复合材料力学性能

1、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

2、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,ttg,（2）力学特征：形变量小(0.01 1%)，模量高(109 1010 pa)。 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

3、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

4、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

5、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： ttg 时高聚物处于高弹态（弹性体） ttg 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

6、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,d l,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-strain curve,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

7、分子材料的力学性能,a,y,b,yielding point 屈服点,point of elastic limit 弹性极限点,breaking point 断裂点,strain softening 应变软化,plastic deformation塑性形变,strain hardening 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

8、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 （young modulus）,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

9、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=e11 m=em 1m f= ef1f 外加应力作用在由纤维横截面积af和基体横

10、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 1a= 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/a vm=am/a vf+vm=1 则代入1a= 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=1105mpa 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

11、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5060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 vf e2 em/ vm,e1 ef vf,e2 em/ vm

12、,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0.50.6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

13、，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 = ef1 vf+ em1(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 = fvf+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efem，基体只承受小部分载荷，载荷增加至纤维断裂， 则：1= f vf,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