1 載荷
結(jié)構(gòu)中的材料主要承受以下四種載荷：拉伸，壓縮，剪切和彎曲。
1.1 拉伸
圖1給出了施加在復(fù)合材料上的拉伸載荷，復(fù)合材料在拉伸作用下的變形基本取決于增強(qiáng)纖維的拉伸強(qiáng)度和模量，這些性能遠(yuǎn)高于樹脂體系本身的性能。
圖1- 拉伸載荷
2 壓縮
圖2顯示了復(fù)合材料承受壓縮載荷時(shí)的狀況。樹脂在復(fù)合材料中的作用是保證纖維垂直排列并且防止纖維彎曲，纖維和樹脂粘結(jié)以及樹脂的模量對(duì)壓縮強(qiáng)度有至關(guān)重要的影響。
圖2- 壓縮載荷
1.3 剪切
圖3顯示了復(fù)合材料承受剪切載荷時(shí)的狀況，剪切載荷會(huì)讓纖維層間發(fā)生滑動(dòng)，此時(shí)，樹脂在復(fù)合材料內(nèi)傳遞載荷，為主要影響因素。樹脂具有良好的機(jī)械性能并且與增強(qiáng)纖維有良好的結(jié)合，才能保證復(fù)合材料具有較高的剪切性能。多層復(fù)合材料的這一性能常用層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行表征。
圖3- 剪切載荷
1.4 彎曲
彎曲載荷結(jié)合了拉伸、壓縮和剪切等作用力。如圖4所示，上表面受到的是壓縮，下表面受到的拉伸，中間部分則承受剪切作用。
圖4- 彎曲載荷
2 應(yīng)力或應(yīng)變
多層復(fù)合材料的強(qiáng)度定義為：材料完全失效時(shí)所能承受的載荷。這里的完全失效指的是樹脂和增強(qiáng)纖維均完全斷裂。
然而，在達(dá)到失效強(qiáng)度前的某一應(yīng)力水平下，樹脂將開始從那些不沿載荷方向分布的纖維上剝離斷裂，裂紋進(jìn)而擴(kuò)展至全部樹脂基體，即所謂的“橫向裂紋”。雖然在此應(yīng)力水平材料不會(huì)完全失效，但斷裂已經(jīng)發(fā)生；設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：如果希望延長結(jié)構(gòu)壽命，在正常服役載荷下多層復(fù)合材料的應(yīng)力不能超過此應(yīng)力水平。
圖5- 典型層合板的應(yīng)力/應(yīng)變曲線
多層復(fù)合材料在出現(xiàn)微裂紋前的應(yīng)變，很大程度上依賴于樹脂體系的韌性以及與纖維的結(jié)合性能。對(duì)于很脆的樹脂體系，如聚酯，微裂紋遠(yuǎn)在復(fù)合材料未失效前就開始出現(xiàn)，嚴(yán)重制約了材料的應(yīng)變。例如，測試顯示，玻璃纖維方格布增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的微裂紋在應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)出現(xiàn)，最終失效應(yīng)變卻高于2.0%，亦即該材料的有效強(qiáng)度僅為極限強(qiáng)度的10%。
盡管多層復(fù)合材料的極限拉伸強(qiáng)度取決于纖維強(qiáng)度，樹脂中的微裂紋也不會(huì)使材料性能立即下降，但是在惡劣的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，如果遇到水或潮濕的空氣，存在微裂紋的復(fù)合材料容易吸收更多的水，這樣不僅增加結(jié)構(gòu)重量，而且濕氣會(huì)破壞樹脂和纖維膠粘劑的結(jié)構(gòu)，使其剛度下降，最終隨著時(shí)間的推移，結(jié)構(gòu)完全失效。
通常樹脂的化學(xué)性能和它與纖維表面膠粘劑的相容性決定了纖維/樹脂的結(jié)合強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘結(jié)性能，這已得到大家的認(rèn)可，這種性能有助于多層復(fù)合材料獲得更高的微裂紋應(yīng)變。樹脂的韌性比較難以測定，但可以用最終失效應(yīng)變進(jìn)行表征。圖6比較了不同樹脂的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
3 纖維方向
纖維在復(fù)合材料中的分布很難實(shí)現(xiàn)完美排列，紡織纖維布容易導(dǎo)致纖維彎曲，使纖維束與載荷方向不一致。即使是非機(jī)織的縫合布，纖維束在縫合線附近也會(huì)出現(xiàn)彎曲。
纖維束排列方向偏移將導(dǎo)致力學(xué)性能嚴(yán)重下降，特別是壓縮性能，因?yàn)槔w維束彎曲增加了材料屈曲的幾率。
4 抗疲勞性能
與大多數(shù)金屬材料相比，復(fù)合材料表現(xiàn)出了更優(yōu)異的抗疲勞性能?？紤]到疲勞失效是微量損傷的不斷累積，任何復(fù)合材料的疲勞行為都受到以下因素的影響：樹脂韌性，抗微裂紋能力，空隙率和制造過程中引入的其他缺陷。所以，環(huán)氧樹脂基多層復(fù)合材料往往比聚酯和乙烯基酯的抗疲勞性能更卓越，這也是環(huán)氧樹脂被應(yīng)用于航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要原因之一。
結(jié)構(gòu)中的材料主要承受以下四種載荷：拉伸，壓縮，剪切和彎曲。
1.1 拉伸
圖1給出了施加在復(fù)合材料上的拉伸載荷，復(fù)合材料在拉伸作用下的變形基本取決于增強(qiáng)纖維的拉伸強(qiáng)度和模量，這些性能遠(yuǎn)高于樹脂體系本身的性能。
圖1- 拉伸載荷
2 壓縮
圖2顯示了復(fù)合材料承受壓縮載荷時(shí)的狀況。樹脂在復(fù)合材料中的作用是保證纖維垂直排列并且防止纖維彎曲，纖維和樹脂粘結(jié)以及樹脂的模量對(duì)壓縮強(qiáng)度有至關(guān)重要的影響。
圖2- 壓縮載荷
1.3 剪切
圖3顯示了復(fù)合材料承受剪切載荷時(shí)的狀況，剪切載荷會(huì)讓纖維層間發(fā)生滑動(dòng)，此時(shí)，樹脂在復(fù)合材料內(nèi)傳遞載荷，為主要影響因素。樹脂具有良好的機(jī)械性能并且與增強(qiáng)纖維有良好的結(jié)合，才能保證復(fù)合材料具有較高的剪切性能。多層復(fù)合材料的這一性能常用層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行表征。
圖3- 剪切載荷
1.4 彎曲
彎曲載荷結(jié)合了拉伸、壓縮和剪切等作用力。如圖4所示，上表面受到的是壓縮，下表面受到的拉伸，中間部分則承受剪切作用。
圖4- 彎曲載荷
2 應(yīng)力或應(yīng)變
多層復(fù)合材料的強(qiáng)度定義為：材料完全失效時(shí)所能承受的載荷。這里的完全失效指的是樹脂和增強(qiáng)纖維均完全斷裂。
然而，在達(dá)到失效強(qiáng)度前的某一應(yīng)力水平下，樹脂將開始從那些不沿載荷方向分布的纖維上剝離斷裂，裂紋進(jìn)而擴(kuò)展至全部樹脂基體，即所謂的“橫向裂紋”。雖然在此應(yīng)力水平材料不會(huì)完全失效，但斷裂已經(jīng)發(fā)生；設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：如果希望延長結(jié)構(gòu)壽命，在正常服役載荷下多層復(fù)合材料的應(yīng)力不能超過此應(yīng)力水平。
圖5- 典型層合板的應(yīng)力/應(yīng)變曲線
多層復(fù)合材料在出現(xiàn)微裂紋前的應(yīng)變，很大程度上依賴于樹脂體系的韌性以及與纖維的結(jié)合性能。對(duì)于很脆的樹脂體系，如聚酯，微裂紋遠(yuǎn)在復(fù)合材料未失效前就開始出現(xiàn)，嚴(yán)重制約了材料的應(yīng)變。例如，測試顯示，玻璃纖維方格布增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的微裂紋在應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)出現(xiàn)，最終失效應(yīng)變卻高于2.0%，亦即該材料的有效強(qiáng)度僅為極限強(qiáng)度的10%。
盡管多層復(fù)合材料的極限拉伸強(qiáng)度取決于纖維強(qiáng)度，樹脂中的微裂紋也不會(huì)使材料性能立即下降，但是在惡劣的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，如果遇到水或潮濕的空氣，存在微裂紋的復(fù)合材料容易吸收更多的水，這樣不僅增加結(jié)構(gòu)重量，而且濕氣會(huì)破壞樹脂和纖維膠粘劑的結(jié)構(gòu)，使其剛度下降，最終隨著時(shí)間的推移，結(jié)構(gòu)完全失效。
通常樹脂的化學(xué)性能和它與纖維表面膠粘劑的相容性決定了纖維/樹脂的結(jié)合強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘結(jié)性能，這已得到大家的認(rèn)可，這種性能有助于多層復(fù)合材料獲得更高的微裂紋應(yīng)變。樹脂的韌性比較難以測定，但可以用最終失效應(yīng)變進(jìn)行表征。圖6比較了不同樹脂的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
圖6- 典型樹脂的應(yīng)力/應(yīng)變曲線
需要注意的是，當(dāng)復(fù)合材料承受拉伸載荷時(shí)，為了提高結(jié)構(gòu)件的整體力學(xué)性能，樹脂的變形量至少與纖維相當(dāng)。圖7給出了各種纖維自身的失效應(yīng)變（非處于復(fù)合材料中），從中可以看出，S-玻纖的斷裂伸長率為5.3%，因此需要與斷裂伸長率接近的樹脂搭配才能獲得最高的拉伸性能。
圖7- 典型纖維的失效應(yīng)變
3 纖維方向
纖維在復(fù)合材料中的分布很難實(shí)現(xiàn)完美排列，紡織纖維布容易導(dǎo)致纖維彎曲，使纖維束與載荷方向不一致。即使是非機(jī)織的縫合布，纖維束在縫合線附近也會(huì)出現(xiàn)彎曲。
纖維束排列方向偏移將導(dǎo)致力學(xué)性能嚴(yán)重下降，特別是壓縮性能，因?yàn)槔w維束彎曲增加了材料屈曲的幾率。
4 抗疲勞性能
與大多數(shù)金屬材料相比，復(fù)合材料表現(xiàn)出了更優(yōu)異的抗疲勞性能?？紤]到疲勞失效是微量損傷的不斷累積，任何復(fù)合材料的疲勞行為都受到以下因素的影響：樹脂韌性，抗微裂紋能力，空隙率和制造過程中引入的其他缺陷。所以，環(huán)氧樹脂基多層復(fù)合材料往往比聚酯和乙烯基酯的抗疲勞性能更卓越，這也是環(huán)氧樹脂被應(yīng)用于航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要原因之一。
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