復(fù)合材料力學(xué)性能要點(diǎn)

1、用強(qiáng)四用莪章復(fù)合材料力學(xué)性能湖北工業(yè)大學(xué)化環(huán)學(xué)院第8章復(fù)合材料力學(xué)性能8.1 引言8.2 單向纖維復(fù)合材料拉伸性能8.1引言A材料的力學(xué)性能是材料最基本的使用性能。A隨著科技的進(jìn)步，對(duì)材料的性能，包括力學(xué)性能均提出 愈來愈高的要求：第一種 人工合成樹脂酚醛樹脂工程樹脂復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度：1.2GPa,模量：50GPa拉伸強(qiáng)度：4070MPa,模量：24GPa3;幽一必"ig#三老嫂r8.1.1 復(fù)合材料的力學(xué)分類復(fù)合材料的力學(xué)性能很大程度上取決于增強(qiáng)纖維的品 種、性能、含量及排列方式，其中增強(qiáng)纖維的排列方式 不同，使復(fù)合材料的力學(xué)性能各向異性有較大差異。A按纖維的排列方式的不同，從力學(xué)

2、性能可將復(fù)合材料 分為以下5類：口單向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料雙向（正交纖維）復(fù)合材料口多向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料 口三向（正交纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料 口短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（1）單向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料。特點(diǎn)：以連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料，且所有纖維都平行排列在同一 方向；口單向纖維復(fù)合材料在工程上也叫單（向）板，常記作0；口纖維排列緊密，纖維體積分?jǐn)?shù)可達(dá)6075%;沿纖維方向具有較高的強(qiáng)度，與纖維成任意夾角方向的 強(qiáng)度明顯下降5吆怒f|,單向纖維復(fù)合材料在直角坐標(biāo)系中方向規(guī)定： 縱向:平行于纖維的方向，、L向、0°向；圖8-1史合材料的直角坐標(biāo)系 橫向：垂直于纖維方向，T向、90°向；口a

3、向:在L-T平面內(nèi)，與縱 向成a夾角方向； 層向：垂直于LT平面的 方向稱為層向，N向、法向、L向。6（2）雙向（正交纖維）復(fù)合材料。特點(diǎn)：以正交編織物（布）或單向板為增強(qiáng)材料，交替正交90°排列；口雙向（正交纖維）復(fù)合材料在工程上也叫正交板，常記 作0/90;口材料在纖維正交兩個(gè)方向具有較高的強(qiáng)度和模量，在L T平面其他方向的強(qiáng)度明顯下降，在垂直于正交方向的層 向，強(qiáng)度最差。7 3i:七應(yīng)（3）多向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料。特點(diǎn)：在LT平面內(nèi)，除了有0。和90。向的增強(qiáng)纖維， 其他方向如土 a方向還有排布的纖維；該復(fù)合材料在工程上也叫組合板，常記作0/90/ ±8;口材料在L

4、T平面的各個(gè)方向的強(qiáng)度和模量差別小， 接近面內(nèi)各向同性，在層向無纖維排布，強(qiáng)度最 差。I7(4)三向(正交纖維增強(qiáng))復(fù)合材料Q特點(diǎn)： 由沿三個(gè)正交方向的纖維編織物作增強(qiáng)材料； 該材料因?qū)酉蚓幙椨欣w維，克服了單向、正交、多 向復(fù)合材料在層向方向強(qiáng)度差、模量低的缺陷.(5)短纖維(增強(qiáng))復(fù)合材料 用短切纖維作增強(qiáng)材料； 隨短纖維分布情況不同有單向纖維復(fù)合材料、平面 隨機(jī)分布短纖維和空間隨機(jī)分布短纖維復(fù)合材料。9 0 3左逅8.1.2復(fù)合材料的力學(xué)性能»在工藝條件正確、外界因素相同條件下，復(fù)合材料的 力學(xué)性能主要取決于以下三方面：基體樹脂的 性能與含量(1)復(fù)合材料主要原料的力學(xué)性能。增強(qiáng)

5、纖維»纖維主要起到承受載荷的作用，加入纖維后材料的強(qiáng) 度得到明顯提高，即“增強(qiáng)”;A注意：?jiǎn)渭兝w維不能當(dāng)“梁”使用，只有在與基體有 效結(jié)合稱為整體后才可以。A所以，在復(fù)合材料中纖維是主要承載材料，而基體起 到支撐纖維、傳遞載荷、并與纖維共同承載的作用。玻璃纖維的力學(xué)樣性A玻璃纖維具有脆性材料的特性，在拉斷前沒有明顯的 塑性階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系符合虎克彈性定律；AGF主要起到承載作用，但無論是單純的GF還是編織 物中的GF,沿纖維軸向的力學(xué)性能與其它方向的力學(xué) 性能不一樣，具有各向異性。A玻璃纖維強(qiáng)度較高，但模量較低；»GF強(qiáng)度受內(nèi)部危險(xiǎn)缺陷控制，強(qiáng)度具有尺寸效應(yīng)， 單絲直徑

6、增加，纖維強(qiáng)度下降。AGF力學(xué)性能指標(biāo)：一般無堿GF設(shè)計(jì)強(qiáng)度：1GPa;模量：70GPa;高模量GF模量：100GPa纖維的力學(xué)特性A與GF一樣，CF也具有脆性材料的特性，在拉斷前沒有 明顯的塑性階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系符合虎克彈性定律； A缺陷：脆性比GF大，與樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度比GF差； A CF的拉伸強(qiáng)度和模量均較高，并隨碳化溫度不同，可 獲得不同強(qiáng)度和模量的CF。I型CF （高模型）：強(qiáng)度為2GPa；模量為390420GPa 斷裂伸長(zhǎng)率為n型cf（高強(qiáng)型）:強(qiáng)度3GPa;模量為 230270GPa;斷裂伸長(zhǎng)率為0.51%聯(lián)碳化合物公司P140型CF:模量高達(dá)966GPa東麗公司T1000型

7、CF： 強(qiáng)度達(dá)j7.05GPa； 模量為295GPa;13I#芳綸的力學(xué)轉(zhuǎn)性以Kevlar-49為代表的芳綸是一種高模量有機(jī)纖維；» 密度?。?.44g/cm3, GF為2.54g/cm3, T300為1.76g/cm3）;»強(qiáng)度高，拉伸強(qiáng)度為3.62GPa;模量高于GF,為125GPa；A韌性好，斷裂伸長(zhǎng)率為2.5%;缺點(diǎn)：表面惰性大，與樹脂界面粘結(jié)性能差，抗壓、抗 扭曲性能差。基體材料基體材料選擇三原則：第一，基體材料本身力學(xué)性能較好，如有較高的內(nèi)聚強(qiáng) 度、彈性模量；與增強(qiáng)纖維有相適應(yīng)的斷裂伸長(zhǎng)率；第二，對(duì)增強(qiáng)材料有較好的潤濕能力和粘結(jié)力，保證良 好的界面粘結(jié)；第三，工

8、藝性優(yōu)良，成型和固化方法與條件簡(jiǎn)單，固化 收縮率低。另外還要考慮原料來源方便、成本低， 使用過程毒性小的要求?；w材料對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響：復(fù)合材料中基體的合理含量口基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)比增強(qiáng)材料低，基體的含量對(duì)復(fù) 合材料的力學(xué)性能影響較大，口基體材料的理論含量：纖維是緊密堆砌的，基體僅填 充于纖維的間隙中。理論含量反應(yīng)復(fù)合材料中基體的最 小含量。如單向玻璃鋼是5%, 1:1平紋玻赭布制成的正 交復(fù)合材料是12%。基體材料的實(shí)際工藝含量：如單向玻璃鋼是1030%, 1:1平紋玻璃布制成的正交復(fù)合材料是2550%。8.2單向纖維復(fù)合材料拉伸性能單向纖維復(fù)合材料是連續(xù)增強(qiáng)纖維沿同一方向排列 的復(fù)

9、合材料。按加載方向不同，單向復(fù)合材料的拉伸性能可分為:口沿纖維方向（縱向、L向）拉伸口垂直纖維方向（橫向、T向）拉伸|7SB免泄空IkLdf頁廂就頊8.2.1 縱向拉伸性能（1 ）縱向拉伸應(yīng)力。入拉伸模量反單向纖維復(fù)合材料縱向拉伸加載示意圖和單向板縱向拉伸M8-4單向行雄攵合材料的W向拉 伸加較示毒圖圖8 5隼底板縱向拉伸籍化力學(xué)校Pf、兒分別為纖維（fibre）和基體（matrix）承受的載荷頁方就寫當(dāng)用應(yīng)力表示Pl = Pf + Pm外 4= Of 4+ "An0V /、Cm作用在復(fù)合材料、纖維和基體上的應(yīng)力 Al、A、Am 復(fù)合材料、纖維和基體的橫截面積對(duì)于平行排列的纖維增強(qiáng)復(fù)

10、合材料，各組分所占體積 分?jǐn)?shù)能按橫截面積寫出：Vf = AlVm = Al19crL=Kn將上式對(duì)應(yīng)變求導(dǎo)，得de?+ VmdaL do八 7=V/ dsL dsf21d o /d £代表相應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線 在給定應(yīng)變點(diǎn)的斜率，如果材料應(yīng) 力-應(yīng)變曲線是直線，則斜率為常數(shù), 即為材料的模量。23如果纖維與基體及其復(fù)合材料呈彈性形變，則有:°L= / 嶺十 Vm紇=4匕+4/25混合定律：纖維和基體對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能所做的貢獻(xiàn) 是與它們的體積分?jǐn)?shù)成正比例的.若空隙率Vv=0,則Vf+Vm=1紇= 4%+/（1匕）fa）基體應(yīng)力應(yīng)交曲線是直線纖維材料中纖維 和基體的應(yīng) 力與應(yīng)

11、變曲 線均為直線科行推豆仆材料%體lb）基體應(yīng)力-應(yīng)變曲線是非代線根據(jù)混合定律得到的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)十分相符。材料中纖 維和基體 的應(yīng)力與 應(yīng)變曲線 分別為直 線和非直 線圖8-6假怛復(fù)合材料的縱向應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線都處于纖維和基體的應(yīng)力應(yīng)變曲線 之間；A該曲線的形狀和位置取決于纖維和基體的曲線形狀和各自相對(duì)體 積分?jǐn)?shù).(2)應(yīng)力應(yīng)變特性、縱向拉伸強(qiáng)度淳以。應(yīng)力應(yīng)變特性混合定律能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)承受縱向拉伸載荷的單向復(fù)合材 料的應(yīng)力應(yīng)變特性：/匕+ Cm Vm 估算復(fù)合材料的應(yīng)力紇=匕+/4 T估算復(fù)合材料的模量前提條件：復(fù)合材料的兩種組分都呈彈性形變.25一般一種復(fù)合材料的變形可

12、以分為四個(gè)階段進(jìn)行:纖維與 基體變 形均是 彈性的纖維保持彈性變形,基體變形是非彈性的纖維與基體變形均是非彈性的斷繼合斷 維，復(fù)料裂 纖裂而材#若纖維是脆性的，則觀察不到第三階段脆性與韌性纖維與典型韌性基體構(gòu)成復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變行為:*«»«!亮件軒雉卡 /"X同性奸雄O 屈服點(diǎn)(個(gè)L奸雄x 斷火:我介材料(9,50”) *N 男介忖仲,25%)艇體應(yīng)變復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線處 于纖維和基體應(yīng)力應(yīng)變曲線之間；口脆性纖維復(fù)合材料通常在應(yīng) 變達(dá)到纖維的斷裂應(yīng)變時(shí)斷裂;口但當(dāng)纖維在基體內(nèi)部能產(chǎn)生 塑性形變，則復(fù)合材料的斷裂圖8 9 韌性和脆性纖維與典型韌性基體構(gòu)

13、成的流體力學(xué)型復(fù)合材料應(yīng)力 應(yīng)變曲線應(yīng)變可能大于纖維單獨(dú)實(shí)驗(yàn)的 斷裂應(yīng)變.27#0縱向拉伸強(qiáng)度復(fù)合材料的強(qiáng)度5.u按混合定律估算，但與基體的斷 裂延伸率小大小有關(guān)；估算時(shí)要考慮纖維與基體哪個(gè)先破壞的問題，即3 與£mu的相對(duì)大小不同，估算公式有差異。費(fèi)加快頊分幾種情況討論:5u=£mu （最簡(jiǎn)單的理想情況，基體和纖維都是腦性材料）纖維、基體、復(fù)合材料三者同時(shí)斷裂，應(yīng)力用強(qiáng)度代替:= EfVf + Eni(l-Vf)材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線 纖維和星體都是蜒性材料“9 a基體開裂前的應(yīng)力:aL = af Vf+am(l-Vf)29嬴石將基體和纖維都是脆性材料，且 > 口復(fù)合材

14、料拉伸時(shí)，破壞先從基體開裂起,口樹脂開裂時(shí)，在復(fù)合材料的應(yīng) 力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn)；出現(xiàn)拐點(diǎn)，纖維還可以承擔(dān)拉 伸載荷，直到纖維斷裂，復(fù)合材 料才同時(shí)斷裂，£Lu = £fu o國3上紇怒"基體開裂前最大應(yīng)力：01 = %, 匕+ bmu(l匕)=fuEfVf + Em(l-Vf)基體開裂后的纖維斷裂前 復(fù)合材料的應(yīng)力：aL = af 匕最大應(yīng)力：aL = afu 匕圖8 11真性纖維和葦體的復(fù)合材料縱向 拉伸強(qiáng)度a-Rft匕的變化31基體開裂前最大應(yīng)力：聽,=-JEM + £m（l-vf）（1）基體開裂后的最大應(yīng)力：bL=%uVf（2）復(fù)合材料的強(qiáng)度Cl

15、u就由上面兩式?jīng)Q定，5,與Vf的關(guān)系如下圖所示：-、/5A當(dāng)Vf>Vfs，基體開裂后，纖 維可承擔(dān)載荷，直到復(fù)合材料 斷裂，4口="，復(fù)合材料強(qiáng)度 由（2）式估算；保8 II帷性纖雄和柒體的復(fù)合材料雙向 拉伸覆度外ja v,的交化A當(dāng)VfVVJ,基體開裂后，含 量較少的纖維不能承擔(dān)載荷， £lu=£mu，復(fù)合材料強(qiáng)度由（1） 式估算.纖維相對(duì)于基體來說是脆性材料如GF、CF、BF與韌性環(huán)氧或聚酯組成的復(fù)合材料;纖維是脆性破壞，基體是韌性破壞。圖8-門 埴向復(fù)合材料的縱向拉伸強(qiáng)度 為例匕的變化 斜統(tǒng)脆性破壞.聯(lián)體那件破壞纖維斷裂前的應(yīng)力：仆=，匕+。（1匕）#

16、內(nèi)應(yīng)變£圖8-12纖維、基體及其費(fèi):合材料的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 纖維蛇件破壞、某體卑忤破壞33 包 嚏 泡"N至九口|當(dāng)也達(dá)到纖維斷裂應(yīng)變u前瞬間，0l達(dá)到最大值:GL /u 匕 +（m）e fud-Vf）"希 纖維開裂后、基體斷裂前 復(fù)合材料的應(yīng)力：aL = am（ L 匕）最大應(yīng)力：（1匕）(3)影響縱向強(qiáng)度和模量的因素。纖維取向錯(cuò)誤。纖維強(qiáng)度不均勻。不連續(xù)纖維9界面狀況0殘余應(yīng)力9纖維取向錯(cuò)誤A當(dāng)纖維平行于外載荷方向時(shí)，纖維對(duì)復(fù)合材料性能 的貢獻(xiàn)最大；A當(dāng)纖維與施載方向不平行，復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度 都要減少；A強(qiáng)度和剛度減少的程度取決于載荷方向不平行的纖 維數(shù)

17、量及這些纖維與載荷軸的角度。37。纖維強(qiáng)度不均勻A纖維強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度有直接的影響，纖維 強(qiáng)度的任何降低都導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度的降低；A若所有纖維的強(qiáng)度數(shù)值是相等的，則復(fù)合材料具 有高強(qiáng)度；A但GF和SiO2纖維的強(qiáng)度具有相當(dāng)大的分散性。37643 ?！盢篇上咨IQ不連續(xù)纖維A不連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，端部效應(yīng)明顯，其性 能很大程度被降低了 ；A不連續(xù)纖維還容易在端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，在很小 的外載荷作用下，纖維末端就與基體分離，產(chǎn)生裂 紋；A界面剪切作用使裂紋沿纖維長(zhǎng)度擴(kuò)散，從而使纖 維與基體分離。#0界面狀況A界面承擔(dān)著從基體到纖維的載荷傳遞，因而復(fù)合 材料強(qiáng)度受界面狀況的影響，特別是當(dāng)纖維在復(fù)

18、合 材料最終破壞之前斷裂時(shí)，載荷經(jīng)界面?zhèn)鬟f的機(jī)理 更為重要；A界面狀況控制著纖維端部微裂紋，當(dāng)纖維與基體 間存在強(qiáng)的粘結(jié)時(shí)，裂紋不沿纖維長(zhǎng)度擴(kuò)展，纖維 強(qiáng)度繼續(xù)保持；改善黏附性通常還能提高聚合物復(fù)合材料的耐水 性。0殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力直接影響基體的性質(zhì)和復(fù)合材料層合板 的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)；A應(yīng)力產(chǎn)生原因：組分的熱膨脹系數(shù)不同、制造溫 度和使用溫度不同。(4)單向板縱向拉伸的三種破壞模式:基體斷裂界面脫粘纖維斷裂41/界面脫粘纖維斷裂(C)8.2.2橫向拉伸性能A對(duì)于單向纖維復(fù)合材料的縱向拉伸性能主要與纖維及 其含量有關(guān)；A而單向纖維復(fù)合材料的橫向拉伸性能與基體或界面性 能有關(guān)，是單向板最為薄弱的環(huán)節(jié)

19、；A橫向拉伸性能較低，是復(fù)合材料的一個(gè)基本受力狀態(tài)。橫向拉伸模量。橫向拉伸強(qiáng)度#。橫向拉伸模量（EQA復(fù)合材料橫向拉伸模量（EQ與El一樣，隨纖維體 積分?jǐn)?shù)（Vf）和模量（Ef）的增加而增大；A但El隨Vf增加呈直線增加；A而Et只有在較高V1下，乂和匕才會(huì)對(duì)Et產(chǎn)生顯著 的影響。A如要把Et提高到基體模量的2倍，%要大于55%, 而El要達(dá)到同樣的目標(biāo)，Vf只要11%。4必運(yùn)I。單向板橫向拉伸的三種破壞模式：基體破壞 界面脫粘 纖維破壞(a)(b)(c)458.3正交纖維復(fù)合材料拉伸性能A單向纖維復(fù)合材料的拉伸性能在沿纖維方向（縱向）很 高，但在橫向則很低；A而在實(shí)際應(yīng)用中單向受力的情況很少，主要是多向纖維 復(fù)合材料；A根據(jù)制件受力情況，充分發(fā)揮纖維的作用和復(fù)合材料可 設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)纖維進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)（纖維排列方向、層數(shù)、 鋪層順序等）。A最簡(jiǎn)單、最基本的多向纖維復(fù)合材料：正交纖維復(fù)合材 料（正交編織物或單向纖維預(yù)浸料交替90。正交鋪層）。#8.3.1正交復(fù)合材料的軸向拉伸性