第9章 复合材料其他力学性能

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1、第9章复合材料的其他力学性能9.1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。19.1.1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。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。2吸收能量

2、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。3可见，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。4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（

3、纤维脱粘）、纤维拔出等模式破坏。现分述如下。5纤维复合材料中裂纹尖模型61）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。72）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。基体开裂所吸收的能量：正比于裂纹产生的新表面面

4、积83）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。94）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。10纤维脱胶和纤维拔出两种模式间的差

5、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。115）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。12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

6、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。133）影响复合材料冲击性能的因素讨论了复合材料的能量吸收机理之后，就不难理解材料性质对冲击性能的影响了，因为纤维性质不同、基体韧性不同，界面强度不同会导致不同的破坏模式，从而大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、合适的界面强度、采用混杂纤维复合材料。149.1.2复合材料的疲劳性能复合材料在应用过程中，由于承受变动载荷或反复承受应力，即使应力低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏。15①单向连续纤维增强的复合材料在纤维方向有卓越的抗疲劳性。这

7、是由于在单向复合材料里，疲劳载荷主要是由和载荷方向一致的纤维所承担的缘故。1）复合材料的疲劳性能特点16②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