第一节材料复合、增强体及复合效应

1、第一节第一节 材料复合、增强体及复合效应材料复合、增强体及复合效应1复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料复合而成具有新性能的一种材料。复合材料通常由基体、增强体及两者间的界面组成。一、材料复合、增强体及复合效应2分类（1）按复合效果：结构复合材料、功能复合材料（2）按基体分：树脂基或聚合物基复合材料RMC、金属基复合材料MMC 陶瓷基复合材料CMC等（3）按增强体的形态及排布方式分： 颗粒增强复合材料、连续纤维增强复合材料、 短纤维或晶须增强复合材料、单向纤维复合材料 二向织物层复合材料、三向及多向编织复合材料 混杂复合材料等3特性 可设计性、各向异性、一次成型性。 优点：

2、高比强度和比模、疲劳性好、减震性好、高温性能好。复合材料的优点复合材料的优点二、增强体二、增强体石墨纤维（碳纤维）SiC纤维SCS-6纤维SCS-6纤维W纤维W纤维SiC晶须SiC颗粒TiC颗粒3复合效应复合效应 复合效应分为线性效应、非线性效应、界面效应、复合效应分为线性效应、非线性效应、界面效应、尺寸效应和各向异性效应。尺寸效应和各向异性效应。（1）线性效应）线性效应 分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应 平均效应，又称加和效应。平均效应，又称加和效应。（2）非线性效应）非线性效应 分为乘积效应、系统效应、诱导效应、共振效应分为乘积效应、系统

3、效应、诱导效应、共振效应 乘积效应，又称传递效应，交叉耦合效应。乘积效应，又称传递效应，交叉耦合效应。（3）界面效应）界面效应 分为阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应、感应效应、分为阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应、感应效应、界面结晶效应、界面化学效应界面结晶效应、界面化学效应（4）尺寸效应）尺寸效应（5）各向异性效应）各向异性效应第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理一、复合思想一、复合思想1仿生思想仿生思想2绿色材料思想绿色材料思想3充分利用协同效应思想充分利用协同效应思想4智能材料思想智能材料思想二、复合材料增强原理二、复合材料增强原理1弥散性增强弥散性增强根据位错绕过机制

4、根据位错绕过机制：=Gmb/Dp基体理论断裂强度约为基体理论断裂强度约为Gm/30基体理论屈服强度约为基体理论屈服强度约为Gm/100把二者作为位错运动需要剪切应力的上限和下限，把二者作为位错运动需要剪切应力的上限和下限，Dpmin=0.01m，Dpmax=0.3m质点弥散分布时，质点直径质点弥散分布时，质点直径dp，体积分数，体积分数p有以下关系：有以下关系：Dp=（ dp2/p）1/2（1-p）23p= Gmb/（ dp2/p）1/2（1-p）23所以，复合材料屈服强度所以，复合材料屈服强度：2粒子增强型粒子增强型粒子尺寸粒子尺寸150m，粒子间距，粒子间距125m，体积分数体积分数0.0

5、50.5复合材料密度：复合材料密度：c= p p+ m m强度公式：强度公式：(1)基体为晶体结构材料，大的粒子存在基体上时基体为晶体结构材料，大的粒子存在基体上时一般一般dp=150m，体积分数，体积分数p =0.050.53GmGpbVp1/2302dp（1- p ）y=（2）当基体为非晶体或晶体的复合材料时）当基体为非晶体或晶体的复合材料时cu=0.83p p+Kmu（1- p）p-粒子通过界面受基体的压力粒子通过界面受基体的压力-基体与粒子间的摩擦因数基体与粒子间的摩擦因数mu-基体抗拉强度基体抗拉强度K-由于界面无结合加入粒子时，基体强度降低因数，由于界面无结合加入粒子时，基体强度降

6、低因数， K=a+bdp-1/2，约，约0.71.0当基体与粒子界面有粘结时：当基体与粒子界面有粘结时：cu=（a+0.83 mm） m+ aS（1- p ）a-界面粘结强度在外力方向所允许的最大应力界面粘结强度在外力方向所允许的最大应力 m=界面剪切强度界面剪切强度S-材料破坏时基体内平均应力与材料破坏时基体内平均应力与a的比值，应力集中因数的比值，应力集中因数3纤维增强型（1）连续纤维增强型性能：P=Pf p+Pm m弹性模量：弹性模量： 纤维方向：纤维方向：Ec=k（Pf p+Pm m ） 垂直纤维方向：垂直纤维方向：纤维方向的强度：纤维方向的强度： cu=fuf+ m*m1 f mEc

7、 Ef Em= +（2）短纤维或晶须增强复合材料 强度 cu=（1- ）fuf+ m*（1-f）m*-纤维断裂时基体应力，纤维断裂时基体应力，Lc-纤维临界长度，纤维临界长度，L0纤维长度纤维长度Lc2L第三节第三节 复合材料的界面复合材料的界面 一般把基体和增强体之间化学成分有显著变化的构成彼此一般把基体和增强体之间化学成分有显著变化的构成彼此结合、能传递载荷作用的区域成为界面。结合、能传递载荷作用的区域成为界面。 复合材料的界面是一个过渡区域，该区域的结构与性能复合材料的界面是一个过渡区域，该区域的结构与性能不同于组分材料中的任一个，可简称为界面相或界面层。不同于组分材料中的任一个，可简称为界面相或界面层。一、界面结合类型一、界面结合类型1金属基和陶瓷基复合材料界面结合类型金属基和陶瓷基复合材料界面结合类型（1）机械结合）机械结合（2）熔解和浸润结合）熔解和浸润结合（3）反应结合）反应结合（4）氧化结合）氧化结合（5）混合结合）混合结合2树脂基复合材料的界面结合类型树脂基复合材料的界面结合类型（1）化学键和）化学键和（2)浸润浸润-浸吸附结合浸吸附结合（3）扩散结合）扩散结合（4）机械结合）机械结合（5）静电结合）静电结合