第十一章復(fù)合材料的力學(xué)性能

1、復(fù)合材料的力學(xué)性能復(fù)合材料的力學(xué)性能內(nèi)容提要內(nèi)容提要1 1 復(fù)合材料概述復(fù)合材料概述2 2 復(fù)合材料的變形復(fù)合材料的變形3 3 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度4 4 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度5 5 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂與疲勞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂與疲勞1 復(fù)合材料概述復(fù)合材料概述人類(lèi)發(fā)展史和材料發(fā)展史息息相關(guān)。人類(lèi)發(fā)展史和材料發(fā)展史息息相關(guān)。人類(lèi)歷史上各方面進(jìn)步與新材料的發(fā)現(xiàn)、制造人類(lèi)歷史上各方面進(jìn)步與新材料的發(fā)現(xiàn)、制造和應(yīng)用分不開(kāi)。和應(yīng)用分不開(kāi)。新材料時(shí)代（高分子材料、復(fù)合材料和智能材新材料時(shí)代（高分子材料、復(fù)合材料和智能材料）。料）。石石器器

2、時(shí)時(shí)代代陶陶器器時(shí)時(shí)代代青青銅銅器器時(shí)時(shí)代代鐵鐵器器時(shí)時(shí)代代新新材材料料時(shí)時(shí)代代復(fù)合材料發(fā)展史復(fù)合材料發(fā)展史天然復(fù)合材料：天然復(fù)合材料：竹、木、茅草、貝殼、骨骼竹、木、茅草、貝殼、骨骼 傳統(tǒng)復(fù)合材料：傳統(tǒng)復(fù)合材料：麻刀（紙筋）石灰；土坯麻刀（紙筋）石灰；土坯（草稈、粘土）；鋼筋混凝土；（草稈、粘土）；鋼筋混凝土；通用復(fù)合材料：通用復(fù)合材料：19401940年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRPGFRP） 先進(jìn)復(fù)合材料：先進(jìn)復(fù)合材料：19601960年后，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料年后，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料單功能復(fù)合材料單功能復(fù)合材料多功能復(fù)合材料多功能復(fù)合材料機(jī)敏材機(jī)敏材料和智能材料。料和智能材料。 什

3、么是復(fù)合材料？什么是復(fù)合材料？?jī)煞N或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的固兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的固體材料，以微觀(guān)或宏觀(guān)的形式復(fù)合而成的體材料，以微觀(guān)或宏觀(guān)的形式復(fù)合而成的一種多相材料，性能與組成物質(zhì)不同。一種多相材料，性能與組成物質(zhì)不同。命名：命名：增強(qiáng)物名在前，增強(qiáng)物名在前，基體名在后，如基體名在后，如碳纖維環(huán)氧復(fù)合碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料。材料。n基體相基體相- -連續(xù)的，粘結(jié)、支持、保護(hù)增強(qiáng)物連續(xù)的，粘結(jié)、支持、保護(hù)增強(qiáng)物和傳遞應(yīng)力作用。和傳遞應(yīng)力作用。n增強(qiáng)相增強(qiáng)相- -分散的，被基體包圍，承受載荷作分散的，被基體包圍，承受載荷作用。用。 n近代復(fù)合材料主要有近代復(fù)合材料主要有纖維增強(qiáng)復(fù)

4、合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和粒子增強(qiáng)復(fù)合材料粒子增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料按基體材料分類(lèi)復(fù)合材料按基體材料分類(lèi)熱固性熱塑性樹(shù)脂基金屬基碳基玻璃基水泥基陶瓷基復(fù)合材料復(fù)合材料按功能分類(lèi)復(fù)合材料按功能分類(lèi)力結(jié) 構(gòu) 復(fù) 合 材 料電 、 磁 、 光 、 熱 、 放 射 性耐 腐 蝕 、 耐 燒 蝕 、 生 物 相 容 性 、 隱 身 等功 能 復(fù) 合 材 料復(fù) 合 材 料復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用-飛機(jī)用飛機(jī)用增韌石墨增韌石墨石墨石墨混雜復(fù)合材料混雜復(fù)合材料玻璃纖維玻璃纖維空中巨無(wú)霸空中巨無(wú)霸-A380機(jī)身蒙皮機(jī)身蒙皮-GLARE材料材料目前商用飛機(jī)上復(fù)合材料僅占全機(jī)重目前商用飛機(jī)上復(fù)合材料僅占全機(jī)重量

5、的量的50%50%，部分直升機(jī)已達(dá)，部分直升機(jī)已達(dá)90%90%超級(jí)跑車(chē)超級(jí)跑車(chē)-碳纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料碳纖維碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料樹(shù)脂復(fù)合材料生產(chǎn)充氣船及其膠布制品，采用國(guó)生產(chǎn)充氣船及其膠布制品，采用國(guó)際上先進(jìn)的際上先進(jìn)的A級(jí)級(jí)RTP復(fù)合材料復(fù)合材料新型日光溫室復(fù)合材料新型日光溫室復(fù)合材料溫室溫室骨架骨架和和縱拉桿縱拉桿全部采用復(fù)合材料制成全部采用復(fù)合材料制成熱塑性復(fù)合材料熱塑性復(fù)合材料碳碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料2 復(fù)合材料的性能特點(diǎn)復(fù)合材料的性能特點(diǎn)v比強(qiáng)度、比剛度（比模量）大比強(qiáng)度、比剛度（比模量）大v力學(xué)性能可以設(shè)計(jì)力學(xué)性能可以設(shè)計(jì)v抗疲勞性能好抗疲勞性能好v減震性好減震性好v通常都

6、能耐高溫通常都能耐高溫v過(guò)載時(shí)安全性好過(guò)載時(shí)安全性好v有很好的加工工藝性有很好的加工工藝性典型復(fù)合材料和常用材料性能對(duì)比典型復(fù)合材料和常用材料性能對(duì)比材料材料密度密度(g/cm3)拉伸強(qiáng)拉伸強(qiáng)度度(GPa)比強(qiáng)度比強(qiáng)度 107(mm)拉伸模拉伸模量量(GPa)比模量比模量 109(mm)沖擊強(qiáng)沖擊強(qiáng)度度(kgcm/cm2)碳纖維碳纖維/環(huán)氧環(huán)氧1.61.811.31288.076硼纖維硼纖維/環(huán)氧環(huán)氧2.11.67.622010.5-碳化硅纖維碳化硅纖維/環(huán)氧環(huán)氧2.01.57.51306.5260石墨纖維石墨纖維/鋁鋁2.20.83.623110.5-鋼鋼7.81.41.82102.7-鋁合

7、金鋁合金2.80.51.7772.8-鈦合金鈦合金4.51.02.21102.4-2.1 2.1 復(fù)合材料的變形復(fù)合材料的變形 常規(guī)材料：常規(guī)材料：均質(zhì)，各向同均質(zhì)，各向同性；性；復(fù)合材料：復(fù)合材料：非均質(zhì)，位置影響性能非均質(zhì)，位置影響性能各向異性，不同方向性各向異性，不同方向性能不同能不同3 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度1 1 各向異性材料的應(yīng)力各向異性材料的應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系2 2 單層板的應(yīng)力單層板的應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系3 3 單層板強(qiáng)度理論單層板強(qiáng)度理論連續(xù)纖維在基體中呈連續(xù)纖維在基體中呈同向平行等距排列。同向平行等距排列。單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

8、單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向復(fù)合材料微觀(guān)力學(xué)性能單向復(fù)合材料微觀(guān)力學(xué)性能 彈性模量由纖維和基體的性能及其相對(duì)體彈性模量由纖維和基體的性能及其相對(duì)體積含量共同確定。積含量共同確定。),(mmmfffijijVEVECC細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)單元細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)單元1方向：方向：1= f= m 2方向：方向：2= Vff +Vmm， = f = mfffEmmmE單元在單元在1方向拉伸方向拉伸n復(fù)合材料單元上的合力：復(fù)合材料單元上的合力：n混合定則：混合定則：纖維和基體對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性纖維和基體對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能所做的貢獻(xiàn)與其體積分?jǐn)?shù)成正比。能所做的貢獻(xiàn)與其體積分?jǐn)?shù)成正比。mmff1AAAPmmff1VEVEE1

9、= f = m 碳纖維碳纖維/ /環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的相關(guān)數(shù)據(jù)如下： MPaEVMPaEmff3000,5480,180000MPaE51101實(shí)測(cè)值為實(shí)測(cè)值為 MPa103860，與預(yù)測(cè)值較接近。，與預(yù)測(cè)值較接近。 舉例舉例求求E E1 1？單元在單元在2方向單向拉伸方向單向拉伸mffmmf2EVEVEEE2 = Vff +Vmm， = f = mmmff21EVEVE圖7-5 E2/Em隨纖維體積含量的變化圖 縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力- -應(yīng)變曲線(xiàn)應(yīng)變曲線(xiàn)基基體體和和纖纖維維應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變曲曲線(xiàn)線(xiàn)變形和斷裂：變形和斷裂：纖維和基體彈性纖維和基體彈性變形；變形；纖維彈

10、變，基體纖維彈變，基體非彈變；非彈變；兩者都非彈變；兩者都非彈變；纖維斷裂，進(jìn)而纖維斷裂，進(jìn)而整體斷裂。整體斷裂。復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)特征復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)特征l 曲線(xiàn)處于纖維和基體的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)之間。曲線(xiàn)處于纖維和基體的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)之間。l 曲線(xiàn)的位置取決于纖維的體積分?jǐn)?shù)。曲線(xiàn)的位置取決于纖維的體積分?jǐn)?shù)。l 纖維體積分?jǐn)?shù)越高，曲線(xiàn)越接近纖維的應(yīng)力應(yīng)纖維體積分?jǐn)?shù)越高，曲線(xiàn)越接近纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)；變曲線(xiàn)；l 當(dāng)基體體積分?jǐn)?shù)高時(shí)，曲線(xiàn)則接近基體應(yīng)力應(yīng)當(dāng)基體體積分?jǐn)?shù)高時(shí)，曲線(xiàn)則接近基體應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。變曲線(xiàn)。 4 4 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度 類(lèi)型：類(lèi)型：n單向短纖維增

11、強(qiáng)單向短纖維增強(qiáng)n面內(nèi)短纖維雜亂增強(qiáng)面內(nèi)短纖維雜亂增強(qiáng)n空間短纖維雜亂增強(qiáng)空間短纖維雜亂增強(qiáng)性能（與同類(lèi)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材料相比）：性能（與同類(lèi)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材料相比）：n纖維少，作用弱，性能變差，但橫向拉纖維少，作用弱，性能變差，但橫向拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高，可制復(fù)雜件，效伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高，可制復(fù)雜件，效率高。率高。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)特性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)特性短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力傳遞短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力傳遞 單纖維微元體：?jiǎn)卫w維微元體：纖維線(xiàn)彈性，纖維線(xiàn)彈性，界面結(jié)合完全。界面結(jié)合完全。 )()2()(22fffefffdrdzrrzfffzr00d2纖維上的應(yīng)力分布：纖維上的應(yīng)力分布：理

12、想狀態(tài)下纖維應(yīng)力沿纖維向的變化情況理想狀態(tài)下纖維應(yīng)力沿纖維向的變化情況若假設(shè)纖維末端不傳遞正應(yīng)力，即若假設(shè)纖維末端不傳遞正應(yīng)力，即f0f0=0=0，纖維上正應(yīng)力分布可簡(jiǎn)化為：纖維上正應(yīng)力分布可簡(jiǎn)化為：fsfrz2正應(yīng)力隨纖維長(zhǎng)度增加而增加。正應(yīng)力隨纖維長(zhǎng)度增加而增加。纖維臨界長(zhǎng)度纖維臨界長(zhǎng)度 n纖維傳遞應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí)的纖維最纖維傳遞應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí)的纖維最小長(zhǎng)度稱(chēng)為臨界長(zhǎng)度。小長(zhǎng)度稱(chēng)為臨界長(zhǎng)度。n短纖維復(fù)合材料中纖維的長(zhǎng)度應(yīng)大于臨界短纖維復(fù)合材料中纖維的長(zhǎng)度應(yīng)大于臨界長(zhǎng)度，這時(shí)才可能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作長(zhǎng)度，這時(shí)才可能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。用。5 5 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂與疲勞纖

13、維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂與疲勞斷裂過(guò)程：斷裂過(guò)程：n形成微觀(guān)裂紋；形成微觀(guān)裂紋；n微觀(guān)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，與其它微觀(guān)裂紋相接而微觀(guān)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，與其它微觀(guān)裂紋相接而達(dá)到宏觀(guān)裂紋尺度；達(dá)到宏觀(guān)裂紋尺度；n在臨界應(yīng)力水平下宏觀(guān)裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展。在臨界應(yīng)力水平下宏觀(guān)裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展。n斷裂方式：斷裂方式：?jiǎn)蝹€(gè)組分?jǐn)嗔鸦蚪M分間界面分離（如層合單個(gè)組分?jǐn)嗔鸦蚪M分間界面分離（如層合板）。板）。樹(shù)脂基層合板的損傷形式樹(shù)脂基層合板的損傷形式 n基體強(qiáng)度比纖維低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，層間薄弱，易基體強(qiáng)度比纖維低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，層間薄弱，易形形成層間分離成層間分離，是其主要損傷形式。，是其主要損傷形式。n分層后，板強(qiáng)度和剛度明顯下降。分層后

14、，板強(qiáng)度和剛度明顯下降。 n分層主要因素：制造缺陷引起的層間粘結(jié)不好和分層主要因素：制造缺陷引起的層間粘結(jié)不好和層間應(yīng)力集中或沖擊載荷引起的層間分離。層間應(yīng)力集中或沖擊載荷引起的層間分離。復(fù)合材料的疲勞復(fù)合材料的疲勞 n交變載荷，損傷包括基體開(kāi)裂、界面脫膠、交變載荷，損傷包括基體開(kāi)裂、界面脫膠、分層和少量纖維斷裂等多種形式。分層和少量纖維斷裂等多種形式。 n損傷缺乏規(guī)律性，聚合物基體有高阻尼，損傷缺乏規(guī)律性，聚合物基體有高阻尼，疲勞裂紋無(wú)明顯快速擴(kuò)展。疲勞裂紋無(wú)明顯快速擴(kuò)展。n雖有缺陷，但疲勞壽命比金屬高。雖有缺陷，但疲勞壽命比金屬高。 疲勞破壞機(jī)理疲勞破壞機(jī)理-長(zhǎng)纖維增強(qiáng)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)界面粘結(jié)過(guò)

15、強(qiáng)界面粘結(jié)過(guò)強(qiáng) 界面粘結(jié)過(guò)弱界面粘結(jié)過(guò)弱 界面粘結(jié)中等界面粘結(jié)中等纖維加載受力，纖維加載受力，但受纖維應(yīng)變的但受纖維應(yīng)變的限制，總應(yīng)力和限制，總應(yīng)力和應(yīng)變不高，裂紋應(yīng)變不高，裂紋擴(kuò)展慢，疲勞強(qiáng)擴(kuò)展慢，疲勞強(qiáng)度高。度高。1. 纖維斷裂拔纖維斷裂拔出，裂紋張開(kāi)出，裂紋張開(kāi)2. 纖維脫粘纖維脫粘3. 基體開(kāi)裂基體開(kāi)裂幾種破壞模式示意圖幾種破壞模式示意圖短纖維增強(qiáng)短纖維增強(qiáng)-差別大差別大n短：纖維加載受力，但含量少，分布既不短：纖維加載受力，但含量少，分布既不均勻也不規(guī)則，基體和界面應(yīng)力狀態(tài)相當(dāng)均勻也不規(guī)則，基體和界面應(yīng)力狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，局部應(yīng)力或應(yīng)變高，疲勞強(qiáng)度低。復(fù)雜，局部應(yīng)力或應(yīng)變高，疲勞強(qiáng)度低。n疲勞破壞主要機(jī)理：基體開(kāi)裂、界面脫膠、疲勞破壞主要機(jī)理：基體開(kāi)裂、界面脫膠、分層和纖維斷裂。分層和纖維斷裂。 復(fù)合材料的疲勞特性復(fù)合材料的疲勞特性