第十四章 复合材料的力学行为要点
复合材料的力学行为与性能评估
复合材料的力学行为与性能评估复合材料是由两种或以上的不同材料组成，通过粘接或其他方式结合而成的材料。
由于其独特的结构和组分，复合材料具有比传统材料更好的力学行为和性能。
本文将探讨复合材料的力学行为以及如何评估其性能。
一、复合材料的力学行为复合材料的力学行为与其组成材料的性能有关。
复合材料通常由一种或多种有机或无机纤维增强剂与基体材料组成。
常见的纤维增强剂包括碳纤维、玻璃纤维和聚合物纤维等，基体材料常由金属、陶瓷或聚合物等构成。
1.强度和刚度：复合材料的纤维增强剂赋予其良好的强度和刚度。
纤维的高强度和高模量可以有效地抵抗外部载荷，使复合材料具有出色的结构强度和刚度。
2.断裂韧度：复合材料的断裂韧度是指其抵抗裂纹扩展和破坏的能力。
由于纤维和基体之间的界面相互作用以及纤维层间的结合作用，复合材料在受到应力时能够有效地抵抗裂纹的扩展，具有较高的断裂韧度。
3.疲劳性能：复合材料的疲劳性能是指其在受到交变载荷时的抗疲劳性能。
与金属材料相比，复合材料在高应力范围下具有更好的疲劳强度和寿命。
二、复合材料的性能评估评估复合材料的力学行为和性能是确保其应用的可靠性和安全性的重要步骤。
下面介绍几种常用的方法：1.材料力学试验：通过拉伸、压缩、剪切等材料力学试验，可以获得复合材料的强度、刚度和断裂韧度等参数。
这些试验通常在标准试验设备中进行，结果可以用于评估复合材料的力学性能。
2.非破坏性检测：非破坏性检测技术可以通过无损检测方法评估复合材料的质量和缺陷。
如超声波检测、红外热成像和X射线检测等方法可以用于发现和定位复合材料中的缺陷，并评估其对性能的影响。
3.数值模拟：利用有限元分析等数值模拟方法，可以模拟和预测复合材料在不同载荷条件下的力学行为。
这种方法可以为设计和优化复合材料的结构提供重要的参考和指导。
4.性能参数评估：除了力学性能外，复合材料的其他性能参数，如导热性、耐化学性和耐磨性等也需要进行评估。
这些参数的评估可以通过标准测试方法进行，以确保复合材料在实际应用中的表现符合要求。
复合材料的动态力学行为与性能优化
复合材料的动态力学行为与性能优化在当今科技高速发展的时代，复合材料因其卓越的性能在众多领域得到了广泛应用。
从航空航天到汽车制造，从体育用品到医疗器械，复合材料的身影无处不在。
而要深入理解复合材料的应用潜力，就必须研究其动态力学行为，并在此基础上探索性能优化的方法。
复合材料的动态力学行为，简单来说，就是材料在动态载荷作用下的响应和表现。
这种动态载荷可以是冲击、振动、交变应力等。
与静态力学行为相比，动态力学行为更加复杂，因为它涉及到时间、频率、应变率等多个因素的影响。
在动态载荷作用下，复合材料的力学性能往往会发生显著变化。
例如，其强度和刚度可能会随着加载速率的增加而提高，这被称为应变率强化效应。
同时，材料的阻尼特性也会对动态响应产生重要影响。
阻尼越大，材料在振动过程中能量的耗散就越快，从而减少振动的幅度和持续时间。
为了研究复合材料的动态力学行为，科学家们采用了多种实验方法。
其中，霍普金森杆实验是一种常用的技术。
通过在短时间内施加高应变率的载荷，霍普金森杆实验可以模拟材料在冲击等极端情况下的响应。
此外，还有振动测试、疲劳测试等方法，用于评估材料在不同动态载荷条件下的性能。
在了解了复合材料的动态力学行为之后，我们就可以着手探讨如何对其性能进行优化。
首先，从材料的组成和结构入手是一个重要的方向。
通过选择合适的增强纤维和基体材料，并优化它们之间的界面结合，可以显著提高复合材料的性能。
增强纤维的种类和性能对复合材料的动态力学行为有着关键影响。
例如，碳纤维具有高强度和高模量，能够有效地提高材料的承载能力；玻璃纤维则具有较好的韧性和阻尼性能，可以改善材料的抗冲击性能。
而基体材料的选择也不容忽视，热固性树脂如环氧树脂具有良好的耐热性和机械性能，热塑性树脂如聚碳酸酯则具有较好的韧性和可加工性。
除了材料的选择，复合材料的微观结构也会对其性能产生重要影响。
合理设计纤维的排列方式、纤维的长度和直径，以及纤维与基体的体积分数等参数，可以实现对复合材料性能的精确调控。
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
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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
复合材料力学性能经典.ppt
当Vf较小时，纤维断裂而转移载荷很小，复合材 料的强度为：
σ1 = σm(1-Vf) 当Vf较高时，纤维断裂而转移到基体上载荷很大， 此时，基体随之断裂，复合材料的强度为：
σ1 = σf Vf+σm ′(1-Vf)
演示课件
σ1 随Vf变 化如图所 示
可求得交叉点Vf′：表示对应于εf < εm时两种破坏 形式变化时的纤维体积含量。 Vmin：纤维起增强效果的演示体课件积分数
演示课件
2.1 高分子材料的力学状态
玻璃化转变现象及Tg的重要性
自由体积理玻论璃化转变是高聚物的一种普遍现象。
发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能： T>Tg 时高聚物处于高弹态（弹性体） T<Tg 时高聚物处于玻璃态（塑料、纤维）
Tg是决定材料使用范围的重要参数： Tg 是橡胶的最低使用温度 Tg 是塑料的最高使用温度
混合定律
演示课件
碳纤维/环氧树脂复合材料， Ef=180GPa，Vf=0.548， Em=3000MPa时，算得
E1=1×105MPa
拉伸实测值为103860MPa，与预测值 差别较小
演示课件
演示课件
讨论：复合材料在受轴向力时，基体和纤维所承受 的载荷大小与它们的模量和体积分数有关：
Pf f Af f Vf E f Vf E f Vf Pm m Am mVm EmVm Em (1Vf )
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：
演示课件
Vf=Af/A Vm=Am/A Vf+Vm=1 则代入σ1·A= σf ·Af+ σm ·Am得
材料宏微观力学性能--复合材料力学性能
第十四章复合材料力学性能当今是多种材料并存的时代，也是新材料迅速发展时期，而复合材料是新材料发展的重点。
这主要是因为复合材料可以取各类材料之长，补各类材料之短，从而通过不同材料的复合可以达到提高材料综合性能、节约资源的目的。
事实上，天然材料，包括各种生体构成，莫不以复合的形式存在，因而不同材料的复合是顺乎自然、结构合理的一种形式。
复合材料是已在航空、航天、能源、交通、建筑；机械、生物医学和体育运动等部门日益得到广泛的应用。
可以预言，21世纪将进入复合材料的时代。
随着复合材料的开发和应用，复合材料力学已初步形成学科体系并处于蓬勃发展的阶段[1,2]。
本章首先介绍复合材料的定义、特点和发展，然后介绍纤维增强复合材料的力学性能、短纤维增强复合材料的力学性能和复合材料的断裂、冲击和疲劳。
14.1 复合材料概论14.1.1复合材料的定义和种类复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种固体材料，其中至少有一种物质为连续相，该相被称为基体，其他相为分散相，这些相被称为增强相。
复合材料保留了原有组分材料的优点，克服或弥补了基体和增强相的缺点，并显示出一些新的性能。
复合材料的品种繁多，有各种分类方法。
常见的有以下几种[3-6]：(1) 按其用途分类分为功能复合材料和结构复合材料，利用复合材料的物理、化学和生物学的功能作为主要用途的复合材料被称为功能复合材料，利用复合材料的各种优良力学性能（例如比强度高，比刚度大和抗疲劳性能好等优点）用于制造受力结构的复合材料被称为结构复合材料。
(2) 按其增强材料的形状分类分为颗粒增强复合材料、薄片增强复合材料和纤维增强复合材料。
(3) 按其基体材料分类分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料和碳基复合材料。
14.1.2 复合材料的性能特点复合材料的性能取决于基体和增强体的特性、含量和分布等，归纳有以下特点[7]：(1)高比强度、比模量复合材料的突出优点是比强度和比模量(强度、模量与密度之比)高。
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。
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。
复合材料的力学行为分析
复合材料的力学行为分析复合材料是由两种或两种以上的不同材料组成的材料，通过它们的复合共同发挥出优秀的性能，广泛应用于航空航天、汽车工业、建筑材料等领域。
在设计和制造过程中，深入了解复合材料的力学行为对产品的性能和可靠性至关重要。
本文将分析复合材料的力学行为，包括弹性力学行为、断裂力学行为和疲劳力学行为。
1. 弹性力学行为在没有超过材料的弹性限制之前，复合材料的应力和应变之间呈线性关系。
弹性模量是刻画材料弹性力学性质的参数，它描述了材料在受力后的变形程度。
对于各向同性的复合材料，弹性模量可以用胶粘层、填充物和纤维的体积分数来进行估算。
而在具有各向异性的复合材料中，则需要更复杂的模型来描述弹性力学行为。
2. 断裂力学行为复合材料的断裂行为是其力学性能中最重要的一个方面。
断裂韧性是表征复合材料抵抗断裂的能力，通常用断裂韧性指数来表示。
复合材料的断裂行为受到多种因素的影响，包括纤维-基体界面的粘结强度、纤维长度和取向、加工缺陷等。
通过合适的设计和优化，可以提高复合材料的断裂韧性，从而提高其可靠性和使用寿命。
3. 疲劳力学行为在实际使用中，复合材料常常会遭受到交变的载荷作用，这会导致应力集中和疲劳破坏。
疲劳行为是复合材料力学行为中的另一个重要方面。
复合材料的疲劳寿命和材料的强度、纤维长度和取向、界面的完整性等因素有关。
疲劳寿命的预测需要建立适当的材料模型和寿命预测方法，并结合实际应力谱进行分析。
总结：复合材料的力学行为分析涉及弹性力学行为、断裂力学行为和疲劳力学行为。
了解复合材料的力学行为对于产品设计和制造具有重大意义。
随着科学技术的进步，人们对复合材料的力学行为越来越深入地研究和理解，不断推动着复合材料在多个领域的应用。
未来，我们可以通过更加准确的分析和模拟方法进一步优化复合材料的力学性能，实现更多应用需求。
复合材料的力学性能ppt课件
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
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。
复合材料层合板结构的力学行为分析
复合材料层合板结构的力学行为分析复合材料层合板是由两种或多种不同材料层按一定规律堆叠而成的结构材料，广泛应用于航空航天、汽车工业、建筑等领域。
本文旨在分析复合材料层合板的力学行为，探讨其在工程中的应用潜力。
1. 引言复合材料层合板以其轻质、高强度的特性成为工程领域的热门材料。
它的力学行为不仅取决于各层材料的性质，还与层厚比、堆叠顺序、堆叠角度等因素密切相关。
2. 复合材料层合板的力学性能复合材料层合板的弯曲强度、抗剪强度、压缩强度等力学性能都远优于传统材料。
其中，弯曲强度是衡量其抗弯能力的重要指标。
3. 弯曲强度的分析复合材料层合板的弯曲强度主要受到各层材料的强度以及堆叠顺序的影响。
通过有限元分析等方法，可以预测不同堆叠方案下的弯曲强度，并为工程设计提供参考。
4. 抗剪性能的研究复合材料层合板的抗剪性能是指其在受到外力作用时，层间剪切破坏的能力。
研究表明，适当调整层厚比、堆叠角度等参数可以有效提高复合材料层合板的抗剪强度。
5. 压缩行为的评估复合材料层合板的压缩行为直接影响其在承受压力时的稳定性。
通过实验和数值模拟，可以研究不同层厚比、纤维束填充方式等因素对压缩性能的影响，并为结构设计提供参考。
6. 破坏机理的分析了解复合材料层合板的破坏机理对于优化设计至关重要。
常见的破坏模式包括层间剥离、纤维断裂、层间剪切破坏等。
深入研究这些破坏机理可以为材料改进和结构设计提供指导。
7. 工程应用潜力复合材料层合板由于其优异的力学性能和轻质化特点，在航空航天、汽车工业、建筑等领域具有广泛的应用潜力。
例如，利用层合板设计轻量化飞机翼等结构，可以提高飞机的燃油效率。
8. 结论复合材料层合板是一种具有优良力学性能的结构材料。
通过深入研究其力学行为，可以为工程设计和材料改进提供指导。
未来，随着技术的不断发展，复合材料层合板的应用前景将更加广阔。
通过以上分析可见，复合材料层合板在工程领域具有重要价值。
对其力学行为的深入理解有助于优化设计，提高结构性能。
复合材料力学行为研究实验(有试件图)
复合材料力学行为研究实验一般材料力学研究的是均匀分布、各向同性的材料，但是现在又出现了并且在工程上越来越广泛使用的一种材料叫复合材料。
它是一种各向异性材料。
复合材料是两种或两种以上不同性能的材料用物理或化学方法制成的具有新性能的材料，一般复合材料的性能优于其组分材料的性能。
复合材料在力学行为上有什么特点，各向异性表现在哪些方面？各向异性材料如何测量它的弹性常数，不同纤维铺层方向和不同加载方向的力学性能有何差别，什么是沿轴性态和离轴性态?… 为了便于学生研究探讨这些问题，我们专门加工了一种增强材料沿单向铺层的复合材料板（如图1所示）。
由于是单向增强，所以回避了许多复合材料研究上的复杂问题。
图1 单层复合材料构造形式 图2 坐标定义本试验主要研究的具体材料是玻璃纤维单向增强复合材料。
玻璃纤维的弹性模量约为80~85GPa, 基体是环氧树脂，其弹性模量约为3~5Gpa 。
其纤维与环氧树脂的体积比约为1：1。
同时还提供了双向增强复合材料（正交增强），其两个方向纤维的比例为18：14和部分金属材料。
一．实验原理和试验方法材料的弹性常数是描述材料力学性能的一项基本参数。
作为衡量材料的刚度和弹性变形行为的特征值，它是理论计算和工程设计中一项非常重要的指标。
我们熟知的材料，比如金属材料都是各向同性材料，独立的弹性常数是两个，即扬氏弹性模量E 和泊松比υ(或剪切弹性模量G)。
而复合材料，由于其突出的各向异性的性质，独立的弹性常数增加了。
为了测定复合材料的弹性常数, 将被测材料加工为纤维与加载方向成0°、45°和90°的三种试件。
每种试件的三个方向的应变即纵向应变、横向应变和45゜方向的应变均采用粘贴电阻片的方法测量。
应变片信号按一定的组桥方式接到测量电桥上，可利用数字静态应变仪直接定点读取应变信号或利用数据采集系统自动纪录载荷、应变数据。
对实验数据进行线性回归的处理，按下列公式计算出复合材料的弹性常数：0°试件：111εσ=E 1212εε-=μX σX XY 2390°试件： 222εσ=E 2112εε-=μ45°试件： )(24512Y X G ε-εσ= 坐标的定义如图2表示。
复合材料力学ppt课件
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（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。
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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。
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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。
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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
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（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
复合材料的力学行为与模型研究
复合材料的力学行为与模型研究在当今的工程和科学领域，复合材料因其出色的性能而备受关注。
它们结合了不同材料的优点，展现出了单一材料难以达到的特性。
然而，要充分理解和利用复合材料的优势，就必须深入研究其力学行为，并建立准确的模型来描述和预测这些行为。
复合材料通常由两种或更多种具有不同物理和化学性质的组分材料组成，例如纤维增强复合材料中的纤维和基体。
这些不同的组分相互作用，共同决定了复合材料的力学性能。
复合材料的力学行为具有复杂性和多样性。
首先，其强度和刚度往往不是各组分材料性能的简单叠加。
例如，纤维增强复合材料中的纤维通常具有较高的强度和刚度，而基体则主要起到传递载荷和保护纤维的作用。
在载荷作用下，纤维和基体之间的应力分布不均匀，这会影响复合材料的整体强度和变形特性。
其次，复合材料的力学行为还受到纤维的排列方式、纤维与基体的界面结合强度等因素的影响。
如果纤维排列整齐且与基体结合良好，那么复合材料在承受载荷时能够更有效地传递应力，从而表现出更好的力学性能。
反之，如果纤维排列混乱或界面结合薄弱，复合材料的性能就会大打折扣。
此外，复合材料在不同的环境条件下，如温度、湿度等，其力学性能也会发生变化。
高温可能导致基体软化，从而降低复合材料的强度；湿度则可能引起基体膨胀或纤维腐蚀，进而影响其力学性能的稳定性。
为了研究复合材料的力学行为，科学家们采用了多种实验方法。
拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等是常见的力学性能测试手段。
通过这些试验，可以获得复合材料在不同载荷条件下的应力应变曲线，从而了解其强度、刚度、韧性等性能指标。
然而，单纯依靠实验研究往往是不够的。
一方面，实验成本高昂，而且难以涵盖所有可能的工况和材料组合。
另一方面，实验结果往往只能给出特定条件下的局部信息，难以揭示复合材料力学行为的内在规律。
因此，建立合理的力学模型成为了研究复合材料的重要手段。
目前，用于描述复合材料力学行为的模型主要有宏观模型和微观模型两大类。
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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，
像金属材料一样，可假设复合材料的破坏是从材料中 固有的小缺陷发源的。例如，有缺陷的纤维，基体与纤 维界面处的缺陷和界面不良反应物等。在形成的裂纹尖 端及其附近，有可能以发生纤维断裂、基体变形和开裂、 纤维与基体分离（纤维脱粘）、纤维拔出等模式破坏 （见图14-16）[237]。现分述如下。
纤维断裂纹后拔出 在裂纹平面或其附近 纤维断裂
V f Vm 1
当沿L向施加拉伸载荷时,按式(14-7)预测的值与 实验结果接近；而为压缩载荷时,按式(14-7)预测的 值偏离实验结果较大。例如：碳纤维/环氧树脂复合 材料，
E fb 180000 MPa,V fb 0． 548 , Em 30பைடு நூலகம்0 MPa
时算的
EL 1105 MPa
14.2
单向连续纤维增强复合材料的基本假设
连续纤维在基体中呈同向平行等距排列的复合材 料叫单向连续纤维增强的复合材料。
图14-1 单向连续纤维增强复合材料示意图
为方便地预测这种复合材料的基本力学性能，可先 作出如下基本假设： 1）各组分材料都是均匀的。纤维平行等距地排列， 其性质与直径也是均匀的。 2）各组分材料都是连续的，且单向复合材料也是连 续的，即认为纤维与基体结合良好。因此，当受力时 与纤维相同的方向上各组分的应变相等。 3）各相在复合状态下的性能与未复合前相同。基体 和纤维是各向同性的。 4）加载前，组分材料和单向复合材料无应力。加载 后，纤维与基体间不产生横向应力。
σfu σmu
(σm)ε*fb
σmu
(σm)ε*fb
σLu=σmu(1-Vf)
Vmin Vcr
Vff
图14-4 复合材料的强度与纤维体积分数的关系
由图14-4中可见，纤维含量越高，复合材料强度愈 高，但实际纤维体积分数不可能达到100％ ，例如对圆 截面纤维纤维来说， Vf的最大理论计算值为90.69%； 同时，体积分数太高时，基体不可能润湿和渗透纤维束， 导致基体与纤维结合不佳造成复合材料强度降低。因此， 复合材料，特别是金属基复合材料，增强纤维的体积分 数不可能太高。
14.3
代表性体元
根据上述假设，单向复合材料宏观上是均匀的，因此 可取一单元体进行研究。这种单元体的选取，应当小得 足以表示出细观材料的组成结构，而又必须大得足以能 代表单向复合材料体内的全部特性。这样的单元体再经 适当简化后称为代表性体元。
σ tm/2
1
tf
tm/2
σ
tT
1
ι
图14-2 复合材料中的体积元示意图 (a) 体积单元； （b） 代表性体积单元
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
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)
第十四章 复合材料的力学行为
14.1
引言
结构复合材料是用人工办法将高强度、高模量纤 维与基体材料结合起来而形成的新型结构材料。由 于复合材料的比强度、比刚度、耐热性、减震性和 抗疲劳性都远远优于作为基体的原材料，近年来愈 来愈多地受到人们的重视。复合材料有着与其它工 程材料力学性能的共同点，也有其自身的许多特点。
拉伸实测值为 103860 MPa ，与预测值较接近
而压缩实测为 84500 MPa ，与预测值差别较大。
14.4.2
纵向应力-应变曲线
σ σ σ σ σ ε ε
ms—基体屈服应力；
*—基体中应变量为ε fu时的应力； * *—基体应变量ε Lu时的应力；
Lu—复合材料纵向抗拉强度； fs—纤维屈服应力； fu—纤维断裂应变； fu—复合材料断裂应变
未破坏纤维，故在 接近裂纹平面承担 较大荷载
图14-16 在裂纹尖端近复合材料有可能发生破坏的 几种模式示意图
1） 纤维拔出
(a)
(b) 图14-17 裂纹尖端纤维排列和拔出模型
（a）裂纹尖端短纤维排列模型； （b）拔出纤维时的模型