單向復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能

第十章單向復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能2010.9§10.1單向復(fù)合材料的對(duì)稱性和基本性能指標(biāo)一、單向復(fù)合材料的對(duì)稱性用纖維復(fù)合材料制造的層合板或構(gòu)件大都由許多性質(zhì)不同的單向鋪層構(gòu)成。通常每個(gè)鋪層是用相同組分的材料制成的，但是一個(gè)鋪層與另一個(gè)鋪層可以在以下幾個(gè)方面不相同：①組分相對(duì)體積；②增強(qiáng)材料形式，如長(zhǎng)的或短的纖維、編織的或未編織的增強(qiáng)材料；③纖維的取向?！?0.1單向復(fù)合材料的對(duì)稱性和基本性能指標(biāo)

此外，在混雜復(fù)合材料中，各個(gè)鋪層中的組分材料還可不同。因此，單一鋪層的復(fù)合材料代表了層合板結(jié)構(gòu)的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元，稱之為單向復(fù)合材料。典型的單向復(fù)合材料鋪層示意圖它是由平行的纖維嵌入基體中構(gòu)成。將幾層單向鋪層，按照規(guī)定的方向和順序鋪疊起來，即可制造成復(fù)合材料層合板。單向鋪層呈現(xiàn)正交各向異性，并有3個(gè)對(duì)稱平面。參見上圖，三個(gè)對(duì)稱平面與坐標(biāo)x、y、z相符合。平行于纖維的方向稱為縱向（x軸），垂直于纖維的方向稱為橫向（y向或z向）。通常，在縱向上鋪層有最強(qiáng)的性能，而在其它兩個(gè)橫向方向上，材料性能近似相等。因此，鋪層可被看作是橫向各向同性。也就是說，在y-z平面內(nèi)，材料各向同性。實(shí)際的單向鋪層在鋪層厚度范圍內(nèi)，常常有數(shù)根纖維穿過鋪層，而且纖維在整個(gè)截面內(nèi)隨機(jī)分布，有時(shí)甚至在一些部位可能彼此接觸。只有直徑很大的纖維（如硼纖維）才可能在鋪層厚度范圍內(nèi)僅能容許一根穿過。增強(qiáng)體增強(qiáng)體鋪層橫截面示意圖對(duì)于各向異性的單向復(fù)合材料，強(qiáng)度和剛度都將隨方向而改變。單向復(fù)合材料有五個(gè)特征強(qiáng)度值，即：縱向拉伸強(qiáng)度橫向拉伸強(qiáng)度縱向壓縮強(qiáng)度橫向壓縮強(qiáng)度面內(nèi)剪切強(qiáng)度還有四個(gè)特征彈性常數(shù)，即：縱向彈性模量、橫向彈性模量、主泊松比面內(nèi)切變模量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些特征強(qiáng)度和彈性常數(shù)是彼此獨(dú)立的。因此，單向復(fù)合材料有9個(gè)基本性能數(shù)據(jù)（單軸加載）。二、單向復(fù)合材料基本性能測(cè)試單向復(fù)合材料的9個(gè)獨(dú)立的基本性能指標(biāo)是采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定的。拉伸試驗(yàn)與金屬拉伸實(shí)驗(yàn)相仿，單向復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)要在縱向和橫向兩個(gè)方向分別進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)與金屬拉伸實(shí)驗(yàn)相仿，單向復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)要在縱向和橫向兩個(gè)方向分別進(jìn)行。

單向復(fù)合材料層板縱向受作用力x，由于泊松效應(yīng)引起雙軸應(yīng)變，在線彈性條件下，有：式中：EL

—縱向彈性模量；—為縱向泊松比，稱為主泊松比。單向復(fù)合材料橫向作用單軸拉應(yīng)力，也引起雙軸應(yīng)變：式中：

——橫向彈性模量；——為橫向泊松比，稱為次泊松比。

橫向剛度與縱向剛度的比較由前述對(duì)縱向剛度和橫向剛度的模型可以分別預(yù)測(cè)復(fù)合材料的縱向剛度EL和橫向剛度ET。纖維在提高復(fù)合材料橫向模量方面的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于縱向。從理論上看，只有纖維的含量提高到90％以上，才能使橫向模量提高到與縱向模量相當(dāng)?shù)乃?，而這樣高的纖維含量實(shí)際上是不可能的。因此，除纖維分?jǐn)?shù)很高情況，實(shí)際纖維對(duì)提高橫向模量貢獻(xiàn)不大。10.3復(fù)合材料的失效模式和強(qiáng)度對(duì)于復(fù)合材料，材料內(nèi)部的損傷通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于能觀察到宏觀外貌或特性的變化。復(fù)合材料內(nèi)部損傷的主要形式有：1.纖維斷裂2.基體微觀斷裂3.纖維與基體分離（脫膠）4.在層合復(fù)合材料中鋪層彼此分離（分層）這些損傷形式可能單獨(dú)地發(fā)生