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1、1 湖北工业大学化环学院湖北工业大学化环学院228.1 引言引言 8.2 单向纤维复合材料拉伸性能单向纤维复合材料拉伸性能 33材料的力学性能是材料最基本的使用性能。材料的力学性能是材料最基本的使用性能。随着科技的进步，对材料的性能，包括力学性能均提出随着科技的进步，对材料的性能，包括力学性能均提出愈来愈高的要求：愈来愈高的要求：8.1 引言引言 第一种人工合成树脂第一种人工合成树脂-酚醛树脂酚醛树脂拉伸强度：拉伸强度：4070MPa，模量：，模量：24GPa特种工程树脂特种工程树脂复合材料复合材料 拉伸强度：拉伸强度：1.2GPa，模量：模量：50GPa44复合材料的力学性能很大程度上取决于
2、增强纤维的品复合材料的力学性能很大程度上取决于增强纤维的品种、性能、含量及排列方式，其中增强纤维的排列方式种、性能、含量及排列方式，其中增强纤维的排列方式不同，使复合材料的力学性能各向异性有较大差异。不同，使复合材料的力学性能各向异性有较大差异。按纤维的排列方式的不同，从力学性能可将复合材料按纤维的排列方式的不同，从力学性能可将复合材料分为以下分为以下5类：类： p单向（纤维增强）复合材料单向（纤维增强）复合材料p双向（正交纤维）复合材料双向（正交纤维）复合材料p多向（纤维增强）复合材料多向（纤维增强）复合材料p三向（正交纤维增强）复合材料三向（正交纤维增强）复合材料p短纤维增强复合材料短纤维
3、增强复合材料55p以连续纤维为增强材料，且所有纤维都平行排列在同一以连续纤维为增强材料，且所有纤维都平行排列在同一方向；方向；p单向纤维复合材料在工程上也叫单（向）板，常记作单向纤维复合材料在工程上也叫单（向）板，常记作0；p纤维排列紧密，纤维体积分数可达纤维排列紧密，纤维体积分数可达6075%；p沿纤维方向具有较高的强度，与纤维成任意夹角方向的沿纤维方向具有较高的强度，与纤维成任意夹角方向的强度明显下降强度明显下降66：平行于纤维的方向，：平行于纤维的方向，L向、向、0向；向；：垂直于纤维方向，：垂直于纤维方向，T向、向、90向；向；：在：在L-TL-T平面内，与纵平面内，与纵向成向成夹角方
4、向夹角方向；：垂直于：垂直于L-T平面的平面的方向称为层向，方向称为层向，N向、法向、向、法向、向。向。77p以正交编织物（布）或单向板为增强材料，交替正交以正交编织物（布）或单向板为增强材料，交替正交90排列；排列；p双向（正交纤维）复合材料在工程上也叫正交板，常记双向（正交纤维）复合材料在工程上也叫正交板，常记作作0/90；p材料在纤维正交两个方向具有较高的强度和模量，在材料在纤维正交两个方向具有较高的强度和模量，在L-T平面其他方向的强度明显下降，在垂直于正交方向的层平面其他方向的强度明显下降，在垂直于正交方向的层向，强度最差。向，强度最差。88p在在L-T平面内，除了有平面内，除了有0
5、和和90向的增强纤维，向的增强纤维， 其他方向如其他方向如方向还有排布的纤维方向还有排布的纤维；p该复合材料在工程上也叫组合板，常记作该复合材料在工程上也叫组合板，常记作0/90/ ；p材料在材料在L-T平面的各个方向的强度和模量差别小，平面的各个方向的强度和模量差别小，接近面内各向同性，在层向无纤维排布，强度最接近面内各向同性，在层向无纤维排布，强度最差。差。99p由沿三个正交方向的纤维编织物作增强材料；由沿三个正交方向的纤维编织物作增强材料；p该材料因层向编织有纤维，克服了单向、正交、多该材料因层向编织有纤维，克服了单向、正交、多向复合材料在层向方向强度差、模量低的缺陷。向复合材料在层向方
6、向强度差、模量低的缺陷。p用短切纤维作增强材料；用短切纤维作增强材料；p随短纤维分布情况不同有单向纤维复合材料、平面随短纤维分布情况不同有单向纤维复合材料、平面随机分布短纤维和空间随机分布短纤维复合材料。随机分布短纤维和空间随机分布短纤维复合材料。1010在工艺条件正确、外界因素相同条件下，复合材料的在工艺条件正确、外界因素相同条件下，复合材料的力学性能主要取决于以下三方面：力学性能主要取决于以下三方面：增强纤维的品种、性增强纤维的品种、性能、含量及排列方式能、含量及排列方式基体树脂的基体树脂的性能与含量性能与含量纤维与基体的结合、纤维与基体的结合、界面组成情况界面组成情况1111纤维主要起到
7、承受载荷的作用，加入纤维后材料的强纤维主要起到承受载荷的作用，加入纤维后材料的强度得到明显提高，即度得到明显提高，即“增强增强”；注意：单纯纤维不能当注意：单纯纤维不能当“梁梁”使用，只有在与基体有使用，只有在与基体有效结合称为整体后才可以。效结合称为整体后才可以。所以，在复合材料中纤维是主要承载材料，而基体起所以，在复合材料中纤维是主要承载材料，而基体起到支撑纤维、传递载荷、并与纤维共同承载的作用。到支撑纤维、传递载荷、并与纤维共同承载的作用。1212玻璃纤维具有脆性材料的特性，在拉断前没有明显的玻璃纤维具有脆性材料的特性，在拉断前没有明显的塑性阶段，应力与应变关系符合虎克弹性定律；塑性阶段
8、，应力与应变关系符合虎克弹性定律；GF主要起到承载作用，但无论是单纯的主要起到承载作用，但无论是单纯的GF还是编织还是编织物中的物中的GF，沿纤维轴向的力学性能与其它方向的力学，沿纤维轴向的力学性能与其它方向的力学性能不一样，具有各向异性。性能不一样，具有各向异性。玻璃纤维强度较高，但模量较低；玻璃纤维强度较高，但模量较低；GF强度受内部危险缺陷控制，强度具有尺寸效应，强度受内部危险缺陷控制，强度具有尺寸效应，单丝直径增加，纤维强度下降。单丝直径增加，纤维强度下降。GF力学性能指标：力学性能指标：一般无碱一般无碱GF设计强度：设计强度：1GPa；模量：；模量：70GPa；高模量高模量GF模量：
9、模量：100GPa1313与与GF一样，一样，CF也具有脆性材料的特性，在拉断前没有也具有脆性材料的特性，在拉断前没有明显的塑性阶段，应力与应变关系符合虎克弹性定律；明显的塑性阶段，应力与应变关系符合虎克弹性定律；缺陷：脆性比缺陷：脆性比GF大，与树脂的界面结合强度比大，与树脂的界面结合强度比GF差；差； CF的拉伸强度和模量均较高，并随碳化温度不同，可的拉伸强度和模量均较高，并随碳化温度不同，可获得不同强度和模量的获得不同强度和模量的CF。型型CF（高强型）：（高强型）：强度强度3GPa；模量为模量为230270GPa；断裂伸长率为断裂伸长率为0.51%型型CF（高模型）：（高模型）：强度为
10、强度为2GPa；模量为模量为390420GPa断裂伸长率为断裂伸长率为11.5%东丽公司东丽公司T1000型型CF：强度达到强度达到7.05GPa；模量为模量为295GPa；联碳化合物公司联碳化合物公司P-140型型CF：模量高达模量高达966GPa1414以以Kevlar-49为代表的芳纶是一种高模量有机纤维；为代表的芳纶是一种高模量有机纤维；密度小（密度小（1.44g/cm3，GF为为2.54g/cm3，T300为为1.76g/cm3）；）；强度高，拉伸强度为强度高，拉伸强度为3.62GPa；模量高于模量高于GF，为，为125GPa；韧性好，断裂伸长率为韧性好，断裂伸长率为2.5%；缺点：
11、表面惰性大，与树脂界面粘结性能差，抗压、抗缺点：表面惰性大，与树脂界面粘结性能差，抗压、抗扭曲性能差。扭曲性能差。1515 基体材料选择三原则：基体材料选择三原则：第一，基体材料本身力学性能较好，如有较高的内聚强第一，基体材料本身力学性能较好，如有较高的内聚强度、弹性模量；与增强纤维有相适应的断裂伸长率；度、弹性模量；与增强纤维有相适应的断裂伸长率；第二，对增强材料有较好的润湿能力和粘结力，保证良第二，对增强材料有较好的润湿能力和粘结力，保证良好的界面粘结；好的界面粘结；第三，工艺性优良，成型和固化方法与条件简单，固化第三，工艺性优良，成型和固化方法与条件简单，固化收缩率低。收缩率低。另外还要
12、考虑原料来源方便、成本低，另外还要考虑原料来源方便、成本低，使用过程毒性小的要求。使用过程毒性小的要求。1616 基体材料对复合材料力学性能的影响：基体材料对复合材料力学性能的影响：p基体的强度和模量远比增强材料低，基体的含量对复基体的强度和模量远比增强材料低，基体的含量对复合材料的力学性能影响较大，合材料的力学性能影响较大，p基体材料的理论含量：纤维是紧密堆砌的，基体仅填基体材料的理论含量：纤维是紧密堆砌的，基体仅填充于纤维的间隙中。理论含量反应复合材料中基体的最充于纤维的间隙中。理论含量反应复合材料中基体的最小含量。如单向玻璃钢是小含量。如单向玻璃钢是5%，1:1平纹玻璃布制成的正平纹玻璃
13、布制成的正交复合材料是交复合材料是12%。p基体材料的实际工艺含量：如单向玻璃钢是基体材料的实际工艺含量：如单向玻璃钢是1030%，1:1平纹玻璃布制成的正交复合材料是平纹玻璃布制成的正交复合材料是2550%。复合材料中基体的合理含量复合材料中基体的合理含量17178.2 单向纤维复合材料拉伸性能单向纤维复合材料拉伸性能单向纤维复合材料是连续增强纤维沿同一方向排列单向纤维复合材料是连续增强纤维沿同一方向排列的复合材料。的复合材料。p沿纤维方向（纵向、沿纤维方向（纵向、L向）拉伸向）拉伸p垂直纤维方向（横向、垂直纤维方向（横向、T向）拉伸向）拉伸按加载方向不同，单向复合材料的拉伸性能可分为：按加
14、载方向不同，单向复合材料的拉伸性能可分为：1818单向纤维复合材料纵向拉伸加载示意图和单向板纵向拉伸单向纤维复合材料纵向拉伸加载示意图和单向板纵向拉伸简化力学模型图如下：简化力学模型图如下：PL = Pf + PmPf 、 Pm分别为纤维（分别为纤维（fibre）和基体（）和基体（matrix）承受的载荷）承受的载荷1919PL = Pf + Pm当用应力表示当用应力表示L AL = f Af + m AmL L、f 、m作用在复合材料、纤维和基体上的应力作用在复合材料、纤维和基体上的应力AL、Af 、Am 复合材料、纤维和基体的横截面积复合材料、纤维和基体的横截面积对于平行排列的纤维增强复合
15、材料，各组分所占体积对于平行排列的纤维增强复合材料，各组分所占体积分数能按横截面积写出：分数能按横截面积写出：ffLAVAmmLAVA2020L AL = f Af + m AmL L、f 、m复合材料、纤维和基体上的应变复合材料、纤维和基体上的应变ffLAVAmmLAVAL = f Vf + m Vm假设纤维和基体间存在理想的粘结，界面不会滑移，则纤假设纤维和基体间存在理想的粘结，界面不会滑移，则纤维、基体、复合材料的应变是相等的，即有：维、基体、复合材料的应变是相等的，即有：L = f + m2121L = f Vf + m Vm将上式对应变求导，得将上式对应变求导，得ddd dddLfm
16、fmLfmVVd/d/d代表相应的应力代表相应的应力- -应变曲线应变曲线在给定应变点的斜率，如果材料应在给定应变点的斜率，如果材料应力力- -应变曲线是直线，则斜率为常数，应变曲线是直线，则斜率为常数，即为材料的模量。即为材料的模量。22222323如果纤维与基体及其复合材料呈弹性形变，则有：如果纤维与基体及其复合材料呈弹性形变，则有：L = E ELL f = E Effm = E EmmL = f Vf + m VmE EL = E Ef Vf + E Em Vm混合定律：纤维和基体对复合材料力学性能所做的贡献混合定律：纤维和基体对复合材料力学性能所做的贡献是与它们的体积分数成正比例的。
17、是与它们的体积分数成正比例的。若空隙率若空隙率VV = 0，则，则Vf + Vm = 1E EL = E Ef Vf + E Em（1-Vf）2424根据混合定律得到的结构与实验结构十分相符。根据混合定律得到的结构与实验结构十分相符。图中复合材料的应力应变曲线都处于纤维和基体的应力应变曲线图中复合材料的应力应变曲线都处于纤维和基体的应力应变曲线之间；之间；该曲线的形状和位置取决于纤维和基体的曲线形状和各自相对体该曲线的形状和位置取决于纤维和基体的曲线形状和各自相对体积分数。积分数。2525混合定律能准确预测承受纵向拉伸载荷的单向复合材混合定律能准确预测承受纵向拉伸载荷的单向复合材料的应力应变特
18、性：料的应力应变特性：L = f Vf + m VmE EL = E Ef Vf + E Em Vm2626一般一种复合材料的变形可以分为四个阶段进行：一般一种复合材料的变形可以分为四个阶段进行：纤维断纤维断裂，继裂，继而复合而复合材料断材料断裂裂纤维与纤维与基体变基体变形均是形均是非弹性非弹性的的纤维保持纤维保持弹性变形弹性变形，基体变，基体变形是非弹形是非弹性的性的纤维与纤维与基体变基体变形均是形均是弹性的弹性的阶段阶段1 1阶段阶段2阶段阶段3阶段阶段4若纤维是脆性的，则观察不到第三阶段若纤维是脆性的，则观察不到第三阶段2727脆性与韧性纤维与典型韧性基体构成复合材料应力应变行为：脆性与
19、韧性纤维与典型韧性基体构成复合材料应力应变行为：p复合材料的应力应变曲线处复合材料的应力应变曲线处于纤维和基体应力应变曲线之于纤维和基体应力应变曲线之间；间；p脆性纤维复合材料通常在应脆性纤维复合材料通常在应变达到纤维的断裂应变时断裂；变达到纤维的断裂应变时断裂；p但当纤维在基体内部能产生但当纤维在基体内部能产生塑性形变，则复合材料的断裂塑性形变，则复合材料的断裂应变可能大于纤维单独实验的应变可能大于纤维单独实验的断裂应变。断裂应变。2828p复合材料的强度复合材料的强度按混合定律估算，但与基体的断按混合定律估算，但与基体的断裂延伸率裂延伸率mu大小有关；大小有关；p估算时要考虑纤维与基体哪个
20、先破坏的问题，即估算时要考虑纤维与基体哪个先破坏的问题，即fu与与mu的相对大小不同，估算公式有差异。的相对大小不同，估算公式有差异。2929分几种情况讨论：分几种情况讨论：纤维、基体、复合材料三者同时断裂，应力用强度代替：纤维、基体、复合材料三者同时断裂，应力用强度代替：Lu = fu Vf + mu(1-Vf) = fu EfVf + Em(1-Vf)fuLufumu3030p复合材料拉伸时，破坏先从基体开裂起，再才是纤维断裂；复合材料拉伸时，破坏先从基体开裂起，再才是纤维断裂；L = f Vf + m(1-Vf)基体开裂前的应力：基体开裂前的应力：p树脂开裂时，在复合材料的应树脂开裂时，
21、在复合材料的应力应变曲线上出现拐点；力应变曲线上出现拐点；p出现拐点，纤维还可以承担拉出现拐点，纤维还可以承担拉伸载荷，直到纤维断裂，复合材伸载荷，直到纤维断裂，复合材料才同时断裂，料才同时断裂，Lu = fu 。3131L = f Vf + mu(1-Vf) = fu EfVf + Em(1-Vf)基体开裂前最大应力：基体开裂前最大应力：基体开裂后的纤维断裂前基体开裂后的纤维断裂前复合材料的应力：复合材料的应力：L = f Vf最大应力：最大应力：L = fu Vf3232L = fu EfVf + Em(1-Vf)基体开裂前最大应力：基体开裂前最大应力：基体开裂后的最大应力：基体开裂后的最
22、大应力：L = fu Vf复合材料的强度复合材料的强度Lu就由上面两式决定，就由上面两式决定， Lu与与Vf 的关系的关系如下图所示：如下图所示： 当当Vf Vfcr，基体开裂后，纤，基体开裂后，纤维可承担载荷，直到复合材料维可承担载荷，直到复合材料断裂，断裂，Lu = fu ，复合材料强度，复合材料强度由（由（2）式估算；）式估算；当当Vf Vfcr，基体开裂后，含，基体开裂后，含量较少的纤维不能承担载荷，量较少的纤维不能承担载荷，Lu = mu ，复合材料强度由（，复合材料强度由（1）式估算。式估算。（1）（2）3333p如如GF、CF、BF与韧性环氧或聚酯组成的复合材料；与韧性环氧或聚酯
23、组成的复合材料；p纤维是脆性破坏，基体是韧性破坏。纤维是脆性破坏，基体是韧性破坏。L = f Vf + m(1-Vf)纤维断裂前的应力：纤维断裂前的应力：3434L = fu Vf + (m)fufu(1-Vf)当当L L达到纤维断裂应变达到纤维断裂应变fufu前瞬间，前瞬间，L L达到最大值达到最大值：纤维开裂后、基体断裂前纤维开裂后、基体断裂前复合材料的应力：复合材料的应力：L = m（1- Vf）最大应力：最大应力：L = mu （1- Vf）35353636当纤维平行于外载荷方向时，纤维对复合材料性能当纤维平行于外载荷方向时，纤维对复合材料性能的贡献最大；的贡献最大；当纤维与施载方向不
24、平行，复合材料的强度和刚度当纤维与施载方向不平行，复合材料的强度和刚度都要减少；都要减少；强度和刚度减少的程度取决于载荷方向不平行的纤强度和刚度减少的程度取决于载荷方向不平行的纤维数量及这些纤维与载荷轴的角度。维数量及这些纤维与载荷轴的角度。3737纤维强度对复合材料的强度有直接的影响，纤维纤维强度对复合材料的强度有直接的影响，纤维强度的任何降低都导致复合材料强度的降低；强度的任何降低都导致复合材料强度的降低；若所有纤维的强度数值是相等的，则复合材料具若所有纤维的强度数值是相等的，则复合材料具有高强度；有高强度；但但GF和和SiO2纤维的强度具有相当大的分散性。纤维的强度具有相当大的分散性。3
25、838不连续纤维增强复合材料，端部效应明显，其性不连续纤维增强复合材料，端部效应明显，其性能很大程度被降低了；能很大程度被降低了；不连续纤维还容易在端部产生应力集中，在很小不连续纤维还容易在端部产生应力集中，在很小的外载荷作用下，纤维末端就与基体分离，产生裂的外载荷作用下，纤维末端就与基体分离，产生裂纹；纹；界面剪切作用使裂纹沿纤维长度扩散，从而使纤界面剪切作用使裂纹沿纤维长度扩散，从而使纤维与基体分离。维与基体分离。3939界面承担着从基体到纤维的载荷传递，因而复合界面承担着从基体到纤维的载荷传递，因而复合材料强度受界面状况的影响，特别是当纤维在复合材料强度受界面状况的影响，特别是当纤维在复
26、合材料最终破坏之前断裂时，载荷经界面传递的机理材料最终破坏之前断裂时，载荷经界面传递的机理更为重要；更为重要；界面状况控制着纤维端部微裂纹，当纤维与基体界面状况控制着纤维端部微裂纹，当纤维与基体间存在强的粘结时，裂纹不沿纤维长度扩展，纤维间存在强的粘结时，裂纹不沿纤维长度扩展，纤维强度继续保持；强度继续保持；改善黏附性通常还能提高聚合物复合材料的耐水改善黏附性通常还能提高聚合物复合材料的耐水性。性。4040残余应力直接影响基体的性质和复合材料层合板残余应力直接影响基体的性质和复合材料层合板的实际应力状态；的实际应力状态；应力产生原因：组分的热膨胀系数不同、制造温应力产生原因：组分的热膨胀系数不
27、同、制造温度和使用温度不同。度和使用温度不同。4141(4) (4) 单向板纵向拉伸的单向板纵向拉伸的三种破坏模式三种破坏模式： 基体断裂基体断裂 界面脱粘界面脱粘 纤维断裂纤维断裂4242对于单向纤维复合材料的纵向拉伸性能主要与纤维及对于单向纤维复合材料的纵向拉伸性能主要与纤维及其含量有关；其含量有关；而单向纤维复合材料的横向拉伸性能与基体或界面性而单向纤维复合材料的横向拉伸性能与基体或界面性能有关，是单向板最为薄弱的环节；能有关，是单向板最为薄弱的环节；横向拉伸性能较低，是复合材料的一个基本受力状态。横向拉伸性能较低，是复合材料的一个基本受力状态。4343复合材料横向拉伸模量（复合材料横向
28、拉伸模量（ET）与）与EL一样，随纤维体一样，随纤维体积分数（积分数（Vf）和模量（）和模量（Ef）的增加而增大；）的增加而增大；但但EL随随Vf增加呈直线增加；增加呈直线增加；而而ET只有在较高只有在较高Vf 下，下，Vf 和和Ef 才会对才会对ET 产生显著产生显著的影响。的影响。如要把如要把ET 提高到基体模量的提高到基体模量的2倍，倍，Vf 要大于要大于55%，而而EL 要达到同样的目标，要达到同样的目标，Vf 只要只要11%。4444单向纤维复合材料横向拉伸破坏模式：基体拉伸破单向纤维复合材料横向拉伸破坏模式：基体拉伸破坏、界面脱粘、纤维断裂；坏、界面脱粘、纤维断裂；一般而言，上述几
29、种模式是联合作用的，由于纤维一般而言，上述几种模式是联合作用的，由于纤维的强度一般较大，强度（的强度一般较大，强度（Tu）主要取决于基体的拉）主要取决于基体的拉伸强度和界面的结合强度。伸强度和界面的结合强度。提高基体的拉伸强度提高基体的拉伸强度或降低应力集中系数或降低应力集中系数S应力应力提高界面的结合强度提高界面的结合强度提高提高Tu增加基体内聚强度；增加基体内聚强度；基体模量增加不仅增加基体模量增加不仅增加ET，也会降低也会降低S应力应力；纤维纤维Vf增加，增加，S应力应力提高；提高；降低空隙率、提高界面的结合力降低空隙率、提高界面的结合力4545 基体破坏基体破坏 界面脱粘界面脱粘 纤维
30、破坏纤维破坏46468.3 正交纤维复合材料拉伸性能正交纤维复合材料拉伸性能单向纤维复合材料的拉伸性能在沿纤维方向（纵向）很单向纤维复合材料的拉伸性能在沿纤维方向（纵向）很高，但在横向则很低；高，但在横向则很低；而在实际应用中单向受力的情况很少，主要是多向纤维而在实际应用中单向受力的情况很少，主要是多向纤维复合材料；复合材料；根据制件受力情况，充分发挥纤维的作用和复合材料可根据制件受力情况，充分发挥纤维的作用和复合材料可设计特点，对纤维进行铺层设计（纤维排列方向、层数、设计特点，对纤维进行铺层设计（纤维排列方向、层数、铺层顺序等）。铺层顺序等）。最简单、最基本的多向纤维复合材料：正交纤维复合材
31、最简单、最基本的多向纤维复合材料：正交纤维复合材料（正交编织物或单向纤维预浸料交替料（正交编织物或单向纤维预浸料交替90正交铺层）。正交铺层）。4747由两层具有相同树脂含量的单向复由两层具有相同树脂含量的单向复合材料相互垂直铺层得到。合材料相互垂直铺层得到。4848设设nL、nT分别为正交复合材料单元体内分别为正交复合材料单元体内L 向和向和T 向的纤维量，向的纤维量，则则L 向和向和T 向纤维的相对比例分别为：向纤维的相对比例分别为： 、 ，即即LLTnnnTLTnnnLLLTnhnnTTLTnhnn所以所以L 向和向和T 向的纤维体积含量向的纤维体积含量VfL和和VfT分别为：分别为：L
32、fLfLTnVVnnTTLfLTnVVnnT Tf+ ffVVV m+ 1fVV 4949nL与与nT的比值可以用纤维织物的规格来算出。因为：的比值可以用纤维织物的规格来算出。因为：0nNb股数布排纱密度原纱支数则则9 16 8 10:9:58080LTnn5050根据混合定律可估算出根据混合定律可估算出L 向、向、T 向的拉伸应力和模量：向的拉伸应力和模量： (1) ()ffmfmfmLTLLfLLVnVnVnTTT T(1) ()ffmfmLTfmfVnVnnV (1) ()ffmfmfTfLTTmTTEEVEVEnE VnnE (1) ()ffmfmfLfLTLmLLEEVEVEnE V
33、nnE5151根据混合定律可估算出根据混合定律可估算出L 向、向、T 向的强度：向的强度： ()mufumuLLufLTnVnn ()mufumuTTufLTnVnn52525353545455558.4 单向纤维复合材料压缩性能单向纤维复合材料压缩性能增强纤维本身能承受很大的拉力，但不能承受压力；增强纤维本身能承受很大的拉力，但不能承受压力；但纤维只有在基体的支撑下才能承受压力。但纤维只有在基体的支撑下才能承受压力。压缩的破坏机理至今并不清楚，也缺乏纤维的压缩强压缩的破坏机理至今并不清楚，也缺乏纤维的压缩强度数据，因此压缩强度不能简单估算，一般进行实际测度数据，因此压缩强度不能简单估算，一般
34、进行实际测试。试。在压缩过程中，当基体不能支撑纤维时，纤维会屈曲，在压缩过程中，当基体不能支撑纤维时，纤维会屈曲，复合材料产生失稳破坏。复合材料产生失稳破坏。5656当复合材料承受压缩载荷时，连续纤维的作用就像细长当复合材料承受压缩载荷时，连续纤维的作用就像细长柱体，会发生微屈曲，导致压缩破坏；柱体，会发生微屈曲，导致压缩破坏；单向复合材料纵向压缩破坏有如下三种形式：单向复合材料纵向压缩破坏有如下三种形式：5757破坏形式各异，影响因素较多：破坏形式各异，影响因素较多：5858单向复合材料在横向受压时常常出现右图中的基体剪单向复合材料在横向受压时常常出现右图中的基体剪切破坏，同时可能伴随界面脱
35、粘和纤维破坏。切破坏，同时可能伴随界面脱粘和纤维破坏。横向压缩破坏形式：横向压缩破坏形式： 基体剪切破坏基体剪切破坏 带有界面脱粘或纤维带有界面脱粘或纤维破碎的基体剪切破坏破碎的基体剪切破坏5959基体韧性增加，压缩变形能力提高，纤维体积含量基体韧性增加，压缩变形能力提高，纤维体积含量增加，横向压缩强度随之增大。增加，横向压缩强度随之增大。60608.5 复合材料的其他力学性能复合材料的其他力学性能复合材料在应用中难免承受冲击载荷；复合材料在应用中难免承受冲击载荷；复合材料中增强体不同，材料冲击性能可能差异较大；复合材料中增强体不同，材料冲击性能可能差异较大；玻璃钢和玻璃钢和Kavlar纤维复
36、合材料冲击性能好纤维复合材料冲击性能好但广泛用于结构件的但广泛用于结构件的CF复合材料的冲击性能较低。复合材料的冲击性能较低。6161（1）冲击强度：）冲击强度：衡量材料韧性的一种强度指标，为试折断衡量材料韧性的一种强度指标，为试折断样受到冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。样受到冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。iWbd测试方法：简支梁加载测试方法：简支梁加载 悬臂梁加载悬臂梁加载6262悬臂梁加载悬臂梁加载6363简支梁加载和悬臂梁加载测试得到的韧性数据只是在一简支梁加载和悬臂梁加载测试得到的韧性数据只是在一定程度上的定性结果，原因在于：定程度上的定性结果，原因在于：p摆锤冲击时
37、所造成的能量损失既包含材料损伤与断摆锤冲击时所造成的能量损失既包含材料损伤与断裂所吸收的能量，还包括消耗在试验机上的能量损失、裂所吸收的能量，还包括消耗在试验机上的能量损失、断裂碎块的飞出功和声能等。断裂碎块的飞出功和声能等。p反映不出材料冲击破坏过程的损伤历程，给出的只反映不出材料冲击破坏过程的损伤历程，给出的只是一个笼统的结果。是一个笼统的结果。不不 同材料，试样的断裂形式不同，但可能得到相同的冲同材料，试样的断裂形式不同，但可能得到相同的冲击强度；击强度；对于各向同性材料，破坏形式简单，上述试验方法可行；对于各向同性材料，破坏形式简单，上述试验方法可行；但对于复合材料，破坏形式复杂，这两
38、种冲击试验不足但对于复合材料，破坏形式复杂，这两种冲击试验不足以反映复合材料完整的冲击特性。以反映复合材料完整的冲击特性。6464可改变冲击刃口的形状可改变冲击刃口的形状和变换冲锤质量以调节和变换冲锤质量以调节冲击能的大小；冲击能的大小；可调整下落高度以满足可调整下落高度以满足不同冲击速率。不同冲击速率。可以得到显示冲击过程可以得到显示冲击过程的的P-t（载荷（载荷-时间）曲线时间）曲线和和E-t（能量（能量-时间）曲线。时间）曲线。6565piEDIE6666材料变形首先发生；材料变形首先发生；若冲击能足够大，裂纹可能产生并且扩展，在裂纹若冲击能足够大，裂纹可能产生并且扩展，在裂纹扩展过程中
39、，裂纹前沿又总存在材料变形；扩展过程中，裂纹前沿又总存在材料变形；脆性材料变形小，伴随的能量吸收也少；脆性材料变形小，伴随的能量吸收也少；韧性材料断裂过程中产生大的塑性变形，吸收的能韧性材料断裂过程中产生大的塑性变形，吸收的能量也大；量也大；在复合材料中，可以用吸收能量多的组分代替吸收在复合材料中，可以用吸收能量多的组分代替吸收能量少的组分来提高材料韧性。能量少的组分来提高材料韧性。6767 纤维破坏纤维破坏 基体变形和开裂基体变形和开裂 纤维脱胶纤维脱胶 纤维拔出纤维拔出分层裂纹分层裂纹纤维复合材料的破坏可以认为是由材料内部固有的纤维复合材料的破坏可以认为是由材料内部固有的小缺陷发源的。小缺
40、陷发源的。小缺陷：破短的纤维、基体中的裂纹、界面脱胶小缺陷：破短的纤维、基体中的裂纹、界面脱胶冲击过程中裂纹扩展模式冲击过程中裂纹扩展模式：6868 p裂纹在垂直于纤维方向发展，当裂纹在垂直于纤维方向发展，当层合板完全分离时，最终发生纤维层合板完全分离时，最终发生纤维破坏。破坏。p纤维随能赋予材料高强度，但断纤维随能赋予材料高强度，但断裂吸收能很小。裂吸收能很小。p基体破坏吸收能量包括基体变形和开裂产生的新表面能。基体破坏吸收能量包括基体变形和开裂产生的新表面能。p热固性基体性脆，变形很小，冲击韧性差；热塑性基体热固性基体性脆，变形很小，冲击韧性差；热塑性基体可产生较大塑性变形，冲击强度高。可
41、产生较大塑性变形，冲击强度高。p基体开裂产生的新表面能等于比表面积与新表面面积的基体开裂产生的新表面能等于比表面积与新表面面积的乘积，而开裂会产生众多裂纹分支，导致较大开列面积。乘积，而开裂会产生众多裂纹分支，导致较大开列面积。6969 p在断裂过程中由于裂纹平行于纤在断裂过程中由于裂纹平行于纤维扩展（脱胶裂纹），导致纤维与维扩展（脱胶裂纹），导致纤维与基体分离。基体分离。p脱胶范围大，新表面面积大，断脱胶范围大，新表面面积大，断裂能会明显增加。裂能会明显增加。p当脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体中时就会发生纤当脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体中时就会发生纤维拔出。维拔出。p起始于纤维的破坏没
42、有能力扩展到基体中的结果。起始于纤维的破坏没有能力扩展到基体中的结果。p纤维拔出通常伴随基体的伸长变形，会显著提高断裂能。纤维拔出通常伴随基体的伸长变形，会显著提高断裂能。7070 p裂纹在扩展中穿过层合板的一个铺层，当裂纹尖端裂纹在扩展中穿过层合板的一个铺层，当裂纹尖端达到相邻铺层时，可能受到抑制。达到相邻铺层时，可能受到抑制。p由于邻近裂纹尖端的基体的剪切应力很高，裂纹可由于邻近裂纹尖端的基体的剪切应力很高，裂纹可能分支出来，开始在平行于铺层的届面上扩展。能分支出来，开始在平行于铺层的届面上扩展。p分层裂纹会产生新的表面，吸收的断裂能会较高。分层裂纹会产生新的表面，吸收的断裂能会较高。71
43、71复合材料冲击性能的影响因素主要包括两个方面：复合材料冲击性能的影响因素主要包括两个方面：试验参数：试验参数：材料性质：材料性质：纤维种类、基体韧性、纤维种类、基体韧性、纤维体积分数、纤维体积分数、界面粘结状况等界面粘结状况等冲击速率、冲锤质量、冲击速率、冲锤质量、刃口形式、跨高比、刃口形式、跨高比、支撑情况等支撑情况等7272不同纤维不同纤维/环氧树脂复合材料无缺口冲击性能：环氧树脂复合材料无缺口冲击性能：三种纤维的差别在于断裂扩展能的不同；三种纤维的差别在于断裂扩展能的不同；而扩展能最终导致材料韧性差异。而扩展能最终导致材料韧性差异。7373聚酯和环氧层合板冲击试验结果：聚酯和环氧层合板
44、冲击试验结果：7474小结小结提高复合材料冲击韧性的途径：提高复合材料冲击韧性的途径：基体增韧基体增韧合适的界面强度合适的界面强度采用混杂纤维复合材料，如采用混杂纤维复合材料，如CF与与GF或或Kevlar纤维混合使用纤维混合使用7575材料在实际应用中，疲劳载荷常常不可避免；材料在实际应用中，疲劳载荷常常不可避免；：材料在承受交变载荷时，即使最大应力低于材料静：材料在承受交变载荷时，即使最大应力低于材料静强度极限，但在经历了一定的载荷周期后，材料仍会破坏的强度极限，但在经历了一定的载荷周期后，材料仍会破坏的现象；现象；材料疲劳强度总低于它的静强度。材料疲劳强度总低于它的静强度。：内部损伤（或
45、疲劳裂纹）：内部损伤（或疲劳裂纹）内部损伤累积至一内部损伤累积至一定程度定程度材料突然破坏失效材料突然破坏失效 ：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂767677777878 ：材料长时间在静载荷作用下，保持一定时间不：材料长时间在静载荷作用下，保持一定时间不破坏，所能承受的最大静载荷。破坏，所能承受的最大静载荷。：材料长时间在静载荷作用下，保持不破坏所能：材料长时间在静载荷作用下，保持不破坏所能经受的最大时间。经受的最大时间。强度问题强度问题持久强度持久强度变形问题变形问题蠕变蠕变7979表表9-28080 ：材料长时间在静载荷作用下，载荷不变而变形：材料长
46、时间在静载荷作用下，载荷不变而变形继续增加的现象。继续增加的现象。：聚合物的粘弹性（蠕变特性取决于基体的松弛：聚合物的粘弹性（蠕变特性取决于基体的松弛特性，基体交联密度越大，主链柔性越低，蠕变特性越特性，基体交联密度越大，主链柔性越低，蠕变特性越不明显。不明显。软质软质PVC丝丝8181 pCF复合材料的蠕变比玻璃钢小；复合材料的蠕变比玻璃钢小；p沿纤维方向拉伸作用下的蠕变现象最不明显；沿纤维方向拉伸作用下的蠕变现象最不明显；p沿与纤维成任意角方向拉伸，蠕变现象逐渐明显，其中沿沿与纤维成任意角方向拉伸，蠕变现象逐渐明显，其中沿45方向拉伸时最为明显；方向拉伸时最为明显；p持久弯曲载荷作用下的蠕
47、变比持久拉伸载荷作用下的蠕变持久弯曲载荷作用下的蠕变比持久拉伸载荷作用下的蠕变明显；明显；p温度升高，蠕变现象显著。温度升高，蠕变现象显著。82828383第五章第五章 聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能 热性能包括：热性能包括： 热传导与热容量：决定了热传导与热容量：决定了PMC与外界热交换和自身温度与外界热交换和自身温度的变化。的变化。 热膨胀性能：决定热膨胀性能：决定PMC结构的稳定性，结构的稳定性， 应力分布状应力分布状态与抗热震性能。态与抗热震性能。 耐热性能：决定耐热性能：决定PMC的使用温度范围。的使用温度范围。5.1PMC的热性能的热性能 8484 5.1.1热传导热
48、传导 :导热系数，导热系数，W/(m K)，表征材料的导热能力。，表征材料的导热能力。 材料本身的特性材料本身的特性 温度的函数温度的函数 5.1PMC的热性能的热性能 grdTq8585 5.1.1热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 表 5-1 几种材料的导热系数 （W / m K）材 料 （300 K） （900 K）金刚石600-银425325铜400340铝 220 180铜-35% 锌 130 180钛 20 14低碳钢 60 358686 5.1.1热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 表 5-2 典型热固性树脂 35C 下的导热系数材 料密度(g/ cm3) (W/ m
49、K)酚醛树脂1.360.271.250.29环氧树脂1.220.201.180.29聚酯树脂1.220.261.210.188787 5.1.1热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 8888 5.1.1热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 mrrrCLrrmrmrCTVrmVrrCVVVV)1 ()1 (/)1(8989 5.1.1热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 表 5-3 20C 下 GF/环氧树脂复合材料的导热系数的计算值与实测值的比较VrT (实测值)T (计算值)误差(%)0.210.2790.289+3.50.330.3360.326-3.10.3850.3410.
50、345+1.20.4250.3750.358-4.79090 5.1.2比热比热定义：单位质量的物质升温定义：单位质量的物质升温 1 所需的热量称之。所需的热量称之。与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的关系比较与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的关系比较简单，符合加和性原理：简单，符合加和性原理：5.1PMC的热性能的热性能 piipCmmCVVPPTQmCTQmC)/()/1 ()/()/1 (9191 5.1.2比热比热比热的测试方法主要有比热的测试方法主要有卡计法、电脉冲加热法卡计法、电脉冲加热法与比较法。与比较法。5.1PMC的热性能的热性能 图图 5-2 下落