复合材料的力学性能测试和复合材料结构的应变电测技术研究及其应用.doc

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1、复合材料的力学性能测试和复合材料结构的应变电测技术研究及其应用沈观林作者简介：沈观林（1935），男，教授，长期从事复合材料力学和实验力学的科研和教学工作。（清华大学航天航空学院，　北京　100084）摘　要：本文首先介绍单层复合材料的力学性能—各弹性常数和各向强度的测试方法，列出典型复合材料力学性能数据。其次讨论了复合材料结构应力应变电测技术的若干问题：专门的复合材料自补偿电阻应变计、应变计横向效应的修正和应变计粘贴方向不准的影响。然后简介用应变电测方法研究碳复合材料板壳结构缺陷对应力分布的影响的应用例子：在碳纤维增强复合材料壳体中预制脱层、纤维断裂、纤维

2、横向分离、碳布缝和局部鼓起等缺陷，用电阻应变计测量结构受载后应力应变分布。应变电测技术已经广泛应用于各种复合材料结构的强度和应力应变分布测量。关键词：复合材料；应变电测；层合结构；碳纤维/环氧；脱层缺陷；1引言复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料，一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，复合材料改善了组分材料的强度、刚度和热学等性能。人类使用复合材料的历史已经很久了，现在的胶合板、钢筋混凝土、玻璃钢等都属于复合材料，复合材料从应用的性质可分为结构复合材料和功能复合材料两大类，功能复合材料主要具有特殊的功能，例

3、如导电复合材料，烧蚀材料，摩阻复合材料等。结构复合材料由基体材料和增强材料两种组分组成，混凝土和钢筋混凝土属于结构复合材料，但现在一般不把它们称为复合材料，作为复合材料通常指玻璃钢，硼复合材料，碳复合材料和芳纶复合材料等，玻璃钢是由玻璃纤维增强树脂的复合材料，碳纤维增强环氧树脂的称为碳/环氧复合材料，碳纤维增强铝合金的称为碳/铝复合材料等等。现在在钢筋混凝土结构中常采用碳纤维布增强树脂的复合材料，在各种民用和军用工程中广泛使用玻璃纤维增强树脂或碳纤维增强树脂的复合材料结构。由于纤维增强复合材料的组成不均匀性和各向异性，一般需对复合材料的力学性能进行测试，测试

4、方法常用应变电测技术即用电阻应变计和电阻应变仪等。对于实际复合材料的结构除用计算方法进行力学分析外，也应用应变电测技术进行应力应变测量。此外，还用其他实验力学方法进行测量。复合材料的力学性能测试对于纤维增强复合材料的结构进行力学分析和设计计算必须以准确的复合材料力学性能数据为前提，而复合材料的力学性能与其组分材料—纤维和基体的力学性能密切相关。因此需对纤维和基体的力学性能进行测试。常用纤维的应力应变关系大多是线弹性的，其力学性能包括弹性模量、强度和伸长率等。各种基体的力学性能包括弹性常数、及拉伸、压缩强度等。纤维增强复合材料通常先制成单层板，单层板由单向纤维

5、或双向纤维交织与树脂层组成（见图1）。再由各单层板（由不同）纤维角度的单层）与树脂叠成层合板结构，而层合板结构的力学性能比较复杂，一般先对单层板的力学性能进行分析，分析常用实验测试其力学性能。单层板（单层复合材料）的力学性能包括弹性常数和强度。单层复合材料的应力应变关系是正交各向异性的，其材料主方向有1和2，应力分量为、、，应变分量为、、。其弹性常数有弹性模量、、泊松比、和剪切模量平面应力应变关系为：图1　单层复合材料构造形式(a)单向纤维　　　(b)双向纤维交织由于正交各向异性，和刚度对称性，，因此独立的弹性常数为、、和4个。强度特性有X－轴向（1方向）强

6、度，Y－横向（2方向）强度，S－剪切强度（1－2平面内）。对于拉压性能不同的单层板，弹性常数、分别有、和、，强度有、、、、（只有一个）。脚标代表拉伸，代表压缩。一般弹性常数拉压情况相差不大。单层板的力学性能通常用标准试件、电阻应变计或引伸计。标准试件有规定尺寸，拉伸试件有0°、90°、45°，纤维方向不同的三种，在材料试验机上加载，测量轴向和横向应变。0°试件试验可测得和。90°试件试验可测得和，45°试件偏轴拉伸试验可测得和。几种典型复合材料的力学性能数据列于表1中。表1　几种典型复合材料的力学性能数据序号1234材料名称玻璃/环氧硼/环氧碳/环氧芳纶/环

7、氧5.4821.121.17.71.832.110.530.560.250.300.250.340.910.700.260.2110.514.110.514.10.300.840.400.300.401.300.700.4510.528.17.032.41.42.81.21.42复合材料结构应力应变电测技术研究用应变电测方法测量复合材料结构的应力应变，有一些技术问题需要解决：（1）采用专门的电阻应变计同金属等均质各向同性材料不同，复合材料不但有各向异性的力学性能，而且线膨胀系数也各向异性，例如某玻璃纤维/环氧树脂单层复合材料，纤维方向线膨胀系数℃，垂直于纤维

8、方向的℃，因此在不同方向应采用相应的温度自补偿电阻应