第12章-聚合物基復合材料的力學性能課件

第12章聚合物基復合材料的力學性能

8/7/20231第12章聚合物基復合材料的力學性能8/1/2023112.1緒論一、復合材料的力學性能（1）拉伸強度、拉伸模量、泊松比；（2）壓縮強度、壓縮模量；（3）彎曲強度、彎曲模量；（4）剪切強度、剪切模雖、層間剪切強度、斷紋剪切強度、縱橫剪切強度；（5）沖擊強度（或沖擊韌性）；（6）硬度、巴氏硬度、邵氏硬度；（7）摩擦系數(shù)；（8）磨損率。8/7/2023212.1緒論一、復合材料的力學性能8/1/20232二、CM的物理性能（1）線膨脹系數(shù)；（2）導熱系數(shù)；（3）平均比熱；（4）馬丁耐熱、熱變形溫度；（5）熱機械曲線；（6）體積電阻系數(shù)與表面電阻系數(shù)；（7）介電系數(shù)與介質(zhì)損耗角正切；（8）擊穿電壓、介電強度和耐電壓；（9）耐電??；（10）耐溫指數(shù)；（11）折光率、透光率和霧度。復合材料的穩(wěn)定性（12）耐燃燒性、氧指數(shù)；（13）熱穩(wěn)定性；（14）吸水性；（15）耐化學腐蝕性；（16）大氣老化、加速大氣老化、濕熱老化、鹽霧腐蝕老化；（17）霉菌腐蝕。

8/7/20233二、CM的物理性能8/1/20233三、影響polymerCM力學性能的因素:試驗方法，還取決于樹脂基體、增強材料及其界面的粘結(jié)狀況.在給出其力學性能數(shù)據(jù)時，要詳細說明原材料的數(shù)據(jù)和成型工藝參數(shù)，如樹脂基體的結(jié)構(gòu)、組成、配比以及制成樹脂澆鑄體的基本力學性能數(shù)據(jù)，纖維直徑、捻度、支數(shù)、股數(shù)、織物厚度、經(jīng)緯密度、熱處理、表面化學處理前后的經(jīng)緯向弧度、成型工藝方法、溫濕度、樹脂含量、固化條件（溫度、壓力、時間）、后期熱處理、固化度等。8/7/20234三、影響polymerCM力學性能的因素:8/1/202312.2CM力學性能測試12.2.1拉伸

最基本的一種力學性能試驗方法。適用于測定玻璃纖維織物增強塑料板材和短切玻璃纖維增強塑料的拉伸性能，包括拉伸強度、彈性模量、泊松比、伸長率、應力-應變曲線等。在規(guī)定的溫度、濕度和試驗速度下，在試詳上沿縱軸方向施加拉伸裁荷使其破壞，此時材料的性能指標如下：

1.拉伸強度i—拉伸強度，MPa；p—破壞載荷（或最大載荷），N；b—試樣寬度，cm；h—試樣厚度，cm。8/7/2023512.2CM力學性能測試i—拉伸強度，MPa；8/1/2

2.拉伸斷裂伸長率εi—試樣拉伸斷裂伸長率，%；△Lb—試樣斷裂時標距式L0內(nèi)伸長量，cm；L0—測量的標距，cm。

3.拉伸彈性模量Ei—拉伸彈性模量，MPa；△P—載荷―變形曲線上初始直線段的載荷增量，N；△L—與載荷增量△P對應的標距L0內(nèi)的變形增量，cm。8/7/202362.拉伸斷裂伸長率εi—試樣拉伸斷裂伸長率，%；3.拉

4.泊松比μ—泊松比；ε1、ε2：分別為載荷增量△P對應的縱向應變和橫向應變。

L1、L2—分別為縱向和橫向的測量標距，cm；△L1、△L2—分別為與載荷增量△P對應的標距L1和L2得變形增量，cm。8/7/202374.泊松比μ—泊松比；L1、L2—分別為縱向和橫向

5.拉伸應力-應變曲線圖

玻璃纖維增強塑料該曲線由折線組成，折線的拐點出現(xiàn)在強度極限的三分之一處附近，試樣拉伸過程達到此處時，可聽到有開裂聲，并伴隨在試樣表面上出現(xiàn)白斑。由于折線的存在，就形成了所謂第一彈性模量和第二彈性摸量。第二彈性模量是復合材料的特點，由于在受力狀況下樹脂和纖維延伸率不同，在界面處出現(xiàn)開裂（熱固性樹脂延伸率僅1%左右，玻璃纖維延伸率：有堿纖維為2.7％，無堿纖維為3%），有缺陷的纖維先斷裂，使纖維總數(shù)少于起始狀態(tài)，相應每根纖維上受力增加，形變也就增加。

8/7/202385.拉伸應力-應變曲線圖8/1/2023812.2.2壓縮常溫下對標準試樣的兩端施加均勻的、連續(xù)的軸向靜壓縮載荷。直至破壞或達到最大載荷時，求得壓縮性能參數(shù)。試驗方法GB1448—83。1.壓縮強度：試樣直至破壞或達到最大載荷時所受的最大壓縮應力

σc—壓縮強變，Mpa；P—破壞或最大載荷，N；F—試樣橫截面積，cm2。2.壓縮彈性模量：在比例極限范圍內(nèi)應力和應變之比。Ef—彎曲彈性模量，MPa；△P—載荷―撓度曲線上初始直線段的載荷增量，N；△f—與載荷增量△P對應的跨距中點處的撓度增量，cm。8/7/2023912.2.2壓縮σc—壓縮強變，Mpa；2.壓縮彈性模量：12.2.3彎曲試驗試驗方法GB1440-83，包括彎曲強度、彎曲彈性模量、規(guī)定撓度下的彎曲應力、彎曲載荷-撓度曲線。

1.彎曲強度：采用簡支梁，將試樣放在兩支點上，在兩點間的試樣上施加集中載荷，使試樣變形直至破壞時的強度為彎曲強度。σf-彎曲強度，P-破壞載荷（或破壞載荷，或撓度為1.5倍試樣厚度時的載荷），N；L-跨距，cm;B、h-試樣寬度和厚度，cm;8/7/20231012.2.3彎曲試驗σf-彎曲強度，8/1/2023102、彎曲彈性模量：在比例極限內(nèi)應力與應變比值。Ef：彎曲彈性模量，MPa△P：載荷-撓度曲線上初始直線段的載荷增量，N△f：與載荷增量△P對應的跨距中點處的撓度增量，cm8/7/2023112、彎曲彈性模量：在比例極限內(nèi)應力與應變比值。Ef：彎曲彈12.2.4剪切單面剪切、雙面剪切、拉伸剪切、壓縮剪切、彎曲剪切等。(GB1450.I-83)1.剪切強度:試樣在剪切力作用下破壞時單位面積上所能承受的載荷值。①單面剪切強度②雙面剪切強度

Pb—破壞載荷，N；b、h—試樣受剪面寬度、高度，cm；τs—層間剪切強度，MPa。③層間剪切強度：層壓材料中沿層間單位面積上所能承受的最大剪切載荷，MPa④斷紋剪切強度：沿垂直于板面的方向剪斷的剪切強度，MPa⑤剪切彈性模量：材料在比例極限內(nèi)剪應力與剪應變之比。8/7/20231212.2.4剪切8/1/20231212.2.5沖擊衡量復合材料在經(jīng)受高速沖擊狀態(tài)下的韌性或?qū)嗔训牡挚鼓芰Φ脑囼灧椒ā?/p>

三種：擺錘式?jīng)_擊試驗（包括簡支梁型和懸臂梁型）；

落球式?jīng)_擊試驗；

高速拉伸沖擊試驗。

1、簡支梁型：由于擺錘式試驗方法簡單方便，所以在材料質(zhì)量控制、篩選等方面使用較多．8/7/20231312.2.5沖擊8/1/202313落球式?jīng)_擊試驗：把球、標準的重錘或投擲槍由已知高度落在試棒或試片上，測定使試棒或試片剛剛夠破裂所需能量的一種方法。這種方法與擺錘式試驗相比表現(xiàn)出與實地試驗有很好的相關(guān)性。但缺點是如果想把某種材料與其他材料進行比較，或者需改變重球質(zhì)量，或者改變落下高度，十分不方便。高速拉伸應力―應變：應力―應變曲線下方的面積與使材料破壞所需的能量成正比。如果試驗是以相當高的速度進行，這個面積就變成與沖擊強度相等。8/7/202314落球式?jīng)_擊試驗：把球、標準的重錘或投擲槍由已知高度落在試棒或12.2.6硬度

硬度：抵抗其它較硬物體的壓入性能，是材料軟硬程度的有條件性的定量反映。通過硬度的測量還可間接了解其他力學性能，如磨耗、拉伸強度等。對于纖維增強塑料，可用硬度估計熱固性樹脂基體的固化程度，完全固化的比不完全固化的硬度高。1.巴氏硬度（參閱GB3854—83）巴氏硬度：壓痕硬度，它以特定壓頭在標準彈簧的壓力作用下壓入試樣，以壓痕的深淺來表征試樣的硬度。它適用于測定纖維增強塑料及其制品的硬度，也可用于非增強硬塑料。

2.邵氏硬度（參閱G82412—83）邵氏硬度分為邵氏A和邵氏D兩種。邵氏A硬度適用于較軟的塑料。用HA表示，邵氏D硬度適用于較硬的塑料，用HD表示。

8/7/20231512.2.6硬度8/1/20231512.3聚合物基CM物理性能測試包括線膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)、平均比熱、熱變形溫度、馬丁耐熱、溫度形變曲線（熱機械曲線）、電阻系數(shù)、電擊穿、折光率、透光率等試驗方法。8/7/20231612.3聚合物基CM物理性能測試包括線膨脹系12.3.1線膨脹系數(shù)

熱膨脹:大多數(shù)固體物質(zhì)都會隨著溫度的變化而發(fā)生長度和體積的變化。復合材料的熱膨脹主要取決于纖維和樹脂的線膨脹系數(shù)以及它們所占的體積百分比。設(shè)固體在溫度為0℃時的長度為L。，當溫度升高到t℃時，固體的伸長量△L與原長L。及溫度的升高t成正比，即：體膨脹系數(shù):Vt—t℃時固體的體積；V0—0℃時固體的體積；β—體膨脹系數(shù)，溫度升高1℃時體積相對增大。體膨脹系數(shù)近似等于線膨脹系數(shù)的三倍.8/7/20231712.3.1線膨脹系數(shù)Vt—t℃時固體的體積；V0—0℃時12.3.2導熱系數(shù)

熱傳導又稱導熱，是熱量傳遞的一種基本方式。溫度較高的物體，分子的熱運動劇烈，通過碰撞將能量傳給相鄰分子的方式稱為熱傳導。它是固體中熱傳遞的主要方式。導熱系數(shù)是物質(zhì)導熱能力的標志。導熱系數(shù)愈大，物質(zhì)的導熱能力愈強。熱系數(shù)的大小與物質(zhì)的化學組成、物理狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)所處的溫度、濕度、壓力等因素有關(guān)。同一種樹脂由于密度不同，其導熱系數(shù)亦不同，其增強材料與導熱性關(guān)系不僅與纖維性能有關(guān)，而且與導熱方向有關(guān)，因為纖維的縱向、橫向?qū)嵝再|(zhì)不同。

8/7/20231812.3.2導熱系數(shù)8/1/20231812.3.3平均比熱

比熱：1g物質(zhì)升高1℃所吸收的熱量。各種物質(zhì)的比熱不同，同一物質(zhì)比熱的大小與加熱時的條件（如溫度、壓強、體積）有關(guān)，同一物質(zhì)在不同物態(tài)下的比熱也不同。

Cp—試樣平均比熱，J/（g·℃）；H—涼熱計熱值，J/℃；t0—落樣時量熱計溫度，℃；tm—量熱計最高溫度，℃；M—試驗后的試樣重量，g；t0—量熱計溫度修正值，℃；t—試樣在保溫期的溫度，℃。試樣的平均比熱：8/7/20231912.3.3平均比熱試樣的平均比熱：8/1/20231912.3.4馬丁耐熱與熱變形溫度

1.馬丁耐熱（GB2035-70）馬丁耐熱法規(guī)定試樣在10±22℃／12min等速升溫環(huán)境中，在一定的靜彎曲力矩的作用下使試樣承受5±0.02MPa彎曲應力，以彎曲變形達6mm時的溫度表示耐熱性。該方法不適用于耐熱性低于60℃的塑料或纖維增強塑料。2.熱變形溫度（GB1984-76）將試樣浸在等速升溫的硅油介質(zhì)中，在簡支梁式的靜彎曲載荷作用下，試樣彎曲變形達到規(guī)定值時的溫度稱之為熱變形溫度，并不代表其使用溫度。8/7/20232012.3.4馬丁耐熱與熱變形溫度8/1/20232012.3.5溫度形變曲線（熱機械曲線）

溫度形變曲線亦稱熱機械曲線或熱機械分析（TMA），是在程序溫度控制下（等速升溫、降溫、恒溫或循環(huán)溫度）測量試樣在受非振蕩性負荷（如恒定負荷）時所產(chǎn)生的形變隨溫度變化的曲線，它在一定的溫度范圍內(nèi)反映試樣在外力作用下形變的全過程，這比指定某一變形量的溫度值更合理更全面。8/7/20232112.3.5溫度形變曲線（熱機械曲線）8/1/20232112.3.7介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切

1）相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)εr是在同一電極結(jié)構(gòu)中，電極周圍充滿介質(zhì)時的電容CX與周圍是真空時的電容C0之比

2）介質(zhì)損耗角正切tanδ電介質(zhì)材料在交變電場作用下的能量損耗稱為介質(zhì)損耗。這種損耗一是通過介質(zhì)的漏導電流（它與電壓為同相）引起的漏導電流損耗；二是由吸收電流中的一部分與電壓同相的有功電流引起的吸收損耗。（GB1400-79）8/7/20232212.3.7介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切2）介質(zhì)損耗角正切t12.3.8擊穿強度（GB1408-78）電擊穿：置于電場中的任何介質(zhì)，當電場強度超過某一臨界值時就會喪失絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為電擊穿，介質(zhì)發(fā)生擊穿時的電壓稱為擊穿電壓。擊穿強度：擊穿電壓與擊穿處介質(zhì)厚度之比。固體介質(zhì)的擊穿可為純粹的電擊穿過程亦可為熱擊穿過程。電擊穿系由于電荷在外加電場的影響下發(fā)生位移，使電荷間的彈性鍵遭受破壞所致。熱擊穿為介質(zhì)在電場中的溫度達到了相當于其熔化、焦化、氧化或其他因漏導或介質(zhì)損耗的過分增加所引起的熱破壞的結(jié)果。8/7/20232312.3.8擊穿強度（GB1408-78）8/1/2023

電絕緣材料厚度越大，擊穿電壓就會越大。增加絕緣材料的厚度或選擇優(yōu)質(zhì)電絕緣材料都能提高絕緣體的擊穿電壓。試驗在工頻下用最高額定試驗電壓為50kV或100kV的交流變壓器。擊穿試驗時采用連續(xù)均勻升壓法或1min逐級升壓法。耐壓試驗是在試樣上連續(xù)均勻地升壓到一定的試驗電壓后保持一定的時間，試驗電壓和時間由產(chǎn)品標淮規(guī)定。試驗結(jié)果按下式計算：8/7/202324電絕緣材料厚度越大，擊穿電壓就會越大。增加絕緣材12.3.9耐電弧耐電弧試驗（GB1411-78）：采用交流高壓小電流耐電弧試驗方法，借高壓在兩電極間產(chǎn)生的電弧作用，使絕緣材料表面形成導電層所需的時間來判斷絕緣材料的耐電弧性。8/7/20232512.3.9耐電弧8/1/20232512.3.10溫度指數(shù)

快速評定電氣絕緣浸漬漆和漆布熱老化性能的試驗方法——熱重點斜法，是基于電氣絕緣熱壽命試驗理論lg=a+b/T，即絕緣熱壽命τ的對數(shù)與絕對溫度T的倒數(shù)成線性關(guān)系，將恒溫下功能性試驗和勻速升溫下熱失重試驗結(jié)合起來，即由常規(guī)熱老化試驗方法作一恒溫點功能性試驗，求得該溫度下的熱壽命值，由熱重曲線求得熱壽命線的斜率，借以評定材料的熱老化性能。

8/7/20232612.3.10溫度指數(shù)8/1/20232612.5熱穩(wěn)定性測定高分子材料和聚合物基復合材料的熱分解溫度可用熱重法（TG）、差熱分析法（DTA）和示差掃描量熱法（DSC）等。12.5.1熱重法（TG）在程序控制溫度下，測量物質(zhì)質(zhì)量與溫度關(guān)系的技術(shù)。熱重法試驗得到的曲線稱為熱重曲線（TG曲線），其縱坐標為質(zhì)量，橫坐標為溫度（或時間）。從熱重法可派生出微商熱重法（DTG），即TG曲線對溫度（或時間）的一階導數(shù)。

特點：定