复合材料力学性能.ppt

1、第9章复合材料的其他机械性能，9.1复合材料的冲击、疲劳、蠕变、环境影响、断裂和损伤。在实际应用中，复合材料经常会有冲击载荷、动载荷等问题，如蠕变、环境影响、损伤和断裂等。影响复合材料断裂、冲击和疲劳性能的因素比金属材料多，对它们的研究还不够。本节将逐一讨论它们。a，2，9.1.1复合材料的冲击性能，在应用中不可避免地受到冲击载荷。因此，有必要了解复合材料的冲击性能和能量吸收机理。冲击载荷是指高速施加在材料上的载荷。当材料受到冲击载荷时，瞬时冲击引起的应力和变形远大于静态载荷引起的应力和变形。因此，在制造这种材料时，有必要考虑抗冲击载荷的能力，即材料的冲击性能。吸收能量有两种机制：形成新的表面

2、；(2)材料变形，(2)能量吸收机制和失效模式。这里讨论的各种能量吸收机制和失效模式不仅适用于冲击失效，而且具有普遍意义。失效模式：当固体承受静载荷或冲击载荷时，首先发生材料变形；如果提供的能量足够大，裂纹可能会出现并扩展；在裂纹扩展过程中，裂纹前沿总是存在材料变形。可以看出，通过增加分离过程中的裂纹路径或增加材料的变形能力，可以提高材料的总能量吸收能力(或韧性)。复合材料的失效可以认为是由材料固有的小缺陷引起的。例如，有缺陷的纤维、基体和纤维之间界面上的缺陷以及界面上不需要的反应物等。在裂纹尖端及其附近，有可能使纤维断裂，使基体变形并开裂，使纤维与基体分离(纤维剥离)，并拔出纤维。它们描述如

3、下。a，6，纤维复合材料中的裂纹尖端模型，a，7，1)纤维失效，并分别讨论了各种失效机理。当纤维的应变达到断裂应变时，就会发生纤维断裂。因为脆性纤维具有低的断裂应变并且仅产生少量的变形，所以它吸收低能量。虽然纤维是复合材料强度高的主要原因，但纤维断裂仅占总能量吸收的一小部分。然而，应该记住，纤维的存在会显著影响失效模式，从而影响总冲击能量。碳纤维复合材料的冲击性能较低，而玻璃钢和芳纶的冲击性能较好。a，8，2)基体变形和开裂。基体失效吸收的总能量包括基体变形能和裂纹产生的新表面能。基体变形吸收的能量：与单位体积内基体变形破坏所做的功成正比。基体裂纹吸收的能量与裂纹产生的新表面积成正比。a，9，

4、3)在纤维脱胶过程中，由于裂纹平行于纤维扩展(脱胶裂纹)，纤维与基体材料分离。在此过程中，纤维与基体之间的化学键和次价键的粘附被破坏，形成新的表面。当纤维很强而界面很弱时，就会出现这种裂缝。降低界面强度会导致大规模脱胶或分层，从而增加冲击能量。因此，弱界面的抗拉强度相对较低，但冲击强度相对较高。a，10，4)当脆性或不连续的纤维嵌入韧性基体中时，会发生纤维拔出。纤维在其自身的弱截面上断裂，该截面不一定与复合材料的断裂平面重合。基体中由纤维断裂引起的应力集中通过基体的屈服得到缓解，从而防止基体开裂。在这种情况下，断裂是在光纤从基体中拔出的失效模式下进行的。a、11、纤维脱胶与纤维拔出的区别：当基

5、体裂纹不能在纤维上扩展时，纤维脱胶发生；纤维拔出是由于纤维未能扩展到韧性基体中而引发的裂纹失效的结果。纤维拔出通常伴随着基体的伸长变形，这在纤维中是不存在的12，5)层状裂纹裂纹在扩展过程中，裂纹穿过层压板的一个层，当裂纹尖端到达相邻层的纤维时，裂纹可以被抑制。由于裂纹尖端附近基体中的高剪切应力，裂纹可能分叉并开始在平行于铺层的界面上扩展。这种裂缝称为层状裂缝。对于这种裂纹，吸收的断裂能很高。a、13，当复合材料由于复合材料或试验条件的不同而断裂时，会出现上述一种或多种断裂模式，它们的比例和对断裂的影响也不同，有些模式可能影响不大。总是同时存在几种断裂模式。a，14，3)。在讨论了复合材料的吸

6、能机理后，不难理解材料性能对冲击性能的影响，因为不同的纤维性能、不同的基体韧性和不同的界面强度会导致不同的失效模式，从而极大地影响复合材料的冲击性能。提高复合材料冲击韧性的途径有基体增韧、适当的界面强度和混杂纤维复合材料。a、15、9.1.2复合材料的疲劳性能，在复合材料的应用过程中，即使应力低于屈服强度，也会导致裂纹的萌生和扩展，甚至构件材料会断裂和失效，或者其力学性能会恶化。a，16，单向连续纤维增强复合材料在纤维方向具有优异的抗疲劳性能。这是因为在单向复合材料中，疲劳载荷主要由与载荷方向相同的纤维承担。(1)复合材料的疲劳性能特性，a，17，(2)在实际应用中，复合材料通常以多向层压板的

7、形式使用，以满足结构中多向应力的需要。由于层压板中各层的强度不同，在疲劳过程的早期就开始出现横向裂纹损伤。随着循环次数的增加，裂纹的长度和数量也相应增加，并会出现分层、界面脱胶、纤维断裂或屈曲等损伤形式。这种损坏占疲劳寿命的很大一部分，并且不影响材料或结构的安全使用。金属材料是不同的。一旦裂缝出现，它们就会迅速破裂；复合材料在疲劳过程中早期出现损伤，但扩展缓慢，直到疲劳寿命的90%才迅速断裂。最终的损伤可以提前识别，因此复合材料的损伤安全性非常好。a，18，金属材料有疲劳极限，即107次循环后能承受无限循环而不失效，S-N曲线上对应于n=107的最大应力s称为疲劳极限。然而，到目前为止还没有证

8、实复合材料具有这种性能，因此对应于循环数n=107的最大应力s被作为条件疲劳极限。较高的温度会削弱基体材料的性能，从而降低复合材料的疲劳寿命。a，20，2)复合材料的疲劳特性受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。我们不会在这里讨论它。a、21、9.1.3复合材料在长期静载荷下的力学性能，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一种材料在长期无损伤的静态载荷作用下所能承受的最大静态载荷。耐久性一种材料在一定的静态载荷下能够长时间承受而不损坏的最长时间。复合材料的持久强度远低于短期载荷下的持久强度。复合材料的耐久强度主要取决于基体材

9、料，因此影响复合材料耐久强度的因素主要指影响基体材料的因素。表9-2几种玻璃钢在静弯曲载荷下的持久强度参数，a，23，2)复合材料的蠕变特性在长期静载荷下，载荷保持不变，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，因此复合材料的蠕变特性如下：碳纤维复合材料的蠕变小于玻璃钢；沿纤维方向拉伸作用下的蠕变现象最不明显；与纤维沿任意角拉伸时，蠕变现象逐渐明显，尤其是沿45方向拉伸时。(4)持续弯曲载荷下的蠕变比持续拉伸载荷下的蠕变更明显；复合材料的蠕变现象随着温度的升高而明显。由于复合材料在长期静载荷下的持久强度低于短期静强度，并且存在明显的蠕变现象，因此在设计复合材料构件

10、时必须考虑这一点。a，24，9.1.4环境条件对复合材料性能的影响是复合材料是在一定的环境条件下使用的，因此了解不同环境条件下材料性能的变化是很重要的。这些环境条件包括暴露于水、蒸汽或腐蚀性介质、低温和高温，以及用于长期物理和化学稳定性测试的各种条件。一般来说，在这些不利的环境条件下，复合材料的性能会下降。这是因为环境因素影响纤维、基体材料和界面的性能。a，25，1)纤维增强材料中存在不可避免的缺陷或裂纹。在应力和化学介质腐蚀的作用下，这种裂纹会扩大。当达到最大临界裂纹的应力状态时，材料将被破坏，纤维强度将降低。这就是应力腐蚀效应。对于玻璃纤维，水将沿着表面的微裂纹渗入其中，导致化学作用和物理

11、作用。化学作用破坏了二氧化硅主链，而物理作用降低了分子间作用力，从而大大降低了玻璃纤维的强度。应该指出的是，表面处理剂可以物理保护纤维表面，防止化学介质对纤维的侵蚀。a，26，2)基质效应(1)高温老化。一般来说，有机聚合物材料在高温下是不稳定的，并且经历由热裂解引起的化学衰变过程。如果裂解反应持续足够长的时间，或者反应非常快，材料将基本上被破坏，基体材料将分解成气体并挥发。这种强烈的开裂反应严重影响了复合材料的完整性，并限制了复合材料的使用温度。温度和时间是影响裂解过程的两个参数。基体的分解会导致复合材料的刚度和强度大大降低。可以看出，复合材料的最高使用温度通常由基体的热稳定性决定。a，27

12、，(2)粘弹性。复合材料的许多性能，如单向复合材料的横向拉伸性能、层间剪切性能和短纤维复合材料的性能，主要由基体性能决定，甚至基体性能的微小变化也会反映在复合材料的性能中。聚合物基体材料具有明显的粘弹性，在远离开裂危险的温度下，基体材料的模量等性能会大大降低，从而影响基体材料的主导性能，限制了复合材料的应用。越接近玻璃化转变温度，应力松弛和蠕变越明显，模量下降越大。从这个角度来看，复合材料的耐热性也是由基体材料的耐热性决定的。a，28，(3)渗透作用。水或其他化学介质通过渗透对聚合物基体有两种影响。一种是物理作用，这意味着介质分子通过扩散渗透到大分子链之间的空隙中，破坏大分子之间的低价键，导致基质材料膨胀。事实上，这种效应就是塑化基质，而化学介质就是增塑剂。化学介质的吸收相当于材