環氧樹脂複合材料

環氧樹脂複合材料(一)功能

二、組成材料及其功能

前曾概括地介紹了環氧複合材料的組成材料及其功能等內容。據專家將從力學複合效應的角度作進一步地分析，並提出對高性能環氧複合材料組成材料性能的要求。現以單向纖維複合材料為例用細觀力學和細觀斷裂力學的方法定性地分析各種受力情況下各組成材料在複合材料中所起的作用和機理。

1、縱向拉伸

環氧樹脂澆注體及纖維的力學性能。單向複合材料縱向受力示意圖可知，縱向拉伸載荷PcL由纖維和基體共同承擔。

2、橫向拉伸

橫向拉伸的情況比較複雜。雖然已提出十幾種理論和公式，但終因力學模型與實際情況不完全符合而使理論值與實測值有差距。我們只從定性的方面結合實際情況作一些分析。複合材料的橫向拉伸不僅與基體、界面及纖維的性能有關，而且受纖維排列的平直及規整程度、界面粘結強度，孔隙率等工藝因素的影響很大。概括地講，高模量的纖維起着限制基體變形的作用。這導致複合材料橫向拉伸模量高於基體的模量，提高的幅度與纖維體積含量Vf及纖維模量Ef有關。複合材料的橫向拉伸強度則與其破壞模式有密切關係。破壞模式可能是：基體拉伸破壞、界面脱粘及纖維撕裂。實際上纖維被撕裂的情形很少有，大多為基體和界面混合破壞。從玻纖/EP複合材料實測值可以看到，複合材料的橫向拉伸強度之比可高達2.3。實線是橫向拉伸強度等於30MPa的複合材料的理論曲線，二者是相當吻合的。大的基體往往是脆性基體，應力集中增大，結果使低於基體強度。

而延性大的基體雖然應力集中小，可是其本身強度較低，雖然使複合材料的橫向拉伸強度高，但實際值並不高。試驗研究表明採用基體增韌的方法，即在基體的強度和模量基本不降低或降低不大的前提下，提高基體的斷裂延伸率，可以顯著地提高複合材料的橫向拉伸強度。基體韌性的增加還提高了抵抗裂紋失穩擴展的能力，這對提高強度是有利的。專家表示，此外，選用橫向模量小的纖維(如CF)能降低基體的應變增大因子，從而能提高複合材料的橫向拉伸強度。

3、縱向壓縮

基體的性能對複合材料的縱向壓縮性能有較大的影響。複合材料縱向壓縮破壞形式很多，如纖維失穩、基體屈服、界面脱粘、基體開裂、纖維壓斷、45°剪切破壞等現象，並能互相引發、擴展，最後導致破壞。不少學者依據這些現象提出了各自的縱向壓縮破壞模式和理論公式。但理論值與實測值都有一定差距。縱向壓縮破壞機理不很清楚。大體上講實際的宏觀破壞形式主要有3種，即複合材料形成彎折帶而破壞、沿縱向劈裂(分層)破壞和與載荷成45°角方向剪切破壞。彎折帶的形成是由於纖維受壓失穩、基體受壓失穩或屈服、或基體太軟，模量太小，不能給纖維足夠的支持所致。

分層破壞的原因主要是基體強度太低，界面粘結力小，孔隙率含量大，或在複合材料製備時就形成纖維彎曲(如纖維本身的彎曲和編織造成的彎曲，鋪層時的偏差等)受縱向壓縮時會在基體中產生橫向拉應力，易造成基體沿縱向開裂及界面脱膠。45°剪切破壞是典型的脆性破壞模式，發生在基體、纖維及界面的強度都很大，而延伸率較小的情況下。專家強調，複合材料縱向壓縮破壞的模式隨組成材料的性能、形態和相互組合的不同而異，沒有統一的破壞模式。它們之間的定量關係還需深入研究。