复合材料应变率效应特性的总结

复合材料的复合效应详解

共振效应，又称强选择效应
例如，有关领域要求导热而不导电的材料，就是通过选择组元和复合状态，在保留导体组元导热性的同时，抑制其导电性而获得的特殊功能材料。
共振效应在阻尼减振和电磁波吸收复合材料的研究和设计中获得利用。
8.系统效应：
这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不清楚，但在实际现象中存在着这种效应。红、黄、蓝三色组成的彩色世界涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和
3.1 材料的复合效应
5.相乘效应：两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应。 ➢ 电磁效应·磁光效应=电光效应。 ➢通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z复合起来，即：
X/Y·Y/Z＝X/Z 式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。
表3.1 复合材料的乘积效应
加和特征：复合材料的某一性能是各组分性能的按体积分数的平均值。复合材料的某些基本物理参数，如密度、比热容，往往是近似具有加和作用的组分效果。
体积分数与质量分数：
V1 V1/Vc
W1 W1/Wc
用密度计算体积分数与质量分数：
W1
V1
W1
1
W2
W3
1 2 3
W 11V12V 21V 13V3
复合材料单向板简化模型
有A、B两种原材料所不具备的新性能。
源于耦合：不同性质材料之间的相互作用注：复合效应表现为复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。
复合材料的基本理论
材料的微观组织 ❖ 形状、分散程度 ❖ 体积分数 ❖ 几何学特征
构效关系
复合材料的基本理论
原材料的性能
❖力学性能 ❖ 物理性能 ❖ 界面的状态

碳纤维复合材料力学性能研究进展

包装工程第44卷第21期 ·36·PACKAGING ENGINEERING 2023年11月收稿日期：2023-05-30基金项目：国家自然科学基金（12172344） *通信作者碳纤维复合材料力学性能研究进展段裕熙，张凯*，徐伟芳，陈军红，龚芹（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳 621999）摘要：目的综述碳纤维复合材料这一热结构材料的力学性能研究进展，推进碳纤维复合材料的研制和应用。

方法采用文献调研法，梳理和汇总国内外有关碳纤维复合材料力学性能的研究内容，对二维复合材料、针刺复合材料及三维编织复合材料3种结构进行性能影响因素分析。

结论影响碳纤维复合材料静态和动态力学性能的因素主要有温度、应变率、密度等，提出应进一步开展碳纤维复合材料在多因素耦合及高温动态性能方面的研究。

关键词：碳纤维复合材料；静态力学性能；动态力学性能；三维编织复合材料中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)21-0036-10 DOI ：10.19554/ki.1001-3563.2023.21.005Mechanical Property of Carbon Fiber CompositesDUAN Yu-xi , ZHANG Kai *, XU Wei-fang , CHEN Jun-hong , GONG Qin(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China) ABSTRACT: The work aims to explore recent advancements in the mechanical properties of carbon fiber composites for thermal structural applications, with the objective of promoting the development and utilization of carbon fiber composites. Through a comprehensive literature review, the current research status on the mechanical properties of carbon fiber composites was summarized, and the factors affecting the static and dynamic mechanical properties of 2D composites, needled composites, and 3D woven composites were analyzed. The results indicate that factors affecting the static and dynamic mechanical properties of carbon fiber composites include temperature, strain rate, density, et al. And further investigations are necessary in multi-factor coupling and high temperature dynamic properties of carbon fiber composites. KEY WORDS: carbon fiber composite; static mechanical properties; dynamic mechanical properties; three-dimensional weaving composite碳纤维由有机纤维经过一系列热处理转化而成，它是含碳量高于90%的无机高性能纤维，既具有碳材料的固有本征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。

复合材料应变率效应特性的总结

一种碳纤维织物增强复合材料应变率相关的各向异性强度准则——蒋邦海,张若棋碳纤维织物增强树脂基复合材料
复合材料在三个主方向上的单轴压缩应力- 应变关系表达式
纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟——古兴瑾，许希武
复合材料层板高速冲击过程中存在明显的应变率效应，需要考虑应变率对强度参数的影响，模型中认为复合材料单层板各方向上强度的应变率效应可以统一表示为
碳/环氧树脂复合材料应变率效应的实验研究——王正浩, 赵桂平, 马君峰, 张建新实验所用材料由单向炭纤维环氧树脂预浸料(T300 /Epoxy)(125 ℃固化体系)层合制成
两种铺层。

7 复合材料的力学性能

(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。复合材料的高比强度、高模量的特点，是由于这种材料受力时高强度、高模量的增强纤维承受了大部分载荷，基体只是作为传递和分散载荷给纤维的媒介引起的。

第二节单向复合材料的力学性能

(2) 钢的冲击断裂机理是穿晶解理或微孔聚集断裂，复合材料的冲击断裂是各类损伤的积累或非积累破坏。 (3) 高弹性模量复合材料往往比低弹性模量复合材料的冲击韧性差，如碳纤维-环氧复合材料与玻璃纤维-环氧复合材料的冲击韧性。前者以纤维断裂为主要损伤模式，断裂扩展能低，后者以纤维拔出和分层裂纹为损伤模式，断裂扩展能高。

是垂直于裂纹扩展方向的纤维，当其应变达到断裂应变时发生的。在复合材料受载早期就有个别纤维产生这种损伤，随着载荷增加，断裂纤维数也增加。
(2) 基体变形和开裂

复合材料中，基体因强度低，所以在材料受载时先于纤维变形，到复合材料完全断裂时，纤维周围的基体也随之断裂。
(3) 纤维脱胶

若裂纹穿过基体扩展遇到纤维时，裂纹可能分叉，转向平行于纤维方向扩展。裂纹可在基体内，也可沿界面扩展，取决于界面与基体的相对强度。如果界面结合较弱，就将使纤维与基体脱胶。
Vf>Vfmin时，复合材料的抗拉强度才按此式计算：
（二）纵向抗压强度

屈曲的形式有两种：（1）挤压型纤维彼此间反向弯曲，使基体产生横向拉伸或压缩应变；当纤维间距离相当大，即纤维体积分数很小时，这种屈曲模式才可能发生。（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。
一、基体与纤维间的应力传递

复合材料的复合效应

例：复合材料的弹性模量 Ec=EmVm+EfVf
平行效应
➢其组成复合材料的各组分在复合材料中，
均保留本身的作用，即无制约也无补偿。
➢例如：增强体(纤维)＋基体界面很弱的复
合材料。
相补效应
➢组成复合材料的基体与增强体，在性能上能
互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。
➢对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复
Mc 代表复合材料的模量,ξ取决于增强材料特征。
二、单向复合材料强度的预测
I L
Vf f
Vm m
(4)面内剪切弹性模量
G
I LT
f12 m12 12
f m
b 12
f V f b f 12
m Vmb m12
12
12
GLT
,
f12
f12
Gf
,
m12
m12
Gm
1 GI
LT
Vf Gf
Vm Gm
或
GI
GmGf
LT VmGf Vf Gm
2、并联模型的弹性常数
的复合材料
材料的拉伸强度高出30％～40
％，而且湿态强度保留率也明显提高。
➢这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性
能的降低。在金属基、陶瓷基增强复合材料中，
过强的界面结合不一定是最适宜的。
相乘效应
➢两种具有转换效应的材料复合在一起，即可
发生相乘效应。这样的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。
共振效应
➢ 两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械
的或电、磁的共振。
➢由不同材料组分组成的复合材料其固有频率
不同于原组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。利用这种效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏。

SiC_(p)2024Al复合材料高应变率热变形行为的新本构模型

中国机械工程CHINA MECHANICAL ENGINEERING第32卷第11期2021年6月Vol.32 No.1pp.346-1353SiCp/2024Al 复合材料高应变率热变形行为的新本构模型范依航战纯勇郝兆朋长春工业大学机电工程学院，长春,130012摘要：通过分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验研究了体积分数为45%的铝基碳化硅颗粒增强复合材料(SiC p /2024Al)在大应变率和变形温度范围内的热变形行为，分析了热变形参数(变形温度和应变率)对流动应力的影响°研究发现：变形温度和应变率对复合材料的流变应力、抗压强度、弹性模量、应变率敏感性有显著影响；抗压强度、弹性模量随变形温度的增大而减小，而抗压强度、弹性模量、应变率敏感性随应变率的增大出现了拐点°根据试验结果,结合热力学和统计损伤力学理论，建立了描述S i C p / 2 0 2 4 A l 复合材料动态热变形行为的连续损伤本构模型，预测的流动应力与试验结果吻合较好,表明所建立的模型能够准确地描述SiC p /2024Al 复合材料动态热变形行为°关键词：SiCp/2024Al 复合材料;分离式霍普金森压杆(SHPB)；抗压强度;弹性模量;本构模型中图分类号:TG501DOI ：10.3969/j.issn.1004132X.2021.n.011开放科学(资源服务)标识码(O SID )：A New Constitutive Model for Hot Deformation Behavior of SiC p /2024AlComposites under High Strain RateFAN Yihang ZHAN Chunyong HAO ZhaopengSchoolofMechatronicEngineering ,Changchun UniversityofTechnology ,Changchun ,130012Abstract ：Throughthedynamiccompressiontestsofthesplit Hopkinsonpressurebar (SHPB ), thethermaldeformationbehaviorofthealuminum-basedsiliconcarbideparticlereinforcedcomposite (SiC p/7074Al) with a volume fraction of 45 % in a large strain rate and deformation temperature rangewas studied. The influence of thermal deformation parameters (deformation temperature and strain rate )onflowstressisanalyzed.Itisfoundthatthedeformationtemperatureandstrainratehavesig- nificant effects on the flow stress , compressive strength , elastic modulus , and strain rate sensitivity ofthecomposites.Thecompressivestrengthandelasticmodulusdecreasewiththeincreaseofdeform- ationtemperature ,whilethecompressivestrength ,elasticmodulusandstrainratesensitivityshowan inflection point with the increase of strain rate. According to the experimental results , combined withthermodynamicsandstatisticaldamagemechanicstheory ,acontinuousdamageconstitutivemodelde- scribingthedynamicthermaldeformationbehaviorofSiC p /2024Alcompositeswasestablished.The predictedflowstressisingoodagreementwiththeexperimentalones ,indicatingthatthe modeles- tablished may accurately describe the dynamic thermal deformation behavior of SiC p / 7074Al compos ites.Key words ： SiC p /2024Al composite ；split Hopkinson pressure bar (SHPB )；compressivestrength ； elastic modulus ； constitutive model0引言高体积分数铝基碳化硅颗粒增强复合材料SiCp/2024Al 由于比强度高、比刚度高、导电导热性能好、密度小及抗磨损、耐腐蚀等综合物理性能而被广泛应用在汽车、航天、精密仪器、先进武器收稿日期：2020 05 15基金项目：国家自然科学基金联合基金重点项目(U19A20104)；吉林省自然科学基金(20200201064JC)-1346 -系统、电子封装以及体育用品等领域[12] °颗粒增强复合材料的最大体积分数可达70% ,当体积分数在15%〜20%时,颗粒增强复合材料一般被用来制作主承载件，如直升机旋翼系统、波音777发动机风扇出口导流片、F18战机液压制动器缸体；当体积分数为35%〜45%时，主要用于制作光学及精密仪器构件，如卫星太阳能反射镜、空间激光反射镜；当体积分数为60%〜70%时，颗粒SiCp/2024Al复合材料高应变率热变形行为的新本构模型——范依航战纯勇郝兆朋增强复合材料主要用于制作电子封装及热控元件，如印刷电路板、飞行员头部显示器的电子系统J］。

复合材料的复合效应

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对于纤维相互接触时，即r＝R时，Vf达到最大值。对于六边形阵列：Vfmax＝0.907 对于正方形阵列：Vfmax＝0.785
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结构效果
本节要点： 1）、掌握形态效果、尺度效果； 2）、掌握界面效果； 3）、理解形状效果。
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2．2．2．2 结构效果所谓结构效果是复合材料性能用组分性能和组成来描述时，必须考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等可变因素产生的效果。
这类效果往往可以用数学关系描述。
几何形态效果(形状效果) 分布状态效果(取向效果) 尺度效果
结构效果
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1）、几何形态效果(形状效果) 该效果也可表示出相的连续和不连续效果。对于结构效果，其决定因素是组成中的连续相。对于 0 维分散质，Vf 为0.74 ，此时复合材料的性能在不考虑界面效果的情况下，仍决定于连续相(基体)的性质。对于1维连续相时，可能会显示出对复合材料性能的支配作用。
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几种典型复合材料结构：
(1)0-3型结构这是基体为三维连续相，而增强体或功能体以不连续相的微粒状分布在基体中的结构状态。
0-3型
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(2)1-3型结构这种结构的基体仍为三维连续相，而增强体则为纤维状一维材料。
1-3型
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(3)2-2型结构这是一种由两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。
Ec Em Vm E f E f
2-2型
E为弹性模量，V为组分的体积分数，角标 m、f、c分别表示基体、增强体、和复合材料。
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3）、尺度效果分散质尺度大小的变化，会导致其表面物理化学性能的变化，诸如比表面积、表面自由能的变化以及它们在复合材料中的表面应力的分布和界面状态的改变，从而使复合材料性能发生变化。 Eg：Si02粉末分散于PMMA中所得的复合材料；纤维增强水泥基复合材料中纤维的长短及分布；纤维增强石膏基复合材料；纤维增韧陶瓷复合材料。

考虑应变率效应的碳纤维增强复合材料发动机罩行人保护分析

2020年第7期【摘要】利用高速拉伸试验机在0.01~500s -1的应变率范围内获取了某碳纤维增强复合材料（CFRP ）层合板发动机罩的应力-应变曲线并讨论了应变率对其力学性能的影响，结果表明CFRP 层合板是应变率相关材料。

利用获取的试验数据与广义Maxwell 模型拟合，得到考虑应变率效应的广义Maxwell 材料本构模型，将该模型引入分析软件LS-DYNA ，对某CFRP 发动机罩进行了行人保护性能仿真与试验对标，结果表明，考虑模量的应变率效应可以提升CFRP 发动机罩头部损伤值的分析准确度。

主题词：碳纤维增强复合材料应变率行人保护发动机罩中图分类号：TB332文献标识码：A DOI:10.19620/ki.1000-3703.20190683CFRP Hood Pedestrian Protection Performance Analysis ConsideringStrain Rate EffectCheng Chao,Wang Xia（Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai 201201）【Abstract 】Stress-strain curve of an engine hood made of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP)is obtained at a strain rate range of 0.01~500s -1with a high speed tensile machine,and the influence of strain rate on its mechanical properties is discussed.Test results show that CFRP laminated plate is strain rate related material.The test data obtained is fitted with the generalized Maxwell model,the generalized Maxwell material constitutive model considering strain rate effectis obtained,analysis software LS-DYNA is introduced to this model.Pedestrain protection performance simulation and test benchmarking are carried out for a CFRP engine hood.Test results show that the strain rate effect considering modulus canimprove the accuracy of analysis of CFRP engine hood head injury value.Key words:CFRP,Strain rate,Pedestrian protection,Engine hood程超汪霞（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201）考虑应变率效应的碳纤维增强复合材料发动机罩行人保护分析汽车技术·Automobile Technology1前言碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer ，CFRP ）具有极高的比刚度、比强度，同时具有良好的抗疲劳性能和碰撞性能，已被大量应用于航空、航天、国防军工等领域。