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碳纤维复合材料的力学性能

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复合材料的力学理论和设计计算必须以充分准确的性能数据为前提,现将基本性能及测定介绍如下。

      拉伸性能是复合材料最基本的性质之一,性能指标包括拉伸模量、拉伸强度、拉伸断裂应变及泊松比等。如图4.8 所示,为单层复合材料的在1 方向上的拉伸,要求将试样两端用金属铝篇或玻璃钢片作为加强片加固,加强片厚度1-2mm,采用粘结剂粘结,要求在试验过程中加强片不脱落。试件尺寸和试样的厚度等相关,可以根据国标等查询。同理图4.9为单层复合材料在2方向的拉伸。通过拉伸可以得到1、2方向上的拉伸模量和拉伸强度及泊松比。所以:

图4.8 方向的拉伸试验

图4.9 方向拉伸试验

      压缩性能也是复合材料最基本的性能之一,同拉伸一样,通过压缩可以得到1、2方向上的压缩模量、压缩强度和泊松比,由于对于复合材料来讲,拉伸性能和压缩性能有很大的差异,所以两者得到的数值有较大差异。压缩试验由于载荷易于偏心,试件易失稳及端部易破坏,技术上不易圆满解决,试样尺寸采取短标距。压缩时采用特制的夹具,通过碳纤维复合材料的拉伸和压缩结果比较可知:碳纤维复合材料的在同一方向上的拉伸模量和压缩模量差异不是很大,但是拉伸强度和压缩强度有较大的差异,所以设计时必须考虑拉压有不同的强度。

      面内剪切性能是复合材料的三个基本性能之一,主要用于表征复合材料的剪切模量和剪切强度,多数复合材料的剪切模量和剪切强度较小,基体性能对面内剪切应力-应变关系有很大影响,剪切应力-应变曲线一般不是线性的,具有明显的非线性。目前测试剪切试验主要有:偏轴拉伸法、薄圆管扭转试验及轨道剪切试验等。对于偏轴拉伸,只要用单层板切割成45度偏轴拉伸试样,如图4.10所示,再加上0度和90度的拉伸结果,计算就可得到剪切模量和剪切破坏强度,其方法最为常用。

图4.10 45度偏轴拉伸

      层间剪切性能,就是复合材料材料抵抗分层的能力,常采用短梁法测定单向纤维增强复合材料的层间剪切强度,测试示意图如图4.11 所示。由于破坏的复杂性,试验中的破坏形态可能有多种,但是不是所有的破坏模式都是可以接受的,如图4.12 所示,仅有(a)中的失效模式是可以接受的,即此时的试验数据是可信的。

图4.11 短梁试件及加载示意图

图4.12 试样失效模式

      弯曲性能也是复合材料的一个重要性能,它和短梁剪切的加载方式基本一样,但是它的试样跨距远远大于短梁剪切,所以它测试的性能也会短梁剪切大不一样,它是为了表征复合材料抵抗弯曲的性能,包括弯曲弹性模量和弯曲强度。一般采用简支梁三点加载测定复合材料的弯曲模量和弯曲强度,除了三点弯曲,四点弯曲也是测定弯曲性能的方法之一,其加载点在试样的1/4 处。

      除了上述的基本性能外,复合材料还有很多性能,如层间拉伸性能、平板双 42 轴拉伸性能、断裂韧性、开孔拉伸性能、压缩性能、冲击性能和疲劳性能等,这里不再一一赘述。