复合材料的强韧化

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1、5.强韧化5.1复合材料的强度分析复合材料破环行为的两种表达方式作为引起材料的变形、损伤程度及最终破坏的载荷的函数描述为复合材料发生应变时内部所吸收的能量。（韧性）纤维与基体的断裂基体的开裂基体的切变5.1.1长纤维复合材料的断裂模式纤维的断裂应变大于基体的断裂应变纤维的断裂应变小于基体的断裂应变复合体系弹性模量（GPa）断裂应变（%）断裂应力（MPa）σmfu(MPa)σfmu(MPa)f(体积%)σ1u(MPa)高模量碳纤维3500.7250035-2.51267环氧树脂基体42.0100玻璃纤维712.82000

2、-143010.91000聚酯基体32.070Nicalon纤维1300.81000-17510.8500玻璃基体700.14100与纤维平行的载荷最初的断裂通常发生在最弱处应力值增加发生材料全体的断裂两个类型累积损伤模型纤维断裂传播模型与纤维平行的应力σ1在裂纹附近增长较快在裂纹的传播方向上也存在显著的横向应力纤维与基体的刚性比越大，应力集中越严重；界面剪切强度接近0时，应力集中可以忽略不计；相邻纤维之间的距离增大（纤维的体积分数减少），则应力集中会减轻。环氧树脂/碳纤维界面强度较大产生大的应力集中呈现出贯通大的纤维

3、束的倾向聚酯/玻璃聚酯/Kevlar纤维连接较弱，发生了大范围的纤维拔出有害的环境，沿裂纹进行浸透，纤维强度显著下降横向拉伸断裂强度及应变都显著降低局部应力纤维对横向强度没有贡献对于横向载荷，泊松比有下降的倾向剪切断裂复合材料轴向强度σ1u（MPa）横向强度σ2u（MPa）剪切强度τ12u（MPa）轴向断裂应变ε1u（%）横向断裂应变ε2u（%）聚酯/50%玻璃70020502.00.3环氧树脂/50%碳（高弹）100035700.50.3环氧树脂/50%Kevlar120020502.00.4压缩断裂5.1.2受到非

4、轴向载荷的单层板的断裂1）最大应力学说在单纯的最大应力学说中，假定与纤维平行或垂直的应力达到某一极限值时，发生断裂。其他的断裂学说在组合应力，特别是对叠层板的各个层片施加平面应力的条件下，对长纤维复合材料的断裂进行了各种预测。Rowlands于1985年发表了对该方法的展望。大部分方法都是基于对金属展开的屈服标准的采用。最为一般的是Tresca与Mises的屈服标准。Tresca的标准相当于达到最大剪切应力的极限值时发生的屈服实验数据5.1.3叠层板的强度层间应力末端效应5.1.4受到内压的圆管的破损5.2.复合材料的

5、韧性受到负荷的材料所吸收的能量与应力同等重要韧性优异的材料在断裂时需要大的能量在受到冲击等多种负荷的情况下，材料是吸收一定的能量而断裂在很多情况下，决定材料性能的是断裂韧性。5.2.1断裂机理基本概念材料的断裂是由于裂纹周围积蓄的能量随裂纹的扩展而释放所发生。如果能量不能达到平衡，则裂纹不扩展。裂纹先端的高应力与裂纹传播的能量不能取得平衡时，裂纹不发生扩展。在一般的金属材料中，由于晶粒界上滑移高频率地发生，所以显示出高的断裂韧性。临界长度能量释放率完全的开口模式（KII=0）中，φ=0；完全的剪切模式（KI=0）中，φ

6、=90。以应力或能量基础的裂纹变形以裂纹先端的应力为焦点。指出在受到与纤维平行的负荷的复合材料中，裂纹接近纤维时，在裂纹的先端产生横向应力，这样的应力使界面开口，使来自纤维插入部的裂纹钝化，或者发生使裂纹变形的倾斜。能量基础的裂纹变形的标准。一个模块中产生的裂纹，随着裂纹的增大而向另一模块扩展。所以可以推测，通过施加为了使裂纹扩展的负荷，能够使裂纹在该过程中贯通到另一模块，或者是发生沿着界面的变形。5.2.2对断裂能量的贡献通常的工业材料中要求优异的断裂韧性。关于断裂韧性，对于复合材料有利的是促进材料内对能量的吸收的机

7、制。而且，理解对该能量吸收的控制机理也是十分主要的。提高断裂韧性使强化材料分布均匀，限制颗粒或纤维的尺寸，改善成形工序。优异的界面强度的提高。非金属基体，对于基体的能量吸收，虽然是有限的范围，但是，强韧化的机理还是有很大意义的。塑料基复合材料的韧性的改善，其基本想法也是使用其韧性高于基体的强化材料。基体的变形金属基体一般在裂纹附近产生大的滑移，所以具有高的断裂韧性。但是高分子材料（特别是热固性树脂）与陶瓷的断裂韧性一般较低。复合材料的断裂中基体的变形，与同一材料非强化状态下的变形相比，有很大的不同。基体的变形会受到很多

8、约束，在刚性高的纤维周围的基体，不能进行自由的变形，负荷的传递的不同。裂纹附近的应力是三维应力场，阻碍基体伴随着变形的塑性流动。横向的拉伸应力，阻碍了塑性流动，却在材料中产生了空洞，反而容易断裂。纤维的断裂复合材料的的断裂中纤维的断裂是其基本形式。断裂能量中纤维断裂所占的比例很小。有机体系纤维的断裂能量也较大。例如KevlarTM