材料力学性能第PPT课件

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第二节 单向复合材料的力学性能
连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，称 为单向连续纤维增强复合材料。
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单向复合材料的强度和钢度都随方向而改变，有五个特征 强度：
（1）纵向抗拉强度、（2）纵向抗压强度、 （3）横向抗拉强度、（4）横向抗压强度、 （5）面内抗剪强度。
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。
复合材料性能的基本特点是各向异性、可设计性，这些特 性以及所引起的特殊力学性能与均质各向同性材料是不同 的。
假设：纤维连续、均匀、平行排列于基体中，纤维与基体粘接 牢固，且纤维、基体和复合材料有相同的拉伸应变，基体将拉 伸力F通过界面完全传递给纤维。
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通过铺层设计的复合材料，可能出现各种形式和不同程度的各向 异性。
各向异性这一特性使复合材料的力学行为复杂化，但也可以作为 一种优点在设计时加以利用。如果采用合理的铺层可在不同的方 向分别满足设计要求，能明显减轻重量和更好的发挥结构的性能。
(3) 抗疲劳性好
金属、陶瓷材料的疲劳破坏是没有明显预兆的突发性破坏，而纤 维复合材料中纤维和基体的界面能阻止裂纹扩展，所以纤维复合 材料疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上， 破坏前没有明显预兆。
与基体具有相同的应力，即：
II型：纤维含量高，纤维呈束状分布于基体中，必然 与基体紧密接触，其间有基体材料，但很薄，可以认 为这部分变形与基体一致，纤维与基体有相同的应变， 即为并联模型：
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根据串联模型，复合材料的横向伸长等于纤维和基体的 横向伸长之和：
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(4) 减振性能好
构件的自身频率除了与本身结构有关外，还与材料比模量的 平方成正比。
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。
有四个特征弹性常数： （1）纵向弹性模量、（2）横向弹性模量、 （3）主泊松比、（4）切变模量。
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一、单向复合材料的弹性性能
（一）纵向弹性模量
在计算单向复合材料的纵向弹性模量时，将复合材料看成是两 种弹性体并联，并简化成有一定规则形状和分布的模型。
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实际上，由于纤维有屈曲、排列不整齐、界面结合强 度小等原因，使实验值与计算值有一定差异，所以工 程上常加一个修正系数K，则有：
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（二）横向弹性模量
计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种： I型：纤维含量少，纤维与基体的串联模型，此时纤维
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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。
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根据假设
，有：
同理，并联模型的纵向弹性模量的模型相同， 所以：
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基体：复合材料中的连续相，主要构成相
增强体：分布于基体中的一种或几种不连续相， 不连续相的强度、硬度比连续相高。增强体以 独立的形态分布于基体中，二者之间存在相界 面，增强体可是纤维、颗粒状填料等。
本章讨论的是作为结构材料使用的纤维复合材料，指以高性能 的碳纤维、陶瓷纤维、芳纶（聚对苯二甲酰对苯二胺）纤维、 晶须等为增强体，以金属、陶瓷、聚合物为基体的先进复合材 料。
因此，需要学习了解有关复合材料的理论、力学行为的基 本特征。
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第一节 复合材料的定义和性能特点
一、复合材料的定义与分类
定义：由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复 合成的新型材料。
其组分材料虽然保持相对独立性，但复合材料的性能 却不是组分材料的简单叠加。
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复合材料的分类
（1）按增强体分类：
连续纤维复合材料
非连续纤维复合材料
颗粒复合材料
层合板复合材料
（2）按基体分类：
聚合物基复合材料
金属基复合材料
无机非金属基复合材料
（3）按用途分类：
结构复合材料
功能复合材料
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二、复合材料的特点
复合材料取决于基体和增强体的特性、含量、 分布等。
(1) 高比强度、比模量
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(2) 各向异性
纤维增强复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等方面具有明 显的各向异性。
(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。
复合材料的高比强度、高模量的特点，是由于这种材料受力 时高强度、高模量的增强纤维承受了大部分载荷，基体只是 作为传递和分散载荷给纤维的媒介引起的。
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