第8章 力学性能.ppt

第8章 复合材料的基本力学性能; ; 为了说明纤维排布、加载及变形的方向，通常建立直角坐标系，单向纤维复合材料在坐标系中的方向规定如下： （1）纵向，平行于纤维的方向；或称L向、0° 向。 （2）横向，垂直于纤维的方向（在L－T平面内）；称T向、90 ° 向。 （3）α向。在L－T平面内，与纵向成α夹角方向称α向。方向正负规定为，由纵向逆时针转α的方向为+ α，反之为- α方向。 （4）层向。垂直L－T平面的方向称层向或称N向、法向、⊥ 向。; 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。 1）单向（纤维增强）复合材料; 在工程上也叫单（向）板，常记为[0]。;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90 °正交排列所制得的复合材料。;3）多向（纤维增强）复合材料 在L－T平面内，除了有0° 和90 ° 向的增强材料，还有±α 方向排布的纤维。记为[0/90/±α ]。 ;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，制成的复合材料称三向纤维增强材料。 ;5）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， 随短纤维的分布情况不同有： ①单向短纤维复合材料 ②平面随机分布短纤维复合材料 ③空间随机分布短纤维复合材料；; 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力学性能讨论的对象。;8.1.2 复合材料的力学性能; 根据上述原因，我们先讨论组成材料的力学特性。 1)复合材料主要原料的力学特性。 (1)增强材料——纤维及编织物的力学特性能。 ①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“增强”。;②玻璃纤维的力学特性。 第一 玻璃纤维具有脆性材料的特征。 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，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 玻璃纤维的强度较高，但模量较低。 第四 对玻璃纤维及其织物的强度和弹性模量测定，为了便于比较测试结果，对测试数据应注明测试条件。; 第五 玻璃纤维强度受内部危险缺陷控制，强度具有尺寸效应，即单丝直径df增加，纤维强度下降；测试段长度l0(标距)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，纱强度高于布强度。 第六 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Ef约为70GP；高模量玻璃纤维的Ef约为100GPa。无碱玻璃纤维的断裂延伸率约为2.6%，其泊松比由块状玻璃测出，约为0.22。; ②碳纤维的力学特性。 第一：具有脆性材料特征。 第二：碳纤维的拉伸强度和拉伸模量均较高。 Ⅱ型碳纤维或称高强型(HS)碳纤维的强度可达3GPa以上。模量230~270GPa，断裂伸长率1％~1.5％。 Ⅰ型碳纤维或称高模型(HM)碳纤维的模量390~420GPa，强度2GPa左右，断裂延伸率0.5％~1.0％。 碳纤维的缺点在于脆性比玻璃纤维大．与树脂基体的界面结合强度比玻璃纤维差。; ④芳纶的力学性能； 以Kevlar49为代表的芳纶是一种高模量有机纤维．其力学性能特点是密度小、强度高，模量高于玻璃纤维，韧性好。 芳纶的缺点在于表面惰性大、与树脂界面粘结性能差，抗压、抗扭性能差。; (2)基体材料——合成树脂胶黏剂的力学特性。 基体胶粘剂的强度和模量较增强纤维低得多，所以在复合材料中增强纤维是主要承载材料。; (3)基体材料对复合材料力学性能的影响。 ①复合材料中基体的合理含量。 由于增强材料的强度和模量远比基体材料的高，所以基体的含量对复合材料的力学性能影响较大，若合理地降低复合材料中基体的含量，是提高复合材料力学性能的途径之一。 ; ②为提高复合材料力学性能，选择基体材料的原则。选择基体的原则主要有以下三点。 第一点，基体材料本身力学性能较好，能满足复合材料力学性能对基体的性能要求。这包括，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，满足使用要求的耐热性、韧性等。 第二点，对增强材料有较好的润湿能力和黏附力，保证良好的界面