第十一章复合材料的力学性能
复合材料的力学性能
可编辑ppt
8
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
可编辑ppt
1
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。
可编辑ppt
12
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。
复合材料的力学性能与应用
复合材料的力学性能与应用复合材料是由两种或以上不同种类的材料组成的材料，它具有优异的力学性能和应用前景。
由于其具有轻重比低、高强高刚性等特点，复合材料广泛用于工程结构、航空航天、运动装备、汽车制造等领域。
本文将从复合材料的基本概念入手，探讨其力学性能和应用。
一、复合材料的基本概念复合材料是由两种或以上不同种类的材料在力学基底上结合形成新材料，其强度和韧性优于单一材料。
因此，复合材料可以做到轻量化、高强化设计，体积比常规材料更小，但在负载作用下性能却更加优异。
复合材料的组成材料主要包括纤维材料和基体材料。
纤维材料可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，而基体材料可以是树脂、金属或陶瓷。
通常，长纤维材料在成型时各向异性的耐力和刚度非常好，而短纤维材料则能增加韧性和强度。
因此，选择不同的组合形式可以得到不同的力学性能和应用效果。
二、复合材料的力学性能从复合材料的力学性能入手，我们可以看到复合材料的优势和多样性。
1.强度在复合材料中，纤维材料的强度是起主导作用的，强度的大小与纤维的质量、方向有关。
通常，碳纤维等高性能纤维材料的强度比金属材料高出3~7倍，强度比玻璃材料高出10倍以上。
2.韧性与传统金属材料相比，复合材料具有更好的韧性。
在纤维材料的吸能过程中，纤维内部会发生韧性破裂，使其能够更多地吸收冲击能量。
同时，采用复合材料结构能够在一定程度上改善传统结构的弯曲、扭转和振动等方面的性能。
3.阻尼性复合材料具有低阻尼性，这意味着其结构的应变能迅速转换成机械能。
这种性能适用于需要快速响应的设备和结构。
4.耐腐蚀性许多复合材料都有很好的耐腐蚀性，这是由于它们的基体材料通常是树脂等材料。
因而，该种材料适用于需要良好耐腐蚀能力的结构件和设备。
5.温度稳定性有些复合材料可以在极具挑战性的高温条件下使用。
例如，一些碳纤维材料的熔点超过了2000°C，这使得它们可以在火箭发动机推力器等极端高温环境下使用。
三、复合材料的应用1.航空航天领域由于复合材料的轻量化和高强化的特点，它们在航空航天领域得到广泛应用。
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。
复合材料的力学性能
18
3
三、复合材料的性能特点
1、高比强度、比弹性模量； 2、各向异性； 3、抗疲劳性能好； 4、减振性能好； 5、可设计性强。
4
四、结构设计原理
1、层次结构 一次结构（单层），不产生新相； 二次结构（铺层）有新相产生；能较好地过 渡； 三次结构（多层）形成多个铺层。 2、连续纤维与非连续纤维增强 连续纤维增强 方向性明显，性能受纤维的 粗细、数量、排列的影响。 非连续纤维增强 纤维的长度与直径之比 L/d，提高剪切强度。 返回
1 Vf Vm I: 1 Gc G f Gm (式11 - 20) 上限 下限
II II： GC G f Vf G m Vm (式11 - 26) II 合 成：G c (1 c )G 1 CG c C (式11 - 27)
9
4、泊松比υ
纵向泊松比
LT
横向泊松比
2
二、材料复合的物理冶金基础
1、界面与界面反应
界面上反应热力学与动力学： 相应温度下反应的可能性；反应常数；反应速度常数。 固溶与化合反应： 原子扩散，形成浓度不同的固溶体；新化合物。 过渡层的出现：
2、强化理论
第二相强化、弥散强化；形变带强化。 断裂及其机理： 裂纹的萌生及扩展；断裂。 聚合强度的作用。
14
二、弹性模量
弹性模量计算公式(式11-61）（式11-62）（式11-63）
三、强度
按混合定律计算。 用纤维的平均应力代替（11-39）中的纤维抗拉强度。 返回
15
§11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
一、断裂
1、损伤累积机理 裂纹萌生：缺陷处 扩展： 2、非累积损伤机理 ①接力破坏 ②脆性粘接断裂机理 ③最薄弱环节破坏机理 3、复合材料的破坏形式 ①纤维断裂 ②基体变形和开裂 ③纤维脱胶 ④纤维拨出
复合材料的力学性能
（2）力学特征：形变量很大（流动）
形变不可逆
模量极小
（3）Tf与摩尔平均质量有关
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物的力学三态及其转变
结晶聚合物的非晶区具有非晶态聚合物的力学三态 轻度结晶聚合物
晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
结晶度>40% 晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。
2. 复合材料的 力学性能
2.1 高分子材料的力学状态
物质的物理状态
相态 凝胶态
热力学概念 动力学概念
凝胶态
力学状态
根据物质对外场（外部作用）特别是外力场 的响应特性划分。
按物质力学性能随温度变化的特性划分。
2.1 高分子材料的力学状态
气态 物质的力学三态 液态
固态
温度增加
聚合物力学状态具有特殊性。原因：
所以可得近似式：
E1≈ Ef ·Vf E2≈ Em/ Vm
E1≈ Ef ·Vf
E2≈ Em/ Vm
0
Vp
3、单层板的面内剪切模量G12 典型体积元所承受的外加剪切应力和所产生的变形如 图所示
假定：τ =τf=τm 且复合材料的剪切特性是线性的，则总 剪切变形D=γW γ:复合材料的剪切应变； W：试样宽度
σ1·A= σf ·Af+ σm ·Am 若复合材料纤维体积含量为Vf , 基体体积含量 为Vm，则：
Vf=Af/A Vm=Am/A Vf+Vm=1 则代入σ1·A= σf ·Af+ σm ·Am得
σ1= σf ·Vf+ σm ·Vm 由σ= E·ε得
E1= Ef ·Vf+ Em ·Vm 或 E1= Ef ·Vf+ Em ·(1-Vf)
复合材料的力学性能.
第11章复合材料的力学性能
1．解释下列名词：
(1 )纤维的临界体积分数；(2) 纤维的最小体积分数；(3 )短纤维的临界长度；(4) 单向短纤维复合材料；(5) 比强度、比模量；(6 )单向复合材料的纵泊松比、横泊松比。
2．试述纤维复合材料的基本特点。
复合材料受力时纤维和基体各起什么作用?
3．复合材料性能常数在什么条件下符合并联混合律?什么条件下符合串联混合律?并联与串联混合律的形式有什么不同?
4．短纤维复合材料的强度与哪些因素有关?为什么纤维越长，短纤维复合材料的强度越高？
5．试述复合材料疲劳性能的特点。
6. 何谓“混合定则”?它是在什么前提下推导出来的?
7. 纤维的体积分数值对复合材料的纵向抗拉强度有何影响?如何确定临界纤维体积分数?
8. 哪些因素影响复合材料的刚度和强度?
9. 正轴应力—应变关系可用哪些参数来表示?
10. 什么是耦合现象?
11. 复合材料铺层设计时，要注意哪些问题?
12. 短纤维增强复合材料有哪些优缺点?
13. 何谓“临界纤维长度”?它与哪些参量有关?
14. 如何估算短纤维增强复合材料的强度?
15. 复合材料断裂有哪几种模式?
16. 与金属材料相比，复合材料的疲劳性能有哪些显著的特点?
1。
复合材料的力学性能影响因素
复合材料的力学性能影响因素复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。
由于其独特的性能优势，如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等，在航空航天、汽车、船舶、建筑等众多领域得到了广泛的应用。
然而，复合材料的力学性能并非一成不变，而是受到多种因素的影响。
了解这些影响因素对于优化复合材料的设计和制造，提高其性能和可靠性具有重要意义。
首先，增强材料的类型和性能是影响复合材料力学性能的关键因素之一。
常见的增强材料包括纤维（如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等）和颗粒（如碳化硅、氧化铝等）。
不同类型的增强材料具有不同的强度、刚度、韧性和热稳定性等性能。
例如，碳纤维具有极高的强度和刚度，但成本较高；玻璃纤维则成本较低，但性能相对较弱。
增强材料的性能直接决定了复合材料能够承受的载荷和变形能力。
增强材料的几何形状和尺寸也会对复合材料的力学性能产生显著影响。
纤维增强复合材料中，纤维的长度、直径、长径比以及纤维的排列方式等都会影响其力学性能。
较长的纤维能够提供更好的载荷传递和增强效果，但在加工过程中可能会出现纤维断裂和分布不均匀的问题。
纤维的排列方式可以是单向、双向或多向编织，不同的排列方式会导致复合材料在不同方向上的力学性能差异。
例如，单向纤维增强复合材料在纤维方向上具有很高的强度和刚度，而在垂直于纤维方向上的性能则相对较弱。
基体材料的性能同样不容忽视。
基体材料的作用是将增强材料粘结在一起，并传递载荷。
常见的基体材料包括聚合物（如环氧树脂、聚酯树脂等）、金属（如铝、钛等）和陶瓷（如氧化铝、碳化硅等）。
基体材料的强度、韧性、耐热性和化学稳定性等性能会影响复合材料的整体性能。
例如，聚合物基体通常具有较好的韧性和耐腐蚀性，但耐热性相对较差；金属基体则具有较高的强度和导热性，但密度较大。
复合材料中增强材料与基体材料之间的界面结合强度也是影响力学性能的重要因素。
良好的界面结合能够有效地传递载荷，提高复合材料的强度和韧性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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 )
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。
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
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பைடு நூலகம்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 )
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。
分层后，板强度和刚度明显下降。
分层主要因素：制造缺陷引起的层间粘结不好和 层间应力集中或冲击载荷引起的层间分离。
复合材料的疲劳
交变载荷，损伤包括基体开裂、界面脱胶、 分层和少量纤维断裂等多种形式。 损伤缺乏规律性，聚合物基体有高阻尼， 疲劳裂纹无明显快速扩展。 虽有缺陷，但疲劳寿命比金属高。
纤维增强材料断裂过程与疲劳机理。
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）。
树脂基层合板的损伤形式
基体强度比纤维低两个数量级，层间薄弱，易形 成层间分离，是其主要损伤形式。
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
-
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
疲劳破坏主要机理：基体开裂、界面脱胶、 分层和纤维断裂。
③复合材料的疲劳特性
纤维对疲劳不敏感！！
损伤扩展很突然，危险！
小结
复合材料的组成、分类、制备与应用； 复合材料主要力学性能特点，与其它材料 不同； 连续纤维增强材料模量的确定-混合定则；
连续纤维增强材料拉伸变形过程；
短纤维增强材料-临界长度；
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
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。
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。
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%
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 E 1？
E1 110 MPa
5
实测值为 103860 MPa ，与预测值较接近。
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
① 疲劳破坏机理-长纤维增强
纤维加载受力， 但受纤维应变的 限制，总应力和 应变不高，裂纹 扩展慢，疲劳强 度高。
界面粘结过强 界面粘结过弱 界面粘结中等
几种破坏模式示意图
2. 纤维脱粘 3. 基体开裂
1. 纤维断裂拔 出，裂纹张开
②短纤维增强-差别大
短：纤维加载受力，但含量少，分布既不 均匀也不规则，基体和界面应力状态相当 复杂，局部应力或应变高，疲劳强度低。
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