复合材料力学性能

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9.1.4环境条件对复合材料性能的影响
复合材料都是在一定的环境条件下使用的，因此了解 在各种环境条件下材料性能的变化是重要的。这些环境 条件如暴露于水，水蒸气或腐蚀性介质中，低温和高温 及进行长期物理和化学稳定性试验的各种条件等。一般 来讲，在这些不利的环境条件下，复合材料的性能要降 低。这是由于环境因素影响了纤维、基体材料和界面的 性能。
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。
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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。
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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。
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纤维复合材料中裂纹尖模型
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分别讨论各种破坏机理。
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2）基体效应
（1）在高温条件下老化。 一般来讲，有机高分子材料在高温下是不稳定的，且经 历一个由热裂解引起的化学衰变过程。如果裂解反应持续足 够长时间，或是反应的非常快，材料就会发生本质的破坏， 以至基体材料分解成气体挥发。这种激烈的裂解反应严重影 响复合材料的完整性，且限制复合材料的使用温度。温度与 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 料刚度和强度大大下降。可见，复合材料的最高使用温度通 常是由基体的热稳定性所支配的。
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1）纤维强度 材料内部不可避免的存在着缺陷或裂纹。在应力和化 学介质腐蚀作用下，这种裂纹就要增长，当达到最大临 界裂纹的应力状态时，材料就要破坏，从而纤维强度下 降，这就是应力－腐蚀作用。 对于玻璃纤维，水会沿表面微裂纹渗入其内部， 产生化学作用和物理作用，化学作用使SiO2主链断裂， 物理作用减低分子间力，从而使玻璃纤维强度大大下降。 需要指出，表面处理剂能对纤维表面产生物理保 护作用，阻碍化学介质对纤维的进攻。
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。
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9.1.2 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。
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1）复合材料的疲劳性能特点
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。
吸收能量的机理有两种： ①形成新的表面；②材料变形.
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。 由于复合材料在长时静载荷作用下的持久强度低于短时静 强度以及存在明显的蠕变现象，设计复合材料构件时必须考虑。
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。
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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
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3）界面作用。
良好的界面粘结能避免介质或水借助毛细作用沿 有缺陷的界面渗入复合材料内部，从而破坏纤维、基 体与进一步破坏界面。采用偶联剂对玻璃纤维进行表 面处理，使得纤维与基体间以化学键的方式相连，大 大提高了玻璃钢的耐沸水浸泡性。
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第9 章
9.1
复合材料的其他力学性能
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。
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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。
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。
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2）能量吸收机理和破坏模式
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。
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3）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。
1） 纤维破坏
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。 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。 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。
①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。
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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。
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（3）渗透作用。
水或其他化学介质通过对聚合物基体的渗透，对基体有两 种作用。一种是物理作用，它是介质分子经扩散渗透进入大 分子链间空隙，破坏大分子间的次价键，引起基体材料溶胀。 这种作用实际上是增塑基体，化学介质就是增塑剂，化学介 质的吸收同材料环境温度的增大是等效的，溶胀后的基体玻 璃化温度下降、模量降低，吸湿量越大，性能下降越大。化 学介质或水能否溶胀基体，主要取决于两者的分子极性是否 接近或溶解参数是否接近。另一种是化学作用，它是介质分 子与大分子发生化学反应，如氧化、水解等，使大分子链的 主价键断裂，从而降低基体材料强度。能否发生这种作用主 要取决于大分子链中的特征基团。
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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。
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5）分层裂纹
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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。 基体开裂所吸收的能量：正比于裂纹产生的新表 面面积
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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。
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表9-2 几种玻璃钢在静弯曲载荷作用下的持久强度参数
玻璃刚品种
聚酯玻璃钢 环氧玻璃钢 酚醛玻璃钢 有机硅玻璃钢
静弯曲强度/MPa 短时试验 经1000h载荷作 用
持久强度/原强度