复合材料力学课件第05章湿热效应
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《复合材料原理》界面热物理相容性 ppt课件
Interphase layer
25-1000º C范围 碳纤维ΔαC=8×10-6 SiC相ΔαSiC=4×10-6
SiC Matrix
C fiber
= rC • (αSiC-αC)• ΔT
间隙宽度约为24nm
热膨胀失配
ppt课件
28
3 界面应力与性能
3.2 界面失配与界面应力
由于热膨胀系数接近，SiC/SiC中界面层与纤维和基 体结合紧密，界面结合强度随温度变化不大，这与 C/SiC中纤维与基体热膨胀失配时的情况完全不同。
1.3 界面应力分析
基体中的应力达到屈服强度Ru时，基体开裂：
=do-df代入得：
Ru L( )( ) df m 2
L为两条裂纹之间的间距。 L表示开裂倾向大小。 裂纹间距等于L时基体开裂。
ppt课件 11
2 影响基体裂纹的因素
2.1 裂纹间距
L(
2
df
Ru )( ) m
R+dR
8
1 界面热应力分析
1.3 界面应力分析
基体一端所受的总的张力为： R/4(do2-df2) d 纤维一端 基体另一端所受的总的张力为： 2 2 (R+dR)(/4)(do -df ) dL 界面上所受的总的剪切力为： d dfdLi 平衡时，应有： +d (/4) (do2-df2)R+dfidL = /4 (do2-df2 )(R+dR) 或 dfidL =(/4) (do2-df2)d R
ppt课件 16
2 影响基体裂纹的因素
2.2 裂纹生成温度
Dl D DT ( m f )(TF TC )
C SiC C
25-1000º C范围 碳纤维ΔαC=8×10-6 SiC相ΔαSiC=4×10-6
SiC Matrix
C fiber
= rC • (αSiC-αC)• ΔT
间隙宽度约为24nm
热膨胀失配
ppt课件
28
3 界面应力与性能
3.2 界面失配与界面应力
由于热膨胀系数接近，SiC/SiC中界面层与纤维和基 体结合紧密，界面结合强度随温度变化不大，这与 C/SiC中纤维与基体热膨胀失配时的情况完全不同。
1.3 界面应力分析
基体中的应力达到屈服强度Ru时，基体开裂：
=do-df代入得：
Ru L( )( ) df m 2
L为两条裂纹之间的间距。 L表示开裂倾向大小。 裂纹间距等于L时基体开裂。
ppt课件 11
2 影响基体裂纹的因素
2.1 裂纹间距
L(
2
df
Ru )( ) m
R+dR
8
1 界面热应力分析
1.3 界面应力分析
基体一端所受的总的张力为： R/4(do2-df2) d 纤维一端 基体另一端所受的总的张力为： 2 2 (R+dR)(/4)(do -df ) dL 界面上所受的总的剪切力为： d dfdLi 平衡时，应有： +d (/4) (do2-df2)R+dfidL = /4 (do2-df2 )(R+dR) 或 dfidL =(/4) (do2-df2)d R
ppt课件 16
2 影响基体裂纹的因素
2.2 裂纹生成温度
Dl D DT ( m f )(TF TC )
C SiC C
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
材料热力学5.界面交接及润湿现象.吴申庆
L1—L2—V体系 当两种液体L1和L2以及气相V交接时，如图4-2，表 面张力γ1V和γ2V和界面张力γ12与水平面的夹角分别 为θ、ψ、φ。 按照力学平衡条件 :
i 1v 2v 12 0
考虑水平面上的分量： γ2VCOSψ—γ1Vcosθ—γ12cosφ=0 (4-4) 垂直方面的分量： γ2Vsinψ—γ1Vsinθ—γ12sinφ=0 (4-5)
三种润湿方式的共同之处是：液体将气体从 固体表面排挤开，使原有的固-气界面消失， 而代之以新的固-液界面。
二．润湿过程进行的方向 根据热力学，可以用润湿过程总体系总表面自由能 （焓）的减少程度来判断润湿过程的方向，为此引入 润湿功的概念，即润湿过程中体系对环境所作的有效 功。这功在数值上应等于体系总表面自由能的减少： —ΔG=W润 （4-10）
材料热力学
Thermodynamic of Materials
材料科学与工程学院 吴申庆
2012.2
第五章： 界面交接及润湿现象
Interface Connection and Wetting Process
•界面交接处的力学平衡 •固-液相间的湿润现象 •影响润湿性的因素 •润湿性的研究测量方法 •材料加工过程的润湿问题
一.界面交接处的力学平衡
• S-L-V体系 • L1-L2-V体系 • Sa—Sb—Sc体系
•S-L-V体系
当固（S）、液（L）、气（V）三相交接并且处 于平衡状态时，其润湿程度由交接各相的性质共同 决定，为了定量描述润湿过程，需要利用润湿角 （亦称接触角Contact angle）这一概念。 定义润湿角（接触角）为三相交接处液-气界面 （L-V）和液-固（L-S）界面之间的夹角，即界面 张力γLV和γSL的夹角。
《复合材料原理》PPT课件
的树脂(如乙烯基酯树脂)为基体； 对于碱性介质：宜采用无碱玻璃纤维为增强体和耐碱性
良好的树脂(如胺固化环氧树脂)。
.
15
复合材料特性：
.
16
抗拉强度与密度 之比 比强度高的材料 能承受高的应力
弹性模量与密度之 比 比模量高说明材料 轻而且刚性大
.
17
疲劳破坏的种类不同： 金属： 突发性破坏 疲劳强度极 限是其拉伸强度的30%~50% 聚合物基复合材料： 有预兆破坏 极限为拉伸强度的70%~80%
.
20
(1) 密度低 ； (2) 耐腐蚀； (3) 易氧化、老化； (4) 聚合物的耐热性通常较差； (5) 易燃； (6) 低的摩擦系数； (7) 低的导热性和高的热膨胀性； (8) 极佳的电绝缘性和静电积累； (9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。 (10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。
复合材料原理
.
1
主要内容
1、绪论 2、复合材料的复合效应 3、复合材料的界面状态解析 4、复合体系的界面结合特性 5、复合体系的典型界面反应 6、复合材料的界面处理技术
.
2
7、复合材料物理和化学性能的复合规律 8 、结构复合材复合材料的起源：
.
4
二、复合材料的定义
和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；
☼ 4、金属、陶瓷基复合材料：上世纪70年代则又出现以
金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。
.
7
四、复合材料的分类：
1、无机非金属基复合材料 2、聚合物基复合材料 3、金属基复合材料
基体材料不同
.
8
4.1 复合材料中的材料设计和结构设计
工程应用的角度
结构复合材料
良好的树脂(如胺固化环氧树脂)。
.
15
复合材料特性：
.
16
抗拉强度与密度 之比 比强度高的材料 能承受高的应力
弹性模量与密度之 比 比模量高说明材料 轻而且刚性大
.
17
疲劳破坏的种类不同： 金属： 突发性破坏 疲劳强度极 限是其拉伸强度的30%~50% 聚合物基复合材料： 有预兆破坏 极限为拉伸强度的70%~80%
.
20
(1) 密度低 ； (2) 耐腐蚀； (3) 易氧化、老化； (4) 聚合物的耐热性通常较差； (5) 易燃； (6) 低的摩擦系数； (7) 低的导热性和高的热膨胀性； (8) 极佳的电绝缘性和静电积累； (9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。 (10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。
复合材料原理
.
1
主要内容
1、绪论 2、复合材料的复合效应 3、复合材料的界面状态解析 4、复合体系的界面结合特性 5、复合体系的典型界面反应 6、复合材料的界面处理技术
.
2
7、复合材料物理和化学性能的复合规律 8 、结构复合材复合材料的起源：
.
4
二、复合材料的定义
和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；
☼ 4、金属、陶瓷基复合材料：上世纪70年代则又出现以
金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。
.
7
四、复合材料的分类：
1、无机非金属基复合材料 2、聚合物基复合材料 3、金属基复合材料
基体材料不同
.
8
4.1 复合材料中的材料设计和结构设计
工程应用的角度
结构复合材料
复合材料的力学性能ppt课件
外表改性剂对植物纤维/ 聚丙烯复 合资料力学性能的影响
采用不同的外表改性剂(苯甲酸、硬脂酸、 有机硅烷) 对植物纤维/ 聚丙烯复合体系进 展了处置,研讨了外表改性剂对体系力学性 能的影响规律,讨论了复合资料界面粘接机 理,分析了力学性能的变化规律。研讨结果 阐明,苯甲酸的参与可以使复合资料的拉伸 强度有较大提高,但冲击强度下降;经硬脂 酸处置的复合资料,其冲击强度有明显提高; 经有机硅烷处置的复合资料,拉伸强度及冲 击强度均有所提高。
由以下图可知,随着有机硅烷用量的加,复合资料的 拉伸强度会明显添加, 当有机烷含量达115 %时,拉 伸强度达最大值。以上结果阐明,硅烷偶联剂水溶 液的浸透性极强,可浸透植物纤维颗粒的一切间隙, 从而进一步浸润植物纤维颗粒的全部外表,使得偶 联剂与植物纤维外表坚持良好的接触;而有机硅烷 中的烷氧基团水解后构成硅醇,这样,硅醇就可以跟 植物纤维中的羟基作用,使纤维的吸水性减少,降低 了纤维的极性[3 ] 。
复合资料的特点
以天然植物纤维与热塑性树脂混合制备的复合资料 具有质量轻,加工性能好的特点,在许多领域有着广 泛的运用前景。植物纤维价廉易得,具有较大的强 度,刚度和耐热性。作为天然资料,植物纤维还可被 生物降解,植物纤维/ 热塑性树脂复合资料也因此具 备一定的环境相容性,是一条减轻目前“白色污染 〞的可行途径。因此,对植物纤维/ 聚丙烯复合资料 的研讨有着很重要的实际意义和适用价值。由于植 物纤维分子构造中含有大量的羟基,极性较强,与非 极性的聚丙烯混合时相互作用力很小,界面结合力 差,会影响复合资料的力学性能。故必需运用外表 改性剂对资料进展改性,以提高两种资料的界面结
苯甲酸含量对复合资料拉伸性能和冲击性能的影响
硬脂酸含量对复合资料力学性能的影响
以下图分别表示了在复合资料中参与了硬脂酸之 后,其拉伸性能和冲击性能的变化。从图 中可知, 复合资料的拉伸性能随硬脂酸含量的添加变化不
采用不同的外表改性剂(苯甲酸、硬脂酸、 有机硅烷) 对植物纤维/ 聚丙烯复合体系进 展了处置,研讨了外表改性剂对体系力学性 能的影响规律,讨论了复合资料界面粘接机 理,分析了力学性能的变化规律。研讨结果 阐明,苯甲酸的参与可以使复合资料的拉伸 强度有较大提高,但冲击强度下降;经硬脂 酸处置的复合资料,其冲击强度有明显提高; 经有机硅烷处置的复合资料,拉伸强度及冲 击强度均有所提高。
由以下图可知,随着有机硅烷用量的加,复合资料的 拉伸强度会明显添加, 当有机烷含量达115 %时,拉 伸强度达最大值。以上结果阐明,硅烷偶联剂水溶 液的浸透性极强,可浸透植物纤维颗粒的一切间隙, 从而进一步浸润植物纤维颗粒的全部外表,使得偶 联剂与植物纤维外表坚持良好的接触;而有机硅烷 中的烷氧基团水解后构成硅醇,这样,硅醇就可以跟 植物纤维中的羟基作用,使纤维的吸水性减少,降低 了纤维的极性[3 ] 。
复合资料的特点
以天然植物纤维与热塑性树脂混合制备的复合资料 具有质量轻,加工性能好的特点,在许多领域有着广 泛的运用前景。植物纤维价廉易得,具有较大的强 度,刚度和耐热性。作为天然资料,植物纤维还可被 生物降解,植物纤维/ 热塑性树脂复合资料也因此具 备一定的环境相容性,是一条减轻目前“白色污染 〞的可行途径。因此,对植物纤维/ 聚丙烯复合资料 的研讨有着很重要的实际意义和适用价值。由于植 物纤维分子构造中含有大量的羟基,极性较强,与非 极性的聚丙烯混合时相互作用力很小,界面结合力 差,会影响复合资料的力学性能。故必需运用外表 改性剂对资料进展改性,以提高两种资料的界面结
苯甲酸含量对复合资料拉伸性能和冲击性能的影响
硬脂酸含量对复合资料力学性能的影响
以下图分别表示了在复合资料中参与了硬脂酸之 后,其拉伸性能和冲击性能的变化。从图 中可知, 复合资料的拉伸性能随硬脂酸含量的添加变化不
复合材料层合板的湿热效应课件
06
复合材料层合板湿热效 应的工程应用案例分析
工程应用背景介绍
复合材料层合板在航 空航天、汽车、船舶 等领域的广泛应用
复合材料层合板湿热 效应的研究意义
湿热环境对复合材料 层合板性能的影响
工程应用案例分析
案例一：航空航天领域中的应 用
复合材料层合板在飞机机身、 机翼等部位的应用
湿热环境对飞机性能的影响及 复合材料层合板的性能变化
数据处理
对实验数据进行整理、分析和处 理，提取关键参数，如吸湿率、
膨胀率、力学性能等。
结果解释
根据实验数据，分析复合材料层 合板在湿热环境下的性能变化规 律，探讨其影响因素，如温度、
湿度、材料组成等。
图表绘制
绘制各种性能参数随环境条件变 化的图表，直观展示复合材料层
合板的湿热效应。
实验结果的优化与应用
。
国外研究现状
国外对于复合材料层合板的湿热效 应研究较早，积累了丰富的经验和 成果，为国内研究提供了有益的借 鉴。
发展趋势
随着科技的不断发展，复合材料层 合板的湿热效应研究将更加深入， 涉及的领域将更加广泛。
主要研究方法与技术手段
研究方法
主要包括实验研究、数值模拟和 理论分析等方法。
技术手段
主要包括X射线衍射、扫描电子显 微镜、红外热像仪等先进技术手 段。
材料力学性能变化机制
湿度和温度都会影响材料的力学性能，包括弹性模量、屈 服强度、拉伸强度等。这些性能变化可能会影响材料在使 用过程中的安全性和可靠性。
03
复合材料层合板的湿热 效应研究现状
国内外研究现状及发展趋势
国内研究现状
国内对于复合材料层合板的湿热 效应研究起步较晚，但近年来发 展迅速，取得了一系列重要成果
教学课件：第六章-复合材料层合板的湿热效应
加强跨学科合作
复合材料层合板的湿热效应涉及到多个学科领域，如材料科学、物理学、化学和工程学等。因此，需要 加强跨学科合作，整合各学科的优势资源和技术手段，共同推进复合材料层合板湿热效应的研究进展。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
主要包括湿气的吸附、扩散和传 递，这些过程主要依赖于材料的 孔隙结构和湿度梯度。
化学过程
在某些情况下，湿气可能与复合 材料层合板中的组分发生化学反 应，导致材料的化学性质发生变 化。
04 复合材料层合板的湿热性 能测试
湿热性能测试的方法与标准
测试方法
采用标准ASTM D7379-17，通过在 湿热环境中对复合材料层合板进行周 期性温度和湿度循环，观察其性能变 化。
03 湿热效应的原理与影响
湿气的吸附与扩散
01
02
03
湿气吸附
当湿气与复合材料层合板 接触时，湿气分子会吸附 到材料的表面和孔隙中。
湿气扩散
吸附在材料中的湿气分子 会随着时间的推移，从高 湿度区域向低湿度区域扩 散。
湿度传递
湿气在复合材料层合板中 的传递是一个复杂的过程， 涉及到扩散、吸附和解吸 等物理和化学过程。
复合材料层合板的应用领域
• 总结词：复合材料层合板因其优异的性能和可定制的特点，在航空航天、 汽车、船舶、体育器材等领域得到了广泛应用。
• 详细描述：复合材料层合板因其高强度、高刚度、耐腐蚀、抗疲劳等优 异性能，在许多领域都有着广泛的应用。在航空航天领域，复合材料层 合板被用于制造飞机和卫星的结构件和蒙皮，以提高飞行器的性能和安 全性。在汽车领域，复合材料层合板被用于制造车身面板、车底板和发 动机罩等部件，以提高车辆的外观和性能。在船舶领域，复合材料层合 板被用于制造船体和甲板等部件，以提高船舶的耐腐蚀性和航行效率。 在体育器材领域，复合材料层合板被用于制造球拍、滑雪板、自行车等 运动器材，以提高运动员的成绩和安全性。
复合材料层合板的湿热效应涉及到多个学科领域，如材料科学、物理学、化学和工程学等。因此，需要 加强跨学科合作，整合各学科的优势资源和技术手段，共同推进复合材料层合板湿热效应的研究进展。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
主要包括湿气的吸附、扩散和传 递，这些过程主要依赖于材料的 孔隙结构和湿度梯度。
化学过程
在某些情况下，湿气可能与复合 材料层合板中的组分发生化学反 应，导致材料的化学性质发生变 化。
04 复合材料层合板的湿热性 能测试
湿热性能测试的方法与标准
测试方法
采用标准ASTM D7379-17，通过在 湿热环境中对复合材料层合板进行周 期性温度和湿度循环，观察其性能变 化。
03 湿热效应的原理与影响
湿气的吸附与扩散
01
02
03
湿气吸附
当湿气与复合材料层合板 接触时，湿气分子会吸附 到材料的表面和孔隙中。
湿气扩散
吸附在材料中的湿气分子 会随着时间的推移，从高 湿度区域向低湿度区域扩 散。
湿度传递
湿气在复合材料层合板中 的传递是一个复杂的过程， 涉及到扩散、吸附和解吸 等物理和化学过程。
复合材料层合板的应用领域
• 总结词：复合材料层合板因其优异的性能和可定制的特点，在航空航天、 汽车、船舶、体育器材等领域得到了广泛应用。
• 详细描述：复合材料层合板因其高强度、高刚度、耐腐蚀、抗疲劳等优 异性能，在许多领域都有着广泛的应用。在航空航天领域，复合材料层 合板被用于制造飞机和卫星的结构件和蒙皮，以提高飞行器的性能和安 全性。在汽车领域，复合材料层合板被用于制造车身面板、车底板和发 动机罩等部件，以提高车辆的外观和性能。在船舶领域，复合材料层合 板被用于制造船体和甲板等部件，以提高船舶的耐腐蚀性和航行效率。 在体育器材领域，复合材料层合板被用于制造球拍、滑雪板、自行车等 运动器材，以提高运动员的成绩和安全性。
第七章-复合材料的湿热效应
讨论由湿热变化而引起的残余应力及应变。
无外载，即 N 0,M 0时，层合板的应变
等于湿热总应变：
ε xN 0T 0H z T H
而无约束时湿热自由总应变为:
exN x T x C
则残余应变为:
εxR εxN exN 0T 0H z T H xT xC
可见： xy 0 （为θ的奇函数）
二、单层板的湿膨胀系数
当吸水浓度为C时，则单层材料主方向的膨胀
系数可由下式定义:
12 3
H 1
H 2
H 12
1 C
C: 复合材料吸湿后的质量和干燥时的质量比。
1 ， 2 为纵向，横向湿膨胀系数；
12 为纵横向湿交变系数，一般为0，则 ：
H 1
残余应力为:
xR [Q (k) ] ε xR [Q (k) ]( ε xN e xN
0T 0H z T H x T x C)
作业:
仅有温升 T 和比湿度c，求[0/90]叠层的湿热 变形与应力。已知单层沿轴的 1 1
22
§7-6 层合板考虑湿热变形的强度分析
54.92
0 (GPa)
0
0 8.62
（主向） （非主向）
2、层合板的拉伸刚度A 及其逆阵A
24.42t 4.58t 0
A
4.58t
18.33t
0 (GPa)
0
0 8.62t
0.042 / t
A 0.0039/ t
0
0.0039/ t 0.0209/ t
0
0 0 (GPa1 ) 0.1160/ t
T
M
H
B
D
κ
另外有:
ε0 κ
ε0 M
无外载，即 N 0,M 0时，层合板的应变
等于湿热总应变：
ε xN 0T 0H z T H
而无约束时湿热自由总应变为:
exN x T x C
则残余应变为:
εxR εxN exN 0T 0H z T H xT xC
可见： xy 0 （为θ的奇函数）
二、单层板的湿膨胀系数
当吸水浓度为C时，则单层材料主方向的膨胀
系数可由下式定义:
12 3
H 1
H 2
H 12
1 C
C: 复合材料吸湿后的质量和干燥时的质量比。
1 ， 2 为纵向，横向湿膨胀系数；
12 为纵横向湿交变系数，一般为0，则 ：
H 1
残余应力为:
xR [Q (k) ] ε xR [Q (k) ]( ε xN e xN
0T 0H z T H x T x C)
作业:
仅有温升 T 和比湿度c，求[0/90]叠层的湿热 变形与应力。已知单层沿轴的 1 1
22
§7-6 层合板考虑湿热变形的强度分析
54.92
0 (GPa)
0
0 8.62
（主向） （非主向）
2、层合板的拉伸刚度A 及其逆阵A
24.42t 4.58t 0
A
4.58t
18.33t
0 (GPa)
0
0 8.62t
0.042 / t
A 0.0039/ t
0
0.0039/ t 0.0209/ t
0
0 0 (GPa1 ) 0.1160/ t
T
M
H
B
D
κ
另外有:
ε0 κ
ε0 M
复合材料力学(全套课件240P)
第一章、引言
复合材料力学
随直径减小，玻璃纤维拉伸强度趋 向于原子间的内聚强度11,000MPa
随直径减小，玻璃纤维拉伸强度 趋向于玻璃板材的强度170MPa
这是因为细小的纤维直径直接导致以下结果: 1) 更少、更小的微观裂纹；
2) 聚合物链延展并取向；
3) 结晶更少并且晶体间的断层密度更低；等等。
第一章、引言
复合材料力学
宏观力学(Macromechanical or phenomenological) 理论: 根据沿某些特定方向测试得到的复合材料的 宏观力学性能预报其受其它任意载荷的力学特性。 细观力学(Micromechanical)理论: 仅仅根据组成 材料的力学性能预报复合材料受任意载荷作用的 力学特性。 细观理论与宏观理论相比的优点: • 只需一次性确定组成材料的性能参数, 大大节省时间与金钱； • 可以事先由组成材料设计复合材料的性能。
第一章、引言
1.3 组成材料
1.3.1 增强体
复合材料力学
典型增强纤维
1) 玻璃纤维（Glass fiber） 分为E型、 S型、A型和C型，主要成份为SiO2, 另 含有些其它氧化物。 E (electrical insulator)型玻璃纤维应用最广, 1938 年实现商业化生产。现代复合材料诞生于1940年。 S型玻璃纤维比E型纤维的模量、强度及韧性都高， 但价格更高，最初主要是军用。
复合材料是由两种或两种以上性能各异的单一材 料，经过物理或者化学的方法组合而成的一种新 型材料。
复合材料分为天然与人工合成两大类。天然复合 材料种类繁多，包括一些动、植物组织如人的骨 格。我们只讨论人工合成复合材料 。 大多数人工合成的复合材料都是由两相构成：一个 是增强相，为非连续体；另一个是基体(matrix)相， 为连续体。
复合材料力学ppt
yx
y
yz
zx zy z
变形分析
物质坐标和空间坐标 应变张量的定义 微小应变张量的几何解释 主应变和应变主轴 应变协调方程
几何方程
x
u , x
yz
y
v , y
zx
z
w z
,
xy
w y
v z
;
u z
w ; x
v x
u y
.
x
yx
zx
xy y zy
x z
– 美国国防部委托国家科学研究院发表的面向21世纪国 防需求的材料研究报告指出
• 复合材料包括三要素：
• 基体材料 • 增强相 • 复合方式界面结合形式
• 复合材料的分类
– 按增强剂形状不同;可分为颗粒 连续纤维 短纤维 弥散晶须 层状 骨架或网状 编织体增强复合材料 等
– 按照基体材料的不同;复合材料包括聚合物基复合 材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳/碳复合 材料等
y z
z
变形协调方程
2 x y 2
2 y x 2
2 xy xy
2 y z 2
2 z y 2
2 yz yz
2 z x 2
2 x z 2
2 xz zx
x
xz y
xy z
yz x
2 2x yz
y
xy z
yz x
zx y
2 2y zx
z
yz x
zx y
xy z
2 2z xy
物理方程— 本构关系 Hooke 定理
on S :
s
u u*
v v*
w w*
• 第三类基本问题
– 在弹性体的一部分表面上都给定了外力;在 其余的表面上给定了位移;要求确定弹性体 内部及表面任意一点的应力和位移
复合材料力学讲义
加捻的纤维束增强了基体
第32页/共132页
圆形截面纤维增强复合材料对E2的影响
上述分析基于纤维的横截面为方形或矩形时导出实际为圆形，对模型进行修正欧克尔采用了折算半径的概念，令R=df/sdf为圆截面纤维的直径，s为纤维的间距
折算半径实际上反映了纤维含量体积比Vf的影响
第33页/共132页
圆形截面纤维增强复合材料对E2的影响
Ec = (0.4)(6.9x103 MPa) + (0.6)(72.4x103 MPa) = 46.2 x 103 MPa
第21页/共132页
刚度的材料力学分析方法
串联模型
与试验值相比，较小，由于纤维随机排列，兼有串联和并联的成分
(iso-stress)
表观弹性模量E2的确定：
第22页/共132页
引 言
第2页/共132页
引 言
用实验方法系统测定各种复合材料的宏观弹性特性和微观力学性能的关系涉及参数太多，费用巨大复合材料性能不稳定和试验误差，使试验结果较为分散单用试验手段很难获得全面的、系统的和有良好规律的结果，需要有理论配合微观力学研究改进复合材料宏观特性减少试验工作量反向推算复合材料中纤维和基体的平均特性
In Borsic fiber-reinforced aluminum, the fibers are composed of a thick layer of boron deposited on a small – diameter tungsten filament.
第7页/共132页
引 言
第15页/共132页
引 言
简单层板假设宏观均匀线弹性宏观地正交各向异性无初应力纤维假设均匀性线弹性各向同性规则地排列完全成一直线
第32页/共132页
圆形截面纤维增强复合材料对E2的影响
上述分析基于纤维的横截面为方形或矩形时导出实际为圆形，对模型进行修正欧克尔采用了折算半径的概念，令R=df/sdf为圆截面纤维的直径，s为纤维的间距
折算半径实际上反映了纤维含量体积比Vf的影响
第33页/共132页
圆形截面纤维增强复合材料对E2的影响
Ec = (0.4)(6.9x103 MPa) + (0.6)(72.4x103 MPa) = 46.2 x 103 MPa
第21页/共132页
刚度的材料力学分析方法
串联模型
与试验值相比，较小，由于纤维随机排列，兼有串联和并联的成分
(iso-stress)
表观弹性模量E2的确定：
第22页/共132页
引 言
第2页/共132页
引 言
用实验方法系统测定各种复合材料的宏观弹性特性和微观力学性能的关系涉及参数太多，费用巨大复合材料性能不稳定和试验误差，使试验结果较为分散单用试验手段很难获得全面的、系统的和有良好规律的结果，需要有理论配合微观力学研究改进复合材料宏观特性减少试验工作量反向推算复合材料中纤维和基体的平均特性
In Borsic fiber-reinforced aluminum, the fibers are composed of a thick layer of boron deposited on a small – diameter tungsten filament.
第7页/共132页
引 言
第15页/共132页
引 言
简单层板假设宏观均匀线弹性宏观地正交各向异性无初应力纤维假设均匀性线弹性各向同性规则地排列完全成一直线
复合材料力学-ppt课件
. 第 4 页 总 18 页
研究方法
如何将多夹杂问题转化为单夹杂问题进行求解是细观 力学的核心问题。对这个问题求解作不同的假设形成了许 多细观力学的近似方法。
成熟的细观力学方法
1、稀疏方法； 2、Mori-Tanaka法（背应力法）； 3、自洽法（自相似理论）； 4、广义自洽法； 5、Eshelby等效夹杂理论； 6、微分法； 7、Hashin变分原理求解上下限方法
. 第 18 页 总 18 页
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
. 第 5 页 总 18 页
一、稀疏解法
. 第 6 页 总 18 页
二、自洽法
. 第 7 页 总 18 页
三、广义自洽法
. 第 8 页 总 18 页
四、Mori-Tannka方法
. 第 9 页 总 18 页
五、 Eshelby等效夹杂理论
. 第 10 页 总 18 页
. 第 11 页 总 18 页
复合材料力学细观力学研究方法
. 第 1 页 总 18 页
. 第 2 页 总 18 页
. 第 3 页 总 18 页
引言
建立复合材料的宏观性质与相材料微结构参数的关系是实现复合材 料设计乃至进一步优化的关键。细观力学的重要任务就是根据复合材料 的组成与内部细观结构预测复合材料的宏观性能。近年米，由于计算机 性能的快速提高。可以方便地进行高性能计算，满足细观力学精细网格 和大量运算的要求。应用细观尺度的有限元网格模拟宏观材料微结构组 成，为建立细观力学和宏观材料之间的联系提供了一条途径。
六、微分法
. 第 12 页 总 18 页
. 第 13 页 总 18 页
七、 Hashin变分原理求解上下限方法
研究方法
如何将多夹杂问题转化为单夹杂问题进行求解是细观 力学的核心问题。对这个问题求解作不同的假设形成了许 多细观力学的近似方法。
成熟的细观力学方法
1、稀疏方法； 2、Mori-Tanaka法（背应力法）； 3、自洽法（自相似理论）； 4、广义自洽法； 5、Eshelby等效夹杂理论； 6、微分法； 7、Hashin变分原理求解上下限方法
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一、稀疏解法
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二、自洽法
. 第 7 页 总 18 页
三、广义自洽法
. 第 8 页 总 18 页
四、Mori-Tannka方法
. 第 9 页 总 18 页
五、 Eshelby等效夹杂理论
. 第 10 页 总 18 页
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复合材料力学细观力学研究方法
. 第 1 页 总 18 页
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引言
建立复合材料的宏观性质与相材料微结构参数的关系是实现复合材 料设计乃至进一步优化的关键。细观力学的重要任务就是根据复合材料 的组成与内部细观结构预测复合材料的宏观性能。近年米，由于计算机 性能的快速提高。可以方便地进行高性能计算，满足细观力学精细网格 和大量运算的要求。应用细观尺度的有限元网格模拟宏观材料微结构组 成，为建立细观力学和宏观材料之间的联系提供了一条途径。
六、微分法
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七、 Hashin变分原理求解上下限方法
6-第六章_复合材料层合板的湿热效应解析
x, y T 1 L, T
(3.19)
T ex x eT T y y 1 eT 1 xy xy 2 2
（6.4）
式中，x，y和xy为单层非材料主方向的热膨胀系数。则有
图6.1 .2 碳纤维增强环氧单层 面内剪切应力—应变曲线
图6.3给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料单层在常温干燥和常温 吸湿1%下以及在高温（90℃）、干燥和吸湿1%下的面向剪切应力—应变 曲线。可以看到吸湿1%后的材料在高温下的面内剪切模量和强度均有大 幅度的下降。这一实验结果表明，在树脂基复合材料的刚度和强度分析 中必须考虑湿热的影响。
x m2 n2 2m n L 2 2 m 2m n T y n 2 2 xy 2m n 2m n （ 2 m n ） 0
（6.5）
二、湿膨胀变形
单层吸入水分后质量的增量和干燥状态下的质量之比称为单层的吸湿量， 用符号c表示， c m 100 % （6.6） m 式中，m为单层干燥状态的质量，m为吸湿后的质量增量。 单层吸湿后材料主方向的湿自由应变为 e H 和 e H ， e H 0 ，
6.1 湿热对单层力学性能的影响
高温尤其是湿热联合作用对树脂基复合材料力学性能的影响是显著的。 树脂基体在高温下，特别是吸入一定水分的基体在高温下的性能有明显下降， 因而导致复合材料单层力学性能中由基体性能控制的横向模量和强度、剪切 模量和强度下降。图6.1和图6.2给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料 单层在22℃，60℃和128℃三种温度和干燥条件下的横向拉伸和面内剪切应 力—应变曲线。可以看到随着温度的升高，该材料的横向模量和剪切模量明 显下降，横向拉伸强度下降较小，剪切强度在128℃时下降显著。
复合材料力学课件第05章 湿热效应
同理：
1
T
2
T
x
T
y
0
T
xy
12
T
T
x y
T
0
xy
x y
n21 m2 2 m21 n2 2
同理：
x y
n21 m22 m21 n22
xy
2mn1 2
xy
2mn1 2
§5.2.4（1）
• 例题5-1：
铝合金Ly12-CZ 杆固定于两墙之间，安 装时温度T=20度，无安装应力。问在40度时， 杆中的应力为多少？若要使它在0度时处于无 应力状态，则安装应力为多少 (线膨胀系数
由温差和吸湿引起的载荷
N M
T T
和 N M
H H
在自由
边界时是虚拟量,在完全约束边界时是内力，
有前面的分析得：
NT A
M
T
B
DB k0TT
NH A
M
H
B
DB k0HH
k0TT
A B
B 1 N T
D
M
T
k0HH
A B
B 1 N H
D
M
H
§5.3.5（1）
• 习题1：
例一： GFRP正交层合板[0/90]s ,在温度 变化T时,层合板的变形量是多少？
B L
0
4t
90
90
x
t
0
§5.3.5（2）
• 习题1：
解：因为是对称层合板,所以 MT 0
当量
NT
n k 1
Q
k
x y|
xy
k
T
zk
zk1
Q
复合材料的复合效应PPT课件
5.3 复合材料的复合效应 5.3.1材料的复合效应
• 材料在复合后产生的效应特征
线性效应
平平相 相 均行补 抵 效效效 效 应应应 应
非线性效应
相诱共系 乘导振统 效效效效 应应应应
.
1
平均效应
➢显示的复合材料的最典型的一种复合效应
Pc=PmVm+PfVf P为材料性能，y为材料体积含量；角标c、m、 f分别表示复合材料、基体和增强体
率特征，调整复合材料频率，达到吸收外来
波的目的。
.
8
系统效应
➢ 是一种材料的复杂效应，至目前为止，这
一效应的机理尚不很清楚，但在实际现象 中已经发现这种效应的存在。
➢例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来各单
一镀膜的硬度和按线性混合率估算值，说 明组成了复合系统才能出现的现象。。
上述的各种复合效应，都是复合材料科学所 研究的对象和重要内容，这也是开拓新型复 合 材料的基础理论问题
.
7
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。
➢对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频
合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的 复合材料，其性能显示为增强体与基体的互 补。
.
4
相抵效应
➢ 基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相
互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出
相抵效应。
• 材料在复合后产生的效应特征
线性效应
平平相 相 均行补 抵 效效效 效 应应应 应
非线性效应
相诱共系 乘导振统 效效效效 应应应应
.
1
平均效应
➢显示的复合材料的最典型的一种复合效应
Pc=PmVm+PfVf P为材料性能，y为材料体积含量；角标c、m、 f分别表示复合材料、基体和增强体
率特征，调整复合材料频率，达到吸收外来
波的目的。
.
8
系统效应
➢ 是一种材料的复杂效应，至目前为止，这
一效应的机理尚不很清楚，但在实际现象 中已经发现这种效应的存在。
➢例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来各单
一镀膜的硬度和按线性混合率估算值，说 明组成了复合系统才能出现的现象。。
上述的各种复合效应，都是复合材料科学所 研究的对象和重要内容，这也是开拓新型复 合 材料的基础理论问题
.
7
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。
➢对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频
合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的 复合材料，其性能显示为增强体与基体的互 补。
.
4
相抵效应
➢ 基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相
互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出
相抵效应。
第13章湿热效应
第13章复合材料的湿热效应由于纤维增强复合材料的构造特点以及它的物理特性，遇到湿热环境对复合材料性能就会产生较大的影响。
通常，材料产生变形除了外施载荷因素影响之外，环境温度或湿度的明显变化也是一个重要的因素。
特别对树脂纤维增强复合材料来说，由于树脂基体比纤维材料对湿热环境更加敏感，首先，在单向复合材料中，横向的湿热变形通常比纵向的湿热变形要大得多，从而表现出湿热效应的各向异性；对于有单层板铺覆而成的多向层合板，由于是有受湿热环境影响而变形具有方向性的各个单层粘结而成，当其受湿热变化时，由于层合板沿厚度方向的非均质性而发生互相制约，简单来说，就是各层的湿热变形不一样，但由于各层间紧密黏结在一起阻止了彼此自由的湿热变形，从而在内部引起附加应力，进而会影响层合板的强度。
由此看来，关于复合材料的各向异性特性，不仅就力学性能而言，应从广义上去理解，其他的物理性能如湿热性能等也会呈现出各向异性。
而且复合材料湿热效应的分析工作也必须得到重视。
从这些角度来看，本章对于复合材料湿热效应的影响的分析，主要从单层板的湿热效应、层合板的湿热效应、层合板的残余应变和残余应力、强度计算等四个方面研究。
13.1层合板的湿热变形13. 1.1单层板的湿热变形高温，尤其是湿热联合作用对树脂基复合材料力学性能的影响是显著的。
树脂基体在高温下，特别是吸入一定水分的基体在高温下的性能有明显下降，因而导致复合材料单层力学性能中由基体性能控制的横向模量和强度、剪切模量和强度下降。
图13.1和图13.2给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料单层在22℃，60℃和128℃三种温度和干燥条件下的横向拉伸和面内剪切应力-应变曲线。
可以看到随着温度的升高，该材料的横向模量和剪切模量明显下降，横向拉伸强度下降较小，剪切强度在128℃时下降显著。
图13.3给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料单层在常温干燥和常温吸湿1%下以及在高温（90℃）、干燥和吸湿1%下的面向剪切应力-应变曲线。