第5章复合材料力学性能

Review第4章纤维复合材料及其制造方法 4.1聚合物基复合材料

4.2碳基复合材料

4.3混杂纤维复合材料

4.4其他复合材料当前1页，总共36页。

Content第5章复合材料力学性能 5.1概述

5.2各向异性弹性材料力学基础

5.3单层板的弹性特性

5.4单层板的强度理论

5.5复合材料的力学性能试验

5.6单向复合材料各组分的强度准则

5.7复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论

5.8纤维复合材料的疲劳行为 5.9单向复合材料的破坏模式当前2页，总共36页。5.1概述※复合材料力学性能的特点

复合材料的力学性能很大程度取决于

增强纤维的性能、含量及排列方式

按纤维的排列方式，从力学角度，复合材料分为

单向（纤维增强）复合材料 双向（正交纤维增强）复合材料 多向（纤维增强）复合材料 三向正交（纤维增强）复合材料

乱短纤维增强复合材料当前3页，总共36页。当前4页，总共36页。※复合材料力学分类复合材料力学复合材料的材料力学复合材料的结构力学-----宏观力学叠层理论-----粗观力学细观力学当前5页，总共36页。a)细观力学

研究单向（或单层）复合材料的平均物理性能与各相材料的物理性能和相几何之间的关系，以及研究复合材料非均匀介质各相内部的真实应力与应变场分布。阐明复合材料性能的机理，并作为复合材料设计的理论基础b)复合材料的结构力学

研究对象是用复合材料组成的各种结构件当前6页，总共36页。5.2各向异性弹性材料力学基础应力----应变关系确定着

材料的刚度、强度、变形及失效等性能与状态 ☆应力

应力分量和平衡微分方程 应力变换 幂函数形式变换公式 倍角函数形式变换公式 应力转轴公式当前7页，总共36页。 ☆应变：弹性体变形的度量

应变变换 应力-应变关系 弹性应变能 ☆特殊材料的虎克定律 当前8页，总共36页。5.3单层板的弹性特性当前9页，总共36页。☆单层板的主方向的弹性特性☆单层板非弹性方向的弹性特性应力和应变的转轴公式非弹性主方向的应力应变关系当前10页，总共36页。5.4单层板的强度理论最大应力理论最大应变理论蔡---希尔强度理论蔡---吴应力张量多项式理论当前11页，总共36页。5.5复合材料的力学性能试验※拉伸试验当前12页，总共36页。当前13页，总共36页。※压缩试验当前14页，总共36页。※剪切试验层间剪切试验当前15页，总共36页。※弯曲试验当前16页，总共36页。5.6单向复合材料各组分的强度准则当前17页，总共36页。

聚合物基体的强度当前18页，总共36页。

纤维强度依赖于纤维表面裂纹的情况

基体的存在使单根纤维断裂的影响有限当前19页，总共36页。

粘结强度界面强度作用机理

吸附和浸润当前20页，总共36页。 相互扩散

静电吸引 当前21页，总共36页。化学键结合玻璃纤维碳纤维当前22页，总共36页。 机械粘着当前23页，总共36页。5.7复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论

最大主应力理论 最大主应变理论 最大剪应力理论 最大总应变比能理论 最大剪切应变比能（畸变能）理论 双剪应力理论 库伦理论 摩尔理论理论选用原则材料的性质（塑性还是脆性）受力情况（位于应力坐标平面中的哪一个象限）当前24页，总共36页。5.8纤维复合材料的疲劳行为研究的意义 根据要求的疲劳性能选择材料 评估结构的疲劳损伤 按要求的疲劳寿命保证结构的安全可靠性疲劳的定义 在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为，论述了材料经受周期应力和应变时的失效过程。当前25页，总共36页。※复合材料的疲劳损伤1）在疲劳过程中，尽管初始损伤尺寸比金属材料大，但疲劳寿命比金属长；2）疲劳损伤是累积的，在破坏前，损伤已有了较大的发展，有明显的征兆，而金属材料的破坏又很大的突发性；3）在高应力出现较大范围的损伤，表现出非常复杂的疲劳破坏行为，很少出现金属材料的单一裂纹控制的破坏机理。当前26页，总共36页。当前27页，总共36页。当前28页，总共36页。当前29页，总共36页。※复合材料的疲劳性能及其影响因素研究方法 测定在不同受力状态下的应力-寿命（S-N）曲线特点：复合材料没有明确的疲劳极限 复合材料的疲劳寿命与疲劳极限又很大的分散性

碳纤维强度分散度：10%

玻璃纤维强度分散度：15%

环氧树脂强度分散度：10%

疲劳试验的试件最少10-15个当前30页，总共36页。 平均应力和循环应力比 加载频率 缺口 组成与铺层方式

环境温度和湿度影响疲劳寿命的因素当前31页，总共36页。※疲劳寿命的预测疲劳寿命预测的理论模型 疲劳裂纹扩散速率 基体材料及短纤维增强复合材料

累积损伤理论 连续纤维增强复合材料 剩余强度理论当前32页，总共36页。5.9单向复合材料的破坏模式单向复合材料的破坏模式影响因素 纤维和基体的种类 材料内部各种缺陷及损伤

材料局部的微小缺陷 制造缺陷：气泡、空隙、贫或富胶、夹杂物、不正确的纤维取向 使用损伤：划伤、擦伤、边缘损伤、冲击引起的分层、脱胶 环境损伤：湿膨胀、热冲击造成的分层和脱胶、表面氧化当前33页，总共36页。☆纵向拉伸破坏至少三种破坏模式：

脆性断裂