复合材料聚合物基复合材料.ppt

1 3.1 纤维增强聚合物基复合材料一般性能特点 3.1.1 力学性能 （ 1 ）力学性能特点 比强度高 （密度小） 性能各向异性 （短纤维增强时各向同性） 性能分散性大 （影响因素太多） （ 2 ）静态拉伸性能 ： 完全弹性形变 （ 无屈服点、塑性区 ） 2 图 4.18 纤维增强聚合物基复合材料应力应变曲线 CFRP(HM) ：高模碳纤维； CFRP(HT) ：高强碳纤维； KFRP ： Kevlar 纤维； GFRP ：玻璃纤维 3 轴向拉伸强度和模量 ： 随纤维体积分数增大而增大 横向拉伸强度和模量 ： 主要由基体和界面控制 弯曲强度和弹性模量 ： 性能分散性较大 剪切强度和模量 ： 与界面和基体材料有关，有方向性 4 （ 3 ）高温力学性能 ： 主要 由基体控制 图 4.19 FRP 的 高温力学性能 UP ：不饱和聚酯 EP ：环氧树脂 PEEK ：聚醚醚酮 PI ：聚酰亚胺 5 （ 4 ）疲劳性能 疲劳破坏 ： 低于 静态强度极限 动载荷 ， 作用 一段时间 的破坏 S-N 曲线 ： 最大应力 与 循环次数 关系曲线 影响因素 ： 纤维类型；基体类型；铺层形式；界面性质； 载荷形式；平均应力；应力频率；环境条件 FRP 疲劳强度 ：与静态强度比值约 0.22-0.41 （循环 10 7 ） 6 图 4.20 FRP 与金属铝的疲劳性能对比 KF ： Kevlar 纤维； BF ：硼纤维； S-GF ：高强玻璃纤维； E-GF ： E 玻璃纤维； EP ：环氧树脂 7 （ 5 ）冲击韧性 冲击试验：测量 标准冲击试样 破坏所需能量 DI 指数：裂纹扩展能 QP 与裂纹引发能 Qi 之比 DI = QP / Qi QP + Qi = Q （ Q ：冲击破坏所吸收能量） DI 越大，材料韧性越好；对完全脆性材料， DI = 0 8 图 4.21 冲击试验中的典型加载历程 9 FRP 的能量吸收方式： 纤维脱胶 、 纤维拔出 、 纤维破坏 、 基体变形和开裂 、 分层裂纹 图 4.22 纤维复合材料中裂纹扩展模式 10 纤维非常显著地影响破坏模式 （ 韧性纤维较脆性纤维有更高的冲击强度 ） 基体变形要吸收较多的能量 （ 较之热固性，热塑性基体有较大塑性变形而冲击强度高 ） 纤维与基体界面粘结强度强烈地影响冲击破坏模式 （ 纤维脱胶可吸收大量能量 ） 11 材料 体积比 （ Vol % ） 冲击强度 （ KJ / m2 ） 石墨 / EP Kavlar-40 / EP S – GF / EP BF / EP 4130 合金钢 4340 合金钢 2024 – T3 铝合金 6061 – T6 铝合金 55 65 72 60 114 693 693 78 592 215 84 153 表 4.3 各种材料的典型冲击强度 12 3.1.2 物理及化学性能 （ 1 ）电性能 ：介于 增强纤维 和 基体树脂 电性能之间 （ 树脂品种、纤维表面处理等影响电性能 ） 水的影响： 很大 ( 潮湿环境或者水中浸泡电阻下降很大 ) 13 （ 2 ）热性能 导 热 性 能： 良好隔热材料 热膨胀系数：在 一定温度范围 内有 较好尺寸稳定性 热变形温度： 很差 （不超过 250 度 ） （ 3 ）耐热性 （温度对力学性能影响） 较大温度依赖性 （常温下较好，温度升高急剧下降） 14 （ 4 ）阻燃性及耐火性 ： 依赖于基体树脂 （ 5 ）光学性能 ：取决于 基体和增强体对光透过性和折射性 （ 6 ）耐化学腐蚀性 ： 优良耐化学腐蚀性 （ 7 ）耐候性 ： 户外使用时抵抗各种气候因素的能力 （日光、 O 2 、 O 3 、热、雨、风、沙、盐雾） FRP 耐候性： 表面失去光泽 、 起毛 、 变黄 、 纤维外露 力学性能无显著变化 ( 就力学