单向复合材料的静态力学性能

第十章单向复合材料的静态力学性能2010.9§10.1单向复合材料的对称性和基本性能指标一、单向复合材料的对称性用纤维复合材料制造的层合板或构件大都由许多性质不同的单向铺层构成。通常每个铺层是用相同组分的材料制成的，但是一个铺层与另一个铺层可以在以下几个方面不相同：①组分相对体积；②增强材料形式，如长的或短的纤维、编织的或未编织的增强材料；③纤维的取向。§10.1单向复合材料的对称性和基本性能指标

此外，在混杂复合材料中，各个铺层中的组分材料还可不同。因此，单一铺层的复合材料代表了层合板结构的一个基本结构单元，称之为单向复合材料。典型的单向复合材料铺层示意图它是由平行的纤维嵌入基体中构成。将几层单向铺层，按照规定的方向和顺序铺叠起来，即可制造成复合材料层合板。单向铺层呈现正交各向异性，并有3个对称平面。参见上图，三个对称平面与坐标x、y、z相符合。平行于纤维的方向称为纵向（x轴），垂直于纤维的方向称为横向（y向或z向）。通常，在纵向上铺层有最强的性能，而在其它两个横向方向上，材料性能近似相等。因此，铺层可被看作是横向各向同性。也就是说，在y-z平面内，材料各向同性。实际的单向铺层在铺层厚度范围内，常常有数根纤维穿过铺层，而且纤维在整个截面内随机分布，有时甚至在一些部位可能彼此接触。只有直径很大的纤维（如硼纤维）才可能在铺层厚度范围内仅能容许一根穿过。增强体增强体铺层横截面示意图对于各向异性的单向复合材料，强度和刚度都将随方向而改变。单向复合材料有五个特征强度值，即：纵向拉伸强度横向拉伸强度纵向压缩强度横向压缩强度面内剪切强度还有四个特征弹性常数，即：纵向弹性模量、横向弹性模量、主泊松比面内切变模量。实验结果表明，这些特征强度和弹性常数是彼此独立的。因此，单向复合材料有9个基本性能数据（单轴加载）。二、单向复合材料基本性能测试单向复合材料的9个独立的基本性能指标是采用标准试验方法测定的。拉伸试验与金属拉伸实验相仿，单向复合材料的拉伸试验要在纵向和横向两个方向分别进行。拉伸试验与金属拉伸实验相仿，单向复合材料的拉伸试验要在纵向和横向两个方向分别进行。

单向复合材料层板纵向受作用力x，由于泊松效应引起双轴应变，在线弹性条件下，有：式中：EL

—纵向弹性模量；—为纵向泊松比，称为主泊松比。单向复合材料横向作用单轴拉应力，也引起双轴应变：式中：

——横向弹性模量；——为横向泊松比，称为次泊松比。

横向刚度与纵向刚度的比较由前述对纵向刚度和横向刚度的模型可以分别预测复合材料的纵向刚度EL和横向刚度ET。纤维在提高复合材料横向模量方面的作用远远小于纵向。从理论上看，只有纤维的含量提高到90％以上，才能使横向模量提高到与纵向模量相当的水平，而这样高的纤维含量实际上是不可能的。因此，除纤维分数很高情况，实际纤维对提高横向模量贡献不大。10.3复合材料的失效模式和强度对于复合材料，材料内部的损伤通常远远早于能观察到宏观外貌或特性的变化。复合材料内部损伤的主要形式有：1.纤维断裂2.基体微观断裂3.纤维与基体分离（脱胶）4.在层合复合材料中铺层彼此分离（分层）这些损伤形式可能单独地发生