第11章 复合材料的力学性能.
第十一章 复合材料
碳素（纤维， 粒料）
碳纤维增强 金属
增强陶瓷
陶瓷增玻 璃
增强水泥
碳纤维增强 碳复合材料
无
碳纤维增强 塑料
碳纤炭黑增 强橡胶
玻璃（纤维， 粒料） 木材 有 机 材 料
无
无
无
增强水泥
无
无
玻璃纤维增 强塑料 纤维板
玻璃纤维增 强橡胶 无
无
无
无
水泥木板 丝 增强水泥 无
无
无
高聚物纤维 橡胶胶粒
无 无
无 无
无 无
二、复合材料的性能特点
1、比强度和比模量高
比强度 材料的强度与其密度之比。
比模量 材料的模量与其密度之比。 材料的比强度或比模量越高，构件的自重就小，或者体积会 越小。通常，复合材料的复合结果是密度大大减小，高的比强 度和比模量是复合材料的突出性能特点。
气瓶
质 量 轻
玻璃钢充气船
小飞守角制作
头盔
玻璃纤维的特点是强度高，弹性模量低，密度小，比强度、 比模量高；化学稳定性好；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、 吸声、绝缘等。缺点是脆性较大，耐热性低，250℃以上开始软化。 由于价格便宜，制作方便，是目前应用最多的增强纤维。
(2)碳纤维 碳纤维是人造纤维(粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等)在200～300℃ 空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下， 在1000～1500℃的高温下进行碳化处理而制得。其含碳量可达 85%～95%。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称Ⅱ型 碳纤维。 如果将碳纤维在2000～3000℃高温的氩气中进行石墨化处理， 就可获得含碳量为98%以上的碳纤维。这种碳纤维中的石墨晶体的 层面有规则地沿纤维方向排列，具有高的弹性模量，又称石墨纤维 或高模量碳纤维，也称Ⅰ型碳纤维。
复合材料的动态力学性能研究
复合材料的动态力学性能研究在现代材料科学领域，复合材料因其卓越的性能和广泛的应用前景而备受关注。
其中，复合材料的动态力学性能是一个至关重要的研究方向。
动态力学性能不仅影响着材料在实际应用中的可靠性和耐久性，还为材料的设计和优化提供了关键的依据。
复合材料通常由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的组分材料组成，通过特定的工艺复合而成。
这些组分材料在性能上相互补充和协同作用，赋予了复合材料优异的综合性能。
然而，当复合材料在动态载荷作用下，其力学行为会变得相当复杂。
动态力学性能主要包括材料的储能模量、损耗模量和损耗因子等参数。
储能模量反映了材料在变形过程中储存能量的能力，而损耗模量则表示材料在动态加载过程中能量的损耗。
损耗因子则是损耗模量与储能模量的比值，它能够表征材料的阻尼特性。
研究复合材料的动态力学性能，需要借助一系列先进的实验技术和分析方法。
动态力学分析（DMA）是其中一种常用的手段。
通过在一定的温度、频率和应变范围内对材料进行动态加载，并测量材料的响应，可以获得材料的动态力学性能参数随温度、频率等因素的变化规律。
在实验过程中，样品的制备和测试条件的选择对结果的准确性有着重要影响。
样品的尺寸、形状和制备工艺需要严格控制，以确保测试结果的可靠性和可重复性。
同时，测试的温度范围、加载频率和振幅等条件也需要根据材料的应用场景和研究目的进行合理的设定。
复合材料的动态力学性能受到多种因素的影响。
首先是组分材料的性质，包括基体材料和增强材料的种类、含量和性能等。
例如，在纤维增强复合材料中，纤维的种类、长度、直径和取向等都会显著影响材料的动态力学性能。
不同的纤维具有不同的强度、模量和阻尼特性，从而导致复合材料性能的差异。
其次，复合材料的界面性能也是影响动态力学性能的关键因素。
良好的界面结合能够有效地传递载荷，提高材料的整体性能。
相反，界面结合不良会导致应力集中和能量耗散，降低材料的动态力学性能。
此外，制备工艺也会对复合材料的动态力学性能产生影响。
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ppt课件
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
.
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
应变硬化
E D A
D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力. -应变曲线（玻璃态）
20
2.2 高分子材料的力学性能
.
21
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
扭转
F
.
17
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
.
电子万能材料试验机
18
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
.
19
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11章复合材料层合板的强度分析
第11章 复合材料层合板的强度力分析复合材料层合板中单层板的铺叠方式有多种，每一种方式对应一种新的结构形式与材料性能。
层合板的应力状态也可以是无数种，因此各种不同应力状态下层合板的强度不可能靠实验来确定．只能通过建立一定的强度理论，将层合板的应力和基本强度联系起来。
由于层合板中各层应力不同，应力高的单层板先发生破坏，于是可以通过逐层破坏的方式确定层合板的强度。
因此，复合材料层合板的强度是建立在单层板强度理论基础上的。
另外，由层合板的刚度特性和内力可以计算出层合板各单层板的材料主方向上的应力。
这样就可以采取和研究各向同性材料强度相同的方法，根据单层板的应力状态和破坏模式，建立单层板在材料主方向坐标系下的强度准则。
本章主要介绍单层板的基本力学性能、单层板的强度失效准则，以及层合板的强度分析方法。
§11.1单层板的力学性能由层合板的结构可知，层合板是若干单向纤维增强的单层板按一定规律组合而成的。
当纤维和基体的性质、体积含量确定后，单层板材料主方向的强度与和其工程弹性常数一样，是可以通过实验唯一确定的。
11.1.1单层板的基本刚度与强度材料主方向坐标系下的正交各向异性单层板，具有4个独立的工程弹性常数，分别表示为：纤维方向（方向1）的杨氏模量1E ，垂直纤维方向（方向2）的杨氏模量2E ，面内剪切模量12G ；另外，还有两个泊松比2112,νν，但它们两个 不是独立的。
这4个独立弹性常数表示正交各向异性单层板的刚度。
单层板的基本强度也具有各向异性，沿纤维方向的拉伸强度比垂直于纤维方向的强度要高。
另外，同一主方向的拉伸和压缩的破坏模式不同，强度也往往不同，所以单层板在材料主方向坐标系下的强度指标共有5个，称为单层板的基本强度指标，分别表示为：纵向拉伸强度X t (沿纤维方向)，纵向压缩强度X c (沿纤维方向)，横向拉伸强度Y t (垂直纤维方向)，横向压缩强度Y c (垂直纤维方向)，面内剪切强度S (在板平面内)。
复合材料的力学性能测试与分析
复合材料的力学性能测试与分析引言：复合材料是由两个或多个成分组合而成的材料，通常包括纤维增强材料和基体材料。
由于其独特的结构和组分，复合材料具有优良的力学性能和广泛的应用领域。
在设计和制造复合材料制品时，力学性能的测试与分析非常重要，可以评估材料的强度、刚度和韧性等关键指标，指导工程应用中的设计和生产。
本文将深入探讨复合材料的力学性能测试方法和分析技术。
力学性能测试方法：1. 张力测试：张力测试用于测量材料在施加纵向拉力时的承载能力。
一种常用的方法是单轴拉伸测试，其中样品被拉伸直至断裂，通过测量施加的力与应变之间的关系，获得材料的应力-应变曲线。
这个曲线可以提供材料的强度和刚度等信息。
2. 压力测试：压力测试旨在测量材料的抗压能力。
常见的方法是将样品置于压力机之间，逐渐施加压力直至样品破裂。
通过测量施加的压力与应变之间的关系，可以评估材料的抗压强度和变形能力。
3. 剪切测试：剪切测试用于测量材料在剪切加载下的表现。
通常使用剪切试验机在两个表面之间施加剪切力，测量材料的剪切应力与应变关系。
这个关系提供材料的剪切强度和剪切刚度等参数。
力学性能分析技术：1. 杨氏模量：杨氏模量是描述材料刚度的指标，表示材料在受力时的应变响应。
通过施加小应力并测量产生的应变，可以计算出材料的杨氏模量。
杨氏模量越大，材料的刚度越高。
2. 弯曲强度：弯曲强度是评估复合材料抵抗在横向加载下发生弯曲的能力。
通过施加弯矩并测量产生的应力，可以计算出材料的弯曲强度。
弯曲强度高的材料在横向应力下更为耐用。
3. 破坏韧性：破坏韧性是评估复合材料耐受冲击或断裂的能力。
常用的测试方法是冲击测试，通过施加冲击力并测量导致的破损面积，可以评估材料的破坏韧性。
高韧性材料能够吸收能量并减缓破坏过程。
实例分析：以碳纤维增强复合材料为例，进行实例分析。
碳纤维增强复合材料由碳纤维作为纤维增强材料，环氧树脂作为基体材料组成。
首先进行张力测试，测量样品在单轴拉伸下的强度和应变。
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LT
CT
ห้องสมุดไป่ตู้L
LT
CL CT
9
三、强度
1、拉伸强度： （1）σ～ε曲线（图11-11） （2）拉伸变形的四个阶段（图119) a）纤维和基体都是弹性变形； b）纤维弹性变形，基体非弹性 变形； c）纤维与基体均为非弹性变形 （仅韧性纤维存在第三阶段） d）纤维断裂，随之复合材料断 裂。
4
§11-2 单向复合材料的力学性能
一、单向复合材料及其结构模型
1、定义 连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合 材料，叫做单向连续纤维增强复合材料。 结构模型（图） ①并联模型 纤维与基体有相同的应变 ②串联模型 纤维与基体有相同的应力。
5
3、力学性能特征值 ①五个特征强度值 纵向抗拉强度，横向抗拉 强度，纵向抗压强度，横向抗压强度，面内抗 剪强度。 ②四个特征弹性常数 纵向弹性模量，横向弹 性模量，主泊松比，切变模量。 ③复合材料的强度和弹性模量由复合材料的组 分、材料的特性、增强体的取向、体积分数决 定。
3
三、复合材料的性能特点
四、结构设计原理
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。
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。
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§11-3 短纤维复合材料的力学性能
该材料的应用广泛。 力学性能比连续纤维的更为复杂。纤维末端的应力传递作 用不能忽略 一、基体与纤维间的应力传递 [拉伸状态] 纤维的临界长度Lcr（中部的拉伸应力最大） 平均应力约为最大应力的95%。 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。
* mu m Vfcr * fu m
（式11-41）
∴当Vf<Vfmin时 复合材料的抗拉强度σCLu=σmu(1-Vf)
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2、抗压强度
基体在纵向压缩中起重要作用。 基体给予纤维侧向支持，使纤维不屈曲。 拉压型和剪切型失稳模型中，纵向抗压强度分别为 式11-44和式11-45 “纤维的微弯曲和基体剪切失稳是复合材料纵向压 缩的两个主要破坏机理”。
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（3）各阶段的强度
I: σCL=EfεfVf+Em(1-Vf) （式11-36） 纤维体积Vf，在一定范围内，Vf↑，σCL↑，过多浸润 不好，反而↓。 II：σCL(ε)= σf (ε)Vf+σm(ε)Vm σm *—基体应变等于纤维断裂应变时的基体应力。 ∴纤维增强作用，仅在复合材料的强度超过基体强度 时才有效。 ∴可以推导出临界纤维体积，Vfcr
（2）模量的推导 以扭距MC为基础。
1 Vf Vm 1 Gc G f Gm
I:
(式11 - 20)
上限 下限
8
II II： GC G f Vf G m Vm (式11 - 26) II 合 成：G c (1 c )G 1 c CGC (式11 - 27)
4、泊松比υ
纵向泊松比（式11-28） 横向泊松比（式11-34）
2
一、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。
6
二、弹性性能
1、纵向弹性模量（并联） （加权和 ） Ecl·1=K[EfVf+Em(1-Vf)] K——工程修正值 Vf——纤维的体积分数 2、横向弹性模量（串联） 基于： △LcT=△LfT+△LmT 应力 相同
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3、切变模量
（1）等应力模型，等应变模型（图11-7） （与拉伸时的模型的定义正相反）
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三、疲劳性能
1、疲劳性能特点 疲劳性能好。复杂的疲劳破坏行为。损伤可被 牵制。 2、影响因素 组分材料的性能（基体，增强纤维影响） 增强纤维的体积分数（纤维含量） 界面性质（包括缺口的影响） 载荷形式 环境条件
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第十一章
复合材料的力学性能
§11-1 复合材料概论 §11-2 单向复合材料的力学性能 §11-3 短纤维复合材料的力学性能 §11-4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
1
§11-1 复合材料概论
一、定义和分类 1、定义 由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合 形成的新型材料。 2、分类 按基体分：金属基复合材料；无机非金属复合材 料；聚合物复合材料。 按增强体分：连续纤维复合材料；短纤维复合材 料；颗粒复合材料；层合板复合材料。 按用途分：结构复合材料；功能复合材料。
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§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
⑤分层裂纹
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二、冲击性能
1、冲击性能特点 ①υ↑，冲击性能↑ 高模量碳纤维复合材料，对υ变化不敏感。 ②高弹性模量比低弹性模量的冲击韧性差。 ③冲击断裂是各类损伤的累积或非累积破坏。 2、影响冲击性能的因素 ①自身属性，力学性能。 ②纤维方向；铺层结构。 ③界面的聚合强度。