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1、1第第8 8章章 复合材料力学性能复合材料力学性能 8.1 引言 8.2 单向纤维复合材料拉伸性能 第1页/共101页2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 第一种人工合成树脂-酚醛树脂拉伸强度：4070MPa，模量：24GPa特种工程树脂复合材料 拉伸强度：1.2GPa，模量：50GPa第2页/共101页3复合材料的力学性能很大程度上取决于增强纤维的品种、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
2、及排列方式，其中增强纤维的排列方式不同，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。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分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为以下5类：类：复合材料的力学分类复合材料的力学分类 p单向（纤维增强）复合材料p双向（正交纤维）复合材料p多向（纤维增强）复合材料p三向（正交纤维增强）复合材料p短纤维增强复合材料第3页/共101页4（1 1）单向（纤维增强）复合材料单向（纤维增强）复合材料p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
3、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特点：特点：第4页/共101页5pp纵向纵向：平行于纤维的方向，L向、0向；pp横向横向：垂直于纤维方向，T向、90向；pp 向向：在L-T平面内，与纵向成夹角方向；pp层向层向：垂直于L-T平面的方向称为层向，N向、法向、向。单向纤维复合材料在直角坐标系中方向规
4、定：单向纤维复合材料在直角坐标系中方向规定：第5页/共101页6（2 2）双向（正交纤维）复合材料双向（正交纤维）复合材料p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。特点：特点：第6页/共101页7
5、（3 3）多向（纤维增强）复合材料多向（纤维增强）复合材料p在在L-T平面内，除了有平面内，除了有0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，强度最差。接近面内各向同性，在层向无纤维排布，强度最差。特点：特点：第7页/共101页8（4 4）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由沿三个正交方向的纤维编织物作增强材料；
6、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向强度差、模量低的缺陷。特点：特点：（5 5）短纤维（增强）复合材料短纤维（增强）复合材料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。特点：特点：第8页/共101页9在工艺条件正确、外界因素相同条件下，复合材料的力在工艺条件正确、
7、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：学性能主要取决于以下三方面：复合材料的力学性能复合材料的力学性能 增强纤维的品种、性能、含量及排列方式基体树脂的性能与含量纤维与基体的结合、界面组成情况第9页/共101页10（1 1）复合材料主要原料的力学性能复合材料主要原料的力学性能纤维主要起到承受载荷的作用，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
8、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。增强纤维增强纤维第10页/共101页11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，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
9、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，单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。丝直径增加，纤维强度下降。GF力学性能指标：力学性能指标：玻璃纤维的力学特性玻璃纤维的力学特性一般无碱一般无碱GF设计强度：设计强度：1GPa；模量：；模量：70GPa；高模量高模量GF模量：模量：100GPa第11页/共101页12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
10、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%碳纤维的力学特性碳纤维的力学特性型CF（高模型）：强度为2GPa；模量为390420GPa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P-140型CF：模量高达9
11、66GPa第12页/共101页13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：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。芳纶的力学特性芳纶的力学特性第13页/共101页14 基体材料选择三原则：基体材料选择三原则：基体材料基体材料
12、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。第14页/共101页15 基体材料对复合材料力学性能的影响：
13、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
14、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第15页/共101页168.2 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的复合材料。p沿纤维方向（纵向、L向）拉伸p垂直纤维方向（横向、T向）拉伸按加载方向不同，单向复合材料的拉伸性能可分为：第16页/共101页17（1 1）纵向拉伸应力纵向拉伸应力L L 、拉伸模量、拉伸模量E EL L纵向拉伸性能纵向拉伸性能 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：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
15、载荷）承受的载荷第17页/共101页18PL=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：第18页/共101页19L 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L=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
16、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+m第19页/共101页20L=f Vf+m Vm将上式对应变求导，得将上式对应变求导，得d/d/d代表相应的应力代表相应的应力-应变曲线在应变曲线在给定应变点的斜率，如果材料应力给定应变点的斜率，如果材料应力-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。第20页/共101页21第21页/共101页22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 E
17、ffm=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。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）第22页/共101页23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
18、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。材料中纤维材料中纤维和基体的应和基体的应力与应变曲力与应变曲线均为直线线均为直线材料中纤材料中纤维和基体维和基体的应力与的应力与应变曲线应变曲线分别为直分别为直线和非直线和非直线线第23页/共101页24（2 2）应力应变特性、纵向拉伸强度应力应变特性、纵向拉伸强度LuLu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性：L=f Vf+m VmE EL=E Ef Vf+E Em Vm估算复合材料的应力估算复合材料的应力估算复合材料的模量估算复合材料的模量前提条件：复合材料的两种组分都呈弹性形变
19、。前提条件：复合材料的两种组分都呈弹性形变。应力应变特性应力应变特性第24页/共101页25一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：纤维断裂，继而复合材料断裂纤维与基体变形均是非弹性的纤维保持弹性变形，基体变形是非弹性的纤维与基体变形均是弹性的阶段1阶段2阶段3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第25页/共101页26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
20、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。第26页/共101页27纵向拉伸强度纵向拉伸强度 LuLup复合材料的强度 LuLu按混合定律估算，但与基体的断裂延伸率mu大小有关；p估算时要考虑纤维与基体哪个先破坏的问题，即fu与mu的相对大小不同，估算公式有差异。第27页/共101页28分几种情况讨论：分几种情况讨论：fufu =mum
21、u （最简单的理想情况，基体和纤维都是脆性材料）（最简单的理想情况，基体和纤维都是脆性材料）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)fuLufumu第28页/共101页29 基体和纤维都是脆性材料，且基体和纤维都是脆性材料，且 fufu mumu p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，在复合材料的应力应变曲线上出现拐点；p出
22、现拐点，纤维还可以承担拉伸载荷，直到纤维断裂，复合材料才同时断裂，Lu=fu。第29页/共101页30L=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 Vf第30页/共101页31L=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
23、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）第31页/共101页32 fufu mu mu，纤维相对于基体来说是脆性材料，纤维相对于基体来说是脆性材料p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
24、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：第32页/共101页33L=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）第33页/共101页34（3 3）影响纵向强度和模量的因素影响纵向强度和模量的因素纤维取向错误纤维取向错误纤维强度不均匀纤维强度不均匀不连续纤维不连续纤维界面状况界面状况残余应力残余应力第34页/共101页35纤维取向
25、错误纤维取向错误当纤维平行于外载荷方向时，纤维对复合材料性能的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；贡献最大；当纤维与施载方向不平行，复合材料的强度和刚度都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；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维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。数量及这些纤维与载荷轴的角度。第35页/共101页36纤维强度不均匀纤维强度不均匀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
26、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。第36页/共101页37不连续纤维不连续纤维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
27、维长度扩散，从而使纤维与基体分离。维与基体分离。第37页/共101页38界面状况界面状况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
28、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。第38页/共101页39残余应力残余应力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同、制造温度和使用温度不同。度和使用温度不同。第39页/共101页40(4)单向板纵向拉伸的三种破坏模式：基体断裂 界面脱粘 纤维断裂第40页/共101页41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
29、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。横向拉伸性能横向拉伸性能 横向拉伸模量横向拉伸模量横向拉伸强度横向拉伸强度第41页/共101页42复合材料横向拉伸模量（复合材料横向拉伸模量（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
30、 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%。横向拉伸模量（横向拉伸模量（E ET T）第42页/共101页43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
31、面的结合强度。横向拉伸强度（横向拉伸强度（TuTu）提高基体的拉伸强度或降低应力集中系数S应力提高界面的结合强度提高Tu增加基体内聚强度；基体模量增加不仅增加ET，也会降低S应力；纤维Vf增加，S应力提高；降低空隙率、提高界面的结合力第43页/共101页44单向板横向拉伸的三种破坏模式：单向板横向拉伸的三种破坏模式：基体破坏 界面脱粘 纤维破坏第44页/共101页458.3 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）很高，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；但在横向则很低；而在实际应用中单向受力的情况很少，主要是多向纤维复而在实际应用
32、中单向受力的情况很少，主要是多向纤维复合材料；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设根据制件受力情况，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、铺计特点，对纤维进行铺层设计（纤维排列方向、层数、铺层顺序等）。层顺序等）。最简单、最基本的多向纤维复合材料：正交纤维复合材料最简单、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（正交编织物或单向纤维预浸料交替90正交铺层）。正交铺层）。第45页/共101页46单轴拉伸力学模型：单轴拉伸力学模型：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。正交复合材料的轴
33、向拉伸性能正交复合材料的轴向拉伸性能 沿一个纤维方向（沿一个纤维方向（L L向）拉伸，向）拉伸，L L向为径向；向为径向；T T向为纬向；向为纬向；各单向复合材料的厚度各单向复合材料的厚度h h按双向复合材料的地经纬向纤维量来分配；按双向复合材料的地经纬向纤维量来分配；沿一个方向拉伸时，可略去横向纤维的作用，而将其看作基体。沿一个方向拉伸时，可略去横向纤维的作用，而将其看作基体。第46页/共101页47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：、，即即所以所以L
34、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：第47页/共101页48nL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：例如：某平纹布的规格为例如：某平纹布的规格为 原纱支数原纱支数 0 0/股数股数N N 排纱密度排纱密度/（根（根/cm/cm）径向径向 80/9 16 80/9 16 纬向纬向 80/8 1080/8 10则则第48页/共101页49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：第49页/共101页50根据混合定律可估算出根据混合定律可估算出L 向、向、
35、T 向的强度：向的强度：第50页/共101页51正交复合材料单轴拉伸的应力正交复合材料单轴拉伸的应力-应变曲线应变曲线 单向复合材料纵向拉伸应力单向复合材料纵向拉伸应力-应变曲线应变曲线pp应力应力-应变曲线是一条直线；应变曲线是一条直线；pp其强度和模量取决于纤维，其强度和模量取决于纤维，其应力其应力-应变曲线体现了纤维的应变曲线体现了纤维的力学特征。力学特征。第51页/共101页52双向正交双向正交玻璃纤维玻璃纤维复合材料单轴拉伸应力复合材料单轴拉伸应力-应变曲线应变曲线pp应力应力-应变曲线是一条折线；应变曲线是一条折线；pp拐点前模量拐点前模量(初始模量初始模量)较高，为各层板模量之和
36、；较高，为各层板模量之和；pp9090 层强度很低，先破坏产生裂纹，同时听到劈裂声，见到材料发白，出现拐层强度很低，先破坏产生裂纹，同时听到劈裂声，见到材料发白，出现拐点；点；pp继续加载，直到继续加载，直到00层达到破坏应力，材料突然破坏。层达到破坏应力，材料突然破坏。第52页/共101页53pp玻璃布复合材料也出现拐点；玻璃布复合材料也出现拐点；pp在径向拉伸时，纬线更加弯曲，导致纬线周围基体开裂，出现拐点。在径向拉伸时，纬线更加弯曲，导致纬线周围基体开裂，出现拐点。对玻璃布复合材料而言，其强度和模量比由对玻璃布复合材料而言，其强度和模量比由GFGF单板制成的复合材料的要低：单板制成的复合
37、材料的要低：纤维处在弯曲、扭转状态；纤维处在弯曲、扭转状态；编织过程中大大降低纤维强度编织过程中大大降低纤维强度第53页/共101页548.4 单向纤维复合材料压缩性能纵向压缩强度纵向压缩强度 增强纤维本身能承受很大的拉力，但不能承受压力；但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。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度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，一般进行实际测试。数据，因此压缩强度不能简单估算，一般进行实际测试。在压缩过程中，当基体不能支撑纤维时，纤维会
38、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。第54页/共101页55（1 1）纵向压缩的破坏形式纵向压缩的破坏形式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：复合材料纤维含量复合材料纤维含量V Vf f较低较低（40%40%），具体仍在弹性），具体仍在弹性应变范围内应变范围内加载长度加载长度l l 较短时，压较短时，压缩破坏始于横向开裂缩破坏始
39、于横向开裂与载荷方向成约与载荷方向成约4545 角角方向的剪切破坏方向的剪切破坏第55页/共101页56（2 2）影响纵向压缩强度的因素影响纵向压缩强度的因素破坏形式各异，影响因素较多：破坏形式各异，影响因素较多：基体压缩比例极限（基体压缩比例极限（-mp-mp）：基体应力不能高于）：基体应力不能高于-mp-mp，否则基体屈，否则基体屈服，导致纤维屈曲；服，导致纤维屈曲；纤维压缩强度纤维压缩强度-fu-fu界面强度或复合材料层间剪切强度界面强度或复合材料层间剪切强度复合材料横向拉伸强度复合材料横向拉伸强度 TuTu基体弹性模量基体弹性模量纤维体积分数纤维体积分数复合材料制造工艺、测试方法等复合
40、材料制造工艺、测试方法等第56页/共101页57横向压缩强度横向压缩强度 单向复合材料在横向受压时常常出现右图中的基体剪切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粘和纤维破坏。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：基体剪切破坏 带有界面脱粘或纤维破碎的基体剪切破坏第57页/共101页58影响横向压缩强度的因素影响横向压缩强度的因素基体压缩强度基体压缩强度-mu-mu界面粘结强度界面粘结强度空隙率空隙率基体韧性增加，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。第
41、58页/共101页598.5 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。复合材料的冲击性能复合材料的冲击性能 第59页/共101页60（1）冲击强度：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。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简
42、支梁飞出功较小，适用简支梁飞出功较小，适用于冲击强度小的制品于冲击强度小的制品 第60页/共101页61悬臂梁加载悬臂梁飞出功较大，适用于韧性材料。悬臂梁飞出功较大，适用于韧性材料。第61页/共101页62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。
43、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。第62页/共101页63装有载荷传感器（摆锤或支座）的装有载荷传感器（摆锤或支座）的CharpyChar
44、py或落锤式冲击试验机或落锤式冲击试验机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冲和变换冲锤质量以调节冲击能的大小；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。第63页/共101页64ppP-tP-t曲线划分为两个区域：裂纹引发和裂纹扩展；曲线划分为两个区域：裂纹引发和裂纹扩展；ppP-tP-t曲线下面积反映材料吸收的能量；曲线下面积反映材料吸收的能量；pp总冲击能量总冲击能量E Et t是裂纹引发能是裂纹引
45、发能E Ei i 和裂纹扩展能和裂纹扩展能E Ep p 的和；的和；pp对于高强度脆性材料，对于高强度脆性材料，E Ei i大，而大，而E Ep p小；小；pp对于低强度韧性材料，对于低强度韧性材料，E Ei i小，而小，而E Ep p大。大。韧性指数韧性指数裂纹扩展能裂纹扩展能E Ep p 与裂纹引发与裂纹引发能能E Ei i 之比之比 第64页/共101页65（2 2）能量吸收机理和破坏模式能量吸收机理和破坏模式能量吸收机理：能量吸收机理：形成新的表面、材料变形形成新的表面、材料变形材料变形首先发生；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
46、并且扩展，在裂纹扩展过程中，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。第65页/共101页66破坏模式破坏模式 纤维破坏 基体变形和开裂 纤维脱胶 纤维拔出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小纤维复合材料的破坏可以认为是由材料内部固有的小缺
47、陷发源的。缺陷发源的。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：第66页/共101页67 纤维破坏纤维破坏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。基体变形和开裂基体变形和开裂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
48、性差；热塑性基体可产生较大塑性变形，冲击强度高。可产生较大塑性变形，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。第67页/共101页68 纤维脱胶纤维脱胶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。纤维拔出纤维拔出p当脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体
49、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。第68页/共101页69 分层裂纹分层裂纹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
50、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。第69页/共101页70（3 3）影响复合材料冲击性能的因素影响复合材料冲击性能的因素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：纤维种类、基体韧性、纤维体积分数、界面粘结状况等冲击速率、冲锤质量、刃口形式、跨高比、支撑情况等第70页/共101页71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