复合材料的力学性能
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。
复合材料力学性能
破坏模式：当一个固体承受静载荷或冲击载荷 时,材料变形首先发生；如提供的能量足够大,裂纹 可能产生并扩展；在裂纹扩展过程中,裂纹前沿又总 存在着材料变形.
吸收能量的机理有两种： ①形成新的表面；②材料变形.
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可见,材料的总能量吸收能力或韧性能 够靠增加分离过程中的裂纹路径,或者增大 材料的变形能力得到提高.
复合材料在应用中难免承受冲击载荷.因 此很有必要了解复合材料的冲击性能和能量 吸收机理.
冲击载荷指以较高的速度施加到材料上的 载荷,当材料在承受冲击载荷时,瞬间冲击所引 起的应力和变形比静载荷时要大的多,因此,在 制造这类材料时,就必须考虑到材料的抵抗冲 击载荷能力,即材料的冲击性能.
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2能量吸收机理和破坏模式
复合材料在应用过程 中,由于承受变动载荷 或反复承受应力,即使 应力低于屈服强度,也 会导致裂纹萌生和扩 展,以至构件材料断裂 而失效,或使其力学性 质变坏.
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1复合材料的疲劳性能特点
①单向连续纤维增强的复合材 料在纤维方向有卓越的抗疲劳 性.这是由于在单向复合材料 里,疲劳载荷主要是由和载荷 方向一致的纤维所承担的缘故.
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④ 温度生高会削弱基体材料性能,从而使复合材料的疲劳 寿命下降.
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2影响复合材料疲劳特性的因素
复合材料的疲劳特性要受到各种材料和试验参数的 影响,如基体材料类型、增强材料类型,纤维方向和铺层等 等.这里不再讨论.
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9.1.3 复合材料在长期静载荷作用下的力学性能
长期静载荷作用下的力学性能包括： 强度问题——持久强度； 变形问题——蠕变.
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3影响复合材料冲击性能的因素
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。
第8章复合材料力学性能
➢强度高，拉伸强度为3.62GPa； ➢模量高于GF，为125GPa； ➢韧性好，断裂伸长率为2.5%； ➢缺点：表面惰性大，与树脂界面粘结性能差，抗压、抗
扭曲性能差。
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基体材料
① 基体材料选择三原则：
第一，基体材料本身力学性能较好，如有较高的内聚强 度、弹性模量；与增强纤维有相适应的断裂伸长率； 第二，对增强材料有较好的润湿能力和粘结力，保证良 好的界面粘结； 第三，工艺性优良，成型和固化方法与条件简单，固化 收缩率低。
Ⅱ型CF（高强型）： 强度＞3GPa； 模量为230~270GPa； 断裂伸长率为0.5~1%
联碳化合物公司P-140 型CF： 模量高达966GPa
东丽公司T1000型CF： 强度达到7.05GPa； 模量为295GPa；
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③ 芳纶的力学特性
➢以Kevlar-49为代表的芳纶是一种高模量有机纤维； ➢密度小（1.44g/cm3，GF为2.54g/cm3，T300为
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8.2.1 纵向拉伸性能 （1）纵向拉伸应力σL 、拉伸模量EL
单向纤维复合材料纵向拉伸加载示意图和单向板纵向拉伸 简化力学模型图如下： PL = Pf + Pm
Pf 、 Pm分别为纤维（fibre）和基体（matrix）承受的载荷
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当用应力表示
PL = Pf + Pm
σL AL = σf Af + σm Am
单向（纤维增强）复合材料 双向（正交纤维）复合材料 多向（纤维增强）复合材料 三向（正交纤维增强）复合材料 短纤维增强复合材料
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（1）单向（纤维增强）复合材料
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。
复合材料中的材料力学性能分析
复合材料中的材料力学性能分析复合材料是由两种或两种以上不同材料组合而成的新材料，其具有优异的力学性能，如高强度、高刚度、低密度等。
因此，对复合材料的力学性能进行分析，对于材料的设计、制备、应用等方面具有重要意义。
本文将从两个方面对复合材料中的材料力学性能进行分析：材料力学性能评价和材料力学性能分析方法。
一、材料力学性能评价材料力学性能评价是对复合材料力学性能进行定量评估和比较的过程。
常用的力学性能指标包括强度、弹性模量、断裂韧性、疲劳寿命等。
1. 强度：强度是材料抵抗外部载荷而产生破坏的能力。
在复合材料中，强度可以分为拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。
通过力学试验，可以测定复合材料在不同载荷下的强度，并进行比较和评价。
2. 弹性模量：弹性模量反映了材料在受力时的变形能力。
对于复合材料来说，弹性模量通常通过静态拉伸试验中的应力-应变曲线来计算。
弹性模量高，表示材料具有较好的刚度特性。
3. 断裂韧性：断裂韧性是材料抵抗断裂的能力。
在复合材料中，断裂韧性的评价可以通过冲击试验或断裂韧性试验来进行。
断裂韧性高的材料具有抗冲击、抗断裂的能力。
4. 疲劳寿命：疲劳寿命是材料在交变载荷下能够承受的循环次数。
复合材料的疲劳寿命是指在特定应力水平下，材料能够进行多少次完全循环才会发生失效。
通过疲劳试验可以评估复合材料的疲劳性能。
二、材料力学性能分析方法要进行复合材料的力学性能分析，需要使用一些合适的试验方法和数值模拟技术，以下是常用的材料力学性能分析方法：1. 静态力学试验：静态力学试验是研究材料在静态加载下的力学性能的基本方法。
通过服从背景的应力-应变关系曲线可以获得弹性模量和屈服强度等性能参数。
2. 动态力学试验：动态力学试验是研究材料在动态加载下的力学性能的方法。
冲击试验和振动试验是常用的动态力学试验方法，可以评估复合材料在冲击或振动环境下的力学性能。
3. 数值模拟：数值模拟是通过计算方法来预测和分析材料力学性能的方法。
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第九章 复合材料概述
• 复合材料的应用
运载火箭整流罩、广播卫星抛物面天线
雷达罩
无人驾驭长空一号飞机
AD-200轻型飞机
汽车外壳
汽车保险杠、后门
交通快艇
大型封头贮罐
大型通风管道
碳纤维自行车
气象火箭头锥 高硅氧纤维增强酚醛树脂 ——模压工艺制造
远程导弹仪器舱口盖 碳化硅纤维增强铝(SiC/Al)复合材料 ——固态热压净成型工艺制造
按增强材料的形态分类
• 连续纤维复合材料：作为增强相的纤维，各自的 两个端点都位于复合材料的边界。也称长纤维复 合材料。 • 不连续纤维复合材料：短纤维无规则地或按一定 取向分布在基体中，也称短纤维复合材料。 • 粒状复合材料：微小颗粒状的增强材料分散在基 体中制成复合材料。
Байду номын сангаас
• 编织复合材料：以平面二维或立体三维编织物为 增强材料与基体复合制成复合材料。
一、制备纤维增强复合材料的一般原则
为达到纤维增强的效果，必须遵循以 下原则： • 要选用强度和模量均高于基体的纤维作为 增强材料，而基体要选择软而韧、有延展 性的材料。并且，纤维尺寸越细，纤维复 合材料强度越高，
• 纤维与基体之间要有一定的相溶性或浸润 性，以保证所受力能通过界面传递给纤维。 若相溶性不好，就需对纤维进行涂覆 来改善。如碳纤维与铝复合材料，须先在 碳纤维表面涂敷一薄层铜或镍。 若相溶性过强，会使纤维与基体界面 结合力过大，当材料受力破坏时，会使纤 维失去拔出能而导致材料呈脆性断裂。因 此，相溶性要适当。
二、纤维复合材料的基本特性
• 比强度和比模量高，特别是连续复合纤维 材料。 • 各向异性的可控制性。如在单向复合材料 中，通过改变组分的含量可以改变纵向与 横向性能及其比值；同样变换铺层材料和 铺层方位也可以在相当大的范围内改变层 合板的性能。即：纤维增强复合材料是一 种性能可设计的材料。
复合材料的特点
由于复合材料的组分是可人为选择和设计 的，材料中至少有两种不同的独立的相。因此， 复合材料具有以下共同特点： ① 可综合发挥各组成材料的优点，使复合材料具 有多种性能。如玻璃纤维增强环氧基复合材料， 既具有类似钢材的强度，又具有塑料的耐腐蚀 性、介电性能。 ② 可按对材料性能的需要进行材料设计与制造。 ③ 可制成所需的任意形状的产品，并避免多次加 工工序。
按增强纤维种类分类（对纤维增强复合材料）
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玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 金属纤维复合材料：如钨丝、不锈钢丝 陶瓷纤维复合材料：如Al2O3、SiC等纤维
有机纤维复合材料：如聚脂纤维、聚烯烃纤维 等
按基体材料种类分类
• 聚合物基复合材料：如热固性树脂、热塑 性树脂、橡胶； • 金属基复合材料：如铝基、钛基、镁基、 铁基等；
TiC/Al复合材料 ——原位反应合成方法制造
SiC/Al管材试件 ——真空液态浸渗工艺制造
氮化硅陶瓷复合材料异形件 ——热压工艺制造
3D-C-SiC预成型 体（多向纤维编 织物构成增强体， 用于先驱体转化 法制备陶瓷基复 合材料）
玻璃纤维/不饱和聚脂树脂 ——拉挤方法制造的型材
§9.1复合材料及其分类
• 复合材料 由两种或多种性质不同的组分构成的 材料。材料各组分具有明显不同性质、组 分间存在明显界面，且复合后材料性质也 明显不同于组分原有性质时，才称之为真 正的复合材料。
•
增强相与基体 通常，复合材料中包含了一种或几种 不连续相和一种连续相，且不连续相镶嵌 于连续相中。 一般地，不连续相的强度和硬度比连 续相高，故称为增强材料或增强相；连续 相则称为基体。
• 纤维排列方向要与构件受力方向一致，以充分发 挥纤维增强作用。这是因为纤维增强复合材料是 各向异性的均质材料，沿纤维方向性能最高，而 垂直纤维方向强度低。因此，纤维在基体中的排 列与构件的受力方向应合理配合。 • 纤维与基体的热胀系数应匹配，相差不能过大， 否则会在热胀冷缩过程中引起纤维与基体结合强 度降低。且纤维与基体之间不能发生使结合强度 降低的化学反应。 • 纤维所占体积分数、长度、长度与直径比等必须 满足一定要求。通常，纤维的体积分数越高、越 长、越细，增强效果越好。
• 陶瓷基复合材料：如Al2O3基。
按材料作用分类
• 结构复合材料：用于制造受力构件的复合 材料。 • 功能复合材料：用于各种特殊性能（如阻 尼、导电、导磁、屏蔽等）的复合材料。
§9.2 纤维增强复合材料及其基本特性
纤维增强复合材料是由高强度、高模 量、连续（长）纤维或不连续（短）纤维 与基体复合而成的材料。该类复合材料的 增强效果取决于纤维的特性，基体主要起 传递力的作用。此外，基体将纤维粘在一 起形成一个整体、保护纤维不受环境介质 侵蚀。