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
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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。
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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)
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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。
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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
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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
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。
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与环境影响
复合材料的力学性能与环境影响在现代科技的快速发展中，复合材料因其独特的性能优势，在众多领域得到了广泛的应用。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合而成的一种新型材料。
其力学性能和环境影响是决定其应用范围和使用寿命的重要因素。
复合材料的力学性能表现出了许多独特的特点。
首先，它具有高强度和高刚度。
这是由于复合材料中的增强相（如纤维）能够有效地承担载荷，从而大大提高了材料的整体强度和刚度。
相比传统的单一材料，复合材料在同等重量下能够承受更大的外力，这在航空航天领域尤为重要，能够减轻飞行器的重量，提高燃油效率和飞行性能。
其次，复合材料具有良好的疲劳性能。
在反复加载和卸载的情况下，复合材料的抗疲劳能力通常优于金属材料。
这使得它们在汽车、机械等领域的长期运行部件中得到应用，减少了因疲劳失效而导致的故障和维修成本。
再者，复合材料的韧性也是其重要的力学性能之一。
通过合理的设计和制造工艺，可以使复合材料在受到冲击时吸收大量的能量，而不发生脆性断裂。
这种良好的韧性在防护装备、体育用品等领域有着广泛的应用。
然而，复合材料的力学性能并非一成不变，它们会受到多种环境因素的影响。
温度是一个关键的环境因素。
在高温环境下，复合材料的性能可能会发生显著变化。
例如，一些聚合物基复合材料在高温下会出现软化、强度降低等现象。
而在低温环境下，复合材料可能会变得脆化，韧性下降，容易发生断裂。
湿度也是影响复合材料力学性能的重要因素。
水分的侵入可能会导致复合材料的层间结合力下降，引发分层、开裂等问题。
特别是对于纤维增强复合材料，水分可能会侵蚀纤维与基体的界面，降低界面结合强度，从而影响整体力学性能。
化学物质的侵蚀同样不可忽视。
在一些腐蚀性环境中，复合材料可能会受到酸碱、有机溶剂等化学物质的作用，导致基体材料的降解、纤维的腐蚀等，进而削弱其力学性能。
此外，紫外线辐射、风沙磨损等环境因素也会对复合材料的表面造成损伤，影响其外观和力学性能。
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。
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。
复合材料力学性能
复合材料力学性能复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组成的材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，因此在航空航天、汽车制造、建筑等领域得到广泛应用。
复合材料的力学性能是评价其质量和可靠性的重要指标，包括强度、刚度、韧性、疲劳性能等方面。
本文将就复合材料的力学性能进行探讨。
首先，复合材料的强度是其最基本的力学性能之一。
强度是材料抵抗外部力量破坏的能力，通常包括拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。
复合材料的强度受到纤维和基体的影响，纤维的强度决定了复合材料的整体强度，而基体则起到了支撑和保护纤维的作用。
因此，合理选择和设计纤维和基体的材料和结构对于提高复合材料的强度至关重要。
其次，复合材料的刚度也是其重要的力学性能之一。
刚度是材料抵抗变形的能力，通常体现为弹性模量。
复合材料由于其纤维的高强度和基体的刚度，具有较高的整体刚度，能够在外部载荷作用下保持较小的变形，因此在工程应用中得到了广泛的应用。
另外，复合材料的韧性也是其重要的力学性能之一。
韧性是材料抵抗断裂的能力，通常体现为断裂韧性和冲击韧性。
复合材料由于其纤维的高强度和基体的韧性，具有较高的整体韧性，能够在受到冲击载荷时不易发生断裂，因此在航空航天等领域得到了广泛的应用。
最后，复合材料的疲劳性能也是其重要的力学性能之一。
疲劳性能是材料在交变载荷下抵抗疲劳断裂的能力，复合材料由于其纤维和基体的结构特点，具有较好的疲劳性能，能够在长期交变载荷下保持较高的强度和韧性，因此在汽车制造等领域得到了广泛的应用。
综上所述，复合材料的力学性能是评价其质量和可靠性的重要指标，强度、刚度、韧性、疲劳性能等方面的性能都是其重要的表征。
因此，在复合材料的设计和制造过程中，需要充分考虑这些力学性能，合理选择和设计材料和结构，以确保复合材料具有良好的力学性能，能够满足工程应用的要求。
复合材料的力学性能研究
复合材料的力学性能研究复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成，其中至少有一种材料是具有一定强度和刚度的纤维或颗粒。
复合材料的力学性能是研究复合材料行为和性能的重要方面。
本文将探讨复合材料力学性能研究的相关内容。
1. 复合材料的组成和分类复合材料由基体和增强材料组成。
基体是材料的主要组分，承担着传递载荷的作用，常见的有金属、塑料和陶瓷。
增强材料则是用来提高材料力学性能的成分，如纤维和颗粒，可以提供强度和刚度。
基于不同的增强材料，复合材料可以分为纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。
2. 复合材料的强度和刚度复合材料相比于传统材料具有更高的强度和刚度。
这是因为增强材料可以承受大部分载荷，基体则起到支撑和保护的作用。
纤维增强复合材料的强度主要取决于纤维的性质和取向，而颗粒增强复合材料则取决于颗粒的尺寸和分布。
通过调整增强材料的形状和含量，可以进一步改变复合材料的强度和刚度。
3. 复合材料的断裂行为复合材料的断裂行为是研究复合材料力学性能的重点之一。
断裂通常分为拉伸断裂和剪切断裂两种形式。
在拉伸断裂中，纤维会逐渐断裂，而在剪切断裂中，流动的基体和增强材料之间会发生剪切滑移。
复合材料的断裂行为受到多种因素的影响，如增强材料的分布、基体的粘附力和界面结构等。
研究这些因素对断裂行为的影响，可以提高复合材料的断裂韧性和抗冲击性能。
4. 复合材料的疲劳性能复合材料在长期使用和加载循环中可能出现疲劳损伤。
与金属材料不同，复合材料的疲劳行为更为复杂。
复合材料的疲劳损伤通常包括纤维断裂、基体裂纹扩展和界面失效。
研究复合材料的疲劳性能，可以提高材料的使用寿命和可靠性。
通过合理设计复合材料的结构和增强材料的分布，可以减缓疲劳损伤的发展。
5. 复合材料的热性能和耐腐蚀性能除了力学性能，复合材料的研究还包括热性能和耐腐蚀性能。
复合材料在高温环境中的性能表现和在一般温度下有所不同。
研究复合材料的热膨胀特性和热传导性能，有助于优化复合材料在高温环境下的应用。
复合材料力学性能
复合材料力学性能复合材料是由两种或两种以上的不同材料按照一定规律组合而成的材料。
与传统材料相比，复合材料具有独特的力学性能，以下将分别从强度、刚度、韧性、疲劳性能以及抗冲击性能等方面详细介绍复合材料的力学性能。
首先是复合材料的强度。
由于复合材料采用了不同种类的材料组合，在强度上具有明显的优势。
根据不同材料的组合方式和比例，复合材料可以获得高于单一材料的强度水平。
此外，由于复合材料具有随机分布的纤维增强体，使得复合材料具有较好的抗层状剪切破坏能力，提高了材料的整体强度。
其次是复合材料的刚度。
复合材料在刚性方面比传统材料更优越。
这是因为纤维增强体具有高弹性模量和高刚度特性，并且材料中纤维的方向性可以调整，所以在应力作用下，纤维能够承受更多的外力而不易产生位移。
因此，在力学应用中，复合材料能够提供更高的刚度和更小的变形。
再次是复合材料的韧性。
韧性是指材料在受到外力作用下产生破坏之前能够吸收的能量。
与传统材料相比，复合材料具有更好的韧性。
这是因为在复合材料中纤维的分布可以有效地防止裂纹扩展，同时由于纤维的存在可以将应力分散到整个材料中，从而提高韧性。
此外，复合材料也可以通过调整纤维增强体的类型和量来改善韧性。
复合材料的疲劳性能也是其重要的力学性能之一、在疲劳应力作用下，材料会出现裂纹的扩展，从而导致材料失效。
复合材料由于具有纤维增强体和基体的分离结构，在疲劳载荷下，纤维增强体能够吸收部分载荷，减缓增长速率，提高疲劳寿命。
此外，纤维增强体还能够增加复合材料的纵向和横向强度，降低应力集中，从而提高疲劳性能。
此外，复合材料的抗冲击性能也值得关注。
复合材料由于纤维增强体的存在，使得其在受冲击或振动载荷下具有更好的表现。
纤维增强体能够吸收冲击能量，减缓冲击载荷的传递，从而降低材料的损伤程度和失效概率。
综上所述，复合材料具有一系列优异的力学性能，如强度、刚度、韧性、疲劳性能和抗冲击性能等。
这得益于其具有多种材料的组合优势以及纤维增强体的特殊结构。
复合材料力学性能
复合材料力学性能
复合材料是指由两种或两种以上的材料组成的材料，经过一定的加工和制造工艺得到的具有新的组织和性能的材料。
复合材料的力学性能主要包括强度、刚度和韧性。
首先，复合材料具有很高的强度。
由于多种材料的组合，复合材料能够充分发挥各种材料的优点，从而提高材料的强度。
比如碳纤维复合材料，由于纤维之间有着良好的结合和排列，其强度比传统的金属材料高出数倍甚至数十倍。
这使得复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域的应用非常广泛。
其次，复合材料还具有很高的刚度。
刚度是指材料抵抗形变和变形的能力，复合材料由于结构的合理性和纤维的高强度，使得其刚度远远高于传统的金属材料。
这使得复合材料能够在高温或高速等极端环境下能够保持其形状和性能，从而保证了材料的使用寿命和安全性。
另外，复合材料还具有很高的韧性。
韧性是指材料抵抗破裂和断裂的能力，复合材料通过纤维之间的相互支撑和吸收能量的机制，使得其具有很高的韧性。
相比于传统的金属材料，复合材料在受到冲击或挤压等外力作用时，能够有很好地承载和分散应力，从而减少裂纹的扩展和破坏的发生。
总之，复合材料具有很高的力学性能，包括强度、刚度和韧性。
这些性能使得复合材料成为目前工程领域中的重要材料，广泛应用于各个领域。
随着科技的不断进步和材料的不断发展，相
信复合材料的力学性能还会不断提高，为人们的生活和工作带来更多的便利和创新。
复合材料的力学性能
提高复合材料损伤容限与断裂韧性的途径
• 材料选择与优化：选择具有优异力学性能和耐腐蚀性能的材料，优化材料的组 成和结构，可以提高复合材料的损伤容限和断裂韧性。
• 增强相与基体的匹配：增强相与基体之间的界面粘结力和相容性对复合材料的 性能具有重要影响。通过改善增强相与基体之间的匹配关系，可以提高复合材 料的损伤容限和断裂韧性。
04
因此，在选择和应用复合材料时，需要考虑环境因素对其力学性能的 影响。
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复合材料的疲劳性能
疲劳失效的机理
疲劳失效是指复合材料在循环载荷作用 下，经过一段时间后发生的断裂现象。
疲劳失效通常是由材料内部的微裂纹萌 疲劳失效的机理包括应力集中、裂纹扩
生、扩展和连接导致的。
展和界面脱粘等。
疲劳性能的测试与表征
损伤容限与断裂韧性
损伤容限：材料在受到损伤后 仍能保持其使用性能的能力。
断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展 的能力。
复合材料的损伤容限和断裂韧 性取决于增强相的分布、大小 和形状，以及基体与增强相之 间的界面粘结强度。
通过优化复合材料的结构设计 ，可以提高其损伤容限和断裂 韧性，从而提高其整体性能和 使用寿命。
这种降低主要是由于基体的热 膨胀和热塑性变形引起的，因 为基体的热膨胀系数通常高于 纤维。
在高温环境下，复合材料的弹 性模量可能会大幅度降低，这 对其在高温环境下的应用产生 不利影响。
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复合材料的强度与韧性
纤维增强复合材料的强度与韧性
1
纤维增强复合材料的强度和韧性主要取决于纤维 和基体的性质，以及纤维在基体中的分布和排列。
下降。
选择适当的基体材料和配方，以 及优化基体与纤维的界面粘结， 可以提高复合材料的强度和韧性。
复合材料的力学性能研究
复合材料的力学性能研究一、引言随着科技的不断发展，复合材料在工业、航空航天、汽车等领域得到了广泛应用。
其中，复合材料的力学性能是这一领域研究的重点。
本文将从复合材料力学性能的定义、制备及测试方法、力学性能研究与应用等方面进行探讨。
二、复合材料力学性能的定义复合材料是指由两种或两种以上不同的材料在宏观上均匀地混合在一起而形成的新材料。
与单一材料相比，复合材料拥有更好的强度、刚度和耐腐蚀性等性能。
在复合材料中，不同材料的性质不同，因此也有了力学性能的差别。
力学性能通常指材料在受到外力作用时的性能指标，包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断裂强度、疲劳寿命等。
这些性能指标可以反映出复合材料的力学强度、刚度和耐久性等方面的性能。
三、复合材料的制备与测试方法复合材料的制备有很多种方法，常用的有层叠法、注塑成型法、环氧树脂灌注法等。
其中，层叠法又称为手工层叠法，是较为传统的复合材料制备方法，通常用于定向性较强的复合材料制备。
注塑成型法适用于大量制造相对简易的复合材料零件，如带有凸起、凹槽等结构的材料。
环氧树脂灌注法则适用于制备大型、复杂的复合材料结构件。
复合材料力学性能的测试方法主要包括拉伸试验、剪切试验、压缩试验、弯曲试验等。
其中，拉伸试验是指在两个支撑点之间施加拉伸载荷时，测试材料的抗拉强度、延伸率等指标。
剪切试验是将材料在两个载荷方向施加一个剪切力，测试材料的切变模量、剪切强度等指标。
压缩试验是压缩载荷作用于材料，测试材料的抗压强度、弹性模量等指标。
弯曲试验是指在两点之间施加载荷，测试材料的抗弯强度、弹性模量等指标。
四、复合材料力学性能研究与应用1.力学性能研究复合材料力学性能的研究通常包括两种方向：第一种是通过材料的基本力学性质来研究其性能，例如研究复合材料的弹性模量、屈服强度、断裂强度等参数的变化规律。
第二种则是研究复合材料在实际工程中的性能和行为，例如研究复合材料在高温高压下的性能、在复杂载荷下的受力行为等。
复合材料力学性能
3）影响复合材料冲击性能的因素
讨论了复合材料的能量吸收机理之后，就不难理解 材料性质对冲击性能的影响了，因为纤维性质不同、 基体韧性不同，界面强度不同会导致不同的破坏模式， 从而大大地影响复合材料的冲击性能。
提高复合材料冲击韧性的途径有：基体增韧、合适 的界面强度、采用混杂纤维复合材料。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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纤维脱胶和纤维拔出两种模式间的差别： 当基体裂纹不能横断纤维而扩展时，发生纤 维脱胶；纤维拔出是起始于纤维破坏的裂纹 没有能力扩展到韧性基体中去的结果。纤维 拔出通常伴随有基体的伸长变形，而这种变 形在纤维脱胶中是不存在的，
共同点：破坏都发生在纤维基体界面，都显 著地提高断裂能。
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5）分层裂纹
由于复合材料在长时静载荷作用下的持久强度低于短时静 强度以及存在明显的蠕变现象，设计复合材料构件时必须考虑。
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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。
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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。
1） 纤维破坏 纤维断裂发生在其应变达到断裂应变时。
由于脆性纤维具有低的断裂应变，只产生少量变形， 因而吸收能量低。
碳纤维复合材料的冲击性能低，玻璃钢和凯芙拉的冲击 性能好。
虽然纤维是使复合材料具有高强度的主要原因，但纤 维断裂仅占总能量吸收的很小比例。但应当记住，纤维 的存在非常显著地影响破坏模式，从而也影响了总冲击 能。
复合材料的力学性能与环境适应性
复合材料的力学性能与环境适应性在现代工程领域中，复合材料凭借其独特的性能优势，正逐渐成为众多应用场景中的关键材料。
复合材料不仅在航空航天、汽车工业、船舶制造等领域发挥着重要作用，还在日常生活中的诸多产品中得到广泛应用。
要深入理解复合材料的应用价值，就必须对其力学性能和环境适应性有清晰的认识。
复合材料的力学性能是其得以广泛应用的关键因素之一。
与传统的单一材料相比，复合材料通过将不同性质的组分材料进行优化组合，实现了性能的协同提升。
例如，碳纤维增强复合材料（CFRP）具有高强度和高模量的特点。
其强度可以远超许多常见的金属材料，如钢和铝。
这使得在同等承载要求下，使用CFRP 可以大大减轻结构的重量，从而提高整体的性能效率。
复合材料的力学性能还表现出各向异性。
这意味着其在不同方向上的力学性能存在显著差异。
这种特性在设计和应用中需要特别关注，因为它决定了材料在不同受力条件下的响应。
例如，在一些特定方向上具有优异的抗拉强度，但在其他方向上可能相对较弱。
因此，在设计复合材料构件时，必须充分考虑其受力方向和预期的载荷类型，以实现最优的性能表现。
除了强度和各向异性，复合材料的韧性也是一个重要的力学性能指标。
良好的韧性能够使材料在承受冲击和动态载荷时吸收更多的能量，从而避免突然的断裂失效。
一些复合材料通过巧妙的微观结构设计和组分优化，可以实现出色的韧性，为工程应用提供了更高的可靠性和安全性。
然而，复合材料的性能并非孤立存在，其在实际应用中还需要面对各种复杂的环境条件，这就引出了环境适应性这一关键问题。
环境因素对复合材料的性能影响不容忽视。
温度变化是常见的环境挑战之一。
在高温环境下，复合材料的性能可能会发生显著变化。
例如，一些聚合物基复合材料在高温下可能会出现软化、强度降低等问题。
相反，在低温环境中，材料可能会变得脆化，韧性下降，增加了断裂的风险。
湿度也是影响复合材料性能的重要环境因素之一。
水分的侵入可能会导致复合材料的基体膨胀、界面弱化，从而降低其力学性能。
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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