聚合物基复合材料力学性能课件.ppt

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1、第8章复合材料的基本力学性能8.1引言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。18.1.1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:①增强纤维的性能、含量、及其排列方式；②基体树脂的性能与含量；③纤维与基体的结合、界面的组成情况。2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。

2、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。3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同向平行等距排列的复合材料叫单向连续纤维增强的复合材料。4在工程上也叫单（向）板，常记为[0]。性能特点：沿纤维方向具有较高的强度，与纤维任意夹角方向的强度明显下降。52）双向（正交

3、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。性能特点：这种复合材料在纤维的L和T两个方向，具有较高的强度和模量。在α向强度、模量较差，在N方向，由于无增强纤维，强度最差。所在工程上也叫正交板，记为[0/90]。63）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]。性能特点：这种复合材料在L－T平面内的各个方向的强度、模量具有方向性，但差别减少，接近面内各向同性。层向无纤维排布，强度

4、最差。74）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。性能特点：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N向的强度、模量低的缺点。85）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；力学性能：在宏观上可近似看成各向同性。9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

5、材仅以前三类作为复合材料力学性能讨论的对象。1）单向（纤维增强）复合材料2）双向（正交纤维）复合材料3）多向（纤维增强）复合材料108.1.2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，复合材料的力学性能与下列三个因素有关:①增强纤维的性能、含量、及其排列方式；②基体树脂的性能与含量；③纤维与基体的结合、界面的组成情况。11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

6、低，对它加入增强纤维后强度得以提高，这一现象称为“增强”。12②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。13第五玻璃纤维强度受内部

7、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。14②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

8、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。15④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。16(2)基体材料——合成树脂胶黏剂的力学特性。基体胶