复合材料的力学性能.ppt

1、1,第十一章 复合材料的力学性能,11.1 复合材料概论 11.2 单向复合材料的力学性能 11.3 短纤维复合材料的力学性能 11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳,2,11.1 复合材料概论,一、定义和分类1、定义由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合 形成的新型材料。2、分类按基体分：金属基复合材料；无机非金属复合材 料；聚合物复合材料。按增强体分：连续纤维复合材料；短纤维复合材 料；颗粒复合材料；层合板复合材料。按用途分：结构复合材料；功能复合材料。,3,二、材料复合的物理冶金基础 1、界面与界面反应 界面上反应热力学与动力学： 相应温度下反应的可能性；反应常数；反应速度常数。 固溶

2、与化合反应： 原子扩散，形成浓度不同的固溶体；新化合物。 过渡层的出现： 2、强化理论 第二相强化、弥散强化；形变带强化。 断裂及其机理： 裂纹的萌生及扩展；断裂。 聚合强度的作用。,4,三、复合材料的性能特点 1、高比强度、比弹性模量； 2、各向异性； 3、抗疲劳性能好； 4、减振性能好； 5、可设计性强。,5,四、结构设计原理 1、层次结构 一次结构（单层），不产生新相； 二次结构（铺层）有新相产生；能较好地过渡； 三次结构（多层）形成多个铺层。 2、连续纤维与非连续纤维增强 连续纤维增强 方向性明显，性能受纤维的粗细、数量、排列的影响。 非连续纤维增强 纤维的长度与直径之比L/d，提高剪

3、切强度。 返回,6,11.2 单向复合材料的力学性能,一、单向复合材料及其结构模型 1、定义 连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，叫做单向连续纤维增强复合材料。 2、结构模型（图） 并联模型 纤维与基体有相同的应变 串联模型 纤维与基体有相同的应力。,7,3、力学性能特征值 五个特征强度值 纵向抗拉强度，横向抗拉强度，纵向抗压强度，横向抗压强度，面内抗剪强度。 四个特征弹性常数 纵向弹性模量，横向弹性模量，主泊松比，切变模量。 复合材料的强度和弹性模量由复合材料的组分、材料的特性、增强体的取向、体积分数决 定。,8,二、弹性性能 1、纵向弹性模量（并联）（加权和 ）Ecl1=KEfVf+

4、Em(1-Vf) K工程修正值 Vf纤维的体积分数 2、横向弹性模量 （串联）基于： LcT=LfT+LmT 应力相同,9,3、切变模量 （1）等应力模型，等应变模型（图11-7） （与拉伸时的模型的定义正相反） （2）模量的推导以扭距MC为基础。,10,4、泊松比 纵向泊松比 （式11-28） 横向泊松比 （式11-34）,11,三、强度 1、拉伸强度 （1）曲线（图11-11） （2）拉伸变形的四个阶段（图11-9) a）纤维和基体都是弹性变形； b）纤维弹性变形，基体非弹性 变形； c）纤维与基体均为非弹性变形 （仅韧性纤维存在第三阶段） d）纤维断裂，随之复合材料断 裂。,12,（3）

5、各阶段的强度 I: CL=EffVf+Em(1-Vf) （式11-36） 纤维体积Vf，在一定范围内，Vf，CL，过多浸润 不好，反而。 II：CL()= f ()Vf+m()Vm m *基体应变等于纤维断裂应变时的基体应力。 纤维增强作用，仅在复合材料的强度超过基体强度 时才有效。 可以推导出临界纤维体积，Vfcr （式11-41） 当VfVfmin时 复合材料的抗拉强度CLu=mu(1-Vf),13,2、抗压强度 基体在纵向压缩中起重要作用。 基体给予纤维侧向支持，使纤维不屈曲。 拉压型和剪切型失稳模型中，纵向抗压强度分别为 式11-44和式11-45 “纤维的微弯曲和基体剪切失稳是复合材

6、料纵向压缩的两个主要破坏机理”。 返回,14,11.3 短纤维复合材料的力学性能,该材料的应用广泛。 力学性能比连续纤维的更为复杂。纤维末端的应力传递作用不能忽略 一、基体与纤维间的应力传递 拉伸状态 纤维的临界长度Lcr（中部的拉伸应力最大） 平均应力约为最大应力的95%。,15,二、弹性模量 弹性模量计算公式(式11-61）（式11-62）（式11-63） 三、强度 按混合定律计算。 用纤维的平均应力代替（11-39）中的纤维抗拉强度。 返回,16,11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳,一、断裂 1、损伤累积机理 裂纹萌生：缺陷处 扩展： 2、非累积损伤机理 接力破坏 脆性粘接断裂机理 最薄弱环节破坏机理 3、复合材料的破坏形式 纤维断裂 基体变形和开裂 纤维脱胶 纤维拨出 分层裂纹,17,二、冲击性能 1、冲击性能特点 ，冲击性能 高模量碳纤维复合材料，对变化不敏感。 高弹性模量比低弹性模量的冲击韧性差。 冲击断裂是各类损伤的累积或非累积破坏。 2、影响冲击性能的因素 自身属性，力学性能。 纤维方向；铺层结构。 界面的聚合强度。,18,三、疲劳性能