1、會計學1復合材料復合材料(f h ci lio)力學性能力學性能第一頁，共102頁。28.1 引言(ynyn) 8.2 單向纖維復合材料(f h ci lio)拉伸性能 第1頁/共101頁第二頁，共102頁。3材料的力學性能是材料最基本材料的力學性能是材料最基本(jbn)的使用性能。的使用性能。隨著科技的進步，對材料的性能，包括力學性能均提出愈來愈隨著科技的進步，對材料的性能，包括力學性能均提出愈來愈高的要求：高的要求：8.1 引言(ynyn) 第一種人工合成樹脂-酚醛樹脂(fn qun sh zh)拉伸強度：4070MPa，模量：24GPa特種工程樹脂復合材料 拉伸強度：1.2GPa，模量：

2、50GPa第2頁/共101頁第三頁，共102頁。4復合材料的力學性能很大程度上取決于增強纖維的品種復合材料的力學性能很大程度上取決于增強纖維的品種(pnzhng)、性能、含量及排列方式，其中增強纖維的排、性能、含量及排列方式，其中增強纖維的排列方式不同，使復合材料的力學性能各向異性有較大差異。列方式不同，使復合材料的力學性能各向異性有較大差異。按纖維的排列方式的不同，從力學性能可將復合材料分為按纖維的排列方式的不同，從力學性能可將復合材料分為以下以下5類：類： p單向(dn xin)（纖維增強）復合材料p雙向（正交纖維）復合材料p多向（纖維增強）復合材料p三向（正交纖維增強）復合材料p短纖維增

3、強復合材料第3頁/共101頁第四頁，共102頁。5p以連續纖維為增強材料，且所有纖維都平行排列在同一方以連續纖維為增強材料，且所有纖維都平行排列在同一方向；向；p單向纖維復合材料在工程上也叫單（向）板，常記作單向纖維復合材料在工程上也叫單（向）板，常記作0；p纖維排列緊密，纖維體積纖維排列緊密，纖維體積(tj)分數可達分數可達6075%；p沿纖維方向具有較高的強度，與纖維成任意夾角方向的強沿纖維方向具有較高的強度，與纖維成任意夾角方向的強度明顯下降度明顯下降第4頁/共101頁第五頁，共102頁。6第5頁/共101頁第六頁，共102頁。7p以正交編織物（布）或單向板為增強材料，交替正交以正交編織

4、物（布）或單向板為增強材料，交替正交90排排列；列；p雙向（正交纖維）復合材料在工程上也叫正交板，常記作雙向（正交纖維）復合材料在工程上也叫正交板，常記作0/90；p材料在纖維正交兩個材料在纖維正交兩個(lin )方向具有較高的強度和模量，方向具有較高的強度和模量，在在L-T平面其他方向的強度明顯下降，在垂直于正交方向的層向，平面其他方向的強度明顯下降，在垂直于正交方向的層向，強度最差。強度最差。第6頁/共101頁第七頁，共102頁。8p在在L-T平面內，除了有平面內，除了有0和和90向的增強纖維向的增強纖維(xinwi)， 其他方向如其他方向如方向還有排布的纖維方向還有排布的纖維(xinwi

5、)；p該復合材料在工程上也叫組合板，常記作該復合材料在工程上也叫組合板，常記作0/90/ ；p材料在材料在L-T平面的各個方向的強度和模量差別小，接近平面的各個方向的強度和模量差別小，接近面內各向同性，在層向無纖維面內各向同性，在層向無纖維(xinwi)排布，強度最差。排布，強度最差。第7頁/共101頁第八頁，共102頁。9p由沿三個正交方向的纖維編織物作增強材料；由沿三個正交方向的纖維編織物作增強材料；p該材料因層向編織有纖維，克服了單向該材料因層向編織有纖維，克服了單向(dn xin)、正交、多向復合材料在層向方向強度差、模量低的缺正交、多向復合材料在層向方向強度差、模量低的缺陷。陷。p用

6、短切纖維作增強材料；用短切纖維作增強材料；p隨短纖維分布情況不同有單向纖維復合材料、平面隨機分隨短纖維分布情況不同有單向纖維復合材料、平面隨機分布短纖維和空間隨機分布短纖維復合材料。布短纖維和空間隨機分布短纖維復合材料。第8頁/共101頁第九頁，共102頁。10在工藝條件正確、外界因素相同條件下，復合材料在工藝條件正確、外界因素相同條件下，復合材料(f h ci lio)的力學性能主要取決于以下三方面：的力學性能主要取決于以下三方面：增強纖維(xinwi)的品種、性能、含量及排列方式基體樹脂的性能與含量纖維與基體的結合、界面組成情況第9頁/共101頁第十頁，共102頁。11纖維主要起到承受載荷

7、的作用，加入纖維后材料的纖維主要起到承受載荷的作用，加入纖維后材料的強度得到明顯提高，即強度得到明顯提高，即“增強增強”；注意：單純纖維不能當注意：單純纖維不能當“梁梁”使用，只有在與基體使用，只有在與基體有效有效(yuxio)結合稱為整體后才可以。結合稱為整體后才可以。所以，在復合材料中纖維是主要承載材料，而基體所以，在復合材料中纖維是主要承載材料，而基體起到支撐纖維、傳遞載荷、并與纖維共同承載的作用。起到支撐纖維、傳遞載荷、并與纖維共同承載的作用。第10頁/共101頁第十一頁，共102頁。12玻璃纖維具有脆性材料的特性，在拉斷前沒有明顯的塑性玻璃纖維具有脆性材料的特性，在拉斷前沒有明顯的塑

8、性階段，應力與應變關系階段，應力與應變關系(gun x)符合虎克彈性定律；符合虎克彈性定律；GF主要起到承載作用，但無論是單純的主要起到承載作用，但無論是單純的GF還是編織物中的還是編織物中的GF，沿纖維軸向的力學性能與其它方向的力學性能不一樣，沿纖維軸向的力學性能與其它方向的力學性能不一樣，具有各向異性。具有各向異性。玻璃纖維強度較高，但模量較低；玻璃纖維強度較高，但模量較低；GF強度受內部危險缺陷控制，強度具有尺寸效應，單絲直強度受內部危險缺陷控制，強度具有尺寸效應，單絲直徑增加，纖維強度下降。徑增加，纖維強度下降。GF力學性能指標：力學性能指標：一般無堿一般無堿GF設計設計(shj)強度

9、：強度：1GPa；模量：；模量：70GPa；高模量高模量GF模量：模量：100GPa第11頁/共101頁第十二頁，共102頁。13與與GF一樣，一樣，CF也具有脆性材料的特性，在拉斷前沒有明顯的也具有脆性材料的特性，在拉斷前沒有明顯的塑性階段，應力塑性階段，應力(yngl)與應變關系符合虎克彈性定律；與應變關系符合虎克彈性定律；缺陷：脆性比缺陷：脆性比GF大，與樹脂的界面結合強度比大，與樹脂的界面結合強度比GF差；差； CF的拉伸強度和模量均較高，并隨碳化溫度不同，可獲得不的拉伸強度和模量均較高，并隨碳化溫度不同，可獲得不同強度和模量的同強度和模量的CF。型型CFCF（高強型）：（高強型）：強

10、度強度(qingd)(qingd)3GPa3GPa；模量為模量為230270GPa230270GPa；斷裂伸長率為斷裂伸長率為0.51%0.51%型CF（高模型）：強度為2GPa；模量為390420GPa斷裂伸長率為11.5%東麗公司東麗公司T1000型型CF：強度達到強度達到7.05GPa；模量為模量為295GPa；聯碳化合物公司P-140型CF：模量高達966GPa第12頁/共101頁第十三頁，共102頁。14以以Kevlar-49為代表的芳綸是一種高模量有機纖維；為代表的芳綸是一種高模量有機纖維；密度?。芏刃。?.44g/cm3，GF為為2.54g/cm3，T300為為1.76g/cm

11、3）；）；強度強度(qingd)高，拉伸強度高，拉伸強度(qingd)為為3.62GPa；模量高于模量高于GF，為，為125GPa；韌性好，斷裂伸長率為韌性好，斷裂伸長率為2.5%；缺點：表面惰性大，與樹脂界面粘結性能差，抗壓、抗扭曲缺點：表面惰性大，與樹脂界面粘結性能差，抗壓、抗扭曲性能差。性能差。第13頁/共101頁第十四頁，共102頁。15 基體材料基體材料(cilio)(cilio)選擇三原則：選擇三原則：第一，基體材料本身力學性能較好，如有較高的內聚強度、第一，基體材料本身力學性能較好，如有較高的內聚強度、彈性模量；與增強纖維有相適應的斷裂伸長率；彈性模量；與增強纖維有相適應的斷裂伸

12、長率；第二，對增強材料有較好的潤濕能力和粘結力，保證良好第二，對增強材料有較好的潤濕能力和粘結力，保證良好的界面的界面(jimin)粘結；粘結；第三，工藝性優良，成型和固化方法與條件簡單，固化收第三，工藝性優良，成型和固化方法與條件簡單，固化收縮率低?？s率低。另外還要考慮原料來源方便、成本低，使用過程另外還要考慮原料來源方便、成本低，使用過程毒性小的要求。毒性小的要求。第14頁/共101頁第十五頁，共102頁。16 基體材料對復合材料基體材料對復合材料(f h ci lio)(f h ci lio)力學性能的影響：力學性能的影響：p基體的強度和模量遠比增強材料低，基體的含量對復基體的強度和模量

13、遠比增強材料低，基體的含量對復合材料的力學性能影響較大，合材料的力學性能影響較大，p基體材料的理論含量：纖維是緊密堆砌的，基體僅填基體材料的理論含量：纖維是緊密堆砌的，基體僅填充于纖維的間隙中。理論含量反應復合材料中基體的最充于纖維的間隙中。理論含量反應復合材料中基體的最小含量。如單向玻璃小含量。如單向玻璃(b l)鋼是鋼是5%，1:1平紋玻璃平紋玻璃(b l)布制成的正交復合材料是布制成的正交復合材料是12%。p基體材料的實際工藝含量：如單向玻璃基體材料的實際工藝含量：如單向玻璃(b l)鋼是鋼是1030%，1:1平紋玻璃平紋玻璃(b l)布制成的正交復合材料是布制成的正交復合材料是2550

14、%。復合材料中基體(j t)的合理含量第15頁/共101頁第十六頁，共102頁。178.2 單向纖維(xinwi)復合材料拉伸性能單向纖維(xinwi)復合材料是連續增強纖維(xinwi)沿同一方向排列的復合材料。p沿纖維方向（縱向(zn xin)、L向）拉伸p垂直纖維方向（橫向、T向）拉伸按加載方向不同，單向復合材料的拉伸性能可分為：第16頁/共101頁第十七頁，共102頁。18單向纖維復合材料縱向拉伸加載示意圖和單向板縱向拉伸簡化力學(l xu)模型圖如下：PL = Pf + PmPf 、 Pm分別為纖維（分別為纖維（fibre）和基體（）和基體（matrix）承受的載荷）承受的載荷第17

15、頁/共101頁第十八頁，共102頁。19PL = Pf + Pm當用應力當用應力(yngl)表示表示L AL = f Af + m AmLL、f f 、mm作用在復合材料、纖維作用在復合材料、纖維(xinwi)(xinwi)和基體上的應力和基體上的應力ALAL、Af Af 、Am Am 復合材料、纖維復合材料、纖維(xinwi)(xinwi)和基體的橫截面積和基體的橫截面積對于平行排列的纖維增強復合材料，各組分對于平行排列的纖維增強復合材料，各組分(zfn)所所占體積分數能按橫截面積寫出：占體積分數能按橫截面積寫出：ffLAVAmmLAVA第18頁/共101頁第十九頁，共102頁。20L AL

16、 = f Af + m AmLL、f f 、mm復合材料、纖維復合材料、纖維(xinwi)(xinwi)和基體上的應變和基體上的應變ffLAVAmmLAVAL = f Vf + m Vm假設纖維和基體間存在理想的粘結，界面不會滑移，則纖假設纖維和基體間存在理想的粘結，界面不會滑移，則纖維、基體、復合材料維、基體、復合材料(f h ci lio)的應變是相等的，即的應變是相等的，即有：有：L = f + m第19頁/共101頁第二十頁，共102頁。21L = f Vf + m Vm將上式對應變將上式對應變(yngbin)求導，求導，得得ddd dddLfmfmLfmVVd/d代表代表(dibio

17、)相應的應力相應的應力-應變曲線應變曲線在給定應變點的斜率，如果材料應力在給定應變點的斜率，如果材料應力-應變應變曲線是直線，則斜率為常數，即為材料的曲線是直線，則斜率為常數，即為材料的模量。模量。第20頁/共101頁第二十一頁，共102頁。22第21頁/共101頁第二十二頁，共102頁。23如果纖維如果纖維(xinwi)與基體及其復合材料呈彈性形變，則有：與基體及其復合材料呈彈性形變，則有：L = E ELL f = E Effm = E EmmL = f Vf + m VmE EL = E Ef Vf + E Em Vm混合定律：纖維和基體對復合材料力學性能所做的貢獻是與混合定律：纖維和基

18、體對復合材料力學性能所做的貢獻是與它們的體積它們的體積(tj)分數成正比例的。分數成正比例的。若空隙若空隙(kngx)率率VV = 0，則，則Vf + Vm = 1E EL = E Ef Vf + E Em（1-Vf）第22頁/共101頁第二十三頁，共102頁。24根據混合根據混合(hnh)定律得到的結構與實驗結構十分相符。定律得到的結構與實驗結構十分相符。圖中復合材料的應力應變曲線都處于纖維和基體圖中復合材料的應力應變曲線都處于纖維和基體(j t)的應力應變的應力應變曲線之間；曲線之間；該曲線的形狀和位置取決于纖維和基體該曲線的形狀和位置取決于纖維和基體(j t)的曲線形狀和各自相的曲線形狀

19、和各自相對體積分數。對體積分數。第23頁/共101頁第二十四頁，共102頁。25混合定律能準確預測承受縱向拉伸載荷的單向復合材料的應力應變(yngbin)特性：L = f Vf + m VmE EL = E Ef Vf + E Em Vm第24頁/共101頁第二十五頁，共102頁。26一般一種復合材料的變形可以分為一般一種復合材料的變形可以分為(fn wi)四個階段進行：四個階段進行：纖維(xinwi)斷裂，繼而復合材料斷裂纖維(xinwi)與基體變形均是非彈性的纖維保持彈性變形，基體變形是非彈性的纖維與基體變形均是彈性的階段1階段2階段3階段4若纖維是脆性的，則觀察不到第三階段若纖維是脆性的

20、，則觀察不到第三階段第25頁/共101頁第二十六頁，共102頁。27脆性與韌性脆性與韌性(rn xn)纖維與典型韌性纖維與典型韌性(rn xn)基體構成復合材料應力應變行為：基體構成復合材料應力應變行為：p復合材料的應力應變曲線處于纖復合材料的應力應變曲線處于纖維和基體應力應變曲線之間；維和基體應力應變曲線之間；p脆性纖維復合材料通常脆性纖維復合材料通常(tngchng)在應變達到纖維的斷在應變達到纖維的斷裂應變時斷裂；裂應變時斷裂；p但當纖維在基體內部能產生塑性但當纖維在基體內部能產生塑性形變，則復合材料的斷裂應變可形變，則復合材料的斷裂應變可能大于纖維單獨實驗的斷裂應變。能大于纖維單獨實驗

21、的斷裂應變。第26頁/共101頁第二十七頁，共102頁。28p復合材料(f h ci lio)的強度Lu按混合定律估算，但與基體的斷裂延伸率mu大小有關；p估算時要考慮纖維與基體哪個先破壞的問題，即fu與mu的相對大小不同，估算公式有差異。第27頁/共101頁第二十八頁，共102頁。29分幾種分幾種(j zhn)情況討論：情況討論：纖維、基體、復合材料三者同時斷裂纖維、基體、復合材料三者同時斷裂(dun li)，應力用強度代替：，應力用強度代替：Lu = fu Vf + mu(1-Vf) = fu EfVf + Em(1-Vf)fuLufumu第28頁/共101頁第二十九頁，共102頁。30p

22、復合材料拉伸復合材料拉伸(l shn)時，破壞先從基體開裂起，再才是纖維斷裂；時，破壞先從基體開裂起，再才是纖維斷裂；L = f Vf + m(1-Vf)基體開裂基體開裂(ki li)前的應力：前的應力：p樹脂開裂時，在復合材料的應力應變曲線上出現拐點；p出現拐點，纖維還可以承擔拉伸載荷，直到纖維斷裂，復合材料才同時斷裂，Lu = fu 。第29頁/共101頁第三十頁，共102頁。31L = f Vf + mu(1-Vf) = fu EfVf + Em(1-Vf)基體基體(j t)開裂前最大應力：開裂前最大應力：基體開裂后的纖維斷裂基體開裂后的纖維斷裂(dun li)前復合材料的應前復合材料的

23、應力：力：L = f Vf最大應力最大應力(yngl)：L = fu Vf第30頁/共101頁第三十一頁，共102頁。32L = fu EfVf + Em(1-Vf)基體開裂基體開裂(ki li)前最大應力：前最大應力：基體開裂基體開裂(ki li)后的最大應力：后的最大應力：L = fu Vf復合材料的強度復合材料的強度Lu就由上面兩式決定就由上面兩式決定(judng)， Lu與與Vf 的關系如下圖所示：的關系如下圖所示： 當當Vf Vfcr，基體開裂后，纖維，基體開裂后，纖維可承擔載荷，直到復合材料斷裂，可承擔載荷，直到復合材料斷裂，Lu = fu ，復合材料強度由（，復合材料強度由（2）

24、式）式估算；估算；當當Vf Vfcr，基體開裂后，含，基體開裂后，含量較少的纖維不能承擔載荷，量較少的纖維不能承擔載荷，Lu = mu ，復合材料強度由（，復合材料強度由（1）式估）式估算。算。（1）（2）第31頁/共101頁第三十二頁，共102頁。33p如如GF、CF、BF與韌性環氧或聚酯組成的復合材料與韌性環氧或聚酯組成的復合材料(f h ci lio)；p纖維是脆性破壞，基體是韌性破壞。纖維是脆性破壞，基體是韌性破壞。L = f Vf + m(1-Vf)纖維纖維(xinwi)斷裂前的應力：斷裂前的應力：第32頁/共101頁第三十三頁，共102頁。34L = fu Vf + (m)fufu

25、(1-Vf)當當L達到纖維斷裂達到纖維斷裂(dun li)應變應變fu前瞬間，前瞬間，L達到最大值：達到最大值：纖維開裂后、基體斷裂前復合纖維開裂后、基體斷裂前復合材料材料(f h ci lio)的應力：的應力：L = m（1- Vf）最大應力最大應力(yngl)：L = mu （1- Vf）第33頁/共101頁第三十四頁，共102頁。35第34頁/共101頁第三十五頁，共102頁。36當纖維平行于外載荷方向時，纖維對復合材料性能的貢獻最大；當纖維平行于外載荷方向時，纖維對復合材料性能的貢獻最大；當纖維與施載方向不平行，復合材料的強度和剛度都要減少；當纖維與施載方向不平行，復合材料的強度和剛度

26、都要減少；強度和剛度減少的程度強度和剛度減少的程度(chngd)取決于載荷方向不平行的纖取決于載荷方向不平行的纖維數量及這些纖維與載荷軸的角度。維數量及這些纖維與載荷軸的角度。第35頁/共101頁第三十六頁，共102頁。37纖維強度對復合材料的強度有直接纖維強度對復合材料的強度有直接(zhji)的影響，的影響，纖維強度的任何降低都導致復合材料強度的降低；纖維強度的任何降低都導致復合材料強度的降低；若所有纖維的強度數值是相等的，則復合材料具若所有纖維的強度數值是相等的，則復合材料具有高強度；有高強度；但但GF和和SiO2纖維的強度具有相當大的分散性。纖維的強度具有相當大的分散性。第36頁/共10

27、1頁第三十七頁，共102頁。38不連續纖維增強復合材料，端部效應明顯，其性不連續纖維增強復合材料，端部效應明顯，其性能很大程度被降低了；能很大程度被降低了；不連續纖維還容易在端部產生應力集中不連續纖維還容易在端部產生應力集中(jzhng)，在很小的外載荷作用下，纖維末端就與基體分離，在很小的外載荷作用下，纖維末端就與基體分離，產生裂紋；產生裂紋；界面剪切作用使裂紋沿纖維長度擴散，從而使纖界面剪切作用使裂紋沿纖維長度擴散，從而使纖維與基體分離。維與基體分離。第37頁/共101頁第三十八頁，共102頁。39界面承擔著從基體到纖維的載荷傳遞，因而復合材料強度界面承擔著從基體到纖維的載荷傳遞，因而復合

28、材料強度受界面狀況的影響，特別受界面狀況的影響，特別(tbi)是當纖維在復合材料最終破是當纖維在復合材料最終破壞之前斷裂時，載荷經界面傳遞的機理更為重要；壞之前斷裂時，載荷經界面傳遞的機理更為重要；界面狀況控制著纖維端部微裂紋，當纖維與基體間存在強界面狀況控制著纖維端部微裂紋，當纖維與基體間存在強的粘結時，裂紋不沿纖維長度擴展，纖維強度繼續保持；的粘結時，裂紋不沿纖維長度擴展，纖維強度繼續保持；改善黏附性通常還能提高聚合物復合材料的耐水性。改善黏附性通常還能提高聚合物復合材料的耐水性。第38頁/共101頁第三十九頁，共102頁。40殘余應力殘余應力(yngl)直接影響基體的性質和復合材料直接影

29、響基體的性質和復合材料層合板的實際應力層合板的實際應力(yngl)狀態；狀態；應力應力(yngl)產生原因：組分的熱膨脹系數不同、產生原因：組分的熱膨脹系數不同、制造溫度和使用溫度不同。制造溫度和使用溫度不同。第39頁/共101頁第四十頁，共102頁。41(4) 單向板縱向(zn xin)拉伸的三種破壞模式： 基體斷裂 界面脫粘 纖維斷裂第40頁/共101頁第四十一頁，共102頁。42對于單向纖維復合材料的縱向對于單向纖維復合材料的縱向(zn xin)拉伸性能主要與拉伸性能主要與纖維及其含量有關；纖維及其含量有關；而單向纖維復合材料的橫向拉伸性能與基體或界面性能有關，而單向纖維復合材料的橫向拉

30、伸性能與基體或界面性能有關，是單向板最為薄弱的環節；是單向板最為薄弱的環節；橫向拉伸性能較低，是復合材料的一個基本受力狀態。橫向拉伸性能較低，是復合材料的一個基本受力狀態。第41頁/共101頁第四十二頁，共102頁。43復合材料橫向拉伸模量（復合材料橫向拉伸模量（ET）與）與EL一樣，隨纖維一樣，隨纖維體積分數（體積分數（Vf）和模量（）和模量（Ef）的增加而增大；）的增加而增大；但但EL隨隨Vf增加呈直線增加；增加呈直線增加；而而ET只有只有(zhyu)在較高在較高Vf 下，下，Vf 和和Ef 才會對才會對ET 產生顯著的影響。產生顯著的影響。如要把如要把ET 提高到基體模量的提高到基體模量

31、的2倍，倍，Vf 要大于要大于55%，而而EL 要達到同樣的目標，要達到同樣的目標，Vf 只要只要11%。第42頁/共101頁第四十三頁，共102頁。44單向纖維復合材料橫向單向纖維復合材料橫向(hn xin)拉伸破壞模式：基體拉伸破壞模式：基體拉伸破壞、界面脫粘、纖維斷裂；拉伸破壞、界面脫粘、纖維斷裂；一般而言，上述幾種模式是聯合作用的，由于纖維的強一般而言，上述幾種模式是聯合作用的，由于纖維的強度一般較大，強度（度一般較大，強度（Tu）主要取決于基體的拉伸強度和）主要取決于基體的拉伸強度和界面的結合強度。界面的結合強度。提高基體的拉伸強度或降低應力(yngl)集中系數S應力(yngl)提高

32、界面的結合強度提高Tu增加基體內聚強度；基體模量增加不僅增加ET，也會降低S應力；纖維Vf增加，S應力提高；降低空隙率、提高界面的結合力第43頁/共101頁第四十四頁，共102頁。45 基體破壞(phui) 界面脫粘 纖維破壞(phui)第44頁/共101頁第四十五頁，共102頁。468.3 正交纖維復合材料(f h ci lio)拉伸性能單向纖維復合材料的拉伸性能在沿纖維方向（縱向）很高，單向纖維復合材料的拉伸性能在沿纖維方向（縱向）很高，但在橫向則很低；但在橫向則很低；而在實際應用中單向受力的情況很少，主要是多向纖維復合而在實際應用中單向受力的情況很少，主要是多向纖維復合材料；材料；根據制

33、件受力情況，充分發揮纖維的作用和復合材料可設計根據制件受力情況，充分發揮纖維的作用和復合材料可設計特點，對纖維進行鋪層設計（纖維排列方向、層數、鋪層順序特點，對纖維進行鋪層設計（纖維排列方向、層數、鋪層順序等）。等）。最簡單、最基本最簡單、最基本(jbn)的多向纖維復合材料：正交纖維復合的多向纖維復合材料：正交纖維復合材料（正交編織物或單向纖維預浸料交替材料（正交編織物或單向纖維預浸料交替90正交鋪層）。正交鋪層）。第45頁/共101頁第四十六頁，共102頁。47第46頁/共101頁第四十七頁，共102頁。48設設nL、nT分別為正交復合材料分別為正交復合材料(f h ci lio)單元體內單

34、元體內L 向和向和T 向的纖向的纖維量，維量，則則L 向和向和T 向纖維的相對比例分別為：向纖維的相對比例分別為： 、 ，即即LLTnnnTLTnnnLLLTnhnnTTLTnhnn所以所以(suy)L 向和向和T 向的纖維體積含量向的纖維體積含量VfL和和VfT分別為：分別為：LfLfLTnVVnnTTLfLTnVVnnT Tf+ ffVVV m+ 1fVV 第47頁/共101頁第四十八頁，共102頁。49nL與與nT的比值可以的比值可以(ky)用纖維織物的規格來算出。因為：用纖維織物的規格來算出。因為：0nNb股數布排紗密度原紗支數則則9 16 8 10:9:58080LTnn第48頁/共

35、101頁第四十九頁，共102頁。50根據混合定律根據混合定律(dngl)可估算出可估算出L 向、向、T 向的拉伸應力和模量：向的拉伸應力和模量： (1) ()ffmfmfmLTLLfLLVnVnVnTTT T(1) ()ffmfmLTfmfVnVnnV (1) ()ffmfmfTfLTTmTTEEVEVEnE VnnE (1) ()ffmfmfLfLTLmLLEEVEVEnE VnnE第49頁/共101頁第五十頁，共102頁。51根據混合定律根據混合定律(dngl)可估算出可估算出L 向、向、T 向的強度：向的強度： ()mufumuLLufLTnVnn ()mufumuTTufLTnVnn第

36、50頁/共101頁第五十一頁，共102頁。52第51頁/共101頁第五十二頁，共102頁。53第52頁/共101頁第五十三頁，共102頁。54第53頁/共101頁第五十四頁，共102頁。558.4 單向纖維復合材料壓縮(y su)性能增強纖維本身能承受很大的拉力，但不能承受壓力；但纖增強纖維本身能承受很大的拉力，但不能承受壓力；但纖維只有在基體的支撐下才能承受壓力。維只有在基體的支撐下才能承受壓力。壓縮的破壞機理壓縮的破壞機理(j l)至今并不清楚，也缺乏纖維的壓縮強至今并不清楚，也缺乏纖維的壓縮強度數據，因此壓縮強度不能簡單估算，一般進行實際測試。度數據，因此壓縮強度不能簡單估算，一般進行實

37、際測試。在壓縮過程中，當基體不能支撐纖維時，纖維會屈曲，復在壓縮過程中，當基體不能支撐纖維時，纖維會屈曲，復合材料產生失穩破壞。合材料產生失穩破壞。第54頁/共101頁第五十五頁，共102頁。56當復合材料承受壓縮載荷時，連續纖維的作用就像細長柱體，會當復合材料承受壓縮載荷時，連續纖維的作用就像細長柱體，會發生微屈曲發生微屈曲(q q)，導致壓縮破壞；，導致壓縮破壞；單向復合材料縱向壓縮破壞有如下三種形式：單向復合材料縱向壓縮破壞有如下三種形式：第55頁/共101頁第五十六頁，共102頁。57破壞破壞(phui)形式各異，影響因素較多：形式各異，影響因素較多：第56頁/共101頁第五十七頁，共

38、102頁。58單向復合材料在橫向受壓時常常出現單向復合材料在橫向受壓時常常出現(chxin)右圖中的基體剪切右圖中的基體剪切破壞，同時可能伴隨界面脫粘和纖維破壞。破壞，同時可能伴隨界面脫粘和纖維破壞。橫向壓縮破壞(phui)形式： 基體剪切破壞(phui) 帶有界面脫粘或纖維破碎的基體剪切破壞(phui)第57頁/共101頁第五十八頁，共102頁。59基體韌性增加，壓縮變形能力提高，纖維基體韌性增加，壓縮變形能力提高，纖維(xinwi)體積含量體積含量增加，橫向壓縮強度隨之增大。增加，橫向壓縮強度隨之增大。第58頁/共101頁第五十九頁，共102頁。608.5 復合材料(f h ci lio)

39、的其他力學性能復合材料在應用中難免承受沖擊載荷；復合材料在應用中難免承受沖擊載荷；復合材料中增強體不同，材料沖擊性能可能差異復合材料中增強體不同，材料沖擊性能可能差異(chy)較大；較大；玻璃鋼和玻璃鋼和Kavlar纖維復合材料沖擊性能好纖維復合材料沖擊性能好但廣泛用于結構件的但廣泛用于結構件的CF復合材料的沖擊性能較低。復合材料的沖擊性能較低。第59頁/共101頁第六十頁，共102頁。61（1）沖擊強度：衡量材料韌性(rn xn)的一種強度指標，為試折斷樣受到沖擊載荷而折斷時單位截面積所吸收的能量。iWbd測試方法：簡支梁加載測試方法：簡支梁加載 懸臂梁加載懸臂梁加載第60頁/共101頁第六

40、十一頁，共102頁。62懸臂梁加載第61頁/共101頁第六十二頁，共102頁。63簡支梁加載和懸臂梁加載測試得到的韌性數據只是在一定程度上的簡支梁加載和懸臂梁加載測試得到的韌性數據只是在一定程度上的定性結果定性結果(ji gu)，原因在于：，原因在于：p擺錘沖擊時所造成擺錘沖擊時所造成(zo chn)的能量損失既包含材料損的能量損失既包含材料損傷與斷裂所吸收的能量，還包括消耗在試驗機上的能量損失、傷與斷裂所吸收的能量，還包括消耗在試驗機上的能量損失、斷裂碎塊的飛出功和聲能等。斷裂碎塊的飛出功和聲能等。p反映不出材料沖擊破壞過程的損傷歷程，給出的只是一個反映不出材料沖擊破壞過程的損傷歷程，給出的

41、只是一個籠統的結果。籠統的結果。不不 同材料，試樣的斷裂形式不同，但可能得到相同的沖擊同材料，試樣的斷裂形式不同，但可能得到相同的沖擊強度；強度；對于對于(duy)各向同性材料，破壞形式簡單，上述試驗方法各向同性材料，破壞形式簡單，上述試驗方法可行；但對于可行；但對于(duy)復合材料，破壞形式復雜，這兩種沖復合材料，破壞形式復雜，這兩種沖擊試驗不足以反映復合材料完整的沖擊特性。擊試驗不足以反映復合材料完整的沖擊特性。第62頁/共101頁第六十三頁，共102頁。64可改變沖擊刃口的形狀可改變沖擊刃口的形狀和變換沖錘質量以調節和變換沖錘質量以調節沖擊能的大小；沖擊能的大??；可調整下落高度以滿足可

42、調整下落高度以滿足不同不同(b tn)沖擊速率。沖擊速率?？梢缘玫斤@示沖擊過程可以得到顯示沖擊過程的的P-t（載荷（載荷-時間）曲線時間）曲線和和E-t（能量（能量-時間）曲線。時間）曲線。第63頁/共101頁第六十四頁，共102頁。65piEDIE第64頁/共101頁第六十五頁，共102頁。66材料變形首先發生；材料變形首先發生；若沖擊能足夠大，裂紋可能產生并且擴展，在裂紋擴展過若沖擊能足夠大，裂紋可能產生并且擴展，在裂紋擴展過程中，裂紋前沿又總存在材料變形；程中，裂紋前沿又總存在材料變形；脆性材料變形小，伴隨的能量吸收脆性材料變形小，伴隨的能量吸收(xshu)也少；也少；韌性材料斷裂過程中

43、產生大的塑性變形，吸收韌性材料斷裂過程中產生大的塑性變形，吸收(xshu)的的能量也大；能量也大；在復合材料中，可以用吸收在復合材料中，可以用吸收(xshu)能量多的組分代替吸能量多的組分代替吸收收(xshu)能量少的組分來提高材料韌性。能量少的組分來提高材料韌性。第65頁/共101頁第六十六頁，共102頁。67 纖維破壞 基體變形和開裂 纖維脫膠(tu jio) 纖維拔出分層裂紋纖維復合材料纖維復合材料(f h ci lio)的破壞可以認為是由材料內部固的破壞可以認為是由材料內部固有的小缺陷發源的。有的小缺陷發源的。小缺陷：破短的纖維、基體中的裂紋、界面脫膠小缺陷：破短的纖維、基體中的裂紋、

44、界面脫膠沖擊過程中裂紋擴展模式：第66頁/共101頁第六十七頁，共102頁。68 p裂紋在垂直于纖維方向發展，當裂紋在垂直于纖維方向發展，當層合板完全分離層合板完全分離(fnl)時，最終發時，最終發生纖維破壞。生纖維破壞。p纖維隨能賦予材料高強度，但斷纖維隨能賦予材料高強度，但斷裂吸收能很小。裂吸收能很小。p基體破壞吸收能量包括基體變形和開裂產生的新表面能。基體破壞吸收能量包括基體變形和開裂產生的新表面能。p熱固性基體性脆，變形很小，沖擊韌性差；熱塑性基體可產生熱固性基體性脆，變形很小，沖擊韌性差；熱塑性基體可產生較大塑性變形，沖擊強度高。較大塑性變形，沖擊強度高。p基體開裂產生的新表面能等于

45、比表面積與新表面面積的基體開裂產生的新表面能等于比表面積與新表面面積的乘積，而開裂會產生眾多裂紋分支，導致較大開列面積。乘積，而開裂會產生眾多裂紋分支，導致較大開列面積。第67頁/共101頁第六十八頁，共102頁。69 p在斷裂過程中由于裂紋在斷裂過程中由于裂紋(li wn)平行于平行于纖維擴展（脫膠裂紋纖維擴展（脫膠裂紋(li wn)），導致纖），導致纖維與基體分離。維與基體分離。p脫膠范圍大，新表面面積大，斷裂能會脫膠范圍大，新表面面積大，斷裂能會明顯增加。明顯增加。p當脆性的或不連續的纖維嵌于韌性基體中時就會發生纖維拔當脆性的或不連續的纖維嵌于韌性基體中時就會發生纖維拔出。出。p起始于纖

46、維的破壞沒有能力擴展到基體中的結果。起始于纖維的破壞沒有能力擴展到基體中的結果。p纖維拔出通常伴隨基體的伸長變形，會顯著提高斷裂能。纖維拔出通常伴隨基體的伸長變形，會顯著提高斷裂能。第68頁/共101頁第六十九頁，共102頁。70 p裂紋在擴展中穿過層合板的一個鋪層，當裂紋尖端裂紋在擴展中穿過層合板的一個鋪層，當裂紋尖端達到達到(d do)相鄰鋪層時，可能受到抑制。相鄰鋪層時，可能受到抑制。p由于鄰近裂紋尖端的基體的剪切應力很高，裂紋可由于鄰近裂紋尖端的基體的剪切應力很高，裂紋可能分支出來，開始在平行于鋪層的屆面上擴展。能分支出來，開始在平行于鋪層的屆面上擴展。p分層裂紋會產生新的表面，吸收的

47、斷裂能會較高。分層裂紋會產生新的表面，吸收的斷裂能會較高。第69頁/共101頁第七十頁，共102頁。71復合材料復合材料(f h ci lio)沖擊性能的影響因素主要包括兩沖擊性能的影響因素主要包括兩個方面：個方面：試驗試驗(shyn)參數：參數：材料性質：纖維種類、基體韌性、纖維體積分數、界面粘結狀況等沖擊速率、沖錘質量、刃口形式、跨高比、支撐情況等第70頁/共101頁第七十一頁，共102頁。72不同纖維不同纖維/環氧樹脂復合材料無缺口環氧樹脂復合材料無缺口(quku)沖擊性能：沖擊性能：三種纖維的差別在于斷裂擴展能的不同三種纖維的差別在于斷裂擴展能的不同(b tn)；而擴展能最終導致材料韌

48、性差異。而擴展能最終導致材料韌性差異。第71頁/共101頁第七十二頁，共102頁。73聚酯和環氧層合板沖擊聚酯和環氧層合板沖擊(chngj)試驗結果：試驗結果：第72頁/共101頁第七十三頁，共102頁。74小結(xioji)提高復合材料提高復合材料(f h ci lio)沖擊韌性的途徑：沖擊韌性的途徑：基體基體(j t)增韌增韌合適的界面強度合適的界面強度采用混雜纖維復合材料，如采用混雜纖維復合材料，如CF與與GF或或Kevlar纖維混合使用纖維混合使用第73頁/共101頁第七十四頁，共102頁。75材料(cilio)在實際應用中，疲勞載荷常常不可避免；疲勞：材料(cilio)在承受交變載荷

49、時，即使最大應力低于材料(cilio)靜強度極限，但在經歷了一定的載荷周期后，材料(cilio)仍會破壞的現象；材料(cilio)疲勞強度總低于它的靜強度。疲勞過程：內部損傷（或疲勞裂紋）內部損傷累積至一定程度材料(cilio)突然破壞失效 四種疲勞損傷：基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂第74頁/共101頁第七十五頁，共102頁。76第75頁/共101頁第七十六頁，共102頁。77第76頁/共101頁第七十七頁，共102頁。78 持久強度：材料長時間在靜載荷作用下，保持一定時間不破壞，所能承受(chngshu)的最大靜載荷。耐持久性：材料長時間在靜載荷作用下，保持不破壞所能經受的最大時間。強

50、度問題強度問題持久強度持久強度變形問題蠕變第77頁/共101頁第七十八頁，共102頁。79表表9-2第78頁/共101頁第七十九頁，共102頁。80 蠕變：材料長時間在靜載荷作用下，載荷不變而變形繼續增加的現象。原因：聚合物的粘彈性（蠕變特性(txng)取決于基體的松弛特性(txng)，基體交聯密度越大，主鏈柔性越低，蠕變特性(txng)越不明顯。軟質軟質PVC絲絲第79頁/共101頁第八十頁，共102頁。81 復合材料蠕變(r bin)的特點：pCF復合材料的蠕變比玻璃鋼??；復合材料的蠕變比玻璃鋼小；p沿纖維方向拉伸作用下的蠕變現象最不明顯；沿纖維方向拉伸作用下的蠕變現象最不明顯；p沿與纖維成任意角方向拉伸，蠕變現象逐漸明顯，其中沿與纖維成任意角方向拉伸，蠕變現象逐漸明顯，其中(qzhng)沿沿45方向拉伸時最為明顯；方向拉伸時最為明顯；p持久彎曲載荷作用下的蠕變比持久拉伸載荷作用下的蠕變明顯；持久彎曲載荷作用下的蠕變比持久拉伸載荷作用下的蠕變明顯；p溫度升高，蠕變現象顯著。溫度升高，蠕變現象顯著。第80頁/共101頁第八十一頁，共102頁。82第81頁/共101頁第八十二頁，共102頁。835.1PMC的熱性能(xngnng) 第82頁/共101頁第八十三頁，共102頁。845.1PMC的熱性能(xngnng)