摘　要：提高力學性能是材料進行復合的主要目的之一。復合材料的常溫力學性能主要取決于增強劑，而高溫力學性能則與基體材料的耐熱性密切相關。界面對復合材料的力學性能具有重要的影響，界面微裂紋的產生、擴展和中止以及剝離等將對復合材料的力學性能產生嚴重的影響。正由于界面影響的復雜性，目前描述復合材料力學性能的公式尚處于經驗或半經驗階段，尚未達到系統理論化程度。

1　剛　性

　　剛性是基體材料經填充填料后明顯提高的性能之一。復合材料的剛性可按以下的復合規則來估算：

　　式中：E_c――復合材料的剛性
　　　　　E_m――聚合物基體的剛性
　　　　　E_f――填料的剛性
　　　　　V_f――填料的容積分數
　　聚丙烯與填料組成的實際復合材料，其填料含量與彎曲彈性模量的關系如圖1所示。

　　由圖可見：E_c隨填料含量的變化，由于填料品種不同差異很大，這種差異的產生不僅是由于不同品種填料的E_f不同所引起，而在更大程度上是由于填料形態不同所引起。
　　考慮到填料形態的影響，有關復合材料剛性的估算有很多經驗公式，今舉應用范圍較廣泛的Nielsen公式如下：

　　式中：E――任意剛性(楊氏模量、剪切彈性模量等)
　　　　　K_E――愛因斯坦系數
　　　　　P_f――填料的高填充容積分數
　　由于該式中導入了與聚合物的泊松比和填料的形態有關的愛因斯坦系數K_E和填料的高填充容積分數P_f這兩個因素，可反映填料的形態因素對復合材料剛性的影響，因而具有較普遍的意義。

2　拉伸強度

　　拉伸強度對于纖維增強復合材料是一項非常重要的應用性能。無論材料設計或結構設計都以充分發揮纖維的拉伸強度為準則。
　　復合材料的拉伸強度基本上可用下列復合規則來估算：

　　T――拉伸強度
　　對于纖維增強塑料，人們考慮各種影響因素提出了公式(3)的修正公式。
　　對于連續纖維增強塑料，考慮纖維的定向影響，可采用下列修正式估算拉伸強度。

　　K――纖維定向度
　　對于短纖維增強塑料，則應考慮纖維長度、纖維直徑、纖維與聚合物的界面粘接性等因素對拉伸強度的影響?？紤]上述影響因素而提出的修正式為：

　　式中：ι――纖維長度
　　　　　d――纖維直徑
　　　　　τ――界面剪切強度
　　　　　K――纖維定向度
　　由上式可見：
　　(1)分散在基體塑料中的纖維長度ι對T_c的影響極大。圖2為聚碳酸酯系玻纖增強塑料的ι和T_c的關系圖。

　　(2)玻璃纖維和聚合物的界面粘結性對T_c也有很大的影響。對于τ值小的復合材料，纖維將不起增強作用，其界面剪切破壞成為T_c的限制因素。表1為玻纖增強聚丙烯的界面粘結對其拉伸強度的影響。

　　為了提高玻璃纖維和聚合物之間的界面粘結，有效的辦法是以硅烷等偶聯劑對玻纖表面處理。
　　對于填料復合材料，Nielsen提出粒狀填料復合材料在界面無粘結情況下的拉伸強度估算式：

　　S為應力集中函數
　　當S=1時，根據上式計算填料容積分數與T_c／T_m的關系如圖3所示。

　　對于片狀填料復合材料，Pawder-Beecher提出以臨界縱橫比α_c為界的二個估算式：

　　按上式，對PC／云母復合材料計算結果和相應的PC／玻璃纖維復合材料的計算值見圖4。由圖可見，縱橫比大的片狀填料具有與纖維相近的增強效果。

　　不同形態填料對不同類型聚合物的增強效果見圖5。

　　填料有無表面處理也影響增強效果，見表2。

　　總之，聚合物的極性、結晶性、填料的形態及其表面處理都對復合材料的拉伸強度產生影響。

3　延伸率

　　復合材料的延伸率，特別是以熱塑性塑料為基復合材料的延伸率由于填料的加入將明顯低于基體聚合物本身，見表3。

　　復合材料延伸率的估算式，隨填料與基體塑料之間的粘結情況不同而區分為完全粘結系和無粘結系，對于完全粘結系：

　　式中：ε_c為復合材料的延伸率
　　　　　T_c為斷裂強度
　　　　　E_c為楊氏模量
　　對于不相粘結系：

　　由式9和10計算出的V_f與相對伸長率ε_c／ε_m的關系如圖6所示。由此可見，完全粘結系的延伸率明顯較不相粘結系的為低。

　　上述計算延伸率的兩個公式與大多數復合體系的實測結果是一致的，但也有不少例外，特別尚存在一些復合體系，在低濃度填料范圍可得到超過基體聚合物本身的延伸率。

4　沖擊強度

　　復合材料的沖擊強度在實際應用上是一個極其重要的特性。由于實際材料受沖擊的方式是多種多樣的，因此沖擊試驗也不可能僅以一種方法與多種實際情況相適應，而必須根據實際情況選擇適宜的試驗方法。沖擊強度的材料試驗方法有懸臂梁(有切口或無切口)、簡支梁(有切口或無切口)、杜邦和落球沖擊等各種方法，其中以懸臂梁法為常用。
　　由于影響因素的復雜性，無法用統一的復合規則來計算材料的沖擊強度。一般地說，復合材料的沖擊強度會因填料的填充而降低。但是，正如Nielsen在研究了如圖7所示的球狀填料復合系的拉伸應力模型之后所指出的，倘能使填料周圍產生小的空隙(裂縫)，由它來吸收沖擊能量，則有可能制得沖擊強度比基體聚合物大的復合材料。根據這―設想，人們已開發成功了懸臂梁沖擊和杜邦沖擊(具有落球沖擊性質)比基體聚合物大得多的復合材料，見表4。

5　撕裂強度

　　撕裂強度是薄膜和片材等薄型制品的重要性質。這―性能的主要支配因素是裂縫的傳播，通過填料的表面處理來提高填料與聚合物的粘結性是提高復合材料撕裂強度的一個重要措施。

6　壓縮強度

　　壓縮強度與拉伸強度的應力方向相反，但有相似的依賴關系。增加填料與聚合物界面粘結等以提高拉伸強度的方法都適宜用來提高壓縮強度。

7　蠕變特性

　　填充填料后將使聚合物基體的粘度增大，因此有減少蠕變的效果。
　　Nielsen以下式估算復合材料的蠕變：

　　式中：ε為某一時間(t)的蠕變變形
　　　　　E為彈性模量
　　由式(11)可以推斷聚合物基復合材料的蠕變特性受聚合物本身蠕變特性的影響。各種FRTP的彎曲蠕變特性見圖8。

8　疲勞特性

　　纖維增強熱塑性塑料的疲勞特性S-N曲線與基體聚合物的疲勞特性有相同的傾向，即使彎曲到10⁶～10⁷次時也不成水平狀態，在10⁷次時的疲勞強度約為靜態強度的1／3～1／5。各種FRTP的S-N曲線見圖9。

9　硬　度

　　復合材料的硬度與剛性密切相關，凡能提高復合材料剛性的填料都有提高硬度的效果。實際復合材料的硬度取決于基體聚合物種類、填料的剛度和形態、填料與聚合物的界面粘接等。

10　摩擦系數

　　填料對復合材料表面特性的影響，一般來說，粗填料以低濃度填充時，表面極不規則，摩擦系數較大，而細填料以高濃度填充到可以抑制聚合物收縮時，表面極為平滑，摩擦系數較小。
　　如用聚四氟乙烯粉末、二硫化鉬、石墨和碳纖維等本身摩擦系數極小的材料作為特殊填料，則可制得潤滑性極為良好的復合材料。