復(fù)合材料講義-中科大

復(fù)合材料導(dǎo)論IntroductiontoCompositeMaterials〔講稿〕石南林中國科學(xué)院金屬研究所2004年2月目錄前言材料的開展與人類社會的進(jìn)步復(fù)合材料的提出復(fù)合材料的開展歷史和意義四、課程的重點和要求第二章復(fù)合材料概述一、復(fù)合材料的定義和特點復(fù)合材料的定義復(fù)合材料的特點3、復(fù)合材料的根本結(jié)構(gòu)模式二、復(fù)合材料的分類三、復(fù)合材料的開展歷史四、復(fù)合材料的根本性能復(fù)合材料界面復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的相容性復(fù)合材料的界面理論界面結(jié)合強(qiáng)度的測定1、界面結(jié)合強(qiáng)度的測定2、界面結(jié)合強(qiáng)度的表征五、界面剩余應(yīng)力復(fù)合材料的復(fù)合理論一、復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制1、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制2、纖維〔包括晶須、短纖維〕增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制二、復(fù)合材料的復(fù)合法那么—混合定律混合定律連續(xù)纖維單向增強(qiáng)復(fù)合材料〔單向板〕短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計根底一、復(fù)合材料力學(xué)單層復(fù)合材料層合復(fù)合材料二、復(fù)合材料設(shè)計單向?qū)訌椥猿?shù)預(yù)測公式正交層的工程彈性常數(shù)預(yù)測公式單向板強(qiáng)度預(yù)測公式復(fù)合材料的強(qiáng)度準(zhǔn)那么平面正交織物復(fù)合材料的強(qiáng)度應(yīng)力的轉(zhuǎn)換復(fù)合材料的其它性能復(fù)合材料基體聚合物熱固性樹脂熱塑性樹脂金屬用于450C以下的輕金屬基體〔鋁、鎂及其合金〕用于450~750C復(fù)合材料的金屬基體〔鈦及其合金〕用于750C以上高溫復(fù)合材料的金屬基體陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷玻璃陶瓷四、碳〔石墨〕復(fù)合材料增強(qiáng)劑一、復(fù)合材料增強(qiáng)劑的特點二、纖維無機(jī)纖維陶瓷纖維有機(jī)纖維各種纖維性能的比較三、晶須四、顆粒聚合物基復(fù)合材料〔PMC〕一、聚合物基復(fù)合材料的分類二、聚合物基復(fù)合材料的性能三、聚合物基復(fù)合材料的制備工藝四、復(fù)合材料成型固化工藝工藝性復(fù)合材料的固化工藝過程五、PMC的界面1、PMC的界面特點2、PMC的界面表征3、PMC的界面作用機(jī)理4、PMC的界面設(shè)計六、纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能靜態(tài)力學(xué)性能疲勞性能沖擊和韌性七、鋪層設(shè)計1、層合板設(shè)計的一般原那么2、等代設(shè)計法3、層合板排序設(shè)計法4、層合板的層間問題八、結(jié)構(gòu)設(shè)計明確設(shè)計條件材料設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計金屬基復(fù)合材料〔MMC〕一、金屬基復(fù)合材料概述金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料的研究特點二、金屬基復(fù)合材料的制備工藝金屬基復(fù)合材料的制備工藝概述先驅(qū)〔預(yù)制〕絲〔帶、板〕的制備固態(tài)法〔連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝〕液態(tài)法〔非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝〕粉末冶金法〔非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝〕原位〔insitu〕生長〔復(fù)合法〕三、金屬基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計金屬基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合金屬基復(fù)合材料的界面剩余應(yīng)力四、金屬基復(fù)合材料的的性能金屬基復(fù)合材料的的一般性能特點纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的的性能顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的的性能陶瓷基復(fù)合材料〔CMC〕一、陶瓷基復(fù)合材料概述二、陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝粉末冶金法漿體法反響燒結(jié)法液態(tài)浸漬法直接氧化法膠-凝膠〔Sol-Gel〕法化學(xué)氣相浸漬其它方法三、陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計界面的粘結(jié)形式界面的作用界面的改善四、陶瓷基復(fù)合材料的的性能室溫力學(xué)性能高溫力學(xué)性能五、陶瓷基復(fù)合材料的的增韌機(jī)制顆粒增韌纖維、晶須增韌碳碳復(fù)合材料〔C/C〕一、碳碳復(fù)合材料概述二、碳碳復(fù)合材料的制備工藝碳碳復(fù)合材料的預(yù)成型和基體碳碳碳復(fù)合材料的制備工藝三、碳碳復(fù)合材料的界面碳碳復(fù)合材料的界面和結(jié)構(gòu)碳碳復(fù)合材料的顯微組織四、碳碳復(fù)合材料的抗氧化碳碳復(fù)合材料的氧化碳碳復(fù)合材料的氧化保護(hù)原理碳碳復(fù)合材料的抗氧化保護(hù)水泥復(fù)合材料一、水泥水泥的定義和分類水泥的制造方法和主要成分水泥的強(qiáng)度和硬化二、水泥復(fù)合材料混凝土纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料聚合物改性混凝土三、水泥復(fù)合材料的成型工藝混凝土的配合比設(shè)計及成型工藝控制鋼筋混凝土的成型工藝?yán)w維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的成型工藝聚合物改性混凝土的成型工藝四、〔鋼筋混凝土〕纖維/基體的界面混雜復(fù)合材料混雜復(fù)合材料概述混雜復(fù)合材料混雜方式1、單向混雜纖維復(fù)合材料2、單向預(yù)浸料角度鋪層混雜3、混雜織物混雜4、超級混雜復(fù)合材料三向編織物混濁復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料的幾個概念1、混雜效應(yīng)2、混雜復(fù)合材料的界面和界面數(shù)3、混雜比4、分?jǐn)?shù)度5、鋪層形式6、臨界含量混雜復(fù)合材料的力學(xué)性能1、彈性模量2、橫向彈性模量3、單向混雜復(fù)合材料沿纖維主向的強(qiáng)度4、纖維的臨界含量納米及分子復(fù)合材料一、納米粉體的合成納米粉體的物理制備方法納米粉體的的化學(xué)制備方法二、先進(jìn)納米增強(qiáng)劑的制備碳化硅納米晶須碳納米管納米碳纖維三、陶瓷基納米復(fù)合材料的制備納米-納米復(fù)合材料納米-微米復(fù)合材料四、聚合物有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料的制備方法1、溶膠-凝膠〔Sol-Gel〕法2、層間插入法3、共混法4、原位聚合法5、分子的自組裝和組裝6、輻射合成法五、聚合物有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀六、應(yīng)用前景展望復(fù)合材料的應(yīng)用和開展一、復(fù)合材料的應(yīng)用1、聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用2、金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用碳碳復(fù)合材料二、復(fù)合材料的開展1、復(fù)合材料的性能比照2、復(fù)合材料的開展趨勢第一章前言一、材料的開展與人類社會的進(jìn)步材料是人類社會進(jìn)步的物質(zhì)根底和先導(dǎo)，是人類進(jìn)步的里程碑。綜觀人類開展和材料開展的歷史，可以清楚地看到，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和利用都會把人類支配和改造自然的能力提高到一個新的水平，給社會生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大的變化。材料的開展與人類進(jìn)步和開展息息相關(guān)。一萬年前，人類使用石頭作為日常生活工具，人類進(jìn)入了舊石器時代，人類戰(zhàn)爭也進(jìn)入了冷兵器時代。7000年前人類在燒制陶器的同時創(chuàng)造了煉銅技術(shù)，青銅制品廣泛地得到應(yīng)用，同時又促進(jìn)了人類社會開展，人類進(jìn)入了青銅器時代。同時火藥的創(chuàng)造又使人類戰(zhàn)爭進(jìn)入了殺傷力更強(qiáng)的熱兵器時代。5000年前人類開始使用鐵，隨著煉鐵技術(shù)的開展，人類又創(chuàng)造了煉鋼技術(shù)。十九世紀(jì)中期轉(zhuǎn)爐、平爐煉鋼的開展使得世界鋼產(chǎn)量迅猛增加，大大促進(jìn)了機(jī)械、鐵路交通的開展。隨著二十世紀(jì)中期合金鋼的大量使用，人類又進(jìn)入鋼鐵時代，鋼鐵在人類活動中起著舉足輕重的作用。核材料的發(fā)現(xiàn)，又將人類引入了可以消滅自己的核軍備競賽，同時核材料的和平利用，又給人類帶來了光明。二十世紀(jì)中后期以來，高分子、陶瓷材料崛起以及復(fù)合材料的開展，又給人類帶來了新的材料和技術(shù)革命，樓房可以越蓋越高、飛機(jī)越飛越快，同時人類進(jìn)入太空的夢想成為了現(xiàn)實。當(dāng)前材料、能源、信息是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會將人類物質(zhì)文明推向新的階段。二十一世紀(jì)將是一個新材料時代。二、復(fù)合材料的提出現(xiàn)代高科技的開展更緊密地依賴于新材料的開展；同時也對材料提出了更高、更苛刻的要求。在現(xiàn)代高技術(shù)迅猛開展的今天，特別是航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的開展，使材料的使用環(huán)境更加惡劣，因而對材料提出了越來越苛刻的要求。例如，航天飛機(jī)等空間飛行器在飛行過程中要受到大氣阻力、地球引力、太陽輻射力、空間熱環(huán)境、太陽風(fēng)、宇宙射線、宇宙塵埃、流星、磁矩等的作用。飛行器發(fā)動機(jī)還要受到其熱環(huán)境、內(nèi)流形成的氣動力、結(jié)構(gòu)振動、機(jī)件高速轉(zhuǎn)動、液體晃動、振蕩燃燒和POGO振動等非正常破壞力的作用。同時由于飛行范圍〔M數(shù)、飛行高度〕的擴(kuò)大、發(fā)動機(jī)的推力、比推力及推/重比大大提高，導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)壓力比、涵道比、進(jìn)口溫度、燃燒室溫度、TIT、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等也日益提高。由此構(gòu)成的力、熱、化學(xué)和物理等效應(yīng)的作用，最終都要集中到構(gòu)成飛行器和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的材料上去，因此對材料的質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化及抗腐蝕等特性也日益提出了更加苛刻的要求。又如現(xiàn)代武器系統(tǒng)的開展對新材料提出了如下要求：1、高比強(qiáng)、高比模；2、耐高溫、抗氧化；3、防熱、隔熱；4、吸波、隱身；5、全天候；6、高抗破甲、抗穿甲性；7、減振、降噪，穩(wěn)定、隱蔽、高精度和命中率；8、抗激光、抗定向武器；9、多功能；10、高可靠性和低本錢。很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，當(dāng)前作為單一的金屬、陶瓷、聚合物等材料雖然仍在不斷日新月異地開展，但是以上這些材料由于其各自固有的局限性而不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開展的需要。例如，金屬材料的強(qiáng)度、模量和高溫性能等已幾乎開發(fā)到了極限；陶瓷的脆性、有機(jī)高分子材料的低模量、低熔點等固有的缺點極大地限制了其應(yīng)用。這些都促使人們研究開發(fā)并按預(yù)定性能設(shè)計新型材料。復(fù)合材料，特別是先進(jìn)復(fù)合材料就是為了滿足以上高技術(shù)開展的需求而開發(fā)的高性能的先進(jìn)材料。它由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合而成，各組分之間性能“取長補(bǔ)短〞，起到“協(xié)同作用〞，可以得到單一材料無法比較的優(yōu)秀的綜合性能，極大地滿足了人類開展對新材料的需求。因此，復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而開展出來的具有極大生命力的材料?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，是材料設(shè)計的一個突破。三、復(fù)合材料的開展歷史和意義：實際上，在自然界就存在著許多天然的復(fù)合物。例如天然的許多植物竹子、樹木等就是自生長長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；人類肌肉/骨骼結(jié)構(gòu)也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)原理。我們的祖先也早就創(chuàng)造和使用了復(fù)合材料。6000年前人類就已經(jīng)會用稻草加粘土作為建筑材料砌建房屋墻壁，迄今在某些貧窮農(nóng)村仍然沿用著這種原始的非連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在現(xiàn)代，復(fù)合材料的應(yīng)用更比目皆是，與日常生活和國民經(jīng)濟(jì)密不可分。如由沙石、鋼筋和水泥構(gòu)成的水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用；玻璃纖維增強(qiáng)塑料〔玻璃鋼〕更是一種廣泛應(yīng)用的較現(xiàn)代化復(fù)合材料?，F(xiàn)代高科技的開展更是離不開復(fù)合材料。例如就航天、航空飛行器減輕結(jié)構(gòu)重量這點而言，噴氣發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)重量減1Kg，飛機(jī)結(jié)構(gòu)可減重4Kg，升限可提高10米；一枚小性洲際導(dǎo)彈第三級結(jié)構(gòu)重量減輕1Kg，整個運載火箭的起飛重量就可減輕50Kg，地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)重量就可減輕100Kg，在有效載荷不變的條件下，可增加射程15~20Km；而航天飛機(jī)的重量每減輕1Kg，其發(fā)射本錢費用就可以減少15000美元(圖1、圖2)。因此，現(xiàn)代航空、航天領(lǐng)域?qū)︼w行器結(jié)構(gòu)的減重要求已經(jīng)不是“斤斤計較〞，而是“克克計較〞。圖1火箭殼體材料對射程的影響先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量的優(yōu)點，可以顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，是理想的現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)復(fù)合材料的使用，不僅極大地提高了現(xiàn)代飛行器的性能，使得人類飛天、登月的夢想變成現(xiàn)實，同時也創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在新型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中已占了85%以上，在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景〔圖3〕。綜上所述，復(fù)合材料對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的開展有著十分重要的作用。復(fù)合材料的研究深度和應(yīng)用廣度及其生產(chǎn)開展的速度和規(guī)模已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。復(fù)合材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，是材料設(shè)計的一個突破；復(fù)合材料的開展同時又進(jìn)一步推動了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷步。可以預(yù)料，隨著高性能樹脂先進(jìn)復(fù)合材料的不斷成熟和開展、金屬基、特別是金屬間化合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料的實用化、以及微觀尺度的納米復(fù)合材料和分子復(fù)合材料的開展，復(fù)合材料在人類生活中的重要性將越來越顯著。同時，隨著科學(xué)技術(shù)的開展，現(xiàn)代復(fù)合材料也將賦予新的內(nèi)容和使命。21世紀(jì)將是復(fù)合材料的新時代。圖4四、課程的重點和要求本課程為先進(jìn)復(fù)合材料專業(yè)研究生的專業(yè)根底課。該課程的學(xué)習(xí)重點是使學(xué)生能夠較全面和系統(tǒng)地理解復(fù)合材料及其力學(xué)的重要根本概念和理論，各類復(fù)合材料的性能、成型工藝、界面特征和結(jié)構(gòu)設(shè)計以及復(fù)合材料，特別是先進(jìn)復(fù)合材料的開展趨勢，同時具有初步的復(fù)合材料設(shè)計能力。為學(xué)生今后在復(fù)合材料領(lǐng)域的深造和專門研究奠定較堅實的根底。第二章復(fù)合材料概述一、復(fù)合材料的定義和特點：1、復(fù)合材料的定義：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織〔ISO〕將復(fù)合材料定義為是：兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。F.L.Matthews和R.D.Rawlings認(rèn)為復(fù)合材料是兩個或兩個以上組元或相組成的混合物，并應(yīng)滿足下面三個條件：〔1〕組元含量大于5%；〔2〕復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能；〔3〕通過各種方法混合而成。在“材料科學(xué)技術(shù)百科全書〞和“材料大辭典〞中將復(fù)合材料定義如下：復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它與一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別，既保存原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計使原組分的性能相互補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)越的性能。復(fù)合材料將由宏觀復(fù)合形式向微觀〔細(xì)觀〕復(fù)合形式開展，包括原位生長復(fù)合材料、納米復(fù)合材料和分子復(fù)合材料等。綜上所述，復(fù)合材料定義所闡述的主要有兩點，即組成規(guī)律和性能特征。2、復(fù)合材料的特點：由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微觀復(fù)合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯的界面。各組分保持各自固有特性的同時可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。3〕復(fù)合材料具有可設(shè)計性。3、復(fù)合材料的根本結(jié)構(gòu)模式復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)劑兩個組分構(gòu)成：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是一以獨立的形態(tài)分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和和增強(qiáng)，稱為增強(qiáng)劑〔增強(qiáng)相、增強(qiáng)體〕。增強(qiáng)劑〔相〕一般較基體硬，強(qiáng)度、模量較基體大，或具有其它特性。增強(qiáng)劑〔相〕可以是纖維狀、顆粒狀或彌散狀。增強(qiáng)劑〔相〕與基體之間存在著明顯界面。二、復(fù)合材料的分類——普通復(fù)合材料—按性能分類：——先進(jìn)復(fù)合材料—熱固性—聚合物復(fù)合材料——熱塑性—金屬基復(fù)合材料—按基體分類———陶瓷基復(fù)合材料—碳碳復(fù)合材料—水泥基復(fù)合材料—結(jié)構(gòu)復(fù)合材料—按用途分類———功能復(fù)合材料—智能復(fù)合材料—按增強(qiáng)劑分類———顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料—晶須增強(qiáng)復(fù)合材料—短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料—連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料—混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料—三向編織復(fù)合材料普通復(fù)合材料：普通玻璃、合成或天然纖維增強(qiáng)普通聚合物復(fù)合材料，如玻璃鋼、鋼筋混凝土等。先進(jìn)復(fù)合材料〔AdvancedComposite，HighPerformanceComposite〕：高性能增強(qiáng)劑〔碳、硼、Kevlar、氧化鋁、SiC纖維及晶須等〕增強(qiáng)高溫聚合物、金屬、陶瓷和碳〔石墨〕等復(fù)合材料。一般來講，先進(jìn)復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度應(yīng)分別到達(dá)400MPa/(g/cm3)和40GPa/(g/cm3)以上。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用作承力和次承力結(jié)構(gòu)。要求具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高剛度、耐高溫以及其它性能。功能復(fù)合材料：電、熱、聲、摩擦、阻尼等。包括機(jī)敏和智能復(fù)合材料?；祀s復(fù)合材料：兩種或兩種以上增強(qiáng)體構(gòu)成的復(fù)合材料。通過產(chǎn)生混雜效應(yīng)改善性能和降低本錢。結(jié)構(gòu)/功能一體化復(fù)合材料：在保持材料根本力學(xué)性能的前提下，具有特定功能特性，如光、電、磁、摩擦、阻尼等。復(fù)合材料的根本性能〔優(yōu)點〕：

1、高比強(qiáng)度、高比模量〔剛度〕：圖2-1典型金屬基體復(fù)合材料與基體材料合金性能的比較與傳統(tǒng)的單一材料相比，復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度和比模量〔剛度〕：比強(qiáng)度、比模量：材料的強(qiáng)度或模量與其密度之比。比強(qiáng)度=強(qiáng)度/密度MPa/〔g/cm3〕,比模量=模量/密度GPa/〔g/cm3〕。材料的比強(qiáng)度愈高，制作同一零件那么自重愈??；材料的比模量愈高，零件的剛度愈大。2、良好的高溫性能：圖2–2不同SiC纖維復(fù)合材料的使用溫度范圍復(fù)合材料可以在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用，同時其使用溫度均高于復(fù)合材料基體。目前聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為350C；金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能，其使用溫度在3501100C范圍內(nèi)變動；陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可達(dá)1400C；而碳碳復(fù)合材料的使用溫度最高，可高達(dá)2800C。3、良好的尺寸穩(wěn)定性：參加增強(qiáng)體到基體材料中不僅可以提高材料的強(qiáng)度和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變復(fù)合材料中增強(qiáng)體的含量，可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。例如在石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料中，當(dāng)石墨纖維的含量到達(dá)48%時，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時其制品不發(fā)生熱變形。這對人造衛(wèi)星構(gòu)件非常重要。圖2-3不同材料的尺寸穩(wěn)定性和比模量4、良好的化學(xué)穩(wěn)定性：聚合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料具有良好的抗腐蝕性。5、良好的抗疲勞、蠕變、沖擊和斷裂韌性：由于增強(qiáng)體的參加，復(fù)合材料的抗疲勞、蠕變、沖擊和斷裂韌性等性能得到提高，特別是陶瓷基復(fù)合材料的脆性得到明顯改善6、良好的功能性能：包括光、電、磁、熱、燒蝕、摩擦及潤滑等性能。復(fù)合材料界面一、復(fù)合材料界面〔InterfaceorInterphase〕復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)相之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。復(fù)合材料的界面是一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，約幾個納米到幾個微米〔圖3-1、圖3-2〕。此區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任何一相。這一界面區(qū)由五個亞層組成，每一亞層的性能都與基體和增強(qiáng)相的性質(zhì)、復(fù)合材料成型方法有關(guān)。1、外力場2、基體3、基體外表區(qū)4、相互滲透區(qū)5、增強(qiáng)劑外表區(qū)6、增強(qiáng)劑圖3–1復(fù)合材料的界面示意圖圖3–2SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo復(fù)合材料界面透射電鏡照片及示意圖界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：〔1〕傳遞效應(yīng)：界面可將復(fù)合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間的橋梁作用?！?〕阻斷效應(yīng)：基體和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用?！?〕不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等?！?〕散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等?！?〕誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)〔通常是增強(qiáng)劑〕的外表結(jié)構(gòu)使另一種〔通常是聚合物基體〕與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒有的特性，它對復(fù)合材料具有重要的作用。界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與復(fù)合材料各組分的浸潤性、相容性、擴(kuò)散性等密切相關(guān)。界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度對復(fù)合材料的性能有重要影響。對于每一種復(fù)合材料都要求有適宜的界面結(jié)合強(qiáng)度。許多因素影響著界面結(jié)合強(qiáng)度，如外表幾何形狀、分布狀況、紋理結(jié)構(gòu)、外表雜質(zhì)、吸附氣體程度、吸水情況、外表形態(tài)、在界面的溶解、擴(kuò)散和化學(xué)反響、外表層的力學(xué)特性、潤濕速度等。界面結(jié)合較差的復(fù)合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過強(qiáng)的復(fù)合材料那么呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合材料的整體性能。界面最正確態(tài)的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進(jìn)一步界面脫粘；即這時的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。因此，在研究和設(shè)計界面時，不應(yīng)只追求界面結(jié)合而應(yīng)考慮到最優(yōu)化和最正確綜合性能。二、復(fù)合材料組分的相容性物理相容性：是指基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠枯d荷均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不會有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。另外，由于裂紋或位錯移動，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不應(yīng)在增強(qiáng)劑上形成高的局部應(yīng)力。另一個重要的物理關(guān)系是熱膨脹系數(shù)?；w與增強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)的差異對復(fù)合材料的界面結(jié)合產(chǎn)生重要的影響，從而影響材料的各類性能。例如對于韌性基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)。這是因為熱膨脹系數(shù)較高的相從較高的加工溫度冷卻是將受到張應(yīng)力；對于脆性材料的增強(qiáng)相，一般都是抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，處于壓縮狀態(tài)比較有利。而對于像鈦這類高屈服強(qiáng)度的基體，一般卻要求防止高的剩余熱應(yīng)力，因此熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差太大。化學(xué)相容性：化學(xué)相容性是一個復(fù)雜的問題。對原生復(fù)合材料，在制造過程是熱力學(xué)平衡的，其兩相化學(xué)勢相等，比外表能效應(yīng)也最小。對非平衡態(tài)復(fù)合材料，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。纖維和基體間的直接反響那么是更重要的相容性問題。但對高溫復(fù)合材料來說，以下因素與復(fù)合材料化學(xué)相容性有關(guān)的問題那么十分重要：相反響的自由能F：代表該反響的驅(qū)動力。設(shè)計復(fù)合材料時，應(yīng)確定所選體系可能發(fā)生反響的自由能的變化。2〕化學(xué)勢U：各組分的化學(xué)勢不等，常會導(dǎo)致界面的不穩(wěn)定。3〕外表能T：各組分的外表能可能很高，導(dǎo)致界面的不穩(wěn)定。4〕晶界擴(kuò)散系數(shù)D：由晶界或外表擴(kuò)散系數(shù)控制的二次擴(kuò)散效應(yīng)常使復(fù)合體系中組分相的關(guān)系發(fā)生很大變化。三、復(fù)合材料的界面理論界面潤濕理論界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對纖維外表的浸潤親和，即物理和化學(xué)吸附作用。液態(tài)樹脂對纖維外表的良好浸潤是十分重要的。浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界面缺陷和應(yīng)力集中，使界面強(qiáng)度下降。良好的或完全浸潤將使界面強(qiáng)度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。從熱力學(xué)觀點來考慮兩個結(jié)合面與其外表能的關(guān)系，一般用外表張力來表征。外表張力即為溫度和體積不變的情況下，自由能隨外表積增加的增量。=〔F/A〕TV此處為外表張力；F為自由能；A為面積；T和V分別為溫度和體積。當(dāng)兩個結(jié)合面結(jié)合了，那么體系中由于減少了兩個外表和增加了一個界面使自由能降低了。體系由于兩個外表結(jié)合而導(dǎo)致自由能的下降定義為粘合功。WA=S+L-SL式中S、L和SL下標(biāo)分別代表固體、液體和固液體。如圖2-3所示，角為接觸角。接觸角表示了液體潤濕固體的情況。圖3–3液滴在固體外表的不同潤濕情況當(dāng)>90°，液體不潤濕固體；=180°,固體外表完全不能被液體潤濕；當(dāng)<90°，液體潤濕固體；=0°，液體完全平鋪在固體外表。接觸角隨溫度、保持時間、吸附氣體等而變化。根據(jù)力的合成Lcos=S-SL，粘合功可表示為：WA=S+L-SL=L〔1+cos〕。粘合功WA最大時，cos=1，即=0，液體完全平鋪在固體外表。同時=SL,S=L。熱力學(xué)說明兩個外表結(jié)合的內(nèi)在因素，表示結(jié)合的可能性；動力學(xué)反映實際產(chǎn)生界面結(jié)合的外界條件，如溫度、壓力等的影響，表示結(jié)合過程的速度問題。產(chǎn)生良好結(jié)合的條件如下：液體粘度盡量低；2〕S略大于L，即`tL=`2`，0.81,：效率因子，液體在固體上擴(kuò)展的條件，它與溫度等活化過程有關(guān)。浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能。一種體系的兩個組元可能有極好的浸潤性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合。因此潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。2、機(jī)械作用理論：當(dāng)兩個外表相互接觸后，由于外表粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖〔圖3–4〕。圖3–4外表機(jī)械互鎖結(jié)合示意圖另一方面，盡管外表積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當(dāng)多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。如經(jīng)驗公式：Z2=Kcostδ/η，說明流入量Z是與液體外表張力、接觸角、時間和孔徑成正比，與粘度成反比。無法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應(yīng)力集中點。3、靜電理論：當(dāng)復(fù)合材料不同組分外表帶有異性電荷時，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效〔圖3–5〕。圖3–5外表靜電吸引結(jié)合示意圖4、化學(xué)鍵理論：在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價鍵結(jié)合〔圖3–6〕。在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能〔210-220J/mol〕。圖3–6外表結(jié)合化學(xué)鍵示意圖5、界面反響或界面擴(kuò)散理論在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴(kuò)散或反響，從而形成反響結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合〔圖3–7〕。D=D0exp〔-Q/RT〕D：擴(kuò)散系數(shù)；Q：擴(kuò)散激活能。X=kt1/2圖3–7界面反響結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合示意圖X：反響層厚度；k：反響速度常數(shù)。四、界面的表征界面性能較差---呈剪切破壞、可觀察到界面脫粘、纖維拔出纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過強(qiáng)---材料呈脆性斷裂。界面結(jié)合最正確狀態(tài)---當(dāng)受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域而不產(chǎn)生進(jìn)一步界面脫粘，即這時的復(fù)合材料具有最大的斷裂能和一定的韌性。1、界面結(jié)合強(qiáng)度的測定1宏觀測試法：1〕三點彎曲法：圖3–8三點彎曲試驗示意圖3–9測定界面拉伸強(qiáng)度時纖維的排布=3〔PS〕/2〔BD2〕=(3/4)(P/BD)圖3–10測定界面剪切強(qiáng)度時纖維的排布/=D/2S,I/cu<D/2S2)Iosipescu剪切試驗試驗圖3–11Iosipescu剪切試驗示意圖1-2單纖維試驗法圖3–12纖維拔出試驗示意圖圖3–13纖維拔出試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖圖3-14壓縮試驗測試界面剪切強(qiáng)度〔b〕和壓縮試驗測試界面拉伸強(qiáng)度(c)由此試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖可以求出界面剪切強(qiáng)度以及纖維拔出〔pull–out〕和脫粘debonding〕的能量。采用纖維拔出試驗，可通過圖3-13所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖可以求出界面剪切強(qiáng)度以及纖維拔出〔pull-out〕和脫粘〔debonding〕的能量。壓縮試驗測試界面剪切強(qiáng)度〔圖3-14b〕I~2.5c，壓縮試驗測試界面拉伸強(qiáng)度〔圖3-14c〕Iu=cc1-3微壓入試驗法〔圖3-15〕界面剪切強(qiáng)度：I=P24uR3Ef假設(shè)采用標(biāo)準(zhǔn)金剛石壓頭：u=〔b-a〕cot74圖3–15纖維微壓入試驗示意圖4〕聲發(fā)射〔AcousticEmissin，AE〕法：聲發(fā)射是當(dāng)固體材料在外部條件〔如載荷、溫度、磁場、環(huán)境介質(zhì)等〕發(fā)生變化時，由于其內(nèi)部原因而產(chǎn)生的瞬時彈性應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有材料內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動態(tài)信息，借助靈敏的電子儀器可以檢測到聲發(fā)射信號。用儀器檢測分析聲發(fā)射信號，推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。復(fù)合材料的損傷斷裂過程十分復(fù)雜，包括纖維、基體和界面的破壞和斷裂。各組元斷裂時釋放的聲能與其彈性模量和斷裂時各組元的范性形變量有關(guān)。由于各組元斷裂時釋放的聲能不同，即聲發(fā)射信號的強(qiáng)弱不同，那么利用聲發(fā)射技術(shù)就可以區(qū)分和識別復(fù)合材料界面的破壞和斷裂，從而可以分析界面的結(jié)合狀況，同時計算出界面強(qiáng)度。圖3–16富碳處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為圖3–17富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為圖3-16和圖3-17分別表示了不同纖維外表處理的SiCF/Al復(fù)合材料拉伸過程中的AE行為。圖中樣品AE過程出現(xiàn)的信號大小幾及次數(shù)的不同、對應(yīng)于樣品中不同部位的斷裂破壞、次數(shù)及其強(qiáng)度，同時E-A相關(guān)圖包絡(luò)的斜率不同的切線數(shù)目的不同也對應(yīng)于不同的斷裂機(jī)制。可以看出，富碳和富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過程中具有不同的AE行為，定性地反映了兩種纖維復(fù)合材料具有不同的界面以及不同的斷裂行為和機(jī)制。同時根據(jù)相關(guān)公式可以定量地求出復(fù)合材料的界面強(qiáng)度。2、界面結(jié)構(gòu)的表征界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過先進(jìn)儀器觀察分析。包括俄歇電子譜儀〔AES〕、電子探針〔EP〕、X光電子能譜儀〔XPS〕、掃描二次離子質(zhì)譜儀〔SSIMS〕、電子能量損失儀〔EELS〕、X射線反射譜儀〔GAXP〕、透射電子顯微鏡〔TEM〕、掃描電鏡〔SEM〕和拉曼光譜〔Raman〕等。圖3-18TiB2纖維外表涂層SiCF/Ti復(fù)合圖3-19SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo復(fù)合材料材料界面SEM分析照片界面透射電鏡照片五、界面剩余應(yīng)力復(fù)合材料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積收縮或膨脹〔通常為收縮〕，而增強(qiáng)體那么體積相對穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時又因增強(qiáng)體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱為界面剩余應(yīng)力。前一種情況下，如果基體發(fā)生收縮，那么復(fù)合材料基體受拉應(yīng)力，增強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。后一種情況下，通常是基體膨脹系數(shù)大于增強(qiáng)體，在成型溫度較高的情況下，復(fù)合材料基體受拉應(yīng)力，增強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。但隨著使用溫度的增高，熱應(yīng)力向反方向變化。界面內(nèi)應(yīng)力的大小可用下式表示：σIi=EmεmVm/3〔1-γm〕式中Em為基體彈性模量，γm為基體泊松比，εm為基體發(fā)生的應(yīng)變，Vm為基體的體積比。界面內(nèi)應(yīng)力的大小與界面的結(jié)合情況有關(guān)。如界面結(jié)合發(fā)生松弛滑移現(xiàn)象，那么內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)減少。界面熱應(yīng)力的大小可用下式表示：σIi=Em〔Tc–t〕△α式中Em為基體彈性模量，Tc為成型溫度，t為使用溫度，△α為基體與增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)差。界面剩余應(yīng)力可以通過對復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，使界面松弛而降低，但受界面結(jié)合強(qiáng)度的控制，在界面結(jié)合很強(qiáng)的情況下效果不明顯。界面剩余應(yīng)力的存在對復(fù)合材料的力學(xué)性能有影響，其利弊與加載方向和復(fù)合材料剩余應(yīng)力的狀態(tài)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合材料界面存在剩余應(yīng)力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。測量界面剩余應(yīng)力的主要方法有X射線衍射法和中子衍射法。中子的穿透能力較X射線強(qiáng)，可用來測量界面內(nèi)應(yīng)力；其結(jié)果是很大區(qū)域的應(yīng)力平均值。X射線衍射法只能測定樣品外表的剩余應(yīng)力。同步輻射連續(xù)X射線能量色散法和會聚束電子衍射法也可用來測定復(fù)合材料界面附近的應(yīng)力和應(yīng)變變化。特別是同步輻射連續(xù)X射線能量色散法兼有較好的穿透能力和對剩余應(yīng)變梯度的高空間分辨率，可測量界面附近急劇變化的剩余應(yīng)力。此外，激光Raman光譜法可測量界面層相鄰纖維的振動頻率，根據(jù)纖維標(biāo)定確定界面層的剩余應(yīng)力。目前，應(yīng)用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射線衍射法。第四章復(fù)合材料的復(fù)合理論一、復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制1、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制1〕顆粒阻礙基體位錯運動強(qiáng)化：基體是承受外來載荷相；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了位錯的流動性〔圖4-1、圖4-2〕。圖4–1顆粒起著阻礙基體位錯運動作用示意圖顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度直接與顆粒的硬度成正比，因為顆粒必須抵抗位錯堆集而產(chǎn)生的應(yīng)力，另外，顆粒相與基體的結(jié)合力同樣影響著材料的強(qiáng)度。圖4-2位錯在晶面上滑移〔a〕和在TiC顆粒前位錯的塞積〔b〕顆粒相與基體的界面處于低能量狀態(tài)是有益的，因為這對顆粒阻礙基體位錯運動是必須的。高的界面能相當(dāng)一個空洞環(huán)繞著顆粒，這樣不僅降低了顆粒阻礙基體位錯運動的能力，而且在材料結(jié)構(gòu)中起到了一個微裂紋的作用。2〕不均勻變形引起位錯增殖強(qiáng)化顆粒復(fù)合材料的變形屬于兩相不均勻變形。較硬的顆粒不變形或變形較小，因此在界面上形成較高的形變不匹配，產(chǎn)生較高的變形應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力集中在顆粒的某個部位時，在界面的某個柱面的分切應(yīng)力作用下，在交界的柱面上萌生位錯環(huán)并沿柱面移動。該應(yīng)力的釋放靠放出位錯環(huán)實現(xiàn)，從而增加了基圖4-3兩相不均勻變形在界面形成的位錯環(huán)體位錯的密度〔圖4-3〕。大量的位錯之間產(chǎn)生摩擦、纏繞，在應(yīng)力的作用下形成細(xì)小的胞狀組織，即亞晶。根據(jù)Kuhlman-Wilsdorf關(guān)系，位錯胞越小，強(qiáng)化效果越大。3〕彌散和Orowan強(qiáng)化小的剛性顆粒對復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制有三種；〔1〕小粒子由于其對晶界的拖曳作用，細(xì)化了復(fù)合材料基體的晶粒。由于這一拖曳作用，不僅可使基體中的細(xì)晶和亞晶穩(wěn)定化，也能使加工拉長的晶粒形狀特征穩(wěn)定化，這對復(fù)合材料高溫蠕變性能十分有利。晶粒細(xì)化增強(qiáng)的幅度可以利用以下公式計算：=f+kd-1/2式中d為晶粒尺寸?！?〕位錯與細(xì)小粒子相互作用而產(chǎn)生的強(qiáng)度增量。它由Orowan關(guān)系表示：0=[0.83bLn(2r/r0)]/[2(1-)1/2(S-2rS)]式中：Taylor因子，：切變模量，b：柏矢模量，：泊松比，r：粒子半徑，r0：位錯芯半徑，(S-2rS)：粒子間距。顯然當(dāng)增強(qiáng)體粒子體積分?jǐn)?shù)一定時，粒子尺寸越大，粒子間距就越大，Orowan強(qiáng)化項就愈弱。由于小粒子是不可穿透的硬粒子，在變形過程中位錯只能被迫繞過粒子并留下一位錯環(huán)圍繞粒子，說明小粒子通過影響維持位錯源以及作為位錯運動的釘扎中心改變基體的滑移行為。當(dāng)粒度在1m以下時，Orowan強(qiáng)化機(jī)制起較大作用?！?〕小的剛性粒子對顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度的另一種作用是使基體加工硬化率提高。受位錯周圍的應(yīng)力場的限制，位錯穿過晶格的運動受到其它位錯的影響，這會導(dǎo)致金屬基體的硬化?；谖诲e的硬化理論可以用以下公式表達(dá)：f+kGb1/2：每單位體積位錯密度。當(dāng)復(fù)合材料從制備溫度冷卻到室溫時，由于基體和增強(qiáng)體的熱不匹配性，在復(fù)合材料中產(chǎn)生了大量位錯。這也是顆粒/金屬基復(fù)合材料的一個重要增強(qiáng)機(jī)制。另外，復(fù)合材料中的裂紋的擴(kuò)展在顆粒前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強(qiáng)度。2、纖維〔包括晶須、短纖維〕復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制基體：通過界面將載荷有效地傳遞到增強(qiáng)相〔晶須、纖維等〕，不是主承力相。纖維：承受由基體傳遞來的有效載荷，主承力相。假定纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比相同；在外力作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不同形變〔位移〕，在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，通過界面將外力傳遞到纖維上〔圖4-2、4-3〕。圖4–4短纖維周圍的應(yīng)變圖4–5纖維上和界面上的應(yīng)力分布在纖維上的拉力為:fu(d2/4),在界面上的剪切力為:dlc/2。當(dāng)fu(d2/4)=dlc/2時，〔l/d〕c=fu//2y，〔l/d〕c為纖維臨界長徑比,lc為纖維臨界長度。當(dāng)〔l/d〕c10時，復(fù)合材料可獲得理想的增強(qiáng)效果。二、復(fù)合材料的復(fù)合法那么—混合定律1、混合定律〔RuleofMixtures〕：當(dāng)復(fù)合材料滿足以下條件：〔1〕復(fù)合材料宏觀上是均質(zhì)的，不存在內(nèi)應(yīng)力；〔2〕各組分材料是均質(zhì)的各向同性(或正交異性)及線彈性材料；〔3〕各組分之間粘結(jié)牢靠，無空隙，不產(chǎn)生相對滑移。復(fù)合材料力學(xué)性能同組分之間的關(guān)系可用以下通式表示：Xc=XmVm+XfVf或Xc=XfVf+Xm〔1-Vf〕式中：X：材料的性能，如強(qiáng)度、彈性模量、密度等；V：材料的體積百分比；下腳標(biāo)c、m、f分別代表復(fù)合材料、基體和纖維。2、連續(xù)纖維單向增強(qiáng)復(fù)合材料〔單向?qū)影濉?-1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和彈性模量在復(fù)合材料承受靜張應(yīng)力過程中，應(yīng)力—應(yīng)變經(jīng)歷以下階段〔圖4-6〕：基體、纖維共同彈性變形；2〕基體塑性屈服、纖維彈性變形；3〕基體塑性變形、纖維彈性變形或基體、纖維共同塑性變形；4〕復(fù)合材料斷裂。對于復(fù)合材料的彈性模量：階段1：E=EfVf+Em〔1-Vf〕階段2：E=EfVf+(dm/dm)(1-Vf)dm/dm為復(fù)合體的應(yīng)變?yōu)闀r基體應(yīng)力–應(yīng)變曲線的斜率。圖4–6纖維復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變過程示意圖2-2、復(fù)合材料的抗張強(qiáng)度當(dāng)復(fù)合材料中纖維與基體在受力過程中處于線彈性變形且基體的斷裂延伸大于纖維的斷裂延伸時，單向纖維復(fù)合材料的抗張強(qiáng)度〔圖4-5〕用下式表示：cu=fVf+mVm或cu=fVf+m〔1-Vf〕f：纖維的抗張強(qiáng)度；m：對應(yīng)纖維斷裂應(yīng)變f時基體的抗張強(qiáng)度?？紤]到基體與纖維的結(jié)合情況：圖4–5纖維復(fù)合材料中纖維體積比cu=KfVf+mVmK<1。與強(qiáng)度關(guān)系示意圖在纖維量非常小的情況：cu=mu〔1-Vf〕纖維的最小體積比：Vfmin=(mu-(m))/(fu+mu-(m))纖維的臨界體積比:Vfcrit=(mu-(m))/(fu-(m))2-3、泊松比當(dāng)材料拉伸或壓縮時，在彈性范圍內(nèi)，縱、橫向應(yīng)變之比為泊松比。假定復(fù)合材料縱向拉伸或壓縮時，纖維與基體的縱向應(yīng)變相等，且等于復(fù)合材料的縱向應(yīng)變，即f=m=c，那么縱向泊松比為：LT=fVf+mVm或LT=fVf+m〔1-Vf〕假設(shè)考慮纖維與界面的結(jié)合情況LT=fVf〔1-K〕+KVf+m(K-Vf)(1-K)其中K為纖維與基體未結(jié)合的百分比；是與受力狀態(tài)、脫粘區(qū)狀態(tài)等有關(guān)的常數(shù)。泊松比與彈性模量之間的關(guān)系：TL=LT〔EcT/EcL〕2-4、剪切強(qiáng)度：LT=fVf+m〔1-Vf〕復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度：在沿纖維方向受剪切時，剪切力發(fā)生在沿纖維方向的纖維層內(nèi)，它決定于基體或界面的剪切強(qiáng)度。復(fù)合材料的面內(nèi)剪切強(qiáng)度：在垂直纖維方向承受剪切時，剪切力發(fā)生在垂直纖維的截面內(nèi)，剪切力由基體和纖維共同承當(dāng)。3、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3-1、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量：E=0LEfVf+Em〔1-Vf〕式中：L為長度有效系數(shù)：L=1-[tanh(1/2)l]/(1/2)l]，=[8Gm/Efd2loge(2/d)]1/2Ef：纖維彈性模量；2：纖維間距；Gm：基體剪切模量。0為取向有效因子：3-2、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗張強(qiáng)度假設(shè)l<lc，cu=〔l/d〕Vf+m〔1-Vf〕當(dāng)l>lc時：cu=fu[1-〔lc/2l〕]Vf+m〔1-Vf〕或cu=2lc/d[1-(lc/2l)]Vf+m(1-Vf)l>10lc時，短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能趨近于連續(xù)纖維性能；l<5lc時，短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能遠(yuǎn)不如連續(xù)纖維性能。圖4–6短纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度與纖維長度的關(guān)系示意圖第五章復(fù)合材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計根底一、復(fù)合材料力學(xué)：研究對象：單層板和層合板兩個結(jié)構(gòu)層次。研究內(nèi)容：微觀力學(xué)：纖維、基體組分性能與單層板性能的關(guān)系。宏觀力學(xué)：層合板的剛度與強(qiáng)度分析、溫濕環(huán)境的影響等。1、單層復(fù)合材料1-1“微觀力學(xué)〞方法：成認(rèn)材料的多相性，研究各相材料的相互作用。運用非均質(zhì)力學(xué)的手段描述各相中的真實應(yīng)力場和應(yīng)變場，在某些假定的根底上建立起分析模式，以模擬、分析和預(yù)測復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能。其結(jié)果必須用宏觀試驗來驗證。在解釋機(jī)理、發(fā)現(xiàn)材料本質(zhì)，提出改良和正確使用復(fù)合材料的方案時是十分重要的。1-2“宏觀力學(xué)〞方法：假定材料是均勻的，將各相材料的影響作為復(fù)合材料的平均表現(xiàn)性能來考慮。材料的各類參數(shù)〔如應(yīng)力、應(yīng)變等〕定義在宏觀尺度上，是在宏觀尺度上的某種平均值，稱之為“表觀參數(shù)〞。在宏觀力學(xué)中，材料的各類參數(shù)只能靠宏觀試驗來獲得。宏觀力學(xué)始終以試驗結(jié)果作為根據(jù)，具有很強(qiáng)的實用性和可靠性。2、層合復(fù)合材料：成認(rèn)材料在板厚方向的非均質(zhì)性，即層合板是由假設(shè)干單層板所構(gòu)成，由此開展起來的理論稱為“層合理論〞。該理論以單層復(fù)合材料的宏觀性能為依據(jù)，以非均質(zhì)力學(xué)的手段來研究層合復(fù)合材料的性能，屬于宏觀力學(xué)的范圍。二、復(fù)合材料的單層設(shè)計復(fù)合材料的設(shè)計包括“單層設(shè)計〞、“鋪層設(shè)計〞和“結(jié)構(gòu)設(shè)計〞三個層次。單層設(shè)計：包括增強(qiáng)材料、基體材料及配比的選擇。獨立的彈性參數(shù)：縱向彈性模量EL、橫向彈性模量ET、縱橫向泊松比、縱橫向剪切模量GLT。交叉效應(yīng)：在材料的非主方向坐標(biāo)系中，正應(yīng)力會引起剪應(yīng)變，剪應(yīng)力會引起線應(yīng)變。這是各向同性材料所沒有的現(xiàn)象。根本強(qiáng)度：縱向拉伸強(qiáng)度〔FLt〕、縱向壓縮強(qiáng)度〔FLc〕、橫向拉伸強(qiáng)度〔FTt〕、橫向壓縮強(qiáng)度〔FTc〕、縱橫向剪切強(qiáng)度〔FLT〕。單層板的各類參數(shù)都是方向的參數(shù)。1、單向?qū)訌椥猿?shù)預(yù)測公式縱向彈性模量：EL=EfVf+Em〔1-Vf〕縱向泊松比：L=fVf+m〔1-Vf〕橫向彈性模量：ET=EfEm/[EmVf+Ef〔1-Vf〕]修正公式：1/ET=Vf/Ef+Vm/EmVf=Vf/〔Vf+fVm〕,Vm=TVm/〔Vf+TVm〕橫向泊松比：T=LET/EL面內(nèi)剪切彈性模量：GLT=GmGf/[GmVf+Gf〔1-Vf〕]修正公式：1/GTL=Vf/Gf+Vm/GmVf=Vf/〔Vf+LTVm〕,Vm=LTVm/〔Vf+LTVm〕值由試驗確定，對玻璃/環(huán)氧可取0.5。Halphin-Tsai半經(jīng)驗公式：M=Mm(1+Vf)/(1-Vf)M和Mm為復(fù)合材料和基體的有關(guān)性能；=(Mm/Mf-1)/(1+Mm/Mf):增強(qiáng)作用的量度取2時，估算ET；取1時，估算GLT；取時，估算Em。2、正交層的工程彈性常數(shù)預(yù)測公式縱向彈性模量：EL=k[EL1nL/(nL+nT)+ET2nT/(nL+nT)]橫向彈性模量：ET=k[EL2nL/(nL+nT)+ET1nT/(nL+nT)]縱向泊松比：L=L1ET1(nL+nT)/(nLET1+nTEL2)橫向泊松比：T=LET/EL；面內(nèi)剪切彈性模量：GLT=kGL1T1nL、nT：單位寬度的正交層中經(jīng)向、緯向的纖維量。EL1、EL2：經(jīng)線和緯線作為單向?qū)訒r纖維方向的彈性模量。ET1、ET2：經(jīng)線和緯線作為單向?qū)訒r垂直纖維方向的彈性模量。L1：由經(jīng)線和緯線作為單向?qū)訒r的縱向泊松比。GL1T1：由經(jīng)線和緯線作為單向?qū)訒r的面內(nèi)剪切彈性模量。K：波紋影響系數(shù)，取0.90-0.95。3、單層板強(qiáng)度預(yù)測公式1)縱向拉伸強(qiáng)度預(yù)測公式：T=fVf+m〔1-Vf〕；VfVfminT=mu〔1-Vf〕；VfVfminf：纖維的抗張強(qiáng)度；m：對應(yīng)纖維斷裂應(yīng)變f時基體的抗張強(qiáng)度。Rosen纖維統(tǒng)計強(qiáng)度模型：纖維復(fù)合材料常用的纖維一般多是高強(qiáng)脆性纖維，纖維強(qiáng)度有較大的離散性，因此Rosen考慮統(tǒng)計強(qiáng)度分布模型，得到縱向拉伸強(qiáng)度：Tmax=refVf[〔1-Vf1/2〕/Vf1/2]1/2ref為參考應(yīng)力，是纖維和基體性能的函數(shù)；是纖維強(qiáng)度韋泊分布的統(tǒng)計參數(shù)。單向纖維復(fù)合材料縱向拉伸破壞機(jī)理破壞過程的3個階段：第一階段是低應(yīng)力下少數(shù)纖維的早期斷裂階段；第二階段是損傷的擴(kuò)展階段；第三階段是最終破壞階段。3個階段的開展都與纖維、基體及界面的性能密切相關(guān)。復(fù)合材料采用的高強(qiáng)纖維的脆性、其強(qiáng)度的離散性決定了在較低應(yīng)力下就有少量纖維首先斷裂。纖維一旦斷裂，在斷口附近界面上有較大的剪應(yīng)力〔τm〕集中和在斷口裂紋尖端的基體中有較大的正應(yīng)力〔σm〕集中〔圖5–1〕；并將斷裂纖維卸下的應(yīng)力傳遞到相鄰纖維，使斷口附近的纖維有“過應(yīng)力〞—比遠(yuǎn)處平均應(yīng)力更高的應(yīng)力〔圖5–2〕。圖5–1纖維斷口處界面和基體應(yīng)力圖5–2纖維斷口處斷裂纖維和相鄰纖維的應(yīng)力可以設(shè)想復(fù)合材料有4種損傷擴(kuò)展形式：1〕纖維和基體在界面上脫粘〔圖5–3a〕；2〕基體屈服〔圖5–3b〕；3〕纖維斷口裂紋直接向基體內(nèi)擴(kuò)展〔圖5–3c〕；4〕相鄰纖維相繼發(fā)生斷裂。根據(jù)不同的損傷擴(kuò)展形式，最終導(dǎo)致3種典型的破壞形式：1〕纖維束型的破壞。沒有發(fā)揮纖維的最高強(qiáng)度〔圖5–4a〕。2〕斷裂型破壞。纖維強(qiáng)度發(fā)揮最低〔圖5–4b〕。3〕積累損傷型破壞?？砂l(fā)揮纖維的最高強(qiáng)度〔圖5–4c〕。圖5–3纖維斷口處的損傷擴(kuò)展圖5–4纖維復(fù)合材料的三種典型破壞形式2〕縱向壓縮強(qiáng)度預(yù)測公式：單向復(fù)合材料的縱向壓縮，由于纖維剛度遠(yuǎn)大于基體剛度，而纖維能承受壓縮應(yīng)力是由于得到了基體的橫向支撐。因此單向復(fù)合材料的縱向壓縮強(qiáng)度問題實質(zhì)上就是基體彈性支撐下纖維的臨界失穩(wěn)應(yīng)力問題。圖5–5纖維復(fù)合材料的拉壓和剪切模型Dowr和Rosen將纖維簡化為片狀，根據(jù)纖維屈曲失穩(wěn)時可能為同向屈曲或反向屈曲，建立了橫向拉壓模型〔纖維反向屈曲〕和剪切模型〔纖維同向屈曲〕〔如圖5–5所示〕，推導(dǎo)出單向復(fù)合材料的縱向壓縮強(qiáng)度理論預(yù)測公式：拉壓模型：c=2Vf[VfEfEm/3(1-Vf)]1/2剪切模型：c=Gm/(1-Vf)Ef：纖維彈性模量；Em：基體彈性模量；Gm：基體剪切彈性模量；Vf：纖維體積含量?？v向壓縮強(qiáng)度取以上兩式計算值的小值。3〕單向復(fù)合材料的橫向拉伸和壓縮強(qiáng)度〔1〕等應(yīng)變假設(shè)〔圖5–6a〕：圖5–6正方形纖維截面模型區(qū)域III基體承受最大應(yīng)力。T=m或T=STT、m和ST分別為復(fù)合材料的橫向拉伸強(qiáng)度、基體和界面拉伸強(qiáng)度。橫向拉伸強(qiáng)度取m和ST中較小者。橫向壓縮強(qiáng)度：T=mT、m分別為復(fù)合材料和基體的橫向壓縮強(qiáng)度?！?〕等應(yīng)力假設(shè)〔圖5-6b〕區(qū)域II基體承受應(yīng)變最大，可以用區(qū)域II基體的破壞來判定橫向強(qiáng)度。橫向拉伸強(qiáng)度：T=[1-(1-Em/Ef)Vf1/2]ETm/Em或T=ST復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度取以上兩式中最小值。橫向壓縮強(qiáng)度：T=[1-(1-Em/Ef)Vf1/2]ETm/Em當(dāng)復(fù)合材料界面結(jié)合較強(qiáng)時，單向復(fù)合材料的橫向強(qiáng)度主要由基體強(qiáng)度確定，等于基體強(qiáng)度乘以一個小于1的因子。4〕單向纖維復(fù)合材料的縱橫剪切強(qiáng)度圖5–7正方形纖維截面模型〔1〕等應(yīng)變假設(shè)〔圖5-7a〕LT=m或LT=SsLT、m和Ss分別為復(fù)合材料的縱橫剪切強(qiáng)度、基體以及界面剪切強(qiáng)度。復(fù)合材料的縱橫剪切強(qiáng)度取以上兩式中最小值?！?〕等應(yīng)力假設(shè)〔圖5-7b〕LT=[1-(1-Gm/Gf)Vf1/2]GLT/Gm或LT=Ss復(fù)合材料的縱橫剪切強(qiáng)度取以上兩式中最小值。當(dāng)復(fù)合材料界面結(jié)合較強(qiáng)時，單向復(fù)合材料的縱橫剪切強(qiáng)度主要基體強(qiáng)度確定，等于基體強(qiáng)度乘以一個小于1的因子。4、復(fù)合材料的強(qiáng)度準(zhǔn)那么強(qiáng)度準(zhǔn)那么：材料在多向應(yīng)力狀態(tài)作用下，其失效應(yīng)力的判斷依據(jù)。為推導(dǎo)出強(qiáng)度準(zhǔn)那么，人們對材料破壞提出的解釋稱為強(qiáng)度理論。一般所說的復(fù)合材料的強(qiáng)度準(zhǔn)那么是指復(fù)合材料單層板的強(qiáng)度準(zhǔn)那么。復(fù)合材料層合板的強(qiáng)度準(zhǔn)那么可根據(jù)單層板的強(qiáng)度準(zhǔn)那么和層合板的具體鋪設(shè)方式進(jìn)行計算預(yù)測。宏觀強(qiáng)度準(zhǔn)那么：直接由常規(guī)均質(zhì)各向同性材料強(qiáng)度準(zhǔn)那么推廣得到，尋求一個以單向應(yīng)力強(qiáng)度為參數(shù)的準(zhǔn)那么方程，以擬合材料在任意應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度。它不涉及材料的具體破壞形式和機(jī)理，故又稱為唯象強(qiáng)度準(zhǔn)那么。細(xì)觀強(qiáng)度準(zhǔn)那么：試圖以材料細(xì)觀層次〔即基體、纖維和界面〕的破壞形式和機(jī)理為基礎(chǔ)，建立一個以細(xì)觀組分性能為參數(shù)的強(qiáng)度準(zhǔn)那么方程。1〕復(fù)合材料的宏觀強(qiáng)度準(zhǔn)那么在平面應(yīng)力狀態(tài)下，有如下表達(dá)形式：〔1〕最大應(yīng)力準(zhǔn)那么Xt、Xc分別為縱向拉伸和壓縮強(qiáng)度；Yt、Yc分別為橫向拉伸和壓縮強(qiáng)度；S為縱橫剪切強(qiáng)度。以上只要1個方程成立，單層板就發(fā)生破壞，對應(yīng)的應(yīng)力為單層板性能?！?〕最大應(yīng)變準(zhǔn)那么Lt、Lc分別為縱向拉伸和壓縮破壞應(yīng)變；Tt、Tc分別為橫向拉伸和壓縮破壞應(yīng)變S為縱向剪切破壞應(yīng)變。以上只要1個方程成立，單層板就生破壞，對應(yīng)的應(yīng)力為單層板性能?！?〕應(yīng)力二次方程型強(qiáng)度準(zhǔn)那么〔3〕-1僅含有應(yīng)力的二次項形式a1112+a2222+2a1212+a66212=1Tsai-Hill準(zhǔn)那么：12/X2+22/Y2+12/XY+212/S2=1〔3〕-2含有應(yīng)力一、二次項形式a11+a22+a1112+a2222+2a1212+a66212=1Tsai-Wu準(zhǔn)那么a12的取值：對于Tsai-Wu準(zhǔn)那么，一般-1<a*12<1，a*12=a12a11a22，(設(shè)a*12=-0.5)〔3〕-3含有應(yīng)力一次項和二次項平方根的形式a11+a22+(a1112+a2222+2a1212+a66212)1/2=1〔4〕強(qiáng)度比方程〔4〕-1強(qiáng)度比的定義在作用應(yīng)力下，極限應(yīng)力的某一分量與其對應(yīng)的作用應(yīng)力分量之比稱為強(qiáng)度比R，即R=〔a〕/式中：為作用的應(yīng)力分量；〔a〕為對應(yīng)于的極限應(yīng)力分量。對于一般的平面應(yīng)力狀態(tài)，R=1〔a〕/1=2〔a〕/2=6〔a〕/6圖5–8三維應(yīng)力空間中的應(yīng)力矢量又由于是線彈性材料，應(yīng)變和應(yīng)力成一一對應(yīng)的線性關(guān)系，故R=〔a〕/=〔a〕/式中：為作用的應(yīng)變分量；〔a〕為對應(yīng)于的極限應(yīng)變分量。強(qiáng)度比R取值的含義是：Ⅰ、當(dāng)作用的應(yīng)力或應(yīng)變?yōu)榱銜r，即=(i=1,2,6),R=∞。Ⅱ、當(dāng)作用的應(yīng)力或應(yīng)變?yōu)槠桨仓禃r，即R>1。R的具體數(shù)值說明，作用應(yīng)力或應(yīng)變到達(dá)失效時尚可增加的應(yīng)力或應(yīng)變的倍數(shù)為R–1。假設(shè)R=2，那么尚可增加一倍的載荷；R越大，可增加載荷的倍數(shù)也越多，故R是平安程度的一種量度。Ⅲ、當(dāng)作用的應(yīng)力或應(yīng)變到達(dá)極限值時，R=1。Ⅳ、R不能小于1，小于1沒有實際意義?！?〕-2各種失效判據(jù)的強(qiáng)度比方程Tsai-Wu準(zhǔn)那么：〔Rjj〕R2+〔F〕R=1Tsai-Hill準(zhǔn)那么：〔12/X2+22/Y2+12/XY+212/S2〕R2=12〕復(fù)合材料的細(xì)觀強(qiáng)度準(zhǔn)那么纖維復(fù)合材料由纖維和基體兩種材料組成，本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)物它的破壞形式是以細(xì)觀不均勻結(jié)構(gòu)特征，在纖維、基體和界面三者中最薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生破壞的形式。因此，細(xì)觀力學(xué)的方法首先是從復(fù)合材料承受的表觀應(yīng)力條件、組分材料性能和含量出發(fā)，根據(jù)一定的力學(xué)模型，求出材料所承受的應(yīng)力。再用組分材料所服從的破壞準(zhǔn)那么，判斷組分材料是否已到達(dá)破壞狀態(tài)，并以組分材料的破壞作為復(fù)合材料的破壞判據(jù)。Skuda細(xì)觀強(qiáng)度準(zhǔn)那么：〔1〕基體拉伸破壞：(1-Vm)(r2/m)2+(212/um)2=1〔2〕界面破壞：拉-剪應(yīng)力下：r(ub)22+2rzbu122=(ub)2bu壓-剪應(yīng)力下：-r(ub)22+2rzbu122=(ub)2bu〔3〕剪切控制基體破壞：22+2(1+Vm)212+2(22+4212)1/2=2(m)2〔4〕壓縮剪切控制基體破壞：22+2(1+Vm)212+2(22+4212)1/2=2(T)2式中：m、um、ub、bu和T分別為基體拉伸、剪切、界面拉伸強(qiáng)度和單向復(fù)合材料的橫向壓縮強(qiáng)度。r和rz是反映基體應(yīng)力不均勻的無量綱增大系數(shù)。5、平面正交織物復(fù)合材料的強(qiáng)度1〕平面正交織物復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度：徑向拉伸強(qiáng)度：L=fVfhL+m〔1-VfhL〕緯向拉伸強(qiáng)度：T=fVfhT+m〔1-VfhT〕式中hL、hT分別為徑向和緯向所占纖維量百分比。2〕平面正交織物復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度：徑向壓縮強(qiáng)度：L=CTEfVfhL+mCT〔1-VfhL〕緯向壓縮強(qiáng)度：T=CTEfVfhT+mCT〔1-VfhT〕式中CT、mCT分別為纖維壓縮失穩(wěn)破壞時的臨界應(yīng)變和對應(yīng)的基體應(yīng)變。3〕平面正交織物復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度：〔1〕等應(yīng)變假設(shè)LT=m或LT=SsLT、m和Ss分別為復(fù)合材料的縱橫剪切強(qiáng)度、基體以及界面剪切強(qiáng)度。復(fù)合材料的縱橫剪切強(qiáng)度取以上兩中最小值。〔2〕等應(yīng)力假設(shè)LT=[1-(1-Gm/Gf)Vf1/2]GLT/Gm或LT=Ss復(fù)合材料的縱橫剪切強(qiáng)度取以上兩式中最小值。6、應(yīng)力的轉(zhuǎn)換1〕轉(zhuǎn)換的術(shù)語單向?qū)雍习?，特別是多向?qū)雍习宓母麂亴?，其面?nèi)力學(xué)性能隨鋪層方向的變化是不同的。這是復(fù)合材料獨有的特點，也是復(fù)合材料力學(xué)的復(fù)雜性與特異性的根本原因之一。圖5-8單向?qū)雍习宓膯卧w及其別離體〔1〕1-2坐標(biāo)系：它是由材料的兩個主方向組成的坐標(biāo)系，1是縱向，2是橫向。這樣的坐標(biāo)系稱之謂正軸坐標(biāo)系。在正軸坐標(biāo)系下，材料呈正交各向異性的性能?！?〕x-y坐標(biāo)系：除正軸向以外的其余坐標(biāo)方向稱為偏軸向，通常用坐標(biāo)系x-y表示。在在偏軸坐標(biāo)系下，材料呈各向異性的性能。〔3〕鋪層方向角：材料的主方向1軸與x軸成一角度〔見圖5-8〕，稱為鋪層方向角。規(guī)定參考軸坐標(biāo)軸坐標(biāo)〔即偏軸〕x至1軸的夾角，以逆時針轉(zhuǎn)向為正，以順時針轉(zhuǎn)向為負(fù)。鋪層方向角是復(fù)合材料所特有的?！?〕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換角：它說明坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前后的夾角。一般規(guī)定，從轉(zhuǎn)換前的軸〔舊軸〕轉(zhuǎn)換后的新軸，以逆時針為正，以順時針為負(fù)。偏軸至正軸的轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換角等于鋪層方向角，即=+，稱為正轉(zhuǎn)換。正軸至偏軸的轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換角等于負(fù)的鋪層方向角，即=-，稱為負(fù)轉(zhuǎn)換。2〕應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式倍角函數(shù)形式的應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式：1=(x+y)/2+(x-y)/2cos2+xysin22=(x+y)/2-(x-y)/2cos2-xysin212=xycos2-(x-y)/2sin2假設(shè)設(shè)：Pxy=(x+y)/2qxy=(x-y)/2xy=xy那么1=Pxy+qxycos2+xysin22=Pxy-qxycos2-xysin212=xycos2-qxysin2寫成矩陣形式為：1=1cos2sin2Pxy2=1-cos2-sin2qxy12=0-sin2cos2xy或：1=Pxyqxyxy12=Pxy-qxy-xycos212=0xy-qxysin23〕應(yīng)力不變量隨著的變化，1、2以及12是變化的。但是，存在兩個不變量，即P12和〔q212+212〕是兩個不隨著變化的量，分別稱為一階不變量和二階不變量，記為I和R2：I≡P12=Pxy，R2≡q212+212=q2xy+2xy4〕應(yīng)力圓、主平面、主應(yīng)力和相位角取為橫坐標(biāo)軸，為縱坐標(biāo)軸，以I=Pxy為圓心，R2=√q2xy+2xy為半徑作圓，那么此圓即為相對應(yīng)于該應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓〔圖5-9〕，而應(yīng)力不變量I和R2分別為應(yīng)力圓的圓心位置和半徑的平方。圖5-9應(yīng)力圓由應(yīng)力圓可見，當(dāng)=0時，，對應(yīng)的點為A1點，此時12=0，即剪切力等于零，其在單元體上對應(yīng)的平面稱為主平面，而主平面上對應(yīng)的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力。這時在正交各向異性材料的主方向上只有正應(yīng)力，沒有剪切力。為要使正交各向異性材料的主方向為正應(yīng)力狀態(tài)，就需確定主平面的方位，即確定0。角度0稱為相位角。20=tg-1〔2xy/〔x-y〕〕為要確切地確定最大主應(yīng)力〔記為I〕的主平面方位，即對應(yīng)于A1點的主平面，20的取值規(guī)那么為：當(dāng)2xy/〔x-y〕為+/+時，20取第一象限的值，為-/-時，取第二象限的值，為+/-時，取第三象限的值，為-/+時，取第四象限的值。應(yīng)力圓中對應(yīng)于A2點的主平面方位，正好與上述最大正應(yīng)力的主平面方位差90o，該主平面上的正應(yīng)力為最小值，記為II。在q-坐標(biāo)系下，確定最大正應(yīng)力的主平面方位角〔即相位角〕按如下公式：20=tg-1xy/qxy如果在給定鋪層方向角的情況下，將原先的換成，那么同樣可得在任意轉(zhuǎn)換角的截面方位上的應(yīng)力分量。5〕不變量函數(shù)形式的轉(zhuǎn)換公式1=I+Rcos2〔0-〕2=I-Rcos2〔0-〕12=Rsin2〔0-〕11cos2〔0-〕I2=1-cos2〔0-〕120sin2〔0-〕R7、復(fù)合材料的其它性能〔1〕復(fù)合材料的疲勞性能復(fù)合材料具有比金屬好得多的疲勞性能。金屬中疲勞損傷的擴(kuò)展往往比較迅速，破壞非常突然；而復(fù)合材料從產(chǎn)生疲勞損傷到發(fā)生疲勞破壞往往要經(jīng)歷一段相對較長的損傷積累過程；金屬對缺口、開孔等應(yīng)力集中比較敏感，而復(fù)合材料那么要遲鈍得多〔圖5–10〕；復(fù)合材料內(nèi)阻尼較大，有利于消振；但阻尼高發(fā)熱量也大，溫度升高對復(fù)合材料性能有不利的影響。圖5-10復(fù)合材料和金屬的疲勞破壞性能從復(fù)合材料的S-N曲線可以看出，疲勞應(yīng)力S與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的對數(shù)根本上是線性關(guān)系，可以表達(dá)為：S=S0-lnN，式中S0為N=1時的應(yīng)力，即靜應(yīng)力；為材料常數(shù)。疲勞極限與疲勞特征〔即應(yīng)力循環(huán)中，最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比〕直接相關(guān)。為了得到不同疲勞特征下的疲勞極限，需要繪制疲勞極限的平均應(yīng)力–應(yīng)力振幅A圖?！?〕復(fù)合材料的蠕變性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的蠕變性能由組分材料性能及細(xì)觀結(jié)構(gòu)形式所決定。樹脂基體在長期靜載作用下會產(chǎn)生較大的蠕變；而增強(qiáng)纖維，除有機(jī)纖維如芳綸纖維外，蠕變量很小。因此纖維復(fù)合材料的蠕變主要由基體引發(fā)。圖5–11307聚酯玻璃鋼形變的應(yīng)變-時間曲線實驗說明具有以下特點〔圖5–11〕：1〕當(dāng)應(yīng)力主要作用在纖維方向，如縱向拉伸或彎曲蠕變，其蠕變量都很小；2〕當(dāng)應(yīng)力方向與纖維方向呈45時，蠕變量最大；3〕當(dāng)應(yīng)力大于靜強(qiáng)50%時，在一定時間內(nèi)試件相繼破壞。其規(guī)律為：對同一種材料，破壞時總應(yīng)變值根本相同；施加應(yīng)力越大，蠕變速率越大，蠕變破壞時間越短。因此，材料的持久強(qiáng)度隨承載時間延長而降低；4〕由基體性能控制的復(fù)合材料性能〔如剪切性能〕的蠕變將隨溫度的升高而增大?！?〕復(fù)合材料的沖擊性能材料的抗沖擊性能用沖擊韌性來表征，即沖擊試件破壞所消耗的功與試件的最小截面積〔即斷裂處面積〕的比值：K=T/F〔J/m2〕，其中T為沖擊試件所消耗的功；F為試件的最小截面積。試驗說明，沖擊能量的消耗除了用于纖維的斷裂功外，層板的分層、纖維與基體界面脫粘以及纖維拔出等都消耗較多的能量。沖擊韌性高的試件，斷口一般都呈現(xiàn)出很不整齊的犬牙粗糙面，損傷區(qū)域比較大；低沖擊韌性的試件斷口都比較齊平，損傷區(qū)域也比較小。因此，粘接強(qiáng)度高的復(fù)合材料往往沖擊韌性比較低，而不太密實的復(fù)合材料往往具有較高的沖擊韌性。提高基體的韌性和斷裂延伸率，將有利于提高復(fù)合材料的沖擊韌性。復(fù)合材料具有對切口不敏感的優(yōu)良性能，但與金屬相比，復(fù)合材料的沖擊韌性要低得多?！?〕環(huán)境對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響1〕大氣對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響：一般認(rèn)為纖維復(fù)合材料有較好的抗老化性能。常年經(jīng)受日曬雨淋，材料外表會發(fā)生浸蝕，并非材料的老化，只要再對外表進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，外表即可恢?fù)。外觀的變化還與外表樹脂含量有關(guān)，采用膠衣、涂漆等措施都可到達(dá)較好的外表保護(hù)作用。2〕濕度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響：復(fù)合材料在濕態(tài)環(huán)境下，水分會擴(kuò)散到材料內(nèi)部，從而影響材料的力學(xué)性能。一是材料含水比例越大，性能越低；到達(dá)飽和含水量后，性能到達(dá)最低的濕態(tài)性能?！?〕復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)在復(fù)合材料的組分材料中，樹脂和玻璃纖維具有正線膨脹系數(shù)；而碳纖維、芳綸纖維那么具有負(fù)線膨脹系數(shù)；樹脂的線膨脹系數(shù)要比纖維的線膨脹系數(shù)或其絕對值都大得多。單向復(fù)合材料的縱向線膨脹系數(shù)可用下式表達(dá)：L=〔fEfVf+mEmVm〕/〔EfVf+EmVm〕，式中L為單向復(fù)合材料的縱向線膨脹系數(shù)，f和m分別為纖維和基體的縱向線膨脹系數(shù)。單向復(fù)合材料的橫向線膨脹系數(shù)可用下式表達(dá)：T=Vf〔1+f〕f+Vm〔1+m〕m-〔fVf+mVm〕L纖維體積比對復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)有很大的影響。當(dāng)纖維含量比較大時，縱向線膨脹系數(shù)接近纖維膨脹系數(shù)，這是由于纖維彈性模量遠(yuǎn)大于基體彈性模量，而橫向線膨脹系數(shù)接近于簡單混合定律的預(yù)測值?！?〕復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)主要是由其組分材料導(dǎo)熱系數(shù)和纖維鋪設(shè)方式?jīng)Q定。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料根本上屬于絕熱材料?！?〕復(fù)合材料的電性能復(fù)合材料絕緣性能由其組分材料絕緣性能、纖維含量和鋪設(shè)方式有關(guān)。同時也與界面性能和含雜質(zhì)情況有關(guān)。雜質(zhì)的存在或材料吸水會顯著降低玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的體積和外表電阻率。復(fù)合材料的介電性能主要取決于纖維和樹脂的介電性能以及界面的粘接狀態(tài)。纖維和樹脂之間的界面粘接性能差，容易吸收水分和雜質(zhì)，增大介電損耗