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力學、物理、化學性能
發布者:admin    發布時間:2013年5月31日    點擊:2021

 ◇ 樹脂基複合材料的力學性能

  力學性能是材料最重要的性能。樹脂基複合材料具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能好等優點,用於承力結構的樹脂基複合材料利用的是它的這種優良的力學性能,而利用各種物理、化學和生物功能的功能複合材料,在製造和使用過程中,也必須考慮其力學性能,以保證產品的質量和使用壽命。

  1、樹脂基複合材料的剛度
  樹脂基複合材料的剛度特性由組分材料的性質、增強材料的取向和所占的體積分數決定。樹脂基複合材料的力學研究表明,對於宏觀均勻的樹脂基複合材料,彈性特性複合是一種混合效應,表現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,界麵缺陷對它作用不是明顯。 
  由於製造工藝、隨機因素的影響,在實際複合材料中不可避免地存在各種不均勻性和不連續性,殘餘應力、空隙、裂紋、界麵結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,樹脂基複合材料的剛度是相材料穩定的宏觀反映。
  對於樹脂基複合材料的層合結構,基於單層的不同材質和性能及鋪層的方向可出現耦合變形,使得剛度分析變得複雜。另一方麵,也可以通過對單層的彈性常數(包括彈性模量和泊鬆比)進行設計,進而選擇鋪層方向、層數及順序對層合結構的剛度進行設計,以適應不同場合的應用要求。

  2、樹脂基複合材料的強度
  材料的強度首先和破壞聯係在一起。樹脂基複合材料的破壞是一個動態的過程,且破壞模式複雜。各組分性能對破壞的作用機理、各種缺陷對強度的影響,均有街於具體深入研究。
  樹脂基複合材強度的複合是一種協同效應,從組分材料的性能和樹脂基複合材料本身的細觀結構導出其強度性質。對於最簡單的情形,即單向樹脂基複合材料的強度和破壞的細觀力學研究,還不夠成熟。
  單向樹脂基複合材料的軸向拉、壓強度不等,軸向壓縮問題比拉伸問題複雜。其破壞機理也與拉伸不同,它伴隨有纖維在基體中的局部屈曲。實驗得知:單向樹脂基複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;玻璃纖維一般是彎曲破壞。
  單向樹脂基複合材料的橫向拉伸強度和壓縮強度也不同。實驗表明,橫向壓縮強度是橫向拉伸強度的4~7倍。橫向拉伸的破壞模式是基體和界麵破壞,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°斜麵剪壞,有時伴隨界麵破壞和纖維壓碎。單向樹脂基複合材料的麵內剪切破壞是由基體和界麵剪切所致,這些強度數值的估算都需依靠實驗。
  雜亂短纖維增強樹脂基複合材料盡管不具備單向樹脂基複合材料軸向上的高強度,但在橫向拉、壓性能方麵要比單向樹脂基複合材料好得多,在破壞機理方麵具有自己的特點:編織纖維增強樹脂基複合材料在力學處理上可近似看作兩層的層合材料,但在疲勞、損傷、破壞的微觀機理上要更加複雜。
  樹脂基複合材料強度性質的協同效應還表現在層合材料的層合效應及混雜複合材料的混雜效應上。在層合結構中,單層表現出來的潛在強度與單獨受力的強度不同,如0/90/0層合拉伸所得90°層的橫向強度是其單層單獨實驗所得橫向拉伸強度的2~3倍;麵內剪切強度也是如此,這一現象稱為層合效應。
  樹脂基複合材料強度問題的複雜性來自可能的各向異性和不規則的分布,諸如通常的環境效應,也來自上麵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境下,斷裂有可能按不同的方式進行。這些包括基體和纖維(粒子)的結構的變化,例如由於局部的薄弱點、空穴、應力集中引起的效應。除此之外,界麵粘結的性質和強弱、堆積的密集性、纖維的搭接、纖維末端的應力集中、裂縫增長的幹擾以及塑性與彈性響應的差別等都有一定的影響。

◇ 樹脂基複合材料的物理性能

   樹脂基複合材料的物理性能主要有熱學性質、電學性質、磁學性質、光學性質、摩擦性質等(見表)。對於一般的主要利用力學性質的非功能複合材料,要考慮在特定的使用條件下材料對環境的各種物理因素的響應,以及這種響應對複合材料的力學性能和綜合使用性能的影響;而對於功能性複合材料,所注重的則是通過多種材料的複合而滿足某些物理性能的要求。

  樹脂基複合材料的物理性能由組分材料的性能及其複合效應所決定。要改善樹脂基複合材料的物理性能或對某些功能進行設計時,往往更傾向於應用一種或多種填料。相對而言,可作為填料的物質種類很多,可用來調節樹脂基複合材料的各種物理性能。值得注意的是,為了某種理由而在複合體係中引入某一物質時,可能會對其它的性質產生劣化作用,需要針對實際情況對引入物質的性質、含量及其與基體的相互作用進行綜合考慮。

熱學性質
電學、磁學性質
光學性質
摩擦性質
其它性質
熱膨脹率
熱傳導率
比熱容
熱變形溫度
玻璃化溫度
熔點
隔熱性
熱輻射
耐熱衝擊性
導電性
絕緣性
壓電性
熱電性
介電性
半導體性
磁性
電磁波吸收性
電磁波反射性
透光性
散光性
吸光性
折射率
光反射性
光敏性
紫外線吸收性
紅外線吸收性
耐光性
摩擦係數
磨損率
減振性
隔音性
吸濕性
吸氣性
透氣性
吸油性
放射線
吸收性

 
◇ 樹脂基複合材料的化學性能

   大多數的樹脂基複合材料處在大氣環境中、浸在水或海水中或埋在地下使用,有的作為各種溶劑的貯槽,在空氣、水及化學介質、光線、射線及微生物的作用下,其化學組成和結構及各種性能會發生各種變化。在許多情況下,溫度、應力狀態對這些化學反應有著重要的影響。特別是航空航天飛行器及其發動機構件在更為惡劣的環境下工作,要經受高溫的作用和高熱氣流的衝刷,其化學穩定性是至關重要的。

  作為樹脂基複合材料的基體的聚合物,其化學分解可以按不同的方式進行,它既可通過與腐蝕性化學物質的作用而發生,又可間接通過產生應力作用而進行,這包括熱降解、輻射降解、力學降解和生物降解。聚合物基體本身是有機物質,可能被有機溶劑侵蝕、溶脹、溶解或者引起體係的應力腐蝕。所謂的應力腐蝕,是摜材料與某些有機溶劑作用在承受應力時產生過早的破壞,這樣的應力可能是在使用過程中施加上去的,也可能是鑒於製造技術的某些局限性帶來的。根據基體種類的不同,材料對各種化學物質的敏感程度不同,常見的玻璃纖維增強塑料耐強酸、鹽、酯,但不耐堿。一般情況下,人們更注重的是水對材料性能的影響。水一般可導致樹脂基複合材料的介電強度下降,水的作用使得材料的化學鍵斷裂時產生光散射和不透明性,對力學性能也有重要影響。不上膠的或僅隻熱處理過的玻璃纖維與環氧樹脂或聚酯樹脂組成的複合材料,其拉伸強度、剪切強度和彎曲強度都很明顯地受沸水影響,使用偶聯劑可明顯地降低這種損失。水及各種化學物質的影響與溫度、接觸時間有關,也與應力的大小、基體的性質及增強材料的幾何組織、性質和預處理有關,此外還與複合材料的表麵的狀態有關,纖維末端暴露的材料更易受到損害。

  聚合物的熱降解有多種模式和途徑,其中可能幾種模式同時進行。如可通過"拉鏈"式的解聚機理導致完全的聚合物鏈的斷裂,同時產生揮發性的低分子物質。其它的方式包括聚合物鏈的不規則斷裂產生較高分子量的產物或支鏈脫落,還有可能形成環狀的分子鏈結構。填料的存在對聚合物的降解有影響,某些金屬填料可通過催化作用加速降解,特別是在有氧存在的地方。樹脂基複合材料的著火與降解產生的揮發性物質有關,通常加入阻燃劑減少著火的危險。某些聚合物在高溫條件下可產生一層耐熱焦炭,這些聚合物與尼龍、聚酯纖維等複合後,因這些增強物本身的分解導致揮發性物質產生可帶走熱量而冷卻燒焦的聚合物,進一步提高耐熱性,同時賦予複合材料以優良的力學性能,如良好的坑震性。

  許多聚合物因受紫外線輻射或其它高能輻射的作用而受到破壞,其機理是當光和射線的能量大於原子間的共價鍵能時,分子鏈發生斷裂。鉛填充的聚合物可用來防止高能輻射。紫外線輻射則一般受到更多的關注,經常使用的添加劑包括炭黑、氧化鋅和二氧化鈦,它們的作用是吸收或者反射紫外線輻射,有些無麵填料可以和可見光一樣傳輸紫外線,產生熒光。

  力學降解是另一種降解機理,當應力的增加頻率超過一個鍵通過平移所產生的響應能力時,就發生鍵的斷裂,由此形成的自由基還可能對下一階段的降解模式產生影響。硬質和脆性聚合物基體應變小,可進行有或者沒有鏈斷裂的脆性斷裂,而較軟但粘性高的聚合物基體大多是力學降解的。
 
 

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