第8章力学性能

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1、1第第8 8章章 复合材料的基本力学性能复合材料的基本力学性能8.1 引言引言 本章研究复合材料的力学性能，研究对象是连本章研究复合材料的力学性能，研究对象是连续纤维及其织物增强的复合材料。续纤维及其织物增强的复合材料。2 8.1.18.1.1复合材料的力学分类复合材料的力学分类复合材料的力学性能与下列三个因素有关复合材料的力学性能与下列三个因素有关: : 增强纤维的性能、含量、及其排列方式；增强纤维的性能、含量、及其排列方式；基体树脂的性能与含量；基体树脂的性能与含量；纤维与基体的结合、界面的组成情况。纤维与基体的结合、界面的组成情况。3 为了说明纤维排布、加载及变为了说明纤维排布、加载及变

2、形的方向，通常建立直角坐标系，形的方向，通常建立直角坐标系，单向纤维复合材料在坐标系中的单向纤维复合材料在坐标系中的方向规定如下：方向规定如下：（1 1）纵向，平行于纤维的方向；或称）纵向，平行于纤维的方向；或称L L向、向、0 0 向。向。（2 2）横向，垂直于纤维的方向（在）横向，垂直于纤维的方向（在L LT T平面内）；称平面内）；称T T向、向、90 90 向。向。（3 3）向。在向。在L LT T平面内，与纵向成平面内，与纵向成夹角方向称夹角方向称向。方向正负规向。方向正负规定为，由纵向逆时针转定为，由纵向逆时针转的方向的方向为为+ + ，反之为，反之为- - 方向。方向。（4 4）

3、层向。垂直）层向。垂直L LT T平面的方向称层平面的方向称层向或称向或称N N向、法向、向、法向、 向。向。4 复合材料按纤维所排列方式（铺层方式），从复合材料按纤维所排列方式（铺层方式），从力学角度可将复合材料分为以下五类。力学角度可将复合材料分为以下五类。1 1）单向（纤维增强）复合材料）单向（纤维增强）复合材料图图 单向连续纤维增强复合材料示意图单向连续纤维增强复合材料示意图 连续纤维在基体中呈连续纤维在基体中呈同向平行等距排列同向平行等距排列的复的复合材料叫单向连续纤维合材料叫单向连续纤维增强的复合材料。增强的复合材料。 5 在工程上也叫单（向）板，常在工程上也叫单（向）板，常记为记

4、为00。性能特点：性能特点：沿纤维方向具沿纤维方向具有较高的强度，与纤维任有较高的强度，与纤维任意夹角方向的强度明显下意夹角方向的强度明显下降。降。62 2）双向（正交纤维）复合材料）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，交替以正交编织物（布）或单向板为增强材料，交替90 90 正交排列所制得的复合材料。正交排列所制得的复合材料。性能特点：性能特点：这种复合材料在纤这种复合材料在纤维的维的L L和和T T两个方向，具有较高两个方向，具有较高的强度和模量。在的强度和模量。在向强度、向强度、模量较差，在模量较差，在N N方向，由于无增方向，由于无增强纤维，强度最差。强纤维

5、，强度最差。所在工程上也叫正交板，所在工程上也叫正交板，记为记为0/900/90。73 3）多向（纤维增强）复合材料）多向（纤维增强）复合材料 在在L LT T平面内，除了有平面内，除了有0 0 和和90 90 向的增强材向的增强材料，还有料，还有 方向排布的纤维。记为方向排布的纤维。记为0/90/0/90/ 。 性能特点：性能特点：这种复合材料在这种复合材料在L LT T平面内的各个方向的强度、模量平面内的各个方向的强度、模量具有方向性，但差别减少，接近具有方向性，但差别减少，接近面内各向同性。层向无纤维排布，面内各向同性。层向无纤维排布，强度最差。强度最差。84 4）三向（正交纤维增强）复

6、合材料）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，制由沿三个正交方向的纤维编织物作增强材料，制成的复合材料称三向纤维增强材料。成的复合材料称三向纤维增强材料。 性能特点：性能特点： 这种复合材料因层向编织有纤维，这种复合材料因层向编织有纤维，克服了单向、正交及多向复合材料层板沿克服了单向、正交及多向复合材料层板沿N N向的向的强度、模量低的缺点。强度、模量低的缺点。95 5）短纤维（增强）复合材料）短纤维（增强）复合材料 用短切纤维作增强材料制成的短纤维复合材料，用短切纤维作增强材料制成的短纤维复合材料，随短纤维的分布情况不同有：随短纤维的分布情况不同有：单向短纤维

7、复合材料单向短纤维复合材料平面随机分布短纤维复合材料平面随机分布短纤维复合材料空间随机分布短纤维复合材料；空间随机分布短纤维复合材料；力学性能：力学性能：在宏观上可在宏观上可近似看成各向同性。近似看成各向同性。10 目前研究和使用的复合材料结构件、多数是由前三类目前研究和使用的复合材料结构件、多数是由前三类复合材料构成的，所以本教材仅以前三类作为复合材料复合材料构成的，所以本教材仅以前三类作为复合材料力学性能讨论的对象力学性能讨论的对象。1）单向（纤维增强）复合材料）单向（纤维增强）复合材料2）双向（正交纤维）复合材料）双向（正交纤维）复合材料3）多向（纤维增强）复合材料）多向（纤维增强）复合

8、材料118.1.2 8.1.2 复合材料的力学性能复合材料的力学性能 通常在工艺条件正确、外界因素相同的前提下，复合通常在工艺条件正确、外界因素相同的前提下，复合材料的力学性能与下列三个因素有关材料的力学性能与下列三个因素有关: : 增强纤维的性能、含量、及其排列方式；增强纤维的性能、含量、及其排列方式； 基体树脂的性能与含量；基体树脂的性能与含量； 纤维与基体的结合、界面的组成情况。纤维与基体的结合、界面的组成情况。12 根据上述原因，我们先讨论组成材料的力学特性。根据上述原因，我们先讨论组成材料的力学特性。1)1)复合材料主要原料的力学特性。复合材料主要原料的力学特性。 (1)(1)增强材

9、料增强材料纤维及编织物的力学特性能。纤维及编织物的力学特性能。 纤维增强的概念。单纯的树脂基体强度较低，对它纤维增强的概念。单纯的树脂基体强度较低，对它加入增强纤维后强度得以提高，这一现象称为加入增强纤维后强度得以提高，这一现象称为“增强增强”。13玻璃纤维的力学特性。玻璃纤维的力学特性。 第一第一 玻璃纤维具有脆性材料的特征。玻璃纤维具有脆性材料的特征。 第二第二 玻璃纤维在复合材料中起主要承载作用，但无论是单纯的玻玻璃纤维在复合材料中起主要承载作用，但无论是单纯的玻璃纤维还是编织物中的玻璃纤维璃纤维还是编织物中的玻璃纤维( (在编织物中的纤维由于弯曲和扭转在编织物中的纤维由于弯曲和扭转更复

10、杂一些更复杂一些) )，沿纤维轴向的力学性能与其他方向的力学性能不一样，沿纤维轴向的力学性能与其他方向的力学性能不一样，这是构成玻璃纤维复合材料力学性能各向异性的根本原因。这是构成玻璃纤维复合材料力学性能各向异性的根本原因。 第三第三 玻璃纤维的强度较高，但模量较低。玻璃纤维的强度较高，但模量较低。 第四第四 对玻璃纤维及其织物的强度和弹性模量测定，为了便于比较对玻璃纤维及其织物的强度和弹性模量测定，为了便于比较测试结果，对测试数据应注明测试条件。测试结果，对测试数据应注明测试条件。14 第五第五 玻璃纤维强度受内部危险缺陷控制，强度具有玻璃纤维强度受内部危险缺陷控制，强度具有尺寸效应，即单丝

11、直径尺寸效应，即单丝直径d df f增加，纤维强度下降；测试段增加，纤维强度下降；测试段长度长度l0 0( (标距标距) )大，测出的强度低。加上分批断裂和编织弯大，测出的强度低。加上分批断裂和编织弯曲，使得玻璃纤维单丝强度高于纱强度，纱强度高于布曲，使得玻璃纤维单丝强度高于纱强度，纱强度高于布强度。强度。 第六第六 玻璃纤维的力学性能指标玻璃纤维的力学性能指标 一般无碱玻璃纤维的拉伸弹性模量一般无碱玻璃纤维的拉伸弹性模量E Ef f约为约为70GP70GP；高模；高模量玻璃纤维的量玻璃纤维的E Ef f约为约为100GPa100GPa。无碱玻璃纤维的断裂延伸。无碱玻璃纤维的断裂延伸率约为率约