1、1第第9 9章章 復合材料的其他力學性能復合材料的其他力學性能9.1 9.1 復合材料的沖擊、疲勞、蠕變、環境影響、斷裂及損傷復合材料的沖擊、疲勞、蠕變、環境影響、斷裂及損傷 復合材料在實際應用中，往往存在復合材料在實際應用中，往往存在沖擊載荷、動載荷沖擊載荷、動載荷等作用，存在等作用，存在蠕變、環境影響、損傷、斷裂等問題。蠕變、環境影響、損傷、斷裂等問題。 影響復合材料的斷裂、沖擊和疲勞性能因素比金屬材料影響復合材料的斷裂、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，本節將對其逐一討的更多，而且對它們的研究還很不夠，本節將對其逐一討論。論。29.1.1 復合材料的沖擊性能復

2、合材料的沖擊性能 復合材料在應用中難免承受復合材料在應用中難免承受沖擊載荷沖擊載荷。因。因此很有必要了解復合材料的此很有必要了解復合材料的沖擊性能和能量沖擊性能和能量吸收機理。吸收機理。 沖擊載荷沖擊載荷指以較高的速度施加到材料上的指以較高的速度施加到材料上的載荷，當材料在承受沖擊載荷時，瞬間沖擊載荷，當材料在承受沖擊載荷時，瞬間沖擊所引起的應力和變形比靜載荷時要大的多，所引起的應力和變形比靜載荷時要大的多，因此，在制造這類材料時，就必須考慮到材因此，在制造這類材料時，就必須考慮到材料的料的抵抗沖擊載荷能力抵抗沖擊載荷能力，即材料的，即材料的沖擊性能。沖擊性能。3吸收能量的機理有兩種：吸收能量

3、的機理有兩種： 形成新的表面；形成新的表面；材料變形材料變形. 2）能量吸收機理和破壞模式）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，而是不只是適用沖擊破壞，而是具有普遍意義。具有普遍意義。 破壞模式：當一個固體承受靜載荷或沖擊載荷破壞模式：當一個固體承受靜載荷或沖擊載荷時，時，材料變形材料變形首先發生；如提供的能量足夠大，首先發生；如提供的能量足夠大，裂裂紋紋可能可能產生產生并擴展；在裂紋擴展過程中，裂紋前沿并擴展；在裂紋擴展過程中，裂紋前沿又總存在著材料變形。又總存在著材料變形。 4 可見，材料的總能量吸收能力（

4、或韌可見，材料的總能量吸收能力（或韌性）能夠靠性）能夠靠增加分離過程中的裂紋路徑增加分離過程中的裂紋路徑，或者或者增大材料的變形能力增大材料的變形能力得到提高。得到提高。5 復合材料的破壞可以認為是從材料中固有復合材料的破壞可以認為是從材料中固有的小缺陷發源的。例如，有缺陷的纖維，的小缺陷發源的。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基體與纖維界面處的缺陷和界面不良反應物等。在形成的裂紋尖端及其附近，有可物等。在形成的裂紋尖端及其附近，有可能以發生纖維斷裂、基體變形和開裂、纖能以發生纖維斷裂、基體變形和開裂、纖維與基體分離（纖維脫粘）、纖維拔出等維與基體分離（纖維脫粘）、纖維

5、拔出等模式破壞。現分述如下。模式破壞。現分述如下。6 纖維復合材料中裂紋尖模型纖維復合材料中裂紋尖模型 71） 纖維破壞纖維破壞 分別討論各種破壞機理。分別討論各種破壞機理。 纖維斷裂發生在其應變達到纖維斷裂發生在其應變達到斷裂應變斷裂應變時。時。 由于脆性纖維具有由于脆性纖維具有低的斷裂應變低的斷裂應變，只產生，只產生少量變形，少量變形，因而吸收能量低。因而吸收能量低。 雖然纖維是使復合材料具有高強度的主要原因，但纖雖然纖維是使復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。但應當記住，纖維維斷裂僅占總能量吸收的很小比例。但應當記住，纖維的存在非常顯著地影響的存在非常顯著地

6、影響破壞模式破壞模式，從而也影響了總沖擊，從而也影響了總沖擊能。能。 碳纖維復合材料的沖擊性能低，玻璃鋼和凱芙拉的沖擊碳纖維復合材料的沖擊性能低，玻璃鋼和凱芙拉的沖擊性能好。性能好。8 2）基體變形和開裂）基體變形和開裂 基體破壞吸收的總能量包括基體破壞吸收的總能量包括基體變形能基體變形能和和開裂產開裂產生的新表面能。生的新表面能。 基體變形所吸收的能量基體變形所吸收的能量: :正比于單位體積的基體變正比于單位體積的基體變形到破壞所做的功。形到破壞所做的功。 基體開裂所吸收的能量：正比于裂紋產生的新表基體開裂所吸收的能量：正比于裂紋產生的新表面面積面面積93 3）纖維脫膠）纖維脫膠 在斷裂過程

7、中由于裂紋平行于纖維擴展（脫膠裂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鍵與次價鍵的黏附均被破壞，同時形與基體間的化學鍵與次價鍵的黏附均被破壞，同時形成新表面。當纖維成新表面。當纖維強而界面弱強而界面弱時，就發生這種開裂。時，就發生這種開裂。 降低界面強度可使大范圍脫膠或分層，從而增加沖降低界面強度可使大范圍脫膠或分層，從而增加沖擊能。擊能。 所以弱界面的所以弱界面的拉伸強度拉伸強度比較比較低低，但，但沖擊強度沖擊強度比較比較高。高。104 4）纖維拔出）纖維拔出 當當脆性脆性的或的或不

8、連續的纖維不連續的纖維嵌于嵌于韌性基體韌性基體中時，會發生中時，會發生纖維拔出。纖維拔出。 纖維斷裂在其本身的薄弱橫截面上，這個纖維斷裂在其本身的薄弱橫截面上，這個截面不一定與復合材料斷裂面重合。纖維斷截面不一定與復合材料斷裂面重合。纖維斷裂在基體中引起的應力集中因基體屈服而得裂在基體中引起的應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下，斷裂以纖維從基體中拔出的破壞方式進行。行。 11 纖維脫膠和纖維拔出兩種模式間的纖維脫膠和纖維拔出兩種模式間的差別差別：當當基體裂紋基體裂紋不能橫斷纖維而擴展時，發生

9、纖不能橫斷纖維而擴展時，發生纖維脫膠；纖維拔出是起始于維脫膠；纖維拔出是起始于纖維破壞的裂紋纖維破壞的裂紋沒有能力擴展到韌性基體中去的結果。纖維沒有能力擴展到韌性基體中去的結果。纖維拔出通常伴隨有基體的伸長變形，而這種變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，形在纖維脫膠中是不存在的， 共同點共同點：破壞都發生在纖維基體界面，都：破壞都發生在纖維基體界面，都顯著地提高斷裂能。顯著地提高斷裂能。125）分層裂紋）分層裂紋 裂紋在擴展中穿過層合板的一個鋪層，當裂裂紋在擴展中穿過層合板的一個鋪層，當裂紋尖端達到相鄰鋪層的纖維時，可能受到抑制。紋尖端達到相鄰鋪層的纖維時，可能受

10、到抑制。因為鄰近裂紋尖的基體中的剪應力很高，裂紋可因為鄰近裂紋尖的基體中的剪應力很高，裂紋可能分支出來，開始在平行于鋪層的界面上擴展。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。收的斷裂能就高。13 上述斷裂模式，因復合材料或試驗條件的上述斷裂模式，因復合材料或試驗條件的不同，而在復合材料的斷裂時出現其中一種或不同，而在復合材料的斷裂時出現其中一種或幾種，它們所占比例及對斷裂的影響也各不相幾種，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。通常總是同，有的模式的影響可能是很小的

11、。通常總是有幾種斷裂模式同時存在。有幾種斷裂模式同時存在。 143）影響復合材料沖擊性能的因素）影響復合材料沖擊性能的因素 討論了復合材料的能量吸收機理之后，就不難理解討論了復合材料的能量吸收機理之后，就不難理解材料性質對沖擊性能的影響了，因為纖維性質不同、材料性質對沖擊性能的影響了，因為纖維性質不同、基體韌性不同，界面強度不同會導致不同的破壞模式，基體韌性不同，界面強度不同會導致不同的破壞模式，從而大大地影響復合材料的沖擊性能。從而大大地影響復合材料的沖擊性能。 提高復合材料沖擊韌性的途徑有：基體增韌、合適提高復合材料沖擊韌性的途徑有：基體增韌、合適的界面強度、采用混雜纖維復合材料。的界面強

12、度、采用混雜纖維復合材料。15 9.1.2 復合材料的疲勞性能復合材料的疲勞性能復合材料在應用過程復合材料在應用過程中，由于承受中，由于承受變動載變動載荷荷或反復承受應力，或反復承受應力，即使即使應力低于屈服強應力低于屈服強度度，也會導致，也會導致裂紋萌裂紋萌生和擴展生和擴展，以至構件，以至構件材料材料斷裂斷裂而失效，或而失效，或使其力學性質變壞。使其力學性質變壞。16單向連續纖維增強的復合材單向連續纖維增強的復合材料在纖維方向有卓越的抗疲勞料在纖維方向有卓越的抗疲勞性。這是由于在單向復合材料性。這是由于在單向復合材料里，疲勞載荷主要是由和載荷里，疲勞載荷主要是由和載荷方向一致的纖維所承擔的緣

13、故。方向一致的纖維所承擔的緣故。1 1）復合材料的疲勞性能特點）復合材料的疲勞性能特點17 在實際應用中，復合材料往往以多向層板形式使用，在實際應用中，復合材料往往以多向層板形式使用，以適應結構里的多向應力需要。以適應結構里的多向應力需要。 由于層板里的各層的強度不同，在疲勞過程的早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橫向裂紋損傷。隨著循環數的增加，裂期就開始出現橫向裂紋損傷。隨著循環數的增加，裂紋的長度和數量也相應增加，還會出現分層、界面脫紋的長度和數量也相應增加，還會出現分層、界面脫膠、纖維斷裂或屈曲等損傷形式。這樣損傷的出現，膠、纖維斷裂或屈曲等損傷形式。這樣損傷的出現

14、，占疲勞壽命的較大部分，并不影響材料或結構的安全占疲勞壽命的較大部分，并不影響材料或結構的安全使用。使用。 金屬材料則不同，一旦出現裂紋，很快就斷裂了；金屬材料則不同，一旦出現裂紋，很快就斷裂了；復合材料疲勞過程早期就出現損傷，但擴展慢，直到復合材料疲勞過程早期就出現損傷，但擴展慢，直到疲勞壽命的疲勞壽命的9090才迅速斷裂，最終破壞可事先判明，才迅速斷裂，最終破壞可事先判明，所以復合材料的破損安全性極好。所以復合材料的破損安全性極好。18 金屬材料存在疲勞極限，金屬材料存在疲勞極限，即經受即經受10107 7循環仍不破壞循環仍不破壞就可承受無限次循環也不就可承受無限次循環也不會破壞，把會破壞

15、，把S-NS-N曲線上曲線上N N 10107 7時所對應的最大應力時所對應的最大應力S S最大最大叫做疲勞極限。叫做疲勞極限。 但是復合材料至今沒但是復合材料至今沒有確認具有這一性質，所有確認具有這一性質，所以循環數以循環數N N 10107 7所對應所對應的最大應力的最大應力S S最大最大作為條件作為條件疲勞極限。疲勞極限。19 溫度生高會削弱基體材料性能，從而使復合材料的疲勞溫度生高會削弱基體材料性能，從而使復合材料的疲勞壽命下降。壽命下降。202 2）影響復合材料疲勞特性的因素）影響復合材料疲勞特性的因素 復合材料的疲勞特性要受到各種材料和試驗參數的復合材料的疲勞特性要受到各種材料和試

16、驗參數的影響，如基體材料類型、增強材料類型，纖維方向和鋪影響，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。層等等。這里不再討論。219.1.3 復合材料在長期靜載荷作用下的力學性能復合材料在長期靜載荷作用下的力學性能 長期靜載荷作用下的力學性能包括：長期靜載荷作用下的力學性能包括：強度問題強度問題持久強度；持久強度； 變形問題變形問題蠕變。蠕變。1 1）復合材料的持久強度）復合材料的持久強度 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。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

17、荷作用下，保持不耐持久性材料長時期在一定的靜載荷作用下，保持不破壞所能經受的最大時間。破壞所能經受的最大時間。22復合材料復合材料的持久強度要比短期載荷作用下的強度低得多。的持久強度要比短期載荷作用下的強度低得多。復合材料的持久強度主要取決于基體材料，所以影響復合材料持久復合材料的持久強度主要取決于基體材料，所以影響復合材料持久強度的因素，主要是指對基體材料的影響因素。強度的因素，主要是指對基體材料的影響因素。表表9-2 幾種玻璃鋼在靜彎曲載荷作用下的持久強度參數幾種玻璃鋼在靜彎曲載荷作用下的持久強度參數玻璃剛品種玻璃剛品種靜彎曲強度靜彎曲強度/MPa持久強度持久強度/原強度原強度短時試驗短時

18、試驗經經1000h載荷作載荷作用用聚酯玻璃鋼聚酯玻璃鋼35043023028065%環氧玻璃鋼環氧玻璃鋼45052028033062%64%酚醛玻璃鋼酚醛玻璃鋼54058033057%62%有機硅玻璃鋼有機硅玻璃鋼22011050%232 2）復合材料的蠕變特性）復合材料的蠕變特性 在長時靜載荷作用下，載荷不變而變形繼續增加的現象，稱在長時靜載荷作用下，載荷不變而變形繼續增加的現象，稱為為蠕變蠕變。 復合材料的蠕變特性主要取決于基體的松弛特性，故復合復合材料的蠕變特性主要取決于基體的松弛特性，故復合材料的蠕變有以下特點：材料的蠕變有以下特點： 碳纖維復合材料的蠕變比玻璃鋼小；碳纖維復合材料的蠕

19、變比玻璃鋼小； 沿纖維方向拉伸作用下的蠕變現象最不明顯；沿纖維方向拉伸作用下的蠕變現象最不明顯； 沿與纖維成任意沿與纖維成任意 角方向拉伸時，蠕變現象逐漸明顯，沿角方向拉伸時，蠕變現象逐漸明顯，沿4545方向拉伸時最為明顯；方向拉伸時最為明顯； 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；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； 溫度升高，復合材料的蠕變現象顯著。溫度升高，復合材料的蠕變現象顯著。 由于復合材料在長時靜載荷作用下的持久強度低于短時靜強由于復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象，設計復合材料構件時必須考慮。度以及存

20、在明顯的蠕變現象，設計復合材料構件時必須考慮。249.1.49.1.4環境條件對復合材料性能的影響環境條件對復合材料性能的影響 復合材料都是在一定的環境條件下使用的，因此了解復合材料都是在一定的環境條件下使用的，因此了解在各種環境條件下材料性能的變化是重要的。這些環境在各種環境條件下材料性能的變化是重要的。這些環境條件如暴露于水，水蒸氣或腐蝕性介質中，低溫和高溫條件如暴露于水，水蒸氣或腐蝕性介質中，低溫和高溫及進行長期物理和化學穩定性試驗的各種條件等。一般及進行長期物理和化學穩定性試驗的各種條件等。一般來講，在這些不利的環境條件下，復合材料的性能要降來講，在這些不利的環境條件下，復合材料的性能

21、要降低。這是由于環境因素影響了纖維、基體材料和界面的低。這是由于環境因素影響了纖維、基體材料和界面的性能。性能。251 1）纖維強度）纖維強度 材料內部不可避免的存在著缺陷或裂紋。在應力和化材料內部不可避免的存在著缺陷或裂紋。在應力和化學介質腐蝕作用下，這種裂紋就要增長，當達到最大臨學介質腐蝕作用下，這種裂紋就要增長，當達到最大臨界裂紋的應力狀態時，材料就要破壞，從而纖維強度下界裂紋的應力狀態時，材料就要破壞，從而纖維強度下降，這就是應力腐蝕作用。降，這就是應力腐蝕作用。 對于玻璃纖維，水會沿表面微裂紋滲入其內部，對于玻璃纖維，水會沿表面微裂紋滲入其內部，產生化學作用和物理作用，化學作用使產生

22、化學作用和物理作用，化學作用使SiOSiO2 2主鏈斷裂，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。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生物理保需要指出，表面處理劑能對纖維表面產生物理保護作用，阻礙化學介質對纖維的進攻。護作用，阻礙化學介質對纖維的進攻。262 2）基體效應）基體效應（1 1）在高溫條件下老化。）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定的，且經一般來講，有機高分子材料在高溫下是不穩定的，且經歷一個由熱裂解引起的化學衰變過程。如果裂解反應持續足歷一個由熱裂解引起的化學衰變過程。如果裂解反應持續

23、足夠長時間，或是反應的非常快，材料就會發生本質的破壞，夠長時間，或是反應的非常快，材料就會發生本質的破壞，以至基體材料分解成氣體揮發。這種激烈的裂解反應嚴重影以至基體材料分解成氣體揮發。這種激烈的裂解反應嚴重影響復合材料的完整性，且限制復合材料的使用溫度。溫度與響復合材料的完整性，且限制復合材料的使用溫度。溫度與時間是影響裂解過程的兩個參數。基體的分解會導致復合材時間是影響裂解過程的兩個參數。基體的分解會導致復合材料剛度和強度大大下降。可見，復合材料的最高使用溫度通料剛度和強度大大下降。可見，復合材料的最高使用溫度通常是由基體的熱穩定性所支配的。常是由基體的熱穩定性所支配的。27（2 2）粘彈

24、特性。）粘彈特性。 復合材料中許多性能，如單向復合材料的橫向拉伸性能、復合材料中許多性能，如單向復合材料的橫向拉伸性能、層間剪切性能、短纖維復合材料的性能，主要受基體性能支層間剪切性能、短纖維復合材料的性能，主要受基體性能支配，即使基體性能的很小變化，也會在復合材料性能中反映配，即使基體性能的很小變化，也會在復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，使復合材料的應用受到限制。越由基體起支配作用的性能，使復合材料的應用受到限制。越接近玻璃化溫度，應力松弛、蠕變越明顯，模量下降越大。接近玻璃化溫度，應力松弛、蠕變越明顯，模量下降越大。從這一點上看，復合材料的耐熱性也是由基體材料的耐熱性從這一點上看，復合材料的耐熱性也是由基