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1、第七章 复合材料性能及评定,授课教师：刘君妹 授课时间： 月 日,复合材料性能试验的目的,揭示复合材料的性能机理，用于指导复合材料的材料设计 取得可靠的性能数据，用作复合材料结构设计的基本参数 对材料性能的检验，作为生产过程中的质量控制手段和最终产品的质量评定依据,复合材料性能试验的分类,组分材料的性能试验 纤维增强材料 基体材料 复合材料的性能试验,第一节 组分材料的基本力学性能试验,一、纤 维 增 强 材 料 性 能 试验 纤维单丝的力学性能试验 纱线的力学性能试验 织物的力学性能试验 二、基体材料的性能试验,一、纤维与纱线的力学性能,主要内容： 拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、韧性、 摩擦
2、、磨损、蠕变疲劳、冲击,单丝拉伸试样,1单丝 2两端覆盖胶带夹持端 3纸框中央剪断处 4纸框,纤维和纱线的拉伸性能,采用Instron，MTS，岛津型拉伸机测试 表示方法：应力-应变曲线,纤维和纱线的拉伸性能,1、拉伸断裂载荷（强力）p 单位：N或cN 2、拉伸强度t N/m2或MPa 比强度：拉伸强力与纤维线密度Ntex(Nden)之比 p0=p/Ntex p0=p/Nden,纤维和纱线的拉伸性能,3、断裂伸长 1）断裂长度L(自由断裂长度)：km 由纤维或纱线的自重，将自身拉断时离握持点的长度。 2）断裂伸长： 在拉力作用下，纤维或纱线拉到断裂时的伸长率（应变率） c=(Lc-L0)/L0
3、 100(%),纤维和纱线的拉伸性能,4、弹性模量E(刚度） oa线性段为材料弹性阶段，oa的斜率即为材料的弹性模量 E=d/d 接近o点的模量为初始模量 单位：N/mm2 或MPa 纺织生产中可表示 Ec=dp0/d(cN/dtex) EL=dL/d(cN/tex或km),纤维和纱线的拉伸性能,5、拉伸断裂功(cNmm） 拉伸力伸长曲线所包围的面积，即材料抵抗外力破坏时具有的能量 比拉伸断裂功Wd：（相同的面积A和相等长度L）拉断材料单位体积所做的功 Wd=W/AL,纤维和纱线的拉伸性能,几种高性能脆性纤维的应力应变曲线,纤维和纱线的拉伸性能,6、影响纤维与纱线拉伸断裂强度的主要因素 1）影
4、响纤维拉伸断裂强度的因素 大分子的聚合度、取向度、纤维的结晶度。取向度高，纤维断裂伸长小，模量高，结晶度高，纤维脆性大。 2）影响纱线断裂强度的因素 纤维的性能：强度、长度和细度 纱线的结构：纱线中纤维排列的平行度、伸直度、纱线捻度,纤维和纱线的蠕变和松弛性能,蠕变和松弛表征材料随时间变化的粘弹性能。 包括：弹性变形、永久变形 蠕变：在一定静态拉应力作用下，变形随时间而变化的现象 松弛：在恒定的拉伸变形下，内部应力随时间的延长而递减的现象 影响蠕变和松弛的因素：温度、回潮率、加载速度,纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩,1、纤维与纱线的弯曲 1）弯曲刚度 Rf=(/4)fEr4 f弯曲时截面形状系数
5、； E弹性模量 r半径 相对弯曲刚度RfR（cN/cm2）,纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩,2）纤维与纱线的弯曲破坏 曲率半径r0越小，各层变形差异越大；当r0过小时，纤维或纱线受弯断裂,纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩,2、纤维与纱线的扭转 1）扭转刚度Rt：扭转刚度越大，材料越不易变形 Rt=/2tEsr4 t扭转截面形状系数；Es剪切弹性模量；r折合半径 剪切弹性模量Es与拉伸弹性模量Et的关系 Es= Et/2（1+） 横向变形系数，即泊松比,纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩,2）纤维与纱线的扭转破坏 扭转变形增大，剪切应力增大，造成大分子相互剪切滑动，纤维内结晶区破碎，非晶区大分子纵向剪断 表
6、征参数：捻断时的捻角,纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩,3、纤维与纱线的压缩性能 包括纵向和横向两个方面。横向压缩性能可用纤维块体进行测试； 压缩中同样有蠕变和松弛； 纤维与纱线在一般受力情况下，没有明显的破坏，但在高压缩时，出现凹痕，纤维接触处有明显的压痕，再加压即出现纵向裂开并扩展，原纤碎裂,纤维与纱线的疲劳性能,疲劳过程：纱线在交变应力逐步作用下，某些薄弱环节产生损伤，直至达到足够循环次数后，发展到整体完全破坏断裂的过程 疲劳强度：在一定循环载荷作用下，经历在规定的循环次数内（如107）不致产生断裂的最大应力 最大应力Smax、最小应力Smin、平均应力Sm 应力比R= Smin/ Smax
7、,纤维与纱线的疲劳性能,三种疲劳测试形式：,纤维与纱线的疲劳性能,纤维拉伸疲劳的三种形式,纤维与纱线的摩擦及磨损性能,1、摩擦和抱合性能 由法向压力引起的切向阻力定义为摩擦力F2 法向力为零时的切向阻力定义为抱合力F1 F=F1+ F2 切向阻抗系数=F1/N+f,纤维与纱线的摩擦及磨损性能,2、纤维的抱合力及影响因素 抱合系数h：纤维单位长度上的抱合力h=F1/l 抱合长度Lh：表征纤维的相对抱合力 Lh=(F1/Nt) 1000 影响切向阻抗系数的因素： 摩擦材料、滑动速度、湿度、摩擦表面的粗糙度、接触状态等,纤维与纱线的摩擦及磨损性能,3、纤维与纱线的耐磨性能 影响耐磨性的因素：纤维的性
8、质和纱线的结构,二、织物的力学性能,织物的拉伸性能 织物的剪切性能 织物的弯曲性能 织物的撕裂性能 织物的顶破性能,织物的拉伸性能,1、拉伸强度、断裂伸长率和断裂功： 扯边纱条样法：平均断裂时间20s左右；夹持长度50200mm 抓样法： 剪切条样法：针织品、非织造布和毡片,织物的拉伸性能,2、织物双轴拉伸,织物的拉伸性能,双轴拉伸试验载荷-应变曲线,织物的拉伸性能,3、影响织物拉伸性能的因素 织物密度与织物组织： 纱线的支数与结构： 纤维品种、纤维含量与混纺比：对高性能纤维，纤维体积含量最佳值6070%,织物的弯曲性能,织物的弯曲刚度B B=nSRBY n受弯织物单位宽度的纱线数；BY单根纱
9、线的弯曲刚度 SR由织物紧密度引起的收缩率SR=Y0/l0,织物的弯曲性能,织物的纯弯曲测试装置,织物的撕裂性能,测试方法：撕裂强度的测试 1）单缝法： 2）梯形法： 3）落锤法：,织物的顶破性能,适用针织物、无纺布和三向织物，尤其是防弹织物 仪器：弹子式顶破试验机、气压式顶破试验仪,三、基体材料性能试验,树脂的拉伸性能试验 树脂的压缩性能试验 树脂的剪切性能试验,树脂的拉伸性能试验,树脂浇筑体拉伸试样：GB256781,树脂的拉伸性能试验,树脂的拉伸性能试验,树脂的压缩性能试验,试样尺寸：据GB2569-81规定。,压缩强度：H=25mm； 弹性模量： H=50mm；,压缩性能指标,树脂的压
10、缩性能试验,树脂的剪切性能试验,试验尺寸：GB472684,树脂的剪切性能试验,剪切性能指标,第二节 复合材料的基本性能试验,一、复合材料成型质量检测 二、复合材料力学性能测试 三、复合材料的其他性能测试,一、复合材料成型质量检测,纤维体积含量的测定 灼烧法 显微镜法：GB3366 化学腐蚀法: GB3855 复合材料孔隙率的测定,一、复合材料成型质量检测,纤维体积含量的测定 是复合材料最重要的数据之一 纤维体积份数： 1）灼烧法： 适合玻璃纤维增强树脂 特点： 简单方便快捷，适于两相物质熔点差别较大的复合材料。,一、复合材料成型质量检测,2）显微镜法（GB3366）：适合碳纤维和有机纤维增强
11、树脂 实验方法：截取与纤维轴向垂直的截面（长宽1010mm,厚为样品厚度），进行磨平抛光，用金相显微镜摄取两张放大倍数不同的照片，在小倍数（200倍）照片上测定观测面内的纤维根数，在大倍数（1200倍）照片上测定单根纤维的平均截面积 纤维体积（份数）含量的计算：纤维所占截面积与观测面积之比,一、复合材料成型质量检测,3）化学腐蚀法(GB3855) 实验方法：用氧化剂在一定温度和时间条件下，使树脂基本完全分解而又不过分腐蚀纤维的方法 试验设备：耐酸玻璃熔砂漏斗过滤器 操作要点：式样长宽 厚10 10 3mm；试剂30mL98%浓硫酸；冷却后滴加30% 的过氧化氢至液体澄清；加热温度220（根据树
12、脂的熔化温度而定）；横温1h,一、复合材料成型质量检测,树脂含量WR和纤维体积含量Vf,W1试样初始质量；W2消化后过滤器上纤维的质量；W3空白试验中纤维损失百分率；fc碳纤维和复合材料式样的密度,一、复合材料成型质量检测,2. 复合材料中孔隙率的测定 衡量复合材料性能的重要参数，影响力学性能、吸水性、抗疲劳性、耐气候老化性及性能的离散性. 测试方法： 显微镜法：GB3365 理论密度法,一、复合材料成型质量检测,显微镜法:假定复合材料内部的空隙是均匀分布 实验方法：用一台装有1cm2，400格网格的目镜观测式样截面积内的空隙面积 孔隙率计算：覆盖在空隙上的方格面积与被测剖面面积之比,一、复合
13、材料成型质量检测,理论密度法： c复合材料的理论密度 c复合材料的实测密度 其他试验指标的测试与前 述相同,二、复合材料力学性能测试,（一）复合材料的拉伸性能测试 （二）复合材料的压缩性能测试 （三）复合材料的剪切性能测试 （四）复合材料的弯曲性能测试 （五）复合材料的层间剪切性能测试,试样的环境条件,GB1446-83 温度232，相对湿度45%-55% 试样数量：每项不少于5个 试样状态调整规定：试样在标准环境中至少放置24h,（一）复合材料拉伸性能测试,1、织物或模压短切纤维增强塑料试样 GB1447-83，,织物增强塑料,（一）复合材料拉伸性能测试,模压短切纤维增强塑料,（一）复合材料
14、拉伸性能测试,2、单向复合材料拉伸试样 GB3354-82,（一）复合材料拉伸性能测试,计算公式：,（一）复合材料拉伸性能测试,3、缠绕管复合材料环向拉伸 GB1458-78,1.拉力盘,1-拉力盘；2-试样；3-应变片,（一）复合材料拉伸性能测试,计算公式：,（二）复合材料压缩性能测试,1、织物或短切纤维增强塑料的压缩试样 GB1448-83；计算公式,（二）复合材料压缩性能测试,2、单向复合材料压缩性能试验 GB3586-83，薄板或薄壳,（二）复合材料压缩性能测试,3、缠绕管复合材料压缩试样 GB1459-78,1-试样；2-应变片；3-压缩盘,（二）复合材料压缩性能测试,计算公式：,（
15、二）复合材料压缩性能测试,其他试验方法的试样,（三）复合材料的平面剪切性能测试,试验方法：薄壁管扭转法、45s拉伸法等,薄壁圆管扭转试验方法,（三）复合材料的平面剪切性能测试,计算公式：,（三）复合材料的平面剪切性能测试,45s拉伸试验方法 GB3355-82,测试单向或正交复合材料,GLT单向或正交复合材料的剪切模量；,（四）复合材料弯曲性能测试,弯曲性能试验：GB3356-82；GB1449-83 单向纤维复合材料；织物或短切纤维毡复合材料,（四）复合材料弯曲性能测试,计算公式：,三点弯曲试验测出的弯曲强度一般高于材料的拉伸（或压缩）强度；而测出的弯曲弹性模量一般要低于材料的拉伸（或压缩）
16、弹性模量,（五）层间剪切强度性能测试,短梁剪切试验 国标GB3375-82,三、其他物理性能测试,1、线膨胀系数试验: 在一定温度范围内，因温度变化引起的伸长率与温度的改变量成正比,式中: L0-物体在温度变化前的长度; L-因温度变化物体长度的改变量; T-温度的改变量；比例常数，即线性膨胀系数,三、其他物理性能测试,试验方法：石英管示差法 GB2572-81,1-指示器; 2-固定螺丝; 3-连接杆; 4-石英外管; 5-石英内管; 6-试样,三、其他物理性能测试,线膨胀系数试验计算方法：,三、其他物理性能测试,2、导热系数试验 GB3139-82,平板导热试验法,W-加热板功率；h-试样厚度；A-试样面积； T-试样两面的温度差,三、其他物理性能测试,3、电阻率试验,电阻： 根据电流流过材料的方式不同
