第12章-聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能課件

第12章聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能

6/6/2023112.1緒論一、復(fù)合材料的力學(xué)性能（1）拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、泊松比；（2）壓縮強(qiáng)度、壓縮模量；（3）彎曲強(qiáng)度、彎曲模量；（4）剪切強(qiáng)度、剪切模雖、層間剪切強(qiáng)度、斷紋剪切強(qiáng)度、縱橫剪切強(qiáng)度；（5）沖擊強(qiáng)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。6/6/20232二、CM的物理性能（1）線膨脹系數(shù)；（2）導(dǎo)熱系數(shù)；（3）平均比熱；（4）馬丁耐熱、熱變形溫度；（5）熱機(jī)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(qiáng)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(fù)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(xué)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。

6/6/20233三、影響polymerCM力學(xué)性能的因素:

試驗(yàn)方法，還取決于樹脂基體、增強(qiáng)材料及其界面的粘結(jié)狀況.在給出其力學(xué)性能數(shù)據(jù)時(shí)，要詳細(xì)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(xué)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(xué)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(shí)間）、后期熱處理、固化度等。6/6/2023412.2CM力學(xué)性能測(cè)試12.2.1拉伸

最基本的一種力學(xué)性能試驗(yàn)方法。適用于測(cè)定玻璃纖維織物增強(qiáng)塑料板材和短切玻璃纖維增強(qiáng)塑料的拉伸性能，包括拉伸強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、伸長(zhǎng)率、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等。在規(guī)定的溫度、濕度和試驗(yàn)速度下，在試詳上沿縱軸方向施加拉伸裁荷使其破壞，此時(shí)材料的性能指標(biāo)如下：

1.拉伸強(qiáng)度i—拉伸強(qiáng)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。6/6/20235

2.拉伸斷裂伸長(zhǎng)率εi—試樣拉伸斷裂伸長(zhǎng)率，%；△Lb—試樣斷裂時(shí)標(biāo)距式L0內(nèi)伸長(zhǎng)量，cm；L0—測(cè)量的標(biāo)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(duì)應(yīng)的標(biāo)距L0內(nèi)的變形增量，cm。6/6/20236

4.泊松比μ—泊松比；ε1、ε2：分別為載荷增量△P對(duì)應(yīng)的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

L1、L2—分別為縱向和橫向的測(cè)量標(biāo)距，cm；△L1、△L2—分別為與載荷增量△P對(duì)應(yīng)的標(biāo)距

L1和L2得變形增量，cm。6/6/20237

5.拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

玻璃纖維增強(qiáng)塑料該曲線由折線組成，折線的拐點(diǎn)出現(xiàn)在強(qiáng)度極限的三分之一處附近，試樣拉伸過程達(dá)到此處時(shí)，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(fù)合材料的特點(diǎn)，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(yīng)每根纖維上受力增加，形變也就增加。

6/6/2023812.2.2壓縮常溫下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到最大載荷時(shí)，求得壓縮性能參數(shù)。試驗(yàn)方法GB1448—83。

1.壓縮強(qiáng)度：試樣直至破壞或達(dá)到最大載荷時(shí)所受的最大壓縮應(yīng)力

σc—壓縮強(qiáng)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(yīng)力和應(yīng)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(duì)應(yīng)的跨距中點(diǎn)處的撓度增量，cm。6/6/2023912.2.3彎曲試驗(yàn)試驗(yàn)方法GB1440-83，包括彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、規(guī)定撓度下的彎曲應(yīng)力、彎曲載荷-撓度曲線。

1.彎曲強(qiáng)度：采用簡(jiǎn)支梁，將試樣放在兩支點(diǎn)上，在兩點(diǎn)間的試樣上施加集中載荷，使試樣變形直至破壞時(shí)的強(qiáng)度為彎曲強(qiáng)度。σf-彎曲強(qiáng)度，P-破壞載荷（或破壞載荷，或撓度為1.5倍試樣厚度時(shí)的載荷），N；L-跨距，cm;B、h-試樣寬度和厚度，cm;6/6/2023102、彎曲彈性模量：在比例極限內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)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(duì)應(yīng)的跨距中點(diǎn)處的撓度增量，cm6/6/20231112.2.4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(qiáng)度:試樣在剪切力作用下破壞時(shí)單位面積上所能承受的載荷值。①單面剪切強(qiáng)度②雙面剪切強(qiáng)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(qiáng)度，MPa。③層間剪切強(qiáng)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(qiáng)度：沿垂直于板面的方向剪斷的剪切強(qiáng)度，MPa⑤剪切彈性模量：材料在比例極限內(nèi)剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比。6/6/20231212.2.5沖擊衡量復(fù)合材料在經(jīng)受高速?zèng)_擊狀態(tài)下的韌性或?qū)嗔训牡挚鼓芰Φ脑囼?yàn)方法。

三種：擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)（包括簡(jiǎn)支梁型和懸臂梁型）；

落球式?jīng)_擊試驗(yàn)；

高速拉伸沖擊試驗(yàn)。

1、簡(jiǎn)支梁型：由于擺錘式試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單方便，所以在材料質(zhì)量控制、篩選等方面使用較多．6/6/202313落球式?jīng)_擊試驗(yàn)：把球、標(biāo)準(zhǔn)的重錘或投擲槍由已知高度落在試棒或試片上，測(cè)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(yàn)相比表現(xiàn)出與實(shí)地試驗(yàn)有很好的相關(guān)性。但缺點(diǎn)是如果想把某種材料與其他材料進(jìn)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(yīng)力―應(yīng)變：應(yīng)力―應(yīng)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(yàn)是以相當(dāng)高的速度進(jìn)行，這個(gè)面積就變成與沖擊強(qiáng)度相等。6/6/20231412.2.6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(cè)量還可間接了解其他力學(xué)性能，如磨耗、拉伸強(qiáng)度等。對(duì)于纖維增強(qiáng)塑料，可用硬度估計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)定纖維增強(qiáng)塑料及其制品的硬度，也可用于非增強(qiáng)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。

6/6/20231512.3聚合物基CM物理性能測(cè)試包括線膨脹系數(shù)、導(dǎo)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(jī)械曲線）、電阻系數(shù)、電擊穿、折光率、透光率等試驗(yàn)方法。6/6/20231612.3.1線膨脹系數(shù)

熱膨脹:大多數(shù)固體物質(zhì)都會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生長(zhǎng)度和體積的變化。復(fù)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(shí)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。，當(dāng)溫度升高到t℃時(shí)，固體的伸長(zhǎng)量△L與原長(zhǎng)L。及溫度的升高t成正比，即：體膨脹系數(shù):Vt—t℃時(shí)固體的體積；V0—0℃時(shí)固體的體積；β—體膨脹系數(shù)，溫度升高1℃時(shí)體積相對(duì)增大。體膨脹系數(shù)近似等于線膨脹系數(shù)的三倍.6/6/20231712.3.2導(dǎo)熱系數(shù)

熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)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(yùn)動(dòng)劇烈，通過碰撞將能量傳給相鄰分子的方式稱為熱傳導(dǎo)。它是固體中熱傳遞的主要方式。導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的標(biāo)志。導(dǎo)熱系數(shù)愈大，物質(zhì)的導(dǎo)熱能力愈強(qiáng)。熱系數(shù)的大小與物質(zhì)的化學(xué)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(dǎo)熱系數(shù)亦不同，其增強(qiáng)材料與導(dǎo)熱性關(guān)系不僅與纖維性能有關(guān)，而且與導(dǎo)熱方向有關(guān)，因?yàn)槔w維的縱向、橫向?qū)嵝再|(zhì)不同。

6/6/20231812.3.3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(shí)的條件（如溫度、壓強(qiáng)、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(jì)熱值，J/℃；t0—落樣時(shí)量熱計(jì)溫度，℃；tm—量熱計(jì)最高溫度，℃；M—試驗(yàn)后的試樣重量，g；t0—量熱計(jì)溫度修正值，℃；t—試樣在保溫期的溫度，℃。試樣的平均比熱：6/6/20231912.3.4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(yīng)力，以彎曲變形達(dá)6mm時(shí)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(qiáng)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(jiǎn)支梁式的靜彎曲載荷作用下，試樣彎曲變形達(dá)到規(guī)定值時(shí)的溫度稱之為熱變形溫度，并不代表其使用溫度。6/6/20232012.3.5溫度形變曲線（熱機(jī)械曲線）

溫度形變曲線亦稱熱機(jī)械曲線或熱機(jī)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(cè)量試樣在受非振蕩性負(fù)荷（如恒定負(fù)荷）時(shí)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。6/6/20232112.3.7介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切

1）相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)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(shí)的電容CX與周圍是真空時(shí)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(chǎng)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(dǎo)電流（它與電壓為同相）引起的漏導(dǎo)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）6/6/20232212.3.8擊穿強(qiáng)度（GB1408-78）電擊穿：置于電場(chǎng)中的任何介質(zhì)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)就會(huì)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(shí)的電壓稱為擊穿電壓。擊穿強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)中的溫度達(dá)到了相當(dāng)于其熔化、焦化、氧化或其他因漏導(dǎo)或介質(zhì)損耗的過分增加所引起的熱破壞的結(jié)果。6/6/202323

電絕緣材料厚度越大，擊穿電壓就會(huì)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(yàn)在工頻下用最高額定試驗(yàn)電壓為50kV或100kV的交流變壓器。擊穿試驗(yàn)時(shí)采用連續(xù)均勻升壓法或1min逐級(jí)升壓法。耐壓試驗(yàn)是在試樣上連續(xù)均勻地升壓到一定的試驗(yàn)電壓后保持一定的時(shí)間，試驗(yàn)電壓和時(shí)間由產(chǎn)品標(biāo)淮規(guī)定。試驗(yàn)結(jié)果按下式計(jì)算：6/6/20232412.3.9耐電弧耐電弧試驗(yàn)（GB1411-78）：采用交流高壓小電流耐電弧試驗(yàn)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(dǎo)電層所需的時(shí)間來判斷絕緣材料的耐電弧性。6/6/20232512.3.10溫度指數(shù)

快速評(píng)定電氣絕緣浸漬漆和漆布熱老化性能的試驗(yàn)方法——熱重點(diǎn)斜法，是基于電氣絕緣熱壽命試驗(yàn)理論lg=a+b/T，即絕緣熱壽命τ的對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度T的倒數(shù)成線性關(guān)系，將恒溫下功能性試驗(yàn)和勻速升溫下熱失重試驗(yàn)結(jié)合起來，即由常規(guī)熱老化試驗(yàn)方法作一恒溫點(diǎn)功能性試驗(yàn)，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(píng)定材料的熱老化性能。

6/6/20232612.5熱穩(wěn)定性測(cè)定高分子材料和聚合物基復(fù)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(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度關(guān)系的技術(shù)。熱重法試驗(yàn)得到的曲線稱為熱重曲線（TG曲線），其縱坐標(biāo)為質(zhì)量，橫坐標(biāo)為溫度（或時(shí)間）。從熱重法可派生出微商熱重法（DTG），即TG曲線對(duì)溫度（或時(shí)間）