第9章-復(fù)合材料其他力學(xué)性能課件

第9章復(fù)合材料的其他力學(xué)性能9.1復(fù)合材料的沖擊、疲勞、蠕變、環(huán)境影響、斷裂及損傷

復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中，往往存在沖擊載荷、動(dòng)載荷等作用，存在蠕變、環(huán)境影響、損傷、斷裂等問題。

影響復(fù)合材料的斷裂、沖擊和疲勞性能因素比金屬材料的更多，而且對(duì)它們的研究還很不夠，本節(jié)將對(duì)其逐一討論。1可編輯課件PPT9.1.1復(fù)合材料的沖擊性能復(fù)合材料在應(yīng)用中難免承受沖擊載荷。因此很有必要了解復(fù)合材料的沖擊性能和能量吸收機(jī)理。

沖擊載荷指以較高的速度施加到材料上的載荷，當(dāng)材料在承受沖擊載荷時(shí)，瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形比靜載荷時(shí)要大的多，因此，在制造這類材料時(shí)，就必須考慮到材料的抵抗沖擊載荷能力，即材料的沖擊性能。2可編輯課件PPT吸收能量的機(jī)理有兩種：①形成新的表面；②材料變形.

2）能量吸收機(jī)理和破壞模式

在這里討論的各種能量吸收機(jī)理和破壞模式不只是適用沖擊破壞，而是具有普遍意義。

破壞模式：當(dāng)一個(gè)固體承受靜載荷或沖擊載荷時(shí)，材料變形首先發(fā)生；如提供的能量足夠大，裂紋可能產(chǎn)生并擴(kuò)展；在裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋前沿又總存在著材料變形。

3可編輯課件PPT可見，材料的總能量吸收能力（或韌性）能夠靠增加分離過程中的裂紋路徑，或者增大材料的變形能力得到提高。4可編輯課件PPT

復(fù)合材料的破壞可以認(rèn)為是從材料中固有的小缺陷發(fā)源的。例如，有缺陷的纖維，基體與纖維界面處的缺陷和界面不良反應(yīng)物等。在形成的裂紋尖端及其附近，有可能以發(fā)生纖維斷裂、基體變形和開裂、纖維與基體分離（纖維脫粘）、纖維拔出等模式破壞。現(xiàn)分述如下。5可編輯課件PPT纖維復(fù)合材料中裂紋尖模型

6可編輯課件PPT1）纖維破壞

分別討論各種破壞機(jī)理。

纖維斷裂發(fā)生在其應(yīng)變達(dá)到斷裂應(yīng)變時(shí)。

由于脆性纖維具有低的斷裂應(yīng)變，只產(chǎn)生少量變形，因而吸收能量低。

雖然纖維是使復(fù)合材料具有高強(qiáng)度的主要原因，但纖維斷裂僅占總能量吸收的很小比例。但應(yīng)當(dāng)記住，纖維的存在非常顯著地影響破壞模式，從而也影響了總沖擊能。

碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能低，玻璃鋼和凱芙拉的沖擊性能好。7可編輯課件PPT2）基體變形和開裂

基體破壞吸收的總能量包括基體變形能和開裂產(chǎn)生的新表面能?；w變形所吸收的能量:正比于單位體積的基體變形到破壞所做的功?；w開裂所吸收的能量：正比于裂紋產(chǎn)生的新表面面積8可編輯課件PPT3）纖維脫膠

在斷裂過程中由于裂紋平行于纖維擴(kuò)展（脫膠裂紋），則纖維與基體材料分離。在這個(gè)過程中，纖維與基體間的化學(xué)鍵與次價(jià)鍵的黏附均被破壞，同時(shí)形成新表面。當(dāng)纖維強(qiáng)而界面弱時(shí)，就發(fā)生這種開裂。降低界面強(qiáng)度可使大范圍脫膠或分層，從而增加沖擊能。

所以弱界面的拉伸強(qiáng)度比較低，但沖擊強(qiáng)度比較高。9可編輯課件PPT4）纖維拔出

當(dāng)脆性的或不連續(xù)的纖維嵌于韌性基體中時(shí)，會(huì)發(fā)生纖維拔出。

纖維斷裂在其本身的薄弱橫截面上，這個(gè)截面不一定與復(fù)合材料斷裂面重合。纖維斷裂在基體中引起的應(yīng)力集中因基體屈服而得到緩和，因此阻止了基體裂紋。在這種情況下，斷裂以纖維從基體中拔出的破壞方式進(jìn)行。

10可編輯課件PPT纖維脫膠和纖維拔出兩種模式間的差別：當(dāng)基體裂紋不能橫斷纖維而擴(kuò)展時(shí)，發(fā)生纖維脫膠；纖維拔出是起始于纖維破壞的裂紋沒有能力擴(kuò)展到韌性基體中去的結(jié)果。纖維拔出通常伴隨有基體的伸長(zhǎng)變形，而這種變形在纖維脫膠中是不存在的，

共同點(diǎn)：破壞都發(fā)生在纖維基體界面，都顯著地提高斷裂能。11可編輯課件PPT5）分層裂紋

裂紋在擴(kuò)展中穿過層合板的一個(gè)鋪層，當(dāng)裂紋尖端達(dá)到相鄰鋪層的纖維時(shí)，可能受到抑制。因?yàn)猷徑鸭y尖的基體中的剪應(yīng)力很高，裂紋可能分支出來，開始在平行于鋪層的界面上擴(kuò)展。這樣的裂紋叫做分層裂紋。存在這樣的裂紋，吸收的斷裂能就高。12可編輯課件PPT

上述斷裂模式，因復(fù)合材料或試驗(yàn)條件的不同，而在復(fù)合材料的斷裂時(shí)出現(xiàn)其中一種或幾種，它們所占比例及對(duì)斷裂的影響也各不相同，有的模式的影響可能是很小的。通?？偸怯袔追N斷裂模式同時(shí)存在。

13可編輯課件PPT3）影響復(fù)合材料沖擊性能的因素

討論了復(fù)合材料的能量吸收機(jī)理之后，就不難理解材料性質(zhì)對(duì)沖擊性能的影響了，因?yàn)槔w維性質(zhì)不同、基體韌性不同，界面強(qiáng)度不同會(huì)導(dǎo)致不同的破壞模式，從而大大地影響復(fù)合材料的沖擊性能。

提高復(fù)合材料沖擊韌性的途徑有：基體增韌、合適的界面強(qiáng)度、采用混雜纖維復(fù)合材料。14可編輯課件PPT

9.1.2復(fù)合材料的疲勞性能復(fù)合材料在應(yīng)用過程中，由于承受變動(dòng)載荷或反復(fù)承受應(yīng)力，即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展，以至構(gòu)件材料斷裂而失效，或使其力學(xué)性質(zhì)變壞。15可編輯課件PPT①單向連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料在纖維方向有卓越的抗疲勞性。這是由于在單向復(fù)合材料里，疲勞載荷主要是由和載荷方向一致的纖維所承擔(dān)的緣故。1）復(fù)合材料的疲勞性能特點(diǎn)16可編輯課件PPT

②在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合材料往往以多向?qū)影逍问绞褂?，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)里的多向應(yīng)力需要。由于層板里的各層的強(qiáng)度不同，在疲勞過程的早期就開始出現(xiàn)橫向裂紋損傷。隨著循環(huán)數(shù)的增加，裂紋的長(zhǎng)度和數(shù)量也相應(yīng)增加，還會(huì)出現(xiàn)分層、界面脫膠、纖維斷裂或屈曲等損傷形式。這樣損傷的出現(xiàn)，占疲勞壽命的較大部分，并不影響材料或結(jié)構(gòu)的安全使用。金屬材料則不同，一旦出現(xiàn)裂紋，很快就斷裂了；復(fù)合材料疲勞過程早期就出現(xiàn)損傷，但擴(kuò)展慢，直到疲勞壽命的90％才迅速斷裂，最終破壞可事先判明，所以復(fù)合材料的破損安全性極好。17可編輯課件PPT③金屬材料存在疲勞極限，即經(jīng)受107循環(huán)仍不破壞就可承受無限次循環(huán)也不會(huì)破壞，把S-N曲線上N＝107時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力S最大叫做疲勞極限。但是復(fù)合材料至今沒有確認(rèn)具有這一性質(zhì)，所以循環(huán)數(shù)N＝107所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力S最大作為條件疲勞極限。18可編輯課件PPT④溫度生高會(huì)削弱基體材料性能，從而使復(fù)合材料的疲勞壽命下降。19可編輯課件PPT2）影響復(fù)合材料疲勞特性的因素

復(fù)合材料的疲勞特性要受到各種材料和試驗(yàn)參數(shù)的影響，如基體材料類型、增強(qiáng)材料類型，纖維方向和鋪層等等。這里不再討論。20可編輯課件PPT9.1.3復(fù)合材料在長(zhǎng)期靜載荷作用下的力學(xué)性能

長(zhǎng)期靜載荷作用下的力學(xué)性能包括：強(qiáng)度問題——持久強(qiáng)度；變形問題——蠕變。1）復(fù)合材料的持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度－材料長(zhǎng)時(shí)期在靜載荷作用下，保持一定時(shí)間不破壞，所能承受的最大靜載荷。耐持久性－材料長(zhǎng)時(shí)期在一定的靜載荷作用下，保持不破壞所能經(jīng)受的最大時(shí)間。21可編輯課件PPT①?gòu)?fù)合材料的持久強(qiáng)度要比短期載荷作用下的強(qiáng)度低得多。②復(fù)合材料的持久強(qiáng)度主要取決于基體材料，所以影響復(fù)合材料持久強(qiáng)度的因素，主要是指對(duì)基體材料的影響因素。表9-2幾種玻璃鋼在靜彎曲載荷作用下的持久強(qiáng)度參數(shù)玻璃剛品種靜彎曲強(qiáng)度/MPa持久強(qiáng)度/原強(qiáng)度短時(shí)試驗(yàn)經(jīng)1000h載荷作用聚酯玻璃鋼350~430230~28065%環(huán)氧玻璃鋼450~520280~33062%~64%酚醛玻璃鋼540~58033057%~62%有機(jī)硅玻璃鋼22011050%22可編輯課件PPT2）復(fù)合材料的蠕變特性

在長(zhǎng)時(shí)靜載荷作用下，載荷不變而變形繼續(xù)增加的現(xiàn)象，稱為蠕變。復(fù)合材料的蠕變特性主要取決于基體的松弛特性，故復(fù)合材料的蠕變有以下特點(diǎn)：①碳纖維復(fù)合材料的蠕變比玻璃鋼小；②沿纖維方向拉伸作用下的蠕變現(xiàn)象最不明顯；③沿與纖維成任意α角方向拉伸時(shí)，蠕變現(xiàn)象逐漸明顯，沿45°方向拉伸時(shí)最為明顯；④持久彎曲載荷作用下的蠕變，比持久拉伸載荷作用下的蠕變明顯；⑤溫度升高，復(fù)合材料的蠕變現(xiàn)象顯著。由于復(fù)合材料在長(zhǎng)時(shí)靜載荷作用下的持久強(qiáng)度低于短時(shí)靜強(qiáng)度以及存在明顯的蠕變現(xiàn)象，設(shè)計(jì)復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)必須考慮。23可編輯課件PPT9.1.4環(huán)境條件對(duì)復(fù)合材料性能的影響

復(fù)合材料都是在一定的環(huán)境條件下使用的，因此了解在各種環(huán)境條件下材料性能的變化是重要的。這些環(huán)境條件如暴露于水，水蒸氣或腐蝕性介質(zhì)中，低溫和高溫及進(jìn)行長(zhǎng)期物理和化學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)的各種條件等。一般來講，在這些不利的環(huán)境條件下，復(fù)合材料的性能要降低。這是由于環(huán)境因素影響了纖維、基體材料和界面的性能。24可編輯課件PPT1）纖維強(qiáng)度

材料內(nèi)部不可避免的存在著缺陷或裂紋。在應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)腐蝕作用下，這種裂紋就要增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到最大臨界裂紋的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，材料就要破壞，從而纖維強(qiáng)度下降，這就是應(yīng)力－腐蝕作用。對(duì)于玻璃纖維，水會(huì)沿表面微裂紋滲入其內(nèi)部，產(chǎn)生化學(xué)作用和物理作用，化學(xué)作用使SiO2主鏈斷裂，物理作用減低分子間力，從而使玻璃纖維強(qiáng)度大大下降。需要指出，表面處理劑能對(duì)纖維表面產(chǎn)生物理保護(hù)作用，阻礙化學(xué)介質(zhì)對(duì)纖維的進(jìn)攻。25可編輯課件PPT2）基體效應(yīng)（1）在高溫條件下老化。一般來講，有機(jī)高分子材料在高溫下是不穩(wěn)定的，且經(jīng)歷一個(gè)由熱裂解引起的化學(xué)衰變過程。如果裂解反應(yīng)持續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間，或是反應(yīng)的非?？?，材料就會(huì)發(fā)生本質(zhì)的破壞，以至基體材料分解成氣體揮發(fā)。這種激烈的裂解反應(yīng)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的完整性，且限制復(fù)合材料的使用溫度。溫度與時(shí)間是影響裂解過程的兩個(gè)參數(shù)。基體的分解會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料剛度和強(qiáng)度大大下降?？梢?，復(fù)合材料的最高使用溫度通常是由基體的熱穩(wěn)定性所支配的。26可編輯課件PPT（2）粘彈特性。復(fù)合材料中許多性能，如單向復(fù)合材料的橫向拉伸性能、層間剪切性能、短纖維復(fù)合材料的性能，主要受基體性能支配，即使基體性能的很小變化，也會(huì)在復(fù)合材料性能中反映出來。聚合物基體材料有明顯的粘彈特性，在遠(yuǎn)沒有裂解危險(xiǎn)的溫度下，基體材料的性能如模量會(huì)下降較大，從而影響由基體起支配作用的性能，使復(fù)合材料的應(yīng)用受到限制。越接近玻璃化溫度，應(yīng)力松弛、蠕變?cè)矫黠@，模量下降越大。從這一點(diǎn)上看，復(fù)合材料的耐熱性也是由基體材料的耐熱性所決定的。27可編輯課件PPT（3）滲透作用。水或其他化學(xué)介質(zhì)通過對(duì)聚合物基體的滲透，對(duì)基體有兩種作用。一種是物理作用，它是介質(zhì)分子經(jīng)擴(kuò)散滲透進(jìn)入大分子鏈間空隙，破壞大分子間的次價(jià)鍵，引起基體材料溶脹。這種作用實(shí)際上是增塑基體，化學(xué)介質(zhì)就是增塑劑，化學(xué)介質(zhì)的吸收同材料環(huán)境溫度的增大是等效的，溶脹后的基體玻璃化溫度下降、模量降低，吸濕量越大，性能下降越大。化學(xué)介質(zhì)或水能否溶脹基體，主要取決于兩者的分子極性是否接近或溶解參數(shù)是否接近。另一種是化學(xué)作用，它是介質(zhì)分子與大分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如氧