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1、材料的力学性能材料与化工学院第十一章复合材料的力学性能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
2、要学习了解有关复合材料的理论、力学行为的基本特征。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。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。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(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
3、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。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
4、。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、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)可设计性强第二节单向复合材料的力学性能连续纤维
5、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。单向复合材料的强度和钢度都随方向而改变,有五个特征强度:(1)纵向抗拉强度、(2)纵向抗拉强度、(3)横向抗拉强度、(4)横向抗拉强度、(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。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
6、、基体和复合材料有相同的拉伸应变,基体将拉伸力F通过界面完全传递给纤维。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差异,所以工程上常加一个修正系数K,则有:(二)横向弹性模量计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种:I型:纤维含量少,纤维与基体的串联模型,此时纤维与基体具有相同的应力,即:II型:纤维含量高,纤维呈束状分布于基体中,必然与基体紧密接触,其间有基体材料,但很薄,可以认为这部分变形与基体一致,纤维与基体有相同的应变,即为并联模型:根据串联模型,复合材料的横向伸长等于纤
7、维和基体的横向伸长之和:根据假设,有:同理,并联模型的纵向弹性模量的模型相同,所以:是纤维全部分散、互不接触,独立时的横向弹性模量,是模向弹性模量的最小值;是纤维全部接触、连通时的横向弹性模量,是横向弹性模量的最小值。(三)切变模量模型I:纤维与基体轴向并联模型,在扭矩作用下,圆筒受纯剪切应力,纤维与基体切应力相同,但因切变模量不同,切应变不同,所以为等应力模型。模型II:纤维与基体轴向并联模型,即纤维被基体包围,在扭矩作用下纤维与基体产生相同切应变,但切应力不同,所以为等应变模型。根据纤维与基体轴向串联模型所得到的切变
8、模量:根据纤维与基体轴向并联模型所得到的切变模量:(四)泊松比单向复合材料的正交各向异性,决定了材料在纵、横两个方向呈现的泊松效应不同,所以有两个泊松比。纵向泊松比:当单向复合材料沿纤维方向受到拉伸时,在横向产生收缩,其横向应变与纵向应变之比为纵向泊松比,即:横向泊松比:当沿垂直于纤维方向弹性拉伸时,其纵向应变与横向
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