第8章-复合材料力学性能

1湖北工业大学化环学院第8章复合材料力学性能22第8章复合材料力学性能8.1引言8.2单向纤维复合材料拉伸性能33材料的力学性能是材料最基本的使用性能。随着科技的进步，对材料的性能，包括力学性能均提出愈来愈高的要求：8.1引言第一种人工合成树脂-酚醛树脂拉伸强度：40~70MPa，模量：2~4GPa特种工程树脂复合材料拉伸强度：1.2GPa，模量：50GPa44复合材料的力学性能很大程度上取决于增强纤维的品种、性能、含量及排列方式，其中增强纤维的排列方式不同，使复合材料的力学性能各向异性有较大差异。按纤维的排列方式的不同，从力学性能可将复合材料分为以下5类：8.1.1复合材料的力学分类单向（纤维增强）复合材料双向（正交纤维）复合材料多向（纤维增强）复合材料三向（正交纤维增强）复合材料短纤维增强复合材料55（1）单向（纤维增强）复合材料以连续纤维为增强材料，且所有纤维都平行排列在同一方向；单向纤维复合材料在工程上也叫单（向）板，常记作[0]；纤维排列紧密，纤维体积分数可达60~75%；沿纤维方向具有较高的强度，与纤维成任意夹角方向的强度明显下降特点：66纵向：平行于纤维的方向，L向、0°向；横向：垂直于纤维方向，T向、90°向；α向：在L-T平面内，与纵向成α夹角方向；层向：垂直于L-T平面的方向称为层向，N向、法向、⊥向。单向纤维复合材料在直角坐标系中方向规定：77（2）双向（正交纤维）复合材料以正交编织物（布）或单向板为增强材料，交替正交90°排列；双向（正交纤维）复合材料在工程上也叫正交板，常记作[0/90]；材料在纤维正交两个方向具有较高的强度和模量，在L-T平面其他方向的强度明显下降，在垂直于正交方向的层向，强度最差。特点：88（3）多向（纤维增强）复合材料在L-T平面内，除了有0°和90°向的增强纤维，其他方向如±α方向还有排布的纤维；该复合材料在工程上也叫组合板，常记作[0/90/±α]；材料在L-T平面的各个方向的强度和模量差别小，接近面内各向同性，在层向无纤维排布，强度最差。特点：99（4）三向（正交纤维增强）复合材料由沿三个正交方向的纤维编织物作增强材料；该材料因层向编织有纤维，克服了单向、正交、多向复合材料在层向方向强度差、模量低的缺陷。特点：（5）短纤维（增强）复合材料用短切纤维作增强材料；随短纤维分布情况不同有单向纤维复合材料、平面随机分布短纤维和空间随机分布短纤维复合材料。特点：1010在工艺条件正确、外界因素相同条件下，复合材料的力学性能主要取决于以下三方面：8.1.2复合材料的力学性能增强纤维的品种、性能、含量及排列方式基体树脂的性能与含量纤维与基体的结合、界面组成情况1111（1）复合材料主要原料的力学性能纤维主要起到承受载荷的作用，加入纤维后材料的强度得到明显提高，即“增强”；注意：单纯纤维不能当“梁”使用，只有在与基体有效结合称为整体后才可以。所以，在复合材料中纤维是主要承载材料，而基体起到支撑纤维、传递载荷、并与纤维共同承载的作用。增强纤维1212玻璃纤维具有脆性材料的特性，在拉断前没有明显的塑性阶段，应力与应变关系符合虎克弹性定律；GF主要起到承载作用，但无论是单纯的GF还是编织物中的GF，沿纤维轴向的力学性能与其它方向的力学性能不一样，具有各向异性。玻璃纤维强度较高，但模量较低；GF强度受内部危险缺陷控制，强度具有尺寸效应，单丝直径增加，纤维强度下降。GF力学性能指标：①玻璃纤维的力学特性一般无碱GF设计强度：1GPa；模量：70GPa；高模量GF模量：100GPa1313与GF一样，CF也具有脆性材料的特性，在拉断前没有明显的塑性阶段，应力与应变关系符合虎克弹性定律；缺陷：脆性比GF大，与树脂的界面结合强度比GF差；CF的拉伸强度和模量均较高，并随碳化温度不同，可获得不同强度和模量的CF。Ⅱ型CF（高强型）：强度＞3GPa；模量为230~270GPa；断裂伸长率为0.5~1%②碳纤维的力学特性Ⅰ型CF（高模型）：强度为2GPa；模量为390~420GPa断裂伸长率为1~1.5%东丽公司T1000型CF：强度达到7.05GPa；模量为295GPa；联碳化合物公司P-140型CF：模量高达966GPa1414以Kevlar-49为代表的芳纶是一种高模量有机纤维；密度小（1.44g/cm3，GF为2.54g/cm3，T300为1.76g/cm3）；强度高，拉伸强度为3.62GPa；模量高于GF，为125GPa；韧性好，断裂伸长率为2.5%；缺点：表面惰性大，与树脂界面粘结性能差，抗压、抗扭曲性能差。③芳纶的力学特性1515①基体材料选择三原则：基体材料第一，基体材料本身力学性能较好，如有较高的内聚强度、弹性模量；与增强纤维有相适应的断裂伸长率；第二，对增强材料有较好的润湿能力和粘结力，保证良好的界面粘结；第三，工艺性优良，成型和固化方法与条件简单，固化收缩率低。另外还要考虑原料来源方便、成本低，使用过程毒性小的要求。1616②基体材料对复合材料力学性能的影响：基体的强度和模量远比增强材料低，基体的含量对复合材料的力学性能影响较大，基体材料的理论含量：纤维是紧密堆砌的，基体仅填充于纤维的间隙中。理论含量反应复合材料中基体的最小含量。如单向玻璃钢是5%，1:1平纹玻璃布制成的正交复合材料是12%。基体材料的实际工艺含量：如单向玻璃钢是10~30%，1:1平纹玻璃布制成的正交复合材料是25~50%。复合材料中基体的合理含量17178.2单向纤维复合材料拉伸性能单向纤维复合材料是连续增强纤维沿同一方向排列的复合材料。沿纤维方向（纵向、L向）拉伸垂直纤维方向（横向、T向）拉伸按加载方向不同，单向复合材料的拉伸性能可分为：1818（1）纵向拉伸应力σL、拉伸模量EL8.2.1纵向拉伸性能单向纤维复合材料纵向拉伸加载示意图和单向板纵向拉伸简化力学模型图如下：PL=Pf+PmPf、Pm分别为纤维（fibre）和基体（matrix）承受的载荷1919PL=Pf+Pm当用应力表示σLAL=σfAf+σmAmσL、σf、σm——作用在复合材料、纤维和基体上的应力AL、Af、Am——复合材料、纤维和基体的横截面积对于平行排列的纤维增强复合材料，各组分所占体积分数能按横截面积写出：ffLAVAmmLAVA2020σLAL=σfAf+σmAmεL、εf、εm——复合材料、纤维和基体上的应变ffLAVAmmLAVAσL=σfVf+σmVm假设纤维和基体间存在理想的粘结，界面不会滑移，则纤维、基体、复合材料的应变是相等的，即有：εL=εf+εm2121σL=σfVf+σmVm将上式对应变求导，得ddddddLfmfmLfmVVdσ/dε代表相应的应力-应变曲线在给定应变点的斜率，如果材料应力-应变曲线是直线，则斜率为常数，即为材料的模量。22222323如果纤维与基体及其复合材料呈弹性形变，则有：σL=ELεLσf=Efεfσm=EmεmσL=σfVf+σmVmEL=EfVf+EmVm混合定律：纤维和基体对复合材料力学性能所做的贡献是与它们的体积分数成正比例的。若空隙率VV=0，则Vf+Vm=1EL=EfVf+Em（1-Vf）2424根据混合定律得到的结构与实验结构十分相符。图中复合材料的应力应变曲线都处于纤维和基体的应力应变曲线之间；该曲线的形状和位置取决于纤维和基体的曲线形状和各自相对体积分数。材料中纤维和基体的应力与应变曲线均为直线材料中纤维和基体的应力与应变曲线分别为直线和非直线2525（2）应力应变特性、纵向拉伸强度σLu混合定律能准确预测承受纵向拉伸载荷的单向复合材料的应力应变特性：σL=σfVf+σmVmEL=EfVf+EmVm估算复合材料的应力估算复合材料的模量前提条件：复合材料的两种组分都呈弹性形变。应力应变特性2626一般一种复合材料的变形可以分为四个阶段进行：纤维断裂，继而复合材料断裂纤维与基体变形均是非弹性的纤维保持弹性变形，基体变形是非弹性的纤维与基体变形均是弹性的阶段1阶段2阶段3阶段4若纤维是脆性的，则观察不到第三阶段2727脆性与韧性纤维与典型韧性基体构成复合材料应力应变行为：复合材料的应力应变曲线处于纤维和基体应力应变曲线之间；脆性纤维复合材料通常在应变达到纤维的断裂应变时断裂；但当纤维在基体内部能产生塑性形变，则复合材料的断裂应变可能大于纤维单独实验的断裂应变。2828纵向拉伸强度σLu复合材料的强度σLu按混合定律估算，但与基体的断裂延伸率εmu大小有关；估算时要考虑纤维与基体哪个先破坏的问题，即εfu与εmu的相对大小不同，估算公式有差异。2929分几种情况讨论：①εfu=εmu（最简单的理想情况，基体和纤维都是脆性材料）纤维、基体、复合材料三者同时断裂，应力用强度代替：σLu=σfuVf+σmu(1-Vf)=εfu[EfVf+Em(1-Vf)]εσεfuσLuσfuσmu3030②基体和纤维都是脆性材料，且εfuεmu复合材料拉伸时，破坏先从基体开裂起，再才是纤维断裂；σL=σfVf+σm(1-Vf)基体开裂前的应力：树脂开裂时，在复合材料的应力应变曲线上出现拐点；出现拐点，纤维还可以承担拉伸载荷，直到纤维断裂，复合材料才同时断裂，εLu=εfu。3131σL=σf’Vf+σmu(1-Vf)=εfu[EfVf+Em(1-Vf)]基体开裂前最大应力：基体开裂后的纤维断裂前复合材料的应力：σL=σfVf最大应力：σL=σfuVf3232σL=εfu[EfVf+Em(1-Vf)]基体开裂前最大应力：基体开裂后的最大应力：σL=σfuVf复合材料的强度σLu就由上面两式决定，σLu与Vf的关系如下图所示：当VfVfcr’，基体开裂后，纤维可承担载荷，直到复合材料断裂，εLu=εfu，复合材料强度由（2）式估算；当VfVfcr’，基体开裂后，含量较少的纤维不能承担载荷，εLu=εmu，复合材料强度由（1）式估算。……（1）……（2）3333③εfuεmu，纤维相对于基体来说是脆性材料如GF、CF、BF与韧性环氧或聚酯组成的复合材料；纤维是脆性破坏，基体是韧性破坏。σL=σfVf+σm(1-Vf)纤维断裂前的应力：3434σL=σfuVf+(σm)εfu(1-Vf)当εL达到纤维断裂应变εfu前瞬间，σL达到最大值：纤维开裂后、基体断裂前复合材料的应力：σL=σm（1-Vf）最大应力：σL=σmu（1-Vf）3535（3）影响纵向强度和模量的因素纤维取向错误纤维强度不均匀不连续纤维界面状况残余应力3636纤维取向错误当纤维平行于外载荷方向时，纤维对复合材料性能的贡献最大；当纤维与施载方向不平行，复合材料的强度和刚度都要减少；强度和刚度减少的程度取决于载荷方向不平行的纤维数量及这些纤维与载荷轴的角度。3737纤维强度不均匀纤维强度对复合材料的强度有直接的影响，纤维强度的任何降低都导致复合材料强度的降低；若所有纤维的强度数值是相等的，则复合材料具有高强度；但GF和SiO2纤维的强度具有相当大的分散性。3838不连续纤维不连续纤维增强复合材料，端部效应明显，其性能很大程度被降低了；不连续纤维还容易在端部产生应力集中，在很小的外载荷作用下，纤维末端就与基体分离，产生裂纹；界面剪切作用使裂纹沿纤维长度扩散，从而使纤维与基体分离。3939界面状况界面承担着从基体到纤维的载荷传递，因而复合材料强度受界面状况的影响，特别是当纤维在复合材料最终破坏之前断裂时，载荷经界面传递的机理更为重要；界面状况控制着纤维端部微裂纹，当纤维与基体间存在强的粘结时，裂纹不沿纤维长度扩展，纤维强度继续保持；改善黏附性通常还能提高聚合物复合材料的耐水性。4040残余应力残余应力直接影响基体的性质和复合材料层合板的实际应力状态；应力产生原因：组分的热膨胀系数不同、制造温度和使用温度不同。4141(4)单向板纵向拉伸的三种破坏模式