【学习课件】第十四章复合材料的力学行为_材料科学_工程科技_专业资料
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》PPT课件(2024)
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
25
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
《材料力学 第2版》_顾晓勤第14章第1节 复合材料的增强效应
且有
Vf Vm 1
第 1 节 复合材料等的增强效应 第十四章 复合材料等的力学性能
c Ec c Ef fVf Em mVm
再根据等应变假设，即
c f m
单向复合材料纵向弹性模量的计算公式
E c E fV f E m (1 V f )
2、横向弹性模量 横向弹性模量计算要比纵向弹性模量计算复杂
横向弹性模量为：
Ec
Vf
Em
Ef Em (1Vf
)Ef
5.31GPa
第 1 节 复合材料等的增强效应 第十四章 复合材料等的力学性能
二、纤维增强效应
纤维增强效应：对于单向复合材料，当外力作用方 向与纤维方向平行时，由于纤维的存在，其所能承 受的应力值，将会超过基体的极限应力值，这种现 象称为纤维增强效应。增强的效果不仅与纤维和基 体的极限应力有关，而且还与纤维在整个复合材料 中所占的体积比有关。
纤维断裂，假设此时环氧树脂基体不能支持整个
复合材料所受的载荷而随之破坏。代入公式得到
cb fbVf
* m
(1 Vf
)
856
MPa
mb
故：满足公式的应用条件，本题假设正确。
第 1 节 复合材料等的增强效应 第十四章 复合材料等的力学性能
综述
作为结构材料使用的纤维增强复合材料，是以高 性能的玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、有机纤维、 陶瓷纤维、晶须等为增强材料，以树脂、金属、 陶瓷为基体的复合材料。
复合材料的平均应力（又称名义应力）
c Ef fVf Em mVm
由胡克定律得到
c fVf m (1Vf )
第 1 节 复合材料等的增强效应 第十四章 复合材料等的力学性能
c fVf m (1Vf )
第十四章复合材料力学行为(简介)
一、复合材料力学
复合材料力学是固体力学的一个新兴分支，它研究由两种或多种 复合材料力学是固体力学的一个新兴分支， 不同性能的材料，在宏观尺度上组成的多相固体材料， 不同性能的材料，在宏观尺度上组成的多相固体材料，即复合材料 的力学问题。复合材料具有明显的非均匀性和各向异性性质， 的力学问题。复合材料具有明显的非均匀性和各向异性性质，这是 复合材料力学的重要特点。 复合材料力学的重要特点。 复合材料由增强物和基体组成，增强物起着承受载荷的主要作 复合材料由增强物和基体组成， 用，其几何形式有长纤维、短纤维和颗粒状物等多种；基体起着粘 其几何形式有长纤维、短纤维和颗粒状物等多种； 支持、保护增强物和传递应力的作用，常采用橡胶、石墨、 结、支持、保护增强物和传递应力的作用，常采用橡胶、石墨、树 金属和陶瓷等。 脂、金属和陶瓷等。 近代复合材料最重要的有两类：一类是纤维增强复合材料，主要是长纤维铺层复合材 近代复合材料最重要的有两类：一类是纤维增强复合材料， 如玻璃钢；另一类是粒子增强复合材料，如建筑工程中广泛应用的混凝上。 料，如玻璃钢；另一类是粒子增强复合材料，如建筑工程中广泛应用的混凝上。纤维增强 复合材料是一种高功能材料，它在力学性能、 复合材料是一种高功能材料，它在力学性能、物理性能和化学性能等方面都明显优于单一 材料。发展纤维增强复合材料是当前国际上极为重视的科学技术问题。 材料。发展纤维增强复合材料是当前国际上极为重视的科学技术问题。 现今在军用方面，飞机、火箭、导弹、人造卫星、舰艇、坦克、常规武器装备等，都 现今在军用方面，飞机、火箭、导弹、人造卫星、舰艇、坦克、常规武器装备等， 已采用纤维增强复合材料；在民用方面，运输工具、建筑结构、机器和仪表部件、化工管 已采用纤维增强复合材料；在民用方面，运输工具、建筑结构、机器和仪表部件、 道和容器、电子和核能工程结构，以至人体工程、 道和容器、电子和核能工程结构，以至人体工程、医疗器械和体育用品等也逐渐开始使用 这种复合材料。 这种复合材料。
第十四章复合材料力学性能_材料的宏微观力学性能
第十四章复合材料力学性能_材料的宏微观力学性能复合材料是由两种或多种不同的材料组成，具有独特的力学性能。
因为复合材料由不同材料组成，其宏微观力学性能由材料的组成、结构、形态以及其在应变、应力和温度条件下的变化所决定。
首先，复合材料的宏观性能包括强度、刚度、韧性和耐久性等。
强度是指材料抵抗外部力量破坏的能力，可以分为拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。
刚度是指材料对应力的响应程度，可以通过弹性模量来表征。
韧性是指材料在断裂之前能够吸收的能量，可以通过断裂韧性来衡量。
耐久性是指材料在环境条件下长期使用所能保持的性能。
其次，复合材料的微观力学性能包括单根纤维或颗粒的力学性能，以及阵列结构和界面性能。
单根纤维或颗粒材料的力学性能取决于材料的成分、晶体结构、缺陷和纤维的方向。
纤维的方向对复合材料的拉伸、弯曲和剪切等性能有显著影响。
阵列结构是指纤维或颗粒的形态和分布，如纤维间距离、层厚度、纤维排布等。
界面性能是指纤维或颗粒与基体的界面结构以及其相互作用，影响着复合材料整体的性能。
另外，复合材料的力学性能还受到应变、应力和温度的影响。
应变是指物体受力后发生的形变程度，应力是物体单位面积上的力。
复合材料的应变和应力分布不均匀，因为不同材料的应变和应力响应不同，这会导致复合材料整体力学性能的非线性变化。
温度变化也会导致复合材料的线膨胀系数不同，从而对力学性能产生影响。
总体来说，对复合材料力学性能的研究需要考虑宏微观的因素，包括材料成分、结构、形态以及在应变、应力和温度条件下的变化。
这些因素的相互作用决定了复合材料的力学性能。
了解复合材料的力学性能对于材料设计和应用具有重要意义。
材料导论第十四章复合材料ppt课件
复合材料的种类
金属基
陶瓷基
按基体相分
聚合物基
水泥基
复 合 材
按增强相 的形态分
颗粒增强 纤维增强 晶须增强
碳纤维 玻璃纤维 有机纤维
复合纤维
料
编织物增强
按用途分
结构复合材料 承受载荷，作为承力结构使用
功能复合材料
电、磁、光、热、声、摩 擦、阻尼、化学分离性能
复合材料的特点
多相: 至少两相 复合效应：不仅保留了原组成材料的特色，而且
3、石墨/镁复合材料
这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具 有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石 墨纤维的润湿性。
金属基复合材料
长纤维增强金属基复合材料
4、碳化硅/钛复合材料
碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反 应小，润湿性好。
主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。
5、氧化铝/铝复合材料
氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度， 且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于 汽车发动机活塞和其他发动机零件。
金属基复合材料
1、氧化铝/铝复合材料
短纤维/晶须增强金属基复合材料 2、碳化硅/铝复合材料 3、氧化铝/镍复合材料
突出特点
性树脂基体—热塑性玻璃钢。
密度低：1.6～2.0g/cm3；
比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；
耐烧蚀
耐腐蚀
应用
航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。 火箭：发动机壳体、喷管。 汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。 石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等
第十四章 复合材料的力学行为要点
14.4.4
纵向抗压强度
单向复合材料承受压缩载荷时，可将纤维看作在弹性 基体中的细长柱体。若复合材料纤维体积含量很低时， 即使基体在其弹性范围内时，纤维也会发生微屈曲。纤 维的屈曲可能有两种形式（图14-5）：
图14-5 纤维 屈曲的两种型 式
（a）“拉压”型； （b）“剪切”型
一种是纤维彼此反向屈曲，使基体出现受拉部分和 受压部分，称为“拉压”型屈曲； 另一种是纤维彼此同向屈曲，形式基体受剪切变形， 称作“剪切”型屈曲。前者出现在纤维体积分数很小
图14-3 基体、纤维应力-应变曲线示意图
图14-3同时绘出了纤维、基体和复合材料的应力－ 应变曲线。可以看出，
复合材料的应力－应变曲线处于纤维和基体的应 力－应变曲线之间。
复合材料应力－应变曲线的位置取决于纤维的体 积分数。
如果纤维的体积分数越高，复合材料应力－应变 曲线越接近纤维的应力－应变曲线；
的复合材料之中，而后者出现在大多数常用的复合材 料之中。
14.5 复合材料的横向力学性能
略
14.6 复合材料的面内剪切弹性模量
略
14.7 短纤维复合材料的力学性能
略
14.8 复合材料的断裂、冲击与疲劳性能特点
影响复合材料的断裂、冲击和疲劳性能因素比金属 材料的更多，而且对它们的研究还很不够，此处只介绍 较成熟的一些研究结果。
14.4
14.4.1
复合材料的纵向力学性能
纵向弹性模量
L fbV fb mVm
EL E fbV fb EmVm
（14-4） （14-7）
式（14-4）和（14-7）表明，纤维和基体对复合 材料的力学性能所做的贡献与它们的体积分数成正比， 这种关系称为混合定则（Rule of Mixtures）。显然，
复合材料的力学行为与应用
复合材料的力学行为与应用复合材料是由两种或两种以上的基本材料按一定方式组合而成的材料。
其力学行为与应用受到人们广泛关注，并在各个领域中得到了广泛应用。
本文将重点论述复合材料的力学行为与应用，并探讨其在工程、航空航天、汽车制造等领域中的重要性。
一、复合材料的力学行为1.1 弹性模量复合材料的弹性模量是衡量其刚度的重要参数。
由于复合材料的复杂结构，其弹性模量往往非常高，使其具有出色的抗弯刚度。
这使得复合材料在航空航天领域中得到广泛应用，例如飞机机翼和直升机叶片等。
1.2 强度复合材料具有较高的强度和刚度，具备出色的抗拉、抗压和抗弯能力。
这使得复合材料在工程和结构领域中成为可替代传统材料的优良选择。
例如，建筑中采用复合材料增加结构的承载能力，汽车领域中使用复合材料制造车身部件。
1.3 疲劳寿命与金属材料相比，复合材料具有更长的疲劳寿命。
这使得复合材料在需要耐久性的领域中得到广泛应用，例如航空航天领域中的飞机机身和飞行器部件，以及汽车领域中的车架和底盘等。
二、复合材料的应用2.1 航空航天领域复合材料在航空航天领域中具有广泛应用。
例如，使用复合材料制造飞机结构件可以减轻飞机的重量，提高燃油利用率。
同时，复合材料的高强度和高刚度能够提高飞机的机动性能和安全性。
2.2 汽车制造在汽车制造中，复合材料被广泛应用于车身、底盘和内饰等部件的制造中。
复合材料具有高强度和低重量的特点，能够显著降低汽车的燃油消耗，并提高汽车的安全性和舒适性。
2.3 建筑领域复合材料在建筑领域中也得到了广泛应用。
由于复合材料的高强度和轻质特性，可以减轻建筑物自身的重量，并提高其抗震性能。
此外，复合材料还具有出色的防腐性能，可以延长建筑物的使用寿命。
2.4 电子行业复合材料在电子行业中也有重要应用。
复合材料的绝缘性能、热导率和机械强度使其成为制造半导体芯片和电子设备的理想材料。
2.5 医疗领域复合材料在医疗领域中被广泛应用于人工关节、牙科材料和医疗器械等方面。
第十四章 复合材料的力学行为
增加纤维的临界体积分数
正因为复合材料主要由纤维承载，由式（14-11） 可以看出，在纤维体积分数较低时，纤维承受不了很 大的载荷即发生断裂，而由基体承受载荷。然而由于 纤维占去了一部分体积，故复合材料的断裂载荷反而 较全部是基体材料所能承受的断裂载荷小。
σ
σLu=σfuVfb+(σm)ε*fb(1-Vfb)
反之，当基体体积分数高时，复合材料应力-应 变曲线则接近基体的应力－应变曲线。
复合材料的应力－应变曲线按其变形和断裂过程， 可以分为四个阶段：
①纤维和基体变形都是弹性的；
②纤维的变形仍是弹性的，但基体的变形是非弹性的；
③纤维和基体两者的变形都是非弹性的；
④纤维断裂，进而复合材料断裂。
14.4.3
断裂应力 f随温度升高而增加，出现最大值，尔后随 温度增加而下降。这与传统材料随温度升高强度降低的 规律有很大区别，其原因与残余应力、空隙的应力集中 和组织变化有关。 例如3D-C/SiC复合材料在1100-1300℃范围内出现最
大值，C/C复合材料在2000-2300℃范围内出现最大值。某
些多孔陶瓷也有类似现象
14.8.4
脆性基体复合材料的力学性能特点
以陶瓷基体复合材料（CMC，Ceramic Matrix Composites）为 代表的脆性基体复合材料在高温结构领域有许多潜在的用 途,其力学性能也有着许多特点。
1) 纤维的强度
纤维的强度与纤维的长度、 直径有关，纤维越长、直径 越大，含缺陷的概率越大， rm 因此强度越低。纤维断裂后 存在一个平坦的镜面，其半 径为rm ，紧接着为放射线快 速扩展区
金属材料的疲劳破坏往往是突然发生的，复合材 料并非如此，常常难以确认破坏与否，不会发生骤然 破坏。因此，复合材料常以模量下降的百分数（如下 降 1%-2%）作为破坏的依据，试验中因试样模量的变 化，也会引起共振频的变化，所以有时还以频率变化
复合材料的力学行为模型及其应用
复合材料的力学行为模型及其应用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广泛的应用领域。
为了研究和预测复合材料的力学行为，科学家们发展了各种力学行为模型，并将其应用于不同的工程领域。
首先，我们来讨论复合材料的力学行为模型。
复合材料的力学行为受到多种因素的影响，包括纤维和基体的性质、纤维的排列方式、界面的特性等。
为了描述这些影响因素，科学家们提出了各种力学行为模型。
最常用的模型之一是经典层合板理论。
该理论假设复合材料是由一层层的薄板组成，每一层的力学性质均为各向同性。
根据这个假设，可以通过层板理论计算复合材料的应力、应变和变形。
这个模型简单易用，广泛应用于航空航天、汽车和建筑等领域。
另一个常用的模型是微观力学模型。
该模型从纤维和基体的微观结构出发，通过建立纤维和基体之间的相互作用关系来描述复合材料的力学行为。
这个模型可以更准确地预测复合材料的力学性能，但计算复杂度较高，适用于研究和设计阶段。
除了这些传统的力学行为模型，近年来还出现了一些新的模型。
例如，多尺度模型将宏观行为与微观结构相结合，通过耦合不同尺度的模型来描述复合材料的力学行为。
这个模型可以更全面地考虑复合材料的力学性能，但计算复杂度更高。
接下来，我们来探讨复合材料力学行为模型的应用。
复合材料的力学行为模型可以用于预测材料的强度、刚度、疲劳寿命等性能。
在航空航天领域，科学家们可以使用力学行为模型来设计和优化飞机的机身和机翼结构，以提高飞机的性能和安全性。
在汽车工业中，力学行为模型可以帮助工程师设计轻量化的车身结构，提高燃油效率和碰撞安全性。
在建筑领域，力学行为模型可以用于设计高层建筑和桥梁的结构，以提高抗震性能和使用寿命。
此外，力学行为模型还可以用于仿真和预测复合材料的制造过程。
通过模拟复合材料的成型、固化和后处理过程，可以优化制造工艺，提高产品质量和生产效率。
总之，复合材料的力学行为模型是研究和应用复合材料的重要工具。
复合材料的力学性能
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在实际使用过程中，构件或制品常常在比 屈服强度低得多的应力下发生失效，这种 现象多与材料在加工过程中存在的某些缺 陷，如气泡、裂纹、杂质和局部应力集中 等有关。对纤维复合材料在交变载荷作用 下的损伤与破坏行为作出正确的评价，是 复合材料结构设计与应用中必须要考虑的 问题。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在复合材料疲劳过程中，一般不出现主裂 纹扩展现象，其损伤机理非常复杂，难以 用简单的数学模型加以描述，因此对疲劳 行为的检测是十分重要的。然而，由于复 合材料的非均质各向异性以及层合结构等 增大了疲劳试验的难度。目前，复合材料 疲劳损伤的测试主要有显微镜直接观察、 声性射、 X-射线衍射及红外热像技术等无 损检验方法。以下简要介绍纤维复合材料 疲劳损伤的特点以及影响疲劳性能的因素。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图所示，用高模量纤维如硼纤维、 Kevlar 纤维或碳纤维等增强的复合材料，当在纤维 方向试验时，复合材料显示出极好的抗疲劳 性。图中 R 为最小应力与最大应力的比值。 虽然高模量单向复合材料横向拉伸疲劳行为 与玻璃纤维复合材料相差无几，但其纵向抗 疲劳性能要好得多。当复合材料在纤维方向 承受疲劳载荷时，高模量纤维可使基体产生 较小的应变。
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 沿纤维方向的拉伸和压缩试验、垂直于 纤维方向的拉伸和压缩试验以及面内剪 切试验是单向复合材料的5个基本力学 试验。一般而言，在纤维方向拉压及垂 直于纤维方向拉伸试验中，应力-应变 关系多呈线性，而在垂直于纤维方向压 缩及纵横方向剪切试验中应力-应变关 系则表现出非线性特征。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图为不同结构形式层合板的S-N曲线。可 见，加入适量90°铺层或采用±5°对称铺 层结构的层合板较单向层合板的拉伸疲劳 特性能有所改进。等量的0°和90°铺层构 成的正交铺层层合板的疲劳强度明显高于 玻璃布铺层层合板。由于无纺材料中纤维 处于平行和舒直状态，不象编织物中纤维 那样弯曲，所以一般而言，无纺材料在抗 疲劳性方面优于编织材料。
复合材料力学ppt课件
最新编辑ppt
7
（3）复合材料结构力学 它借助现有均匀各向同性材料结构力学的分 析方法，对各种形状的结构元件如板、壳等 进行力学分析，其中有层合板和壳结构的弯 曲、屈曲与振动问题以及疲劳、断裂、损伤 、开孔强度等问题。
最新编辑ppt
8
4复合材料的优点和缺点
复合材料的优点
(1)比强度高。
(2)比模量高。
示对称，“±”号表示两层正负角交错。
40/5 90/0 0 0/0 0/90/0 405 还可表示为 405 /900 /0 0s ，s表示
铺层上下对称。
最新编辑ppt
5
3复合材料的力学分析方法 （1）细观力学 它以纤维和基体作为基本单元，把纤维和基 体分别看成是各向同性的均匀材料(有的纤维 属横观各向同性材料)，根据材料纤维的几何 形状和布置形式、纤维和基体的力学性能、 纤维和基体之间的相互作用(有时应考虑纤维 和基体之间界面的作用)等条件来分析复合材 料的宏观物理力学性能。
21
四 单层复合材料的宏观力学分析 1 平面应力下单层复合材料的应力一应变关系 可近似认为 3 0 ， ，这就定义 23 431 50 了平面 应力状态，对正交各向异性材料，平面应力状态下 应力应变关系为
(3.1)
其中，
S 11
1 E1
S 22
1 E2
S 66
1 G12
S12E121E212
主方向应变分量间关系为
反过来有
最新编辑ppt
26
（3）任意方向上的应力一应变关系 在正交各向异性材料巾，平面应力状态主方向有下 列应力应变关系式
(3.4)
现应用式(3.3)和式(3.4)可得出偏轴向应力-应变 关系：
现用 Q 表示 T1Q(T1) ，则在x-y坐标中应力应变关系 可表示为