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如何增強樹脂基復合材料的剛度和強度

文章來源:新意玻璃鋼 已有次個人瀏覽并咨詢 打印 發表時間:2014-08-13 08:58

樹脂基復合材料的剛度和強度,即其力學性能是復合材料使用中最關心的。樹脂基復合材料具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能好等優點,用于承力結構的樹脂基復合材料利用的正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復合材料,在制造和使用過程中,也必須考慮其力學性能,以保證產品的質量和使用壽命。

1、如何增強樹脂基復合材料的剛度

樹脂基復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。樹脂基復合材料的力學研究表明,對于宏觀均勻的樹脂基復合材料,彈性特性復合是一種混合效應,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,界面缺陷對它作用不是明顯。

由于制造工藝、隨機因素的影響,在實際復合材料中不可避免地存在各種不均勻性和不連續性,殘余應力、空隙、裂紋、界面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,樹脂基復合材料的剛度是相材料穩定的宏觀反映。

對于樹脂基復合材料的層合結構,基于單層的不同材質和性能及鋪層的方向可出現耦合變形,使得剛度分析變得復雜。另一方面,也可以通過對單層的彈性常數(包括彈性模量和泊松比)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、如何增強樹脂基復合材料的強度

材料的強度首先和破壞聯系在一起。樹脂基復合材料的破壞是一個動態的過程,且破壞模式復雜。各組分性能對破壞的作用機理、各種缺陷對強度的影響,均有街于具體深入研究。

樹脂基復合材強度的復合是一種協同效應,從組分材料的性能和樹脂基復合材料本身的細觀結構導出其強度性質。對于最簡單的情形,即單向樹脂基復合材料的強度和破壞的細觀力學研究,還不夠成熟。

單向樹脂基復合材料的軸向拉、壓強度不等,軸向壓縮問題比拉伸問題復雜。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:單向樹脂基復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。

單向樹脂基復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。單向樹脂基復合材料的面內剪切破壞是由基體和界面剪切所致,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復合材料盡管不具備單向樹脂基復合材料軸向上的高強度,但在橫向拉、壓性能方面要比單向樹脂基復合材料好得多,在破壞機理方面具有自己的特點:編織纖維增強樹脂基復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復雜。

樹脂基復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復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;面內剪切強度也是如此,這一現象稱為層合效應。

樹脂基復合材料強度問題的復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,例如由于局部的薄弱點、空穴、應力集中引起的效應。除此之外,界面粘結的性質和強弱、堆積的密集性、纖維的搭接、纖維末端的應力集中、裂縫增長的干擾以及塑性與彈性響應的差別等都有一定的影響

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