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从功能名称 看环氧复材性能
2007-08-08  来源:中国聚合物网
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  从力学复合效应的角度作进一步地分析环氧树脂复合材料的组成材料,并提出对高性能环氧复合材料组成材料性能的要求,一般会提出纵向拉伸、横向拉伸、纵向压缩、横向压缩、层间剪切等功能指标。中国环氧树脂行业协会专家表示:从这5个功能指标名称即可看出环氧复材性能的卓越,以单向纤维复合材料为例,具体可用细观力学和细观断裂力学的方法,定性地分析各种受力情况下各组成材料在复合材料中所起的作用和机理。

    这位专家表示:纵向拉伸指标情况较为简明,环氧树脂浇注体及纤维的力学性能、环氧树脂浇注体和纤维的力学性能、环氧树脂浇注体的应力—应变曲线、单向复合材料纵向受力情况都有数学模型可供借鉴。横向拉伸情况比较复杂,虽然已提出十几种理论和公式但终因力学模型与实际情况不完全符合而使理论值与实测值有差距,只能从定性的方面结合实际情况作一些分析。复合材料的横向拉伸不仅与基体、界面及纤维的性能有关,而且受纤维排列的平直及规整程度、界面粘结强度,孔隙率等工艺因素的影响很大,高模量的纤维起着限制基体变形的作用。这导致复合材料横向拉伸模量高于基体的模量,提高的幅度与纤维体积含量Vf及纤维模量Ef有关。

    复合材料的横向拉伸强度则与其破坏模式有密切关系,中国环氧树脂行业协会专家说,破坏模式可能是:基体拉伸破坏、界面脱粘及纤维撕裂。实际上纤维被撕裂的情形很少有,大多为基体和界面混合破坏。大的基体往往是脆性基体应力集中增大,结果使低于基体强度,而延性大的基体虽然应力集中小,可是其本身强度较低,虽然使复合材料的横向拉伸强度高但实际值并不高。试验研究表明采用基体增韧的方法,即在基体的强度和模量基本不降低或降低不大的前提下,提高基体的断裂延伸率,可以显著地提高复合材料的横向拉伸强度,基体韧性的增加还提高了抵抗裂纹失稳扩展的能力,这对提高强度是有利的。

    关于纵向压缩,据中国环氧树脂行业协会专家介绍:基体的性能对复合材料的纵向压缩性能有较大的影响,复合材料纵向压缩破坏形式很多,如纤维失稳、基体屈服、界面脱粘、基体开裂、纤维压断、45°剪切破坏等现象,并能互相引发、扩展,最后导致破坏。不少学者依据这些现象提出了各自的纵向压缩破坏模式和理论公式,但理论值与实测值都有一定差距。实际的宏观破坏形式主要有3种,即复合材料形成弯折带而破坏、沿纵向劈裂(分层)破坏和与载荷成45°角方向剪切破坏,弯折带的形成是由于纤维受压失稳、基体受压失稳或屈服、或基体太软,模量太小,不能给纤维足够的支持所致,分层破坏的原因主要是基体强度太低、界面粘结力小、孔隙率含量大,或在复合材料制备时就形成纤维弯曲(如纤维本身的弯曲和编织造成的弯曲,铺层时的偏差等)受纵向压缩时会在基体中产生横向拉应力,易造成基体沿纵向开裂及界面脱胶。

    横向压缩情况相对也简单些。横向受压时复合材料的破坏通常是由于基体的剪切破坏,同时可能伴随着界面脱粘和纤维破碎,破坏面与载荷方向成一夹角ф=30°~40°,气泡、裂纹等缺陷对应力集中的敏感性要比受拉时小得多。所以复合材料的横向压缩强度大于基体的压缩强度,但小于纵向压缩强度,这是因为主要是基体被剪坏和界面脱粘,而纤维被剪坏的比例很小。中国环氧树脂行业协会专家认为,复合材料横向压缩强度随Vf的增加而增大,模量比EfT/Em减小则应力集中小,横向压缩强度大。

    还有层间剪切的指标。主要取决于基体和界面的性能,复合材料层间剪切破坏是由于基体剪切破坏和界面脱粘引起的,所以复合材料层间剪切强度不会超过基体的剪切强度,并随基体脆性和孔隙率的增加而降低。通过以上粗略的细观分析可以大致定性地了解各组成材料对复合材料力学性能的影响,即影响复合材料力学性能的材料因素。中国环氧树脂行业协会专家对复合材料对组成材料的性能要求归纳如下:纵向拉伸性能,包括纤维的强度和模量要大、基体的延伸率和韧性要大、界面强度高但不应过高、纤维体积含量Vf高但不应超过70%、孔隙等缺陷少;横向拉伸性能,包括基体的强度模量延伸率及韧性高、界面强度高、纤维排列的平直度及规整程度好、孔隙及缺陷少;纵向压缩性能,包括基体的强度和模量大、界面强度高但不应太高、纤维弯曲少;横向压缩性能,包括基体强度模量及断裂韧性大、界面强度高;层剪性能,包括基体强度、模量、延伸率及韧性大、孔隙率小、界面强度高。

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(责任编辑:晓靖)
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