復(fù)合材料的其他力學(xué)性能

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復(fù)合材料的沖擊、疲勞、蠕變、環(huán)境影響、斷裂及損傷復(fù)合材料在實際應(yīng)用中，往往存在沖擊載荷、動載荷等作用，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，而且對它們的研究還很不夠，本節(jié)將對其逐一討論。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，瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形比靜載荷時要大的多，因此，在制造這類材料時，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。1.2

能量吸收機理和破壞模式在這里討論的各種能量吸收機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)一個固體承受靜載荷或沖擊載荷時，材料變形首先發(fā)生；如提供的能量足夠大，裂紋可能產(chǎn)生并擴展；在裂紋擴展過程中，裂紋前沿又總存在著材料變形。

吸收能量的機理有兩種：①形成新的表面；②材料變形

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。復(fù)合材料的破壞可以認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。纖維復(fù)合材料中裂紋尖模型分別討論各種破壞機理。1.2.1纖維破壞纖維斷裂發(fā)生在其應(yīng)變達到斷裂應(yīng)變時。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。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。雖然纖維是使復(fù)合材料具有高強度的主要原因，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。1.2.2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1.2.3纖維脫膠在斷裂過程中由于裂紋平行于纖維擴展（脫膠裂紋），則纖維與基體材料分離。在這個過程中，纖維與基體間的化學(xué)鍵與次價鍵的黏附均被破壞，同時形成新表面。當(dāng)纖維強而界面弱時，就發(fā)生這種開裂。降低界面強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度比較低，但沖擊強度比較高。1.2.4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，會發(fā)生纖維拔出。纖維斷裂在其本身的薄弱橫截面上，這個截面不一定與復(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行。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展時，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變形，而這種變形在纖維脫膠中是不存在的。共同點：破壞都發(fā)生在纖維基體界面，都顯著地提高斷裂能。1.2.5分層裂紋裂紋在擴展中穿過層合板的一個鋪層，當(dāng)裂紋尖端達到相鄰鋪層的纖維時，可能受到抑制。因為鄰近裂紋尖的基體中的剪應(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。上述斷裂模式，因復(fù)合材料或試驗條件的不同，而在復(fù)合材料的斷裂時出現(xiàn)其中一種或幾種，它們所占比例及對斷裂的影響也各不相同，有的模式的影響可能是很小的。通常總是有幾種斷裂模式同時存在。

1.2.6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理之后，就不難理解材料性質(zhì)對沖擊性能的影響了，因為纖維性質(zhì)不同、基體韌性不同，界面強度不同會導(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、合適的界面強度、采用混雜纖維復(fù)合材料。

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復(fù)合材料的疲勞性能復(fù)合材料在應(yīng)用過程中，由于承受變動載荷或反復(fù)承受應(yīng)力，即使應(yīng)力低于屈服強度，也會導(dǎo)致裂紋萌生和擴展，以至構(gòu)件材料斷裂而失效，或使其力學(xué)性質(zhì)變壞。2.1復(fù)合材料的疲勞性能特點①單向連續(xù)纖維增強的復(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。②在實際應(yīng)用中，復(fù)合材料往往以多向?qū)影逍问绞褂茫赃m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，裂紋的長度和數(shù)量也相應(yīng)增加，還會出現(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。③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)也不會破壞，把S-N曲線上N＝107時所對應(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具有這一性質(zhì)，所以循環(huán)數(shù)N＝107所對應(yīng)的最大應(yīng)力S最大作為條件疲勞極限。④溫度生高會削弱基體材料性能，從而使復(fù)合材料的疲勞壽命下降。2.2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參數(shù)的影響，如基體材料類型、增強材料類型，纖維方向和鋪層等等。這里不再討論。

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復(fù)合材料在長期靜載荷作用下的力學(xué)性能長期靜載荷作用下的力學(xué)性能包括：強度問題——持久強度；

變形問題——蠕變。3.1復(fù)合材料的持久強度持久強度－材料長時期在靜載荷作用下，保持一定時間不破壞，所能承受的最大靜載荷。耐持久性－材料長時期在一定的靜載荷作用下，保持不破壞所能經(jīng)受的最大時間。表9-2

幾種玻璃鋼在靜彎曲載荷作用下的持久強度參數(shù)玻璃剛品種靜彎曲強度/MPa持久強度/原強度短時試驗經(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%有機硅玻璃鋼22011050%①復(fù)合材料的持久強度要比短期載荷作用下的強度低得多。②復(fù)合材料的持久強度主要取決于基體材料，所以影響復(fù)合材料持久強度的因素，主要是指對基體材料的影響因素。3.2復(fù)合材料的蠕變特性在長時靜載荷作用下，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：①碳纖維復(fù)合材料的蠕變比玻璃鋼??；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，蠕變現(xiàn)象逐漸明顯，沿45°方向拉伸時最為明顯；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)合材料在長時靜載荷作用下的持久強度低于短時靜強度以及存在明顯的蠕變現(xiàn)象，設(shè)計復(fù)合材料構(gòu)件時必須考慮。

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環(huán)境條件對復(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，低溫和高溫及進行長期物理和化學(xué)穩(wěn)定性試驗的各種條件等。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。4.1纖維強度材料內(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，當(dāng)達到最大臨界裂紋的應(yīng)力狀態(tài)時，材料就要破壞，從而纖維強度下降，這就是應(yīng)力－腐蝕作用。對于玻璃纖維，水會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，從而使玻璃纖維強度大大下降。需要指出，表面處理劑能對纖維表面產(chǎn)生物理保護作用，阻礙化學(xué)介質(zhì)對纖維的進攻。4.2

基體效應(yīng)4.2.1在高溫條件下老化一般來講，有機高分子材料在高溫下是不穩(wěn)定的，且經(jīng)歷一個由熱裂解引起的化學(xué)衰變過程。如果裂解反應(yīng)持續(xù)足夠長時間，或是反應(yīng)的非?？?，材料就會發(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。溫度與時間是影響裂解過程的兩個參數(shù)。基體的分解會導(dǎo)致復(fù)合材料剛度和強度大大下降?？梢姡瑥?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。4.2.2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，在遠沒有裂解危險的溫度下，基體材料的性能如模量會下降較大，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、蠕變越明顯，模量下降越大。從這一點上看，復(fù)合材料的耐熱性也是由基體材料的耐熱性所決定的。4.2.3滲透作用水或其他化學(xué)介質(zhì)通過對聚合物基體的滲透，對基體有兩種作用。一種是物理作用，它是介質(zhì)分子經(jīng)擴散滲透進入大分子鏈間空隙，破壞大分子間的次價鍵，引起基體材料溶脹。這種作用實際上是增塑基體，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