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1、工程材料力学性能6玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制作的直升机旋翼系统，使直升机的机动性和加速性都得到改善，寿命几乎达到无限。11/10/20222工程材料力学性能60年代高模量硼纤维的出现，硼/环氧复合F-111水平安定面的研制成功，开始了复合材料的高性能航空、航天结构上的应用。此后碳纤维、芳纶纤维相继问世，并很快形成了商品化产品，与此同时，适合各种使用环境要求的多种环氧树脂可供设计者选用，这不仅使复合材料成为高性能结构的理想的结构材料，而且也使复合材料成为科学技术上的一大突破。11/10/20223工程材料力学性能战斗机中大量使用复合材料，约占结构总重量2040%，直升机中约占4050%。复合
2、材料在汽车、交通运输、工业设备和化工、石油管道方面广泛应用。F-22 “猛禽猛禽”11/10/20224工程材料力学性能民用方面A310-300全尺寸复合材料垂直安定面翼盒、波音767地板梁和所有损伤面使用近20吨复合材料11/10/20225工程材料力学性能俄罗斯巨型运输机安-124的部件使用了5.5吨复合材料11/10/20226工程材料力学性能11/10/20227工程材料力学性能11/10/20228工程材料力学性能B-787采用复合材料达采用复合材料达50%的先进大型民机的先进大型民机“梦梦幻飞机幻飞机”11/10/20229工程材料力学性能11/10/202210工程材料力学性能2
3、000年年 2020年（预测）年（预测）先进复合材料应用动态先进复合材料应用动态u应用趋势应用趋势应用趋势应用趋势复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料飞机飞机机体机体结构结构材料材料11/10/202211工程材料力学性能目前发展和应用仍以热固性树脂基体碳纤维复合材料为主，硼纤维成本高，加工困难，用量很少，芳纶纤维吸湿开裂，吸湿增重，影响使用。航空、航天技术的需求推动了金属基、陶瓷基和C/C复合材料的发展。复合材料力学性能的基本特点是各向异性、可设计性和结构特性。这些性质以及它们引起的特殊力学行为是均质的各向同性材料不具备的。因此，我们需要学习有关复合材
4、料的理论，掌握其力学行为的基本特征及有效的试验方法。复合材料力学分为微观力学和宏观力学。微观力学主要研究纤维、基体组分性能与单向板性能关系；宏观力学主要研究层合板的刚度与强度分析，温湿环境影响等。11/10/202212工程材料力学性能第九章复合材料的一般特性、增强机理11/10/202213工程材料力学性能第一节研究对象复合材料是由两种或多种性质不同的组分构成的材料，然而这样的材料太多了。仅当材料各组分具有明显不同的物理性质、组分间存在明显的界面，且复合后材料的性质也明显不同于组分性质时，才能把这种材料称为复合材料。11/10/202214工程材料力学性能复合材料分类：按基体材料分类：聚合物
5、基复合材料（有机非金属材料、热固性塑料、热塑性塑料）金属基复合材料陶瓷基复合材料（无机非金属材料）11/10/202215工程材料力学性能按增强材料分类：纤维增强复合材料（连续长纤维增强复合材料、结构用复合材料，可以是纤维束增强，也可以是织物增强）短纤维增强复合材料（短纤维增强复合材料如模压复合材料（SMC）和捏塑复合材料（DMC）颗粒增强复合材料11/10/202216工程材料力学性能同质物质复合的复合材料基体和纤维采用同一物质构成的复合材料，如碳-碳复合材料。从以上可以看出，在复合材料中包含了一种或几种不连续相和一种连续相，不连续相镶嵌于连续相中。通常不连续相的强度和硬度比连续相高，称作增
6、强组分或增强材料，而连续相称为基体。本课程主要讨论结构材料使用的复合材料，纤维增强复合材料。11/10/202217工程材料力学性能第二节复合材料的一般特性纤维与基体复合后，基体提供了一个连续的介质，既保持了纤维的铺设方向，又从结构上保证了纤维的载荷传递，允许纤维承受压缩和剪切载荷，同时，基体在纤维间起着分散和传递载荷的作用，也提高了纤维沿纤维方向的承载能力。因此，复合材料的性质强烈地受组分的性质、分布和相互作用的影响。11/10/202218工程材料力学性能复合材料性质可能是组分性质的体积分数和；或者，当不能用组分性质的简单体积分数和来估算时，以某种叠加方法表征组分的相互作用，从而预测复合材
7、料的性质。因此在描述一个复合材料体系时，除了要了解组分材料及其性质外，还需要了解增强组分的几何条件（包括形状、尺寸和尺寸分布），增强组分的密集度及密集度分布和增强组分的方向。这些因素虽然很重要，但理论研究中对上述因素都说明很困难。11/10/202219工程材料力学性能密集度通常用组分的体积分数或质量分数来表示。密集度不仅是影响复合材料性能的一个重要参数，而且它是复合材料制造过程中用来改变材料性能的一个易于控制的参数。密集度分布是材料体系匀相性的量度。决定复合材料性能实际值与平均值的差异程度。增强组分的方向对复合材料性能有重大影响。若纤维随机取向，则各向同性，而各向异性是人们希望的。11/10
8、/202220工程材料力学性能第三节增强机理及分类对复合材料的增强机理进行深入研究，才能改进材料的力学性能。增强机理与增强组分的几何因素有密切关系11/10/202221工程材料力学性能纤维增强复合材料单一铺层连续纤维增强不连续纤维增强单向增强组分双向增强组分（编织的增强组分)随机取向选择取向的多种铺层多向层合板（角度铺层）混杂复合材料11/10/202222工程材料力学性能第十章单向复合材料的静态力学性能11/10/202223工程材料力学性能第一节单向复合材料的对称性和基本性能指标层合板或构件大都由许多性质不同的单向铺层构成。每个铺层是用相同的组分材料制成的。11/10/202224工程材
9、料力学性能一个铺层可以不同于另一个铺层：1、组分材料的相对体积；2、增强组分的形式，如连续的或不连续的纤维，编织的或未编织的增强材料；3、纤维相对于基准坐标系的方位。单一铺层的复合材料，即单向复合材料代表了层合板结构的一个基本结构单元。11/10/202225工程材料力学性能11/10/202226工程材料力学性能单向铺层呈现正交各向异性，有三个对称平面。对称平面与坐标系X、Y、Z相符。这些坐标轴也称作铺层的材料轴。纵向（X轴，L向或1）平行于纤维方向。性能最强。横向（YZ平面内任意一方向，T向或2）垂直于纤维方向。Y轴、Z轴上材料性能相近（近似相等）。因此，铺层可被看作横向各向同性，即YZ平
10、面内材料是各向同性的。11/10/202227工程材料力学性能硼纤维，即铺层厚度内仅允许一根纤维穿过。其他纤维，穿过铺层厚度有数根纤维，纤维在整个横截面内随机分布，且在一些部位可能彼此接触。11/10/202228工程材料力学性能研究单向复合材料力学性能的基本假设：1、各组分材料都是均匀的，纤维平行等距地排列，性质与直径也是均匀的。2、各组分材料都是连续的，且单向复合材料也是连续的，即认为纤维与基体结合良好。因此，在受力时在与纤维相同的方向上各组分的应变相等。3、各相在复合状态下，其性能与未复合前相同，基体和纤维是各向同性的。4、加载前，组分材料和单向复合材料无应力，加载后纤维与基体间不产生横
11、向应力。11/10/202229工程材料力学性能各向同性材料，强度和刚度均不依方向而改变；各向异性材料，强度和刚度都随方向而改变。单向复合材料五个特征强度值：纵向拉伸强度、横向拉伸强度、纵向压缩强度、横向压缩强度、面内剪切强度。四个特征弹性常数：纵向弹性模量、横向弹性模量、主泊松比和面内切变模量。11/10/202230工程材料力学性能研制新材料时，以及为结构设计提供材料数据时，需要考虑和提供9个性能数据。这些性能数据是采用标准试验方法测定的。11/10/202231工程材料力学性能1、拉伸试验分别在纵向和横向上测试拉伸性能。纵向：作用单轴应力x，由于泊松效应引起双轴应变11/10/20223
12、2工程材料力学性能其中EL为纵向模量，LT为纵向泊松比，也称主泊松比。11/10/202233工程材料力学性能横向：垂直纤维方向作用力y，由于泊松效应引起双轴应变11/10/202234工程材料力学性能其中ET为横向模量，TL为横向泊松比，也称次泊松比。11/10/202235工程材料力学性能复合材料应力应变关系呈线性，且为非常好的线性，因此，通过试验可测得纵向拉伸强度、纵向弹性模量、横向拉伸强度、横向弹性模量及主泊松比。次泊松TL比直接测量较困难，可以计算得出。11/10/202236工程材料力学性能具体试验常采用矩形试样：11/10/202237工程材料力学性能2、压缩试验测压缩弹性模量和
13、压缩强度。拉伸弹性模量压缩弹性模量，因此常常不测。压缩强度测量非常困难，主要是由于偏心载荷引起材料失稳破坏而不是压缩破坏。压缩试验时用专用夹具。11/10/202238工程材料力学性能11/10/202239工程材料力学性能3、面内剪切试验面内剪切试验可以确定层板面内切变模量和剪切强度。切应力切应变往往不是线性的。只有在小变形条件下，才可视为直线关系。11/10/202240工程材料力学性能两种推荐方法：（1）45试样为45对称铺层，试样上相互垂直地粘贴1和2两个应变片。面内切应力切应变面内切变模量为11/10/202241工程材料力学性能（2）轨道剪切试验 将矩形平板试样固定在夹具上，使层板
14、承剪，如三轨剪切试样。P施加载荷；b、h试样长、厚；，45方向上的应变值；为载荷应变曲线上斜率，这种试验方法，试样失效为平面屈曲，另外注意边缘约束条件的影响。11/10/202242工程材料力学性能11/10/202243工程材料力学性能4、弯曲试验主要是选材试验和质量控制，用来确定单向复合材料最外层的材料强度和模量。主要有三点弯曲试验和四点弯曲试验11/10/202244工程材料力学性能11/10/202245工程材料力学性能11/10/202246工程材料力学性能5、层间剪切试验这也是用于选材和质量控制的试验。采用短梁弯曲方法测量单向复合材料的表观层间剪切强度。11/10/202247工程
15、材料力学性能第二节组分对单向复合材料刚度的贡献单向复合材料性能取决于组分的性质，分布及相互间物理、化学作用，因此，性能可设计，设计出材料性能可以通过试验得到。组分变化、组分相对体积、制造工艺变化时，均要重新试验，耗时间和经费。因此，希望用理论的和半经验的方法来确定单向复合材料性能。11/10/202248工程材料力学性能1、体积分数和质量分数复合材料性能与基体和增强材料的相对比例有直接关系，这种比例关系用体积分数和质量分数表示。其中质量分数最容易控制和测量，即可以在制造时控制，又可以在制备后测量，体积分数只能用复合材料理论分析求得。11/10/202249工程材料力学性能设复合材料的体积为Vc
16、(composite)，它由纤维的体积Vf(fibre)和基体体积Vm(matrix)组成。复合材料的质量为mc(composite)，它由纤维的质量mf(fibre)和基体质量mm(matrix)组成。11/10/202250工程材料力学性能11/10/202251工程材料力学性能例题：用灼烧法测定玻璃纤维/环氧复合材料的组分含量。测得坩锅质量为47.6504g，坩锅与复合材料的质量为50.1817g，灼烧后坩锅与纤维的质量为49.4476g，已知纤维和树脂基体的密度分别为2.5g/cm3、1.2g/cm3,计算纤维和基体的质量分数与体积分数？11/10/202252工程材料力学性能注意：从
17、质量分数计算得到的复合材料密度可能与试验不一致，这主要是因为有孔隙存在：11/10/202253工程材料力学性能2、纵向刚度1)混合定律根据复合材料力学性能研究的假设纤维性质和直径均匀，纤维连续彼此平行。假设纤维与基体间存在着理想的粘接，以致在界面不发生滑移，则纤维、基体和复合材料的应变相等。11/10/202254工程材料力学性能11/10/202255工程材料力学性能纤维和基体对复合材料的性能(平均性能)所做的贡献是与它们的体积分数成比例，这种关系称为混合定律。推广到多组分情况：2)混合定律讨论11/10/202256工程材料力学性能11/10/202257工程材料力学性能3)拉压加载方式
18、讨论碳纤维/环氧树脂基复合材料实测拉伸时，EL=103860MPa压缩时，EL=84500MPa可见拉伸时，应力(c)或弹性模量(EL)与实测值相符，纵向拉伸性能主要取决于纤维。压缩时，应力(c)或弹性模量(EL)与实测值相差较多，纵向压缩性能主要取决于基体。11/10/202258工程材料力学性能4)载荷的分配组分应力比与弹性模量比相等，为了让纤维中达到高应力以便充分发挥高强度纤维的作用，纤维的弹性模量应远大于基体的弹性模量。11/10/202259工程材料力学性能组分载荷的比值取决于弹性模量的比值和体积分数比值。11/10/202260工程材料力学性能因此，纤维体积分数应最大。玻璃纤维增强
19、复合材料强度高、比强度高是由于高强度纤维的存在和复合材料充分发挥了高强度纤维的作用。计算一个例子。11/10/202261工程材料力学性能11/10/202262工程材料力学性能纤维最大体积分数可达91%，实际上超过80%时复合材料性能就会下降。原因：基体不足以润湿和渗透纤维束，以致纤维贫胶，并且在复合材料中产生孔隙。11/10/202263工程材料力学性能3、横向刚度1)横向弹性模量假设纤维的性质和直径均匀，纤维是连续的、平行的。11/10/202264工程材料力学性能在横向，复合材料变形=纤维变形+基体变形。11/10/202265工程材料力学性能设纤维与基体处于弹性变形状态纤维随机分布，
20、使纤维、基体等应力假设不准确，等应力假设导致在纤维-基体界面上沿载荷方向的应变不一致。纤维与基体泊松比不同。它引起纤维和基体中的纵向应力，并使复合材料存在不纯的纵向合力。11/10/202266工程材料力学性能2)纵向横向模量对比11/10/202267工程材料力学性能3)经验Halpin-Tsai方程是对增强作用的量度，取决于纤维几何形状、填充排列的几何形状与载荷状况，通过拟合得到。11/10/202268工程材料力学性能复合材料刚度比基体的高，纵向刚度提高是由于纤维起了主导作用。纵向载荷由纤维和基体分担，横向承载时，不存在组分分担情况，纤维起着限制基体变形的作用，导致复合材料横向模量高于基
21、体，因此，横向模量与组分的性能和含量、组分的分布和相互作用有关。11/10/202269工程材料力学性能4、面内切变模量和主泊松比1)面内切变模量假设纤维和基体中的切应力相等。11/10/202270工程材料力学性能11/10/202271工程材料力学性能上式为理论值，与实验相差较大。经验的Halpin-Tsai方程来预测GLT:11/10/202272工程材料力学性能2)主泊松比单向复合材料的正交各向异性决定了材料在纵横两个方向呈现泊松效应不同。主泊松比为：11/10/202273工程材料力学性能11/10/202274工程材料力学性能上式为主泊松比的混合定律，与纵向拉伸模量相似形式，上式结
22、果与实测相符。11/10/202275工程材料力学性能第三节失效模式和强度失效：不能满意地执行预期的功能。不同场合失效标准不一样。复合材料内部的损伤远远早于能观察到宏观外貌或特性的变化。11/10/202276工程材料力学性能损伤形式：1、纤维断裂2、基体微观开裂3、纤维与基体分离脱胶4、层合复合材料中铺层彼此分离分层损伤可出现一种形式，也可出现几种形式，损伤累积到一定程度，宏观才可见。确定失效模式，才能掌握失效机理，同时复合材料强度与失效机理密切相关，因此，研究失效模式可以预测强度。11/10/202277工程材料力学性能1、纵向拉伸载荷下的失效1)纵向拉伸载荷下的变形过程单向复合材料在拉伸
23、载荷下变形过程分为四个阶段：（1）纤维和基体变形都是弹性的；（2）纤维保持弹性变形，基体变形非弹性的；（3）纤维和基体变形都是非弹性的；（4）纤维断裂，复合材料断裂。11/10/202278工程材料力学性能热固性树脂基复合材料只有第一和第四阶段。金属基和热塑性树脂基复合材料，第二阶段占据一个很大部分。脆性纤维复合材料观察不到第三阶段。韧性纤维复合材料包括第三阶段。11/10/202279工程材料力学性能第一阶段直线的斜率，就是EL。第二阶段与第一阶段间有一拐点，该点对应于基体材料应力应变曲线的拐点。又因为纤维的体积分数较高且纤维模量又比基体模量高，所以复合材料应力应变曲线仍为一直线（近似直线）
24、。11/10/202280工程材料力学性能11/10/202281工程材料力学性能实际复合材料中，纤维承受主要载荷，纤维先于基体断裂，但纤维的断裂应变能大于纤维单独存在时的断裂应变，主要是因为纤维发生塑性变形时基体对纤维施加了阻止颈缩的侧向约束，使颈缩推迟。另外，纤维断裂后变成了短纤维增强复合材料。11/10/202282工程材料力学性能11/10/202283工程材料力学性能2)单向复合材料在纵向拉伸作用下的失效（1）脆性断裂；（2）附带有纤维拔出的脆性断裂；（3）带有纤维拔出、界面基体剪切破坏和组分脱胶的脆性断裂。11/10/202284工程材料力学性能11/10/202285工程材料力学
25、性能复合材料不同横截面上的裂纹若要连通可能通过纤维脱胶或基体剪切破坏实现。由于纤维与基体间界面结合较弱，已断成短纤维。玻璃纤维中包括三种失效模式：（1）f0.4，脆性失效模式；（2）0.4f0.65，纤维拔出、脱胶或基体剪切破坏。碳纤维复合材料可能出现（1）、（2）破坏形式。11/10/202286工程材料力学性能3)增强纤维的临界体积分数以下讨论的为脆性纤维连续纤维增强复合材料的初始破坏发生在纤维应变达到其断裂应变时（假定所有纤维都破坏于相同的应变）。11/10/202287工程材料力学性能当纤维体积分数超过某一最小值min，当所有纤维均破坏了，而由基体承受载荷。然而由于纤维占去了一部分体积
26、，复合材料的断裂载荷反而较全部是基体材料所能承受的断裂载荷小。11/10/202288工程材料力学性能这时基体不能支持整个复合材料的载荷，复合材料也随之破坏。在这种条件下，复合材料拉伸强度极限能用如下混合定律预测：当时，按上式预测的应力下，复合材料不会断裂。在这样的体积分数下，纤维对抑制基体的伸长是无效的，纤维迅速拉长到它们断裂应变。全部纤维失效不导致复合材料立即破坏。复合材料在应力为时断裂，即复合材料强度为11/10/202289工程材料力学性能所以解出上式的适用范围：11/10/202290工程材料力学性能复合材料强度极限超过基体的强度时，纤维才具有增强效果，即：解得临界纤维体积分数11/
27、10/202291工程材料力学性能11/10/202292工程材料力学性能2、横向拉伸载荷下的失效垂直于加载方向的纤维，本质上的作用是在界面上和基体内产生应力集中。复合材料横向拉伸时，失效起源于基体或界面的破坏。复合材料横向拉伸时失效模式为：基体拉伸失效、组分脱胶和（或）纤维开裂。预测复合材料横向拉伸强度可用两种方法：材料的强度法、弹性力学的数值解法。11/10/202293工程材料力学性能11/10/202294工程材料力学性能假设复合材料强度横向强度受基体强度极限控制：S为强度降低系数，它取决于纤维和基体的相对性质和体积分数，S可以为应力集中系数或应变增大系数。11/10/202295工程
28、材料力学性能数值方法中，用有限差分法或有限元法。11/10/202296工程材料力学性能适于预测纤维复合材料横向拉伸强度的经验公式（Nielsen）若基体和复合材料有线弹性的应力应变关系，则上述各公式都假定在各组分间有理想的粘附，因而失效发生于界面或靠近界面，起因于基体破坏。11/10/202297工程材料力学性能3、纵向压缩载荷下的失效1）纵向压缩载荷下的失效模式连续纤维的作用象细长柱体，纤维会发生微屈曲。单向复合材料纵向压缩载荷作用下失效模式有：横向拉伸失效、纤维微屈曲、剪切失效。其中纤维微屈曲有：基体仍处于弹性的、在基体屈服后、在组分脱胶后。11/10/202298工程材料力学性能11/
29、10/202299工程材料力学性能11/10/2022100工程材料力学性能11/10/2022101工程材料力学性能2）压缩强度预测当假设失效起始于纤维微屈曲，Rosen推导的公式：当假设失效起始于横向开裂和脱胶时：11/10/2022102工程材料力学性能11/10/2022103工程材料力学性能4、横向压缩载荷下的失效单向复合材料横向压缩载荷下的失效模式：（1）基体剪切破坏；（2）带组分脱胶或（和）纤维破碎的基体剪切破坏。横向压缩强度低于纵向压缩强度。11/10/2022104工程材料力学性能11/10/2022105工程材料力学性能5、面内剪切载荷下的失效失效模式：（1）基体剪切破坏；
30、（2）带组分脱胶的基体剪切破坏；（3）组分脱胶。11/10/2022106工程材料力学性能11/10/2022107工程材料力学性能第四节环境条件对复合材料性能的影响引起复合材料性能恶化的原因：（1）应力腐蚀使纤维强度降低；（2）纤维基体界面受损，使界面粘接强度下降；（3）基体材料化学降解；（4）基体强度和模量对时间和温度的依赖性；（5）温度和化学介质联合作用使材料加速老化。环境因素同时影响纤维、基体和界面，因此，组分间相互作用的削弱，复合材料力学性能也会下降。11/10/2022108工程材料力学性能此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢