7-第七章_织物增强复合材料的弹性特征解析

织物复合材料的破坏与失效分析织物复合材料是由纤维和基体材料构成的一种强度高、刚度大的材料，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。

然而，由于外界环境和使用条件的影响，复合材料在使用过程中可能会出现破坏和失效。

本文将对织物复合材料的破坏与失效进行分析，以期提供研究和应用上的指导。

一、织物复合材料的组成织物复合材料主要由纤维和基体材料组成。

纤维通常是高强度的连续纤维，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。

基体材料可以是热塑性树脂、热固性树脂或金属等。

纤维通过编织或织造技术形成织物，与基体材料相互结合形成织物复合材料。

二、织物复合材料的破坏机制织物复合材料的破坏机制可以分为拉伸、剪切、压缩和扭矩等方式。

在受力作用下，复合材料中的纤维可能会断裂、滑移或疲劳。

基体材料则可能发生脆性断裂或塑性变形。

破坏机制的发生与复合材料的组成、结构、受力方向和环境条件等因素密切相关。

三、拉伸破坏与失效分析拉伸是织物复合材料最常见的受力方式之一。

在拉伸过程中，纤维受到拉力，可能会发生断裂或滑移。

断裂的原因通常是纤维的强度不够或存在缺陷。

滑移则是由于纤维与基体材料之间的黏结力不足所致。

失效的原因可能是由于拉伸过载、温度变化或湿度变化等因素导致。

四、剪切破坏与失效分析剪切是织物复合材料受到剪应力时的一种常见受力方式。

在剪切加载下，纤维与基体材料之间的剪切应力可能会导致纤维滑移、断裂或脱层。

滑移是指纤维在剪切应力下相对于基体材料发生的相对移动。

断裂和脱层的发生通常与纤维强度、界面黏结强度和载荷水平等因素密切相关。

五、压缩破坏与失效分析压缩是织物复合材料受到压应力时的一种常见受力方式。

在压缩加载过程中，纤维和基体材料都可能发生压缩变形或脆性断裂。

纤维的压缩变形通常是由于材料的初始缺陷、纤维疏松度或纤维的强度不足所致。

而基体材料的脆性断裂可能是由于初始裂纹或材料的脆性本质引起。

六、扭矩破坏与失效分析扭矩是织物复合材料受到扭转力矩时的一种常见受力方式。

引言传统的防弹材料以金属和陶瓷为主，这类防弹板材的使用寿命长，但存在着一些缺点，例如质量比较重等。

新型防弹塑料作为高强度材料，它可用来制作防弹玻璃和防弹服，质量只有传统材料的1/5至1/7[1]。

这是一种经过特殊加工的塑料材料，与正常结构的塑料相比，具有超强的防弹性。

传统的防弹材料在被子弹击中后会出现受损变形，无法继续使用，但这种新型材料受到子弹冲击后，虽然暂时也会变形，但很快就会恢复原状并可继续使用[2，3]。

新型防弹塑料为纤维增强复合材料（FiberReinforced Polymer-FRP），不仅能防止弹头得侵彻，而且能吸收子弹得冲击能量，避免冲击能量造成得伤害。

1. 防弹材料的防弹标准新型防弹材料的防弹标准沿用的旧防弹材料的标准，大体上按防弹性能将防弹材料分为A和B两个类别。

根据GA165-2016，A类为弹头或弹片未穿透防弹材料，防弹材料背面有飞溅物，但没有穿透测试卡。

B类为弹头或弹片未穿透防弹材料，防弹材料背面无飞溅物[4]。

具体的防弹等级按枪弹类型、弹头标称质量（g）、枪弹初速（m/s）、弹头结构、弹头直径×弹头长度（mm）、适用枪型分为六个等级以及特殊枪械对应的特殊等级[5]，在此不做赘述。

2. 纤维复合材料的防弹机理最早的防弹材料多使用陶瓷、金属等材料，当子弹打到防弹材料上时，将弹体或弹片碎裂后形成的破片予以弹开[5]，但是弹头产生的巨大动纤维增强防弹复合材料及应用张忠峰王克俭*（北京化工大学机电工程学院）摘要：本文主要介绍了新型防弹复合材料的防弹原理、纤维增强防弹复合材料的进展及防弹塑料片材的应用。

关键词：防弹塑料纤维增强复合材料超高分子聚乙烯纤维Fiber Reinforced Bulletproof Composites and ApplicationsZhang Zhongfeng Wang Kejian*（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology）Abstract：This paper mainly introduces the bulletproof principle of new bulletproof composite material，the progress of fiber reinforced bulletproof composite material and the application of bulletproof plasticsheet material.Keywords：bulletproof plastics fiber reinforced composites ultra-high molecular polyethylene fibers能无法消减，对被防护对象仍会造成一定的冲击。

纤维增强复合材料在工程结构中的应用一、FRP材料简介：纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer／plastic，简称FRP) 是由纤维材料与基体材料按一定定工艺复合形成的高性能新型材。

初期主要应用于航空、航天、国防等高科技领域，广泛应用于航天飞机、军舰、潜艇等军事装备上。

20世纪下半叶，随着FRP材料制造成本的降低，又因其轻质、高强、耐腐蚀等优点，成为土木工程的一种新型结构材料。

目前，在土木工程中应用的FRP材料主要有碳纤维增强复合材料(cFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)三种。

近年来，PBO纤维和玄武岩纤维也开始应用于土建工程中，并取得了良好的效果。

目前，FRP材料在我国土木工程中应用最多的是用于结构加固补强。

FRP加固修复技术的研究和应用已在我国逐渐展开，且正在以高速度发展。

在新建工程结构中，FRP结构和FRP组合结构的应用也日益受到工程界的重视。

FRP材料在土木工程中的应用和研究已成为了一个新的热点。

二、FRP材料的优点：1、有很高的比强度，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重。

在桥梁工程中，使用FRP结构或FRP组合结构作为上部结构可使桥梁的极限跨度大大增加。

理论上，用传统结构材料桥梁的极限跨度在5000 m以内，而上部结构使用FRP结构可达8000 m以上，有学者已经对主跨长达5000 m的FRP悬索桥进行了方案设计和结构分析E8]。

在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大2～3倍，因此，FRP结构和FRP组合结构是获得超大跨度的重要途径。

在抗震结构中，FRP 材料的应用可以减轻结构自重，减小地震作用。

另外，FRP材料的应用也能使结构的耐疲劳性能显著提高。

2、有良好耐腐蚀性，FRP可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，这是传统结构材料难以比拟的。

在美国每年因钢材腐蚀造成的工程结构损失高达700亿美元，近1／6的桥梁因钢筋锈蚀而严重损坏；加拿大用于修复因老化损坏的工程结构的费用达490亿加元；我国目前因钢材锈蚀而造成的损失也在逐年增加。

第1章绪论1.复合材料的定义(Composition Materials , Composite)复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。

复合材料=基体(连续相)+增强材料(分散相)分散相是以独立形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。

分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒或弥散的填料。

2.复合材料常见分类方法：1）按性能分：常用复合材料、先进复合材料2）按用途分：结构复合材料、功能复合材料3）按复合方式分：宏观复合、微观复合4）按基体材料分：聚合物基、金属基、无机非金属基5）按增强体形式分：纤维增强复合材料、颗粒增强、片材增强、叠层复合3.复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？三个结构层次: 一次结构——单层材料——微观力学一次结构二次结构——层合体——宏观力学二次结构三次结构——产品结构——结构力学三次结构设计层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计4.复合材料力学主要是在单层板和层合板这两个结构层次上展开的，其研究内容分为微观力学和宏观力学两部分。

第2章复合材料界面和优化设计1.复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观形式复合而成的多相材料。

2.复合材料界面机能：1）传递效应：基体可通过界面将外力传递给增强物，起到基体与增强体之间的桥梁作用2）阻断效应：适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用3）不连续效应：在界面上产生物理性能不连续性和界面摩擦现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性等4）散热和吸收效应：5）诱导效应3.界面效应既与界面结合状态、形态和物理、化学性质等相关，也与界面两边组元材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。

4.聚合物基复合材料是由增强体与聚合物基体复合而形成的材料。

聚合物基复合材料分类：热塑性、热固性聚合物基复合材料。

热塑性聚合物基复合材料成型两个阶段：①熔体与增强体之间接触和润湿②复合后体系冷却凝固成型。

1纤维增强复合材料弹性常数1 范围本标准规定了纤维增强复合材料弹性常数测试的术语和定义、试验概述、试验方法和试验报告。

本标准适用于单向纤维增强的 [0]ns 、[90]ns 和[0/90]ns 聚合物基复合材料层合板、经纬织物增强的聚合物基复合材料层合板的弹性常数测试。

所测弹性常数主要用于结构分析与设计，包括纵向、横向、法向的拉伸弹性模量（E 1、E 2、E 3）、泊松比（12μ、13μ、23μ）和剪切模量（G 12、 G 13 、G 23）。

2 规范性引用文件下列文件对于本文件的引用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则GB/T 3354 定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法 GB/T 3355 聚合物基复合材料纵横剪切试验方法 GB/T 3961 纤维增强塑料术语GB/T 4944-2005 玻璃纤维增强塑料层合板层间拉伸强度试验方法 3 术语和定义GB/T 3961确立的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1材料坐标系 material coordinate system用于描述纤维增强复合材料主轴方向和应力分量的笛卡尔坐标系（一般用1、2和3表示坐标轴），见图1。

2说明：1——纤维纵向； 2——纤维横向；3——层压方向或法向（厚度方向）； X ——层压板参考轴； ө——纤维铺层方向角。

注1：纤维增强复合材料3个主轴方向的拉伸弹性模量相应的定义为E 1、E 2、E 3。

注2：单轴应力在1轴方向作用时，引起2轴方向应变的泊松比定义为12μ；单轴应力在1轴方向作用时，引起3轴方向应变的泊松比定义为13μ；单轴应力在2轴方向作用时，引起3轴方向应变的泊松比定义为23μ。

注3：1-2平面的面内剪切模量定义为G 12，1-3平面的层间剪切模量定义为G 13，2-3平面的层间剪切模量定义为G 23。