材料的力學(xué)性能14課件

第十四章復(fù)合材料的力學(xué)行為14.1引言

結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是用人工辦法將高強(qiáng)度、高模量纖維與基體材料結(jié)合起來(lái)而形成的新型結(jié)構(gòu)材料。由于復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比剛度、耐熱性、減震性和抗疲勞性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于作為基體的原材料，近年來(lái)愈來(lái)愈多地受到人們的重視。復(fù)合材料有著與其它工程材料力學(xué)性能的共同點(diǎn)，也有其自身的許多特點(diǎn)。14.2單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基本假設(shè)

連續(xù)纖維在基體中呈同向平行等距排列的復(fù)合材料叫單向連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。

圖14-1單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料示意圖14.3代表性體元根據(jù)上述假設(shè)，單向復(fù)合材料宏觀上是均勻的，因此可取一單元體進(jìn)行研究。這種單元體的選取，應(yīng)當(dāng)小得足以表示出細(xì)觀材料的組成結(jié)構(gòu)，而又必須大得足以能代表單向復(fù)合材料體內(nèi)的全部特性。這樣的單元體再經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化后稱為代表性體元。σ1σ1tm/2tftm/2tT圖14-2復(fù)合材料中的體積元示意圖(a)體積單元；（b）代表性體積單元ι14.4復(fù)合材料的縱向力學(xué)性能14.4.1縱向彈性模量（14-4）

（14-7）

式（14-4）和（14-7）表明，纖維和基體對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能所做的貢獻(xiàn)與它們的體積分?jǐn)?shù)成正比，這種關(guān)系稱為混合定則（RuleofMixtures）。顯然，當(dāng)沿L向施加拉伸載荷時(shí),按式(14-7)預(yù)測(cè)的值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近；而為壓縮載荷時(shí),按式(14-7)預(yù)測(cè)的值偏離實(shí)驗(yàn)結(jié)果較大。例如：碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，時(shí)算的拉伸實(shí)測(cè)值為，與預(yù)測(cè)值較接近而壓縮實(shí)測(cè)為，與預(yù)測(cè)值差別較大。圖14-3同時(shí)繪出了纖維、基體和復(fù)合材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯瑥?fù)合材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線處于纖維和基體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線之間。復(fù)合材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線的位置取決于纖維的體積分?jǐn)?shù)。如果纖維的體積分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線越接近纖維的應(yīng)力－應(yīng)變曲線；反之，當(dāng)基體體積分?jǐn)?shù)高時(shí)，復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線則接近基體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。復(fù)合材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線按其變形和斷裂過程，可以分為四個(gè)階段：①纖維和基體變形都是彈性的；②纖維的變形仍是彈性的，但基體的變形是非彈性的；③纖維和基體兩者的變形都是非彈性的；④纖維斷裂，進(jìn)而復(fù)合材料斷裂。14.4.3增加纖維的臨界體積分?jǐn)?shù)正因?yàn)閺?fù)合材料主要由纖維承載，由式（14-11）可以看出，在纖維體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，纖維承受不了很大的載荷即發(fā)生斷裂，而由基體承受載荷。然而由于纖維占去了一部分體積，故復(fù)合材料的斷裂載荷反而較全部是基體材料所能承受的斷裂載荷小。

由圖14-4中可見，纖維含量越高，復(fù)合材料強(qiáng)度愈高，但實(shí)際纖維體積分?jǐn)?shù)不可能達(dá)到100％，例如對(duì)圓截面纖維纖維來(lái)說，Vf的最大理論計(jì)算值為90.69%；同時(shí)，體積分?jǐn)?shù)太高時(shí)，基體不可能潤(rùn)濕和滲透纖維束，導(dǎo)致基體與纖維結(jié)合不佳造成復(fù)合材料強(qiáng)度降低。因此，復(fù)合材料，特別是金屬基復(fù)合材料，增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)不可能太高。14.4.4縱向抗壓強(qiáng)度單向復(fù)合材料承受壓縮載荷時(shí)，可將纖維看作在彈性基體中的細(xì)長(zhǎng)柱體。若復(fù)合材料纖維體積含量很低時(shí)，即使基體在其彈性范圍內(nèi)時(shí)，纖維也會(huì)發(fā)生微屈曲。纖維的屈曲可能有兩種形式（圖14-5）：圖14-5纖維屈曲的兩種型式（a）“拉壓”型；（b）“剪切”型一種是纖維彼此反向屈曲，使基體出現(xiàn)受拉部分和受壓部分，稱為“拉壓”型屈曲；另一種是纖維彼此同向屈曲，形式基體受剪切變形，稱作“剪切”型屈曲。前者出現(xiàn)在纖維體積分?jǐn)?shù)很小的復(fù)合材料之中，而后者出現(xiàn)在大多數(shù)常用的復(fù)合材料之中。14.8復(fù)合材料的斷裂、沖擊與疲勞性能特點(diǎn)

影響復(fù)合材料的斷裂、沖擊和疲勞性能因素比金屬材料的更多，而且對(duì)它們的研究還很不夠，此處只介紹較成熟的一些研究結(jié)果。像金屬材料一樣，可假設(shè)復(fù)合材料的破壞是從材料中固有的小缺陷發(fā)源的。例如，有缺陷的纖維，基體與纖維界面處的缺陷和界面不良反應(yīng)物等。在形成的裂紋尖端及其附近，有可能以發(fā)生纖維斷裂、基體變形和開裂、纖維與基體分離（纖維脫粘）、纖維拔出等模式破壞（見圖14-16）[237]?，F(xiàn)分述如下。纖維斷裂紋后拔出在裂紋平面或其附近纖維斷裂未破壞纖維，故在接近裂紋平面承擔(dān)較大荷載圖14-16在裂紋尖端近復(fù)合材料有可能發(fā)生破壞的幾種模式示意圖1）纖維拔出

(a)(b)圖14-17裂紋尖端纖維排列和拔出模型（a）裂紋尖端短纖維排列模型；（b）拔出纖維時(shí)的模型14.8.2沖擊性能特點(diǎn)

為全面評(píng)定復(fù)合材料的性能，還必須進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。因?yàn)槔煨阅芎玫膹?fù)合材料，其抗沖擊性能不一定好。例如，高彈性模量的復(fù)合材料往往比低彈性模量復(fù)合材料的韌性差。有兩個(gè)原因可能使復(fù)合材料沖擊性能降低：維增強(qiáng)復(fù)合材料的塑性一般較原基體的塑性差，這便使應(yīng)力-應(yīng)變曲線下面積減少；纖維末端附近產(chǎn)生力集中（短纖維），易導(dǎo)致裂紋很快產(chǎn)生和發(fā)展，使沖擊性能下降。因此，隨著纖維含量增加，沖擊性能下降。但若是脆性的基體，加入韌性纖維則可改善沖擊性能。復(fù)合材料中纖維與外力的取向是影響沖擊性能的重要因素。纖維方向與受力方向垂直時(shí)，沖擊性能最高，隨著纖維方向與受力方向夾角增加，沖擊性能連續(xù)下降，而在當(dāng)纖維方向與受力方向平行時(shí)最低。14.8.3疲勞性能特點(diǎn)

復(fù)合材料有多種疲勞損傷形式，如界面脫粘、分層、纖維斷裂、空隙增長(zhǎng)等，比金屬材料的損傷形式多。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)金屬材料，由于斷裂韌性低，故在構(gòu)件切口根部出現(xiàn)可檢測(cè)的疲勞裂紋時(shí)，構(gòu)件可能變得不安全。然而在復(fù)合材料中，雖然有多種損傷的存在，裂紋起始?jí)勖^短，但由于增強(qiáng)纖維的牽制，對(duì)切口、裂紋和缺陷不敏感，因此有較大的安全壽命。

金屬材料的疲勞破壞往往是突然發(fā)生的，復(fù)合材料并非如此，常常難以確認(rèn)破壞與否，不會(huì)發(fā)生驟然破壞。因此，復(fù)合材料常以模量下降的百分?jǐn)?shù)（如下降1%-2%）作為破壞的依據(jù)，試驗(yàn)中因試樣模量的變化，也會(huì)引起共振頻的變化，所以有時(shí)還以頻率變化（如1-2Hz）作為復(fù)合材料的破壞依據(jù)。正因?yàn)槿绱?，?fù)合材料疲勞試驗(yàn)采用強(qiáng)迫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)而很少用共振式疲勞試驗(yàn)機(jī)。

14.8.4脆性基體復(fù)合材料的力學(xué)性能特點(diǎn)以陶瓷基體復(fù)合材料（CMC，CeramicMatrixComposites）為代表的脆性基體復(fù)合材料在高溫結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有許多潛在的用途,其力學(xué)性能也有著許多特點(diǎn)。1)纖維的強(qiáng)度纖維的強(qiáng)度與纖維的長(zhǎng)度、直徑有關(guān)，纖維越長(zhǎng)、直徑越大，含缺陷的概率越大，因此強(qiáng)度越低。纖維斷裂后存在一個(gè)平坦的鏡面，其半徑為rm，緊接著為放射線快速擴(kuò)展區(qū)

AArm圖14-23碳纖維的斷裂鏡箭頭處為斷裂鏡，A處為擴(kuò)展區(qū)

界面結(jié)構(gòu)和界面強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能起著關(guān)鍵性的影響，界面結(jié)合強(qiáng)度并非愈高愈好。例如CVDC/SiC的強(qiáng)度及變形能力明顯高于SiC/SiC的強(qiáng)度及變形能力。為了獲得高的斷裂韌性和熱震(thermo-shock，亦稱作熱沖擊)抗力，從陶瓷基復(fù)合材料界面的設(shè)計(jì)中應(yīng)采用弱界面結(jié)合。2)界面結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系單向、二維、2.5維及三維編織的C/SiC材料陶瓷基復(fù)合材料的典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為三個(gè)階段：起始的線性階段，它對(duì)應(yīng)著彈性行為。這一階段一直持續(xù)到基體剛要產(chǎn)生裂紋的應(yīng)力σmc為止，這一階段基本不產(chǎn)生損傷；第二階段對(duì)應(yīng)著基體產(chǎn)生新裂紋，隨著應(yīng)力增加，基體裂紋不斷增加，宏觀上也表現(xiàn)為近似的線形行為。但是，由于基體生成的裂紋不可逆，卸去載荷后試樣不能恢復(fù)原狀。當(dāng)基體裂紋飽和后達(dá)到了應(yīng)力σs，便開始了第三階段；第三階段是準(zhǔn)線形的陡峭的曲線，對(duì)應(yīng)著發(fā)生界面脫粘，由于纖維此時(shí)承擔(dān)著主要載荷，因此纖維不斷的發(fā)生斷裂，直至試樣斷裂應(yīng)力σf