫横向(在2-3平面中的任意一个方向) 纵向上铺层性能不同于其它两个方向（2、3） 而在横向

9、上(2、3)材料性能近似相等 18 单向复合材料的强度和刚度都随方向而改变 五个特征强度值 纵向抗拉强度 横向抗拉强度 纵向抗压强度 横向抗压强度 面内抗剪强度 四个特征弹性常数 纵向弹性模量 横向弹性模量 主泊松比 切变模量 彼此独立 彼此无关 复合材料的强度和 弹性模量均由组分 材料的特性、增强 体的取向、体积分 数决定。 一、单向复合材料的弹性性能 将复合材料看成两种弹性体并联 EcL = E fVf + EmVm = E fVf + Em(1Vf ) cL= f = m根据等应变假设: 复合材料 composite 单向复合材料纵向弹性模量 的计算公式： 混合定律 Vf 、Vm为纤维、

10、基体的体积分数 纤维 fiber 基体 matrix 横向弹性模量、切变模量、泊松比(自学) 19 20 二、单向复合材料强度 单向复合材料在拉伸变形过程可 以分为四个阶段： .纤维和基体都是弹性变形 .纤维弹性变形，基体非弹性变 形 .纤维与基体均为非弹性变形 .纤维断裂，随之复合材料断裂 (一)纵向抗拉强度 21 Ef/Em一定时，Vf越大，纤维承担的载荷越大，但Vf 80%时，复合材料的强度随纤维含量增加反而降低， 原因：纤维过多，没有足够的基体去浸润纤维，使 纤维粘结不好，产生空隙。 实际的纤维体积分数：30%-60% 23 与纵向拉伸不同，基体在纵向压缩中起重 要作用。基体给予纤维侧

11、向支持，使纤维 承载但不屈曲。没有基体的支持，纤维就 不能承受压缩载荷。 纤维的微弯曲和基体剪切失稳是复合材料 纵向压缩的两个主要破坏机理。 (二) 纵向抗压强度 24 11.4 复合材料的断裂 复合材料的断裂 纤维复合材料因其结构特殊性，断裂模式和过程不 同于传统的金属材料，影响因素更为复杂。但其断 裂过程也包括裂纹形成和扩展两个阶段。 裂纹同样源于微观缺陷，如孔隙、纤维端头、分层 或纤维排列不规则等处。 受载时，当裂纹尖端应力水平达到一定数值时，裂 将向前扩展。裂纹扩展时，其尖端可能与附近各种 已存损伤或新形成的损伤相遇，使损伤区加大，裂 纹继续扩展，直到最终产生宏观断裂。因此，复合 材料

12、的断裂过程可以视为损伤累积过程。而且往往 是多种类型损伤综合累积结果。 25 除损伤累积机理外，还有非累积损伤机理(脆性断裂)。 复合材料损伤的几种形式: (1)纤维断裂 (2)基体变形和开裂 (3)纤维脱胶 (4)纤维拔出 (5)分层裂纹 26 界面结合强度低界面结合强度高 结合强度适中， 拔出纤维短 第十一章复合材料的力学性能 本章小结 复合材料性能的基本特点：各向异性、可设计性 复合材料：由两种或两种以上异质、异形、异性的 材料复合形成的新型材料 基体(连续相)：金属、陶瓷、聚合物 增强体(不连续相) ：纤维（碳纤维、陶瓷 存在相界面 纤维、芳纶纤维、晶须）、 颗粒状填料等 增强体可为一种或多种 强度、硬度：增强体基体 27 按基体分类 按用途分类 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 结构复合材料 功能复合材料 复合材料分类： 聚合物基复合材料 复合材料的性能特点 (1)高比强度、比模量 (2)各向异性 (3)抗疲劳性好 (4)减振性能好 (5)