石墨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(一)功能

二、組成材料及其功能

前曾概括地介紹了環(huán)氧復(fù)合材料的組成材料及其功能等內(nèi)容。據(jù)專家將從力學(xué)復(fù)合效應(yīng)的角度作進一步地分析，并提出對高性能環(huán)氧復(fù)合材料組成材料性能的要求。現(xiàn)以單向纖維復(fù)合材料為例用細觀力學(xué)和細觀斷裂力學(xué)的方法定性地分析各種受力情況下各組成材料在復(fù)合材料中所起的作用和機理。 <

1、縱向拉伸

環(huán)氧樹脂澆注體及纖維的力學(xué)性能。單向復(fù)合材料縱向受力示意圖可知，縱向拉伸載荷PcL由纖維和基體共同承擔(dān)。

2、橫向拉伸

橫向拉伸的情況比較復(fù)雜。雖然已提出十幾種理論和公式，但終因力學(xué)模型與實際情況不完全符合而使理論值與實測值有差距。我們只從定性的方面結(jié)合實際情況作一些分析。復(fù)合材料的橫向拉伸不僅與基體、界面及纖維的性能有關(guān)，而且受纖維排列的平直及規(guī)整程度、界面粘結(jié)強度，孔隙率等工藝因素的影響很大。概括地講，高模量的纖維起著限制基體變形的作用。這導(dǎo)致復(fù)合材料橫向拉伸模量高于基體的模量，提高的幅度與纖維體積含量Vf及纖維模量Ef有關(guān)。復(fù)合材料的橫向拉伸強度則與其破壞模式有密切關(guān)系。破壞模式可能是:基體拉伸破壞、界面脫粘及纖維撕裂。實際上纖維被撕裂的情形很少有，大多為基體和界面混合破壞。從玻纖/EP復(fù)合材料實測值可以看到，復(fù)合材料的橫向拉伸強度之比可高達2.3。實線是橫向拉伸強度等于30MPa的復(fù)合材料的理論曲線，二者是相當(dāng)吻合的。大的基體往往是脆性基體，應(yīng)力集中增大，結(jié)果使低于基體強度。

而延性大的基體雖然應(yīng)力集中小，可是其本身強度較低，雖然使復(fù)合材料的橫向拉伸強度高，但實際值并不高。試驗研究表明采用基體增韌的方法，即在基體的強度和模量基本不降低或降低不大的前提下，提高基體的斷裂延伸率，可以顯著地提高復(fù)合材料的橫向拉伸強度?；w韌性的增加還提高了抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力，這對提高強度是有利的。專家表示，此外，選用橫向模量小的纖維(如CF)能降低基體的應(yīng)變增大因子，從而能提高復(fù)合材料的橫向拉伸強度。

3、縱向壓縮

基體的性能對復(fù)合材料的縱向壓縮性能有較大的影響。復(fù)合材料縱向壓縮破壞形式很多，如纖維失穩(wěn)、基體屈服、界面脫粘、基體開裂、纖維壓斷、45°剪切破壞等現(xiàn)象，并能互相引發(fā)、擴展，最后導(dǎo)致破壞。不少學(xué)者依據(jù)這些現(xiàn)象提出了各自的縱向壓縮破壞模式和理論公式。但理論值與實測值都有一定差距?？v向壓縮破壞機理不很清楚。大體上講實際的宏觀破壞形式主要有3種，即復(fù)合材料形成彎折帶而破壞、沿縱向劈裂(分層)破壞和與載荷成45°角方向剪切破壞。彎折帶的形成是由于纖維受壓失穩(wěn)、基體受壓失穩(wěn)或屈服、或基體太軟，模量太小，不能給纖維足夠的支持所致。

分層破壞的原因主要是基體強度太低，界面粘結(jié)力小，孔隙率含量大，或在復(fù)合材料制備時就形成纖維彎曲(如纖維本身的彎曲和編織造成的彎曲，鋪層時的偏差等)受縱向壓縮時會在基體中產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，易造成基體沿縱向開裂及界面脫膠。45°剪切破壞是典型的脆性破壞模式，發(fā)生在基體、纖維及界面的強度都很大，而延伸率較小的情況下。專家強調(diào)，復(fù)合材料縱向壓縮破壞的模式隨組成材料的性能、形態(tài)和相互組合的不同而異，沒有統(tǒng)一的破壞模式。它們之間的定量關(guān)系還需深入研究。