复合材料力学性能ppt课件.ppt

2. 2. 复合材料的复合材料的力学性能力学性能2.1 高分子材料的力学高分子材料的力学状态状态 物质的物理状态物质的物理状态 相相 态态凝胶态凝胶态热力学概念热力学概念动力学概念动力学概念凝胶态凝胶态 根据物质根据物质对对外场外场（外部作用）特别是外力场（外部作用）特别是外力场 的响应特性的响应特性划分。划分。 按物质按物质力学性能力学性能随随温度温度变化的特性划分。变化的特性划分。力学状态力学状态2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 物质的力学三态物质的力学三态 气气态态 液液态态 固固态态温度增加温度增加 聚合物力学状态具有特殊性。原因：聚合物力学状态具有特殊性。原因： 没有气态；没有气态； 具有非晶态具有非晶态； 结晶具有不完善性。结晶具有不完善性。热机械曲线热机械曲线（形变（形变- -温度曲线）实验示意温度曲线）实验示意2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态等速升温等速升温 线型无定形线型无定形聚合物的力学三态及其转变聚合物的力学三态及其转变 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 线形无定形聚合物的力学三态：线形无定形聚合物的力学三态：玻璃态玻璃态、高弹态高弹态、粘流态粘流态 玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃态向高弹态转变的温度：玻璃转变温度（玻璃转变温度（Tg ）；）； 高弹态和粘流态之间的转变温度：高弹态和粘流态之间的转变温度： 粘流温度（粘流温度（Tf） 图图2.1 线型无定形高聚物热机械曲线线型无定形高聚物热机械曲线 玻璃态玻璃态T40% 晶区互相衔接，晶区互相衔接，贯穿成连续相贯穿成连续相。观察不到明显的。观察不到明显的 非晶区玻璃化转变现象。非晶区玻璃化转变现象。 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 图图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线高结晶度聚合物的热机械曲线 不呈现高弹态不呈现高弹态呈现高弹态呈现高弹态 结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩聚合物的摩尔平均质量尔平均质量。问题：问题：交联、网状聚合物是否有粘流态？交联、网状聚合物是否有粘流态？ Cross-linked 交联交联 Network（3D） 网状网状答案：答案：不出现粘流态。不出现粘流态。2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 玻璃化转变玻璃化转变现象及现象及Tg的重要性的重要性 2.1 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 玻璃化转变是高聚物的一种玻璃化转变是高聚物的一种普遍现象普遍现象。 发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全发生玻璃化转变时，许多物理性能发生急剧变化，可完全 改变材料的使用性能改变材料的使用性能： TTg 时高聚物处于高弹态（弹性体）时高聚物处于高弹态（弹性体） T m（脆（脆-脆复脆复合材料）合材料）当当Vf较低时，较低时，单层板强度单层板强度1 主主要依赖于要依赖于m，在纤维断裂前先在纤维断裂前先发生基体断裂，所有载荷转移发生基体断裂，所有载荷转移到纤维上而最终使纤维破坏，到纤维上而最终使纤维破坏，则则 1 = fVf+m(1-Vf)f、m：基体破坏时纤维承受的拉伸应力和纤维破坏基体破坏时纤维承受的拉伸应力和纤维破坏时基体所承受的应力。时基体所承受的应力。断裂前断裂前f f m m时，先时，先发生基体断裂发生基体断裂当当Vf较大时较大时，因，因EfEm，基体只承受小部基体只承受小部分载荷，载荷增加至纤维断裂，分载荷，载荷增加至纤维断裂，则：则：1= f Vf 可求出可求出V Vf f当当Vf V Vf f时，拉伸过程会出现基体的多重开裂。时，拉伸过程会出现基体的多重开裂。注：这种现象对复合材料注：这种现象对复合材料断裂计算是很重要的。断裂计算是很重要的。最终裂纹间距依赖于最终裂纹间距依赖于Ef/Em值、粘结强度及纤维与基值、粘结强度及纤维与基体的破坏应变之差。体的破坏应变之差。（2）当）当f m时，脆时，脆-韧复合材料，纤维将首先破韧复合材料，纤维将首先破坏。坏。当当Vf较小时较小时，纤维断裂而转移载荷很小，复合材，纤维断裂而转移载荷很小，复合材料的强度为：料的强度为：1 = m(1-Vf)当当Vf较高时较高时，纤维断裂而转移到基体上载荷很大，纤维断裂而转移到基体上载荷很大，此时，基体随之断裂，复合材料的强度为：此时，基体随之断裂，复合材料的强度为：1 = f Vf+m (1-Vf)可求得交叉点可求得交叉点Vf：表示对应于表示对应于f m时两种破坏时两种破坏形式变化时的纤维体积含量。形式变化时的纤维体积含量。Vmin：纤维起增强效果的体积分数：纤维起增强效果的体积分数1 随随Vf变变化如图所化如图所示示作业：作业：o 请推导复合材料单向板受轴向载荷时，纤维承请推导复合材料单向板受轴向载荷时，纤维承受的载荷占总载荷的比例公式，并计算受的载荷占总载荷的比例公式，并计算Vf=0.5的单向板，当的单向板，当Ef/Em分别为分别为0.1、1、10、50时，纤维承担的载荷所占的比例分别时，纤维承担的载荷所占的比例分别为多少？为多少？