第七章复合材料力学性能的复合规律.ppt

第七章复合材料力学性能的复合规律 连续纤维增强复合材料的力学复合表面及界面的化学基础 短纤维增强复合材料的力学复合关系 粒子复合材料的力学性能 引言 α：椭圆长轴与y轴间的夹角，由薄切片的光学显微投影（照片）上实验测得 2b：纤维直径2r 2a：椭圆长轴长度 ⑵由纤维截面形状和方位角定义 α β 2a 2b x y α 2、复合体系在流动过程中的纤维取向 流速分布 高粘度层 流头的流向 流道壁 短纤维注射料在流道内的流动状态 注射时，流道内流动单元的变形与取向 三、纤维端部的应力分布 剪切滞后分析模型 剪切滞后分析模型 Cox用“剪切滞后分析”得： 作用一平行于纤维的应力时，沿纤维的x位置的拉伸应力σfx为： R——薄片宽度 拉应力在纤维端部（x＝0）为0，在纤维的中部为最大。 界面的剪切应力： 沿纤维长度的界面剪切应力分布，它在纤维的端部最大，而在中部几乎减弱至零。 不同纤维长度上的应力分布 三种不同长度的纤维所承受的应力分布图： 不同纤维长度上的应力分布 ——纤维拉伸屈服应力 ——界面屈服应力 ——临界长径比 ——载荷传递长度 提高横向拉伸强度的措施： ●粘结不好时，空隙导致应力集中 ●造成横向拉伸强度低的其他原因包括树脂的内聚破坏和纤维内聚破坏之前的界面脱粘。 ●在脆性基体内均匀混入细微的弹性微粒改性体 ●在增强体－基体界面采用过渡层 压缩破坏的模式对复合材料的 和树脂性能特别 ⑷单向板的纵向压缩强度 影响因素： 纤维和基体的性质、界面粘结强度、空隙含量、加工条件。 敏感。 剪切模式 拉伸模式 屈曲分析基于能量方法： 较高时，预料发生剪切－同相屈曲模式： ① P116 7.54 较低时，预料发生拉伸－异相屈曲模式， ② P116 7.55 2900 13200 240～290 Kevlar49/环氧树脂 2900 22800 700～900 碳纤维/环氧树脂 2200 8700 600～1000 玻璃纤维/聚酯树脂 式（7.55）预测值 式（7.54）预测值 实验直 材料 实验值与预测值的比较 引起偏差的原因： ●纤维成束 ●空隙的存在 ●纤维排列不佳 ●纤维脱粘 ●基体的粘弹性变形 ⑸单向板的横向压缩强度 平面BEDF面上的剪切将使纤维断裂，复合材料的强度受基体或界面的控制，而与纤维本身强度关系不大。 平面ABCD面上的剪切不会引起纤维的断裂。 单向板承受偏轴拉伸时的三种断裂模式： ⑹单向板的偏轴拉伸强度 ●垂直于纤维的破坏 ●平行于纤维的破坏 ●基体或纤维基体的界面的剪切破坏 平行于纤维方向的拉伸应力： 垂直于纤维方向的拉伸应力： 平行于纤维方向的剪切应力： ① 最大应力理论 若 最大应力理论：当材料主方向上的应力达到临界值时发生断裂。 三种破坏模式的破坏强度 为： ——复合材料的轴（纵）向拉伸强度（ ） ——复合材料的横向拉伸强度（ ） ——复合材料的剪切强度（ ） 当 时，最大应力理论预测的破坏强度 的相对大小。 依赖于 ② 蔡－希尔（Tsai-Hill）准则（最大功理论） P120 (7.63) 将 代入 可得 : P120 (7.64) （ ） 定义:材料产生单位自由表面所要求的最小能量。 断裂表面能是度量材料断裂韧性或抗裂纹扩展阻力的物理量。 5、单向板断裂韧性的一般概念 ⑴断裂表面能（γ） 单位：kJ/m2 断裂阻力（R）： 裂纹扩展的能量条件：能量释放率G，必须大于或等于断裂表面能R。 临界情况下：G＝Gc=R 应力强度因子： 对于各相同性材料的的张开型裂纹： 在破坏的临界状态下： ⑵ 断裂力学 对于有一小裂纹的薄板承受拉伸载荷的简单情况下： 破坏时有： 裂纹转向条件： 二、面内随机分布长纤维单层板的弹性性能 模量预测： ——取向板随取向变化的弹性模量 对于同一 值有： 其中 Akasaka表达式： 对于大多数实际情况，采用下述简化方程： 短纤维增强复合材料：增强体（或功能体）具有一定长径比的复合系统。 §7.2 短纤维增强复合材料的力学复合关系 1、纤维长度的定义 一、短纤维复合材料中纤维的长度分布 ⑴ 纤维的数均长度 ⑵ 纤维的重均长度 对于一定直径的纤维，若半径为r，密度为ρ，则有： 令 在讨论注射成型的短纤维增强复合材料的纤维取向分布特性时，需要在三维方向上加以描述。 定义方法有二 二、短纤维复合材料中的纤维取向分布 1、纤维的取向分布 ⑴由方位角α，β定义取向 ⑵由纤维截面形状和方位角定义 ⑴由方位角α，β定义取向 α：可以直接由投影图中得到 β：由纤维的投影长度lp和薄片厚度t求得 ● 的关系： 与 将上式代入 的表达式中,即