复合材料的力学性能.ppt

皱损； 剪切破坏； 端部呈扫帚状破坏； 横向开裂。 皱损 基体承受很大的剪切变形 横向开裂 12.4 影响纵向强度和刚度的因素 纤维的取向； 纤维强度不均匀； 制造过程中对纤维的损伤； 纤维/基体界面强度不合适； 残余应力； 12.5单向复合材料的横向力学性能 基体主要承担载荷，纤维相当于夹杂物； 纤维/基体界面处应力集中，容易开裂， Vf较大时，相邻纤维的应力场互相影响 横向拉伸性能 横向拉伸弹性模量 横向拉伸总变形等于纤维的变形加上基体的变形，即?tt=?tf+?tm; 基体和纤维中应力相同； ?tt= ?t tt, ?tf= ?f tf,?tm= ?m tm ?t tt = ?f tf + ?m tm ?t = ?f tf/tt + ?m tm/tt ?t = ?f vt + ?m vm = ?f vt + ?m(1-vt) ?T/ET= vt ?fT/Ef + (1-vt)?m/Em Halpin-Tsai公式 上述公式计算的弹性模量偏小，常用Halpin-Tsai公式计算： 其中：?=(Ef/Em-1)/(Ef/Em+?), 对于圆形或正方形纤维，且纤维正方形排列： ?=2；矩形纤维： ?=2a/b. 横向拉伸强度 K?表示纤维为正方形排列时最大的应力集中系数； 横向拉伸强度受基体拉伸强度的限制； 当vf<60%时，上述公式预测结果比较准确； 对于给定的基体，横向拉伸强度随着Em和vf 的增加而降低。 横向拉伸的破坏模式： 纤维/基体界面开裂； 基体开裂； 沿纤维薄弱面开裂(芳香族聚酰胺纤维) 横向压缩 常见的失效方式：基体剪切破坏，破坏面一般平行于纤维方向； 失效的主要原因：纤维/基体界面脱粘； 横向压缩模量和强度远远小于纵向压缩模量和强度； 横向压缩模量高于基体模量，接近横向拉伸模量； 横向压缩强度几乎与vf无关。 12.6单向复合材料的面内剪切性能 剪切模量： Halpin-Tsai公式： 12.7短纤维复合材料的力学性能 一般来说基体模量小于纤维模量，所以基体纵向应变小于纤维应变； 界面结合良好，纵向应变的不同导致在纤维/基体界面上的剪切应力。 短纤维复合材料是依靠纤维/基体的界面剪切机制传递载荷的； 端部的应力传递为0. 剪滞理论 纤维中的应力分布 对于短纤维，纤维的应力是不均匀的，端部为0； 短纤维的最大应力发生在纤维长度的中部； 短纤维的最大剪应力在纤维端部； 对于理想塑性基体，弹性纤维，在给定载荷，纤维最大应力为： 纤维临界长度 对于给定纤维和界面结合条件，纤维的临界长度为： 不同纤维长度下纤维应力的变化 纤维平均应力 对于短纤维，尽管x<lc/2部分的应力小于纤维最大应力，但不能忽略其贡献； 平均应力计算： 定向排列的短纤维复合材料的强度 对于lf>lc，令(?f)max=?fu，lt=lc，得到下式： 除了在Vf非常小的情况下，缩短纤维长度降低了复合材料的强度； 由基体控制断裂的纤维体积分数更大。 定向排列的短纤维复合材料的模量 Bounding method Halpin-Tsai 随机取向短纤维复合材料的弹性模量 12.8 复合材料的损伤与断裂 陶瓷基复合材料的损伤过程 纤维断裂引起的应力集中 基体开裂 SiC/Al2O3 复合材料的基体裂纹 SiC/CAS 的基体裂纹 SiC/Glass 基体裂纹 SiC/CAS 裂纹间距随加载(190 MPa)次数的增加而降低 裂纹桥接 2D-C/C的裂纹桥接 纤维拔出 界面脱粘 C/Si-B-C的面内剪切断口 左：纤维/基体界面脱粘开裂，右：多层基体内界面脱粘裂 分层 12.8 CFCC强度的影响因素 热处理温度对室温强度的影响 热处理温度对SiC/CAS界面结合强度的影响 纤维和界面类型对2D-SiC基复合材料拉应力-应变曲线的影响. (a) CG-Nicalon/C/SiC, (b) Hi-Nicalon/C/SiC, (c) Hi-Nicalon/BN/SiC SiC/CAS的应力-应变关系 不同铺层方式对Nicalon/CAS强度的影响 预应变对SiC/CAS模量和基体裂纹间距的影响 不同应力和温度下的C/SiC残余应变 温度对CG-Nicalon/SiC和C/SiC层间剪切强度的影响 2D-SiC/SiC的弯曲强度与温度的影响 C/SiC复合材料拉伸强度与温度的关系 ? Effinger et al., 1996，●Camus and Barbier, 1995，□Lacombe and Bonnet, 1990 第十二章完 (a) (c) (b) 不同温度下C/Si-B-C的拉伸断口及应力应变曲线. (a)