《復(fù)合材料基礎(chǔ)》PPT課件.ppt

復(fù) 合 材 料,緒 論,一、學(xué)習(xí)本課程的目的和意義 通過(guò)本課程的教學(xué)，使學(xué)生獲得復(fù)合材料開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的基本知識(shí)，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。 二、本課程的性質(zhì)、任務(wù)和教學(xué)內(nèi)容 1、本課程的性質(zhì)：專業(yè)選修課。 2、本課程的任務(wù) 使學(xué)生了解復(fù)合材料的原材料、種類(lèi)、性能特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域，基本掌握其基本原理、生產(chǎn)工藝。 3、教學(xué)內(nèi)容 復(fù)合材料15章，補(bǔ)充一點(diǎn)水泥其復(fù)合材料,三、課程的有關(guān)情況 1、學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)（第117周，12周金工實(shí)習(xí)） 2、教學(xué)參考書(shū)（TB類(lèi)）： （1）馮小明，張崇才復(fù)合材料重慶：重慶大學(xué)出版社，2007 （2）王榮國(guó)，武衛(wèi)莉，谷萬(wàn)里復(fù)合材料概論哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001 （3）陳華輝，鄧海金，李明，林小松編著現(xiàn)代復(fù)合材料北京：中國(guó)物資出版社，1998 （4）吳人杰復(fù)合材料天津：天津大學(xué)出版社，2000 （5）王汝敏，鄭水蓉，鄭亞萍聚合物基復(fù)合材料及工藝北京：科學(xué)出版社，2004,1 復(fù)合材料基礎(chǔ) 1.1 復(fù)合材料發(fā)展概況,1.1.1 復(fù)合材料發(fā)展歷史 第一代，19401960，玻璃纖維增強(qiáng)塑料 第二代，19601980，發(fā)明了碳纖維和芳綸，發(fā)展高性能樹(shù)脂基（環(huán)氧樹(shù)脂和聚酰亞胺樹(shù)脂）復(fù)合材料。 第三代，19801990，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料。 第四代，1990年以后，多功能復(fù)合材料如智能材料、梯度功能材料、新型復(fù)合材料等。,1.1.2 復(fù)合材料的性能特點(diǎn) 聚合物基復(fù)合材料： （1）比強(qiáng)度、比模量大。比強(qiáng)度相當(dāng)于鈦合金的35倍，比模量相當(dāng)于金屬的4倍。 （2）耐疲勞性好。疲勞極限強(qiáng)度是抗張強(qiáng)度的7080%，金屬僅為2050%。 （3）減震性好。比模量高，具有高的自振頻率，很高的吸振能力。輕合金梁9s停止振動(dòng)，復(fù)合材料2.5s。 （4）過(guò)載時(shí)安全性好。 （5）具有多種功能。耐燒蝕性，減摩性能，電絕緣性能，耐腐蝕性，特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)。 （6）良好的加工性能。 缺點(diǎn)：耐高溫、耐老化、強(qiáng)度一致性較差。 金屬基復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量大，熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好，良好的抗疲勞性和斷裂韌性等。 陶瓷基復(fù)合材料提高抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性。,1.1.3 主要用途,1航空航天：飛機(jī)的垂直尾翼、水平安定面、方向舵、副翼、機(jī)身、機(jī)翼蒙皮等，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等。 2交通運(yùn)輸：魚(yú)雷快艇、掃雷艇、救生艇、游船等，汽車(chē)的車(chē)身、儀表盤(pán)、車(chē)門(mén)、座椅等，火車(chē)的車(chē)箱、車(chē)門(mén)窗、座椅等。 3房屋建筑：衛(wèi)生潔具、冷卻塔、波形瓦、通風(fēng)管道等。 4電子工業(yè)：絕緣線路板、絕緣器材等。 5機(jī)械工業(yè)：各種機(jī)械部件等。風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。 6化工設(shè)備：管道、泵、風(fēng)機(jī)、容器、反應(yīng)釜等。 7體育器材：撐桿、弓箭、賽車(chē)、賽艇、滑板、球拍、釣魚(yú)桿等。,飛機(jī),在波音777飛機(jī)上復(fù)合材料只占重量的9%，而在波音787上復(fù)合材料占到重量的50%，所采用的碳纖維增強(qiáng)塑料達(dá)到35噸。在波音787上大面積使用碳/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，減輕了飛機(jī)重量并使創(chuàng)新理念得以實(shí)現(xiàn)。機(jī)身、機(jī)翼等主承力構(gòu)件都采用復(fù)合材料。與其他同類(lèi)飛機(jī)相比： （1）更輕。飛機(jī)重量大大減輕，運(yùn)行成本也大幅下降； （2）更節(jié)能。節(jié)省20%的燃料，同時(shí)釋放更少的溫室氣體； （3）噪音更低。起飛和降落時(shí)的噪音要比其他飛機(jī)低60%； （4）更耐用。使用期更長(zhǎng)，檢修率要低30%。 A380約25%由復(fù)合材料制造，其中22%由各種不同的增強(qiáng)型塑料復(fù)合材料制成，大部分是碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂(CFRP)。,龐巴迪宇航公司全新的全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)里爾85型噴氣機(jī)(8座）,波音787飛機(jī),空客380飛機(jī)及使用的新復(fù)合材料,武鋒概念車(chē)車(chē)身采用碳纖維復(fù)合材料，車(chē)架為碳纖維硬殼式,用SMC工藝制造的復(fù)合材料后行李廂蓋被用在雷諾車(chē)上,風(fēng)力發(fā)電,至2010年底，中國(guó)全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)達(dá)1600萬(wàn)千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到4182.7萬(wàn)千瓦，首次超過(guò)美國(guó)，躍居世界第一。按照規(guī)劃，2015年中國(guó)風(fēng)電規(guī)模將達(dá)到1億千瓦，2020年將達(dá)2億千瓦，相當(dāng)于11個(gè)三峽電站。 整個(gè)風(fēng)電制造業(yè)可以分為：葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)等主要零部件的生產(chǎn)體系。風(fēng)電機(jī)組成本結(jié)構(gòu)中，葉片20%，齒輪箱15%，電機(jī)12%，軸承8%，塔架13%，機(jī)艙罩9%，控制系統(tǒng)8%，其他15%。 葉片長(zhǎng)幾十米，6MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片長(zhǎng)66.5m。,1.2 復(fù)合材料的定義、命名和分類(lèi),1.2.1 定義 復(fù)合材料：是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合而成的新型材料。 三個(gè)特點(diǎn)：1組分之間存在明顯的界面。 2各組元保持各自固有的特性，并產(chǎn)生原組分所不具備的特性。 3具有可設(shè)計(jì)性。,連續(xù)相基體,分散相增強(qiáng)材料,復(fù)合材料,界面,1.2.2 命名 （1）強(qiáng)調(diào)基體，以基體材料的名稱為主。如樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料。 （2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)材料，以增強(qiáng)材料的名稱為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 （3）基體材料名稱與增強(qiáng)材料名稱并用，增強(qiáng)材料在前、基體材料在后，中間用“/”分開(kāi)。如玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料、碳/鋁復(fù)合材料等。,1.2.3 復(fù)合材料的分類(lèi),（1）按基體材料分：聚合物基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，石墨基復(fù)合材料（碳-碳復(fù)合），混凝土基復(fù)合材料。 （2）按增強(qiáng)纖維種類(lèi)分：玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料、金屬纖維復(fù)合材料、陶瓷纖維復(fù)合材料。 （3）按增強(qiáng)材料形狀分：連續(xù)纖維復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料、粒狀填料復(fù)合材料、編織復(fù)合材料等。 （4）按用途分類(lèi)：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料，智能復(fù)合材料。,1.3.1 復(fù)合材料基體 1.3.1.1 聚合物基體 1. 熱固性樹(shù)脂 由某些低分子的合成樹(shù)脂，在加熱、固化劑或紫外光等作用下，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，并經(jīng)過(guò)凝膠化階段和固化階段形成不溶、不熔的固體。受熱后不再軟化，高溫分解破壞。一般是網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)。 （1）不飽和聚酯樹(shù)脂（UP） 主鏈上同時(shí)具有重復(fù)酯鍵及不飽和雙鍵（-C=C-）的聚合物。按化學(xué)結(jié)構(gòu)分為順酐型、丙稀酸型、丙稀酸環(huán)氧酯型和丙烯酸型聚酯樹(shù)脂等。由二元醇與不飽和二元酸或酸酐、飽和二元酸或酸酐經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的低聚物，溶于苯乙烯等單體中得到低粘度樹(shù)脂，在引發(fā)劑作用下，聚酯中的雙鍵與固化劑苯乙烯共聚形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 工藝性能好，力學(xué)性能較好，價(jià)格低，用量大，約占60%，可適合各種工藝。但體積收縮率較大，成型時(shí)氣味和毒性大，耐熱性、強(qiáng)度和模量較低，易變形。,1.3 復(fù)合材料的組成,(2)環(huán)氧樹(shù)脂（EP） 分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上活性環(huán)氧基團(tuán)的低聚物統(tǒng)稱為環(huán)氧樹(shù)脂 按分子結(jié)構(gòu)分為縮水甘油醚、縮水甘油酯、縮水甘油胺、線性脂肪族和環(huán)型脂肪族五類(lèi)。適合作復(fù)合材料的是雙酚A、多官能團(tuán)、酚醛環(huán)氧樹(shù)脂。 工藝性能好，力學(xué)性能優(yōu)異，良好的電學(xué)性能，耐熱性較好（120180），優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，突出的尺寸穩(wěn)定性和耐久性，但較脆，需增韌，價(jià)格較貴。使用范圍最廣，用于主承力結(jié)構(gòu)和耐腐蝕結(jié)構(gòu)。,(3)酚醛樹(shù)脂（PF） 酚醛樹(shù)脂：由酚類(lèi)和醛類(lèi)的縮聚產(chǎn)物。通常由苯酚和甲醛在催化劑條件下縮聚、經(jīng)中和、水洗而制成。 (4)其它熱固性樹(shù)脂 熱固性聚酰亞胺樹(shù)脂：（PI），主鏈上帶有大量芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，端頭帶有不飽和鏈而發(fā)生加成反應(yīng)，形成交聯(lián)性聚合物。由聯(lián)苯四甲酸二酐和對(duì)苯二胺合成的聚酰亞胺，熱分解溫度達(dá)到600。 乙烯基酯樹(shù)脂：乙烯基酯樹(shù)脂是由環(huán)氧樹(shù)脂與丙烯酸及其衍生物通過(guò)開(kāi)環(huán)加成化學(xué)反應(yīng)而制得。,2. 熱塑性樹(shù)脂 熱塑性樹(shù)脂：指具有線性或支鏈型結(jié)構(gòu)的一類(lèi)有機(jī)高分子化合物，可以反復(fù)受熱軟化（或熔化）冷卻后變硬。 特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，成本低，相對(duì)密度小，但其力學(xué)性能、使用溫度、抗老化性能方面不如熱固性樹(shù)脂。 （1）聚丙烯。無(wú)毒、無(wú)味，具有強(qiáng)度高、硬度大、耐磨、耐彎曲疲勞、耐熱溫度高、耐濕和耐化學(xué)性優(yōu)良、容易加工成型、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)具有低溫韌性差、不耐老化等缺點(diǎn)。 （2）聚酰胺。主鏈上含有酰胺基團(tuán)的高分子聚合物，俗稱尼龍（Nylon）。具有優(yōu)良的力學(xué)性能，強(qiáng)韌性好，蠕變變形小，耐汽油、耐高溫、耐寒，良好的電絕緣性、阻燃性、自熄性；減摩耐磨、耐腐蝕。但易吸潮，使機(jī)械、電氣性能下降。 （3）聚醚醚酮。半結(jié)晶性，熔點(diǎn)334，熱分解溫度650，長(zhǎng)期使用溫度250；模量與環(huán)氧樹(shù)脂相當(dāng)，強(qiáng)度高于環(huán)氧，斷裂韌性比環(huán)氧高一個(gè)數(shù)量級(jí)，已經(jīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)。,1.3.1.2 金屬基體 1. 用于450以下的輕金屬基體：鋁基、鎂基合金 （1）鋁：熔點(diǎn)660，密度2.7g/cm3。合金，強(qiáng)度達(dá)600MPa。鋁合金用于航天航空、電力、建材等。 （2）鎂：密度1.74g/cm3，熔點(diǎn)648.8C，彈性模量低（44.6GPa）、強(qiáng)度低。合金的比強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度達(dá)300MPa）、比剛度較高。鎂合金是航空工業(yè)常用的結(jié)構(gòu)材料，并用于光學(xué)儀器、電子、機(jī)械、汽車(chē)等行業(yè)。,2. 用于450700的金屬基體(鈦合金) 鈦的密度4.51g/cm3，熔點(diǎn)1678，熱膨脹系數(shù)?。?.3510-6-1），導(dǎo)電導(dǎo)熱差（僅為銅的1/17和1/25），優(yōu)異的耐蝕性，強(qiáng)度高，韌性和塑性好。摻少量Al、Cr、V的鈦合金經(jīng)熱處理，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1.4GPa，高溫強(qiáng)度也大提高。,3. 用于1000以上高溫的金屬基體：鎳基、鐵基合金和金屬間化合物 鎳基合金：鎳的熔點(diǎn)是1453，鎳大量用于制造合金。其中鎳基高溫合金，鎳含量高于50%的高溫合金（鐵含量很少5%），用量占現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)總重的40%，最高使用溫度達(dá)1000。 純鐵的熔點(diǎn)1534。鐵鎳基高溫合金，鎳含量2550%，鐵含量3050%的高溫合金。用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件，最高使用溫度達(dá)900。,部分鋁合金制品,部分鎂、鈦合金制品,1.3.1.3 陶瓷基復(fù)合材料的基體 1. 玻璃 玻璃：無(wú)機(jī)物經(jīng)熔融、冷卻、硬化得到的非晶態(tài)固體。 性能特點(diǎn)：透明、耐腐蝕、耐熱、絕緣、美觀。 品種：硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃等。 化學(xué)組成： 硅酸鹽玻璃主要SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO、K2O、PbO等 硼硅酸鹽玻璃主要SiO2、B2O3、Na2O、Al2O3等。,表1-1 常用玻璃和玻璃陶瓷基體的基本特性,2微晶玻璃 定義：特定組成的玻璃經(jīng)過(guò)控制晶化得到的多晶多相固體材料。 性能特點(diǎn)：采用玻璃生產(chǎn)工藝，具有陶瓷制品的結(jié)構(gòu)、性能特征，很多性能得到改進(jìn)。 品種：鋰鋁硅微晶玻璃（LAS），熱膨脹系數(shù)幾乎為零，抗熱震性好； 鎂鋁硅微晶玻璃（MAS），硬度高，耐磨性好，介電及絕緣性好。,3. 氧化物陶瓷,Al2O3陶瓷，常用，硬度高、耐高溫、耐侵蝕、絕緣好，但脆性大、抗熱震性差。 莫來(lái)石（3Al2O32SiO2）陶瓷，熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)和熱容低，抗熱震性好，強(qiáng)度較高。 ZrO2陶瓷，耐高溫（2000以上），導(dǎo)熱系數(shù)小。部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）斷裂韌性遠(yuǎn)高于其它結(jié)構(gòu)陶瓷，稱“陶瓷鋼”。,氧化鋯陶瓷制品,4. 非氧化物陶瓷,Si3N4陶瓷，強(qiáng)度高（室溫抗彎強(qiáng)度達(dá)200MPa），抗熱震性和抗高溫蠕變性能好，硬度高，耐腐蝕，抗氧化溫度達(dá)1000，電絕緣性好。 SiC陶瓷，高溫強(qiáng)度高，1400仍達(dá)600MPa，高溫導(dǎo)電性能好。,表1-2 常用耐高溫陶瓷基體材料的基本性能,氮化硅陶瓷制品,1.3.1.4 水泥基復(fù)合材料的基體 硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥混凝土。 1.3.2 復(fù)合材料增強(qiáng)體 按形態(tài)分為顆粒狀、纖維狀、片狀、編織狀等 按化學(xué)組成分為無(wú)機(jī)非金屬、有機(jī)聚合物和金屬類(lèi)。,圖1-3 各種纖維增強(qiáng)體的拉伸強(qiáng)度和彈性模量,表1-3 纖維增強(qiáng)體的典型品種和性能,1.2.3 復(fù)合材料的界面,1.3.3.1 復(fù)合材料界面的定義 界面：基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。尺寸很小，只有幾納米至幾微米。 1.3.3.2 界面相的作用 1傳遞作用。將外力由基體傳遞給增強(qiáng)物，起到基體與增強(qiáng)物的橋梁作用。 2阻斷作用。阻止裂紋擴(kuò)展、中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中。 3保護(hù)作用。保護(hù)增強(qiáng)體免受環(huán)境的侵蝕，防止基體與增強(qiáng)體之間的化學(xué)反應(yīng)。,1.3.3.3 聚合物基復(fù)合材料的界面 界面性能是由界面組成和結(jié)構(gòu)所決定的，因而與增強(qiáng)體與基體的組成、復(fù)合工藝密切相關(guān)。主要是界面結(jié)合強(qiáng)度和界面滑移阻力。 界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)于不同的復(fù)合材料要求不同，聚合物基復(fù)合材料的目的是提高強(qiáng)度和剛度，希望界面結(jié)合強(qiáng)度較高（但不是越強(qiáng)越好）；陶瓷基主要提高韌性，希望界面結(jié)合強(qiáng)度較低。 界面滑移阻力主要影響纖維拔出過(guò)程所消耗的能量，影響纖維與基體之間的載荷傳遞、纖維拔出長(zhǎng)度和增韌效果。,圖1-4 兩種具有不同界面性能復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,碳纖維增強(qiáng)鋁的抗拉強(qiáng)度和斷口形貌,1.3.3.4 界面工程 界面工程：研究不同異質(zhì)材料復(fù)合過(guò)程的合理設(shè)計(jì)、控制界面相的結(jié)構(gòu)和性能及其與復(fù)合材料整體性能的關(guān)系。 通過(guò)對(duì)增強(qiáng)體表面改性、基體改性、引入某種界面調(diào)節(jié)劑，從而形成最佳的界面層。 1有機(jī)硅偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維表面改性可以大大提高樹(shù)脂與纖維的結(jié)合性能。 2碳纖維表面沉積Ti-B涂層可以改善碳纖維與鋁液的浸潤(rùn)性、阻礙纖維與鋁的界面反應(yīng)。 3碳纖維表面沉積熱解碳對(duì)碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的作用。,1.4 復(fù)合材料的復(fù)合原理,1.4.1 顆粒增強(qiáng)原理 1.4.1.1 彌散增強(qiáng)原理 彌散增強(qiáng)原理可用位錯(cuò)繞過(guò)理論解釋。彌散微粒阻礙基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。在剪應(yīng)力i的作用下，位錯(cuò)的曲率半徑為： 式中：Gm為基體剪切模量，b為柏氏矢量。,圖1-6 彌散增強(qiáng)原理圖,若微粒之間的距離為Df，當(dāng)剪切應(yīng)力大到使位錯(cuò)的曲率半徑R=Df/2時(shí)，基體產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)的剪切應(yīng)力即為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度：,假定基體的理論斷裂應(yīng)力為Gm/30，基體的屈服強(qiáng)度為Gm/100，則得到微粒間距的上下限分別為0.3m和0.01m。即微粒直徑在0.01m0.3m時(shí)，具有增強(qiáng)作用。若微粒直徑為dp，體積分?jǐn)?shù)為Vp，微粒彌散且均勻分布。根據(jù)體視學(xué)原理，則： 微粒尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化效果越好。一般，Vp為0.010.15，dp為0.0010.1m。,1.4.1.2 顆粒增強(qiáng)原理 由尺寸較大（粒徑大于1m）的堅(jiān)硬顆粒與基體復(fù)合而成，其增強(qiáng)原理是雖然載荷主要由基體承擔(dān)，但顆粒也承受載荷并通過(guò)阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而約束基體的變形。在外載荷作用下，基體內(nèi)位錯(cuò)滑移在基體與顆粒界面上受到阻滯，并在顆粒上產(chǎn)生應(yīng)力集中，其值為： i=n 根據(jù)位錯(cuò)理論，應(yīng)力集中因子為： n=Df/(Gmb) 則： i=2Df/(Gmb),如果i=p時(shí)，顆粒開(kāi)始破壞，產(chǎn)生裂紋，引起復(fù)合材料變形，令p=Gp/c，則： 式中：Gp為顆粒剪切模量，c為常數(shù)。由此得到顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度為： 將體視學(xué)關(guān)系式代入得： 顆粒尺寸越小、體積分?jǐn)?shù)越高，增強(qiáng)效果越好。一般顆粒直徑150m，顆粒間距125m體積分?jǐn)?shù)550%。,1.4.2 單向排列連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板理論：認(rèn)為是單向?qū)悠砸欢樞虔B放起來(lái)。 1.4.2.1 縱向強(qiáng)度和剛度 1. 復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始階段 假定：纖維性能和直徑是均勻的、連續(xù)的并全部相互平行，纖維與基體之間的結(jié)合良好，在界面無(wú)相對(duì)滑動(dòng)；忽略纖維與基體之間熱膨脹系數(shù)、泊松比及彈性變形差引起的附加應(yīng)力；整個(gè)材料的縱向應(yīng)變可以認(rèn)為是相同的，即復(fù)合材料、纖維與基體具有相同的應(yīng)變：,圖1-7 單向纖維復(fù)合材料中的單層板,沿纖維方向的外載荷由纖維和基體共同承擔(dān)，應(yīng)有： 式中：A為相應(yīng)組分的橫截面積。上式變?yōu)椋?對(duì)于平行排列纖維的復(fù)合材料，體積分?jǐn)?shù)等于面積分?jǐn)?shù)，則：,因?yàn)閺?fù)合材料、纖維與基體具有相同的應(yīng)變，對(duì)應(yīng)變求導(dǎo)數(shù)： 式中： 表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率，在初始階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線是直線，斜率是常數(shù)，可用相應(yīng)的彈性模量代入，則： 符合“混合法則”（加和法則）,因?yàn)椋?所以： 復(fù)合材料中各組分所承載的應(yīng)力比等于相應(yīng)的彈性模量比。復(fù)合材料中各組分的承載比為： 圖1-8所示：纖維與基體的彈性模量比值越大，纖維體積分?jǐn)?shù)越高，則纖維承載越大。,圖1-8 纖維/復(fù)合材料承載比與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系,2. 復(fù)合材料初始變形后的行為 復(fù)合材料的變形階段： 纖維和基體均為線彈性變形； 纖維為繼續(xù)線彈性變形，基體非線性變形； 纖維和基體均為非線性變形； 隨著纖維斷裂，復(fù)合材料斷裂。 對(duì)于金屬基復(fù)合材料，由于基體的塑性變形，第二階段占應(yīng)力-應(yīng)變曲線的相當(dāng)部分，此時(shí)復(fù)合材料的彈性模量為： 式中： 是復(fù)合材料應(yīng)變點(diǎn)基體應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率。,3. 斷裂強(qiáng)度 (1)基體斷裂應(yīng)變大于纖維斷裂應(yīng)變 當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)足夠大時(shí)，基體不能承擔(dān)纖維斷裂后轉(zhuǎn)移的全部載荷，則復(fù)合材料斷裂。根據(jù)混合法則，復(fù)合材料縱向斷裂強(qiáng)度為： 式中：fu是纖維強(qiáng)度， 是對(duì)應(yīng)纖維斷裂應(yīng)變值的基體應(yīng)力。 當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)很小時(shí)，基體能夠承擔(dān)纖維斷裂后轉(zhuǎn)移的全部載荷，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度為： 解上述兩式，得到纖維控制復(fù)合材料斷裂所需的最小體積分?jǐn)?shù)為：,(2)基體斷裂應(yīng)變小于纖維斷裂應(yīng)變 當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，纖維不能承擔(dān)基體斷裂后所轉(zhuǎn)移的全部載荷，根據(jù)混合法則，復(fù)合材料縱向斷裂強(qiáng)度為： 式中：cu是基體強(qiáng)度，f*是對(duì)應(yīng)基體斷裂應(yīng)變時(shí)纖維承受的應(yīng)力。 當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，纖維能夠承擔(dān)基體斷裂后所轉(zhuǎn)移的全部載荷。假定基體能夠繼續(xù)傳遞載荷，則復(fù)合材料可進(jìn)一步承載，直至纖維斷裂。復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度為： 纖維控制復(fù)合材料斷裂所需的最小體積分?jǐn)?shù)為：,圖1 基體斷裂應(yīng)變小于纖維時(shí)u與Vf關(guān)系,1.4.2.2 橫向剛度和強(qiáng)度 1橫向模量（Halpin-Tsia公式） 復(fù)合材料橫向彈性模量ET為： 其中： 式中：是與纖維幾何、堆積幾何及關(guān)的參數(shù)，當(dāng)纖維截面積為圓形和正方形時(shí)，=2；矩形纖維，=2a/b，a/b是矩形截面尺寸，a是加載方向。,圖1-9 Halpin-Tsia橫向彈性模量與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系,2. 橫向強(qiáng)度 纖維對(duì)橫向強(qiáng)度不僅沒(méi)有增強(qiáng)作用，反而有反作用。假設(shè)復(fù)合材料橫向強(qiáng)度tu受基體強(qiáng)度mu控制，強(qiáng)度衰減因子S與纖維、基體性能及纖維體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，即： 按傳統(tǒng)材料強(qiáng)度方法，S是應(yīng)力集中系數(shù)SCF或應(yīng)變集中系數(shù)SMF，若忽略泊松效應(yīng)，則：,最大形變能判據(jù)：當(dāng)任何一點(diǎn)的形變能達(dá)到臨界值時(shí)，材料發(fā)生斷裂。則： 式中：Umax是基體中任何一點(diǎn)的最大歸一化形變能，是纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維堆積方式、纖維與基體界面條件、組分性質(zhì)的函數(shù)；c是外加應(yīng)力。 仿照顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的經(jīng)驗(yàn)公式，可以得到復(fù)合材料橫向斷裂應(yīng)變cb的表達(dá)式： 式中：mb是基體的斷裂應(yīng)變。 如果基體和復(fù)合材料之間有線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得到復(fù)合材料橫向斷裂應(yīng)力：,1.4.3 短纖維增強(qiáng)原理 1.4.3.1 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力傳遞機(jī)理 復(fù)合材料受力時(shí)，由基體傳遞給增強(qiáng)纖維?；w的變形量大于纖維，因此在界面上產(chǎn)生剪切力和剪應(yīng)變，界面上剪切力沿纖維方向的各處也不相同。,圖1-10 短纖維埋入基體受力前后變形示意圖,圖1-11 纖維長(zhǎng)度微元上力的平衡,1.4.3.2 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力傳遞理論 1. 應(yīng)力傳遞分析 剪切滯后分析，纖維長(zhǎng)度微元dz在應(yīng)力平衡時(shí)有： 即： 式中：f是纖維軸向應(yīng)力，是作用于柱狀纖維與基體界面的剪應(yīng)力，r是纖維半徑。 積分得： 式中：f0是纖維端部應(yīng)力，由于高度應(yīng)力集中，可以忽略。,假設(shè)纖維中部的界面剪切應(yīng)力和纖維端部的正應(yīng)力為零，假設(shè)纖維周?chē)幕w是完全塑性的，這樣，沿纖維長(zhǎng)度的界面剪切應(yīng)力可以認(rèn)為是常數(shù)，并等于基體剪切屈服強(qiáng)度，則： 對(duì)于短纖維，最大應(yīng)力發(fā)生在纖維中部（z=l/2）處： 式中：l是纖維長(zhǎng)度。纖維承載能力存在一極限值，應(yīng)等于相應(yīng)應(yīng)力作用于連續(xù)纖維復(fù)合材料時(shí)連續(xù)纖維的應(yīng)力： 式中：c是作用于復(fù)合材料的外加應(yīng)力，Ec根據(jù)混合法則得到。,將能夠達(dá)到最大纖維應(yīng)力(f)max的最短纖維長(zhǎng)度定義為載荷傳遞長(zhǎng)度lf，載荷從基體向纖維的傳遞就發(fā)生在纖維的lf長(zhǎng)度上。由下式定義為： 式中：d是纖維直徑。載荷傳遞長(zhǎng)度lf是外加應(yīng)力的函數(shù)，lc被定義為與外加應(yīng)力無(wú)關(guān)的臨界纖維長(zhǎng)度，即可以達(dá)到纖維允許應(yīng)力fu的最小纖維長(zhǎng)度為： 臨界纖維長(zhǎng)度也稱為“無(wú)效纖維長(zhǎng)度”，即在這個(gè)長(zhǎng)度上纖維承載應(yīng)力小于最大纖維強(qiáng)度。,2. 應(yīng)力分布的有限元分析 有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。 有限元方法與其他求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念。 基體實(shí)際上不是完全塑性體，而是彈塑性體。,圖1-13 纖維應(yīng)力沿纖維長(zhǎng)度的變化,3. 平均纖維應(yīng)力 纖維平均應(yīng)力為： 積分可以用應(yīng)力-纖維長(zhǎng)度曲線下的面積表示，使用圖1-13的應(yīng)力分布，則： （llf） 得到不同纖維長(zhǎng)度時(shí)的最大應(yīng)力比如表1-4所示。,表1-4 平均應(yīng)力-最大應(yīng)力比,1.4.3.3 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量與強(qiáng)度 1短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量 Halpin-Tsia公式： 其中：,圖1-16 縱向彈性模量與纖維長(zhǎng)徑比的關(guān)系,對(duì)平面內(nèi)隨機(jī)取向的短纖維復(fù)合材料，彈性模量的經(jīng)驗(yàn)公式：,2. 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度 混合法則來(lái)表達(dá)單向短纖維復(fù)合材料的縱向應(yīng)力： 式中：f是纖維平均應(yīng)力。假設(shè)纖維平均應(yīng)力等于，是小于1的正數(shù)，復(fù)合材料的平均應(yīng)力為： （llf） (llf）,若纖維應(yīng)力呈線性分布時(shí)，=1/2。當(dāng)纖維長(zhǎng)度比載荷傳遞長(zhǎng)度大得多，則上式方括號(hào)內(nèi)接近1，則： （llf） 能夠達(dá)到的最大纖維應(yīng)力（即纖維的極限強(qiáng)度f(wàn)u）的最小長(zhǎng)度稱為臨界長(zhǎng)度lc。它與施加應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)。 當(dāng)纖維長(zhǎng)度短于臨界長(zhǎng)度時(shí)，最大纖維應(yīng)力小于纖維平均斷裂強(qiáng)度，無(wú)論外加應(yīng)力多大，纖維不會(huì)斷裂，此時(shí)復(fù)合材料斷裂發(fā)生在基體或界面，復(fù)合材料強(qiáng)度近似為： （llc）,當(dāng)纖維長(zhǎng)度大于臨界長(zhǎng)度時(shí)，纖維應(yīng)力小于纖維平均斷裂強(qiáng)度，纖維應(yīng)力等于其強(qiáng)度時(shí)，纖維斷裂，復(fù)合材料強(qiáng)度為： （llc） （llc） 式中： 是纖維斷裂應(yīng)變?yōu)?時(shí)所對(duì)應(yīng)的基體應(yīng)力。,由式1-54與式1-55得到短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維最小體積分?jǐn)?shù)為： 將 代入式1-54得到臨界纖維體積為： 式中：,與連續(xù)纖維相比，短纖維復(fù)合材料具有更高的Vmin和Vcrit，因?yàn)槎汤w維不能全部發(fā)揮增強(qiáng)作用。纖維長(zhǎng)度比載荷傳遞長(zhǎng)度大得多時(shí)，平均纖維應(yīng)力接近于纖維斷裂強(qiáng)度，短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的行為接近于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 如果纖維體積分?jǐn)?shù)小于Vmin，纖維斷裂后基體承擔(dān)全部載荷，基體斷裂后復(fù)合材料才會(huì)破壞，復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度為： （VfVmin）,基體斷裂應(yīng)變大于纖維時(shí)u與Vf關(guān)系,