复合材料_第二章_复合原理简介

1、第二章第二章 复合理论简介复合理论简介 2010.11.02 主要内容主要内容 一一复合材料增强理论复合材料增强理论 二二物理性能复合法则物理性能复合法则 一、复合材料增强机制一、复合材料增强机制 l弥散增强弥散增强 l颗粒增强颗粒增强 l纤维增强（连续纤维，短纤维）纤维增强（连续纤维，短纤维） 弥散增强型弥散增强型 50 x 50m 颗粒增强型颗粒增强型 50 x 50m 弥散增强原理弥散增强原理 硬质颗粒如硬质颗粒如Al2O3， TiC，SiC阻碍基体中阻碍基体中 的位错运动的位错运动(金属基金属基) 或分子链运动或分子链运动(高聚物高聚物 基基) 。增强机理可用。增强机理可用 位错绕过理

2、论解释。位错绕过理论解释。 载荷主要由基体承担载荷主要由基体承担 ，弥散微粒阻碍基体，弥散微粒阻碍基体 的位错运动。的位错运动。 （1）弥散增强弥散增强 复合材料的屈服强度复合材料的屈服强度 弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化 效果越好。一般效果越好。一般Vp=0.01 0.15，dp=0.001m 0.1 m )1 () 3 2 ( G 2 12 m p p p y V V d b 08537.416.7 0.058878.017.3 0.109408.518.0 0.201 0557.621.0 不同体积分数纳米粒子不同体积分数纳米粒子SiC(0.

3、07 m)增强增强 Si3N4(0.5 m)的性能的性能 （2）颗粒增强颗粒增强 cVd bVGG p ppm y )1 (2 3 21 颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般 在颗粒增强复合材料中，颗粒直径为在颗粒增强复合材料中，颗粒直径为 1 50m，颗粒间，颗粒间 距为距为1 25m，颗粒的体积分数为，颗粒的体积分数为0.05 0.5。 颗粒的尺寸较大颗粒的尺寸较大(1 m)，基体承担主要，基体承担主要 的载荷，颗粒阻止位的载荷，颗粒阻止位 错的运动，并约束基错的运动，并约束基 体的变形体的变形 用金属或高分子聚合物把有耐热性、硬

4、度用金属或高分子聚合物把有耐热性、硬度 高但不耐冲击的金属氧化物、氮化物、碳高但不耐冲击的金属氧化物、氮化物、碳 化物复合的材料时，由于强化相颗粒较大，化物复合的材料时，由于强化相颗粒较大， 故强化效果并不显著，但这种复材主要不故强化效果并不显著，但这种复材主要不 是提高强度是提高强度, ,而是为了改善耐磨性或提高综而是为了改善耐磨性或提高综 合力学性能。合力学性能。 （3）连续纤维增强）连续纤维增强 通常根据纤维形态可以分为连续纤维、非连续纤通常根据纤维形态可以分为连续纤维、非连续纤 维维(短纤维短纤维)或晶须或晶须(长度约为长度约为100-1000m、直径约、直径约 为为1-10m的单晶体

5、的单晶体)两类两类 其增强机理是高强度、高模量的纤维承受载荷，其增强机理是高强度、高模量的纤维承受载荷， 基体只是作为传递和分散载荷的媒介。基体只是作为传递和分散载荷的媒介。 M为基体为基体 F为纤维为纤维 连续纤维增强（纤维轴向模量）连续纤维增强（纤维轴向模量） 1VVV VVV fmc ffmmcc fmc （1） （1）式的两边同时除以）式的两边同时除以 ffmm EEEVV 得到得到 )1 ( 1fmff VEVEE 实际中还有不同的实际中还有不同的 泊松比导致的附加泊松比导致的附加 应力。通过试验分应力。通过试验分 析，误差小于析，误差小于 1%2%。测出两种。测出两种 玻璃纤维增强

6、聚酯玻璃纤维增强聚酯 树脂体系的树脂体系的E1、Vf 之间的线型关系之间的线型关系 复合材料纵向断裂强度可以认为与纤维断复合材料纵向断裂强度可以认为与纤维断 裂应变值对应的复合材料应力相等，根据混裂应变值对应的复合材料应力相等，根据混 合法则，得到复合材料纵向断裂强度，即合法则，得到复合材料纵向断裂强度，即 )1 ()( frmffueu VV SiC/硼硅玻璃复合材料的强度硼硅玻璃复合材料的强度 随纤维体积含量线性增加随纤维体积含量线性增加 14Chapter 9 Composites 连续纤维增强（横向模量）连续纤维增强（横向模量） Em Ef 串联模型 并联模型 体积分数体积分数fr f

7、m fffm f f m m c EE VEVE E V E V E )1 ( 1 在高性能纤维增强复合材料中，纤维模量比在高性能纤维增强复合材料中，纤维模量比 基体树脂模量大的多，在纤维体积含量为基体树脂模量大的多，在纤维体积含量为50 60的复合材料中，基体对的复合材料中，基体对E1的影响很的影响很 小，纤维对小，纤维对E2的影响也很小，所以可以得到的影响也很小，所以可以得到 近似近似 mm ff VEE VEE / 2 1 纤维增强复合材料横向强度纤维增强复合材料横向强度 纤维对横向强度有减弱的作用。纤维在与其相纤维对横向强度有减弱的作用。纤维在与其相 邻的基体中产生的应力和应变对基体产

8、生约束，邻的基体中产生的应力和应变对基体产生约束， 使复合材料的断裂应变比复合前要低的多使复合材料的断裂应变比复合前要低的多(断裂断裂 应力课本应力课本P28式式2.34) 前提是基体和增强体很好的结合前提是基体和增强体很好的结合。 4)短纤维增强（）短纤维增强（） 作用于复合材料的载荷是作用于基体材料并通作用于复合材料的载荷是作用于基体材料并通 过纤维端部与端部附近的纤维表面将载荷传递过纤维端部与端部附近的纤维表面将载荷传递 给纤维。当纤维长度超过应力传递所发生的长给纤维。当纤维长度超过应力传递所发生的长 度时，端头效应可以忽略，纤维可以被认为是度时，端头效应可以忽略，纤维可以被认为是 连续

9、的，但对于短纤维复合材料，端头效应不连续的，但对于短纤维复合材料，端头效应不 可忽略，同时复合材料的性能是纤维长度的函可忽略，同时复合材料的性能是纤维长度的函 数。数。 短纤维增强（）短纤维增强（） l/lc越大，拉伸强度越大越大，拉伸强度越大; ; 2l/lc1时，拉伸强度为连续纤维的强度公式时，拉伸强度为连续纤维的强度公式; ; l=lc时，短纤维增强的效果仅有连续纤维的时，短纤维增强的效果仅有连续纤维的50%; l/lc=10时，短纤维增强的效果可达到连续纤维的时，短纤维增强的效果可达到连续纤维的95% 所以为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。所以为了提高复合材料的强度，应尽量使用

10、长纤维。 为了使纤维的承载达到纤维的最大应力值，纤维长为了使纤维的承载达到纤维的最大应力值，纤维长 度必须大于临界纤维长度度必须大于临界纤维长度lc或临界长径比或临界长径比(lc/d) my f f c d l 2 max, 几种典型复合材料的临界长度几种典型复合材料的临界长度Lc和长径比和长径比Lc/d 基体基体 Tm (MN/m2)纤维纤维 fTS (MN/m2) d (m) Lc/dLc (mm) Ag55Al2O3晶须晶须20 80021890.38 Cu76钨丝钨丝2 9002 0001938 Al80硼纤维硼纤维2 800100181.75 环氧环氧40硼纤维硼纤维2 800100

11、353.5 聚脂聚脂30玻璃纤维玻璃纤维2 40013400.52 环氧环氧40碳纤维碳纤维2 6007330.23 短纤维增强（）短纤维增强（） 当短纤维按不同取向程度取向分布时，短纤维的增强效率当短纤维按不同取向程度取向分布时，短纤维的增强效率 随取向程度的降低而降低。对于取向分布的短纤维复合材随取向程度的降低而降低。对于取向分布的短纤维复合材 料，可以在混合弹性模量式中增加一个取向效率因子料，可以在混合弹性模量式中增加一个取向效率因子0 )1 ( 01fmff VEVEE 对于平行于纤维方向和垂直于纤维方向的单向板，对于平行于纤维方向和垂直于纤维方向的单向板，0分别分别 为为1和和0，对

12、于面内随即分布的纤维复合材料，对于面内随即分布的纤维复合材料03/8，三维，三维 随机分布纤维复合材料随机分布纤维复合材料01/5 二、二、 物理性能的复合法则物理性能的复合法则 对于复合材料，最引人注目的是其高比强度、高对于复合材料，最引人注目的是其高比强度、高 比模量等力学性能。但是其物理性能也应该通过比模量等力学性能。但是其物理性能也应该通过 复合化得到提高。复合化得到提高。 复合法则有两种：复合法则有两种： 、加权（平均）特性、加权（平均）特性 、乘积（传递）特性、乘积（传递）特性 1 、加权特性加权特性 PPV ci n i i N () 1 Pc为复合材料的特性，为复合材料的特性，

13、Pi为构成复合材料的原为构成复合材料的原 材料的特性，材料的特性，Vi为构成复合材料的原材料的体积分为构成复合材料的原材料的体积分 数，数，n由实验确定，其范围为由实验确定，其范围为 -1 n 1。密度、热膨。密度、热膨 胀系数热传导、电导、透磁率等都属于此类。胀系数热传导、电导、透磁率等都属于此类。 、乘积特性、乘积特性 把两种性能可以相互转换的功能材料把两种性能可以相互转换的功能材料热形变材料（以热形变材料（以 X/Y表示）与另一种形变电导材料（表示）与另一种形变电导材料（Y/Z）复合，其效果是：）复合，其效果是： Z X Z Y Y X 由于两组分的协同作用得到了另一种热电导功能复合材料

14、，由于两组分的协同作用得到了另一种热电导功能复合材料， 借助类似关系可以通过各种功能材料复合成各种功能复合材借助类似关系可以通过各种功能材料复合成各种功能复合材 料料 Y/X（状态（状态1）Z/Y（状态（状态2）传递特性（传递特性（Z/X） 磁磁/压力压力电阻变化电阻变化/磁场磁场压力电阻效应压力电阻效应 磁场磁场/压力压力旋光性旋光性/磁场（法拉第效应）磁场（法拉第效应）由机械负荷引起偏光面回转由机械负荷引起偏光面回转 电场电场/压力压力发光发光/电场（电光亮度）电场（电光亮度）压力光亮度压力光亮度 电场电场/压力压力复折射复折射/电场电场由机械负荷引起偏光面回转由机械负荷引起偏光面回转 应

15、变应变/磁场磁场电场电场/应变应变磁电效应磁电效应 应变应变/磁场磁场电阻变化电阻变化/应变应变磁电阻效应磁电阻效应 温度差温度差/磁场磁场电场电场/温度差温度差拟洞穴效应（磁电效应）拟洞穴效应（磁电效应） 应变应变/磁场磁场复折射复折射/应变应变磁感应折射磁感应折射 应变应变/电场电场磁场磁场/应变应变电磁效应电磁效应 磁场磁场/光光应变应变/磁场磁场应变应变/光光 电场电场/光光应变应变/电场电场应变应变/光光 电场电场/光光光光/电场电场波长变换波长变换 同位素同位素导电性导电性/光光放射线诱起电导放射线诱起电导 同位素同位素荧光荧光放射线检测器放射线检测器 思考题思考题 、弥散颗粒、颗

16、粒增强机理是什么、弥散颗粒、颗粒增强机理是什么 、纤维增强复合材料中，轴向和横向的强度、纤维增强复合材料中，轴向和横向的强度 各有什么特点各有什么特点 、复合材料物理性能有什么样的复合法则，、复合材料物理性能有什么样的复合法则， 分别有哪些性能适合这些法则？分别有哪些性能适合这些法则？ 谢谢 谢！谢！ 三、复合材料设计原则三、复合材料设计原则 l 调整复合度（参与复合的各组分的体积调整复合度（参与复合的各组分的体积 （或质量）分数），即改变各组分的含量（或质量）分数），即改变各组分的含量 l 调节联接方式，即增强材料的形状调节联接方式，即增强材料的形状 l 调节对称性分散相的形状调节对称性分散相的形状 l 调整尺度复合体的尺寸在不同的量级，调整尺度复合体的尺寸在不同的量级， 宏观物理性能会有很大的改变宏观物理性能会有很大的改变 l 调节叠