材料力学性能 第十一章 复合材料的力学性能 材料力学性能 讲义 课件

《材料力学性能 第十一章 复合材料的力学性能 材料力学性能 讲义 课件 》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、材料力学性能9/14/20211安徽工业大学材料科学与工程学院第十一章复合材料的力学性能9/14/20212安徽工业大学材料科学与工程学院20世纪60年代以来，航天、航空、电子、汽车等高技术领域的迅速发展，对材料性能的要求日益提高，单一的金属、陶瓷、高分子材料已难以满足迅速增长的性能要求。为了克服单一材料性能上的局限性，人们越来越多的根据构件的性能要求和工况条件，选择两种或两种以上化学、物理性质不同的材料，按一定的方式、比例、分布组合成复合材料，使其具有单一材料所无法达到的特殊性能或综合性能。复合材料性能的基本特点是各向异性、可设

2、计性，这些特性以及所引起的特殊力学性能与均质各向同性材料是不同的。因此，需要学习了解有关复合材料的理论、力学行为的基本特征。9/14/20213安徽工业大学材料科学与工程学院第一节复合材料的定义和性能特点一、复合材料的定义与分类定义：由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合成的新型材料。其组分材料虽然保持相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单叠加。9/14/20214安徽工业大学材料科学与工程学院基体：复合材料中的连续相，主要构成相增强体：分布于基体中的一种或几种不连续相，不连续相的强度、硬度比连续相高。增强体以独立的

3、形态分布于基体中，二者之间存在相界面，增强体可是纤维、颗粒状填料等。本章讨论的是作为结构材料使用的纤维复合材料，指以高性能的碳纤维、陶瓷纤维、芳纶（聚对苯二甲酰对苯二胺）纤维、晶须等为增强体，以金属、陶瓷、聚合物为基体的先进复合材料。9/14/20215安徽工业大学材料科学与工程学院复合材料的分类（1）按增强体分类：连续纤维复合材料非连续纤维复合材料颗粒复合材料层合板复合材料（2）按基体分类：聚合物基复合材料金属基复合材料无机非金属基复合材料（3）按用途分类：结构复合材料功能复合材料9/14/20216安徽工业大学材料科学与工程学

4、院二、复合材料的特点复合材料取决于基体和增强体的特性、含量、分布等。(1)高比强度、比模量9/14/20217安徽工业大学材料科学与工程学院9/14/20218安徽工业大学材料科学与工程学院(2)各向异性纤维增强复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等方面具有明显的各向异性。通过铺层设计的复合材料，可能出现各种形式和不同程度的各向异性。各向异性这一特性使复合材料的力学行为复杂化，但也可以作为一种优点在设计时加以利用。如果采用合理的铺层可在不同的方向分别满足设计要求，能明显减轻重量和更好的发挥结构的性能。(3)抗疲劳性好金属、陶瓷材料

5、的疲劳破坏是没有明显预兆的突发性破坏，而纤维复合材料中纤维和基体的界面能阻止裂纹扩展，所以纤维复合材料疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前没有明显预兆。9/14/20219安徽工业大学材料科学与工程学院构件的自身频率除了与本身结构有关外，还与材料比模量的平方成正比。纤维复合材料的比模量大，因而它的自振频率很高，在加载速率下不容易出现因共振而快速断裂的现象。同时复合材料中存在大量纤维，与基体的界面，由于界面对振动有反射和吸收作用，所以复合材料的振动阻尼强，即使激起振动也会很快衰减。(4)减振性能好通过改变纤维

6、、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排布方式等可满足复合材料结构和性能的设计要求。复合材料的高比强度、高模量的特点，是由于这种材料受力时高强度、高模量的增强纤维承受了大部分载荷，基体只是作为传递和分散载荷给纤维的媒介引起的。(5)可设计性强9/14/202110安徽工业大学材料科学与工程学院9/14/202111安徽工业大学材料科学与工程学院第二节单向复合材料的力学性能连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，称为单向连续纤维增强复合材料。9/14/202112安徽工业大学材料科学与工程学院单向复合材料的强度和钢度都随方向而改变

7、，有五个特征强度：（1）纵向抗拉强度、（2）纵向抗压强度、（3）横向抗拉强度、（4）横向抗压强度、（5）面内抗剪强度。有四个特征弹性常数：（1）纵向弹性模量、（2）横向弹性模量、（3）主泊松比、（4）切变模量。9/14/202113安徽工业大学材料科学与工程学院一、单向复合材料的弹性性能（一）纵向弹性模量在计算单向复合材料的纵向弹性模量时，将复合材料看成是两种弹性体并联，并简化成有一定规则形状和分布的模型。假设：纤维连续、均匀、平行排列于基体中，纤维与基体粘接牢固，且纤维、基体和复合材料有相同的拉伸应变，基体将拉伸力F通过界面完全

8、传递给纤维。9/14/202114安徽工业大学材料科学与工程学院9/14/202115安徽工业大学材料科学与工程学院9/14/202116安徽工业大学材料科学与工程学院实际上，由于纤维有屈曲、排列不整齐、界面结合强度小等原因，使实验值与计算值有一定