第十一章复合材料的力学性能

1、复合材料的力学性能复合材料的力学性能内容提要内容提要1 1 复合材料概述复合材料概述2 2 复合材料的变形复合材料的变形3 3 连续纤维增强复合材料的强度连续纤维增强复合材料的强度4 4 短纤维增强复合材料的强度短纤维增强复合材料的强度5 5 纤维增强复合材料的断裂与疲劳纤维增强复合材料的断裂与疲劳1 复合材料概述复合材料概述人类发展史和材料发展史息息相关。人类发展史和材料发展史息息相关。人类历史上各方面进步与新材料的发现、制造人类历史上各方面进步与新材料的发现、制造和应用分不开。和应用分不开。新材料时代（高分子材料、复合材料和智能材新材料时代（高分子材料、复合材料和智能材料）。料）。石石器器

2、时时代代陶陶器器时时代代青青铜铜器器时时代代铁铁器器时时代代新新材材料料时时代代复合材料发展史复合材料发展史天然复合材料：天然复合材料：竹、木、茅草、贝壳、骨骼竹、木、茅草、贝壳、骨骼 传统复合材料：传统复合材料：麻刀（纸筋）石灰；土坯麻刀（纸筋）石灰；土坯（草秆、粘土）；钢筋混凝土；（草秆、粘土）；钢筋混凝土；通用复合材料：通用复合材料：19401940年，玻璃纤维增强塑料年，玻璃纤维增强塑料（GFRPGFRP） 先进复合材料：先进复合材料：19601960年后，结构复合材料年后，结构复合材料单功能复合材料单功能复合材料多功能复合材料多功能复合材料机敏材机敏材料和智能材料。料和智能材料。 什

3、么是复合材料？什么是复合材料？两种或两种以上不同性能、不同形态的固两种或两种以上不同性能、不同形态的固体材料，以微观或宏观的形式复合而成的体材料，以微观或宏观的形式复合而成的一种多相材料，性能与组成物质不同。一种多相材料，性能与组成物质不同。命名：命名：增强物名在前，增强物名在前，基体名在后，如基体名在后，如碳纤维环氧复合碳纤维环氧复合材料。材料。n基体相基体相- -连续的，粘结、支持、保护增强物连续的，粘结、支持、保护增强物和传递应力作用。和传递应力作用。n增强相增强相- -分散的，被基体包围，承受载荷作分散的，被基体包围，承受载荷作用。用。 n近代复合材料主要有近代复合材料主要有纤维增强复

4、合材料和纤维增强复合材料和粒子增强复合材料粒子增强复合材料。复合材料按基体材料分类复合材料按基体材料分类热固性热塑性树脂基金属基碳基玻璃基水泥基陶瓷基复合材料复合材料按功能分类复合材料按功能分类力结 构 复 合 材 料电 、 磁 、 光 、 热 、 放 射 性耐 腐 蚀 、 耐 烧 蚀 、 生 物 相 容 性 、 隐 身 等功 能 复 合 材 料复 合 材 料复合材料的应用复合材料的应用-飞机用飞机用增韧石墨增韧石墨石墨石墨混杂复合材料混杂复合材料玻璃纤维玻璃纤维空中巨无霸空中巨无霸-A380机身蒙皮机身蒙皮-GLARE材料材料目前商用飞机上复合材料仅占全机重目前商用飞机上复合材料仅占全机重量

5、的量的50%50%，部分直升机已达，部分直升机已达90%90%超级跑车超级跑车-碳纤维复合材料碳纤维复合材料碳纤维碳纤维/树脂复合材料树脂复合材料生产充气船及其胶布制品，采用国生产充气船及其胶布制品，采用国际上先进的际上先进的A级级RTP复合材料复合材料新型日光温室复合材料新型日光温室复合材料温室温室骨架骨架和和纵拉杆纵拉杆全部采用复合材料制成全部采用复合材料制成热塑性复合材料热塑性复合材料碳碳/碳复合材料碳复合材料2 复合材料的性能特点复合材料的性能特点v比强度、比刚度（比模量）大比强度、比刚度（比模量）大v力学性能可以设计力学性能可以设计v抗疲劳性能好抗疲劳性能好v减震性好减震性好v通常都

6、能耐高温通常都能耐高温v过载时安全性好过载时安全性好v有很好的加工工艺性有很好的加工工艺性典型复合材料和常用材料性能对比典型复合材料和常用材料性能对比材料材料密度密度(g/cm3)拉伸强拉伸强度度(GPa)比强度比强度 107(mm)拉伸模拉伸模量量(GPa)比模量比模量 109(mm)冲击强冲击强度度(kgcm/cm2)碳纤维碳纤维/环氧环氧1.61.811.31288.076硼纤维硼纤维/环氧环氧2.11.67.622010.5-碳化硅纤维碳化硅纤维/环氧环氧2.01.57.51306.5260石墨纤维石墨纤维/铝铝2.20.83.623110.5-钢钢7.81.41.82102.7-铝合

7、金铝合金2.80.51.7772.8-钛合金钛合金4.51.02.21102.4-2.1 2.1 复合材料的变形复合材料的变形 常规材料：常规材料：均质，各向同均质，各向同性；性；复合材料：复合材料：非均质，位置影响性能非均质，位置影响性能各向异性，不同方向性各向异性，不同方向性能不同能不同3 连续纤维增强复合材料的强度连续纤维增强复合材料的强度1 1 各向异性材料的应力各向异性材料的应力- -应变关系应变关系2 2 单层板的应力单层板的应力- -应变关系应变关系3 3 单层板强度理论单层板强度理论连续纤维在基体中呈连续纤维在基体中呈同向平行等距排列。同向平行等距排列。单向连续纤维增强复合材料

8、单向连续纤维增强复合材料单向复合材料微观力学性能单向复合材料微观力学性能 弹性模量由纤维和基体的性能及其相对体弹性模量由纤维和基体的性能及其相对体积含量共同确定。积含量共同确定。),(mmmfffijijVEVECC细观结构单元细观结构单元1方向：方向：1= f= m 2方向：方向：2= Vff +Vmm， = f = mfffEmmmE单元在单元在1方向拉伸方向拉伸n复合材料单元上的合力：复合材料单元上的合力：n混合定则：混合定则：纤维和基体对复合材料的力学性纤维和基体对复合材料的力学性能所做的贡献与其体积分数成正比。能所做的贡献与其体积分数成正比。mmff1AAAPmmff1VEVEE1

9、= f = m 碳纤维碳纤维/ /环氧树脂复合材料的相关数据如下：环氧树脂复合材料的相关数据如下： MPaEVMPaEmff3000,5480,180000MPaE51101实测值为实测值为 MPa103860，与预测值较接近。，与预测值较接近。 举例举例求求E E1 1？单元在单元在2方向单向拉伸方向单向拉伸mffmmf2EVEVEEE2 = Vff +Vmm， = f = mmmff21EVEVE图7-5 E2/Em随纤维体积含量的变化图 纵向应力纵向应力- -应变曲线应变曲线基基体体和和纤纤维维应应力力应应变变曲曲线线变形和断裂：变形和断裂：纤维和基体弹性纤维和基体弹性变形；变形；纤维弹

10、变，基体纤维弹变，基体非弹变；非弹变；两者都非弹变；两者都非弹变；纤维断裂，进而纤维断裂，进而整体断裂。整体断裂。复合材料的应力应变曲线特征复合材料的应力应变曲线特征l 曲线处于纤维和基体的应力应变曲线之间。曲线处于纤维和基体的应力应变曲线之间。l 曲线的位置取决于纤维的体积分数。曲线的位置取决于纤维的体积分数。l 纤维体积分数越高，曲线越接近纤维的应力应纤维体积分数越高，曲线越接近纤维的应力应变曲线；变曲线；l 当基体体积分数高时，曲线则接近基体应力应当基体体积分数高时，曲线则接近基体应力应变曲线。变曲线。 4 4 短纤维增强复合材料的强度短纤维增强复合材料的强度 类型：类型：n单向短纤维增

11、强单向短纤维增强n面内短纤维杂乱增强面内短纤维杂乱增强n空间短纤维杂乱增强空间短纤维杂乱增强性能（与同类长纤维增强材料相比）：性能（与同类长纤维增强材料相比）：n纤维少，作用弱，性能变差，但横向拉纤维少，作用弱，性能变差，但横向拉伸强度和剪切强度高，可制复杂件，效伸强度和剪切强度高，可制复杂件，效率高。率高。纤维增强复合材料力学特性纤维增强复合材料力学特性短纤维增强复合材料的应力传递短纤维增强复合材料的应力传递 单纤维微元体：单纤维微元体：纤维线弹性，纤维线弹性，界面结合完全。界面结合完全。 )()2()(22fffefffdrdzrrzfffzr00d2纤维上的应力分布：纤维上的应力分布：理

12、想状态下纤维应力沿纤维向的变化情况理想状态下纤维应力沿纤维向的变化情况若假设纤维末端不传递正应力，即若假设纤维末端不传递正应力，即f0f0=0=0，纤维上正应力分布可简化为：纤维上正应力分布可简化为：fsfrz2正应力随纤维长度增加而增加。正应力随纤维长度增加而增加。纤维临界长度纤维临界长度 n纤维传递应力达到其强度极限时的纤维最纤维传递应力达到其强度极限时的纤维最小长度称为临界长度。小长度称为临界长度。n短纤维复合材料中纤维的长度应大于临界短纤维复合材料中纤维的长度应大于临界长度，这时才可能充分发挥纤维的增强作长度，这时才可能充分发挥纤维的增强作用。用。5 5 纤维增强复合材料的断裂与疲劳纤

13、维增强复合材料的断裂与疲劳断裂过程：断裂过程：n形成微观裂纹；形成微观裂纹；n微观裂纹稳定扩展，与其它微观裂纹相接而微观裂纹稳定扩展，与其它微观裂纹相接而达到宏观裂纹尺度；达到宏观裂纹尺度；n在临界应力水平下宏观裂纹不稳定扩展。在临界应力水平下宏观裂纹不稳定扩展。n断裂方式：断裂方式：单个组分断裂或组分间界面分离（如层合单个组分断裂或组分间界面分离（如层合板）。板）。树脂基层合板的损伤形式树脂基层合板的损伤形式 n基体强度比纤维低两个数量级，层间薄弱，易基体强度比纤维低两个数量级，层间薄弱，易形形成层间分离成层间分离，是其主要损伤形式。，是其主要损伤形式。n分层后，板强度和刚度明显下降。分层后

14、，板强度和刚度明显下降。 n分层主要因素：制造缺陷引起的层间粘结不好和分层主要因素：制造缺陷引起的层间粘结不好和层间应力集中或冲击载荷引起的层间分离。层间应力集中或冲击载荷引起的层间分离。复合材料的疲劳复合材料的疲劳 n交变载荷，损伤包括基体开裂、界面脱胶、交变载荷，损伤包括基体开裂、界面脱胶、分层和少量纤维断裂等多种形式。分层和少量纤维断裂等多种形式。 n损伤缺乏规律性，聚合物基体有高阻尼，损伤缺乏规律性，聚合物基体有高阻尼，疲劳裂纹无明显快速扩展。疲劳裂纹无明显快速扩展。n虽有缺陷，但疲劳寿命比金属高。虽有缺陷，但疲劳寿命比金属高。 疲劳破坏机理疲劳破坏机理-长纤维增强长纤维增强界面粘结过

15、强界面粘结过强 界面粘结过弱界面粘结过弱 界面粘结中等界面粘结中等纤维加载受力，纤维加载受力，但受纤维应变的但受纤维应变的限制，总应力和限制，总应力和应变不高，裂纹应变不高，裂纹扩展慢，疲劳强扩展慢，疲劳强度高。度高。1. 纤维断裂拔纤维断裂拔出，裂纹张开出，裂纹张开2. 纤维脱粘纤维脱粘3. 基体开裂基体开裂几种破坏模式示意图几种破坏模式示意图短纤维增强短纤维增强-差别大差别大n短：纤维加载受力，但含量少，分布既不短：纤维加载受力，但含量少，分布既不均匀也不规则，基体和界面应力状态相当均匀也不规则，基体和界面应力状态相当复杂，局部应力或应变高，疲劳强度低。复杂，局部应力或应变高，疲劳强度低。n疲劳破坏主要机理：基体开裂、界面脱胶、疲劳破坏主要机理：基体开裂、界面脱胶、分层和纤维断裂。分层和纤维断裂。 复合材料的疲劳特性复合材料的疲劳特性