复合材料其他力学性能.ppt

9.1.1 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。因此很有必要了解复合材料的冲击性能和能量吸收机理。 吸收能量的机理有两种： ①形成新的表面；②材料变形. 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。 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。 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。在这种情况下，断裂以纤维从基体中拔出的破坏方式进行。 纤维脱胶和纤维拔出两种模式间的差别：当基体裂纹不能横断纤维而扩展时，发生纤维脱胶；纤维拔出是起始于纤维破坏的裂纹没有能力扩展到韧性基体中去的结果。纤维拔出通常伴随有基体的伸长变形，而这种变形在纤维脱胶中是不存在的， 共同点：破坏都发生在纤维基体界面，都显著地提高断裂能。 5）分层裂纹 裂纹在扩展中穿过层合板的一个铺层，当裂纹尖端达到相邻铺层的纤维时，可能受到抑制。因为邻近裂纹尖的基体中的剪应力很高，裂纹可能分支出来，开始在平行于铺层的界面上扩展。这样的裂纹叫做分层裂纹。存在这样的裂纹，吸收的断裂能就高。 上述断裂模式，因复合材料或试验条件的不同，而在复合材料的断裂时出现其中一种或几种，它们所占比例及对断裂的影响也各不相同，有的模式的影响可能是很小的。通常总是有几种断裂模式同时存在。 提高复合材料冲击韧性的途径有：基体增韧、合适的界面强度、采用混杂纤维复合材料。 ②在实际应用中，复合材料往往以多向层板形式使用，以适应结构里的多向应力需要。 由于层板里的各层的强度不同，在疲劳过程的早期就开始出现横向裂纹损伤。随着循环数的增加，裂纹的长度和数量也相应增加，还会出现分层、界面脱胶、纤维断裂或屈曲等损伤形式。这样损伤的出现，占疲劳寿命的较大部分，并不影响材料或结构的安全使用。 金属材料则不同，一旦出现裂纹，很快就断裂了；复合材料疲劳过程早期就出现损伤，但扩展慢，直到疲劳寿命的90％才迅速断裂，最终破坏可事先判明，所以复合材料的破损安全性极好。 ③ 金属材料存在疲劳极限，即经受107循环仍不破坏就可承受无限次循环也不会破坏，把S-N曲线上N＝ 107时所对应的最大应力S最大叫做疲劳极限。 但是复合材料至今没有确认具有这一性质，所以循环数N＝ 107所对应的最大应力S最大作为条件疲劳极限。 ④ 温度生高会削弱基体材料性能，从而使复合材料的疲劳寿命下降。 2）影响复合材料疲劳特性的因素 复合材料的疲劳特性要受到各种材料和试验参数的影响，如基体材料类型、增强材料类型，纤维方向和铺层等等。这里不再讨论。 9.1.3 复合材料在长期静载荷作用下的力学性能 长期静载荷作用下的力学性能包括： 强度问题——持久强度； 变形问题——蠕变。 1）复合材料的持久强度 持久强度－材料长时期在静载荷作用下，保持一定时间不破坏，所能承受的最大静载荷。 耐持久性－材料长时期在一定的静载荷作用下，保持不破坏所能经受的最大时间。 ①复合材料的持久强度要比短期载荷作用下的强度低得多。 ②复合材料的持久强度主要取决于基体材料，所以影响复合材料持久强度的因素，主要是指对基体材料的影响因素。 2）复合材料的蠕变特性 在长时静载荷作用下，载荷不变而变形继续增加的现象，称为蠕变。 复合材料的蠕变特性主要取决于基体的松弛特性，故复合材料的蠕变有以下特点： ①碳纤维复合材料的蠕变比玻璃钢小； ②沿纤维方向拉伸作用下的蠕变现象最不明显； ③沿与纤维成任意α 角方向拉伸时，蠕变现象逐渐明显，沿45°方向拉伸时最为明显； ④持久弯曲载荷作用下的蠕变，比持久拉伸载荷作用下的蠕变明显； ⑤ 温度升高，复合材料的蠕变现象显著