第8章 复合材料力学性能ppt课件.ppt

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1、1,湖北工业大学化环学院,第8章 复合材料力学性能,2,第8章 复合材料力学性能,8.1 引言,8.2 单向纤维复合材料拉伸性能,3,材料的力学性能是材料最基本的使用性能。随着科技的进步，对材料的性能，包括力学性能均提出愈来愈高的要求：,8.1 引言,第一种人工合成树脂-酚醛树脂拉伸强度：4070MPa，模量：24GPa,特种工程树脂,复合材料 拉伸强度：1.2GPa，模量：50GPa,4,复合材料的力学性能很大程度上取决于增强纤维的品种、性能、含量及排列方式，其中增强纤维的排列方式不同，使复合材料的力学性能各向异性有较大差异。按纤维的排列方式的不同，从力学性能可将复合材料分为以下5类：,8.

2、1.1 复合材料的力学分类,单向（纤维增强）复合材料双向（正交纤维）复合材料多向（纤维增强）复合材料三向（正交纤维增强）复合材料短纤维增强复合材料,5,（1）单向（纤维增强）复合材料,以连续纤维为增强材料，且所有纤维都平行排列在同一方向；单向纤维复合材料在工程上也叫单（向）板，常记作0；纤维排列紧密，纤维体积分数可达6075%；沿纤维方向具有较高的强度，与纤维成任意夹角方向的强度明显下降,特点：,6,纵向：平行于纤维的方向，L向、0向；横向：垂直于纤维方向，T向、90向；向：在L-T平面内，与纵向成夹角方向；层向：垂直于L-T平面的方向称为层向，N向、法向、向。,单向纤维复合材料在直角坐标系中

3、方向规定：,7,（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，交替正交90排列；双向（正交纤维）复合材料在工程上也叫正交板，常记作0/90；材料在纤维正交两个方向具有较高的强度和模量，在L-T平面其他方向的强度明显下降，在垂直于正交方向的层向，强度最差。,特点：,8,（3）多向（纤维增强）复合材料,在L-T平面内，除了有0和90向的增强纤维， 其他方向如方向还有排布的纤维；该复合材料在工程上也叫组合板，常记作0/90/ ；材料在L-T平面的各个方向的强度和模量差别小，接近面内各向同性，在层向无纤维排布，强度最差。,特点：,9,（4）三向（正交纤维增强）复合材料,由沿三个

4、正交方向的纤维编织物作增强材料；该材料因层向编织有纤维，克服了单向、正交、多向复合材料在层向方向强度差、模量低的缺陷。,特点：,（5）短纤维（增强）复合材料,用短切纤维作增强材料；随短纤维分布情况不同有单向纤维复合材料、平面随机分布短纤维和空间随机分布短纤维复合材料。,特点：,10,在工艺条件正确、外界因素相同条件下，复合材料的力学性能主要取决于以下三方面：,8.1.2 复合材料的力学性能,增强纤维的品种、性能、含量及排列方式,基体树脂的性能与含量,纤维与基体的结合、界面组成情况,11,（1）复合材料主要原料的力学性能,纤维主要起到承受载荷的作用，加入纤维后材料的强度得到明显提高，即“增强”；

5、注意：单纯纤维不能当“梁”使用，只有在与基体有效结合称为整体后才可以。所以，在复合材料中纤维是主要承载材料，而基体起到支撑纤维、传递载荷、并与纤维共同承载的作用。,增强纤维,12,玻璃纤维具有脆性材料的特性，在拉断前没有明显的塑性阶段，应力与应变关系符合虎克弹性定律；GF主要起到承载作用，但无论是单纯的GF还是编织物中的GF，沿纤维轴向的力学性能与其它方向的力学性能不一样，具有各向异性。玻璃纤维强度较高，但模量较低；GF强度受内部危险缺陷控制，强度具有尺寸效应，单丝直径增加，纤维强度下降。GF力学性能指标：, 玻璃纤维的力学特性,一般无碱GF设计强度：1GPa；模量：70GPa；高模量GF模量

6、：100GPa,13,与GF一样，CF也具有脆性材料的特性，在拉断前没有明显的塑性阶段，应力与应变关系符合虎克弹性定律；缺陷：脆性比GF大，与树脂的界面结合强度比GF差； CF的拉伸强度和模量均较高，并随碳化温度不同，可获得不同强度和模量的CF。,型CF（高强型）：强度3GPa；模量为230270GPa；断裂伸长率为0.51%, 碳纤维的力学特性,型CF（高模型）：强度为2GPa；模量为390420GPa断裂伸长率为11.5%,东丽公司T1000型CF：强度达到7.05GPa；模量为295GPa；,联碳化合物公司P-140型CF：模量高达966GPa,14,以Kevlar-49为代表的芳纶是一

7、种高模量有机纤维；密度小（1.44g/cm3，GF为2.54g/cm3，T300为1.76g/cm3）；强度高，拉伸强度为3.62GPa；模量高于GF，为125GPa；韧性好，断裂伸长率为2.5%；缺点：表面惰性大，与树脂界面粘结性能差，抗压、抗扭曲性能差。, 芳纶的力学特性,15, 基体材料选择三原则：,基体材料,第一，基体材料本身力学性能较好，如有较高的内聚强度、弹性模量；与增强纤维有相适应的断裂伸长率；第二，对增强材料有较好的润湿能力和粘结力，保证良好的界面粘结；第三，工艺性优良，成型和固化方法与条件简单，固化收缩率低。,另外还要考虑原料来源方便、成本低，使用过程毒性小的要求。,16,

8、基体材料对复合材料力学性能的影响：,基体的强度和模量远比增强材料低，基体的含量对复合材料的力学性能影响较大，基体材料的理论含量：纤维是紧密堆砌的，基体仅填充于纤维的间隙中。理论含量反应复合材料中基体的最小含量。如单向玻璃钢是5%，1:1平纹玻璃布制成的正交复合材料是12%。基体材料的实际工艺含量：如单向玻璃钢是1030%，1:1平纹玻璃布制成的正交复合材料是2550%。,复合材料中基体的合理含量,17,8.2 单向纤维复合材料拉伸性能,单向纤维复合材料是连续增强纤维沿同一方向排列的复合材料。,沿纤维方向（纵向、L向）拉伸垂直纤维方向（横向、T向）拉伸,按加载方向不同，单向复合材料的拉伸性能可分

9、为：,18,（1）纵向拉伸应力L 、拉伸模量EL,8.2.1 纵向拉伸性能,单向纤维复合材料纵向拉伸加载示意图和单向板纵向拉伸简化力学模型图如下：,PL = Pf + Pm,Pf 、 Pm分别为纤维（fibre）和基体（matrix）承受的载荷,19,PL = Pf + Pm,当用应力表示,L AL = f Af + m Am,L、f 、m作用在复合材料、纤维和基体上的应力AL、Af 、Am 复合材料、纤维和基体的横截面积,对于平行排列的纤维增强复合材料，各组分所占体积分数能按横截面积写出：,20,L AL = f Af + m Am,L、f 、m复合材料、纤维和基体上的应变,L = f Vf

10、 + m Vm,假设纤维和基体间存在理想的粘结，界面不会滑移，则纤维、基体、复合材料的应变是相等的，即有：,L = f + m,21,L = f Vf + m Vm,将上式对应变求导，得,d/d代表相应的应力-应变曲线在给定应变点的斜率，如果材料应力-应变曲线是直线，则斜率为常数，即为材料的模量。,22,23,如果纤维与基体及其复合材料呈弹性形变，则有：,L = ELL, f = Eff,m = Emm,L = f Vf + m Vm,EL = Ef Vf + Em Vm,混合定律：纤维和基体对复合材料力学性能所做的贡献是与它们的体积分数成正比例的。,若空隙率VV = 0，则Vf + Vm =

11、 1,EL = Ef Vf + Em（1-Vf）,24,根据混合定律得到的结构与实验结构十分相符。,图中复合材料的应力应变曲线都处于纤维和基体的应力应变曲线之间；该曲线的形状和位置取决于纤维和基体的曲线形状和各自相对体积分数。,材料中纤维和基体的应力与应变曲线均为直线,材料中纤维和基体的应力与应变曲线分别为直线和非直线,25,（2）应力应变特性、纵向拉伸强度Lu,混合定律能准确预测承受纵向拉伸载荷的单向复合材料的应力应变特性：,L = f Vf + m Vm,EL = Ef Vf + Em Vm,估算复合材料的应力,估算复合材料的模量,前提条件：复合材料的两种组分都呈弹性形变。,应力应变特性,

12、26,一般一种复合材料的变形可以分为四个阶段进行：,纤维断裂，继而复合材料断裂,纤维与基体变形均是非弹性的,纤维保持弹性变形，基体变形是非弹性的,纤维与基体变形均是弹性的,阶段1,阶段2,阶段3,阶段4,若纤维是脆性的，则观察不到第三阶段,27,脆性与韧性纤维与典型韧性基体构成复合材料应力应变行为：,复合材料的应力应变曲线处于纤维和基体应力应变曲线之间；脆性纤维复合材料通常在应变达到纤维的断裂应变时断裂；但当纤维在基体内部能产生塑性形变，则复合材料的断裂应变可能大于纤维单独实验的断裂应变。,28,纵向拉伸强度Lu,复合材料的强度Lu按混合定律估算，但与基体的断裂延伸率mu大小有关；估算时要考虑

13、纤维与基体哪个先破坏的问题，即fu与mu的相对大小不同，估算公式有差异。,29,分几种情况讨论：, fu = mu （最简单的理想情况，基体和纤维都是脆性材料）,纤维、基体、复合材料三者同时断裂，应力用强度代替：,Lu = fu Vf + mu(1-Vf) = fu EfVf + Em(1-Vf),fu,Lu,fu,mu,30, 基体和纤维都是脆性材料，且fu mu,复合材料拉伸时，破坏先从基体开裂起，再才是纤维断裂；,L = f Vf + m(1-Vf),基体开裂前的应力：,树脂开裂时，在复合材料的应力应变曲线上出现拐点；出现拐点，纤维还可以承担拉伸载荷，直到纤维断裂，复合材料才同时断裂，L

14、u = fu 。,31,L = f Vf + mu(1-Vf) = fu EfVf + Em(1-Vf),基体开裂前最大应力：,基体开裂后的纤维断裂前复合材料的应力：,L = f Vf,最大应力：,L = fu Vf,32,L = fu EfVf + Em(1-Vf),基体开裂前最大应力：,基体开裂后的最大应力：,L = fu Vf,复合材料的强度Lu就由上面两式决定， Lu与Vf 的关系如下图所示：,当Vf Vfcr，基体开裂后，纤维可承担载荷，直到复合材料断裂，Lu = fu ，复合材料强度由（2）式估算；,当Vf Vfcr，基体开裂后，含量较少的纤维不能承担载荷，Lu = mu ，复合材

15、料强度由（1）式估算。,（1）,（2）,33, fu mu ，纤维相对于基体来说是脆性材料,如GF、CF、BF与韧性环氧或聚酯组成的复合材料；纤维是脆性破坏，基体是韧性破坏。,L = f Vf + m(1-Vf),纤维断裂前的应力：,34,L = fu Vf + (m)fu(1-Vf),当L达到纤维断裂应变fu前瞬间，L达到最大值：,纤维开裂后、基体断裂前复合材料的应力：,L = m（1- Vf）,最大应力：,L = mu （1- Vf）,35,（3）影响纵向强度和模量的因素,纤维取向错误纤维强度不均匀不连续纤维界面状况残余应力,36,纤维取向错误,当纤维平行于外载荷方向时，纤维对复合材料性能

16、的贡献最大；当纤维与施载方向不平行，复合材料的强度和刚度都要减少；强度和刚度减少的程度取决于载荷方向不平行的纤维数量及这些纤维与载荷轴的角度。,37,纤维强度不均匀,纤维强度对复合材料的强度有直接的影响，纤维强度的任何降低都导致复合材料强度的降低；若所有纤维的强度数值是相等的，则复合材料具有高强度；但GF和SiO2纤维的强度具有相当大的分散性。,38,不连续纤维,不连续纤维增强复合材料，端部效应明显，其性能很大程度被降低了；不连续纤维还容易在端部产生应力集中，在很小的外载荷作用下，纤维末端就与基体分离，产生裂纹；界面剪切作用使裂纹沿纤维长度扩散，从而使纤维与基体分离。,39,界面状况,界面承担

17、着从基体到纤维的载荷传递，因而复合材料强度受界面状况的影响，特别是当纤维在复合材料最终破坏之前断裂时，载荷经界面传递的机理更为重要；界面状况控制着纤维端部微裂纹，当纤维与基体间存在强的粘结时，裂纹不沿纤维长度扩展，纤维强度继续保持；改善黏附性通常还能提高聚合物复合材料的耐水性。,40,残余应力,残余应力直接影响基体的性质和复合材料层合板的实际应力状态；应力产生原因：组分的热膨胀系数不同、制造温度和使用温度不同。,41,(4) 单向板纵向拉伸的三种破坏模式： 基体断裂 界面脱粘 纤维断裂,42,对于单向纤维复合材料的纵向拉伸性能主要与纤维及其含量有关；而单向纤维复合材料的横向拉伸性能与基体或界面

18、性能有关，是单向板最为薄弱的环节；横向拉伸性能较低，是复合材料的一个基本受力状态。,8.2.2 横向拉伸性能,横向拉伸模量横向拉伸强度,43,复合材料横向拉伸模量（ET）与EL一样，随纤维体积分数（Vf）和模量（Ef）的增加而增大；但EL随Vf增加呈直线增加；而ET只有在较高Vf 下，Vf 和Ef 才会对ET 产生显著的影响。如要把ET 提高到基体模量的2倍，Vf 要大于55%，而EL 要达到同样的目标，Vf 只要11%。,横向拉伸模量（ET）,44,单向纤维复合材料横向拉伸破坏模式：基体拉伸破坏、界面脱粘、纤维断裂；一般而言，上述几种模式是联合作用的，由于纤维的强度一般较大，强度（Tu）主要

19、取决于基体的拉伸强度和界面的结合强度。,横向拉伸强度（Tu）,提高基体的拉伸强度或降低应力集中系数S应力,提高界面的结合强度,提高Tu,增加基体内聚强度；基体模量增加不仅增加ET，也会降低S应力；纤维Vf增加，S应力提高；,降低空隙率、提高界面的结合力,45,单向板横向拉伸的三种破坏模式：, 基体破坏 界面脱粘 纤维破坏,46,8.3 正交纤维复合材料拉伸性能,单向纤维复合材料的拉伸性能在沿纤维方向（纵向）很高，但在横向则很低；而在实际应用中单向受力的情况很少，主要是多向纤维复合材料；根据制件受力情况，充分发挥纤维的作用和复合材料可设计特点，对纤维进行铺层设计（纤维排列方向、层数、铺层顺序等）

20、。最简单、最基本的多向纤维复合材料：正交纤维复合材料（正交编织物或单向纤维预浸料交替90正交铺层）。,47,单轴拉伸力学模型：由两层具有相同树脂含量的单向复合材料相互垂直铺层得到。,8.3.1 正交复合材料的轴向拉伸性能,沿一个纤维方向（L向）拉伸，L向为径向；T向为纬向；各单向复合材料的厚度h按双向复合材料的地经纬向纤维量来分配；沿一个方向拉伸时，可略去横向纤维的作用，而将其看作基体。,48,设nL、nT分别为正交复合材料单元体内L 向和T 向的纤维量，则L 向和T 向纤维的相对比例分别为： 、 ，即,所以L 向和T 向的纤维体积含量VfL和VfT分别为：,49,nL与nT的比值可以用纤维织

21、物的规格来算出。因为：,例如：某平纹布的规格为,原纱支数0/股数N 排纱密度/（根/cm）径向 80/9 16 纬向 80/8 10,则,50,根据混合定律可估算出L 向、T 向的拉伸应力和模量：,51,根据混合定律可估算出L 向、T 向的强度：,52,8.3.2 正交复合材料单轴拉伸的应力-应变曲线,单向复合材料纵向拉伸应力-应变曲线,应力-应变曲线是一条直线；其强度和模量取决于纤维，其应力-应变曲线体现了纤维的力学特征。,53,双向正交玻璃纤维复合材料单轴拉伸应力-应变曲线,应力-应变曲线是一条折线；拐点前模量(初始模量)较高，为各层板模量之和；90层强度很低，先破坏产生裂纹，同时听到劈裂

22、声，见到材料发白，出现拐点；继续加载，直到0层达到破坏应力，材料突然破坏。,54,玻璃布复合材料也出现拐点；在径向拉伸时，纬线更加弯曲，导致纬线周围基体开裂，出现拐点。,对玻璃布复合材料而言，其强度和模量比由GF单板制成的复合材料的要低： 纤维处在弯曲、扭转状态； 编织过程中大大降低纤维强度,55,8.4 单向纤维复合材料压缩性能,8.4.1 纵向压缩强度,增强纤维本身能承受很大的拉力，但不能承受压力；但纤维只有在基体的支撑下才能承受压力。压缩的破坏机理至今并不清楚，也缺乏纤维的压缩强度数据，因此压缩强度不能简单估算，一般进行实际测试。在压缩过程中，当基体不能支撑纤维时，纤维会屈曲，复合材料产

23、生失稳破坏。,56,（1）纵向压缩的破坏形式,当复合材料承受压缩载荷时，连续纤维的作用就像细长柱体，会发生微屈曲，导致压缩破坏；单向复合材料纵向压缩破坏有如下三种形式：,复合材料纤维含量Vf较低（40%），具体仍在弹性应变范围内,加载长度l 较短时，压缩破坏始于横向开裂,与载荷方向成约45角方向的剪切破坏,57,（2）影响纵向压缩强度的因素,破坏形式各异，影响因素较多：,基体压缩比例极限（-mp）：基体应力不能高于-mp，否则基体屈服，导致纤维屈曲；纤维压缩强度-fu界面强度或复合材料层间剪切强度复合材料横向拉伸强度Tu基体弹性模量纤维体积分数复合材料制造工艺、测试方法等,58,8.4.2 横

24、向压缩强度,单向复合材料在横向受压时常常出现右图中的基体剪切破坏，同时可能伴随界面脱粘和纤维破坏。,横向压缩破坏形式： 基体剪切破坏 带有界面脱粘或纤维破碎的基体剪切破坏,59,影响横向压缩强度的因素,基体压缩强度-mu界面粘结强度空隙率,基体韧性增加，压缩变形能力提高，纤维体积含量增加，横向压缩强度随之增大。,60,8.5 复合材料的其他力学性能,复合材料在应用中难免承受冲击载荷；复合材料中增强体不同，材料冲击性能可能差异较大；玻璃钢和Kavlar纤维复合材料冲击性能好但广泛用于结构件的CF复合材料的冲击性能较低。,8.5.1 复合材料的冲击性能,61,（1）冲击强度：衡量材料韧性的一种强度

25、指标，为试折断样受到冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。,测试方法：简支梁加载 悬臂梁加载,简支梁飞出功较小，适用于冲击强度小的制品,62,悬臂梁加载,悬臂梁飞出功较大，适用于韧性材料。,63,简支梁加载和悬臂梁加载测试得到的韧性数据只是在一定程度上的定性结果，原因在于：,摆锤冲击时所造成的能量损失既包含材料损伤与断裂所吸收的能量，还包括消耗在试验机上的能量损失、断裂碎块的飞出功和声能等。反映不出材料冲击破坏过程的损伤历程，给出的只是一个笼统的结果。,不 同材料，试样的断裂形式不同，但可能得到相同的冲击强度；对于各向同性材料，破坏形式简单，上述试验方法可行；但对于复合材料，破坏形式复杂，这

26、两种冲击试验不足以反映复合材料完整的冲击特性。,64,装有载荷传感器（摆锤或支座）的Charpy或落锤式冲击试验机,可改变冲击刃口的形状和变换冲锤质量以调节冲击能的大小；可调整下落高度以满足不同冲击速率。可以得到显示冲击过程的P-t（载荷-时间）曲线和E-t（能量-时间）曲线。,65,P-t曲线划分为两个区域：裂纹引发和裂纹扩展；P-t曲线下面积反映材料吸收的能量；总冲击能量Et是裂纹引发能Ei 和裂纹扩展能Ep 的和；对于高强度脆性材料，Ei大，而Ep小；对于低强度韧性材料， Ei小，而Ep大。,韧性指数裂纹扩展能Ep 与裂纹引发能Ei 之比,66,（2） 能量吸收机理和破坏模式,能量吸收机

27、理：形成新的表面、材料变形,材料变形首先发生；若冲击能足够大，裂纹可能产生并且扩展，在裂纹扩展过程中，裂纹前沿又总存在材料变形；脆性材料变形小，伴随的能量吸收也少；韧性材料断裂过程中产生大的塑性变形，吸收的能量也大；在复合材料中，可以用吸收能量多的组分代替吸收能量少的组分来提高材料韧性。,67,破坏模式, 纤维破坏 基体变形和开裂 纤维脱胶 纤维拔出分层裂纹,纤维复合材料的破坏可以认为是由材料内部固有的小缺陷发源的。小缺陷：破短的纤维、基体中的裂纹、界面脱胶,冲击过程中裂纹扩展模式：,68, 纤维破坏,裂纹在垂直于纤维方向发展，当层合板完全分离时，最终发生纤维破坏。纤维随能赋予材料高强度，但断

28、裂吸收能很小。, 基体变形和开裂,基体破坏吸收能量包括基体变形和开裂产生的新表面能。热固性基体性脆，变形很小，冲击韧性差；热塑性基体可产生较大塑性变形，冲击强度高。基体开裂产生的新表面能等于比表面积与新表面面积的乘积，而开裂会产生众多裂纹分支，导致较大开列面积。,69, 纤维脱胶,在断裂过程中由于裂纹平行于纤维扩展（脱胶裂纹），导致纤维与基体分离。脱胶范围大，新表面面积大，断裂能会明显增加。, 纤维拔出,当脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体中时就会发生纤维拔出。起始于纤维的破坏没有能力扩展到基体中的结果。纤维拔出通常伴随基体的伸长变形，会显著提高断裂能。,70, 分层裂纹,裂纹在扩展中穿过层合板

29、的一个铺层，当裂纹尖端达到相邻铺层时，可能受到抑制。由于邻近裂纹尖端的基体的剪切应力很高，裂纹可能分支出来，开始在平行于铺层的届面上扩展。分层裂纹会产生新的表面，吸收的断裂能会较高。,71,（3） 影响复合材料冲击性能的因素,复合材料冲击性能的影响因素主要包括两个方面：,试验参数：,材料性质：,纤维种类、基体韧性、纤维体积分数、界面粘结状况等,冲击速率、冲锤质量、刃口形式、跨高比、支撑情况等,72,不同纤维/环氧树脂复合材料无缺口冲击性能：,三种纤维的差别在于断裂扩展能的不同；而扩展能最终导致材料韧性差异。,73,聚酯和环氧层合板冲击试验结果：,对环氧层合板，起始断裂能、扩展能、总冲击能均随界

30、面强度增加而增加界面粘结好，不存在分层现象；对聚酯层合板，扩展能、总冲击能有最小值分层破坏。,74,小结,提高复合材料冲击韧性的途径：,基体增韧合适的界面强度采用混杂纤维复合材料，如CF与GF或Kevlar纤维混合使用,75,材料在实际应用中，疲劳载荷常常不可避免；疲劳：材料在承受交变载荷时，即使最大应力低于材料静强度极限，但在经历了一定的载荷周期后，材料仍会破坏的现象；材料疲劳强度总低于它的静强度。疲劳过程：内部损伤（或疲劳裂纹）内部损伤累积至一定程度材料突然破坏失效 四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂,8.5.2 复合材料的疲劳性能,76,在纤维方向有卓越抗疲劳性疲劳载荷主要

31、是由载荷方向一致的纤维所承担的缘故；高模量纤维增强复合材料（芳纶、BF、CF增强）疲劳性能远优于铝合金和GF复合材料。,（1）复合材料的疲劳性能特点,单向连续纤维复合材料,77,各层板的强度不同，在疲劳过程早期可能出现横向裂纹损伤；随着裂纹长度和数量的增加，还会出现分层、界面脱胶、纤维断裂等损伤；在疲劳早期出现的损伤扩展较慢，直到疲劳寿命的90%，材料才会迅速断裂。,多向纤维复合材料,78,持久强度：材料长时间在静载荷作用下，保持一定时间不破坏，所能承受的最大静载荷。耐持久性：材料长时间在静载荷作用下，保持不破坏所能经受的最大时间。,8.5.3 复合材料在长期静载荷作用下的力学性能,长期静载荷

32、作用下的力学性能,强度问题持久强度,变形问题蠕变,（1）复合材料持久强度,79,基体材料不同，复合材料保持强度的能力不同；其持久强度主要取决于基体材料,表9-2,80,蠕变：材料长时间在静载荷作用下，载荷不变而变形继续增加的现象。原因：聚合物的粘弹性（蠕变特性取决于基体的松弛特性，基体交联密度越大，主链柔性越低，蠕变特性越不明显。,（2）复合材料蠕变特性,软质PVC丝,81,复合材料蠕变的特点：,CF复合材料的蠕变比玻璃钢小；沿纤维方向拉伸作用下的蠕变现象最不明显；沿与纤维成任意角方向拉伸，蠕变现象逐渐明显，其中沿45方向拉伸时最为明显；持久弯曲载荷作用下的蠕变比持久拉伸载荷作用下的蠕变明显；

33、温度升高，蠕变现象显著。,82,83,第五章 聚合物基复合材料的性能,热性能包括： 热传导与热容量：决定了PMC与外界热交换和自身温度的变化。 热膨胀性能：决定PMC结构的稳定性， 应力分布状态与抗热震性能。 耐热性能：决定PMC的使用温度范围。,5.1PMC的热性能,84,5.1.1热传导:导热系数，W/(m K)，表征材料的导热能力。 材料本身的特性 温度的函数,5.1PMC的热性能,85,5.1.1热传导,5.1PMC的热性能,86,5.1.1热传导,5.1PMC的热性能,87,5.1.1热传导,5.1PMC的热性能,88,5.1.1热传导,5.1PMC的热性能,89,5.1.1热传导,

34、5.1PMC的热性能,90,5.1.2比热定义：单位质量的物质升温 1 所需的热量称之。与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的关系比较简单，符合加和性原理：,5.1PMC的热性能,91,5.1.2比热比热的测试方法主要有卡计法、电脉冲加热法与比较法。,5.1PMC的热性能,图 5-2 下落等温铜卡计比热测试法 装置原理图,92,5.1.2比热测试温度为T的试样及度样筒在很短的时间内落入温度为 TK的铜卡计中，若试样筒与铜卡计达成热泪盈眶平衡后的温度为TB，则试样及试样筒的总热焓的减少量等于铜卡计的热焓增加量，即：（mCP + mT CPT) (T-TB) = mk CPK (TB -

35、TK)其中，m试样的质量；CP试样的比热； mT 试样筒的质量； CPT 试样筒的比热； mk 铜卡的质量； CPK 铜卡的比热。空白试验中试样筒与铜卡计达成热平衡后的温度为TB，则有： mT CPT (T- TB ) = mk CPK (TB -TK)CP = （mk CPK /m) (TB - TB )/ (T-TB),5.1PMC的热性能,93,5.1.2比热,5.1PMC的热性能,复合材料的比热的复合效应与其复合状态无关，而只与组分材料因素有关，表现为最简单的平均效应。,94,5.1.3热膨胀性能热膨胀系数：表征材料受热时线度或体积的变化程度。=（L/T）P/L=（V/T）P/V =(

36、L/T)/L =(V/T)/V = 1+ 2 + 3 = 3 ,5.1PMC的热性能,95,5.1.3热膨胀性能负膨胀系数和零膨胀系数材料,5.1PMC的热性能,96,5.1.3热膨胀性能,5.1PMC的热性能,97,5.1.3热膨胀性能,5.1PMC的热性能,98,5.1.3热膨胀性能 复合材料热膨胀系数的影响因素 组成材料因素: 材料的热膨胀系数， 组成材料含量与模量的乘积,5.1PMC的热性能,99,5.1.3热膨胀性能 复合材料热膨胀系数的影响因素复合状态的影响：增强材料在基体中的分布、排布方式，纤维预应力 使用条件因素：使用温度，热循环,5.1PMC的热性能,100,5.1.3耐热性能PMC的耐热性能主要决定于其聚合物基体的耐热性能。,5.1PMC的热性能,101,Thank you !,