复合材料细观力学-1讲解

复合材料的复合原则与机制复合材料的性能与微观相的特性、形状、体积分数、分散程度以及界面特性等有很大的关系。

在对复合材料进行设计和性能预测以及性能分析时，需要用到复合材料的一些基本理论，即复合材料的复合原则与机制。

一、颗粒增强原理颗粒增强复合材料中主要承受载荷的是基体而非颗粒。

从宏观上看，颗粒增强复合材料中的颗粒是随机弥散分布在基体中的，这些弥散的质点阻碍基体中的位错运动。

如果质点是均匀分布的球形颗粒，直径为d，体积分数为Vp，则复合材料的屈服强度可用下式表示：式中Gm为基体的切变模量，b为柏氏矢量。

可以看出，弥散颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。

颗粒增强的拉伸强度往往不是增强，而是降低的。

当基体与颗粒无偶联时，可以认为颗粒最终与基体完全脱离，颗粒占有的体积可看作孔洞，此时基体承受全部载荷，颗粒增强复合材料的拉伸强度为：式中为基体的拉伸强度。

上式表明，随颗粒体积含量Vp 的增加而下降。

并且此式仅适用于Vp≤40%的情况。

有偶联时的情况比较复杂，此时材料的拉伸强度不再出现随颗粒体积含量的增加而单调下降的情况，且拉伸强度明显提高。

除了以上直接的影响之外，加入颗粒导致晶粒尺寸、空洞和晶界性能的变化也间接的影响复合材料的力学性能。

二、连续纤维增强连续纤维增强复合材料是由长纤维和基体组成的复合材料。

在工程上，一般将复合材料简化为图3的层板模型来分析其力学行为。

图3的二维层板模型有并联和串连两种考虑方式。

在串联模型中，纤维薄片和基体薄片在横向上呈串联形式，意味着纤维在横向上完全被基体隔开，适用于纤维所占百分比较少的情况；而并联模型则意味着纤维在横向上完全连通，适用于纤维含量较多的情况。

1．串联模型的弹性常数：（1）纵向弹性模量E11在串联模型中取出代表体积单元，平均应力σ1。

由材料力学知道，已知纤维材料的弹性模量E f和基体材料的弹性模量Em, 欲求单元应变ε1或纵向弹性模量E11的问题是一次超静定问题。

第一章 绪论复合材料的定义： 复合材料(Composite materials)，是由界面分明、物理化学性质不同的组分材料，通过物理或化学的方法构成的性能优越的多相材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

复合材料应具有以下三个特点：(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。

(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。

(3)复合材料具有可设计性。

复合材料的发展现状（1）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟 广泛的应用（2）金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位（3）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决 复合材料的组成结构特点和分类*细观复合：一种或几种制成细微形状的材料均匀分散于另一种连续材料中宏观复合：两层以上不同材料的叠合,层合复合材料可以是几种单成分材料,也可以细观复合材料细观复合材料的组成结构特点：1基体相（连续相）：Co 包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，作用是粘结保护分散相材料和传递应力2界面：位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域3增强相（分散相）：被基体相包裹分隔，具有比基体相高的模量和强度，起到抵抗变形和破坏的作用 细观复合材料的分类细观复合材料的分类 （按分散相分类)1纤维增强复合材料 (包括连续纤维增强：“纤维的两端达到制成的复合材料构件的边界” 和 短纤维增强："将长纤维或纤维束切断分散于基体中"）2 颗粒增强复合材料 3晶须增强复合材料按连续相分类 非金属基复合材料 金属基复合材料 聚合物基复合材料碳基复合材料 陶瓷基复合材料 热固性树脂 热塑性树脂第二章复合材料增强体(1.纤维2.颗粒3.晶须)一纤维增强纤维的分类:有机纤维：芳纶纤维聚乙烯纤维尼龙纤维无机纤维：玻璃纤维碳纤维硼纤维氧化铝纤维碳化硅纤维氮化硼纤维纤维增强体的形态复合材料中的纤维连续是合成纤维，是上万跟纤维组成的基本无捻的长丝束/纱，称为粗纱。

3.1 结构设计一般原则
(2) 按使用载荷设计时，采用使用载荷所 对于的许用值称为使用许用值；按设 计载荷校核时，采用设计载荷所对应 的许用值，称为设计许用值。 许用值是计算中允许采用的性 能值，由一定的试验数据确定。
3.1 结构设计一般原则
数据统计方法
制造期间的操作差异 原材料批间差异 检验差异 材料固有差异
界面区能量流散的因素
界面能量流散与基体类型（脆性、韧性）、界面 粘结状态、固化反应化学键分布等很有关系
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2. 复材界面与纤维/树脂匹配
裂纹的扩展与能量流散过程
能量
树脂 纤维
界面粘结很强：裂纹未在界面区扩展，较多能量集中于裂纹尖端，冲断纤维 复合材料呈现脆性破坏特征
纤维
能量
树脂
界面粘结很弱或裂纹尖端能量很大：在界面产生大面积脱粘破坏，同时于裂 纹尖端能量依然集中，引起纤维断裂
环境 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温
1. 复合材料力学性能特点
层压板力学性能
编号 1 2 3 4 5 6
性能项目 开孔拉伸强度 填孔拉伸强度 开孔压缩强度 填孔压缩强度 冲击后压缩强度
挤压强度
环境
室温干态 室温湿态 高温干态 高温湿态
1. 复合材料力学性能特点
数据归一化
纵L 向 (x)
强度、模量 强度、模量
横T 向 (y)
强度、模量
剪切
纵横剪切强度、纵横剪切模量
1. 复合材料力学性能特点
单向板力学性能工程常数
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
性能项目 0°拉伸强度 0°拉伸模量
泊松比 90°拉伸强度 90°拉伸模量 0°压缩强度 0°压缩模量 90°压缩强度 90°压缩模量 面内剪切强度 面内剪切模量

第5章复合材料界面力学任何两种材料接触在一起，就存在一个界面，即使在同一种材料内部的原子之间、分子之间或晶粒之间也存在界面。

界面可以理解为数学界面和物理界面两种，数学界面只是一个理想化的概念，这种界面没有厚度，没有材料与性能的过渡；而物理界面却是有一定厚度的界面层，可以看作一相材料。

界面随着两种材料的接触而存在，随着两种材料的分离而消失。

在复合材料中，界面有不可缺少的作用。

复合材料中的纤维与基体通过界面粘接在一起，界面的性能可通过粘接方式得到控制。

进一步的研究发现，界面的性能对复合材料的各种性能有显著的影响，但程度是不同的，有正面的，也有负面的。

例如：为了提高复合材料的强度和抗蠕变性能，需要一个较强的界面；但为了提高复合材料的韧度，则希望存在一个较弱的界面，以有利于更多地耗散断裂过程中的能量。

因此，可以设计复合材料的界面，以调控复合材料的宏观力学性能，寻求一种综合性能的平衡或最优化的复合材料。

本章主要介绍复合材料界面性能表征、应力传递理论以及界面性能的分析方法。

§5.1 界面与界面层的形成机理在复合材料中，纤维与基体之间的界面是两种材料物理化学作用或固化反应的产物。

界面从宏观上可以简单地看作是两相材料的分界面，没有厚度，但它有一定的力学性能，界面的强度甚至有可能超过基体材料。

在细观尺度上，界面是具有一定厚度的界面层或界面相，其尺度范围在nm至 m之间，利用电镜可以观察到界面层的结构，但一般难以精确确定界面层的厚度。

复合材料界面（层）的几何与力学特性的表征一直是复合材料领域中的研究热点。

界面的形成机理是很复杂的，包含了许多复杂的物理和化学因素。

界面层的几何与力学特性不仅与两相组分材料有关，而且与复合工艺条件有密切的关系。

在纤维复合材料中，通过对纤维表面进行预处理可以部分控制界面的特性。

目前，对界面的形成机理主要有如下基本理论。

（1）化学键合作用，认为基体表面上的官能团与增强物表面上的官能团发生化学反应，形成由共价键结合而成的界面区。