第9章 復(fù)合材料其他力學(xué)性能.ppt

1 第9章復(fù)合材料的其他力學(xué)性能 9 1復(fù)合材料的沖擊 疲勞 蠕變 環(huán)境影響 斷裂及損傷 復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中 往往存在沖擊載荷 動(dòng)載荷等作用 存在蠕變 環(huán)境影響 損傷 斷裂等問(wèn)題 影響復(fù)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(duì)它們的研究還很不夠 本節(jié)將對(duì)其逐一討論 2 9 1 1復(fù)合材料的沖擊性能 復(fù)合材料在應(yīng)用中難免承受沖擊載荷 因此很有必要了解復(fù)合材料的沖擊性能和能量吸收機(jī)理 沖擊載荷指以較高的速度施加到材料上的載荷 當(dāng)材料在承受沖擊載荷時(shí) 瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形比靜載荷時(shí)要大的多 因此 在制造這類材料時(shí) 就必須考慮到材料的抵抗沖擊載荷能力 即材料的沖擊性能 3 吸收能量的機(jī)理有兩種 形成新的表面 材料變形 2 能量吸收機(jī)理和破壞模式 在這里討論的各種能量吸收機(jī)理和破壞模式不只是適用沖擊破壞 而是具有普遍意義 破壞模式 當(dāng)一個(gè)固體承受靜載荷或沖擊載荷時(shí) 材料變形首先發(fā)生 如提供的能量足夠大 裂紋可能產(chǎn)生并擴(kuò)展 在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中 裂紋前沿又總存在著材料變形 4 可見(jiàn) 材料的總能量吸收能力 或韌性 能夠靠增加分離過(guò)程中的裂紋路徑 或者增大材料的變形能力得到提高 5 復(fù)合材料的破壞可以認(rèn)為是從材料中固有的小缺陷發(fā)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(yīng)物等 在形成的裂紋尖端及其附近 有可能以發(fā)生纖維斷裂 基體變形和開(kāi)裂 纖維與基體分離 纖維脫粘 纖維拔出等模式破壞 現(xiàn)分述如下 6 纖維復(fù)合材料中裂紋尖模型 7 1 纖維破壞 分別討論各種破壞機(jī)理 纖維斷裂發(fā)生在其應(yīng)變達(dá)到斷裂應(yīng)變時(shí) 由于脆性纖維具有低的斷裂應(yīng)變 只產(chǎn)生少量變形 因而吸收能量低 雖然纖維是使復(fù)合材料具有高強(qiáng)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(yīng)當(dāng)記住 纖維的存在非常顯著地影響破壞模式 從而也影響了總沖擊能 碳纖維復(fù)合材料的沖擊性能低 玻璃鋼和凱芙拉的沖擊性能好 8 2 基體變形和開(kāi)裂 基體破壞吸收的總能量包括基體變形能和開(kāi)裂產(chǎn)生的新表面能 基體變形所吸收的能量 正比于單位體積的基體變形到破壞所做的功 基體開(kāi)裂所吸收的能量 正比于裂紋產(chǎn)生的新表面面積 9 3 纖維脫膠在斷裂過(guò)程中由于裂紋平行于纖維擴(kuò)展 脫膠裂紋 則纖維與基體材料分離 在這個(gè)過(guò)程中 纖維與基體間的化學(xué)鍵與次價(jià)鍵的黏附均被破壞 同時(shí)形成新表面 當(dāng)纖維強(qiáng)而界面弱時(shí) 就發(fā)生這種開(kāi)裂 降低界面強(qiáng)度可使大范圍脫膠或分層 從而增加沖擊能 所以弱界面的拉伸強(qiáng)度比較低 但沖擊強(qiáng)度比較高 10 4 纖維拔出當(dāng)脆性的或不連續(xù)的纖維嵌于韌性基體中時(shí) 會(huì)發(fā)生纖維拔出 纖維斷裂在其本身的薄弱橫截面上 這個(gè)截面不一定與復(fù)合材料斷裂面重合 纖維斷裂在基體中引起的應(yīng)力集中因基體屈服而得到緩和 因此阻止了基體裂紋 在這種情況下 斷裂以纖維從基體中拔出的破壞方式進(jìn)行 11 纖維脫膠和纖維拔出兩種模式間的差別 當(dāng)基體裂紋不能橫斷纖維而擴(kuò)展時(shí) 發(fā)生纖維脫膠 纖維拔出是起始于纖維破壞的裂紋沒(méi)有能力擴(kuò)展到韌性基體中去的結(jié)果 纖維拔出通常伴隨有基體的伸長(zhǎng)變形 而這種變形在纖維脫膠中是不存在的 共同點(diǎn) 破壞都發(fā)生在纖維基體界面 都顯著地提高斷裂能 12 5 分層裂紋裂紋在擴(kuò)展中穿過(guò)層合板的一個(gè)鋪層 當(dāng)裂紋尖端達(dá)到相鄰鋪層的纖維時(shí) 可能受到抑制 因?yàn)猷徑鸭y尖的基體中的剪應(yīng)力很高 裂紋可能分支出來(lái) 開(kāi)始在平行于鋪層的界面上擴(kuò)展 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 13 上述斷裂模式 因復(fù)合材料或試驗(yàn)條件的不同 而在復(fù)合材料的斷裂時(shí)出現(xiàn)其中一種或幾種 它們所占比例及對(duì)斷裂的影響也各不相同 有的模式的影響可能是很小的 通常總是有幾種斷裂模式同時(shí)存在 14 3 影響復(fù)合材料沖擊性能的因素 討論了復(fù)合材料的能量吸收機(jī)理之后 就不難理解材料性質(zhì)對(duì)沖擊性能的影響了 因?yàn)槔w維性質(zhì)不同 基體韌性不同 界面強(qiáng)度不同會(huì)導(dǎo)致不同的破壞模式 從而大大地影響復(fù)合材料的沖擊性能 提高復(fù)合材料沖擊韌性的途徑有 基體增韌 合適的界面強(qiáng)度 采用混雜纖維復(fù)合材料 15 9 1 2復(fù)合材料的疲勞性能 復(fù)合材料在應(yīng)用過(guò)程中 由于承受變動(dòng)載荷或反復(fù)承受應(yīng)力 即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度 也會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展 以至構(gòu)件材料斷裂而失效 或使其力學(xué)性質(zhì)變壞 16 單向連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料在纖維方向有卓越的抗疲勞性 這是由于在單向復(fù)合材料里 疲勞載荷主要是由和載荷方向一致的纖維所承擔(dān)的緣故 1 復(fù)合材料的疲勞性能特點(diǎn) 17 在實(shí)際應(yīng)用中 復(fù)合材料往往以多向?qū)影逍问绞褂?以適應(yīng)結(jié)構(gòu)里的多向應(yīng)力需要 由于層板里的各層的強(qiáng)度不同 在疲勞過(guò)程的早期就開(kāi)始出現(xiàn)橫向裂紋損傷 隨著循環(huán)數(shù)的增加 裂紋的長(zhǎng)度和數(shù)量也相應(yīng)增加 還會(huì)出現(xiàn)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(xiàn) 占疲勞壽命的較大部分 并不影響材料或結(jié)構(gòu)的安全使用 金屬材料則不同 一旦出現(xiàn)裂紋 很快就斷裂了 復(fù)合材料疲勞過(guò)程早期就出現(xiàn)損傷 但擴(kuò)展慢 直到疲勞壽命的90 才迅速斷裂 最終破壞可事先判明 所以復(fù)合材料的破損安全性極好 18 金屬材料存在疲勞極限 即經(jīng)受107循環(huán)仍不破壞就可承受無(wú)限次循環(huán)也不會(huì)破壞 把S N曲線上N 107時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力S最大叫做疲勞極限 但是復(fù)合材料至今沒(méi)有確認(rèn)具有這一性質(zhì) 所以循環(huán)數(shù)N 107所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力S最大作為條件疲勞極限 19 溫度生高會(huì)削弱基體材料性能 從而使復(fù)合材料的疲勞壽命下降 20 2 影響復(fù)合材料疲勞特性的因素 復(fù)合材料的疲勞特性要受到各種材料和試驗(yàn)參數(shù)的影響 如基體材料類型 增強(qiáng)材料類型 纖維方向和鋪層等等 這里不再討論 21 9 1 3復(fù)合材料在長(zhǎng)期靜載荷作用下的力學(xué)性能 長(zhǎng)期靜載荷作用下的力學(xué)性能包括 強(qiáng)度問(wèn)題 持久強(qiáng)度 變形問(wèn)題 蠕變 1 復(fù)合材料的持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度 材料長(zhǎng)時(shí)期在靜載荷作用下 保持一定時(shí)間不破壞 所能承受的最大靜載荷 耐持久性 材料長(zhǎng)時(shí)期在一定的靜載荷作用下 保持不破壞所能經(jīng)受的最大時(shí)間 22 復(fù)合材料的持久強(qiáng)度要比短期載荷作用下的強(qiáng)度低得多 復(fù)合材料的持久強(qiáng)度主要取決于基體材料 所以影響復(fù)合材料持久強(qiáng)度的因素 主要是指對(duì)基體材料的影響因素 表9 2幾種玻璃鋼在靜彎曲載荷作用下的持久強(qiáng)度參數(shù) 23 2 復(fù)合材料的蠕變特性在長(zhǎng)時(shí)靜載荷作用下 載荷不變而變形繼續(xù)增加的現(xiàn)象 稱為蠕變 復(fù)合材料的蠕變特性主要取決于基體的松弛特性 故復(fù)合材料的蠕變有以下特點(diǎn) 碳纖維復(fù)合材料的蠕變比玻璃鋼小 沿纖維方向拉伸作用下的蠕變現(xiàn)象最不明顯 沿與纖維成任意 角方向拉伸時(shí) 蠕變現(xiàn)象逐漸明顯 沿45 方向拉伸時(shí)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 溫度升高 復(fù)合材料的蠕變現(xiàn)象顯著 由于復(fù)合材料在長(zhǎng)時(shí)靜載荷作用下的持久強(qiáng)度低于短時(shí)靜強(qiáng)度以及存在明顯的蠕變現(xiàn)象 設(shè)計(jì)復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)必須考慮 24 9 1 4環(huán)境條件對(duì)復(fù)合材料性能的影響 復(fù)合材料都是在一定的環(huán)境條件下使用的 因此了解在各種環(huán)境條件下材料性能的變化是重要的 這些環(huán)境條件如暴露于水 水蒸氣或腐蝕性介質(zhì)中 低溫和高溫及進(jìn)行長(zhǎng)期物理和化學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)的各種條件等 一般來(lái)講 在這些不利的環(huán)境條件下 復(fù)合材料的性能要降低 這是由于環(huán)境因素影響了纖維 基體材料和界面的性能 25 1 纖維強(qiáng)度材料內(nèi)部不可避免的存在著缺陷或裂紋 在應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)腐蝕作用下 這種裂紋就要增長(zhǎng) 當(dāng)達(dá)到最大臨界裂紋的應(yīng)力狀態(tài)時(shí) 材料就要破壞 從而纖維強(qiáng)度下降 這就是應(yīng)力 腐蝕作用 對(duì)于玻璃纖維 水會(huì)沿表面微裂紋滲入其內(nèi)部 產(chǎn)生化學(xué)作用和物理作用 化學(xué)作用使SiO2主鏈斷裂 物理作用減低分子間力 從而使玻璃纖維強(qiáng)度大大下降 需要指出 表面處理劑能對(duì)纖維表面產(chǎn)生物理保護(hù)作用 阻礙化學(xué)介質(zhì)對(duì)纖維的進(jìn)攻 26 2 基體效應(yīng) 1 在高溫條件下老化 一般來(lái)講 有機(jī)高分子材料在高溫下是不穩(wěn)定的 且經(jīng)歷一個(gè)由熱裂解引起的化學(xué)衰變過(guò)程 如果裂解反應(yīng)持續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間 或是反應(yīng)的非常快 材料就會(huì)發(fā)生本質(zhì)的破壞 以至基體材料分解成氣體揮發(fā) 這種激烈的裂解反應(yīng)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的完整性 且限制復(fù)合材料的使用溫度 溫度與時(shí)間是影響裂解過(guò)程的兩個(gè)參數(shù) 基體的分解會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料剛度和強(qiáng)度大大下降 可見(jiàn) 復(fù)合材料的最高使用溫度通常是由基體的熱穩(wěn)定性所支配的 27 2 粘彈特性 復(fù)合材料中許多性能 如單向復(fù)合材料的橫向拉伸性能 層間剪切性能 短纖維復(fù)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(huì)在復(fù)合材料性能中反映出來(lái) 聚合物基體材料有明顯的粘彈特性 在遠(yuǎn)沒(méi)有裂解危險(xiǎn)的溫度下 基體材料的性能如模量會(huì)下降較大 從而影響由基體起支配作用的性能 使復(fù)合材料的應(yīng)用受到限制 越接近玻璃化溫度 應(yīng)力松弛 蠕變?cè)矫黠@ 模量下降越大 從這一點(diǎn)上看 復(fù)合材料的耐熱性也是由基體材料的耐熱性所決定的 28 3 滲透作用 水或其他化學(xué)介質(zhì)通過(guò)對(duì)聚合物基體的滲透 對(duì)基體有兩種作用 一種是物理作用 它是介質(zhì)分子經(jīng)擴(kuò)散滲透進(jìn)入大分子鏈間空隙 破壞大分子間的次價(jià)鍵 引起基體材料溶脹 這種作用實(shí)際上是增塑基體 化學(xué)介質(zhì)就是增塑劑 化學(xué)介質(zhì)的吸收同材料環(huán)境溫度的增大是等效的 溶脹后的基體玻璃化溫度下降 模量降低 吸濕量越大 性能下降越大 化學(xué)介質(zhì)或水能否溶脹基體 主要取決于兩者的分子極性是否接近或溶解參