第十一章复合材料的力学性能
复合材料的力学性能
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2 结果与讨论
要使植物纤维/ 聚丙烯复合材料具备良好的力学性
能,首先要解决好两者之间相容性的问题。由于植
物纤维有较强的极性,使其与非极性聚丙烯的界面
润湿性、界面粘合性极差,因而未经表面处理的
植物纤维与聚丙烯复合材料的机械强度很低,无使
用价值。所以,选择不同的表面改性剂对植物纤维
进行表面改性,增加其与聚丙烯的相容性,是使复合
表面改性剂对植物纤维/ 聚丙烯复 合材料力学性能的影响
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采用不同的表面改性剂(苯甲酸、硬脂酸、 有机硅烷) 对植物纤维/ 聚丙烯复合体系进 行了处理,研究了表面改性剂对体系力学性 能的影响规律,探讨了复合材料界面粘接机 理,分析了力学性能的变化规律。研究结果 表明,苯甲酸的加入可以使复合材料的拉伸 强度有较大提高,但冲击强度下降;经硬脂 酸处理的复合材料,其冲击强度有明显提高; 经有机硅烷处理的复合材料,拉伸强度及冲 击强度均有所提高。
反应后,使纤维与聚丙烯具有了良好的相容性,有
利于植物纤维在聚丙烯中的分散。另外,与苯甲酸
不同的是,硬脂酸具有较长的碳链结构,这种长链
结构一方面可以跟聚丙烯有较好的相容性,另一方
面也可以伸入到聚丙烯相中,与聚丙烯的分子链相
互缠绕。
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其结果是:前者提高了植物纤维对聚丙烯的 增强效果;而后者则减弱了聚丙烯分子间的 相互作用力,这样,就有利于吸收外界的冲 击能,减少应力集中现象。两者综合作用的 结果,表现为硬脂酸的加入对复合材料拉伸 强度的影响不大,而冲击强度则有明显的提 高。
选择苯甲酸、硬脂酸和有机硅烷为表 面改性剂来改善植物纤维和聚丙烯的 粘接性,并探讨不同表面改性剂对复合 材料性能的影响。
复合材料的力学性能与结构设计
复合材料的力学性能与结构设计复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有优异的力学性能和结构设计潜力。
在本文中，将探讨复合材料的力学性能以及如何进行结构设计。
一、复合材料的力学性能复合材料由于多种材料的组合，具有独特的力学性能。
以下将讨论复合材料在强度、刚度和韧性方面的性能。
1. 强度由于不同材料之间的协同作用，复合材料通常具有很高的强度。
这是由于各个组成材料的优点相互弥补，从而提高整体强度。
例如，纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的强度，而基体材料可以增加韧性。
2. 刚度复合材料具有很高的刚度，这是由于组成材料之间的相互作用。
纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的刚度，而基体材料可以提供弹性和柔韧性。
因此，复合材料在受力时可以保持其形状和结构的稳定性。
3. 韧性复合材料通常具有较高的韧性，这是由于材料的组合结构所致。
纤维增强复合材料中的纤维可以分散和吸收能量，从而提高材料的韧性。
相反，在单一材料中，这种能量分散效应很少出现。
二、复合材料的结构设计复合材料的结构设计是为了实现所需的力学性能和功能。
以下将介绍复合材料结构设计的关键因素。
1. 材料选择合理的材料选择是进行复合材料结构设计的关键因素。
不同材料具有不同的力学性能和化学特性，因此需要根据应用需求选择合适的材料组合。
例如，在需要高强度和刚度的应用中，可以选择纤维增强复合材料。
2. 界面控制复合材料中不同材料之间的界面是其力学性能的重要因素。
界面的控制可以通过界面处理和表面改性来实现。
例如，通过添加粘合剂或增加表面处理剂，可以增强纤维与基体之间的结合，提高界面的力学性能。
3. 结构设计结构设计是为了实现所需的功能和性能。
在复合材料结构设计中，需要考虑材料的排布方式、层压顺序和几何形状等因素。
通过合理设计复合材料的结构，可以充分发挥其力学性能，同时满足应用需求。
三、结论复合材料具有优异的力学性能和结构设计潜力。
通过合理选择材料、控制界面以及进行结构设计，可以充分发挥复合材料的力学性能。
复合材料力学性能
复合材料力学性能复合材料力学性能是指复合材料在力学加载下的行为和性能。
复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料组成的复合体，通常包括增强相和基体相。
增强相是由具有较高强度和刚度的材料制成，而基体相是由具有较高韧性和耐用性的材料制成。
复合材料的力学性能直接影响着其在各种应用领域的使用。
复合材料的力学性能包括强度、刚度、韧性和抗疲劳性等方面。
首先是强度。
强度是指材料在受到外界力作用下抵抗断裂或变形的能力。
复合材料通常具有较高的强度，特别是拉伸、压缩和弯曲强度。
这是因为增强相的存在使得复合材料能够承受更大的力。
同时，复合材料还具有较高的拉伸、剪切和压缩模量，这使得它们在应力下更加稳定。
其次是刚度。
刚度是指材料对应力产生相应应变的能力。
复合材料通常具有较高的刚度，这使得它们在应用中具有更好的稳定性和振动性能。
刚度取决于增强相的类型、层数和配比等因素。
然后是韧性。
韧性是指材料在受到外界力作用下承受变形和断裂的能力。
复合材料通常具有较高的韧性，这是由于其基体相的存在，基体相能够吸收能量并阻止裂纹的扩展。
韧性通常通过测量断裂韧性来评估。
最后是抗疲劳性。
抗疲劳性是指材料在经过长时间循环加载后仍然能保持其性能和强度的能力。
复合材料通常具有较好的抗疲劳性能，这是由于增强相的存在，增强相能够在应力加载下分散和吸收应力。
除了以上几个方面，复合材料的力学性能还受到其制备工艺、层数和组织结构等因素的影响。
制备工艺的不同会导致复合材料的性能有所差异。
层数的增加会提高复合材料的强度和刚度，但也会增加制备难度。
组织结构的优化能够提高复合材料的性能。
综上所述，复合材料具有强度、刚度、韧性和抗疲劳性等优良的力学性能。
这些性能的提高在很大程度上推动了复合材料在航空、汽车、建筑等领域的广泛应用。
随着材料科学和制备技术的进步，复合材料的力学性能还将不断得到改善和优化。
复合材料力学性能
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9.1.4环境条件对复合材料性能的影响
复合材料都是在一定的环境条件下使用的，因此了解 在各种环境条件下材料性能的变化是重要的。这些环境 条件如暴露于水，水蒸气或腐蚀性介质中，低温和高温 及进行长期物理和化学稳定性试验的各种条件等。一般 来讲，在这些不利的环境条件下，复合材料的性能要降 低。这是由于环境因素影响了纤维、基体材料和界面的 性能。
降低界面强度可使大范围脱胶或分层，从而增加冲 击能。 所以弱界面的拉伸强度比较低，但冲击强度比较高。
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4）纤维拔出
当脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体 中时，会发生纤维拔出。
纤维断裂在其本身的薄弱横截面上，这个 截面不一定与复合材料断裂面重合。纤维断 裂在基体中引起的应力集中因基体屈服而得 到缓和，因此阻止了基体裂纹。在这种情况 下，断裂以纤维从基体中拔出的破坏方式进 行。
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复合材料的破坏可以认为是从材料中固有 的小缺陷发源的。例如，有缺陷的纤维， 基体与纤维界面处的缺陷和界面不良反应 物等。在形成的裂纹尖端及其附近，有可 能以发生纤维断裂、基体变形和开裂、纤 维与基体分离（纤维脱粘）、纤维拔出等 模式破坏。现分述如下。
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纤维复合材料中裂纹尖模型
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分别讨论各种破坏机理。
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2）基体效应
（1）在高温条件下老化。 一般来讲，有机高分子材料在高温下是不稳定的，且经 历一个由热裂解引起的化学衰变过程。如果裂解反应持续足 够长时间，或是反应的非常快，材料就会发生本质的破坏， 以至基体材料分解成气体挥发。这种激烈的裂解反应严重影 响复合材料的完整性，且限制复合材料的使用温度。温度与 时间是影响裂解过程的两个参数。基体的分解会导致复合材 料刚度和强度大大下降。可见，复合材料的最高使用温度通 常是由基体的热稳定性所支配的。
复合材料力学性能的研究
复合材料力学性能的研究复合材料是由两种或以上的材料组成的复合体，具有优异的力学强度和轻质化优势，广泛应用于汽车、航空、航天等领域。
然而，复合材料的力学性能研究一直以来都是一个热门的研究方向。
一、复合材料的组成复合材料的组成较复杂，第一种材料通常称为基质，第二种材料称为增强材料（纤维或颗粒），第三种称为填料。
其中最常见的基质材料为树脂，增强材料有碳纤维、玻璃纤维等。
填料主要用来填充空隙，在预制过程中保持形状。
二、复合材料的力学性能复合材料具有优异的力学性能，包括强度、硬度、韧性、蠕变等方面。
通常，强度是复合材料最突出的优点，这是由于增强材料的高强度和基质材料的高韧性共同作用的结果。
但是，复合材料由于材料变化的复杂性，其确切的力学性能参数往往难以量化，这增加了其性能评估的难度。
三、复合材料力学性能的研究方法针对复合材料的力学性能研究，主要有以下几种方法。
1.试验方法试验是研究复合材料力学性能的最主要方法之一，包括拉伸试验、弯曲试验、疲劳试验、冲击试验等。
通过试验，可以得出复合材料的强度和韧性等力学性能参数，并获得材料断口形态、疲劳裂纹扩展行为等信息。
2.数值模拟方法数值模拟方法可以通过有限元分析等手段，模拟复合材料受力及响应过程。
数值模拟方法可以提供与试验相同的结果，但是具有更高的计算精度和更广的适用范围。
3.微观力学建模方法微观力学建模方法利用分子力学理论和计算力学等技术探究复合材料的微观结构与力学性能的关系。
微观力学建模方法可以研究单个增强纤维或颗粒的力学性能，并且强调了复合材料性能与其微观结构的密切关系。
四、复合材料力学性能的应用由于复合材料具有优异的力学性能，因此在汽车、航空航天、医疗器械、体育用品等领域广泛应用。
例如，在航空航天领域，即将使用的“星际飞船”使用了大量的碳纤维增强复合材料，以减轻飞船重量，提高载荷和性能。
此外，复合材料的轻质化特点也为能源、环境等领域的应用提供了更广阔的展望。
第十一章复合材料的力学性能解析
单元在1方向拉伸
ε1 = εf = εm
复合材料单元上的合力：
P 1A f Af＋ mAm
E1 EfVf EmVm
混合定则：纤维和基体对复合材料的力学性 能所做的贡献与其体积分数成正比。
举例
碳纤维/环氧树脂复合材料的相关数据如下： E f 180000 MPa,Vf 0．548, Em 3000 MPa 求E1？
增韧石墨 石墨
混杂复合材料 玻璃纤维
空中巨无霸-A380 机身蒙皮-GLARE材料
目前商用飞机上复合材料仅占全机重 量的50%，部分直升机已达90%
超级跑车-碳纤维复合材料
碳纤维/树脂复合材料
生产充气船及其胶布制品，采用国际 上先进的A级RTP复合材料
新型日光温室复合材料 温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成
单向连续纤维增强复合材料
连续纤维在基体中呈同向平行等距排列。
单向复合材料微观力学性能
弹性模量由纤维和基体的性能及其相对体 积含量共同确定。
Cij Cij (E f , f ,V f , Em , m ,Vm )
细观结构单元
f＝Ef f
m＝E m m
1方向：ε1= εf= εm 2方向：ε2= Vfεf +Vmεm， σ = σ f = σm
增强相-分散的，被基体包围，承受载荷作 用。
近代复合材料主要有纤维增强复合材料和 粒子增强复合材料。
复合材料按基体材料分类
复合材料
树脂基
金属基
陶瓷基
热固性
热塑性
碳基
玻璃基
水泥基
复合材料按功能分类
复合材料
结构复合材料
功能复合材料
力
电、磁、光、热、放射性
复合材料的力学性能分析
复合材料的力学性能分析复合材料是由两种或以上的不同材料在力学上结合形成的材料，具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等优良特性，被广泛应用于汽车、航空、航天、体育用品等领域。
然而，复合材料的力学性能与其组成材料、制备工艺、结构形式密切相关，需要经过细致的分析才能充分发挥其优势。
一、组成材料的力学性能分析复合材料由纤维和基体材料结合形成，其中纤维通常是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，基体材料通常是树脂、金属等。
因此，复合材料的力学性能与其组成材料密切相关。
1.纤维材料的力学性能纤维材料具有很高的强度和刚度，可以充分发挥复合材料的优势。
常用的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
其中，碳纤维的强度和刚度最高，但价格也最昂贵，适用于高端领域；玻璃纤维强度和刚度较低，价格相对便宜，适用于一般领域；芳纶纤维具有较高的温度和化学稳定性，适用于高温环境。
2.基体材料的力学性能基体材料主要起粘结纤维材料的作用，因此需要具有较好的强度和可塑性。
常用的基体材料有环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯等。
环氧树脂具有较好的成型性和高强度，适用于高端领域；酚醛树脂价格相对便宜，但强度和成型性较差，适用于一般领域；聚丙烯具有良好的化学稳定性和低密度，适用于航空、航天等领域。
二、制备工艺对力学性能的影响分析复合材料制备工艺是影响其力学性能的重要因素之一。
常用的制备工艺有手工层叠法、自动层叠机法、注塑成型法等。
1.手工层叠法手工层叠法是复合材料制备的最早方法之一，其优点是成本低，适用于小批量生产；缺点是生产效率低，工艺难以控制，制品质量不稳定，易产生接触、空气泡等缺陷。
2.自动层叠机法自动层叠机法是指利用专用机器进行自动化生产的方法，其优点是生产效率高，无人工干预，制品质量稳定；缺点是设备成本高，不适用于小批量生产，工艺仍需改进和控制。
3.注塑成型法注塑成型法是将熔融状态的树脂注入到预制的模具中，并在高温高压下形成制品的方法，其优点是最大程度地消除了接触缺陷、空气泡等缺陷，制品密实，精度高，产品性能稳定；缺点是成本高，需要专用模具，适用于大批量生产。
第十一章复合材料的力学性能.
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在第I阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合 材料也处于弹性变形状态，且
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复合材料进入变形第II阶段时，纤维仍处于弹性状态， 但基体已产生塑性变形，此时复合材料的应力为：
由于载荷主要由纤维承担，所以随着变形的增加，纤 维载荷增加较快，当达到纤维抗拉强度时，纤维破断， 此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之 破坏。
（2）剪切型 纤维之间同向弯曲，基体
主要产生剪切变形，这种 屈曲模式较为常见。
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复合材料沿纤维方向受压时，可以认为纤维在基体内的 承力形式像弹性杆。
假设基体仅提供横向支持，载荷由纤维均摊，复合材料 的抗压强度由纤维在基体内的微屈曲临界应力控制。
将单向纤维复合材料简化成纤维和基体薄片相间粘接的 纵向受压杆件，当外载荷增至一定值后，纤维开始失稳， 产生屈曲。
纤维复合材料的比模量大，因而它的自振频率很高，在加载 速率下不容易出现因共振而快速断裂的现象。
同时复合材料中存在大量纤维，与基体的界面，由于界面对 振动有反射和吸收作用，所以复合材料的振动阻尼强，即使 激起振动也会很快衰减。
(5) 可设计性强
通过改变纤维、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排 布方式等可满足复合材料结构和性能的设计要求。
第十一章 复合材料的力学性能
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20世纪60年代以来，航天、航空、电子、汽车等高技术领 域的迅速发展，对材料性能的要求日益提高，单一的金属、 陶瓷、高分子材料已难以满足迅速增长的性能要求。
为了克服单一材料性能上的局限性，人们越来越多的根据 构件的性能要求和工况条件，选择两种或两种以上化学、 物理性质不同的材料，按一定的方式、比例、分布组合成 复合材料，使其具有单一材料所无法达到的特殊性能或综 合性能。
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空间短纤维杂乱增强 纤维少，作用弱，性能变差，但横向拉伸 强度和剪切强度高，可制复杂件，效率高。
性能（与同类长纤维增强材料相比）：
纤维增强复合材料力学特性
短纤维增强复合材料的应力传递
单纤维微元体： 纤维线弹性， 界面结合完全。
(r ) f (2rf dz) e (r )( f d f )
2 f 2 f
2 纤维上的应力分布： f f 0 rf
z
0
τdz
理想状态下纤维应力沿纤维向的变化情况
若假设纤维末端不传递正应力，即σf0=0，
纤维上正应力分布可简化为：
2 s z f rf
正应力随纤维长度增加而增加。
纤维临界长度
纤维传递应力达到其强度极限时的纤维最 小长度称为临界长度。 短纤维复合材料中纤维的长度应大于临界 长度，这时才可能充分发挥纤维的增强作 用。
细观结构单元
f ＝E f f
m＝E m m
1方向：ε1= εf= εm 2方向：ε2= Vfεf +Vmεm， σ = σ f = σm
单元在1方向拉伸
ε1 = εf = εm
复合材料单元上的合力：
P 1A f A f ＋ m A m
E1 Ef Vf EmVm
碳化硅纤维/ 环氧
石墨纤维/铝 钢 铝合金 钛合金
2.0
2.2 7.8 2.8 4.5
1.5
0.8 1.4 0.5 1.0
7.5
3.6 1.8 1.7 2.2
130
231 210 77 110
6.5
10.5 2.7 2.8 2.4
260
-Hale Waihona Puke 2.1 复合材料的变形常规材料：均质，各向同 性； 复合材料： ①非均质，位置影响性能 ②各向异性，不同方向性 能不同
什么是复合材料？
两种或两种以上不同性能、不同形态的固 体材料，以微观或宏观的形式复合而成的 一种多相材料，性能与组成物质不同。
命名： 增强物名在前， 基体名在后，如 碳纤维环氧复合 材料。
基体相-连续的，粘结、支持、保护增强物 和传递应力作用。 增强相-分散的，被基体包围，承受载荷作 用。 近代复合材料主要有纤维增强复合材料和 粒子增强复合材料。
3 连续纤维增强复合材料的强度
1 各向异性材料的应力-应变关系 2 单层板的应力-应变关系 3 单层板强度理论
单向连续纤维增强复合材料
连续纤维在基体中呈同向平行等距排列。
单向复合材料微观力学性能
弹性模量由纤维和基体的性能及其相对体 积含量共同确定。
Cij Cij (E f , f ,V f , Em , m ,Vm )
混合定则：纤维和基体对复合材料的力学性 能所做的贡献与其体积分数成正比。
举例
碳纤维/环氧树脂复合材料的相关数据如下：
E f 180000 MPa,V f 0． 548 , Em 3000 MPa
求E1？
E1 110 MPa
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实测值为 103860 MPa ，与预测值较接近。
单元在2方向单向拉伸
ε2 = Vfεf +Vmεm， σ = σ f = σm
1 Vf Vm E2 Ef Em
Ef Em E2 Vm Ef Vf Em
图7-5 E2/Em随纤维体积含量的变化图
纵向应力-应变曲线
基 体 和 纤 维 应 力 应 变 曲 线
变形和断裂：
①纤维和基体弹性 变形； ②纤维弹变，基体 非弹变； ③两者都非弹变； ④纤维断裂，进而 整体断裂。
石 器 时 代
复合材料发展史
天然复合材料：竹、木、茅草、贝壳、骨骼 传统复合材料：麻刀（纸筋）石灰；土坯 （草秆、粘土）；钢筋混凝土； 通用复合材料：1940年，玻璃纤维增强塑料 （GFRP） 先进复合材料：1960年后，结构复合材料→ 单功能复合材料→多功能复合材料→机敏材 料和智能材料。
复合材料的应力－应变曲线特征
曲线处于纤维和基体的应力－应变曲线之间。 曲线的位置取决于纤维的体积分数。 纤维体积分数越高，曲线越接近纤维的应力－应变 曲线；
当基体体积分数高时，曲线则接近基体应力－应变 曲线。
4 短纤维增强复合材料的强度
类型：
单向短纤维增强
面内短纤维杂乱增强
典型复合材料和常用材料性能对比
密度
材料 (g/c m3) 1.6 2.1
拉伸强 度
(GPa) 1.8 1.6
比强度
107(m m) 11.3 7.6
拉伸模 量
(GPa) 128 220
比模量
109(m m) (kg· cm /cm2) 8.0 10.5 76 -
冲击强 度
碳纤维/环氧 硼纤维/环氧
复合材料按基体材料分类
复合材料
树脂基
金属基
陶瓷基
热固性
热塑性
碳基
玻璃基
水泥基
复合材料按功能分类
复合材料
结构复合材料
功能复合材料
力
电、磁、光、热、放射性
耐腐蚀、耐烧蚀、生物相容性、隐身等
复合材料的应用-飞机用
增韧石墨 石墨 混杂复合材料 玻璃纤维
空中巨无霸-A380
机身蒙皮-GLARE材料
目前商用飞机上复合材料仅占全机重 量的50%，部分直升机已达90%
超级跑车-碳纤维复合材料
碳纤维/树脂复合材料
生产充气船及其胶布制品，采用国际 上先进的A级RTP复合材料
新型日光温室复合材料 温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成
热塑性复合材料
碳/碳复合材料
2 复合材料的性能特点
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
比强度、比刚度（比模量）大 力学性能可以设计 抗疲劳性能好 减震性好 通常都能耐高温 过载时安全性好 有很好的加工工艺性
复合材料的力学性能
内容提要
1 复合材料概述 2 复合材料的变形 3 连续纤维增强复合材料的强度 4 短纤维增强复合材料的强度 5 纤维增强复合材料的断裂与疲劳
1 复合材料概述
人类发展史和材料发展史息息相关。 人类历史上各方面进步与新材料的发现、制造 和应用分不开。 新材料时代（高分子材料、复合材料和智能材 料）。 陶 器 时 代 青 铜 器 时 代 铁 器 时 代 新 材 料 时 代
5 纤维增强复合材料的断裂与疲劳
断裂过程：
①
形成微观裂纹；
②
微观裂纹稳定扩展，与其它微观裂纹相接而 达到宏观裂纹尺度；
在临界应力水平下宏观裂纹不稳定扩展。
③
断裂方式： 单个组分断裂或组分间界面分离（如层合板）。