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1、 第十章 单向复合材料的静 态力学性能 2010.9 10.1 单向复合材料的对称性和基本性能指标 一、单向复合材料的对称性 用纤维复合材料制造的层合板或构件大都 由许多性质不同的单向铺层构成。通常每个铺 层是用相同组分的材料制成的,但是一个铺层 与另一个铺层可以在以下几个方面不相同: 组分相对体积; 增强材料形式,如长的或短的纤维、编织的或 未编织的增强材料; 纤维的取向。 10.1 单向复合材料的对称性和基本性能指标 此外,在混杂复合材料中,各个铺层中的 组分材料还可不同。因此,单一铺层的复 合材料代表了层合板结构的一个基本结构 单元,称之为单向复合材料。 典型的单向复合材料铺层示意图 它
2、是由平行的纤维嵌入基体中构成。将几层单 向铺层,按照规定的方向和顺序铺叠起来,即 可制造成复合材料层合板。 单向铺层呈现正交各向异性,并有3个对称平面 。参见上图,三个对称平面与坐标x、y、z相符 合。平行于纤维的方向称为纵向(x轴),垂直 于纤维的方向称为横向(y向或z向)。通常, 在纵向上铺层有最强的性能,而在其它两个横 向方向上,材料性能近似相等。因此,铺层可 被看作是横向各向同性。也就是说,在y-z平面 内,材料各向同性。 实际的单向铺层在铺层厚度范围内,常常有数根 纤维穿过铺层,而且纤维在整个截面内随机分布 ,有时甚至在一些部位可能彼此接触。只有直径 很大的纤维(如硼纤维)才可能在铺
3、层厚度范围 内仅能容许一根穿过。 增强体 增强体 铺层横截面示意图 对于各向异性的单向复合材料,强度 和刚度都将随方向而改变。 单向复合材料有五个特征强度值,即 : 纵向拉伸强度 横向拉伸强度 纵向压缩强度 横向压缩强度 面内剪切强度 还有四个特征弹性常数,即: 纵向弹性模量、 横向弹性模量、 主泊松比 面内切变模量。 实验结果表明,这些特征强度和弹性 常数是彼此独立的。因此,单向复合材料 有9个基本性能数据(单轴加载)。 二、单向复合材料基本性能测试 单向复合材料的9个独立的基本性能指标 是采用标准试验方法测定的。 拉伸试验 与金属拉伸实验相仿,单向复合材料的拉 伸试验要在纵向和横向两个方向
4、分别进行 。 拉伸试验 与金属拉伸实验相仿,单向复合材料的拉伸 试验要在纵向和横向两个方向分别进行。 单向复合材料层板纵向受作用力x,由于 泊松效应引起双轴应变,在线弹性条件下 ,有: 式中:EL 纵向弹性模量; 为纵 向泊松比,称为主泊松比。 单向复合材料横向作用单轴拉应力,也引 起双轴应变: 式中: 横向弹性模量; 为横向泊松比,称为次泊松比。 横向刚度与纵向刚度的比较 由前述对纵向刚度和横向刚度的模型可以 分别预测复合材料的纵向刚度EL和横向刚 度ET。 纤维在提高复合材料横向模量方面的作用 远远小于纵向。 从理论上看,只有纤维的含量提高到90 以上,才能使横向模量提高到与纵向模量 相当的水平,而这样高的纤维含量实际上 是不可能的。 因此,除纤维分数很高情况,实际纤维对 提高横向模量贡献不大。 10.3 复合材料的失效模式和强度 对于复合材料,材料内部的损伤通常远远早于 能观察到宏观外貌或特性的变化。复合材料内 部损伤的主要形式有: 1. 纤维断裂 2. 基体微观断裂 3. 纤维与基体分离(脱胶) 4. 在层合复合材料中铺层彼此分离(分层) 这些损伤形式可能单独地发生,也可能联合出 现,且仅当内部损伤累积到一定程度时,才能 观察到内部损伤对材料宏观性能的影响。 韧性或脆性纤维与韧性基体构成的复合材料的应力-应变 曲线