第十四章复合材料力学性能_材料的宏微观力学性能

1、龙士国龙士国1 第第 14 14 章章 复合材料力学性能复合材料力学性能 龙士国龙士国2 提提 纲纲 14.0 引引 言言 14.1 复合材料概论复合材料概论 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国3 14.0、引、引 言言 当今是多种材料并存的时代，也是当今是多种材料并存的时代，也是新新 材料材料迅速发展时期，而迅速发展时期，而复合材料是新材料复合材料是新材料 发展的重点发展的重点。这主要是因为。这主要是因为复合材料可以复合材料可以 取各类材料之长，补各类材料之短，从而取各类材料之长，补各类

2、材料之短，从而 通过不同材料的复合可以达到提高材料综通过不同材料的复合可以达到提高材料综 合性能、节约资源的目的合性能、节约资源的目的。 龙士国龙士国4 龙士国龙士国5 14.0、引、引 言言 事实上，天然材料，包括各种生物体事实上，天然材料，包括各种生物体 构成，莫不以复合的形式存在，因而不同构成，莫不以复合的形式存在，因而不同 材料的复合是顺乎自然、结构合理的一种材料的复合是顺乎自然、结构合理的一种 形式。形式。 龙士国龙士国6 14.0、引、引 言言 复合材料是已在航空、航天、能源、复合材料是已在航空、航天、能源、 交通、建筑；机械、生物医学和体育运动交通、建筑；机械、生物医学和体育运动

3、 等部门日益得到广泛的应用。可以预言，等部门日益得到广泛的应用。可以预言， 2121世纪将进入复合材料的时代世纪将进入复合材料的时代。随着复合。随着复合 材料的开发和应用，复合材料力学已初步材料的开发和应用，复合材料力学已初步 形成学科体系并处于蓬勃发展的阶段。形成学科体系并处于蓬勃发展的阶段。 龙士国龙士国7 14.0、引、引 言言 本章首先介绍本章首先介绍复合材料复合材料的定义、特点的定义、特点 和发展，然后介绍和发展，然后介绍纤维增强复合材料纤维增强复合材料的力的力 学性能和学性能和颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料的力学性能。的力学性能。 龙士国龙士国8 14.1 复合材料概论复合材料概

4、论 14.1.1复合材料的定义和种类复合材料的定义和种类 复合材料是由两种或两种以上物理和化复合材料是由两种或两种以上物理和化 学性质不同的物质组合而成的一种固体材学性质不同的物质组合而成的一种固体材 料，其中至少有一种物质为连续相，该相料，其中至少有一种物质为连续相，该相 被称为被称为基体基体，其他相为分散相，这些相被，其他相为分散相，这些相被 称为称为增强相增强相。复合材料保留了原有组分材。复合材料保留了原有组分材 料的优点，克服或弥补了基体和增强相的料的优点，克服或弥补了基体和增强相的 缺点，并显示出一些新的性能。缺点，并显示出一些新的性能。 龙士国龙士国9 14.1 复合材料概论复合材

5、料概论 复合材料的品种繁多，有各种分类方法。复合材料的品种繁多，有各种分类方法。 常见的有以下几种：常见的有以下几种： (1) 按其用途分类按其用途分类 分为分为功能复合材料功能复合材料和和结构结构 复合材料复合材料，利用复合材料的物理、化学和生，利用复合材料的物理、化学和生 物学的功能作为主要用途的复合材料被称为物学的功能作为主要用途的复合材料被称为 功能复合材料，利用复合材料的各种优良力功能复合材料，利用复合材料的各种优良力 学性能（例如比强度高，比刚度大和抗疲劳学性能（例如比强度高，比刚度大和抗疲劳 性能好等优点）用于制造受力结构的复合材性能好等优点）用于制造受力结构的复合材 料被称为结

6、构复合材料。料被称为结构复合材料。 龙士国龙士国10 14.1 复合材料概论复合材料概论 (2) 按其增强材料的形状分类按其增强材料的形状分类 分为颗粒增分为颗粒增 强复合材料、薄片增强复合材料和纤维增强复合材料、薄片增强复合材料和纤维增 强复合材料。强复合材料。 (3) 按其基体材料分类按其基体材料分类 分为金属基复合材分为金属基复合材 料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料 和碳基复合材料。和碳基复合材料。 龙士国龙士国11 14.1 复合材料概论复合材料概论 14.1.2 复合材料的性能特点复合材料的性能特点 复合材料的性能取决于基体和增强体的复合材料的

7、性能取决于基体和增强体的 特性、含量和分布等，归纳有以下特点：特性、含量和分布等，归纳有以下特点： (1)高比强度、比模量高比强度、比模量 复合材料的突出优点复合材料的突出优点 是比强度和比模量是比强度和比模量(强度、模量与密度之比强度、模量与密度之比) 高。如密度只有高。如密度只有 的碳纤维的强度的碳纤维的强度 可达到可达到 。 3 1.80/g cm 3700 5500MPa 龙士国龙士国12 14.1 复合材料概论复合材料概论 加入高性能纤维作为复合材料的主要加入高性能纤维作为复合材料的主要 承载体，使复合材料的比强度、比模量较承载体，使复合材料的比强度、比模量较 基体的比强度、比模量成

8、倍提高。用高比基体的比强度、比模量成倍提高。用高比 强度、比模量复合材料制成的构件重量轻、强度、比模量复合材料制成的构件重量轻、 刚性好、强度高，是航天、航空技术领域刚性好、强度高，是航天、航空技术领域 的的理想结构材料理想结构材料。 龙士国龙士国13 14.1 复合材料概论复合材料概论 (2)各向异性各向异性 纤维增强复合材料在弹性常纤维增强复合材料在弹性常 数、热膨胀系数、强度等方面具有明显的数、热膨胀系数、强度等方面具有明显的 各向异性。通过铺层设计的复合材料，可各向异性。通过铺层设计的复合材料，可 能出现各种形式和不同程度的各向异性。能出现各种形式和不同程度的各向异性。 各向异性这一特

9、性使复合材料及其结构的各向异性这一特性使复合材料及其结构的 力学行为复杂化，但也可作为一种优点在力学行为复杂化，但也可作为一种优点在 设计时加以利用。设计时加以利用。 龙士国龙士国14 14.1 复合材料概论复合材料概论 因为结构的形式、加载方式、边界条件和因为结构的形式、加载方式、边界条件和 使用要求不同，结构在不同方向对强度、使用要求不同，结构在不同方向对强度、 刚度的要求也往往不同，如采用合理的铺刚度的要求也往往不同，如采用合理的铺 层可在不同的方向分别满足设计要求，使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，能明显地减轻重量结构设计得更为合理，能明显地减轻重量 和更好地

10、发挥结构的效能。和更好地发挥结构的效能。 龙士国龙士国15 14.1 复合材料概论复合材料概论 (3)抗疲劳性好抗疲劳性好 金属材料的疲劳破坏是没金属材料的疲劳破坏是没 有明显预兆的突发性破坏，而纤维复合材有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展。料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展。 因此，纤维复合材料疲劳破坏总是从纤维因此，纤维复合材料疲劳破坏总是从纤维 的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上， 破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的 疲劳极限是其抗拉强度的，而复合材料可疲劳极限是其抗拉强度的，

11、而复合材料可 达。达。 龙士国龙士国16 14.1 复合材料概论复合材料概论 (4)减振性能好减振性能好 构件的自振频率除了与其本构件的自振频率除了与其本 身结构有关外，还与材料比模量的平方根身结构有关外，还与材料比模量的平方根 成正比。纤维复合材料的比模量大，因而成正比。纤维复合材料的比模量大，因而 它的自振频率很高，在通常加载速率下不它的自振频率很高，在通常加载速率下不 容易出现因共振而快速脆断的现象。同时容易出现因共振而快速脆断的现象。同时 复合材料中存在大量纤维与基体的界面，复合材料中存在大量纤维与基体的界面， 由于界面对振动有反射和吸收作用，所以由于界面对振动有反射和吸收作用，所以

12、复合材料的振动阻尼强，即使激起振动也复合材料的振动阻尼强，即使激起振动也 会很快衰减。会很快衰减。 龙士国龙士国17 14.1 复合材料概论复合材料概论 (5)可设计性强可设计性强 通过改变纤维、基体的种类通过改变纤维、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。可满足复合材料结构与性能的设计要求。 龙士国龙士国18 14.1 复合材料概论复合材料概论 复合材料的高比强度、高比模量特点，复合材料的高比强度、高比模量特点， 是由于这种材料在受力时高强度、高模量是由于这种材料在受力时高强度、高模量 的增强纤维承受了大部分

13、载荷，基体只是的增强纤维承受了大部分载荷，基体只是 作为传递和分散载荷给纤维的媒介所致。作为传递和分散载荷给纤维的媒介所致。 如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，抗拉如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，抗拉 强度可从提高到，弹性模量从提高到，下强度可从提高到，弹性模量从提高到，下 的冲击强度可提高倍。的冲击强度可提高倍。 龙士国龙士国19 14.1 复合材料概论复合材料概论 14.1.3复合材料的发展复合材料的发展 近代复合材料近代复合材料技术是技术是20世纪世纪40年代兴起年代兴起 的一门新兴技术，经过半个多世纪的发展目的一门新兴技术，经过半个多世纪的发展目 前已形成一套较为完整的体系。但人类开始前

14、已形成一套较为完整的体系。但人类开始 使用复合材料要追溯到使用复合材料要追溯到几千年以前几千年以前。从现存。从现存 的历史遗迹和史籍考察，在距今的历史遗迹和史籍考察，在距今7000年以前年以前 的西安半坡衬遗址中曾发现用的西安半坡衬遗址中曾发现用草拌泥草拌泥做成的做成的 墙壁和砖坯，用草拌泥制造的建筑材料性能墙壁和砖坯，用草拌泥制造的建筑材料性能 既优于草又优于泥，这是人类最早使用复合既优于草又优于泥，这是人类最早使用复合 材料的先例。材料的先例。 龙士国龙士国20 14.1 复合材料概论复合材料概论 大约出现在大约出现在4000年以前的年以前的漆器漆器是一种典是一种典 型的纤维增强复合材料，

15、它是用丝、麻及其型的纤维增强复合材料，它是用丝、麻及其 织物为增强相，以生漆做粘接剂一层一层铺织物为增强相，以生漆做粘接剂一层一层铺 敷在底胎敷在底胎(模具模具)上，待漆干固后挖去底胎成上，待漆干固后挖去底胎成 型，这种工艺方法与近代复合材料的手物工型，这种工艺方法与近代复合材料的手物工 艺十分相近。漆器表面光洁，具有良好的抗艺十分相近。漆器表面光洁，具有良好的抗 老化性能，现保存在扬州平山堂的监真法师老化性能，现保存在扬州平山堂的监真法师 漆器像，距今已有漆器像，距今已有1000多年，仍保持完好。多年，仍保持完好。 龙士国龙士国21 14.1 复合材料概论复合材料概论 中国古代的中国古代的弓

16、弓是用竹片、钢条等材料经是用竹片、钢条等材料经 过巧妙的铺叠得到的高模量高强度的优良层过巧妙的铺叠得到的高模量高强度的优良层 合复合构件，也是复合材料应用的典型实例。合复合构件，也是复合材料应用的典型实例。 在世界上也发现古埃及人在公元前已知在世界上也发现古埃及人在公元前已知 道将木材切成板后重新铺叠制成像现代胶合道将木材切成板后重新铺叠制成像现代胶合 板似的板似的叠合材料叠合材料，这样不仅可以提高强度，这样不仅可以提高强度， 还可减少由湿、热引起的变形。这些例子都还可减少由湿、热引起的变形。这些例子都 说明了人类早已知道复合材料强于单一材料，说明了人类早已知道复合材料强于单一材料， 并在可能

17、条件下开始了应用。并在可能条件下开始了应用。 龙士国龙士国22 14.1 复合材料概论复合材料概论 材料科学发展到材料科学发展到2020世纪中叶，复合材世纪中叶，复合材 料的制品已不仅仅是天然材料的复合利用料的制品已不仅仅是天然材料的复合利用 了，而是了，而是基于现代科学技术的综合产物基于现代科学技术的综合产物。 在化学、力学、机械学、冶金、陶瓷等学在化学、力学、机械学、冶金、陶瓷等学 科现代成就基础上，复合材料已形成集科科现代成就基础上，复合材料已形成集科 研、设计、生产、应用的完整体系，作为研、设计、生产、应用的完整体系，作为 新技术正在国民经济建设和国防建设中发新技术正在国民经济建设和国

18、防建设中发 挥其先导和基础作用。挥其先导和基础作用。 龙士国龙士国23 14.1 复合材料概论复合材料概论 近代复合材料的发展从基体上来看首近代复合材料的发展从基体上来看首 先发展的是先发展的是软基体软基体，然后逐渐发展较硬的，然后逐渐发展较硬的 和和硬的基体硬的基体，即从树脂到金属到陶瓷基体，即从树脂到金属到陶瓷基体， 总之，随着复合性能的不断提高，以及价总之，随着复合性能的不断提高，以及价 格的不断降低，它在各种行业中将得到更格的不断降低，它在各种行业中将得到更 加广泛的应用。加广泛的应用。 龙士国龙士国24 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 连续纤维在基体中

19、呈同向平行排列的复合连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合 材料，叫做材料，叫做单向连续纤维增强复合材料单向连续纤维增强复合材料。典型。典型 单向复合材料铺层如图单向复合材料铺层如图14.1所示。所示。 一般来说，单向铺层呈现一般来说，单向铺层呈现正交各向异性正交各向异性， 并有三个对称平面：平行于纤维的方向通常叫并有三个对称平面：平行于纤维的方向通常叫 做做纵向纵向（1轴）；垂直于纤维方向叫做轴）；垂直于纤维方向叫做横向横向 （在（在2-平面中的任意一个方向）。在纵向上平面中的任意一个方向）。在纵向上 铺层性能不同于其它两个方向（铺层性能不同于其它两个方向（2、3）；而在）；而在 横向上（横向

20、上（2、3）材料的性能近似相等。）材料的性能近似相等。 龙士国龙士国25 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国26 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 单向复合材料的强度和刚度都单向复合材料的强度和刚度都随方向而随方向而 改变改变，有，有五个特征强度值五个特征强度值，即纵向抗拉强度、，即纵向抗拉强度、 横向抗拉强度、纵向抗压强度、横向抗压强横向抗拉强度、纵向抗压强度、横向抗压强 度、面向抗剪强度，这些强度在宏观尺度上度、面向抗剪强度，这些强度在宏观尺度上 是彼此无关的；是彼此无关的； 龙士国龙士国27 14.2 纤维增强复合材

21、料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 只有只有四个特征弹性常数四个特征弹性常数，即纵向弹模量、，即纵向弹模量、 横向弹性模量、主泊松比、切变模量，这四横向弹性模量、主泊松比、切变模量，这四 个弹性常数也是彼此独立的。个弹性常数也是彼此独立的。 复合材料的强度和弹性模量均由复合材料的强度和弹性模量均由组分材组分材 料的特性料的特性、增强体的取向增强体的取向、体积分数体积分数决定。决定。 龙士国龙士国28 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 1. 单向复合材料的弹性性能单向复合材料的弹性性能 （1）纵向弹性模量）纵向弹性模量 在计算单向复合材料纵向弹性模量时，在计算单

22、向复合材料纵向弹性模量时， 将复合材料看成两种弹性体将复合材料看成两种弹性体并联并联，并简化，并简化 成有一定规则形状和分布的模型，如图成有一定规则形状和分布的模型，如图14.2 所示。所示。 龙士国龙士国29 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国30 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 （2）横向弹性模量）横向弹性模量 横向弹性模量计算比纵向弹性模量计横向弹性模量计算比纵向弹性模量计 算复杂得多，准确性也差。计算单向纤维算复杂得多，准确性也差。计算单向纤维 复合材料横向弹性模量的模型有两种：复合材料横向弹性模量的模型有两种：

23、 型型，纤维含量少时，纤维和基体的，纤维含量少时，纤维和基体的串串 联模型联模型，此时纤维与基体具有相同的应力；，此时纤维与基体具有相同的应力； 龙士国龙士国31 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 型型，纤维含量高时，纤维呈束状分，纤维含量高时，纤维呈束状分 布于基体中，必然有纤维紧密接触，其间布于基体中，必然有纤维紧密接触，其间 有基体材料，但极薄，可认为这部分基体有基体材料，但极薄，可认为这部分基体 变形与纤维一致（保证界面结合），纤维变形与纤维一致（保证界面结合），纤维 与基体有相同的应变，即为与基体有相同的应变，即为并联模型并联模型， 如图如图14.3所示

24、。所示。 龙士国龙士国32 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国33 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国34 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 （3）切变模量）切变模量 复合材料的切变模量也有复合材料的切变模量也有两种模型两种模型： 模型模型是纤维和基体轴向是纤维和基体轴向串联模型串联模型，在，在 扭矩的作用下，圆筒受纯切应力，纤维和基扭矩的作用下，圆筒受纯切应力，纤维和基 体切应力相同，但因剪切模量不同，切应变体切应力相同，但因剪切模量不同，切应变 不同，故模型不同，故模型为为等应

25、力模型等应力模型； 龙士国龙士国35 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 模型模型是纤维和基体轴向是纤维和基体轴向并联模型并联模型，即，即 纤维被基体包围，在扭矩的作用下纤维和基纤维被基体包围，在扭矩的作用下纤维和基 体产生相同切应变，但切应力不同，故模型体产生相同切应变，但切应力不同，故模型 为等应变模型。图为等应变模型。图14.5即为两种模型示意即为两种模型示意 图。图。 龙士国龙士国36 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国37 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 （4）泊松比）泊松比 单向复

26、合材料的正交各向异性，决定了单向复合材料的正交各向异性，决定了 材料在纵、横两个方向呈现的泊松效应不材料在纵、横两个方向呈现的泊松效应不 同，因而有同，因而有两个泊松比两个泊松比。当单向复合材料。当单向复合材料 沿纤维方向受到拉伸时，在横向要产生收沿纤维方向受到拉伸时，在横向要产生收 缩，其横向应变与纵向应变之比称为缩，其横向应变与纵向应变之比称为纵向纵向 泊松比泊松比。 龙士国龙士国38 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国39 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 2单向复合材料的强度单向复合材料的强度 （1）纵向抗拉强度）

27、纵向抗拉强度 单向复合材料在拉伸载荷下的变形过单向复合材料在拉伸载荷下的变形过 程可以分为程可以分为四个阶段四个阶段：.纤维和基体都是纤维和基体都是 弹性变形弹性变形；.纤维弹性变形，基体非弹性纤维弹性变形，基体非弹性 变形；变形；.纤维与基体均为纤维与基体均为非弹性变形非弹性变形；. 纤维断裂，随之复合材料断裂，如图纤维断裂，随之复合材料断裂，如图11.7所所 示。示。 龙士国龙士国40 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国41 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和陶瓷纤玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和陶

28、瓷纤 维增强的热固性树脂基复合材料的变形特维增强的热固性树脂基复合材料的变形特 性只有第性只有第、阶段；而金属基和热塑性阶段；而金属基和热塑性 树脂基复合材料，包含第树脂基复合材料，包含第阶段。对于脆阶段。对于脆 性纤维增强复合材料，观察不到第性纤维增强复合材料，观察不到第阶段；阶段； 但韧性纤维复合材料有第但韧性纤维复合材料有第阶段。阶段。 龙士国龙士国42 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国43 14.2.3 纤维复合材料的破坏特性纤维复合材料的破坏特性 纤维复合材料因其结构特殊性，纤维复合材料因其结构特殊性，断裂断裂 模式和过程不同于传统的金属材

29、料模式和过程不同于传统的金属材料，影响，影响 因素更为复杂。但其断裂过程也包括裂纹因素更为复杂。但其断裂过程也包括裂纹 形成和扩展两个阶段。裂纹是在材料制造形成和扩展两个阶段。裂纹是在材料制造 和使用中形成的。裂纹同样源于微观缺陷，和使用中形成的。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如孔隙、纤维端头、分层或纤维排列不规 则等处。则等处。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国44 复合材料受载时；当裂纹尖端应力水复合材料受载时；当裂纹尖端应力水 平达到一定数值时，裂纹将平达到一定数值时，裂纹将向前扩展向前扩展。裂。裂 纹扩展时，其尖

30、端可能与附近各种已存损纹扩展时，其尖端可能与附近各种已存损 伤或新形成的损伤相遇，如纤维断裂、基伤或新形成的损伤相遇，如纤维断裂、基 体变形和开裂、纤维与基体脱胶等，见图体变形和开裂、纤维与基体脱胶等，见图 14.9，使损伤区加大，裂纹继续扩展，直到，使损伤区加大，裂纹继续扩展，直到 最终产生最终产生宏观断裂宏观断裂。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国45 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 9 龙士国龙士国46 因此，复合材料的断裂过程可以视为损因此，复合材料的断裂过程可以视为损 伤累积过程。而且，断裂不一定是一种类伤累

31、积过程。而且，断裂不一定是一种类 型损伤型损伤(如纤维断裂如纤维断裂)的累积，往往是多种类的累积，往往是多种类 型损伤综合累积结果。型损伤综合累积结果。 图图14.10为无机纤维增强复合材料受载为无机纤维增强复合材料受载 后，断裂的纤维数随载荷增加而变化的情后，断裂的纤维数随载荷增加而变化的情 况。可见，当载荷达到一定值后，断裂纤况。可见，当载荷达到一定值后，断裂纤 维数迅速增加，材料很快过载破坏。界面维数迅速增加，材料很快过载破坏。界面 粘结强度低的复合材料，常具有这种断裂粘结强度低的复合材料，常具有这种断裂 机制。机制。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士

32、国龙士国47 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 10 龙士国龙士国48 除损伤累积机理外，还有除损伤累积机理外，还有非累积损伤机非累积损伤机 理理，显然后者是，显然后者是脆性断裂脆性断裂。这种断裂是在。这种断裂是在 个别纤维断裂时立即造成复合材料的整体个别纤维断裂时立即造成复合材料的整体 破坏，或在增加一定载荷后破坏。界面粘破坏，或在增加一定载荷后破坏。界面粘 结强度高的金属基复合材料具有这种断裂结强度高的金属基复合材料具有这种断裂 机理，断裂时没有纤维拔出。机理，断裂时没有纤维拔出。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国4

33、9 这类断裂共有三种类型：这类断裂共有三种类型：(a) 接力破接力破 坏机理坏机理，当一根纤维断裂引起邻近纤维中，当一根纤维断裂引起邻近纤维中 应力集中而过载，后者断裂，依次类推，应力集中而过载，后者断裂，依次类推， 最终复合材料整体破坏；最终复合材料整体破坏；(b) 脆性粘接断裂脆性粘接断裂 机理机理，断裂的纤维在其周围基体中形戒应，断裂的纤维在其周围基体中形戒应 力集中，使基体破坏，并最终导致材料整力集中，使基体破坏，并最终导致材料整 体破坏；体破坏；(c) 最弱环节机理最弱环节机理，与基体粘结强，与基体粘结强 的纤维一旦断裂立即引起复合材料的整体的纤维一旦断裂立即引起复合材料的整体 破坏

34、。破坏。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国50 实际复合材料的断裂，往往是混合型的，实际复合材料的断裂，往往是混合型的， 既有累积损伤断裂，也有非累积损伤断裂。既有累积损伤断裂，也有非累积损伤断裂。 上述复合材料中的各种类型损伤，在静拉伸上述复合材料中的各种类型损伤，在静拉伸 载荷、冲击载荷或交变载荷下都可能发生。载荷、冲击载荷或交变载荷下都可能发生。 了解它们的基本概念对于分析复合材料在不了解它们的基本概念对于分析复合材料在不 同载荷下的力学行为是有益的。同载荷下的力学行为是有益的。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能

35、龙士国龙士国51 （1）纤维断裂）纤维断裂 是垂直于裂纹扩展方向的是垂直于裂纹扩展方向的 纤维，当其应变达到断裂应变时发生的。纤维，当其应变达到断裂应变时发生的。 在复合材料受载早期就有个别纤维产生这在复合材料受载早期就有个别纤维产生这 种损伤，随载荷增加，断裂纤维数也增加。种损伤，随载荷增加，断裂纤维数也增加。 （2）基体变形和开裂）基体变形和开裂 在复合材料中，基在复合材料中，基 体因强度低，故在材料曼载时先于纤维变体因强度低，故在材料曼载时先于纤维变 形，至复合材料完全断裂时，纤维周围的形，至复合材料完全断裂时，纤维周围的 基体自然也随之断裂。基体自然也随之断裂。 14.2 纤维增强复合

36、材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国52 （3）纤维脱胶）纤维脱胶 若裂纹穿过基体扩展遇到若裂纹穿过基体扩展遇到 纤维时，裂纹可能分叉，转向平行于纤维纤维时，裂纹可能分叉，转向平行于纤维 方向扩展。裂纹可在基体内，也可沿界面方向扩展。裂纹可在基体内，也可沿界面 扩展，取决于界面与基体的相对强度。如扩展，取决于界面与基体的相对强度。如 界面结合较弱，将使纤维与基体脱胶。界面结合较弱，将使纤维与基体脱胶。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国53 （4）纤维拔出）纤维拔出 这种损伤也发生在纤维与这种损伤也发生在纤维与 基体的界面上，它是由于

37、断裂纤维在基体基体的界面上，它是由于断裂纤维在基体 中引起的应力集中因基体屈服而被松弛，中引起的应力集中因基体屈服而被松弛， 使纤维断裂裂纹在基体中扩展阻力增加，使纤维断裂裂纹在基体中扩展阻力增加， 结果沿界面产生纤维拔出现象。当断裂纤结果沿界面产生纤维拔出现象。当断裂纤 维端部与材料断裂横截面的距离很小维端部与材料断裂横截面的距离很小(小于小于 临界纤维长度的一半临界纤维长度的一半)，常出现纤维拔出损，常出现纤维拔出损 伤。伤。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国54 (5)分层裂纹分层裂纹 这是发生在层合板情况下的这是发生在层合板情况下的 一种损伤

38、。当裂纹穿过层合板的一个铺层一种损伤。当裂纹穿过层合板的一个铺层 扩展时，其尖端遇到相邻铺层的纤维，可扩展时，其尖端遇到相邻铺层的纤维，可 能受到阻滞。但因与裂纹尖端相邻的基体能受到阻滞。但因与裂纹尖端相邻的基体 中切应力很高，裂纹可能分枝出来，开始中切应力很高，裂纹可能分枝出来，开始 在平行于铺层平面的界面上扩展，形成分在平行于铺层平面的界面上扩展，形成分 层裂纹。层裂纹。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国55 对于纤维复合材料，往往在对于纤维复合材料，往往在高应力区高应力区 出现较大规模的损伤，如界面脱胶、基体出现较大规模的损伤，如界面脱胶、基体

39、 开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤还会开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤还会 相互影响和组合，表现出非常复杂的疲劳相互影响和组合，表现出非常复杂的疲劳 破坏行为，很少出现由单一裂纹控制的破破坏行为，很少出现由单一裂纹控制的破 坏机理。总的来说，复合材料的抗疲劳破坏机理。总的来说，复合材料的抗疲劳破 坏性能比金属材料好得多。坏性能比金属材料好得多。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国56 图图14.11反映了二者之间的特点，尽管反映了二者之间的特点，尽管 复合材料初始阶段损伤尺寸比金属材料大，复合材料初始阶段损伤尺寸比金属材料大， 但多种损伤形式和增强纤维

40、的牵制作用使但多种损伤形式和增强纤维的牵制作用使 复合材料有良好的断裂韧性和低的缺口敏复合材料有良好的断裂韧性和低的缺口敏 感性，因此疲劳寿命比金属材料长，具有感性，因此疲劳寿命比金属材料长，具有 较大的临界损伤尺寸。此外，复合材料疲较大的临界损伤尺寸。此外，复合材料疲 劳损伤是累积的，有明显征兆；金属材料劳损伤是累积的，有明显征兆；金属材料 损伤累积是隐蔽的，破坏是突发性的损伤累积是隐蔽的，破坏是突发性的。 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 龙士国龙士国57 14.2 纤维增强复合材料的力学性能纤维增强复合材料的力学性能 11 龙士国龙士国58 14.3 颗粒增

41、强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料 (PMMC) PMMC的基体材料有铝的基体材料有铝 基、钛基、镁基等合金基、钛基、镁基等合金 PMMC的增强颗粒有碳的增强颗粒有碳 化硅、氧化铝、氮化硅、化硅、氧化铝、氮化硅、 碳化钛、碳化硼、石墨、碳化钛、碳化硼、石墨、 细金刚石等陶瓷颗粒细金刚石等陶瓷颗粒 龙士国龙士国59 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 角状颗粒角状颗粒 颗粒熔化后，用粒子喷射凝颗粒熔化后，用粒子喷射凝 结的方法制备的球形颗粒结的方法制备的球形颗粒 用溶胶用溶胶- -凝胶法凝胶法 制备的球形颗粒制

42、备的球形颗粒 龙士国龙士国60 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 优越的性能优越的性能: 1 1、高的比模量和比强度。、高的比模量和比强度。 2 2、各向同性、各向同性 。 3 3、性价比高。、性价比高。 4 4、导热性好，热膨胀系数小、导热性好，热膨胀系数小 5 5、耐磨性好，不老化，尺寸稳、耐磨性好，不老化，尺寸稳 定，可加工性好。定，可加工性好。 6 6、可以进行优化设计、可以进行优化设计 。 PMMC的特征与应用的特征与应用 应用应用: 1. 航空工业航空工业 2. 汽车工业汽车工业 3、其它民用工业、其它民用工业 龙士国龙士国61 14.3 颗粒增强复合

43、材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 PMMC在使用过程中不可避免的会在使用过程中不可避免的会 受到机械力与热载荷的同时作用，如受到机械力与热载荷的同时作用，如 航空航天器、发动机汽缸活塞等航空航天器、发动机汽缸活塞等 。 PMMC组分材料的物组分材料的物 理性质及力性能相差理性质及力性能相差 很大。很大。 容易产生热失配、变形失配，在复杂载荷下容易产生热失配、变形失配，在复杂载荷下 加速破坏加速破坏 。 PMMC往往是作为关键部件的结构材料往往是作为关键部件的结构材料 容易发生灾难性破坏，造成重大的损失容易发生灾难性破坏，造成重大的损失 研究研究PMMC在复杂的热在复杂的热-力载荷作用下

44、的力学响应力载荷作用下的力学响应 龙士国龙士国62 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 研究方法：研究方法： 用激光模拟用激光模拟 热载荷热载荷 用静态拉伸用静态拉伸 模拟机械载模拟机械载 荷荷 传统的热冲击及热疲劳实验研究传统的热冲击及热疲劳实验研究 方法一般是在加热炉或者通过淬方法一般是在加热炉或者通过淬 火等方法进行火等方法进行 。 激光技术是一种先进的对材料性激光技术是一种先进的对材料性 能进行实验研究的手段能进行实验研究的手段 。 丰富了激光破坏机理的丰富了激光破坏机理的 研究内容。研究内容。 龙士国龙士国63 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强

45、复合材料的力学性能 实实 验验 材材 料料 材料材料A 实验选用两种热压成型的实验选用两种热压成型的 颗粒增强铝合金基体复合材料，颗颗粒增强铝合金基体复合材料，颗 粒的体积含量都是粒的体积含量都是 15% , 增强颗粒的平均尺寸大小为增强颗粒的平均尺寸大小为 10微米微米 。 材料材料B 龙士国龙士国64 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 参数参数单位单位基体基体材料材料A材料材料B 弹性模量弹性模量68.3427122122 屈服强度屈服强度97.0-400350 比热比热0.842.541.8451.845 热膨胀系数热膨胀系数23.64.820.7820.7

46、8 导热系数导热系数1.80.421.2061.206 密度密度2.73.212.822.69 拉伸强度拉伸强度278950600480 延伸率延伸率 160.864 泊松比泊松比 -0.330.170.300.30 龙士国龙士国65 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 024681012141618 0 100 200 300 400 500 600 fracture fracture fracture fracture (MPa) (%) 25 0C 100 0C 200 0C 300 0C 材料材料A A在不同温度下的应力在不同温度下的应力- -应变曲线应变曲

47、线 龙士国龙士国66 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 机械加载与激光热冲击加载机械加载与激光热冲击加载示意图示意图 激光束激光束 激光器激光器 激光能量计激光能量计 砝码砝码 试件试件 透镜透镜 分光镜分光镜 激光热冲击实验方法激光热冲击实验方法 龙士国龙士国67 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 Nd:glass 激光器激光器 半高宽半高宽(FWHM) 为为 250 s 激光强度的时间分布激光强度的时间分布 龙士国龙士国68 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 激光强度的空间分布激光强度的空间分布 龙士

48、国龙士国69 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 激光作用位置激光作用位置 缺口缺口 试件与激光作用位置试件与激光作用位置 龙士国龙士国70 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 m100 0.3mmr=0.1mm 2 . 3 应力集中系数应力集中系数 ： 缺口端部实际应力为：缺口端部实际应力为： max 缺口形状缺口形状 与尺寸与尺寸 龙士国龙士国71 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 Particle Particle Fracture Decohesion S V oid A B C 激光热激光热- -力

49、作用下力作用下PMMC的微观破坏特性的微观破坏特性 三种损伤摸式三种损伤摸式 龙士国龙士国72 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 微裂纹和微孔微裂纹和微孔 洞萌生阶段洞萌生阶段 破坏的典型阶段破坏的典型阶段 微裂纹和微孔洞汇微裂纹和微孔洞汇 集形成主裂纹阶段集形成主裂纹阶段 主裂纹迅速扩展至主裂纹迅速扩展至 材料完全断裂阶段材料完全断裂阶段 龙士国龙士国73 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 损损 伤伤 的的 萌萌 生生 材料材料A材料材料B 龙士国龙士国74 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 裂裂 纹纹

50、 扩扩 展展 材料材料A 材料材料B 放大放大 龙士国龙士国75 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 激光作用激光作用 位置位置 径径 向向 裂裂 纹纹 放放 大大 激光作用区域边缘的破坏形貌激光作用区域边缘的破坏形貌 激光作用位置激光作用位置 龙士国龙士国76 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 破破 碎碎 的的 颗颗 粒粒 颗颗 粒粒 拔拔 出出 的的 滑滑 移移 带带 断断 口口 特特 征征 材料材料A材料材料B 龙士国龙士国77 14.3 颗粒增强复合材料的力学性能颗粒增强复合材料的力学性能 01020304050607080 0 100 200 300 400 500 600 Failure region Damage region Non-damage region max(MPa) EJ(J/c m 2) Damage threshold Failure threshold 05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 100 200 300 400 500 Failure region Damage region Non-damage region max (MPa) EJ(J/cm 2) Damage threshold Failure threshold 材料材料A材料材