文档介绍：复合材料搭接剪切强度强度第七章复合材料的强度与断裂近代科学技术,特别是宇航、航空等工业的发展,对材料的要求越来越高。除要具有高强、高模量、耐高温、低密度外,还对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀等提出种种特殊要求,这对单一材料来说往往无能为力。采用复合技术,把一些不同的材料复合起来,取长补短,来满足高性能的要求,于是产生了现代复合材料,其发展很快,前景诱人。复合材料概述复合材料的定义复合材料是用两种或两种以上不同性质、不同形态的材料通过复合工艺而形成的多相固体材料。复合材料中至少有两相,其中一相是连续的,称为基体,另一相为基体所包容,称为增加体。复合材料不仅能保持原组分材料的部分特点,而且具有原组分材料所不具有的新性质。通过选择、设计,使组分材料的性能相互补充,以形成具有优异性能的材料。复合材料的性能,取决于原材料种类、形态、比例、分布及复合工艺条件等因素。通过人为调节和控制这些因素,可获得不同性能的复合材料。因而复合材料是一类性能可设计的新型材料,能够在广阔范围内调节其性能以满足使用要求。复合材料的分类从使用上看,复合材料可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。对于功能复合材料,主要使用它的声、光、电、热、磁等物理性能。对于结构复合材料,由于主要应用在受力构件上,故对力学性能有较高要求,需要了解其刚度、强度、断裂等特性。本章将仅就结构复合材料的强度和断裂问题作简要介绍。在桔构复合材料中,通常以所用的基体材料类型来分类,如金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料等。结构复合材料还可按增强材料的形态分类,如颗粒增强复合材料、晶须增强复合材料、短纤维增强复合材料、长纤维增强复合材料等。复合材料的结构类型由于增强体形态的多样化,复合材料存在着复杂的结构,正是由于这种复杂的结构,使复合材料具有组分材料所没有的特殊性能。复合材料的结构一般可以有以下五类,如图7-1所示: 图7-1复合材料的复合体结构类型网状结构:一相三维连续,另一相二维连续或两相都是三维连续。层状结构:两组分相均为二维连续。所形成的复合材料在垂直于增强相和平行于增强相的方向上,其力学性能是不同的,特别是层间剪切性能差。单向结构:增强体在一维方向上连续,特指纤维单向增强复合材料或简状结构复合材料。分散结构:增强相为不连续相,特指颗粒和短纤维增强复合材料。镶嵌结构:这是一种分段镶嵌结构,在结构复合材料中很少见。但是各种粉末状物质通过高温烧结而形成不同相的镶嵌结构,可形成有价值的各种功能材料。复合材料的力学性能特点①比强度、比模量大。仅就强度和刚度而论,复合材料并不具有明显的优越性,但考虑到比强度和比刚度时,复合材料的优点明显地体现出来了,表7-1列出了两种金属材料及一些纤维增强复合材料上述性能的数值,例如,碳/环氧树脂复事材料的比强度和比刚度是钢和铝合金的4~5倍。这一点对运动构件,特别是航天与航空飞行器来说非常重要,减少重量可大大提高效率和节省能源。②耐疲劳性能好金属的疲劳破坏常在没有明显预兆时突然发生,而复合材料疲劳破坏前有明显的刚度降低。大多数金属材料疲劳强度仅是拉伸强度的30%~50%,而复合材料疲劳强度可达拉伸强度的70%~80%。③减震性能好结构的自振频率除与自身形状有关外,还与结构材料比模量平方根成正比。复合材料比模量较高,故其构件有较高的自振频率。同时复合材料具有吸震能力,振动阻尼高。④耐烧蚀性能好聚合物基复合材料的组分具有高的比热、熔融热和汽化热,在高温下可吸收大量的热能,因此复合材料常作为飞行器再入大气层所必须的耐烧蚀材料。⑤过载安全性好复合材料中有大量独立纤维,每cm2面积上纤维数少则几千根,多可达数万根。当这类材料的构件过载并有少量纤维断裂时,载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上,这样,在短时间内不会使整个结构失去承载能力。复合材料也存在一些缺点,如材料复合工艺的稳定性差,性能数据分散性大,长期耐高温与环境老化性能不好,横向强度和层间剪切性能差。单向连续纤维复合材料的宏观强度理论单向连续纤维复合材料沿纤维排列方向的强度和模量均很高,因此是受力结构复合材料中最重要的一类。此外若将单向连续复合材料制成薄板形态,它既可作为单独构件使用,此时称为单层板,也可将不同方向的单层板叠合起来成为叠层板使用,在这种情况下,单层板又是叠层板的基本单元。因此了解单向复合材料的强度是非常重要的。分析单层板常用的参考坐标系如图7-2所示,由于单层板一般很薄,其板面法线方向有关的应力分量与板面内的应力分量相比很小,可以忽略不计,于是可简化为二维广义平面应力问题。此外,在分析中还将单层板视为宏观均匀、连续的正交各向异性体,其正轴和偏轴方向的应力分量如图7-3所示图7-2单层坐标系图7-3单层板坐标和相应的应力分量正轴情况偏轴情况单层板由于是正交各向异性体,且拉伸和压缩强度又有所不同,故