复合材料的力学性能

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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。固溶与

2、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，提高剪切强度。返回6§11

3、.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）①并联模型纤维与基体有相同的应变②串联模型纤维与基体有相同的应力。73、力学性能特征值①五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。②四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。③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）Ecl·1=K[EfVf+Em(1-Vf)]K—

4、—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93、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。104、泊松比υ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）σ～ε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）各阶段的强度I:σCL=EfεfV

5、f+Em(1-Vf)（式11-36）纤维体积Vf，在一定范围内，Vf↑，σCL↑，过多浸润不好，反而↓。II：σCL(ε)=σf(ε)Vf+σm(ε)Vmσm*—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Vf

6、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①接力破坏②脆性粘接断裂机理③最薄弱环节破坏机理3、复合材

7、料的破坏形式①纤维断裂②基体变形和开裂③纤维脱胶④纤维拨出⑤分层裂纹17二、冲击性能1、冲击性能特点①υ↑，冲击性能↑高模量碳纤维复合材料，对υ变化不敏感。②高弹性模量比低弹性模量的冲击韧性差。③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①自身属性，力学性能。②纤维方向；铺层结构。③界面的聚合强度。18三、疲劳性能1、疲劳性能特点疲劳性能好。复杂的疲劳破坏行为。损伤可被牵制。2、影响因素组分材料的性能（基体，增强纤维影响）；增强纤维的体积分数（纤维含量）；界