第6章 复合材料性能

复合材料基本力学特性－破坏机理
(1)脆性破坏
(2)脆性破坏 伴随纤维拔出
(3)不规则破坏
复合材料基本力学特性－破坏机理
纤维的表面都会有缺陷，使纤维沿长度方向存 在弱点，尤其是脆性纤维对这种缺陷敏感性强 缺陷在复合材料中或多或少地随机分布，纤维 在外力作用下将在缺陷处出现断裂，可见断裂 很难发生在一个平面内 纤维中的缺陷不仅位置不同，而且严重程度也 不同
复合材料基本力学特性－破坏机理
复合材料的破坏特征
⒈ 聚合物复合材料的拉伸σ～ε关系，呈脆 性破化特征（纤维无屈服） ⒉ 破坏形貌（拉伸）
⑴ 脆性破坏 况（见图a） 断面平滑整齐对，发生在f-r间粘附较好的情
⑵ 脆性破坏纤维拔出 断面较不规则，有纤维拔出对应σb较 低， 发生在r-f粘附较差的情况（见图b） ⑶ 不规则破坏 断面很不规则，纤维拔出很多，对应σb最 低，发生在r-f粘附很差的情况，产生大量脱胶现象（见图c）
复合材料基本力学特性－力学效应
σ f Ef ＝ σ m Em
组分应力比与相应的弹性模量比相等： 为了在纤维中达到高应力以充分发挥高强度 纤维的效用，纤维的弹性模量应远大于基体 的弹性模量。
复合材料基本力学特性－力学效应
横向拉伸模量（串联模型）
1 / E2 = V f / E f + Vm / Em
强度
σ Tu = σ mu
ET Em
1 ⎞ ⎛ ⎜1 − V f 2 ⎟ ⎠ ⎝
失效应变
ε Tu
⎛ ⎞ = ε mu ⎜1 − V f ⎟ ⎝ ⎠
1 2
复合材料基本力学特性－力学效应
纵向压缩性能的复合效应
纵向压缩载荷作用下，单向复合材料的失效模式有三种：
维微屈曲
先进复合材料
第六章 复合材料性能与评价
顾轶卓 李敏 张佐光
提 纲
• 基本概念 • 复合材料基本力学特性 • 复合材料力学性能测试方法 • 复合材料耐环境性能
基本概念
复合材料的复合效应 含义 复合材料中某种性能值偏离由
构成该复合材料的组分用混合定律所计算 的值的现象，称这种现象为复合效应。这 种效应是组分材料交互作用的结果 力学效应
1 G
LT
=
V G
f f
V + G
m m
复合材料基本力学特性－破坏机理
复合材料内部损伤有许多形式。如：
¾ ¾ ¾ ¾
纤维断裂 基体开裂 纤维与基体分离（脱胶） 在层合复合材料中铺层彼此分离（即分层）
这些损伤形式可能单独地发生，也可能联合出现仅 当内部损伤累积到一定程度时，材料才发生宏观断裂。
不同载荷条件下复合材料破坏模式不同
基本概念
各向异性 复合材料 力学性能的 基本特点
可设计性
结构特性
基本概念
纤维含量与缺陷
分散性与稳定性
分析力学 性能需要 注意的因素
测试条件
测试方法 测试标准
基本概念
设计用的力学性能 拉伸
纵 向 横 向 纵 向 L (x) T (y) L (x) T (y) 纵横剪切强度、纵横剪切模量 强度、模量 强度、模量 强度、模量、主泊松比
从力学性能上表现出来，例如 模量、泊松比、强度等
基本概念
¾
为了从力学角度正确选择、使用复合材料，合理设计复合材
料，需要掌握其力学性能的基本知识，掌握复合材料力学行为 的基本规律及有效的试验方法
¾
复合材料力学的研究内容分为细观力学和宏观力学两大部
分。微观力学主要研究纤维、基体组分性能与单向板性能关 系，宏观力学主要研究层合板的刚度与强度分析、温湿环境影 响等
体中的应力与复合材料中的应力是相等
（4）
假定纤维和基体处于弹性变形状态，纤维和基
由于横向载荷作用下，纤维和基体在纵向所产生的 不同约束而引起的双轴效应明显不同。不同的约束是由 于两相的应变不同产生的，并且当两相的泊松比不同 时，则更加明显，因此会出现复合效应（界面作用）
复合材料基本力学特性－力学效应
复合材料基本力学特性－力学效应
横向压缩性能的复合效应
在横向载荷作用下，单向复合材料的失效通常是由于基 体的剪切破坏，同时可能伴随组分脱胶和纤维的破碎。
复合材料基本力学特性－力学效应
面内剪切模量的复合效应
预测单向复合材料面内剪切模量通常采用串联模型 假定纤维和基体中的切应力相等，且切应力-切应变 关系是线性的
基本概念
层合板铺层表示方法
¾ ¾
一般性表示：[0/45/90/-45],由下至上 对称铺层： 偶数[0/90]s＝[0/90/90/0]; 奇数[0/90]s＝[0/90/0]
¾ ¾ ¾ ¾
重复铺层： [0/902]＝[0/90/90] 正负铺层：[0/±45/90]＝[0/45/-45/90] 子层压板：[0/90]2＝[0/90/0/90] 夹层板：[0/90/C2]2,C表示夹芯，下标为厚度
基本概念
¾
由于组成层合板的各单层板情况不同，所以层合板在厚度方
向上具有宏观非均质性。这种非均质性可以引起耦合效应，即 层合板的面内应力会引起弯曲变形（弯曲和扭曲），而弯曲内 力（弯矩和扭矩）会引起面内变形
¾
层合板的受力特性和各单层板密切相关。但是一层或几层
单层板的破坏，虽然将引起层合板刚度的显著变化，但是层 合板仍然可以由余下的各个单层板来承受更大的载荷，一直 到全部单层板破坏引起层合板的总体破坏为止
复合材料断裂的另一个主要特征是纤维－基体在 断裂纤维附近的相互作用（复合效应）。即实际 断裂的纤维并没有完全失效，它对复合材料强度 仍有贡献。这是因为基体能够把纤维断裂端的应 力重新传递到纤维上去。基体在传递应力中，首 先在纤维断裂端的基体产生高剪切应力，而后从 断裂处开始短距离衰减。同时纤维承受的拉应力 从断裂处的零增加到未断裂纤维承受的全部应力 （即平衡应力）。纤维应力由零增至满应力的特 征长度为无效长度
复合材料基本力学特性－力学效应
主泊松比
当单向复合材料在纤维方向受到拉伸时，由于泊松 效应，在横向要发生收缩。 单向复合材料正交各向异性决定了在纵、横两个方 向呈现不同泊松效应，因而有两个泊松比。 主泊松比定义为：
υ LT
εT =− εL
复合材料基本力学特性－力学效应
主泊松比
υLT的预测可用类似于纵向拉伸性能的并联模型
基本概念
¾
从宏观力学的观点看，纤维增强复合材料可以认为是均
匀，但是各向异性的
¾
单个铺层称为单层板，是层合板结构的基本结构单元
¾
层合板是指由两层或两层以上的单层板粘合在一起成为整体
的结构元件，层合板可以由不同材质的单层板构成，也可以由 不同纤维铺设方向上相同材质的各向异性单层板构成。层合板 的铺层顺序可用符号表示，这个符号叫做层合板标记。
复合材料基本力学特性－力学效应
公式（1）没有考虑基体内由于纤维约束所引起的三轴 应力（复合作用），因此应修正为：
E1 = E f V f + E Vm
' m
（2） （3）
E = Em /(1 － 2υ )
' m 2 m
其复合效应作用项为1/（1－2υm2），该值在υm＝0.3 左右时，影响不明显，但若υm＝0.5时，则Em´＝2Em 通常由于树脂基体的υm＝0.28～0.33。
复合材料基本力学特性－破坏机理
σ τ
τ
σ
相邻纤维的应力波图
σ0 τ 0 0 σ δ
δ
x
x
σ0
断裂处的无效长度
复合材料基本力学特性－破坏机理
复合材料断裂可能出现的模型
纤维－基体粘结不牢 剪应力使其脱胶 脱胶
纤维－基体粘结好，但纤维 断裂应力与基体中裂纹产生 应力集中，横向裂纹 断裂纤维由于基体作用可产 生多次断裂，断裂间距≥2δ 最多断裂点＝L/2δ
三条基本假设
复合材料承受载荷时，应由纤维与树脂基体共 同承担，要求纤维与树脂基体有足够的界面强 度，为一复合整体，保证基体、纤维、复合材 料应变一致 在应力状态下的弹性范围内，复合材料应力应变关系服从虎克定律
整体性 假设 弹性 假设 等初应 力假设
复合材料在承受载荷时，所有增强纤维都未受 力或每根纤维的初始应力相等
横向拉伸强度的复合效应
确定单向复合材料的横向强度是比较困难的， 它受许多参数的影响，包括：纤维性能、基体性 能与界面强度、孔隙，以及相互产生的内应力与 内应变。 横向强度一般小于基体材料的强度这意味着纤 维对基体产生负增强效应。
复合材料基本力学特性－力学效应
横向拉伸强度的复合效应
假定复合材料的失效起因于基体破坏
强度、模量
压缩
横 向
剪切
基本概念
单向板力学性能工程常数
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 性能项目 0°拉伸强度 0°拉伸模量 泊松比 90°拉伸强度 90°拉伸模量 0°压缩强度 0°压缩模量 90°压缩强度 90°压缩模量 面内剪切强度 面内剪切模量 环境 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温
复合材料基本力学特性－力学效应
纵向压缩性能的复合效应
相邻的纤维可以独立的弯曲，也可能以联合方 式弯曲。在前一种情况中，当纤维间距离非常大 时，亦即纤维体积分数很小时，这种屈曲模式才可 能发生。第二种屈曲模式较为常见，它可能发生在 大多数真实体积分数下。在这种情况下，相邻纤维 的横向变形同相位，在基体中产生的应变主要是剪 切应变。
复合材料基本力学特性－力学效应
应力 所有纤维同时破坏
σfu σmu σm´
εfu
εmu
应变
复合材料基本力学特性－力学效应
横向拉伸强度的复合效应
垂直于加载方向的纤维，本质上的作用是在界面上和 基体内产生应力集中，因此单向复合材料受横向拉伸载 荷时失效起源于基体或界面的拉伸破坏。