混杂复合材料

1、混杂复合材料 混杂复合材料混杂复合材料 混杂复合材料 混杂复合材料概述混杂复合材料概述 混杂复合材料 混杂复合材料概念混杂复合材料概念 混混杂杂复合材料是指将两种或两种以上的增强复合材料是指将两种或两种以上的增强 体增强同一基体或多种基体而制成的复合材体增强同一基体或多种基体而制成的复合材 料。料。 混杂复合材料可以看成是两种或多种纤维或混杂复合材料可以看成是两种或多种纤维或 颗粒增强复合材料的相互复合。颗粒增强复合材料的相互复合。 混杂复合材料 混杂复合材料分类混杂复合材料分类 按照基体分，混杂复合材料可分为金属基按照基体分，混杂复合材料可分为金属基 混杂复合材料、陶瓷基混杂复合材料、树混杂

2、复合材料、陶瓷基混杂复合材料、树 脂基混杂复合材料和多种基体复合的混杂脂基混杂复合材料和多种基体复合的混杂 复合材料。复合材料。 按照增强体分，可以分为混杂纤维复合材按照增强体分，可以分为混杂纤维复合材 料，混杂颗粒复合材料以及纤维和颗粒混料，混杂颗粒复合材料以及纤维和颗粒混 杂复合材料。杂复合材料。 当增强体和基体都多于一种的混杂复合材当增强体和基体都多于一种的混杂复合材 料称为超混杂复合材料。料称为超混杂复合材料。 混杂复合材料 混杂复合材料的结构形式混杂复合材料的结构形式 影响混杂纤维复合材料性能的因素很多，除影响混杂纤维复合材料性能的因素很多，除 了一般的影响因素之外，还与所用混杂纤维

3、了一般的影响因素之外，还与所用混杂纤维 的类型，混杂比，混杂方式有关，其中混杂的类型，混杂比，混杂方式有关，其中混杂 复合材料的结构形式的影响尤为重要。复合材料的结构形式的影响尤为重要。 混杂复合材料 混杂复合材料的结构形式混杂复合材料的结构形式 混杂复合材料 超级混杂复合材料超级混杂复合材料 蜂窝夹芯蜂窝夹芯 混杂复合材料 铝铝/芳纶芳纶-环氧层合板环氧层合板 混杂复合材料 UHMWPE纤维纤维/T300混杂复合材料混杂方式混杂复合材料混杂方式 混杂复合材料 混杂方式对材料的力学性能影响混杂方式对材料的力学性能影响 混杂复合材料混杂复合材料 的弯曲强度的弯曲强度 混杂材料的层混杂材料的层 间

4、剪切强度间剪切强度 混杂复合材料 混杂效应混杂效应 混杂纤维复合材料由于采用两种纤维混杂，混杂纤维复合材料由于采用两种纤维混杂， 复合材料的性能出现综合效果。某些性能，复合材料的性能出现综合效果。某些性能， 在一定条件下符合混合律关系，而另一些在一定条件下符合混合律关系，而另一些 性能则与混合律关系出现正的（偏高）或性能则与混合律关系出现正的（偏高）或 负的（偏低）偏差。人们普遍地将此偏离负的（偏低）偏差。人们普遍地将此偏离 混合律关系的现象称为混合律关系的现象称为“混杂效应混杂效应”。 混杂复合材料 引起混杂效应的因素引起混杂效应的因素 1.制造工艺的热收缩制造工艺的热收缩 2.基体的影响基

5、体的影响 3.混杂结构因素的影响混杂结构因素的影响 4.界面状态的影响界面状态的影响 混杂复合材料 1.制造工艺的热收缩制造工艺的热收缩 混杂纤维复合材料体系中两种纤维的热膨胀混杂纤维复合材料体系中两种纤维的热膨胀 系数存在差异，这两种纤维在复合材料固系数存在差异，这两种纤维在复合材料固 化后，由于不同的热收缩造成零载时两种化后，由于不同的热收缩造成零载时两种 纤维所处的受力状态不同。纤维所处的受力状态不同。 例：碳纤维（例：碳纤维（CF）/玻璃纤维（玻璃纤维（GF）混杂复合）混杂复合 后，由于热收缩造成零载时，后，由于热收缩造成零载时，CF受压，受压，GF 受拉。当复合材料受力时，就会出现混

6、杂受拉。当复合材料受力时，就会出现混杂 效应。如效应。如CF/GF混杂复合材料，达到混杂复合材料，达到CF断裂断裂 应力时，其断裂应变提高，而使应力时，其断裂应变提高，而使GF的破坏的破坏 应变降低。应变降低。 混杂复合材料 2.基体的影响基体的影响 基体的混杂效应的关系尚没有定量的认基体的混杂效应的关系尚没有定量的认 识。其实，复合材料很多性能与树脂识。其实，复合材料很多性能与树脂 基体的性能有关，而有些性能又是由基体的性能有关，而有些性能又是由 基体的性能决定的。基体的性能决定的。 混杂复合材料 3.混杂结构因素的影响混杂结构因素的影响 混杂复合材料的断裂应变并不恒定，它和纤混杂复合材料的

7、断裂应变并不恒定，它和纤 维的位置分布有关，一般可用混杂比和分散维的位置分布有关，一般可用混杂比和分散 度这两个结构参数表示两种纤维的位置分布。度这两个结构参数表示两种纤维的位置分布。 在许多场合，断裂应变值随混杂体系的分散在许多场合，断裂应变值随混杂体系的分散 度增加而增加，也随着混杂比变化而明显变度增加而增加，也随着混杂比变化而明显变 化。化。 混杂复合材料 研究表明，层间混杂结构的一层断裂后裂转研究表明，层间混杂结构的一层断裂后裂转 化为分层裂纹，并且由于裂纹长度有限，经化为分层裂纹，并且由于裂纹长度有限，经 过一段距离后载荷又重新由界面传递到原层过一段距离后载荷又重新由界面传递到原层

8、中继续承载。其次，低伸长中继续承载。其次，低伸长高伸长（高伸长（LE- HE）纤维间界面具有良好的粘结性，才能）纤维间界面具有良好的粘结性，才能 有效地传递应力。再者就是混杂纤维的分散有效地传递应力。再者就是混杂纤维的分散 度应高于某一临界值。如在层间混杂中的度应高于某一临界值。如在层间混杂中的CF 的绝对厚度必须小到一定的程度才能得到多的绝对厚度必须小到一定的程度才能得到多 重断裂模式，而夹芯混杂如夹芯厚度超过三重断裂模式，而夹芯混杂如夹芯厚度超过三 层则几乎看不到混杂效应。层则几乎看不到混杂效应。 混杂复合材料 混杂比对热效应是明显的。在混杂比对热效应是明显的。在GF/CF比值较比值较 大

9、的混杂复合材料中，热收缩造成的内应大的混杂复合材料中，热收缩造成的内应 力较大，因此热效应也较大。如层内混杂力较大，因此热效应也较大。如层内混杂 和夹芯混杂时，在和夹芯混杂时，在GF/CF比值相等的条件下，比值相等的条件下， 是热效应引起的残余应力，在层内混杂中是热效应引起的残余应力，在层内混杂中 它均匀地分布在整个体系内，而夹层混杂它均匀地分布在整个体系内，而夹层混杂 则主要集中在芯层与表层的界面，因此产则主要集中在芯层与表层的界面，因此产 生的各种效应也各不相同。生的各种效应也各不相同。 混杂复合材料 混杂比对材料力学性能的影响混杂比对材料力学性能的影响 CF/UHMWPEF 为为75/2

10、5时的复时的复 合材料的力学合材料的力学 性能性能 CF/UHMWPEF 为为50/50时的复时的复 合材料的力学合材料的力学 性能性能 混杂复合材料 混杂比对材料力学性能的影响混杂比对材料力学性能的影响 UHMWPE纤纤 维维/T300层层 内混杂复合内混杂复合 材料的冲击材料的冲击 强度与压缩强度与压缩 强度强度 混杂复合材料 4界面状态的影响界面状态的影响 混杂纤维复合材料的界面特殊的地方，由混杂纤维复合材料的界面特殊的地方，由 于混杂纤维复合材料由多于一种的纤维以于混杂纤维复合材料由多于一种的纤维以 不同的混杂形态进行复合，因此在复合材不同的混杂形态进行复合，因此在复合材 料中所造成的

11、界面将有几种不同的类型，料中所造成的界面将有几种不同的类型， 且有不同的界面数。且有不同的界面数。 界面数的多少是混杂纤维复合材料的特征界面数的多少是混杂纤维复合材料的特征 参数，而界面的状态参数，而界面的状态纤维和基体间粘合纤维和基体间粘合 效应等将在混杂复合材料的热性能、物理效应等将在混杂复合材料的热性能、物理 性能等方面引起不同效果。性能等方面引起不同效果。 混杂复合材料 如果界面粘合情况好，可以提高纤维粘合如果界面粘合情况好，可以提高纤维粘合 性能的界面值并降低分散度的临界值。反性能的界面值并降低分散度的临界值。反 映到混杂结构因素与混杂效应的关系上。映到混杂结构因素与混杂效应的关系上

12、。 另外，混杂复合材料中的低伸长纤维断裂另外，混杂复合材料中的低伸长纤维断裂 时会产生强烈的声发射，而不同的纤维具时会产生强烈的声发射，而不同的纤维具 有不同的弹性模量和密度，因此将会对低有不同的弹性模量和密度，因此将会对低 伸长纤维断裂产生的应力波表现出不同的伸长纤维断裂产生的应力波表现出不同的 动态响应。动态响应。 根据模型进行数学推导，找出纯低伸长复根据模型进行数学推导，找出纯低伸长复 合材料和混杂复合材料的动应力集中系数，合材料和混杂复合材料的动应力集中系数， 并用它们的比值表示混杂效应。并用它们的比值表示混杂效应。 混杂复合材料 混杂复合材料的特性混杂复合材料的特性 混杂复合材料最大

13、的特点就是多种材料性能混杂复合材料最大的特点就是多种材料性能 的兼容性，可以最大限度的针对不同的应用的兼容性，可以最大限度的针对不同的应用 条件和要求，进行复合材料结构设计，充分条件和要求，进行复合材料结构设计，充分 发挥混杂增强体和基体的性能，获得具有更发挥混杂增强体和基体的性能，获得具有更 好的综合性能及更高性价比的复合材料好的综合性能及更高性价比的复合材料。 混杂复合材料 改善复合材料的性能改善复合材料的性能 提高复合材料的强度和韧性提高复合材料的强度和韧性 提高复合材料的疲劳强度提高复合材料的疲劳强度 增大复合材料的刚度增大复合材料的刚度 改善复合材料的热膨胀性能改善复合材料的热膨胀性

14、能 提高材料的破坏应变提高材料的破坏应变 提高材料的耐磨性提高材料的耐磨性 改善其他性能改善其他性能 混杂复合材料 1.提高复合材料的强度和韧性提高复合材料的强度和韧性 碳纤维复合材料的冲击强度低，在冲击载荷碳纤维复合材料的冲击强度低，在冲击载荷 下呈明显的脆性破坏形式，如在该复合材料下呈明显的脆性破坏形式，如在该复合材料 中用中用15%的玻璃纤维与碳纤维混杂，其冲击韧的玻璃纤维与碳纤维混杂，其冲击韧 性可以得到改善，冲击强度可提高性可以得到改善，冲击强度可提高2-3倍。同倍。同 时纤维混杂也可以时纤维混杂也可以使使拉伸强度及剪切强度都拉伸强度及剪切强度都 相应的提高。相应的提高。 混杂复合材

15、料 碳纳米管碳纳米管/碳碳 纤维增强环氧基复合材料的界面纤维增强环氧基复合材料的界面 剪切强度（剪切强度（IFSS）可达到）可达到106.55Mpa,比比T300 复合材料大复合材料大150%。 油棕榈油棕榈 纤维纤维 /玻璃玻璃 纤维纤维 混合双层复合材料拉混合双层复合材料拉 伸强度、杨氏模量和断裂延伸率都有所提高。伸强度、杨氏模量和断裂延伸率都有所提高。 对于拉伸强度和杨氏模量对于拉伸强度和杨氏模量正的混杂效应；正的混杂效应； 对于断裂延伸率对于断裂延伸率负的混杂效应。随着玻负的混杂效应。随着玻 璃纤维的增多，材料的抗冲击性能也有所提璃纤维的增多，材料的抗冲击性能也有所提 高。高。 混杂复

16、合材料 芳纶纤维的加入对芳纶芳纶纤维的加入对芳纶-木粉木粉/ HDPE 混杂复合混杂复合 材料的各项力学性能都有明显的提高。材料的各项力学性能都有明显的提高。 混杂复合材料 2.提高复合材料的疲劳强度提高复合材料的疲劳强度 混杂纤维复合材料的疲劳强度高混杂纤维复合材料的疲劳强度高于于普通纤维普通纤维 复合材料。复合材料。 例如，玻璃纤维复合材料的疲劳强度为非线例如，玻璃纤维复合材料的疲劳强度为非线 性递减。由于碳纤维具有较高的模量和损伤性递减。由于碳纤维具有较高的模量和损伤 容限，若引入容限，若引入50%的碳纤维，混杂复合材料的的碳纤维，混杂复合材料的 疲劳强度将转变为疲劳强度将转变为线性线性

17、递减，其循环应力会递减，其循环应力会 有较大提高，当加入有较大提高，当加入2/3的碳纤维后，其疲劳的碳纤维后，其疲劳 强度可接近单一碳纤维复合材料的水平。强度可接近单一碳纤维复合材料的水平。 混杂复合材料 3.增大复合材料的刚度增大复合材料的刚度 高级增强纤维一般具有高模量，可使复合材高级增强纤维一般具有高模量，可使复合材 料的刚度大大提高，尤其是夹芯结构的混杂料的刚度大大提高，尤其是夹芯结构的混杂 复合材料复合材料。 玻璃纤维复合材料的模量一般较低，如加入玻璃纤维复合材料的模量一般较低，如加入 50%的碳纤维作为表层，复合成夹芯形式，其的碳纤维作为表层，复合成夹芯形式，其 模量可达到碳纤维复

18、合材料的模量可达到碳纤维复合材料的90%。 混杂复合材料 4.改善复合材料的热膨胀性能改善复合材料的热膨胀性能 碳纤维，芳纶纤维等沿轴向具有负的热膨胀碳纤维，芳纶纤维等沿轴向具有负的热膨胀 系数，如与具有正热膨胀系数的纤维混杂系数，如与具有正热膨胀系数的纤维混杂 便可以得到预定热膨胀系数的材料便可以得到预定热膨胀系数的材料。 探测卫星上的摄像机支架系统就是由零膨胀探测卫星上的摄像机支架系统就是由零膨胀 系数的混杂复合材料制成的，它可使焦距系数的混杂复合材料制成的，它可使焦距 不受太空温度剧烈交变的影响，保证精度不受太空温度剧烈交变的影响，保证精度。 混杂复合材料 5.提高材料的破坏应变提高材料

19、的破坏应变 碳纤维复合材料具有较低的破坏应变，引入碳纤维复合材料具有较低的破坏应变，引入 玻璃纤维后，由于混杂效应，复合材料的玻璃纤维后，由于混杂效应，复合材料的 破坏应变可以提高破坏应变可以提高40% 混杂复合材料 6.提高材料的耐磨性提高材料的耐磨性 颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 可以显著提高材可以显著提高材 料的耐磨性。料的耐磨性。 A12O3短纤维和石墨短纤维和石墨 颗粒混杂增强颗粒混杂增强 ZL109复合材料复合材料 混杂复合材料 聚乙烯纤维聚乙烯纤维/金属纤维金属纤维/玻璃布（玻璃布（PEMG）超混）超混 杂复合材料板的耐磨损性能远远优于玻璃钢杂复合材料板的耐磨损性能远远优于玻

20、璃钢 板板. 混杂复合材料 7.改善其他性能改善其他性能 混杂复合材料亦可以改善材料的其他性能，如混杂复合材料亦可以改善材料的其他性能，如 导电性，耐老化性，耐腐蚀性导电性，耐老化性，耐腐蚀性。 玻璃纤维复合材料，属于绝缘材料，但有产生玻璃纤维复合材料，属于绝缘材料，但有产生 静电而带静电而带电电的性质，不能用来制造电子设备的的性质，不能用来制造电子设备的 外壳，碳纤维是导电外壳，碳纤维是导电、非磁性材料，将两种纤非磁性材料，将两种纤 维混杂后，可以得到除电和防止带电的特性。维混杂后，可以得到除电和防止带电的特性。 芳纶纤维的耐老化性很差，如果加入耐老化性芳纶纤维的耐老化性很差，如果加入耐老化

21、性 能好的碳纤维，就可以使复合材料的耐老化性能好的碳纤维，就可以使复合材料的耐老化性 能大大提高。能大大提高。 混杂复合材料 用三维网状的碳化硅陶瓷（用三维网状的碳化硅陶瓷（3DRC），高性），高性 能碳纤维和改性酚醛树脂（能碳纤维和改性酚醛树脂（BPR） 合成的一合成的一 种新型超级杂交复合材料（种新型超级杂交复合材料（NSHC）。）。 结果结果 表明，表明，NSHC线性消融速度比单一的线性消融速度比单一的BPR和和 CF / BPR的复合材料小的复合材料小。 同一同一 纤维纤维 含量的情况下，含量的情况下，NSHC的线烧蚀率的线烧蚀率 是是CF / BPR的复合材料的的复合材料的50。 3

22、DRC可以提高抗腐蚀材料的能力可以提高抗腐蚀材料的能力。 混杂复合材料 混杂复合材料的特性混杂复合材料的特性 扩大构件自由度与工艺实现的可能性扩大构件自由度与工艺实现的可能性 普通复合材料构件的设计自由度较一般普通复合材料构件的设计自由度较一般 工程材料的自由度大，而混杂复合材料构工程材料的自由度大，而混杂复合材料构 件的设计自由度又可进一步扩大。件的设计自由度又可进一步扩大。 降低材料成本降低材料成本 将少量的高级纤维加入到一般纤维复合将少量的高级纤维加入到一般纤维复合 材料中，可能得到综合性能好的混杂复合材料中，可能得到综合性能好的混杂复合 材料，同时成本也大大降低。材料，同时成本也大大降

23、低。 混杂复合材料 混杂复合材料的设计混杂复合材料的设计 材料的设计是材料应用的基础，材料的设计是材料应用的基础，它它包括材料包括材料 设计和结构设计两个方面，一般来说材料设计和结构设计两个方面，一般来说材料 设计和结构设计是紧密联系在一起设计和结构设计是紧密联系在一起。 材料设计一般是结构设计的一部分，而结构材料设计一般是结构设计的一部分，而结构 设计则是材料设计的延续。设计则是材料设计的延续。 混杂复合材料是一种可设计性很强的材料混杂复合材料是一种可设计性很强的材料。 混杂复合材料设计还存在着混杂效应，因混杂复合材料设计还存在着混杂效应，因 此增加了设计自由度，此增加了设计自由度， 混杂复

24、合材料 结构混杂复合材料需要具备结构混杂复合材料需要具备的的条件条件 1.力学性能优良力学性能优良。 2.性能数据分散性小，可靠性好性能数据分散性小，可靠性好。 3.成型工艺简单，方便。成型工艺简单，方便。 4.加工性好加工性好。 5.经济性合理。经济性合理。 混杂复合材料 结构混杂材料设计流程结构混杂材料设计流程 混杂复合材料 混杂复合材料结构设计的要求混杂复合材料结构设计的要求 一、一、结构的力学要求结构的力学要求 二、结构的质量要求二、结构的质量要求 三、结构的环境条件三、结构的环境条件 四、结构的可靠性、安全性及经济性要求四、结构的可靠性、安全性及经济性要求 五、结构与工艺性要求五、结

25、构与工艺性要求 混杂复合材料 一、一、结构的力学要求结构的力学要求 1.构件在使用载荷下不会发生有害变形构件在使用载荷下不会发生有害变形 2.疲劳变形的积累不会达到有害的程度疲劳变形的积累不会达到有害的程度 3.结构破坏强度的可靠性以及具有足够长的结构破坏强度的可靠性以及具有足够长的 安全使用寿命安全使用寿命 4.在特殊环境下使用的结构还应保证它的耐在特殊环境下使用的结构还应保证它的耐 久性久性 混杂复合材料 二、结构的质量要求二、结构的质量要求 按性能设计的结构，其性能又与结构的质量有按性能设计的结构，其性能又与结构的质量有 关，在满足统一设计要求的时候，质量轻的较关，在满足统一设计要求的时

26、候，质量轻的较 为好一些。为好一些。 混杂复合材料的特点之一就是比重小，因此，混杂复合材料的特点之一就是比重小，因此， 设计时减轻质量的潜力很大。设计时减轻质量的潜力很大。 对于固定的设备结构，其质量对性能也有很大对于固定的设备结构，其质量对性能也有很大 影响。影响。 结构轻量化是提高性能的重要手段，设计时要结构轻量化是提高性能的重要手段，设计时要 在设计合理化的情况下尽量做到结构的在设计合理化的情况下尽量做到结构的轻轻量化。量化。 混杂复合材料 三、结构的环境条件三、结构的环境条件 1. 结构方面：加速度、冲击振动和声音等结构方面：加速度、冲击振动和声音等 2. 物理方面：压力、温度和湿度等物理方面：压力、温度和湿度等 3. 气象方面：风雨、冰雹和日光灯气象方面：风雨、冰雹和日光灯 4. 大气方面：包括放射线、霉菌、盐雾和大气方面：包括放射线、霉菌、盐雾和 风沙等。风沙等。 混杂复合材料 四、结构可靠性、安全性及经济性四、结构可靠性、安全性及经济性 结构的可靠性、安全性对于航天和航空器来结构的可靠性、安全性对于航天和航空器来 说至关重要。说至关重要。 提高可靠性与安全性的同时还可以达到降低提高可靠性与安全性的同时还可以达到降低 成本、提高经济效益的目的。成本、提高经济效益的目的。 混杂复合材料 五、结构五、结构 与工艺性与工艺性 要求要求