8.1.1 复合材料的冲击性能.ppt

* 第8章 复合材料的其他力学性能 8.1 复合材料的冲击、疲劳、蠕变、环境影响、断裂及损伤 复合材料在实际应用中，往往存在冲击载荷、动载荷等作用，存在蠕变、环境影响、损伤、断裂等问题。 影响复合材料的断裂、冲击和疲劳性能因素比金属材料的更多，而且对它们的研究还很不够，本节将对其逐一讨论。 * 8.1.1 复合材料的冲击性能 复合材料在应用中难免承受冲击载荷。有时候，即使很小的冲击功也会严重降低复合材料的静态强度，影响构件的可靠性；有时一个试图改进拉伸性能的措施同时会导致冲击性能下降。因此很有必要了解复合材料的冲击性能和能量吸收机理。 冲击载荷指以较高的速度施加到材料上的载荷，当材料在承受冲击载荷时，瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷时要大的多，因此，在制造这类材料时，就必须考虑到材料的抵抗冲击载荷能力，即材料的冲击性能。 1）实验方法： 评价冲击性能的最普通的方法，是通过测量破坏一个标准式样所需要的能量来确定冲击韧性。Charpy和Izod冲击试验，针对各向同性的材料发展起来的，前者是简支梁加载，后者是悬臂梁加载。实验冲击破坏以后，在刻度盘上可独处摆锤能量损失，将他除以式样的截面积即为冲击韧性或冲击强度。 * 8.1.1 复合材料的冲击性能 这种实验结果得到的韧性数据只是在一定程度上的定性结果，原因： （1）摆锤冲击是所造成的能量损失既包括材料损伤与断裂所吸收的能量，还包括消耗的实验机上的能量损失、断裂碎块的飞出功和声能等； （2）反映不出材料冲击破坏过程的损伤历程，给出的是一个笼统的结果。不同材料，试样的断裂形式不同，可能会得到相同的冲击强度，对于各向同性的材料，其破坏形式简单，这两种冲击实验的方法还可以。对于复合材料，破坏现象复杂，这两种产能供给实验不足以提供反映复合材料完整的冲击特性的数据。 * 8.1.1 复合材料的冲击性能 * 吸收能量的机理有两种： ①形成新的表面；②材料变形. 2）能量吸收机理和破坏模式 在这里讨论的各种能量吸收机理和破坏模式不只是适用冲击破坏，而是具有普遍意义。 破坏模式：当一个固体承受静载荷或冲击载荷时，材料变形首先发生；如提供的能量足够大，裂纹可能产生并扩展；在裂纹扩展过程中，裂纹前沿又总存在着材料变形。 * 脆性材料只产生少量变形，伴随着能量吸收也少。韧性材料断裂过程产生大的塑性变形，吸收的能量也大。所以，材料的总能量吸收能力（或韧性）能够靠增加分离过程中的裂纹路径，或者增大材料的变形能力得到提高。 在复合材料中，可以用吸收能量多的组分代替吸收能量少的组分来提高材料的韧性。 2）能量吸收机理和破坏模式 复合材料的破坏可以认为是从材料中固有的小缺陷发源的。例如，有缺陷的纤维，基体与纤维界面处的缺陷和界面不良反应物等。在形成的裂纹尖端及其附近，有可能以发生纤维断裂、基体变形和开裂、纤维与基体分离（纤维脱粘）、纤维拔出等模式破坏。现分述如下。 * 纤维复合材料中裂纹尖模型 * 1） 纤维破坏 分别讨论各种破坏机理。 纤维断裂发生在其应变达到断裂应变时。 由于脆性纤维具有低的断裂应变，只产生少量变形，因而吸收能量低。 虽然纤维是使复合材料具有高强度的主要原因，但纤维断裂仅占总能量吸收的很小比例。但应当记住，纤维的存在非常显著地影响破坏模式，从而也影响了总冲击能。 碳纤维复合材料的冲击性能低，玻璃钢和凯芙拉的冲击性能好。 * 2）基体变形和开裂 基体破坏吸收的总能量包括基体变形能和开裂产生的新表面能。 基体变形所吸收的能量:正比于单位体积的基体变形到破坏所做的功与形成单位裂纹表面积的基体体积的乘积。 基体开裂所吸收的能量：正比于裂纹产生的新表面能和裂纹产生的新表面面积的乘积 * 3）纤维脱胶 在断裂过程中由于裂纹平行于纤维扩展（脱胶裂纹），则纤维与基体材料分离。在这个过程中，纤维与基体间的化学键与次价键的黏附均被破坏，同时形成新表面。当纤维强而界面弱时，就发生这种开裂。如果脱胶范围大，则断裂能明显增加。 降低界面强度可使大范围脱胶或分层，从而增加冲击能。 所以弱界面的拉伸强度比较低，但冲击强度比较高。 * 4）纤维拔出 当脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体中时，会发生纤维拔出。 纤维断裂在其本身的薄弱横截面上，这个截面不一定与复合材料断裂面重合。纤维断裂在基体中引起的应力集中因基体屈服而得到缓和，因此阻止了基体裂纹，而这一裂纹可能参加到其他纤维断裂中去。