第11章 复合材料的力学性能.
第十一章 复合材料
碳素（纤维， 粒料）
碳纤维增强 金属
增强陶瓷
陶瓷增玻 璃
增强水泥
碳纤维增强 碳复合材料
无
碳纤维增强 塑料
碳纤炭黑增 强橡胶
玻璃（纤维， 粒料） 木材 有 机 材 料
无
无
无
增强水泥
无
无
玻璃纤维增 强塑料 纤维板
玻璃纤维增 强橡胶 无
无
无
无
水泥木板 丝 增强水泥 无
无
无
高聚物纤维 橡胶胶粒
无 无
无 无
无 无
二、复合材料的性能特点
1、比强度和比模量高
比强度 材料的强度与其密度之比。
比模量 材料的模量与其密度之比。 材料的比强度或比模量越高，构件的自重就小，或者体积会 越小。通常，复合材料的复合结果是密度大大减小，高的比强 度和比模量是复合材料的突出性能特点。
气瓶
质 量 轻
玻璃钢充气船
小飞守角制作
头盔
玻璃纤维的特点是强度高，弹性模量低，密度小，比强度、 比模量高；化学稳定性好；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、 吸声、绝缘等。缺点是脆性较大，耐热性低，250℃以上开始软化。 由于价格便宜，制作方便，是目前应用最多的增强纤维。
(2)碳纤维 碳纤维是人造纤维(粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等)在200～300℃ 空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下， 在1000～1500℃的高温下进行碳化处理而制得。其含碳量可达 85%～95%。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称Ⅱ型 碳纤维。 如果将碳纤维在2000～3000℃高温的氩气中进行石墨化处理， 就可获得含碳量为98%以上的碳纤维。这种碳纤维中的石墨晶体的 层面有规则地沿纤维方向排列，具有高的弹性模量，又称石墨纤维 或高模量碳纤维，也称Ⅰ型碳纤维。
复合材料的动态力学性能研究
复合材料的动态力学性能研究在现代材料科学领域，复合材料因其卓越的性能和广泛的应用前景而备受关注。
其中，复合材料的动态力学性能是一个至关重要的研究方向。
动态力学性能不仅影响着材料在实际应用中的可靠性和耐久性，还为材料的设计和优化提供了关键的依据。
复合材料通常由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的组分材料组成，通过特定的工艺复合而成。
这些组分材料在性能上相互补充和协同作用，赋予了复合材料优异的综合性能。
然而，当复合材料在动态载荷作用下，其力学行为会变得相当复杂。
动态力学性能主要包括材料的储能模量、损耗模量和损耗因子等参数。
储能模量反映了材料在变形过程中储存能量的能力，而损耗模量则表示材料在动态加载过程中能量的损耗。
损耗因子则是损耗模量与储能模量的比值，它能够表征材料的阻尼特性。
研究复合材料的动态力学性能，需要借助一系列先进的实验技术和分析方法。
动态力学分析（DMA）是其中一种常用的手段。
通过在一定的温度、频率和应变范围内对材料进行动态加载，并测量材料的响应，可以获得材料的动态力学性能参数随温度、频率等因素的变化规律。
在实验过程中，样品的制备和测试条件的选择对结果的准确性有着重要影响。
样品的尺寸、形状和制备工艺需要严格控制，以确保测试结果的可靠性和可重复性。
同时，测试的温度范围、加载频率和振幅等条件也需要根据材料的应用场景和研究目的进行合理的设定。
复合材料的动态力学性能受到多种因素的影响。
首先是组分材料的性质，包括基体材料和增强材料的种类、含量和性能等。
例如，在纤维增强复合材料中，纤维的种类、长度、直径和取向等都会显著影响材料的动态力学性能。
不同的纤维具有不同的强度、模量和阻尼特性，从而导致复合材料性能的差异。
其次，复合材料的界面性能也是影响动态力学性能的关键因素。
良好的界面结合能够有效地传递载荷，提高材料的整体性能。
相反，界面结合不良会导致应力集中和能量耗散，降低材料的动态力学性能。
此外，制备工艺也会对复合材料的动态力学性能产生影响。
复合材料力学性能
复合材料力学性能复合材料力学性能是指复合材料在力学加载下的行为和性能。
复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料组成的复合体，通常包括增强相和基体相。
增强相是由具有较高强度和刚度的材料制成，而基体相是由具有较高韧性和耐用性的材料制成。
复合材料的力学性能直接影响着其在各种应用领域的使用。
复合材料的力学性能包括强度、刚度、韧性和抗疲劳性等方面。
首先是强度。
强度是指材料在受到外界力作用下抵抗断裂或变形的能力。
复合材料通常具有较高的强度，特别是拉伸、压缩和弯曲强度。
这是因为增强相的存在使得复合材料能够承受更大的力。
同时，复合材料还具有较高的拉伸、剪切和压缩模量，这使得它们在应力下更加稳定。
其次是刚度。
刚度是指材料对应力产生相应应变的能力。
复合材料通常具有较高的刚度，这使得它们在应用中具有更好的稳定性和振动性能。
刚度取决于增强相的类型、层数和配比等因素。
然后是韧性。
韧性是指材料在受到外界力作用下承受变形和断裂的能力。
复合材料通常具有较高的韧性，这是由于其基体相的存在，基体相能够吸收能量并阻止裂纹的扩展。
韧性通常通过测量断裂韧性来评估。
最后是抗疲劳性。
抗疲劳性是指材料在经过长时间循环加载后仍然能保持其性能和强度的能力。
复合材料通常具有较好的抗疲劳性能，这是由于增强相的存在，增强相能够在应力加载下分散和吸收应力。
除了以上几个方面，复合材料的力学性能还受到其制备工艺、层数和组织结构等因素的影响。
制备工艺的不同会导致复合材料的性能有所差异。
层数的增加会提高复合材料的强度和刚度，但也会增加制备难度。
组织结构的优化能够提高复合材料的性能。
综上所述，复合材料具有强度、刚度、韧性和抗疲劳性等优良的力学性能。
这些性能的提高在很大程度上推动了复合材料在航空、汽车、建筑等领域的广泛应用。
随着材料科学和制备技术的进步，复合材料的力学性能还将不断得到改善和优化。
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
复合材料的力学性能影响因素
复合材料的力学性能影响因素复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。
由于其独特的性能优势，如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等，在航空航天、汽车、船舶、建筑等众多领域得到了广泛的应用。
然而，复合材料的力学性能并非一成不变，而是受到多种因素的影响。
了解这些影响因素对于优化复合材料的设计和制造，提高其性能和可靠性具有重要意义。
首先，增强材料的类型和性能是影响复合材料力学性能的关键因素之一。
常见的增强材料包括纤维（如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等）和颗粒（如碳化硅、氧化铝等）。
不同类型的增强材料具有不同的强度、刚度、韧性和热稳定性等性能。
例如，碳纤维具有极高的强度和刚度，但成本较高；玻璃纤维则成本较低，但性能相对较弱。
增强材料的性能直接决定了复合材料能够承受的载荷和变形能力。
增强材料的几何形状和尺寸也会对复合材料的力学性能产生显著影响。
纤维增强复合材料中，纤维的长度、直径、长径比以及纤维的排列方式等都会影响其力学性能。
较长的纤维能够提供更好的载荷传递和增强效果，但在加工过程中可能会出现纤维断裂和分布不均匀的问题。
纤维的排列方式可以是单向、双向或多向编织，不同的排列方式会导致复合材料在不同方向上的力学性能差异。
例如，单向纤维增强复合材料在纤维方向上具有很高的强度和刚度，而在垂直于纤维方向上的性能则相对较弱。
基体材料的性能同样不容忽视。
基体材料的作用是将增强材料粘结在一起，并传递载荷。
常见的基体材料包括聚合物（如环氧树脂、聚酯树脂等）、金属（如铝、钛等）和陶瓷（如氧化铝、碳化硅等）。
基体材料的强度、韧性、耐热性和化学稳定性等性能会影响复合材料的整体性能。
例如，聚合物基体通常具有较好的韧性和耐腐蚀性，但耐热性相对较差；金属基体则具有较高的强度和导热性，但密度较大。
复合材料中增强材料与基体材料之间的界面结合强度也是影响力学性能的重要因素。
良好的界面结合能够有效地传递载荷，提高复合材料的强度和韧性。
第11章复合材料层合板的强度分析
第11章 复合材料层合板的强度力分析复合材料层合板中单层板的铺叠方式有多种，每一种方式对应一种新的结构形式与材料性能。
层合板的应力状态也可以是无数种，因此各种不同应力状态下层合板的强度不可能靠实验来确定．只能通过建立一定的强度理论，将层合板的应力和基本强度联系起来。
由于层合板中各层应力不同，应力高的单层板先发生破坏，于是可以通过逐层破坏的方式确定层合板的强度。
因此，复合材料层合板的强度是建立在单层板强度理论基础上的。
另外，由层合板的刚度特性和内力可以计算出层合板各单层板的材料主方向上的应力。
这样就可以采取和研究各向同性材料强度相同的方法，根据单层板的应力状态和破坏模式，建立单层板在材料主方向坐标系下的强度准则。
本章主要介绍单层板的基本力学性能、单层板的强度失效准则，以及层合板的强度分析方法。
§11.1单层板的力学性能由层合板的结构可知，层合板是若干单向纤维增强的单层板按一定规律组合而成的。
当纤维和基体的性质、体积含量确定后，单层板材料主方向的强度与和其工程弹性常数一样，是可以通过实验唯一确定的。
11.1.1单层板的基本刚度与强度材料主方向坐标系下的正交各向异性单层板，具有4个独立的工程弹性常数，分别表示为：纤维方向（方向1）的杨氏模量1E ，垂直纤维方向（方向2）的杨氏模量2E ，面内剪切模量12G ；另外，还有两个泊松比2112,νν，但它们两个 不是独立的。
这4个独立弹性常数表示正交各向异性单层板的刚度。
单层板的基本强度也具有各向异性，沿纤维方向的拉伸强度比垂直于纤维方向的强度要高。
另外，同一主方向的拉伸和压缩的破坏模式不同，强度也往往不同，所以单层板在材料主方向坐标系下的强度指标共有5个，称为单层板的基本强度指标，分别表示为：纵向拉伸强度X t (沿纤维方向)，纵向压缩强度X c (沿纤维方向)，横向拉伸强度Y t (垂直纤维方向)，横向压缩强度Y c (垂直纤维方向)，面内剪切强度S (在板平面内)。
复合材料的力学性能测试与分析
复合材料的力学性能测试与分析引言：复合材料是由两个或多个成分组合而成的材料，通常包括纤维增强材料和基体材料。
由于其独特的结构和组分，复合材料具有优良的力学性能和广泛的应用领域。
在设计和制造复合材料制品时，力学性能的测试与分析非常重要，可以评估材料的强度、刚度和韧性等关键指标，指导工程应用中的设计和生产。
本文将深入探讨复合材料的力学性能测试方法和分析技术。
力学性能测试方法：1. 张力测试：张力测试用于测量材料在施加纵向拉力时的承载能力。
一种常用的方法是单轴拉伸测试，其中样品被拉伸直至断裂，通过测量施加的力与应变之间的关系，获得材料的应力-应变曲线。
这个曲线可以提供材料的强度和刚度等信息。
2. 压力测试：压力测试旨在测量材料的抗压能力。
常见的方法是将样品置于压力机之间，逐渐施加压力直至样品破裂。
通过测量施加的压力与应变之间的关系，可以评估材料的抗压强度和变形能力。
3. 剪切测试：剪切测试用于测量材料在剪切加载下的表现。
通常使用剪切试验机在两个表面之间施加剪切力，测量材料的剪切应力与应变关系。
这个关系提供材料的剪切强度和剪切刚度等参数。
力学性能分析技术：1. 杨氏模量：杨氏模量是描述材料刚度的指标，表示材料在受力时的应变响应。
通过施加小应力并测量产生的应变，可以计算出材料的杨氏模量。
杨氏模量越大，材料的刚度越高。
2. 弯曲强度：弯曲强度是评估复合材料抵抗在横向加载下发生弯曲的能力。
通过施加弯矩并测量产生的应力，可以计算出材料的弯曲强度。
弯曲强度高的材料在横向应力下更为耐用。
3. 破坏韧性：破坏韧性是评估复合材料耐受冲击或断裂的能力。
常用的测试方法是冲击测试，通过施加冲击力并测量导致的破损面积，可以评估材料的破坏韧性。
高韧性材料能够吸收能量并减缓破坏过程。
实例分析：以碳纤维增强复合材料为例，进行实例分析。
碳纤维增强复合材料由碳纤维作为纤维增强材料，环氧树脂作为基体材料组成。
首先进行张力测试，测量样品在单轴拉伸下的强度和应变。
复合材料中的材料力学性能分析
复合材料中的材料力学性能分析复合材料是由两种或两种以上不同材料组合而成的新材料，其具有优异的力学性能，如高强度、高刚度、低密度等。
因此，对复合材料的力学性能进行分析，对于材料的设计、制备、应用等方面具有重要意义。
本文将从两个方面对复合材料中的材料力学性能进行分析：材料力学性能评价和材料力学性能分析方法。
一、材料力学性能评价材料力学性能评价是对复合材料力学性能进行定量评估和比较的过程。
常用的力学性能指标包括强度、弹性模量、断裂韧性、疲劳寿命等。
1. 强度：强度是材料抵抗外部载荷而产生破坏的能力。
在复合材料中，强度可以分为拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。
通过力学试验，可以测定复合材料在不同载荷下的强度，并进行比较和评价。
2. 弹性模量：弹性模量反映了材料在受力时的变形能力。
对于复合材料来说，弹性模量通常通过静态拉伸试验中的应力-应变曲线来计算。
弹性模量高，表示材料具有较好的刚度特性。
3. 断裂韧性：断裂韧性是材料抵抗断裂的能力。
在复合材料中，断裂韧性的评价可以通过冲击试验或断裂韧性试验来进行。
断裂韧性高的材料具有抗冲击、抗断裂的能力。
4. 疲劳寿命：疲劳寿命是材料在交变载荷下能够承受的循环次数。
复合材料的疲劳寿命是指在特定应力水平下，材料能够进行多少次完全循环才会发生失效。
通过疲劳试验可以评估复合材料的疲劳性能。
二、材料力学性能分析方法要进行复合材料的力学性能分析，需要使用一些合适的试验方法和数值模拟技术，以下是常用的材料力学性能分析方法：1. 静态力学试验：静态力学试验是研究材料在静态加载下的力学性能的基本方法。
通过服从背景的应力-应变关系曲线可以获得弹性模量和屈服强度等性能参数。
2. 动态力学试验：动态力学试验是研究材料在动态加载下的力学性能的方法。
冲击试验和振动试验是常用的动态力学试验方法，可以评估复合材料在冲击或振动环境下的力学性能。
3. 数值模拟：数值模拟是通过计算方法来预测和分析材料力学性能的方法。
复合材料的力学性能模拟与优化
复合材料的力学性能模拟与优化一、复合材料的定义和应用背景在现代工程领域，复合材料作为一种新型材料，具有轻量化、高强度和优异的化学、物理性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑结构以及电子设备等领域。
复合材料由不同性质的两种或多种材料组合而成，通过力学性能模拟与优化，可以提高其使用寿命和安全性能。
二、复合材料的力学性能模拟方法1. 宏观力学性能模拟宏观力学性能模拟主要是通过有限元分析方法，将复合材料的几何形状、力学性质和边界条件等信息输入计算模型中，得出复合材料的应力分布、变形情况以及破坏机制等。
这种模拟方法可以帮助设计师预测和分析复合材料在受力情况下的性能，为优化设计提供依据。
2. 微观力学性能模拟微观力学性能模拟是指对复合材料的微观结构进行建模和分析，通过计算单元模型的应力分布、破坏特性等来推断复合材料的力学性能。
这种模拟方法基于材料的原子结构，考虑到纤维和基体的相互作用，可以更准确地预测复合材料的性能，但也需要更复杂的计算模型和大量计算资源。
三、力学性能模拟在复合材料优化设计中的应用1. 优化纤维分布在复合材料中，纤维的分布对其力学性能至关重要。
通过力学性能模拟，可以模拟不同纤维分布下复合材料的应力分布情况，并找到最佳纤维分布方式，以提高复合材料的强度和刚度。
2. 优化界面粘结性能复合材料中纤维和基体之间的界面粘结性能直接影响复合材料的力学性能。
通过模拟复合材料界面的应力分布和破坏机制，可以优化界面材料的选择和处理方式，提高复合材料的耐久性和可靠性。
3. 优化复合材料结构通过力学性能模拟，可以预测不同复合材料结构在受力情况下的响应和破坏机制。
在复合材料结构设计中，可以通过模拟不同结构参数的影响，优化设计，使复合材料充分发挥其性能优势，满足特定工程应用要求。
四、力学性能模拟的挑战与发展方向1. 计算复杂性复合材料的力学性能模拟需要考虑材料的非线性、各向异性和多尺度问题，涉及到大量的计算和数据处理，对计算资源和算法要求较高。
第十一章复合材料的力学性能.
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在第I阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合 材料也处于弹性变形状态，且
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复合材料进入变形第II阶段时，纤维仍处于弹性状态， 但基体已产生塑性变形，此时复合材料的应力为：
由于载荷主要由纤维承担，所以随着变形的增加，纤 维载荷增加较快，当达到纤维抗拉强度时，纤维破断， 此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之 破坏。
（2）剪切型 纤维之间同向弯曲，基体
主要产生剪切变形，这种 屈曲模式较为常见。
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复合材料沿纤维方向受压时，可以认为纤维在基体内的 承力形式像弹性杆。
假设基体仅提供横向支持，载荷由纤维均摊，复合材料 的抗压强度由纤维在基体内的微屈曲临界应力控制。
将单向纤维复合材料简化成纤维和基体薄片相间粘接的 纵向受压杆件，当外载荷增至一定值后，纤维开始失稳， 产生屈曲。
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。
(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。
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。
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。
第十一章 聚合物的力学性能
第 十 一 章
聚合物的力学性能
第 11章
聚合物的力学性能
聚 合 物 的 力学 性 能
聚合物的力学性能指的是其受力后的响应，即材料在外力作 用下的形变及破坏特性，如形变大小、形变的可逆性及抗破损 性能等，这些响应可用一些基本的指标来表征。
11.１ 表征力学性能的基本物理量 （1）应变与应力
理想弹性体（如弹簧）在外力作用下平衡形变瞬间达 到，与时间无关；理想粘性流体（如水）在外力作用下形变 随时间线性发展。
聚合物的形变与时间有关，但不成线性关系，两
者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，聚合物
的这种性能称为粘弹性。
聚合物的力学性能随时间的变化统称为力学松弛。
最基本的力学松弛现象包括蠕变、应力松弛、滞后和
在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向 施加拉伸负荷，直至试样被拉断。
P
宽度b
厚度d
P
试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比为抗张 强度t： t = P / b • d
（ii）抗弯强度 也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在规定的试 验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。 设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度f为： f = 1.5Pl0 / bd2
强迫高弹形变产生的原因 原因在于在外力的作用下，玻璃态聚合物中本来被冻结 的链段被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。 但由于聚合物仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再 运动，形变也就得不到恢复原，只有当温度升至Tg附近， 使链段运动解冻，形变才能复原。这种大形变与高弹态的 高弹形变在本质上是相同的，都是由链段运动所引起。 根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将非晶态 聚合物的应力-应变曲线大致分为六类：
复合材料的力学性能研究
复合材料的力学性能研究复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成，其中至少有一种材料是具有一定强度和刚度的纤维或颗粒。
复合材料的力学性能是研究复合材料行为和性能的重要方面。
本文将探讨复合材料力学性能研究的相关内容。
1. 复合材料的组成和分类复合材料由基体和增强材料组成。
基体是材料的主要组分，承担着传递载荷的作用，常见的有金属、塑料和陶瓷。
增强材料则是用来提高材料力学性能的成分，如纤维和颗粒，可以提供强度和刚度。
基于不同的增强材料，复合材料可以分为纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。
2. 复合材料的强度和刚度复合材料相比于传统材料具有更高的强度和刚度。
这是因为增强材料可以承受大部分载荷，基体则起到支撑和保护的作用。
纤维增强复合材料的强度主要取决于纤维的性质和取向，而颗粒增强复合材料则取决于颗粒的尺寸和分布。
通过调整增强材料的形状和含量，可以进一步改变复合材料的强度和刚度。
3. 复合材料的断裂行为复合材料的断裂行为是研究复合材料力学性能的重点之一。
断裂通常分为拉伸断裂和剪切断裂两种形式。
在拉伸断裂中，纤维会逐渐断裂，而在剪切断裂中，流动的基体和增强材料之间会发生剪切滑移。
复合材料的断裂行为受到多种因素的影响，如增强材料的分布、基体的粘附力和界面结构等。
研究这些因素对断裂行为的影响，可以提高复合材料的断裂韧性和抗冲击性能。
4. 复合材料的疲劳性能复合材料在长期使用和加载循环中可能出现疲劳损伤。
与金属材料不同，复合材料的疲劳行为更为复杂。
复合材料的疲劳损伤通常包括纤维断裂、基体裂纹扩展和界面失效。
研究复合材料的疲劳性能，可以提高材料的使用寿命和可靠性。
通过合理设计复合材料的结构和增强材料的分布，可以减缓疲劳损伤的发展。
5. 复合材料的热性能和耐腐蚀性能除了力学性能，复合材料的研究还包括热性能和耐腐蚀性能。
复合材料在高温环境中的性能表现和在一般温度下有所不同。
研究复合材料的热膨胀特性和热传导性能，有助于优化复合材料在高温环境下的应用。
复合材料力学性能
复合材料力学性能
复合材料是指由两种或两种以上的材料组成的材料，经过一定的加工和制造工艺得到的具有新的组织和性能的材料。
复合材料的力学性能主要包括强度、刚度和韧性。
首先，复合材料具有很高的强度。
由于多种材料的组合，复合材料能够充分发挥各种材料的优点，从而提高材料的强度。
比如碳纤维复合材料，由于纤维之间有着良好的结合和排列，其强度比传统的金属材料高出数倍甚至数十倍。
这使得复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域的应用非常广泛。
其次，复合材料还具有很高的刚度。
刚度是指材料抵抗形变和变形的能力，复合材料由于结构的合理性和纤维的高强度，使得其刚度远远高于传统的金属材料。
这使得复合材料能够在高温或高速等极端环境下能够保持其形状和性能，从而保证了材料的使用寿命和安全性。
另外，复合材料还具有很高的韧性。
韧性是指材料抵抗破裂和断裂的能力，复合材料通过纤维之间的相互支撑和吸收能量的机制，使得其具有很高的韧性。
相比于传统的金属材料，复合材料在受到冲击或挤压等外力作用时，能够有很好地承载和分散应力，从而减少裂纹的扩展和破坏的发生。
总之，复合材料具有很高的力学性能，包括强度、刚度和韧性。
这些性能使得复合材料成为目前工程领域中的重要材料，广泛应用于各个领域。
随着科技的不断进步和材料的不断发展，相
信复合材料的力学性能还会不断提高，为人们的生活和工作带来更多的便利和创新。
复合材料的力学性能
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 依据纤维与基体之间的界面状态和载荷由基 体向纤维传递的机理，纤维间基体的剪切破 坏和部分脱胶可能同时发生，也有可能分别 独立发生。在脆性或短纤维与韧性基体构成 的复合材料中会出现纤维拔出的现象，因而 阻止了基体裂纹的扩展，这一裂纹可能参与 邻近其它纤维的断裂。
第四节 单向复合材料的破坏模式
• 通常发生横向拉伸破坏的模式有两种： ①基体拉伸破坏；②脱胶或纤维横向 断裂。如图（ a）为单向复合材料横 向拉伸破坏模式示意图。
第四节 单向复合材料的破坏模式
四、横向压缩破坏
• 单向复合材料横向受压时，因基体发生 剪切而破坏如图（b）。同时还可能发生 部分脱胶及纤维破断现象，所以其破坏 模式可以分成两种：基体剪切破坏和基 体剪切破坏的同时伴随脱胶或纤维横向 破碎。
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。
第四节 单向复合材料的破坏模式
一、纵向拉伸破坏
• 单向复合材料的破坏起源于材料中固有的缺 陷。这些缺陷可以是破损的纤维、基体中的 裂纹以及界面脱胶等。如图，单向复合材料 在纤维方向受到拉伸载荷作用时，至少有三 种破坏模式，即①脆性断裂；②伴有纤维拔 出的脆性断裂；③伴有纤维拔出、界面基体 剪切或脱胶破坏的脆性断裂。
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。
复合材料力学性能
3）影响复合材料冲击性能的因素
讨论了复合材料的能量吸收机理之后，就不难理解 材料性质对冲击性能的影响了，因为纤维性质不同、 基体韧性不同，界面强度不同会导致不同的破坏模式， 从而大大地影响复合材料的冲击性能。
提高复合材料冲击韧性的途径有：基体增韧、合适 的界面强度、采用混杂纤维复合材料。
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纤维脱胶和纤维拔出两种模式间的差别： 当基体裂纹不能横断纤维而扩展时，发生纤 维脱胶；纤维拔出是起始于纤维破坏的裂纹 没有能力扩展到韧性基体中去的结果。纤维 拔出通常伴随有基体的伸长变形，而这种变 形在纤维脱胶中是不存在的，
共同点：破坏都发生在纤维基体界面，都显 著地提高断裂能。
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5）分层裂纹
由于复合材料在长时静载荷作用下的持久强度低于短时静 强度以及存在明显的蠕变现象，设计复合材料构件时必须考虑。
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9.1.4环境条件对复合材料性能的影响
复合材料都是在一定的环境条件下使用的，因此了解 在各种环境条件下材料性能的变化是重要的。这些环境 条件如暴露于水，水蒸气或腐蚀性介质中，低温和高温 及进行长期物理和化学稳定性试验的各种条件等。一般 来讲，在这些不利的环境条件下，复合材料的性能要降 低。这是由于环境因素影响了纤维、基体材料和界面的 性能。
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纤维复合材料中裂纹尖模型
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分别讨论各种破坏机理。
1） 纤维破坏 纤维断裂发生在其应变达到断裂应变时。
由于脆性纤维具有低的断裂应变，只产生少量变形， 因而吸收能量低。
碳纤维复合材料的冲击性能低，玻璃钢和凯芙拉的冲击 性能好。
虽然纤维是使复合材料具有高强度的主要原因，但纤 维断裂仅占总能量吸收的很小比例。但应当记住，纤维 的存在非常显著地影响破坏模式，从而也影响了总冲击 能。
材料科学中复合材料力学性能测试及模型推断
材料科学中复合材料力学性能测试及模型推断复合材料在材料科学领域中发挥着重要的作用。
为了评估复合材料的力学性能并推断其性能模型，需要进行相应的测试和分析。
本文将介绍复合材料力学性能测试的常用方法，并探讨模型推断的原理和应用。
一、复合材料力学性能测试方法复合材料力学性能测试是评估材料力学性能的关键步骤之一。
以下是几种常用的测试方法：1. 拉伸测试：拉伸测试是衡量材料抗拉强度和延伸性能的重要手段。
在拉伸试验中，通过施加恒定的拉力来应用加载，并测量应力和应变的关系曲线。
这些数据可以用来计算抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率等参数。
2. 压缩测试：压缩测试是度量材料在受压状态下的性能的一种方法。
通过施加恒定的压力来加载材料，并记录压力和变形的关系。
这些数据可以用来计算压缩强度和变形率等参数。
3. 弯曲测试：弯曲测试是评估材料在弯曲负载下的性能的一种方法。
通过施加恒定的弯曲力或弯曲矩来加载材料，并测量弯曲应力和变形的关系。
这些数据可以用来计算弯曲强度和弯曲刚度等参数。
4. 剪切测试：剪切测试是评估材料在剪切载荷下的性能的一种方法。
通过施加剪切力来加载材料，并测量剪切应力和剪切变形的关系。
这些数据可以用来计算剪切强度和剪切模量等参数。
以上是常见的测试方法，它们可以单独或结合使用，以获得全面的材料力学性能数据。
二、复合材料力学性能模型推断通过测试获得的力学性能数据可以用来推断复合材料的性能模型，从而更好地理解材料的力学性能特征。
以下是一些常用的模型推断方法：1. 统计力学模型：根据统计力学理论，可以将复合材料的力学性能看作是单根纤维或颗粒的属性的统计平均。
通过对纤维或颗粒的特性进行统计分析，可以得到复合材料的平均力学性能，并进行模型推断。
2. 单元模型：单元模型是将复合材料划分为小尺寸的单元，并将每个单元视为均匀的材料。
通过对单元的力学性能参数进行推断，可以得到复合材料的整体力学性能。
3. 精细模型：精细模型是在细观数值方法的基础上，考虑复合材料中纤维或颗粒的具体排列和相互作用。
柔性复合材料的力学性能
柔性复合材料的力学性能柔性复合材料是一种由不同材料构成的复合结构，具有较好的柔韧性和可塑性。
在许多应用领域中，柔性复合材料已经成为研究的热点之一。
本文将探讨柔性复合材料的力学性能，并深入分析其相关特点和应用。
首先，柔性复合材料的主要特点之一是其高度可塑性。
由于其由多种材料构成，柔性复合材料可以通过不同方式的配比和处理，实现弯曲、拉伸和压缩等形变。
这种可塑性为柔性复合材料在各种工程项目中的应用提供了广泛的可能性，如机械设计、结构治理等。
例如，在汽车工业中，柔性复合材料可以用于制造车身零件，提高整车的抗撞击性能和车身结构的减重效果。
其次，柔性复合材料的力学性能与其材料组成密切相关。
一般来说，柔性复合材料的材料组成包括基体材料和增强材料两部分。
基体材料可以是柔韧的聚合物，而增强材料则可以是纤维、颗粒或薄膜等。
在柔性复合材料中，增强纤维的存在可以大大提高其力学性能，使其在拉伸、弯曲和抗剪等方面表现出更好的性能。
例如，使用碳纤维增强聚合物基质的柔性复合材料通常具有较高的强度和刚度，在航空航天、体育器材和建筑领域中被广泛应用。
此外，柔性复合材料的力学性能还与其结构形式和制造工艺密切相关。
不同的结构形式和制造工艺将直接影响到柔性复合材料的性能表现。
例如，层压法是一种常用的制造工艺，可以通过交替堆叠增强纤维和基体材料，形成多层复合结构。
这种结构具有较好的强度和刚度，在重要的结构工程中得到广泛应用。
此外，注塑成型、挤出、旋转成型和3D打印等新型技术的应用也使得柔性复合材料更加适用于不同的工程领域，例如医疗器械、电子设备封装和人工骨骼等。
最后，柔性复合材料的力学性能还与其应力-应变关系紧密相关。
应力-应变关系描述了材料在外力作用下的变形情况。
柔性复合材料通常表现出非线性的应力-应变关系，即应力不随应变的增加而线性增加。
这种特性使得柔性复合材料在大变形和复杂应力状态下表现出较好的柔韧性和耐久性。
因此，其在高负载和高应力环境中的应用领域也逐渐扩大。
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三、强度
1、拉伸强度： （1）σ～ε曲线（图11-11） （2）拉伸变形的四个阶段（图119) a）纤维和基体都是弹性变形； b）纤维弹性变形，基体非弹性 变形； c）纤维与基体均为非弹性变形 （仅韧性纤维存在第三阶段） d）纤维断裂，随之复合材料断 裂。
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§11-2 单向复合材料的力学性能
一、单向复合材料及其结构模型
1、定义 连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合 材料，叫做单向连续纤维增强复合材料。 结构模型（图） ①并联模型 纤维与基体有相同的应变 ②串联模型 纤维与基体有相同的应力。
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3、力学性能特征值 ①五个特征强度值 纵向抗拉强度，横向抗拉 强度，纵向抗压强度，横向抗压强度，面内抗 剪强度。 ②四个特征弹性常数 纵向弹性模量，横向弹 性模量，主泊松比，切变模量。 ③复合材料的强度和弹性模量由复合材料的组 分、材料的特性、增强体的取向、体积分数决 定。
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三、复合材料的性能特点
四、结构设计原理
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。
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。
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§11-3 短纤维复合材料的力学性能
该材料的应用广泛。 力学性能比连续纤维的更为复杂。纤维末端的应力传递作 用不能忽略 一、基体与纤维间的应力传递 [拉伸状态] 纤维的临界长度Lcr（中部的拉伸应力最大） 平均应力约为最大应力的95%。 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。
* mu m Vfcr * fu m
（式11-41）
∴当Vf<Vfmin时 复合材料的抗拉强度σCLu=σmu(1-Vf)
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2、抗压强度
基体在纵向压缩中起重要作用。 基体给予纤维侧向支持，使纤维不屈曲。 拉压型和剪切型失稳模型中，纵向抗压强度分别为 式11-44和式11-45 “纤维的微弯曲和基体剪切失稳是复合材料纵向压 缩的两个主要破坏机理”。
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（3）各阶段的强度
I: σCL=EfεfVf+Em(1-Vf) （式11-36） 纤维体积Vf，在一定范围内，Vf↑，σCL↑，过多浸润 不好，反而↓。 II：σCL(ε)= σf (ε)Vf+σm(ε)Vm σm *—基体应变等于纤维断裂应变时的基体应力。 ∴纤维增强作用，仅在复合材料的强度超过基体强度 时才有效。 ∴可以推导出临界纤维体积，Vfcr
（2）模量的推导 以扭距MC为基础。
1 Vf Vm 1 Gc G f Gm
I:
(式11 - 20)
上限 下限
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II II： GC G f Vf G m Vm (式11 - 26) II 合 成：G c (1 c )G 1 c CGC (式11 - 27)
4、泊松比υ
纵向泊松比（式11-28） 横向泊松比（式11-34）
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一、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。
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二、弹性性能
1、纵向弹性模量（并联） （加权和 ） Ecl·1=K[EfVf+Em(1-Vf)] K——工程修正值 Vf——纤维的体积分数 2、横向弹性模量（串联） 基于： △LcT=△LfT+△LmT 应力 相同
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3、切变模量
（1）等应力模型，等应变模型（图11-7） （与拉伸时的模型的定义正相反）
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三、疲劳性能
1、疲劳性能特点 疲劳性能好。复杂的疲劳破坏行为。损伤可被 牵制。 2、影响因素 组分材料的性能（基体，增强纤维影响） 增强纤维的体积分数（纤维含量） 界面性质（包括缺口的影响） 载荷形式 环境条件
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第十一章
复合材料的力学性能
§11-1 复合材料概论 §11-2 单向复合材料的力学性能 §11-3 短纤维复合材料的力学性能 §11-4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
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§11-1 复合材料概论
一、定义和分类 1、定义 由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合 形成的新型材料。 2、分类 按基体分：金属基复合材料；无机非金属复合材 料；聚合物复合材料。 按增强体分：连续纤维复合材料；短纤维复合材 料；颗粒复合材料；层合板复合材料。 按用途分：结构复合材料；功能复合材料。
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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
⑤分层裂纹
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二、冲击性能
1、冲击性能特点 ①υ↑，冲击性能↑ 高模量碳纤维复合材料，对υ变化不敏感。 ②高弹性模量比低弹性模量的冲击韧性差。 ③冲击断裂是各类损伤的累积或非累积破坏。 2、影响冲击性能的因素 ①自身属性，力学性能。 ②纤维方向；铺层结构。 ③界面的聚合强度。