摘　要：提高力学性能是材料进行复合的主要目的之一。复合材料的常温力学性能主要取决于增强剂，而高温力学性能则与基体材料的耐热性密切相关。界面对复合材料的力学性能具有重要的影响，界面微裂纹的产生、扩展和中止以及剥离等将对复合材料的力学性能产生严重的影响。正由于界面影响的复杂性，目前描述复合材料力学性能的公式尚处于经验或半经验阶段，尚未达到系统理论化程度。

1　刚　性

　　刚性是基体材料经填充填料后明显提高的性能之一。复合材料的刚性可按以下的复合规则来估算：

　　式中：E_c――复合材料的刚性
　　　　　E_m――聚合物基体的刚性
　　　　　E_f――填料的刚性
　　　　　V_f――填料的容积分数
　　聚丙烯与填料组成的实际复合材料，其填料含量与弯曲弹性模量的关系如图1所示。

　　由图可见：E_c随填料含量的变化，由于填料品种不同差异很大，这种差异的产生不仅是由于不同品种填料的E_f不同所引起，而在更大程度上是由于填料形态不同所引起。
　　考虑到填料形态的影响，有关复合材料刚性的估算有很多经验公式，今举应用范围较广泛的Nielsen公式如下：

　　式中：E――任意刚性(杨氏模量、剪切弹性模量等)
　　　　　K_E――爱因斯坦系数
　　　　　P_f――填料的高填充容积分数
　　由于该式中导入了与聚合物的泊松比和填料的形态有关的爱因斯坦系数K_E和填料的高填充容积分数P_f这两个因素，可反映填料的形态因素对复合材料刚性的影响，因而具有较普遍的意义。

2　拉伸强度

　　拉伸强度对于纤维增强复合材料是一项非常重要的应用性能。无论材料设计或结构设计都以充分发挥纤维的拉伸强度为准则。
　　复合材料的拉伸强度基本上可用下列复合规则来估算：

　　T――拉伸强度
　　对于纤维增强塑料，人们考虑各种影响因素提出了公式(3)的修正公式。
　　对于连续纤维增强塑料，考虑纤维的定向影响，可采用下列修正式估算拉伸强度。

　　K――纤维定向度
　　对于短纤维增强塑料，则应考虑纤维长度、纤维直径、纤维与聚合物的界面粘接性等因素对拉伸强度的影响。考虑上述影响因素而提出的修正式为：

　　式中：ι――纤维长度
　　　　　d――纤维直径
　　　　　τ――界面剪切强度
　　　　　K――纤维定向度
　　由上式可见：
　　(1)分散在基体塑料中的纤维长度ι对T_c的影响极大。图2为聚碳酸酯系玻纤增强塑料的ι和T_c的关系图。

　　(2)玻璃纤维和聚合物的界面粘结性对T_c也有很大的影响。对于τ值小的复合材料，纤维将不起增强作用，其界面剪切破坏成为T_c的限制因素。表1为玻纤增强聚丙烯的界面粘结对其拉伸强度的影响。

　　为了提高玻璃纤维和聚合物之间的界面粘结，有效的办法是以硅烷等偶联剂对玻纤表面处理。
　　对于填料复合材料，Nielsen提出粒状填料复合材料在界面无粘结情况下的拉伸强度估算式：

　　S为应力集中函数
　　当S=1时，根据上式计算填料容积分数与T_c／T_m的关系如图3所示。

　　对于片状填料复合材料，Pawder-Beecher提出以临界纵横比α_c为界的二个估算式：

　　按上式，对PC／云母复合材料计算结果和相应的PC／玻璃纤维复合材料的计算值见图4。由图可见，纵横比大的片状填料具有与纤维相近的增强效果。

　　不同形态填料对不同类型聚合物的增强效果见图5。

　　填料有无表面处理也影响增强效果，见表2。

　　总之，聚合物的极性、结晶性、填料的形态及其表面处理都对复合材料的拉伸强度产生影响。

3　延伸率

　　复合材料的延伸率，特别是以热塑性塑料为基复合材料的延伸率由于填料的加入将明显低于基体聚合物本身，见表3。

　　复合材料延伸率的估算式，随填料与基体塑料之间的粘结情况不同而区分为完全粘结系和无粘结系，对于完全粘结系：

　　式中：ε_c为复合材料的延伸率
　　　　　T_c为断裂强度
　　　　　E_c为杨氏模量
　　对于不相粘结系：

　　由式9和10计算出的V_f与相对伸长率ε_c／ε_m的关系如图6所示。由此可见，完全粘结系的延伸率明显较不相粘结系的为低。

　　上述计算延伸率的两个公式与大多数复合体系的实测结果是一致的，但也有不少例外，特别尚存在一些复合体系，在低浓度填料范围可得到超过基体聚合物本身的延伸率。

4　冲击强度

　　复合材料的冲击强度在实际应用上是一个极其重要的特性。由于实际材料受冲击的方式是多种多样的，因此冲击试验也不可能仅以一种方法与多种实际情况相适应，而必须根据实际情况选择适宜的试验方法。冲击强度的材料试验方法有悬臂梁(有切口或无切口)、简支梁(有切口或无切口)、杜邦和落球冲击等各种方法，其中以悬臂梁法为常用。
　　由于影响因素的复杂性，无法用统一的复合规则来计算材料的冲击强度。一般地说，复合材料的冲击强度会因填料的填充而降低。但是，正如Nielsen在研究了如图7所示的球状填料复合系的拉伸应力模型之后所指出的，倘能使填料周围产生小的空隙(裂缝)，由它来吸收冲击能量，则有可能制得冲击强度比基体聚合物大的复合材料。根据这―设想，人们已开发成功了悬臂梁冲击和杜邦冲击(具有落球冲击性质)比基体聚合物大得多的复合材料，见表4。

5　撕裂强度

　　撕裂强度是薄膜和片材等薄型制品的重要性质。这―性能的主要支配因素是裂缝的传播，通过填料的表面处理来提高填料与聚合物的粘结性是提高复合材料撕裂强度的一个重要措施。

6　压缩强度

　　压缩强度与拉伸强度的应力方向相反，但有相似的依赖关系。增加填料与聚合物界面粘结等以提高拉伸强度的方法都适宜用来提高压缩强度。

7　蠕变特性

　　填充填料后将使聚合物基体的粘度增大，因此有减少蠕变的效果。
　　Nielsen以下式估算复合材料的蠕变：

　　式中：ε为某一时间(t)的蠕变变形
　　　　　E为弹性模量
　　由式(11)可以推断聚合物基复合材料的蠕变特性受聚合物本身蠕变特性的影响。各种FRTP的弯曲蠕变特性见图8。

8　疲劳特性

　　纤维增强热塑性塑料的疲劳特性S-N曲线与基体聚合物的疲劳特性有相同的倾向，即使弯曲到10⁶～10⁷次时也不成水平状态，在10⁷次时的疲劳强度约为静态强度的1／3～1／5。各种FRTP的S-N曲线见图9。

9　硬　度

　　复合材料的硬度与刚性密切相关，凡能提高复合材料刚性的填料都有提高硬度的效果。实际复合材料的硬度取决于基体聚合物种类、填料的刚度和形态、填料与聚合物的界面粘接等。

10　摩擦系数

　　填料对复合材料表面特性的影响，一般来说，粗填料以低浓度填充时，表面极不规则，摩擦系数较大，而细填料以高浓度填充到可以抑制聚合物收缩时，表面极为平滑，摩擦系数较小。
　　如用聚四氟乙烯粉末、二硫化钼、石墨和碳纤维等本身摩擦系数极小的材料作为特殊填料，则可制得润滑性极为良好的复合材料。