第十章 復(fù)合材料的力學(xué)性能

第十章復(fù)合材料的力學(xué)性能

第一節(jié)

復(fù)合材料的概念與性能特點(diǎn)第二節(jié)

單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能第三節(jié)

短纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能

第四節(jié)

復(fù)合材料的斷裂、沖擊與疲勞性能第一節(jié)

復(fù)合材料的概念與性能特點(diǎn)10.1.1復(fù)合材料的定義復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合起來而形成的多相固體材料。從復(fù)合材料的組成與分布看，在復(fù)合材料中通常有一種相為連續(xù)相，稱為基體；有一種或幾種不連續(xù)相分布于基體中，且不連續(xù)相的強(qiáng)度、硬度通常比連續(xù)相高，稱為增強(qiáng)體。增強(qiáng)體以獨(dú)立的形態(tài)分布在基體中，二者之間存在相界面。增強(qiáng)體在復(fù)合材料中主要用來承受載荷、提供剛度和強(qiáng)度、控制材料性能的作用，因此增強(qiáng)體的彈性模量常比基體高；基體主要起著粘結(jié)和連接作用以固定和粘附增強(qiáng)體，從而將復(fù)合材料所受的載荷傳遞并分布到增強(qiáng)體上。

10.1.2復(fù)合材料的分類（1）按增強(qiáng)體的種類和形態(tài)，可分為纖維（長纖維、短纖維）增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、層疊增強(qiáng)復(fù)合材料(或稱層狀)及填充骨架型復(fù)合材料等（2）按基體材料，可分為聚合物基（又稱樹脂基）復(fù)合材料（RMC）、金屬基復(fù)合材料（MMC）、陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、碳/碳基復(fù)合材料等（3）按材料的作用或用途，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類復(fù)合材料的形態(tài)示意圖（a）纖維復(fù)合材料（b）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（c）層狀復(fù)合材料（d）填充骨架型復(fù)合材料（a）（b）（c）（d）*對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，按纖維的形狀、尺寸可分為連續(xù)纖維、短纖維和纖維布增強(qiáng)復(fù)合材料；*按構(gòu)造形式又可細(xì)分為單層復(fù)合材料、疊層復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料和混雜復(fù)合材料等三類。

*

單層復(fù)合材料（又稱單層板）中的纖維可按一個(gè)方向整齊排列，也可按雙向交織排列單層復(fù)合材料的構(gòu)造形式，（a）單向纖維；（b）交織纖維

*疊層復(fù)合材料（又稱層合板），是由多層的單層板材料構(gòu)成，但各單層板中的纖維方向不同

*短纖維復(fù)合材料由隨機(jī)取向或單向排列的短切纖維與基體組合構(gòu)成

疊層復(fù)合材料的構(gòu)造形式，(a)α;(b)0;(c)90;(d)

-α

短纖維復(fù)合材料的兩種構(gòu)造形式，（a）隨機(jī)取向；(b)單向排列10.1.3復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

(1)高比強(qiáng)度、比模量復(fù)合材料有著比其他材料高得多的比強(qiáng)度和比模量。如碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的比強(qiáng)度是鋼的七倍，比模量是鋼的三倍。

(2)抗疲勞性能好材料的疲勞破壞常常是沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維和基體間的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展。

(3)減振性能好由于構(gòu)件的自振頻率與材料比模量的平方根成正比；而復(fù)合材料的比模量大，因而它的自振頻率很高，在通常加載速率下不容易出現(xiàn)因共振而快速脆斷的現(xiàn)象。同時(shí)復(fù)合材料中存在大量纖維與基體的界面，由于界面對振動(dòng)有反射和吸收作用，所以復(fù)合材料的振動(dòng)阻尼強(qiáng)，即具有良好的減振性。

(4)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)通過改變增強(qiáng)體、基體的種類及相對含量、復(fù)合形式等，可設(shè)計(jì)出滿足工程結(jié)構(gòu)與性能需要的復(fù)合材料。此外根據(jù)材料組成的不同，復(fù)合材料還可具有很高抗高溫蠕變、摩擦磨損等的力學(xué)性能，及良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱、壓電、吸波、吸聲等物理和化學(xué)性能。但與此同時(shí)復(fù)合材料也存在嚴(yán)重的各向異性、性能分散度較大、成本較高、韌性有待進(jìn)一步提高等缺點(diǎn)，需要在復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備和使用時(shí)加以考慮。10.1.4復(fù)合材料的應(yīng)用

*古代：土坯磚（黏土+稻草）、寶劍（包層復(fù)合材料）*現(xiàn)代：膠合板、鋼筋混凝土、夾布橡膠輪胎、玻璃鋼等*應(yīng)用領(lǐng)域：航空、航天、建筑、車輛、電器、機(jī)械工程、體育器械、醫(yī)學(xué)等。第二節(jié)單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是連續(xù)纖維在基體中呈現(xiàn)單向平行排列的.

由于復(fù)合材料是各向異性的材料。它有五個(gè)特征強(qiáng)度值，即縱向抗拉強(qiáng)度、橫向抗拉強(qiáng)度、縱向抗壓強(qiáng)度、橫向抗壓強(qiáng)度、面內(nèi)抗剪強(qiáng)度，這些強(qiáng)度在宏觀尺度上是彼此無關(guān)的。它還有四個(gè)特征彈性常數(shù)，即縱向彈性模量、橫向彈性模量、主泊松比、切變模量，這四個(gè)彈性常數(shù)也是彼此獨(dú)立的?？梢姡瑔蜗蜻B續(xù)纖維復(fù)合材料有9個(gè)基本性能指標(biāo)。單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的鋪層示意圖10.2.1單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的彈性性能

1）縱向彈性模量將單向連續(xù)纖維復(fù)合材料中纖維與基體看成兩種彈性體的并聯(lián)，且纖維連續(xù)、均勻、平行地排列于基體中，纖維與基體粘接牢固，且纖維、基體和復(fù)合材料有相同的拉伸應(yīng)變，基體將拉伸力F通過界面完全傳遞給纖維，根據(jù)力的平衡關(guān)系，有：（10-1）（10-2）（10-3）單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的簡化模型式中、、為復(fù)合材料、纖維和基體的截面積；、為纖維、基體的體積分?jǐn)?shù)；、為纖維和基體所受的應(yīng)力。

則復(fù)合材料所受的平均拉伸應(yīng)力為：（10-4）因纖維和基體都處于彈性變形范圍內(nèi)，根據(jù)虎克定律有：（10-5）式中、、為復(fù)合材料、纖維、基體的縱向應(yīng)變；、、為復(fù)合材料、纖維、基體的彈性模量。根據(jù)等應(yīng)變假設(shè)，所以有：（10-6）這就是單向連續(xù)纖維復(fù)合材料縱向彈性模量的表達(dá)式，稱作混合定律。

混合定律表示，當(dāng)纖維的體積分?jǐn)?shù)由0變化到1時(shí)，縱向彈性模量從線性增加到2）橫向彈性模量當(dāng)單向連續(xù)纖維纖維復(fù)合材料受到橫向應(yīng)力時(shí)，常將復(fù)合材料簡化為纖維（纖維含量較小時(shí)）和基體的串聯(lián)，此時(shí)纖維與基體具有相同的應(yīng)力，即。

玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的隨的變化曲線計(jì)算單向連續(xù)纖維復(fù)合材料橫向性能的簡化模型

根據(jù)串聯(lián)模型，在橫向載荷作用下，復(fù)合材料的橫向伸長等于纖維和基體的橫向伸長之和，即（10-7）根據(jù)虎克定律，復(fù)合材料的橫向應(yīng)力為：（10-8）纖維的橫向應(yīng)力為：（10-9）基體的橫向應(yīng)力為：（10-10）將式（10-8）、式（10-9）和式（10-10）代入式（10-7）得：

（10-11）

如定義，上式變?yōu)椋海?0-12）根據(jù)串聯(lián)模型的等應(yīng)力假設(shè)，所以有：或（10-13）不同和條件下按式（10-13）計(jì)算出的值，如表?？梢姡词?，也需要才能將提高到的兩倍；即除非很高，否則纖維對的提高起不了多大作用。

但實(shí)際上，在推導(dǎo)式（10-13）時(shí)的假設(shè)并不完全合理，因?yàn)榇怪庇诶w維和基體邊界面上的位移應(yīng)相等。因此按式（10-13）計(jì)算出的橫向彈性模量要比其實(shí)驗(yàn)值明顯偏小，如下圖所示。

為此，當(dāng)纖維含量較高時(shí)，單向連續(xù)纖維復(fù)合材料中的纖維呈束狀分布、且纖維緊密接觸，其間雖有基體材料但極薄，可認(rèn)為這部分基體的變形與纖維一致、纖維與基體有相同應(yīng)變，即為并聯(lián)模型。

與的關(guān)系曲線

由于計(jì)算橫向彈性模量的并聯(lián)模型與推導(dǎo)縱向彈性模量的模型相同，因此按并聯(lián)模型計(jì)算時(shí)的橫向彈性模量為：（10-14）式（10-13）和式（10-14）分別是在兩種極端條件下單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的橫向彈性模量，其中是纖維全部分散、獨(dú)立時(shí)的橫向彈性模量，是橫向彈性模量極小值；而是纖維全部互相接觸、連通時(shí)的橫向彈性模量，是橫向彈性模量極大值。單向連續(xù)纖維復(fù)合材料實(shí)際橫向彈性模量應(yīng)介于兩者之間，是和的線型組合，即，式中c為分配系數(shù)，與纖維體積含量有關(guān)，纖維體積含量越高，c值越大。橫向彈性模量計(jì)算時(shí)的串聯(lián)和并聯(lián)模型3）切變模量單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的切變模量也可通過兩種模型進(jìn)行計(jì)算：模型Ⅰ是纖維和基體的軸向串聯(lián)模型，在扭矩的作用下，圓筒受純切應(yīng)力，纖維和基體的切應(yīng)力相同（故可稱作等應(yīng)力模型），但因剪切模量不同，切應(yīng)變也不同（圖a）。模型Ⅱ是纖維和基體的軸向并聯(lián)模型，即纖維被基體包圍，在扭矩的作用下纖維和基體產(chǎn)生相同的切應(yīng)變（故可稱作等應(yīng)變模型），但切應(yīng)力不同（圖b）。計(jì)算單向連續(xù)纖維復(fù)合材料剪切模量時(shí)的簡化模型（a）模型Ⅰ（等應(yīng)力模型）；（b）模型Ⅱ（等應(yīng)變模型）

4）泊松比

由于單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的正交各向異性，于是材料在縱、橫兩個(gè)方向呈現(xiàn)不同的泊松效應(yīng)，因而有兩個(gè)泊松比。計(jì)算單向連續(xù)纖維復(fù)合材料泊松比的模型10.2.2單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度

1）縱向抗拉強(qiáng)度基體、纖維和單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖所示?？梢钥闯?，復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線處于基體和纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間，且其位置取決于纖維的體積分?jǐn)?shù)。如果纖維的體積分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線越接近于纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；反之，當(dāng)基體的體積分?jǐn)?shù)越高時(shí)，復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線越接近于基體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?；w、纖維和單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

單向連續(xù)纖維復(fù)合材料在拉伸載荷下的變形和斷裂過程，可以分為四個(gè)階段：在第Ⅰ階段，纖維和基體都是彈性變形；在第Ⅱ階段，基體發(fā)生了屈服、即為非彈性變形，但纖維仍處于彈性變形；在第Ⅲ階段，纖維與基體均為非彈性變形；在第Ⅳ階段，纖維發(fā)生斷裂，隨之復(fù)合材料也發(fā)生斷裂。玻璃纖維、碳纖維、硼纖維性和陶瓷纖維增強(qiáng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線只有第Ⅰ和第Ⅳ階段；而金屬基和熱塑性樹脂基復(fù)合材料，會(huì)出現(xiàn)第Ⅱ階段。對于脆性纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，觀察不到第Ⅲ階段；但韌性纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，會(huì)出現(xiàn)第Ⅲ階段。在第Ⅰ階段，纖維和基體均處于彈性變形狀態(tài)，復(fù)合材料也處于彈性變形狀態(tài)。

根據(jù)縱向彈性模量的并聯(lián)模型及式（10-5）、式（10-6）可得：（10-29）其中纖維與基體承擔(dān)的載荷之比為：（10-30）

當(dāng)纖維的體積含量一定時(shí)，比值越大，纖維承擔(dān)的載荷越大，增強(qiáng)作用越強(qiáng)，因此復(fù)合材料常采用高強(qiáng)度、高模量的增強(qiáng)纖維。當(dāng)一定時(shí)，越大，則纖維的貢獻(xiàn)越大；但復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)不可能太高，一般在30%~60%左右。

纖維和基體的載荷比與相應(yīng)彈性模量比、纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系纖維、基體和復(fù)合材料的變形特性單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

所以選用高強(qiáng)度纖維時(shí)，加入較少的纖維就明顯的增強(qiáng)效果；而選用強(qiáng)度比基體強(qiáng)度高出不多的纖維時(shí)，必須加入較多的纖維才能顯示出強(qiáng)化效果，如表所示。在韌性金屬中加入不同強(qiáng)度纖維時(shí)的臨界纖維體積分?jǐn)?shù)

而對韌性纖維，由于其在受力條件下能在基體內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，并可阻止其產(chǎn)生頸縮，當(dāng)纖維斷裂時(shí)會(huì)大于纖維本身的斷裂應(yīng)變，從而使復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變高于纖維的斷裂應(yīng)變。因而復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度總是會(huì)高于按式（10-32）預(yù)測的強(qiáng)度，即韌性纖維的加入總是會(huì)增強(qiáng)基體材料的。2）縱向抗壓強(qiáng)度當(dāng)單向連續(xù)纖維復(fù)合材料縱向受壓時(shí)，可將連續(xù)纖維看作在彈性基體中的細(xì)長杠件而產(chǎn)生屈曲。屈曲的形式有兩種：一是拉壓型，纖維彼此間反向彎曲（圖a），使基體出現(xiàn)受拉部分和受壓部分。當(dāng)復(fù)合材料中的纖維體積分?jǐn)?shù)很小即纖維間距離相當(dāng)大時(shí)，這種屈曲模式才可能發(fā)生。二是剪切型，纖維之間彼此同向彎曲（圖b），在基體中產(chǎn)生剪切變形。此種屈曲模式較為常見，常發(fā)生在大多數(shù)的復(fù)合材料中?？v向壓縮時(shí)單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的破壞模型，（a）拉壓型；（b）剪切型

由于實(shí)際纖維的平直度偏離理想狀態(tài)使臨界應(yīng)力下降、或纖維在基體中的分布不均勻使彎折抗力下降等原因，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料壓縮時(shí)在小于按式（10-37）、式（10-38）計(jì)算出的抗壓強(qiáng)度下過早地發(fā)生破壞。對單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的橫向抗拉強(qiáng)度、橫向抗壓強(qiáng)度和面內(nèi)抗剪強(qiáng)度等參數(shù)，目前的研究還很少、且缺乏系統(tǒng)性，有興趣的同學(xué)可參看有關(guān)的文獻(xiàn)資料。

第三節(jié)短纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能

由上節(jié)可見，單向連續(xù)纖維復(fù)合材料在纖維方向具有較高的強(qiáng)度和模量，但在橫向的強(qiáng)度和模量較小。在應(yīng)力狀態(tài)無法預(yù)測以及各方向上應(yīng)力相等、或應(yīng)力水平要求不高的條件下，就不宜使用單向連續(xù)纖維復(fù)合材料。在這種情況下，雖然可用單向增強(qiáng)的層坯制成準(zhǔn)各向同性的層板，但其生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜，力學(xué)性能也有不足。

而短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是用隨機(jī)取向或定向的短切纖維作為增強(qiáng)體，其制造工藝簡單、生產(chǎn)效率高、且容易實(shí)現(xiàn)制造過程的自動(dòng)化，從而得到了廣泛的應(yīng)用。但由于纖維的取向和長度的多樣性，短纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能要比連續(xù)纖維復(fù)合材料復(fù)雜的多。10.3.1應(yīng)力傳遞理論

在短纖維復(fù)合材料中，載荷并不直接作用在纖維上，而是首先加在基體材料上，然后通過纖維與基體的界面?zhèn)鬟f到纖維。當(dāng)纖維長度遠(yuǎn)大于發(fā)生應(yīng)力傳遞所需要的長度時(shí)，纖維末端的傳遞作用可以忽略不計(jì)，纖維可以看成是連續(xù)的。復(fù)合材料中短纖維微單元的受力狀態(tài)，如圖所示：與載荷平行的短纖維微單元中的受力狀態(tài)基體的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系

式（10-43）表明，纖維受到的拉應(yīng)力隨z的增加而線性增加。由于在纖維上的拉應(yīng)力是由切應(yīng)力從端部向中部積累的，所以端部的拉應(yīng)力最小，中部（即z=L/2，L為纖維長度）最大。(10-44)

不同長度纖維上的應(yīng)力和界面剪應(yīng)力的分布，如圖。由圖可見，當(dāng)纖維長度遠(yuǎn)大于載荷傳遞長度時(shí)，短纖維復(fù)合材料的性能就接近于連續(xù)纖維復(fù)合材料了。

不同長度纖維上應(yīng)力和界面剪應(yīng)力的變化規(guī)律，a）；b）；c）

按圖中的應(yīng)力分布對式（10-47）進(jìn)行積分，可得：（10-48）按式（10-48）可預(yù)測不同纖維長度下的平均應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值，如表所示。由表可見，當(dāng)纖維長度是載荷傳遞長度的10倍時(shí)，纖維中的平均應(yīng)力是纖維最大應(yīng)力的95%，與連續(xù)纖維復(fù)合材料的特性相類似。不同長度纖維中的平均應(yīng)力10.3.2短纖維復(fù)合材料的彈性模量

由式（10-49）和式（10-50）可見，單向短纖維復(fù)合材料的橫向彈性模量與長徑比無關(guān)；但縱向彈性模量隨纖維長徑比的增大而提高，如圖。單向短纖維復(fù)合材料的模型不同纖維體積含量下短纖維復(fù)合材料的縱向彈性模量與纖維長徑比的關(guān)系

10.3.3短纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度

第四節(jié)復(fù)合材料的斷裂、沖擊與疲勞性能

隨著材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，復(fù)合材料在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而在應(yīng)用過程中，復(fù)合材料不可避免地要承受拉伸、沖擊和交變等載荷的作用。因而研究復(fù)合材料的斷裂機(jī)理、沖擊和疲勞性能，對發(fā)展新型復(fù)合材料有重大意義。10.4.1復(fù)合材料的斷裂過程與能量分析

在以上兩節(jié)中，復(fù)合材料被簡化為均質(zhì)的各向異性連續(xù)體，并在這個(gè)前提下分析了復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、彈性模量及強(qiáng)度。但實(shí)際上復(fù)合材料是一種非均質(zhì)的多相材料，在材料內(nèi)部總會(huì)存在局部的不均勻性和微觀缺陷(孔隙、纖維端頭、分層、纖維排列不規(guī)整)。由于存在各向異性、細(xì)觀上的不均勻性和缺陷，材料受力后就有可能在應(yīng)力集中、強(qiáng)度低或最為薄弱的環(huán)節(jié)發(fā)生局部的破壞，從而形成裂紋。

有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合材料承受60%的極限載荷時(shí)就會(huì)有纖維發(fā)生斷裂；繼續(xù)升高載荷，纖維斷裂的數(shù)量迅速增大，材料很快產(chǎn)生破壞，如圖所示。纖維斷裂累積數(shù)目與載荷的關(guān)系

復(fù)合材料的斷裂不僅僅是纖維斷裂，還包括纖維拔出、基體開裂、界面脫膠和分層等形式。于是復(fù)合材料受載后，在形成裂紋的尖端會(huì)與附近各種已有的損傷或新形成的損傷（如纖維斷裂、基體變形和開裂、纖維與基體脫膠等）相遇，使損傷區(qū)加大，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，直到最終產(chǎn)生宏觀斷裂。因此，復(fù)合材料的斷裂可視為損傷的累積過程，而且斷裂往往是多種類型損傷的綜合累積結(jié)果。

復(fù)合材料中裂紋尖端的破壞模式1)纖維拔出假定裂紋尖端的纖維平行排列，且具有相同的長度和直徑，如圖。在外加應(yīng)力的作用下裂紋張開，并使纖維從兩個(gè)裂紋面中拔出。

（a）裂紋尖端纖維的排列模型（b）裂紋尖端纖維的拔出模型裂紋尖端纖維的排列與拔出模型2)纖維斷裂對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，裂紋尖端的纖維在裂紋張開的過程中被拉長，并相對于沒有屈服的基體產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，最后因纖維受力過大而發(fā)生斷裂，斷裂后纖維又縮回基體，錯(cuò)動(dòng)消失，釋放出彈性變形能。連續(xù)纖維在裂紋面處的破壞模型

對于剛才給出的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，為3.6kJ·m-2。雖然實(shí)際材料中很少采用臨界長度的短纖維(其中Lcr＝3.6mm)，但可以看出纖維斷裂吸收的能量比拔出吸收的能量小得多。3)基體變形與開裂對二維的塑性區(qū)模型，由幾何關(guān)系可得

復(fù)合材料基體塑性區(qū)的二維模型

當(dāng)裂紋僅沿一個(gè)方向擴(kuò)展時(shí)，產(chǎn)生的新表面積很小，因而斷裂能也小。但當(dāng)基體裂紋碰到垂直于裂紋擴(kuò)展方向的強(qiáng)纖維時(shí)，裂紋可能分叉而平行于纖維擴(kuò)展；此時(shí)斷裂過程中消耗的能量就會(huì)大大增加。對于熱固性樹脂基體，斷裂前只發(fā)生很小變形，雖然基體材料的變形和開裂都吸收能量，但這部分能量較小。對以金屬為基體的復(fù)合材料，在斷裂前會(huì)產(chǎn)生大量的塑性變形，而塑性變形所要吸收的能量比彈性能和表面能之和大得多，于是金屬基體對復(fù)合材料斷裂能的貢獻(xiàn)要比聚合物基體的大得多。4)纖維脫膠在斷裂過程中，當(dāng)裂紋穿過基體而遇到纖維時(shí)，裂紋可能分叉，轉(zhuǎn)向平行于纖維方向擴(kuò)展。此時(shí)如纖維與基體間的界面結(jié)合較弱，則纖維可能與基體發(fā)生分離（纖維脫粘）。但裂紋擴(kuò)展是沿界面還是沿基體進(jìn)行，要取決于界面與基體的相對強(qiáng)度。由于在這兩種情況下，由于都會(huì)形成新表面，從而增加了斷裂時(shí)所消耗的能量。5)分層裂紋這個(gè)發(fā)生在層合板中。當(dāng)裂紋穿過一鋪層擴(kuò)展時(shí)，其裂紋尖端遇到鋪層纖維，裂紋擴(kuò)展則受到抑制。由于尖端附近基體中切應(yīng)力很高，并開始在平行于鋪層平面的界面上擴(kuò)展。這就稱作分層裂紋，在斷裂過程中會(huì)吸收大量的斷裂能。在復(fù)合材料斷裂過程中可能出現(xiàn)其中幾種斷裂模式，且每種模式所占比例也不同，因而復(fù)合材料的韌性也會(huì)有很大差距。通過對其能量分析可見，復(fù)合材料的韌性可通過增加裂紋的路徑和增大材料變形能力來提高。

10.4.2復(fù)合材料的沖擊性能

與金屬材料的沖擊試驗(yàn)一樣，復(fù)合材料的沖擊性能也通常通過擺錘沖擊試驗(yàn)（包括采用簡支梁的夏比沖擊試驗(yàn)和懸臂梁的艾氏沖擊試驗(yàn)）和落錘沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行測定，并以沖擊吸收功Ak和沖擊韌性來表示。復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)過程中的載荷-形變曲線，如圖。圖中為斷裂引發(fā)能，為斷裂擴(kuò)展能，兩者之和為總沖擊能。根據(jù)它們，即可評價(jià)復(fù)合材料的沖擊性能。

沖擊過程中復(fù)合材料的載荷-形變曲線

復(fù)合材料的沖擊性能，不僅與增強(qiáng)纖維的類型、含量、排列方式有關(guān)，還與纖維與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)。對層合板材料，還與鋪層順序、鋪層角度和層間結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)。另外，纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度也強(qiáng)烈地影響復(fù)合材料的破壞模式，從而影響材料的沖擊性能。當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度在某一剪切強(qiáng)度之下時(shí)，沖擊性能隨剪切強(qiáng)度的增加而降低，材料的破壞模式為分層；但當(dāng)結(jié)合強(qiáng)度在此值以上時(shí)，沖擊性能隨剪切強(qiáng)度的增加而增大，纖維斷裂是主要的失效模式，如圖所示玻璃纖維/聚酯復(fù)合材料的界面強(qiáng)度對沖擊性能的影響10.4.3復(fù)合材料的疲勞性能

由于復(fù)合材料的多相結(jié)構(gòu)特性，復(fù)合材料在疲勞過程中往往出現(xiàn)多種損傷模式；這些損傷相互影響組合，表現(xiàn)復(fù)雜的疲勞破壞行為。從損傷尺寸看，復(fù)合材料初始損傷尺寸比金屬材料大，但各