樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能

更新時間：2008-12-26 | 點擊率：2883

力學(xué)性能是材料zui重要的性能。樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性能好等優(yōu)點，用于承力結(jié)構(gòu)的樹脂基復(fù)合材料利用的是它的這種優(yōu)良的力學(xué)性能，而利用各種物理、化學(xué)和生物功能的功能復(fù)合材料，在制造和使用過程中，也必須考慮其力學(xué)性能，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。

　　1、樹脂基復(fù)合材料的剛度
　　樹脂基復(fù)合材料的剛度特性由組分材料的性質(zhì)、增強(qiáng)材料的取向和所占的體積分?jǐn)?shù)決定。樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)研究表明，對于宏觀均勻的樹脂基復(fù)合材料，彈性特性復(fù)合是一種混合效應(yīng)，表現(xiàn)為各種形式的混合律，它是組分材料剛性在某種意義上的平均，界面缺陷對它作用不是明顯。
　　由于制造工藝、隨機(jī)因素的影響，在實際復(fù)合材料中不可避免地存在各種不均勻性和不連續(xù)性，殘余應(yīng)力、空隙、裂紋、界面結(jié)合不完善等都會影響到材料的彈性性能。此外，纖維（粒子）的外形、規(guī)整性、分布均勻性也會影響材料的彈性性能。但總體而言，樹脂基復(fù)合材料的剛度是相材料穩(wěn)定的宏觀反映。
　　對于樹脂基復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)，基于單層的不同材質(zhì)和性能及鋪層的方向可出現(xiàn)耦合變形，使得剛度分析變得復(fù)雜。另一方面，也可以通過對單層的彈性常數(shù)（包括彈性模量和泊松比）進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)而選擇鋪層方向、層數(shù)及順序?qū)雍辖Y(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行設(shè)計，以適應(yīng)不同場合的應(yīng)用要求。

　　2、樹脂基復(fù)合材料的強(qiáng)度
　　材料的強(qiáng)度首先和破壞在一起。樹脂基復(fù)合材料的破壞是一個動態(tài)的過程，且破壞模式復(fù)雜。各組分性能對破壞的作用機(jī)理、各種缺陷對強(qiáng)度的影響，均有街于具體深入研究。
　　樹脂基復(fù)合材強(qiáng)度的復(fù)合是一種協(xié)同效應(yīng)，從組分材料的性能和樹脂基復(fù)合材料本身的細(xì)觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)出其強(qiáng)度性質(zhì)。對于zui簡單的情形，即單向樹脂基復(fù)合材料的強(qiáng)度和破壞的細(xì)觀力學(xué)研究，還不夠成熟。
　　單向樹脂基復(fù)合材料的軸向拉、壓強(qiáng)度不等，軸向壓縮問題比拉伸問題復(fù)雜。其破壞機(jī)理也與拉伸不同，它伴隨有纖維在基體中的局部屈曲。實驗得知：單向樹脂基復(fù)合材料在軸向壓縮下，碳纖維是剪切破壞的；凱芙拉（Kevlar）纖維的破壞模式是扭結(jié)；玻璃纖維一般是彎曲破壞。
　　單向樹脂基復(fù)合材料的橫向拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度也不同。實驗表明，橫向壓縮強(qiáng)度是橫向拉伸強(qiáng)度的4～7倍。橫向拉伸的破壞模式是基體和界面破壞，也可能伴隨有纖維橫向拉裂；橫向壓縮的破壞是因基體破壞所致，大體沿45°斜面剪壞，有時伴隨界面破壞和纖維壓碎。單向樹脂基復(fù)合材料的面內(nèi)剪切破壞是由基體和界面剪切所致，這些強(qiáng)度數(shù)值的估算都需依靠實驗。
　　雜亂短纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料盡管不具備單向樹脂基復(fù)合材料軸向上的高強(qiáng)度，但在橫向拉、壓性能方面要比單向樹脂基復(fù)合材料好得多，在破壞機(jī)理方面具有自己的特點：編織纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在力學(xué)處理上可近似看作兩層的層合材料，但在疲勞、損傷、破壞的微觀機(jī)理上要更加復(fù)雜。
　　樹脂基復(fù)合材料強(qiáng)度性質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)還表現(xiàn)在層合材料的層合效應(yīng)及混雜復(fù)合材料的混雜效應(yīng)上。在層合結(jié)構(gòu)中，單層表現(xiàn)出來的潛在強(qiáng)度與單獨受力的強(qiáng)度不同，如0/90/0層合拉伸所得90°層的橫向強(qiáng)度是其單層單獨實驗所得橫向拉伸強(qiáng)度的2～3倍；面內(nèi)剪切強(qiáng)度也是如此，這一現(xiàn)象稱為層合效應(yīng)。
　　樹脂基復(fù)合材料強(qiáng)度問題的復(fù)雜性來自可能的各向異性和不規(guī)則的分布，諸如通常的環(huán)境效應(yīng)，也來自上面提及的不同的破壞模式，而且同一材料在不同的條件和不同的環(huán)境下，斷裂有可能按不同的方式進(jìn)行。這些包括基體和纖維（粒子）的結(jié)構(gòu)的變化，例如由于局部的薄弱點、空穴、應(yīng)力集中引起的效應(yīng)。除此之外，界面粘結(jié)的性質(zhì)和強(qiáng)弱、堆積的密集性、纖維的搭接、纖維末端的應(yīng)力集中、裂縫增長的干擾以及塑性與彈性響應(yīng)的差別等都有一定的影響。

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