工程材料力学性能第2版 教学课件 束德林 11第十一章.pdfVIP

第十一章 复合材料的力学性能 复合材料作为一种新型材料，近几十年以来 获得了迅速发展，特别是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， 复合材料性能的基本特点是各向异性、 可设计性，这些特性以及它们所引起的特殊力 学行为与均质各向同性材料是不同的。因此， 我们必须学习有关复合材料的理论，了解其力 学行为的基本特征。 11.1 复合材料的定义和性能特点 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 11.1 复合料的定义和性能特点 11.1.1复合材料的定义和分类 11.1.2复合材料的性能特点 11.1.1复合材料的定义和分类 • 定义　复合材料是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。 • 分类 　 (1)按增强体分类 分为连续纤维复合材料、非连续纤维复合 材料、颗粒复合材料、层合板复合材料等。 (2)按基体分类 分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、 无机非金属基复合材料。 (3)按用途分类 分为结构复合材料、功能复合材料。 　 11.1.2复合材料的性能特点 • 性能特点 (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。 (2)各向异性 纤维增强的各向异性复合材料在弹性常数、热 膨胀系数、强度等方面具有明显。 (3)抗疲劳性好 金属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与基体的界面能阻止裂纹 扩展。 (4)减振性能好 构件的自振频率除了与其本身结构有关外， 还与材料比模量的平方根成正比。 (5)可设计性强 通过改变纤维、基体的种类及相对含量，纤 维集合形式及排布方式等可满足复合材料结构与性能的设 计要求。 11.2 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，叫做单 向连续纤维增强复合材料。典型单向复合材料铺层如图 11—2、图11—3所示。一般来说，单向铺层呈现正交各向 异性，并有三个对称平面：平行于纤维的方向通常叫做纵 向(1轴)；垂直于纤维方向叫横向（在2-3平面中的任意一个 方向）。在纵向上铺层性能不同于其它两个方向（2、3 ）， 而在横向上（2、3 ）材料性能近似相等。 11.2.1单向复合材料的弹性性能 11.2.2单向复合材料强度 11.2.1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纵向弹 性模量时，将复合材料看成两 种弹性体并联 　　简化成有一定规则形状和分布 的模型，如图11—4所示。 则复合材料所受的平均拉伸应力为:   V  V cl f f m m (11-5) 根据等应变假设 :    cl f m 所以：   (1 ) Ecl Ef Vf Em Vm Ef Vf Em Vf (11- ６) (二)横向弹性模量 　　横向弹性模量计算比纵向弹性模量计算复杂得多，准确性也差。 计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种： I型，串联型 ； Ⅱ型，即为并联模型(图11—5)。 　　根据串联模型(图11—6)，在载荷 作用下，复合材料的横向伸长等于 ΔLcT纤维和基体的横向伸长之和 即：    （11-8） L L L