第12章 聚合物基复合材料的力学性能

第12章聚合物基复合材料的力学性能2020/1/29212.1绪论一、复合材料的力学性能（1）拉伸强度、拉伸模量、泊松比；（2）压缩强度、压缩模量；（3）弯曲强度、弯曲模量；（4）剪切强度、剪切模虽、层间剪切强度、断纹剪切强度、纵横剪切强度；（5）冲击强度（或冲击韧性）；（6）硬度、巴氏硬度、邵氏硬度；（7）摩擦系数；（8）磨损率。2020/1/293二、CM的物理性能（1）线膨胀系数；（2）导热系数；（3）平均比热；（4）马丁耐热、热变形温度；（5）热机械曲线；（6）体积电阻系数与表面电阻系数；（7）介电系数与介质损耗角正切；（8）击穿电压、介电强度和耐电压；（9）耐电弧；（10）耐温指数；（11）折光率、透光率和雾度。复合材料的稳定性（12）耐燃烧性、氧指数；（13）热稳定性；（14）吸水性；（15）耐化学腐蚀性；（16）大气老化、加速大气老化、湿热老化、盐雾腐蚀老化；（17）霉菌腐蚀。2020/1/294三、影响polymerCM力学性能的因素:试验方法，还取决于树脂基体、增强材料及其界面的粘结状况.在给出其力学性能数据时，要详细说明原材料的数据和成型工艺参数，如树脂基体的结构、组成、配比以及制成树脂浇铸体的基本力学性能数据，纤维直径、捻度、支数、股数、织物厚度、经纬密度、热处理、表面化学处理前后的经纬向弧度、成型工艺方法、温湿度、树脂含量、固化条件（温度、压力、时间）、后期热处理、固化度等。2020/1/29512.2CM力学性能测试12.2.1拉伸最基本的一种力学性能试验方法。适用于测定玻璃纤维织物增强塑料板材和短切玻璃纤维增强塑料的拉伸性能，包括拉伸强度、弹性模量、泊松比、伸长率、应力-应变曲线等。在规定的温度、湿度和试验速度下，在试详上沿纵轴方向施加拉伸裁荷使其破坏，此时材料的性能指标如下：1.拉伸强度ipbhi—拉伸强度，MPa；p—破坏载荷（或最大载荷），N；b—试样宽度，cm；h—试样厚度，cm。2020/1/2962.拉伸断裂伸长率εi—试样拉伸断裂伸长率，%；△Lb—试样断裂时标距式L0内伸长量，cm；L0—测量的标距，cm。0100biLL3.拉伸弹性模量0iLPEbhLEi—拉伸弹性模量，MPa；△P—载荷―变形曲线上初始直线段的载荷增量，N；△L—与载荷增量△P对应的标距L0内的变形增量，cm。2020/1/2974.泊松比μ—泊松比；ε1、ε2：分别为载荷增量△P对应的纵向应变和横向应变。21111222,LLLLL1、L2—分别为纵向和横向的测量标距，cm；△L1、△L2—分别为与载荷增量△P对应的标距L1和L2得变形增量，cm。2020/1/2985.拉伸应力-应变曲线图玻璃纤维增强塑料该曲线由折线组成，折线的拐点出现在强度极限的三分之一处附近，试样拉伸过程达到此处时，可听到有开裂声，并伴随在试样表面上出现白斑。由于折线的存在，就形成了所谓第一弹性模量和第二弹性摸量。第二弹性模量是复合材料的特点，由于在受力状况下树脂和纤维延伸率不同，在界面处出现开裂（热固性树脂延伸率仅1%左右，玻璃纤维延伸率：有碱纤维为2.7％，无碱纤维为3%），有缺陷的纤维先断裂，使纤维总数少于起始状态，相应每根纤维上受力增加，形变也就增加。2020/1/29912.2.2压缩常温下对标准试样的两端施加均匀的、连续的轴向静压缩载荷。直至破坏或达到最大载荷时，求得压缩性能参数。试验方法GB1448—83。1.压缩强度：试样直至破坏或达到最大载荷时所受的最大压缩应力cPFσc—压缩强变，Mpa；P—破坏或最大载荷，N；F—试样横截面积，cm2。2.压缩弹性模量：在比例极限范围内应力和应变之比。fbhPlf334EEf—弯曲弹性模量，MPa；△P—载荷―挠度曲线上初始直线段的载荷增量，N；△f—与载荷增量△P对应的跨距中点处的挠度增量，cm。2020/1/291012.2.3弯曲试验试验方法GB1440-83，包括弯曲强度、弯曲弹性模量、规定挠度下的弯曲应力、弯曲载荷-挠度曲线。1.弯曲强度：采用简支梁，将试样放在两支点上，在两点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破坏时的强度为弯曲强度。2f23bhPL2f23bhPLσf-弯曲强度，P-破坏载荷（或破坏载荷，或挠度为1.5倍试样厚度时的载荷），N；L-跨距，cm;B、h-试样宽度和厚度，cm;2020/1/29112、弯曲弹性模量：在比例极限内应力与应变比值。fbhPLEf334Ef：弯曲弹性模量，MPa△P：载荷-挠度曲线上初始直线段的载荷增量，N△f：与载荷增量△P对应的跨距中点处的挠度增量，cm2020/1/291212.2.4剪切单面剪切、双面剪切、拉伸剪切、压缩剪切、弯曲剪切等。(GB1450.I-83)1.剪切强度:试样在剪切力作用下破坏时单位面积上所能承受的载荷值。①单面剪切强度②双面剪切强度Pb—破坏载荷，N；b、h—试样受剪面宽度、高度，cm；τs—层间剪切强度，MPa。③层间剪切强度：层压材料中沿层间单位面积上所能承受的最大剪切载荷，MPa④断纹剪切强度：沿垂直于板面的方向剪断的剪切强度，MPa⑤剪切弹性模量：材料在比例极限内剪应力与剪应变之比。bhPbdbhPbi22020/1/291312.2.5冲击衡量复合材料在经受高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力的试验方法。三种：摆锤式冲击试验（包括简支梁型和悬臂梁型）；落球式冲击试验；高速拉伸冲击试验。1、简支梁型：由于摆锤式试验方法简单方便，所以在材料质量控制、筛选等方面使用较多．2020/1/2914落球式冲击试验：把球、标准的重锤或投掷枪由已知高度落在试棒或试片上，测定使试棒或试片刚刚够破裂所需能量的一种方法。这种方法与摆锤式试验相比表现出与实地试验有很好的相关性。但缺点是如果想把某种材料与其他材料进行比较，或者需改变重球质量，或者改变落下高度，十分不方便。高速拉伸应力―应变：应力―应变曲线下方的面积与使材料破坏所需的能量成正比。如果试验是以相当高的速度进行，这个面积就变成与冲击强度相等。2020/1/291512.2.6硬度硬度：抵抗其它较硬物体的压入性能，是材料软硬程度的有条件性的定量反映。通过硬度的测量还可间接了解其他力学性能，如磨耗、拉伸强度等。对于纤维增强塑料，可用硬度估计热固性树脂基体的固化程度，完全固化的比不完全固化的硬度高。1.巴氏硬度（参阅GB3854—83）巴氏硬度：压痕硬度，它以特定压头在标准弹簧的压力作用下压入试样，以压痕的深浅来表征试样的硬度。它适用于测定纤维增强塑料及其制品的硬度，也可用于非增强硬塑料。2.邵氏硬度（参阅G82412—83）邵氏硬度分为邵氏A和邵氏D两种。邵氏A硬度适用于较软的塑料。用HA表示，邵氏D硬度适用于较硬的塑料，用HD表示。2020/1/291612.3聚合物基CM物理性能测试包括线膨胀系数、导热系数、平均比热、热变形温度、马丁耐热、温度形变曲线（热机械曲线）、电阻系数、电击穿、折光率、透光率等试验方法。2020/1/291712.3.1线膨胀系数热膨胀:大多数固体物质都会随着温度的变化而发生长度和体积的变化。复合材料的热膨胀主要取决于纤维和树脂的线膨胀系数以及它们所占的体积百分比。设固体在温度为0℃时的长度为L。，当温度升高到t℃时，固体的伸长量△L与原长L。及温度的升高t成正比，即：体膨胀系数:Vt—t℃时固体的体积；V0—0℃时固体的体积；β—体膨胀系数，温度升高1℃时体积相对增大。体膨胀系数近似等于线膨胀系数的三倍.2020/1/291812.3.2导热系数热传导又称导热，是热量传递的一种基本方式。温度较高的物体，分子的热运动剧烈，通过碰撞将能量传给相邻分子的方式称为热传导。它是固体中热传递的主要方式。导热系数是物质导热能力的标志。导热系数愈大，物质的导热能力愈强。热系数的大小与物质的化学组成、物理状态、内部结构、物质所处的温度、湿度、压力等因素有关。同一种树脂由于密度不同，其导热系数亦不同，其增强材料与导热性关系不仅与纤维性能有关，而且与导热方向有关，因为纤维的纵向、横向导热性质不同。2020/1/291912.3.3平均比热比热：1g物质升高1℃所吸收的热量。各种物质的比热不同，同一物质比热的大小与加热时的条件（如温度、压强、体积）有关，同一物质在不同物态下的比热也不同。Cp—试样平均比热，J/（g·℃）；H—凉热计热值，J/℃；t0—落样时量热计温度，℃；tm—量热计最高温度，℃；M—试验后的试样重量，g；t0—量热计温度修正值，℃；t—试样在保温期的温度，℃。试样的平均比热：2020/1/292012.3.4马丁耐热与热变形温度1.马丁耐热（GB2035-70）马丁耐热法规定试样在10±22℃／12min等速升温环境中，在一定的静弯曲力矩的作用下使试样承受5±0.02MPa弯曲应力，以弯曲变形达6mm时的温度表示耐热性。该方法不适用于耐热性低于60℃的塑料或纤维增强塑料。2.热变形温度（GB1984-76）将试样浸在等速升温的硅油介质中，在简支梁式的静弯曲载荷作用下，试样弯曲变形达到规定值时的温度称之为热变形温度，并不代表其使用温度。2020/1/292112.3.5温度形变曲线（热机械曲线）温度形变曲线亦称热机械曲线或热机械分析（TMA），是在程序温度控制下（等速升温、降温、恒温或循环温度）测量试样在受非振荡性负荷（如恒定负荷）时所产生的形变随温度变化的曲线，它在一定的温度范围内反映试样在外力作用下形变的全过程，这比指定某一变形量的温度值更合理更全面。2020/1/292212.3.7介电常数和介质损耗角正切1）相对介电常数相对介电常数εr是在同一电极结构中，电极周围充满介质时的电容CX与周围是真空时的电容C0之比2）介质损耗角正切tanδ电介质材料在交变电场作用下的能量损耗称为介质损耗。这种损耗一是通过介质的漏导电流（它与电压为同相）引起的漏导电流损耗；二是由吸收电流中的一部分与电压同相的有功电流引起的吸收损耗。（GB1400-79）2020/1/292312.3.8击穿强度（GB1408-78）电击穿：置于电场中的任何介质，当电场强度超过某一临界值时就会丧失绝缘性能，这种现象称为电击穿，介质发生击穿时的电压称为击穿电压。击穿强度：击穿电压与击穿处介质厚度之比。固体介质的击穿可为纯粹的电击穿过程亦可为热击穿过程。电击穿系由于电荷在外加电场的影响下发生位移，使电荷间的弹性键遭受破坏所致。热击穿为介质在电场中的温度达到了相当于其熔化、焦化、氧化或其他因漏导或介质损耗的过分增加所引起的热破坏的结果。2020/1/2924电绝缘材料厚度越大，击穿电压就会越大。增加绝缘材料的厚度或选择优质电绝缘材料都能提高绝缘体的击穿电压。试验在工频下用最高额定试验电压为50kV或100kV的交流变压器。击穿试验时采用连续均匀升压法或1min逐级升压法。耐压试验是在试样上连续均匀地升压到一定的试验电压后保持一定的时间，试验电压和时间由产品标淮规定。试验结果按下式计算：2020/1/292512.3.9耐电弧耐电弧试验（GB1411-78）：采用交流高压小电流耐电弧试验方法，借高压在两电极间产生的电弧作用，使绝缘材料表面形成导电层所需的时间来判断绝缘材料的耐电弧性。2020/1/292612.3.10温度指数快速评定电气绝缘浸渍漆和漆布热老化性能的试验方法——热重点斜法，是基于电气绝缘热寿命试验理论lg=a+b/T，即绝缘热寿命τ的对数与绝对温度T的倒数成线性关系，将恒温下功能性试验和匀速升温下热失重试验结合起来，即由常规热老化试验方法作一恒温点功能性试验，求得该温度下的热寿命值，由热重曲线求得热寿命线的斜率，借以评定材料的热老化性能。2020/1/292712.5热稳定性测定高分子材料和聚合物基复合材料的热分解温度可用热重法（TG）、差热分析法（DTA）和示差扫描量热法（DSC）等。12.5.1热重法