第8章-復(fù)合材料力學(xué)性能課件

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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1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2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2第8章復(fù)合材料力學(xué)性能

8.1引言8.23材料的力學(xué)性能是材料最基本的使用性能。隨著科技的進(jìn)步，對材料的性能，包括力學(xué)性能均提出愈來愈高的要求：8.1引言第一種人工合成樹脂-酚醛樹脂拉伸強(qiáng)度：40~70MPa，模量：2~4GPa特種工程樹脂復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度：1.2GPa，模量：50GPa3材料的力學(xué)性能是材料最基本的使用性能。8.1引言4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。按纖維的排列方式的不同，從力學(xué)性能可將復(fù)合材料分為以下5類：8.1.1復(fù)合材料的力學(xué)分類單向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料雙向（正交纖維）復(fù)合材料多向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料三向（正交纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料4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5（1）單向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料以連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料，且所有纖維都平行排列在同一方向；單向纖維復(fù)合材料在工程上也叫單（向）板，常記作[0]；纖維排列緊密，纖維體積分?jǐn)?shù)可達(dá)60~75%；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)度明顯下降特點(diǎn)：5（1）單向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料以連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料，且所有6縱向：平行于纖維的方向，L向、0°向；橫向：垂直于纖維方向，T向、90°向；α向：在L-T平面內(nèi)，與縱向成α夾角方向；層向：垂直于L-T平面的方向稱為層向，N向、法向、⊥向。單向纖維復(fù)合材料在直角坐標(biāo)系中方向規(guī)定：6縱向：平行于纖維的方向，L向、0°向；單向纖維復(fù)合材料在直7（2）雙向（正交纖維）復(fù)合材料以正交編織物（布）或單向板為增強(qiáng)材料，交替正交90°排列；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]；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。特點(diǎn)：7（2）雙向（正交纖維）復(fù)合材料以正交編織物（布）或單向板為8（3）多向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料在L-T平面內(nèi)，除了有0°和90°向的增強(qiáng)纖維，其他方向如±α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/±α]；材料在L-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。特點(diǎn)：8（3）多向（纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料在L-T平面內(nèi)，除了有0°和9（4）三向（正交纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料由沿三個(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。特點(diǎn)：（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。特點(diǎn)：9（4）三向（正交纖維增強(qiáng)）復(fù)合材料由沿三個(gè)正交方向的纖維編10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：8.1.2復(fù)合材料的力學(xué)性能增強(qiáng)纖維的品種、性能、含量及排列方式基體樹脂的性能與含量纖維與基體的結(jié)合、界面組成情況10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11（1）復(fù)合材料主要原料的力學(xué)性能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)”；注意：單純纖維不能當(dāng)“梁”使用，只有在與基體有效結(jié)合稱為整體后才可以。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。增強(qiáng)纖維11（1）復(fù)合材料主要原料的力學(xué)性能纖維主要起到承受載荷的作12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；GF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。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)，單絲直徑增加，纖維強(qiáng)度下降。GF力學(xué)性能指標(biāo)：①玻璃纖維的力學(xué)特性一般無堿GF設(shè)計(jì)強(qiáng)度：1GPa；模量：70GPa；高模量GF模量：100GPa12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，13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；缺陷：脆性比GF大，與樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度比GF差；

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。Ⅱ型CF（高強(qiáng)型）：強(qiáng)度＞3GPa；模量為230~270GPa；斷裂伸長率為0.5~1%②碳纖維的力學(xué)特性Ⅰ型CF（高模型）：強(qiáng)度為2GPa；模量為390~420GPa斷裂伸長率為1~1.5%東麗公司T1000型CF：強(qiáng)度達(dá)到7.05GPa；模量為295GPa；聯(lián)碳化合物公司P-140型CF：模量高達(dá)966GPa13與GF一樣，CF也具有脆性材料的特性，在拉斷前沒有明顯的14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；韌性好，斷裂伸長率為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。③芳綸的力學(xué)特性14以Kevlar-49為代表的芳綸是一種高模量有機(jī)纖維；③15①基體材料選擇三原則：基體材料第一，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)的斷裂伸長率；第二，對增強(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，工藝性優(yōu)良，成型和固化方法與條件簡單，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。15①基體材料選擇三原則：基體材料第一，基體材料本身力學(xué)性16②基體材料對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響：基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)比增強(qiáng)材料低，基體的含量對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較大，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平紋玻璃布制成的正交復(fù)合材料是12%?；w材料的實(shí)際工藝含量：如單向玻璃鋼是10~30%，1:1平紋玻璃布制成的正交復(fù)合材料是25~50%。復(fù)合材料中基體的合理含量16②基體材料對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響：基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)178.2

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)合材料。沿纖維方向（縱向、L向）拉伸垂直纖維方向（橫向、T向）拉伸按加載方向不同，單向復(fù)合材料的拉伸性能可分為：178.2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18（1）縱向拉伸應(yīng)力σL

、拉伸模量EL8.2.1縱向拉伸性能單向纖維復(fù)合材料縱向拉伸加載示意圖和單向板縱向拉伸簡化力學(xué)模型圖如下：PL=Pf+PmPf、Pm分別為纖維（fibre）和基體（matrix）承受的載荷18（1）縱向拉伸應(yīng)力σL、拉伸模量EL8.2.1縱向拉19PL=Pf+Pm當(dāng)用應(yīng)力表示σL

AL=σf

Af+σm

AmσL、σf、σm——作用在復(fù)合材料、纖維和基體上的應(yīng)力AL、Af

、Am——復(fù)合材料、纖維和基體的橫截面積對于平行排列的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，各組分所占體積分?jǐn)?shù)能按橫截面積寫出：19PL=Pf+Pm當(dāng)用應(yīng)力表示σLAL=σf20σL

AL=σf

Af+σm

AmεL、εf、εm——復(fù)合材料、纖維和基體上的應(yīng)變?chǔ)襆

=σf

Vf

+σm

Vm假設(shè)纖維和基體間存在理想的粘結(jié)，界面不會(huì)滑移，則纖維、基體、復(fù)合材料的應(yīng)變是相等的，即有：εL

=εf

+ε

m20σLAL=σfAf+σmAmεL、εf、21σL

=σf

Vf

+σm

Vm將上式對應(yīng)變求導(dǎo)，得dσ/dε代表相應(yīng)的應(yīng)力-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。21σL=σfVf+σmVm將上式對應(yīng)變求導(dǎo)，得222223如果纖維與基體及其復(fù)合材料呈彈性形變，則有：σL

=ELεLσ

f

=Efεfσm

=EmεmσL

=σf

Vf

+σm

VmEL

=Ef

Vf

+Em

Vm混合定律：纖維和基體對復(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=1EL

=Ef

Vf

+Em（1-Vf）23如果纖維與基體及其復(fù)合材料呈彈性形變，則有：σL=E24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。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；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體積分?jǐn)?shù)。材料中纖維和基體的應(yīng)力與應(yīng)變曲線均為直線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24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。圖中復(fù)合材料的25（2）應(yīng)力應(yīng)變特性、縱向拉伸強(qiáng)度σLu混合定律能準(zhǔn)確預(yù)測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：σL

=σf

Vf

+σm

VmEL

=Ef

Vf

+Em

Vm估算復(fù)合材料的應(yīng)力估算復(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。應(yīng)力應(yīng)變特性25（2）應(yīng)力應(yīng)變特性、縱向拉伸強(qiáng)度σLu混合定律能準(zhǔn)確預(yù)測26一般一種復(fù)合材料的變形可以分為四個(gè)階段進(jìn)行：纖維斷裂，繼而復(fù)合材料斷裂纖維與基體變形均是非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彈性的階段1階段2階段3階段4若纖維是脆性的，則觀察不到第三階段26一般一種復(fù)合材料的變形可以分為四個(gè)階段進(jìn)行：纖維斷纖維與27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：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；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；但當(dāng)纖維在基體內(nèi)部能產(chǎn)生塑性形變，則復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變可能大于纖維單獨(dú)實(shí)驗(yàn)的斷裂應(yīng)變。27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：復(fù)28縱向拉伸強(qiáng)度σLu復(fù)合材料的強(qiáng)度σLu按混合定律估算，但與基體的斷裂延伸率εmu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εfu與εmu的相對大小不同，估算公式有差異。28縱向拉伸強(qiáng)度σLu復(fù)合材料的強(qiáng)度σLu按混合定律估算，但29分幾種情況討論：①εfu

=εmu

（最簡單的理想情況，基體和纖維都是脆性材料）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：σLu=σfu

Vf+σmu(1-Vf)

=εfu[EfVf+Em(1-Vf)]εσεfuσLuσfuσmu29分幾種情況討論：①εfu=εmu（最簡單的理想30②

基體和纖維都是脆性材料，且εfu

>

εmu

復(fù)合材料拉伸時(shí)，破壞先從基體開裂起，再才是纖維斷裂；σL=σf

Vf+σm(1-Vf)基體開裂前的應(yīng)力：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，εLu=εfu

。30②基體和纖維都是脆性材料，且εfu>εmu復(fù)合31σL=σf’

Vf+σmu(1-Vf)=εfu[EfVf+Em(1-Vf)]基體開裂前最大應(yīng)力：基體開裂后的纖維斷裂前復(fù)合材料的應(yīng)力：σL=σf

Vf最大應(yīng)力：σL=σfu

Vf31σL=σf’Vf+σmu(1-Vf)=εf32σL=εfu[EfVf+Em(1-Vf)]基體開裂前最大應(yīng)力：基體開裂后的最大應(yīng)力：σL=σfu

Vf復(fù)合材料的強(qiáng)度σLu就由上面兩式?jīng)Q定，σLu與Vf

的關(guān)系如下圖所示：

當(dāng)Vf>Vfcr’，基體開裂后，纖維可承擔(dān)載荷，直到復(fù)合材料斷裂，εLu

=εfu

，復(fù)合材料強(qiáng)度由（2）式估算；當(dāng)Vf<Vfcr’，基體開裂后，含量較少的纖維不能承擔(dān)載荷，εLu

=εmu

，復(fù)合材料強(qiáng)度由（1）式估算?！?）……（2）32σL=εfu[EfVf+Em(1-Vf)]基體33③εfu

<

εmu，纖維相對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。σL=σf

Vf+σm(1-Vf)纖維斷裂前的應(yīng)力：33③εfu<εmu，纖維相對于基體來說是脆性材料如34σL=σfu

Vf+(σm)εfu(1-Vf)當(dāng)εL達(dá)到纖維斷裂應(yīng)變?chǔ)舊u前瞬間，σL達(dá)到最大值：纖維開裂后、基體斷裂前復(fù)合材料的應(yīng)力：σL=σm（1-Vf）最大應(yīng)力：σL=σmu

（1-

Vf）34σL=σfuVf+(σm)εfu(1-Vf)當(dāng)35（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)纖維界面狀況殘余應(yīng)力35（3）影響縱向強(qiáng)度和模量的因素纖維取向錯(cuò)誤36纖維取向錯(cuò)誤當(dāng)纖維平行于外載荷方向時(shí)，纖維對復(fù)合材料性能的貢獻(xiàn)最大；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；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)量及這些纖維與載荷軸的角度。36纖維取向錯(cuò)誤當(dāng)纖維平行于外載荷方向時(shí)，纖維對復(fù)合材料性能37纖維強(qiáng)度不均勻纖維強(qiáng)度對復(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；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；但GF和SiO2纖維的強(qiáng)度具有相當(dāng)大的分散性。37纖維強(qiáng)度不均勻纖維強(qiáng)度對復(fù)合材料的強(qiáng)度有直接的影響，纖維38不連續(xù)纖維不連續(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；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；界面剪切作用使裂紋沿纖維長度擴(kuò)散，從而使纖維與基體分離。38不連續(xù)纖維不連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，端部效應(yīng)明顯，其性能很39界面狀況界面承擔(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)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；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。39界面狀況界面承擔(dān)著從基體到纖維的載荷傳遞，因而復(fù)合材料強(qiáng)40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)；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。40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41(4)單向板縱向拉伸的三種破壞模式：①基體斷裂②界面脫粘③纖維斷裂41(4)單向板縱向拉伸的三種破壞模式：42對于單向纖維復(fù)合材料的縱向拉伸性能主要與纖維及其含量有關(guān)；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)；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)。8.2.2橫向拉伸性能橫向拉伸模量橫向拉伸強(qiáng)度42對于單向纖維復(fù)合材料的縱向拉伸性能主要與纖維及其含量有關(guān)43復(fù)合材料橫向拉伸模量（ET）與EL一樣，隨纖維體積分?jǐn)?shù)（Vf）和模量（Ef）的增加而增大；但EL隨Vf增加呈直線增加；而ET只有在較高Vf下，Vf和Ef才會(huì)對ET產(chǎn)生顯著的影響。如要把ET提高到基體模量的2倍，Vf要大于55%，而EL要達(dá)到同樣的目標(biāo)，Vf只要11%。橫向拉伸模量（ET）43復(fù)合材料橫向拉伸模量（ET）與EL一樣，隨纖維體積分?jǐn)?shù)（44單向纖維復(fù)合材料橫向拉伸破壞模式：基體拉伸破壞、界面脫粘、纖維斷裂；一般而言，上述幾種模式是聯(lián)合作用的，由于纖維的強(qiáng)度一般較大，強(qiáng)度（σTu）主要取決于基體的拉伸強(qiáng)度和界面的結(jié)合強(qiáng)度。橫向拉伸強(qiáng)度（σTu）提高基體的拉伸強(qiáng)度或降低應(yīng)力集中系數(shù)S應(yīng)力提高界面的結(jié)合強(qiáng)度提高σTu增加基體內(nèi)聚強(qiáng)度；基體模量增加不僅增加ET，也會(huì)降低S應(yīng)力；纖維Vf增加，S應(yīng)力提高；降低空隙率、提高界面的結(jié)合力44單向纖維復(fù)合材料橫向拉伸破壞模式：基體拉伸破壞、界面脫粘45單向板橫向拉伸的三種破壞模式：①基體破壞②界面脫粘③纖維破壞45單向板橫向拉伸的三種破壞模式：468.3正交纖維復(fù)合材料拉伸性能單向纖維復(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；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；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）。最簡單、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）。468.3正交纖維復(fù)合材料拉伸性能單向纖維復(fù)合材料的拉伸性47單軸拉伸力學(xué)模型：由兩層具有相同樹脂含量的單向復(fù)合材料相互垂直鋪層得到。8.3.1正交復(fù)合材料的軸向拉伸性能沿一個(gè)纖維方向（L向）拉伸，L向?yàn)閺较?；T向?yàn)榫曄颍桓鲉蜗驈?fù)合材料的厚度h按雙向復(fù)合材料的地經(jīng)緯向纖維量來分配；沿一個(gè)方向拉伸時(shí)，可略去橫向纖維的作用，而將其看作基體。47單軸拉伸力學(xué)模型：由兩層具有相同樹脂含量的單向復(fù)合材料相48設(shè)nL、nT分別為正交復(fù)合材料單元體內(nèi)L

向和T

向的纖維量，則L

向和T

向纖維的相對比例分別為：、，即所以L向和T向的纖維體積含量VfL和VfT分別為：48設(shè)nL、nT分別為正交復(fù)合材料單元體內(nèi)L向和T向的纖49nL與nT的比值可以用纖維織物的規(guī)格來算出。因?yàn)椋豪纾耗称郊y布的規(guī)格為

原紗支數(shù)β0/股數(shù)N排紗密度/（根/cm）徑向80/916緯向80/810則49nL與nT的比值可以用纖維織物的規(guī)格來算出。因?yàn)椋豪纾?0根據(jù)混合定律可估算出L向、T向的拉伸應(yīng)力和模量：50根據(jù)混合定律可估算出L向、T向的拉伸應(yīng)力和模量：51根據(jù)混合定律可估算出L向、T向的強(qiáng)度：51根據(jù)混合定律可估算出L向、T向的強(qiáng)度：528.3.2正交復(fù)合材料單軸拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線單向復(fù)合材料縱向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力-應(yīng)變曲線是一條直線；其強(qiáng)度和模量取決于纖維，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線體現(xiàn)了纖維的力學(xué)特征。528.3.2正交復(fù)合材料單軸拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線單向53雙向正交玻璃纖維復(fù)合材料單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力-應(yīng)變曲線是一條折線；拐點(diǎn)前模量(初始模量)較高，為各層板模量之和；90°層強(qiáng)度很低，先破壞產(chǎn)生裂紋，同時(shí)聽到劈裂聲，見到材料發(fā)白，出現(xiàn)拐點(diǎn)；繼續(xù)加載，直到0°層達(dá)到破壞應(yīng)力，材料突然破壞。σε53雙向正交玻璃纖維復(fù)合材料單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力-應(yīng)變54玻璃布復(fù)合材料也出現(xiàn)拐點(diǎn)；在徑向拉伸時(shí)，緯線更加彎曲，導(dǎo)致緯線周圍基體開裂，出現(xiàn)拐點(diǎn)。對玻璃布復(fù)合材料而言，其強(qiáng)度和模量比由GF單板制成的復(fù)合材料的要低：纖維處在彎曲、扭轉(zhuǎn)狀態(tài)；編織過程中大大降低纖維強(qiáng)度54玻璃布復(fù)合材料也出現(xiàn)拐點(diǎn)；對玻璃布復(fù)合材料而言，其強(qiáng)度和558.4單向纖維復(fù)合材料壓縮性能8.4.1縱向壓縮強(qiáng)度增強(qiáng)纖維本身能承受很大的拉力，但不能承受壓力；但纖維只有在基體的支撐下才能承受壓力。壓縮的破壞機(jī)理至今并不清楚，也缺乏纖維的壓縮強(qiáng)度數(shù)據(jù)，因此壓縮強(qiáng)度不能簡單估算，一般進(jìn)行實(shí)際測試。在壓縮過程中，當(dāng)基體不能支撐纖維時(shí)，纖維會(huì)屈曲，復(fù)合材料產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。558.4單向纖維復(fù)合材料壓縮性能8.4.1縱向壓縮強(qiáng)度56（1）縱向壓縮的破壞形式當(dāng)復(fù)合材料承受壓縮載荷時(shí)，連續(xù)纖維的作用就像細(xì)長柱體，會(huì)發(fā)生微屈曲，導(dǎo)致壓縮破壞；單向復(fù)合材料縱向壓縮破壞有如下三種形式：復(fù)合材料纖維含量Vf較低（<40%），具體仍在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)加載長度l較短時(shí)，壓縮破壞始于橫向開裂與載荷方向成約45°角方向的剪切破壞56（1）縱向壓縮的破壞形式當(dāng)復(fù)合材料承受壓縮載荷時(shí)，連續(xù)纖57（2）影響縱向壓縮強(qiáng)度的因素破壞形式各異，影響因素較多：基體壓縮比例極限（σ-mp）：基體應(yīng)力不能高于σ-mp，否則基體屈服，導(dǎo)致纖維屈曲；纖維壓縮強(qiáng)度σ-fu界面強(qiáng)度或復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度σTu基體彈性模量纖維體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料制造工藝、測試方法等57（2）影響縱向壓縮強(qiáng)度的因素破壞形式各異，影響因素較多：588.4.2橫向壓縮強(qiáng)度單向復(fù)合材料在橫向受壓時(shí)常常出現(xiàn)右圖中的基體剪切破壞，同時(shí)可能伴隨界面脫粘和纖維破壞。橫向壓縮破壞形式：基體剪切破壞帶有界面脫粘或纖維破碎的基體剪切破壞588.4.2橫向壓縮強(qiáng)度單向復(fù)合材料在橫向受壓時(shí)常常59影響橫向壓縮強(qiáng)度的因素基體壓縮強(qiáng)度σ-mu界面粘結(jié)強(qiáng)度空隙率基體韌性增加，壓縮變形能力提高，纖維體積含量增加，橫向壓縮強(qiáng)度隨之增大。59影響橫向壓縮強(qiáng)度的因素基體壓縮強(qiáng)度σ-mu基體韌性增加，608.5復(fù)合材料的其他力學(xué)性能復(fù)合材料在應(yīng)用中難免承受沖擊載荷；復(fù)合材料中增強(qiáng)體不同，材料沖擊性能可能差異較大；玻璃鋼和Kavlar纖維復(fù)合材料沖擊性能好但廣泛用于結(jié)構(gòu)件的CF復(fù)合材料的沖擊性能較低。8.5.1復(fù)合材料的沖擊性能608.5復(fù)合材料的其他力學(xué)性能復(fù)合材料在應(yīng)用中難免承受沖61（1）沖擊強(qiáng)度：衡量材料韌性的一種強(qiáng)度指標(biāo)，為試折斷樣受到?jīng)_擊載荷而折斷時(shí)單位截面積所吸收的能量。測試方法：簡支梁加載懸臂梁加載簡支梁飛出功較小，適用于沖擊強(qiáng)度小的制品61（1）沖擊強(qiáng)度：衡量材料韌性的一種強(qiáng)度指標(biāo)，為試折斷樣受62懸臂梁加載懸臂梁飛出功較大，適用于韌性材料。62懸臂梁加載懸臂梁飛出功較大，適用于韌性材料。63簡支梁加載和懸臂梁加載測試得到的韌性數(shù)據(jù)只是在一定程度上的定性結(jié)果，原因在于：擺錘沖擊時(shí)所造成的能量損失既包含材料損傷與斷裂所吸收的能量，還包括消耗在試驗(yàn)機(jī)上的能量損失、斷裂碎塊的飛出功和聲能等。反映不出材料沖擊破壞過程的損傷歷程，給出的只是一個(gè)籠統(tǒng)的結(jié)果。不同材料，試樣的斷裂形式不同，但可能得到相同的沖擊強(qiáng)度；對于各向同性材料，破壞形式簡單，上述試驗(yàn)方法可行；但對于復(fù)合材料，破壞形式復(fù)雜，這兩種沖擊試驗(yàn)不足以反映復(fù)合材料完整的沖擊特性。63簡支梁加載和懸臂梁加載測試得到的韌性數(shù)據(jù)只是在一定程度上64裝有載荷傳感器（擺錘或支座）的Charpy或落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)可改變沖擊刃口的形狀和變換沖錘質(zhì)量以調(diào)節(jié)沖擊能的大?。豢烧{(diào)整下落高度以滿足不同沖擊速率?？梢缘玫斤@示沖擊過程的P-t（載荷-時(shí)間）曲線和E-t（能量-時(shí)間）曲線。64裝有載荷傳感器（擺錘或支座）的Charpy或落錘式?jīng)_擊試65P-t曲線劃分為兩個(gè)區(qū)域：裂紋引發(fā)和裂紋擴(kuò)展；P-t曲線下面積反映材料吸收的能量；總沖擊能量Et是裂紋引發(fā)能Ei和裂紋擴(kuò)展能Ep的和；對于高強(qiáng)度脆性材料，Ei大，而Ep??；對于低強(qiáng)度韌性材料，Ei小，而Ep大。韌性指數(shù)裂紋擴(kuò)展能Ep與裂紋引發(fā)能Ei之比65P-t曲線劃分為兩個(gè)區(qū)域：裂紋引發(fā)和裂紋擴(kuò)展；韌性指數(shù)66（2）能量吸收機(jī)理和破壞模式能量吸收機(jī)理：形成新的表面、材料變形材料變形首先發(fā)生；若沖擊能足夠大，裂紋可能產(chǎn)生并且擴(kuò)展，在裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋前沿又總存在材料變形；脆性材料變形小，伴隨的能量吸收也少；韌性材料斷裂過程中產(chǎn)生大的塑性變形，吸收的能量也大；在復(fù)合材料中，可以用吸收能量多的組分代替吸收能量少的組分來提高材料韌性。66（2）能量吸收機(jī)理和破壞模式能量吸收機(jī)理：形成新的表面67破壞模式

①纖維破壞②基體變形和開裂③纖維脫膠④纖維拔出⑤分層裂紋纖維復(fù)合材料的破壞可以認(rèn)為是由材料內(nèi)部固有的小缺陷發(fā)源的。小缺陷：破短的纖維、基體中的裂紋、界面脫膠沖擊過程中裂紋擴(kuò)展模式：67破壞模式①纖維破壞纖維復(fù)合68

①纖維破壞裂紋在垂直于纖維方向發(fā)展，當(dāng)層合板完全分離時(shí)，最終發(fā)生纖維破壞。纖維隨能賦予材料高強(qiáng)度，但斷裂吸收能很小。②基體變形和開裂基體破壞吸收能量包括基體變形和開裂產(chǎn)生的新表面能。熱固性基體性脆，變形很小，沖擊韌性差；熱塑性基體可產(chǎn)生較大塑性變形，沖擊強(qiáng)度高?；w開裂產(chǎn)生的新表面能等于比表面積與新表面面積的乘積，而開裂會(huì)產(chǎn)生眾多裂紋分支，導(dǎo)致較大開列面積。68①纖維破壞裂紋在垂直于纖維69

③

纖維脫膠在斷裂過程中由于裂紋平行于纖維擴(kuò)展（脫膠裂紋），導(dǎo)致纖維與基體分離。脫膠范圍大，新表面面積大，斷裂能會(huì)明顯增加。④

纖維拔出當(dāng)脆性的或不連續(xù)的纖維嵌于韌性基體中時(shí)就會(huì)發(fā)生纖維拔出。起始于纖維的破壞沒有能力擴(kuò)展到基體中的結(jié)果。纖維拔出通常伴隨基體的伸長變形，會(huì)顯著提高斷裂能。69③纖維脫膠在斷裂過程中由于70

⑤

分層裂紋裂紋在擴(kuò)展中穿過層合板的一個(gè)鋪層，當(dāng)裂紋尖端達(dá)到相鄰鋪層時(shí)，可能受到抑制。由于鄰近裂紋尖端的基體的剪切應(yīng)力很高，裂紋可能分支出來，開始在平行于鋪層的屆面上擴(kuò)展。分層裂紋會(huì)產(chǎn)生新的表面，吸收的斷裂能會(huì)較高。70⑤分層裂紋裂紋在擴(kuò)展中穿過71（3）影響復(fù)合材料沖擊性能的因素復(fù)合材料沖擊性能的影響因素主要包括兩個(gè)方面：試驗(yàn)參數(shù)：材料性質(zhì)：纖維種類、基體韌性、纖維體積分?jǐn)?shù)、界面粘結(jié)狀況等沖擊速率、沖錘質(zhì)量、刃口形式、跨高比、支撐情況等71（3）影響復(fù)合材料沖擊性能的因素復(fù)合材料沖擊性能的影響72不同纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料無缺口沖擊性能：三種纖維的差別在于斷裂擴(kuò)展能的不同；而擴(kuò)展能最終導(dǎo)致材料韌性差異。72不同纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料無缺口沖擊性能：三種纖維的差別73聚酯和環(huán)氧層合板沖擊試驗(yàn)結(jié)果：對環(huán)氧層合板，起始斷裂能、擴(kuò)展能、總沖擊能均隨界面強(qiáng)度增加而增加——界面粘結(jié)好，不存在分層現(xiàn)象；對聚酯層合板，擴(kuò)展能、總沖擊能有最小值——分層破壞。73聚酯和環(huán)氧層合板沖擊試驗(yàn)結(jié)果：對環(huán)氧層合板，起始斷裂能、74小結(jié)提高復(fù)合材料沖擊韌性的途徑：基體增韌合適的界面強(qiáng)度采用混雜纖維復(fù)合材料，如CF與GF或Kevlar纖維混合使用74小結(jié)提高復(fù)合材料沖擊韌性的途徑：基體增韌75材料在實(shí)際應(yīng)用中，疲勞載荷常常不可避免；疲勞：材料在承受交變載荷時(shí)，即使最大應(yīng)力低于材料靜強(qiáng)度極限，但在經(jīng)歷了一定的載荷周期后，材料仍會(huì)破壞的現(xiàn)象；材料疲勞強(qiáng)度總低于它的靜強(qiáng)度。疲勞過程：內(nèi)部損傷（或疲勞裂紋）→內(nèi)部損傷累積至一定程度→材料突然破壞失效

四種疲勞損傷：基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂8.5.2復(fù)合材料的疲勞性能75材料在實(shí)際應(yīng)用中，疲勞載荷常常不可避免；8.5.2復(fù)合76在纖維方向有卓越抗疲勞性——疲勞載荷主要是由載荷方向一致的纖維所承擔(dān)的緣故；高模量纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（芳綸、BF、CF增強(qiáng)）疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金和GF復(fù)合材料。（1）復(fù)合材料的疲勞性能特點(diǎn)單向連續(xù)纖維復(fù)合材料76在纖維方向有卓越抗疲勞性——疲勞載荷主要是由載荷方向一致77各層板的強(qiáng)度不同，在疲勞過程早期可能出現(xiàn)橫向裂紋損傷；隨著裂紋長度和數(shù)量的增加，還會(huì)出現(xiàn)分層、界面脫膠、纖維斷裂等損傷；在疲勞早期出現(xiàn)的損傷擴(kuò)展較慢，直到疲勞壽命的90%，材料才會(huì)迅速斷裂。多向纖維復(fù)合材料77各層板的強(qiáng)度不同，在疲勞過程早期可能出現(xiàn)橫向裂紋損傷；多78

持久強(qiáng)度：材料長時(shí)間在靜載荷作用下，保持一定時(shí)間不破壞，所能承受的最大靜載荷。耐持久性：材料長時(shí)間在靜載荷作用下，保持不破壞所能經(jīng)受的最大時(shí)間。8.5.3復(fù)合材料在長期靜載荷作用下的力學(xué)性能長期靜載荷作用下的力學(xué)性能強(qiáng)度問題——持久強(qiáng)度變形問題——蠕變（1）復(fù)合材料持久強(qiáng)度78持久強(qiáng)度：材料長時(shí)間在靜載荷作用下，保持一定時(shí)間不破壞79基體材料不同，復(fù)合材料保持強(qiáng)度的能力不同；其持久強(qiáng)度主要取決于基體材料表9-279基體材料不同，復(fù)合材料保持強(qiáng)度的能力不同；表9-280

蠕變：材料長時(shí)間在靜載荷作用下，載荷不變而變形繼續(xù)增加的現(xiàn)象。原因：聚合物的粘彈性（蠕變特性取決于基體的松弛特性，基體交聯(lián)密度越大，主鏈柔性越低，蠕變特性越不明顯。（2）復(fù)合材料蠕變特性軟質(zhì)PVC絲80蠕變：材料長時(shí)間在靜載荷作用下，載荷不變而變形繼續(xù)增加81

復(fù)合材料蠕變的特點(diǎn)：CF復(fù)合材料的蠕變比玻璃鋼?。谎乩w維方向拉伸作用下的蠕變現(xiàn)象最不明顯；沿與纖維成任意角方向拉伸，蠕變現(xiàn)象逐漸明顯，其中沿45°方向拉伸時(shí)最為明顯；持久彎曲載荷作用下的蠕變比持久拉伸載荷作用下的蠕變明顯；溫度升高，蠕變現(xiàn)象顯著。81復(fù)合材料蠕變的特點(diǎn)：CF復(fù)合材料的蠕變比玻璃鋼??；828283第五章聚合物基復(fù)合材料的性能

熱性能包括： 熱傳導(dǎo)與熱容量：決定了PMC與外界熱交換和自身溫度 的變化。 熱膨脹性能：決定PMC結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)力分布狀 態(tài)與抗熱震性能。 耐熱性能：決定PMC的使用溫度范圍。5.1 PMC的熱性能83第五章聚合物基復(fù)合材料的性能 熱性能包括：5.1 P845.1.1 熱傳導(dǎo): 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)，表征材料的導(dǎo)熱能力。 材料本身的特性 溫度的函數(shù)

5.1 PMC的熱性能845.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能855.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能855.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能865.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能865.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能875.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能875.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能885.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能885.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能