环氧复合材料的组成材料及其功能

前曾概括地介绍了环氧复合材料的组成材料及其功能等内容。据专家将从力学复合效应的角度作进一步地分析，并提出对高性能环氧复合材料组成材料性能的要求。现以单向纤维复合材料为例用细观力学和细观断裂力学的方法定性地分析各种受力情况下各组成材料在复合材料中所起的作用和机理。

1、纵向拉伸

环氧树脂浇注体及纤维的力学性能。单向复合材料纵向受力示意图可知，纵向拉伸载荷PcL由纤维和基体共同承担。

2、横向拉伸

横向拉伸的情况比较复杂。虽然已提出十几种理论和公式，但终因力学模型与实际情况不完全符合而使理论值与实测值有差距。我们只从定性的方面结合实际情况作一些分析。复合材料的横向拉伸不仅与基体、界面及纤维的性能有关，而且受纤维排列的平直及规整程度、界面粘结强度，孔隙率等工艺因素的影响很大。概括地讲，高模量的纤维起着限制基体变形的作用。这导致复合材料横向拉伸模量高于基体的模量，提高的幅度与纤维体积含量Vf及纤维模量Ef有关。复合材料的横向拉伸强度则与其破坏模式有密切关系。破坏模式可能是：基体拉伸破坏、界面脱粘及纤维撕裂。实际上纤维被撕裂的情形很少有，大多为基体和界面混合破坏。从玻纤/EP复合材料实测值可以看到，复合材料的横向拉伸强度之比可高达2.3。实线是横向拉伸强度等于30MPa的复合材料的理论曲线，二者是相当吻合的。大的基体往往是脆性基体，应力集中增大，结果使低于基体强度。

而延性大的基体虽然应力集中小，可是其本身强度较低，虽然使复合材料的横向拉伸强度高，但实际值并不高。试验研究表明采用基体增韧的方法，即在基体的强度和模量基本不降低或降低不大的前提下，提高基体的断裂延伸率，可以显著地提高复合材料的横向拉伸强度。基体韧性的增加还提高了抵抗裂纹失稳扩展的能力，这对提高强度是有利的。专家表示，此外，选用横向模量小的纤维(如CF)能降低基体的应变增大因子，从而能提高复合材料的横向拉伸强度。

3、纵向压缩

基体的性能对复合材料的纵向压缩性能有较大的影响。复合材料纵向压缩破坏形式很多，如纤维失稳、基体屈服、界面脱粘、基体开裂、纤维压断、45°剪切破坏等现象，并能互相引发、扩展，最后导致破坏。不少学者依据这些现象提出了各自的纵向压缩破坏模式和理论公式。但理论值与实测值都有一定差距。纵向压缩破坏机理不很清楚。大体上讲实际的宏观破坏形式主要有3种，即复合材料形成弯折带而破坏、沿纵向劈裂(分层)破坏和与载荷成45°角方向剪切破坏。弯折带的形成是由于纤维受压失稳、基体受压失稳或屈服、或基体太软，模量太小，不能给纤维足够的支持所致。

分层破坏的原因主要是基体强度太低，界面粘结力小，孔隙率含量大，或在复合材料制备时就形成纤维弯曲(如纤维本身的弯曲和编织造成的弯曲，铺层时的偏差等)受纵向压缩时会在基体中产生横向拉应力，易造成基体沿纵向开裂及界面脱胶。45°剪切破坏是典型的脆性破坏模式，发生在基体、纤维及界面的强度都很大，而延伸率较小的情况下。专家强调，复合材料纵向压缩破坏的模式随组成材料的性能、形态和相互组合的不同而异，没有统一的破坏模式。它们之间的定量关系还需深入研究。

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