复合材料细观结构与力学性能

第1章 绪论 1.1 复合材料及其特点、发展概况 聚合物基复合材料是目前研究较多、应用较广泛的一种复合材料，具有质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、加工成型简单、生产效率高等特点，并具有可设计性，以及一些其他特殊性能，如减振、消音、透波、隐身和耐烧蚀等特点，已经在许多地方成功取代了金属、木材，用作结构材料。 聚合物基复合材料主要是由树脂基体和增强材料构成的多相体系。树脂基体为连续相，增强材料为分散相或第二连续相。增强材料的强度和模量一般都比基体高，当它被制成纤维后，其强度比块状时大得多，但是只有把众多的单根纤维胶接成一个整体，才能发挥它的性能。同时，还需要对纤维表面加以保护，防止因损伤而使强度降低。树脂是一种合适的介质，它可以把纤维黏结成一个整体，构成树脂基复合材料，从而发挥高强相的性能。复合材料既发挥了各组分的特点和潜在能力，又克服了单一材料的某些不足，从而达到对材料某些性能的综合要求。 复合材料的性能取决于各组分的性能，如增强材料的形状、数量及分布，以及体系的形态和相界面的性能等。所以，只要改变形态学的性质或界面的性质，就能使复合材料的各种性质发生多种多样的变化。例如，两相间黏附键的强度是界面的一个重要性能，它对复合材料的力学性能具有明显的影响。 聚合物基复合材料按照树脂基体的种类可分为热固性复合材料和热塑性复合材料。若按照增强材料的形态可分为长纤维复合材料、短纤维复合材料和微粒复合材料。 **个人工合成的树脂——酚醛树脂，是在20世纪出现的，但是由于脆性大，一直没有实用价值。直到1909年发现加入木粉、纤维等可以改进它的脆性，才使酚醛树脂成为有实用价值的塑料，并实现了工业化生产。可以说，这是**个聚合物基复合材料品种，是一种低效能的复合材料。随后，又陆续合成出许多热固性树脂和热塑性树脂。但是高效能的复合材料是在1931年玻璃纤维工业化生产后才出现的。1932年热固性玻璃钢首次出现，当时主要用作绝缘材料。20世纪30年代末，第二次世界大战期间，飞机雷达罩壳体材料的研究，促进了聚合物基复合材料的发展。1941年采用聚酯玻璃钢解决了雷达罩问题。1944年3月，机身用聚合物基复合材料制成的 BT-15型飞机试飞成功，并**次成功地将聚合物基复合材料用作主要的飞机结构部件。接着 AT-6型飞机用聚合物基复合材料制成机翼，还生产了数千个飞机和舰艇部件以及成百万只钢盔内衬。1946年玻璃纤维复合材料开始应用于民用，成为船只、汽车、建筑、电子器材、管道、储罐等的重要材料。20世纪50年代初期，环氧树脂的出现显著提高了玻璃钢的性能和作用。随着空间技术和国防工业发展的需要，碳纤维、硼纤维及其复合材料在20世纪60年代开始发展起来，现已由军用逐渐推广到了民用。20世纪70年代又出现了Kevlar(芳纶或凯夫拉)等有机纤维及其复合材料，以及混杂复合材料。 热塑性复合材料出现得比较晚。1951年首次出现了玻璃纤维增强聚苯乙烯，但是在随后的十多年间，热塑性复合材料发展很慢。1960年实现了玻璃单丝增强尼龙，显著地提高了尼龙的耐热性、模量等性能。直到20世纪60年代中期，热塑性玻璃钢才开始迅速发展起来。很快，几乎所有热塑性树脂都有了增强品种。近年来，热塑性复合材料的年增长率平均达到25%～30%，其年增长率已超过了热固性复合材料。随着复合技术和偶联技术水平的提高，热塑性聚合物基复合材料有了更大的发展。 1.2 纤维和纤维束强度 聚合物基复合材料是由聚合物基体和增强材料制备而成的，高性能复合材料需要高性能增强材料，因此高强度、高模量及低密度的增强材料，如碳、硼、Kevlar、碳化硅、玻璃、高模量聚乙烯等纤维应运而生，在学习复合材料细观结构与力学性能之前应对纤维和纤维束的力学性能有所了解。 1.2.1 纤维的基本参数 1．细度 在解释细度之前，应先了解单丝和原纱这两个名词。单丝是指拉丝漏板每个孔中拉出的丝；原纱是指多根单丝(数目由漏板的孔数决定)从漏板拉出汇集成的单束丝，也称纤维束丝。 纤维的细度是指单丝的直径，一般单位为。工艺上还有两种表示原纱粗细的方法，即重量法和定长法。《增强材料纱线试验方法 第1部分：线密度的测定》(GB/T 7690.1—2013)中做了专门定义，称之为纤维束线密度。 (1)重量法：用1g原纱的长度来表示，称为支数。例如，90支纱就是指1g原纱的长度为90m。当原纱中单丝数目相同时，纤维支数越高，单丝就越细。 (2)定长法：该法是国际上统一使用的方法，单位为 tex，是指1000m长原纱的支数。例如，500tex表示1000m长的原纱的质量为500g。原纱中单丝数目相同时，tex数值越大，单丝就越粗。 纤维的横截面可能不是圆的，计算这种非圆形横截面的直径时采用当量直径。当量直径可用下式计算：(1-1)式中，de为纤维的当量直径，K为异形横截面纤维的特征(轴)线长，L为形状修正系数；A为一定数量异形横截面纤维的平均截面积。 2．股数与捻度 合成一束纤维的原纱数称为股数，N根原纱合成一股称为 N股。1m长原纱合股时捻的圈数称为捻度。捻度是纤维束的一个重要指标，纤维束有加捻和无捻之分。无捻纤维束由多股平行的原纱合并而成或由一次拉制的多根单丝直接集束而成；加捻纤维束是多股原纱合并时加捻而成或由一次抽制的多根单丝加捻而成。 加捻纱一般用于织物制品。如果直接用于浸渍树脂，或制造无纬预浸料，*好采用无捻纱，因为这种纱束中纤维平行排列，强度高，纤维间松散，易被浸渍。 1.2.2 单丝强度与模量 单丝强度与模量的测量已有《纺织品卷装纱单根纱线断裂伸长率的测定(CRE 法)》(GB/T 3916—2013)，可按下述方法制备拉伸试样：首先用坐标纸做成纸框，然后用镊子夹取长4～5cm的单丝，置于纸框空格中间，如图1-1所示，*后用胶黏的方法让单丝定位，使纤维与纸框平行，并用另一半纸框折叠盖压住单丝。这样可使单丝夹在折叠纸框中间，以免在拉伸试验中被夹头夹断。 试样用夹头夹好后，用剪刀把试样两边的纸框剪断(图1-1中的5处)，这样在拉伸过程中便由单丝承载。拉伸试验中可记录得到载荷-变形关系曲线，如图1-2所示。从曲线上获得有关数据后，便可计算得出单丝的强度和模量，其中单丝强度 S(MPa)按 Pb/纤维横截面算出，Pb为*大单丝载荷，单丝模量 E(GPa)由求出。 图1-1 单丝试样制作纸框图 1-单丝；2-折叠痕；3-纸框；4-上夹头夹持处；5-剪断处；6-下夹头夹持处 图1-2 单丝拉伸载荷-变形关系曲线 现在市场上销售的增强纤维基本上都是脆性材料，因此其应力-应变曲线相应地都近似于直线。 1.2.3 纤维束的强度 纤维束力学性能的测试按《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》(GB/T 3362—2017)执行。由于纤维束在拉伸试验中很难将每根纤维同时均匀夹紧，为改善试样在夹头中的夹持条件，可使用树脂将一束纤维中的各根纤维黏结在一起，利用树脂易变形的特点，使夹持试样中的应力较均匀地分担在各根纤维上。但由于树脂和纤维同时参与了承力与变形，测得的数据要受到树脂存在的影响，所以测得的纤维强度和模量分别称为表观强度与表观模量。树脂的强度和模量均大大低于纤维。 纤维束拉伸试样的制造及试验操作如下：①取一束纤维，记录纤维的支数和股数；②通过浸胶槽浸胶(牵引速率不宜过快，让胶液浸透纤维束)，浸胶后剪成50cm左右长(至少一组10根)，用少许力分别拉直绷紧固定在框架上，将浸胶后的纤维与框架一起放入烘箱加热固化；③固化后的纤维束按图1-3所示尺寸裁剪，两端用胶黏剂和牛皮纸加强，准确测量试样标距，精确到0.5mm；④往试验机上装夹试样，注意纤维束与加载轴线相重合；⑤选择适当的拉伸速度(如1～10mm/min)和走纸速度(拉伸速度40倍)，记录载荷-变形曲线，直至纤维断裂；⑥由该曲线计算纤维束的表观拉伸强度、表观拉伸模量和断裂伸长率，其计算公式如下。 图1-3 纤维束拉伸试样(单位：mm) 表观拉伸强度为 (1-2) 式中，P为拉伸断裂载荷， N；A为纤维束中纤维横截面积，m2或 mm2。其中 t为纤维束密度，为纤维密度。表观拉伸模量 Ea为 (1-3) 式中，为曲线上直线段截取的载荷差，为对应于段的变形量，为试样标距，为纤维束中纤维横截面积，m2或 mm2。 ，其中为纤维束密度，为纤维密度。 断裂伸长率为 (1-4) 式中，为断裂载荷相对应的标距内总变形量，mm。 显然，树脂参与变形，测得的值也不精确，应适当进行修正。修正方法为：分别制备标距为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm的试样各10个，并测量它们的断裂载荷 P(N)和断裂变形值ΔL(mm)；计算每种标距试样的平均值；将各种标距长度 L对应的按下式计算修正系数 (1-5) 式中， Q为回归直线的截距；为常数。修正后的拉伸模量tE为 (1-6) 由纤维束拉伸试验的断裂载荷值可以计算纤维束的平均股强度。股强度定义为每股纤维所能承受的*大拉力。 1.3 纤维强度和纤维束强度的统计分布规律 纤维强度不是一个集中值，而是分布在一个范围内，主要原因是工业化生产的纤维不是均匀的，并且含有某些缺陷。纤维的直径越粗，含缺陷的总量就有可能越大，纤维强度就会越低；纤维长度越长，含缺陷的可能性也越大，纤维强度也将越低。为了用纤维强度推断复合材料的强度，应该首先知道纤维强度的统计分布规律。 1.3.1 纤维强度的统计分布规律 试验发现，尽管纤维强度值比较分散，但其值有一定的规律性，图1-4就是一个例子。通常这种分布规律符合Weibull分布，经常用两参数 Weibull分布来描述，即(1-7) 式中，为概率密度函数，即在和之间破坏应力的概率；L为纤维长度；和分别为表达分布的两个参数，其中.为尺度参数，为形状参数。 图1-4 石墨纤维强度的典型分布 图1-5是a=1、β=2，3，4时的图形。当时，的曲线有一个峰值。尺度参数(又称量纲参数)对分布曲线的影响可从图1-6看出，图中为时得到的几条的曲线。 图1-5 a=1且β=2，3，4时的 Weibull分布曲线 图1-6 β=2且a=4，1，0.04时的 Weibull分布曲线 利用概率论的基本知识，不难求得纤维的平均强度(数学期望)和标准偏差(方差)s，它们可分别用下面的公式表示： (1-9) 可见，和与纤维的平均强度.和标准偏差 s有关。一般用变异系数反映纤维强度的离散程度，变异系数为标准偏差 s除以平均强度，可用下式求得