兰州大学材料学考研第十六章复合材料

第十六章复合材料Bidirectionallayers・4bfiberglass.Providetorsionalstiffness.Unidirectionallayers.0(andsome90)fiberglass.Providelongitudinalstiffness.Bidirectionallayer.45fiberglass.Providestorsionalstiffness・Dampinglayer.Polyurethane.Improveschatterresistance.Hase.Compressedcarbon(carbonparticlesembeddedinaplasticmatrix).Hardandabrasionresistant.Providesappropriatesurface.Side.Bidirectionallayers・4bfiberglass.Providetorsionalstiffness.Unidirectionallayers.0(andsome90)fiberglass.Providelongitudinalstiffness.Bidirectionallayer.45fiberglass.Providestorsionalstiffness・Dampinglayer.Polyurethane.Improveschatterresistance.Hase.Compressedcarbon(carbonparticlesembeddedinaplasticmatrix).Hardandabrasionresistant.Providesappropriatesurface.Side.ABSplastichavingalowglasstransitiontemperature.Containmentandcosmetic.Bidirectionallayer.45fiberglass・Providestorsionalstiffness.Edge.Hardenedsteel.FacilitatesturningbyucuttingMintothesnow.FCore.Polyurethaneplastic.Actsasafiller.Unidirectionallayers・0(Hndsome90)fiberglass.Providelongitudinalstiffness.Coreicrap.Bidirectionallayeroffiberglass.Actsasatorsionboxandbondsouterlayerstocore.Top.ABSplastichavingalowglasstransitiontemperature.Usedforcontainmentandcosmeticpurposes・现代的滑雪板是一种比较复朵的复合材料。上而的示意图显示了高性能滑雪板的一个横截而，并标明了其中各种构成组元、每种组元的功能以及在构造中所使用的材料。为什么学习复合材料拥有关于各种类型复合材料的知识并理解行为和特性、和对含量、几何/分布、和组成相性能之间的依赖关系，能够设计出比金属合金、陶瓷和聚合物材料综合性能更好的材料。例如，在设计例题16.1屮，我们将讨论如何设计缠丝管轴使其满足特殊的刚度要求。学习目的认真学习本章后，能够完成卜.面内容：说出复合材料的三种主耍分类，并指出每一类的明显特征。指出大•颗粒增强、分散强化颗粒增强复合材料的强化机理的不同之处。基于纤维的长度和取向，说出三种类型的纤维增强复合材料的名称，并说明每一类的特殊力学特性C计算连续、取向纤维增强复合材料的纵向模量和轴向强度。5•计算不连续、取向纤维复合材料的轴向强度。指出聚合物慕复合材料中常用的三种增强纤维，并指出每种增强纤维的理想特性和局限性。指出金属基复合材料的理想特征。&说明制造陶瓷基复合材料的主要原因。9.说出，并简述结构复合材料的两个分类。16.1引言许多现代工艺技术要求材料具备不同寻常的综合特性，尤其是那些应用于航空航天、水下作业和运输的材料，这些综合特性是通常的金属合金、陶瓷和聚合物材料所不具备的。例如，飞机发动机越來越多的需求密度低、强、冈IJ、抗磨损、抗冲击、不容易腐蚀的结构材料，这是一种非常苛刻的综合特性，强的材料通常比较致密，而且提高强度和刚度导致冲击强度降低。材料的综合特性和程度一直是而仍将是复合材料发展的趋势。一般來说，复合材料可以是任何一种多相材料，只要这种材料以很大的比例表现出各组成相的特性，从而实现一种更好的特性组合。根据共同作用原理，将两种或多种不同的材料合理的组合可以得到更好的综合特性。许多合成材料也作了特性折中。已经讨论过的复合材料的类别包括：多相金属合金、多相陶瓷、和多札I聚合物。例如珠光体钢（9.18节）的微结构是a铁素体层和渗碳体层相间构成（图9.24）,铁素体相软而延展性好，渗碳体相硬1佃脆，珠光体的综合力学特性（相当高的延展性和强度）优于任何一种构成相的力学特性。自然界中也有一•些天然复合材料，例如木材山很强很柔韧的纤维素纤维支撑，山刚硬的木质素紧固在一起。又比如，骨头是一种复合材料，由强而软的蛋白质骨胶原和硬而脆的矿物磷灰石构成。在现代教科书中，复合材料是一种人造的多相材料，而不是自然形成或岀现的材料。此外，构成相必须由清晰的界面分隔而「L在化学上不具有相似性。这样以来，大多数金属性合金和许多陶瓷不满足这一定义，因为它们的多个相是作为白然现象的结果形成的。在设计复合材料时，科学家和工程师为了获得新一代杰出材料已经聪明的将各种金属、陶瓷和聚合物进行了组合。已经创造出的人多数复合材料是为了改善综合力学特性，如刚性、韧性室温和高温强度。许多复合材料仅由两个相构成。一个称为基体，是连续的，I仏口.包覆其它相。另一个称为分散相。复合材料的特性是构成相的特性、相对虽和分散相儿何的函数。在这个课木中“分散相儿何"指颗粒形状、人小、分布和取向。这些特性示于图16.1中。(a)(b) (c)(a)(b) (c)图16」对复合材料的特性产牛影响的分散相颗粒的各种儿何和空间特征示意图。（a）浓度；（b）尺寸大小；（c）形状；（d）分布;（e）取向。复合材料的一个简单分类图示于图16.2,主要包含三类：颗粒增强、纤维增强和结构复合材料。每一类至少存在两小类。颗粒增强复合材料的分散相是等轴的（即在所冇的方向上颗粒尺寸基本相同）。纤维增强复合材料的分散相具有纤维的儿何（即很人的长度■直径比）。结构复合材料是合成物和均匀材料的组合。本章以后的讨论将围绕分类图展开。Composites1Particle-reinforced1Fiber-reinforced11Struc1.tural1Large-1Dispersion-1Continuous1Discontinuous1Laminates1Sandwichparticlestrangthenod(aligned)(short)panelsAlignedRandomlyoriented图16.2各种复合类型的分类图颗粒增强复合材料如图16.2所示，大■颗粒和分散■强化复合材料是颗粒增强复合材料的两个小类。对这两个小类加以区分是基于增强或强化的机理。术语“大"用来指颗粒和基体ZI'可的和互作用不能在原子或分子水平处理，而是使用连续介质力学处理。大多数这种复合材料颗粒相比基体硬、冈0,这些增强颗粒趋于限制颗粒周I节I基体和的运动，实质上，基体将所受得力传递给颗粒，使颗粒承担一定比例的载荷。增强或改善力学行为的程度依赖于基体■颗粒界面的强键合。

分散■强化复合材料，颗粒通常要小的多，直径大约在0.01〜0.1pm（10〜100nm）乙间。导致强化的颗粒■基体相和互作用发生在原子或分子水平，强化的机理与11.9节讨论的弥散强化类似。然而，基体相承担主要比例的载荷，很小的分散颗粒阻碍或阻止位错的运动，因此限制了犁性变形，改善了屈服强度、拉伸强度和硕度。16.2大-颗粒复合材料某些加入了填充料的聚合物（见15.2节）实际上是人■颗粒复合材料。同样，填料调整或改善了材料的特性，而且或者用比较廉价的材料•填料取代了一定休积的聚合物。另一类熟知的大■颗粒复合材料是混凝土，由水泥（基体）、沙子和烁石（颗粒）构成，这将在下节讨论。颗粒可以貝-有一•系列的儿何，但是它们应该是在所有的方向上有大约和同的尺寸（等轴）。为了有效的增强，颗粒要小而且在整个基体内均匀分布。此外，两相的体积分数将影响行为。随着颗粒含量增加，力学特性增强。对一个两相复合材料，弹性模量与组成相的体积分数的依赖关系总结成了两个数学表达式。这些混合规则公式预言了弹性模量的范围。上限表达式为：EM=EmVni+EpVp （16」）EEEe（/）= 7—— （16.2）人Ep+匕几表达式中，E和V分别代表弹性模量和体积分数；而脚标c、m和p分别代表复合材料、基体相和颗粒相。图16.3是铜■餡复合材料的Ec随Vp变化曲线的上、下限。其中钙是颗粒相，实验数据点落在两曲线Z间。16.5节将对纤维■增强复合材料推导出与16」和16.2类似的公式。152040608CTungstenconcentration（vol%）(&92)mo%B_ajosn一「POW505-05050554-433222O152040608CTungstenconcentration（vol%）(&92)mo%B_ajosn一「POW505-05050554-433222OCN50IX100图16.3以铜为基体，钩为分散相颗粒的复合材料的弹性模量随磚的体积百分数的变化，根据公式17.1和17.2得到弹性模量的上、下限，图中也包括了实验数据点。大■颗粒复合材料可以使用全部三种类型的材料（金属、陶瓷、聚合物）。金属陶瓷是陶瓷■金属复合材料的例了。最曲见的金属陶瓷是硬质合金，它市极端硬的耐火

碳化物陶瓷颗粒，如碳化钙(WC)或碳化钛(TiC)镶嵌在金属，如钻或谋基体中构成。这种复合材料广泛的应用丁切割硬化钢的刀具。硬的碳化物颗粒提供切割面，但是极脆，它们H身不能承受切割力。将碳化物颗粒镶嵌到延性金属基体屮增强增韧，同时延性金属基体隔开了碳化物颗粒，防止了颗粒■颗粒裂纹扩展。基体相和颗粒相都十分耐火，能够承受切割极硬材料时产生的高温。任何单一材料都不可能提供金属陶瓷所具有的综合特:性。颗粒相所占的体积比例可以比较大，常常超过90vol%,因此复合材料的磨粒磨损作用达到极大。图16.4是一种WC-Co硕质合金的光学显微照片。图16.4WC-Co硬质合金的光学显微镜照片，浅色区域是钻基体，深色区域是碳化餌颗粒。放大倍数为00X高弹性和塑性材料常常通过各种颗粒材料增靈，没有颗粒材料如碳黑增强，许多现代橡胶的用途将受到严重限制。碳黑由很小的本性是球状碳颗粒组成，它们由天然气或石油在只有有限的空气源的气氛中燃烧生产。将碳黑加入到硫化橡胶中，这种极端廉价的材料增强了拉伸强度、韧性、抗撕裂和抗磨损性。汽车轮胎包含了15〜30vol%量级的碳黑。要提供极大的增强作用，碳黑的尺寸必须非常小,直径在20-50nmZ间，在整个橡胶基体中颗粒的分布必须均匀，而且颗粒与橡胶基体必须形成很强的粘着键合。使用其它材料(如硅石)的颗粒增强效率要低的多，因为橡胶分子和颗粒表面之间不存在这种特殊的相互作用。

图16.5是合成橡胶轮胎接地面'11球状碳黑增强颗粒的电子显微照片。哪种水滴状的区域是气泡•放大倍数80000Xo混凝土混凝土是一种普通的大•颗粒复合材料，这种复合材料中，基体和分散相均为陶瓷材料。由于术语“混凝土”和“水泥”有时被不适当的互换使用，或许区分这两者是比鮫合适的。在一般意义上,混凝土指包含颗粒聚合体的复合材料，这些颗粒与固体体材由某种类型的粘合介质——水泥附着在一起。两种最常见的混凝土是由波特兰水泥和沥青水泥制成的，其屮聚合体是烁石和沙子。沥青混凝土主要作为铺砌材料广泛使用，而波特兰水泥混凝土作为一种结构建筑材料广泛应用。这里只讨论后者。波特兰水泥混凝土波特兰水泥混凝土的成分是：波特兰水泥、细的集料（沙子）和粗的集料（烁石）、水。波特兰水泥的生产过程和凝固、换化的机理己经在13.6节进行了简单的讨论。聚合体颗粒作为填充材料降低了混凝土制品的整体价格，这是因为聚合体颗粒丿兼价，而水泥相对较贵。为了使混凝土混合物达到最佳强度和最佳施工性能，一定要以正确的比例加入各种成分。加入两种不同尺寸的颗粒，可以使得聚合体致密堆积，并具有好的界而接触，细沙颗粒填充烁石颗粒之间的空隙。一般情况下，聚合体占据总体积的60〜80%。水泥■水糊剂的量应该充分包覆所有的沙子和烁石颗粒，否则胶结连接将是不完全的。此外，需要将所有的组分充分混合，水泥和聚合体颗粒之间的完全连接伴随着适量的水的加入。水量太少导致不完全连接；水量太多导致过高空隙率。两种情况下最终强度都低于最佳值。聚合体颗粒的特性是一个重要的考虑，尤其是聚合体的尺寸分布将影响所需要的水泥■水糊剂的量。而且颗粒表面应该清洁，没有陶土和淤泥，因为陶土和淤泥阻碍在颗粒表面形成充分连接。波特兰水泥混凝土是一种主要的建筑材料，主要是因为它即使浸没在水中时也能够灌注到适当的位置，并且室温硬化。然而作为一种结构材料，它有一定的缺陷和局限性。与人多数陶瓷相同，波特兰水泥混凝土不太牢固，而且特别脆，它的拉伸强度比压缩强度小大约10到15倍，随着温度的涨落，大型的混凝土结构将经历町观的热膨胀和收缩。此外，水渗入外表的孔隙中，在寒冷的犬气屮，作为冻结•解冻循坏的结果，造成严重的断裂。大多数缺陷可以通过增强和/或者掺入填加剂而消除，至少可以得到改善。增强混凝土波特兰混凝土的强度可以通过另外增强而提高。通常将钢条、钢丝、钢筋（罗纹钢筋）和钢网包埋在新鲜的未处治的混凝土中实现增强。因此增强致使硬化的结构能够承受更大的拉仲、压缩和剪切应力。即使混凝土中有裂纹形成，也维持了显著的增强效果。钢作为合适的增强材料，因为它的热膨胀系数与混凝土儿乎相同，在水泥环境中，钢不会快速腐蚀，而且，在钢和凝固的混凝土之间形成一种比较强的粘着连接，这种粘着通过水泥掺入钢构件而得到增强，允许更大程度的机械联锁。增强波特兰水泥混凝土也町以通过在新鲜混凝土中混入高模量材料纤维（如玻璃、钢、尼龙和聚乙烯）实现。在使用这种类型增强时必须要小心，因为某些纤维材料裸露在水泥环境屮时会发生快速退化。其他强化混凝土的增强技术包括：在结构构件屮引入残余压应力。所合成的材料称为预应力混凝土。。这种方法利用了脆性陶瓷的一个特性■就是压缩比拉伸强度强。因此，耍弄断一个预应力混凝土构件，所加拉仲应力必须超过预压缩应力。在一•种预应力技术屮，高强度的钢丝放置在空的模子内，用很高的拉伸力拉伸钢丝，保持钢丝的拉伸量恒定不变，将混凝土到入模子内，任具硬化，然后释放拉伸力。当钢丝收缩时，钢丝将结构置于压缩状态。因为通过混凝土和钢丝Z间形成的连接，钢丝将应力传递给了混凝土。所使用的另一种技术是：混凝土硬化Z后施加应力，这称为后加应力。将金属板或橡胶管放入并穿过混凝土框架，周围灌入混凝土。水泥硬化后，在形成的孔中插入钢丝，通过结构表面的插孔与结构相连接，给钢丝施加拉伸力。同样这次由插孔在混凝土构件屮加上了压应力，最示管内空的地方由灰浆填充，避免钢丝腐蚀。预应力混凝土具有高的质量、低的收缩率和低的墻变率。预应力混凝土常常是预先生产好的，常用于高速公路和铁路桥梁中。16.3分散-强化复合材料金属和金属合金可以通过均匀分散一定体积的非常硬的惰性材料而强化和碘化。分散相可以是金属性的或非金属性的，也经常使川氧化物材料。强化机制和沉淀独化相同包括颗粒和基体内位错之间的相互作丿IJ。分散强化效应不如沉淀硬化效应显著，然而强化可以在高温保持，而且可以坚持比较长时间，这是因为所选择的分散颗粒对基体相不活泼。对沉淀硬化合金，经过热处理后，强度的提高可能消失，这是沉淀颗粒长大或沉淀相溶解的结果。添加大约3vol%的氧化社细分散颗粒可以使镰合金的高温强度极大提高。这种材料被认为是钊:土•分散（TD）鎳。在铝•氧化铝系统中产牛相同的效应。在极小的铝片（厚度为0.1〜0.2pm）表面形成一层很薄的很粘着的氧化铝涂层，将这种铝片在铝金属基体内分散，这种材料称为烧结的铝粉（SPA）。纤维-增强复合材料

在科技中，最重要的复合材料是分散相为纤维的复合材料。纤维•增强复合材料的设计目的常常包括基于重量基础上的高强度和/或高刚度，这些特性用术语比强度和比模量参数表征。它们分别对应于拉伸强度和比重的比值以及弹性模量和比重的比值。利川低密度纤维和低密度基休材料已经生产出了具有特别高的比强度和比模量的纤维■增强复合材料。如图16.2所示，纤维■增强复合材料根据纤维长度分类。对于短纤维，由于纤维太短因此对强度不产生显著的改善。16.4纤维长度的影响纤维■增强复合材料的力学特性不仅依赖于纤维的特性，而口依赖于基体相将所加载荷传递给纤维的程度。纤维和基体相界面的键合的大小对载荷传递的程度非常重耍。在施加应力状态下,纤维基体和之间的键合终止在纤维的末端，使得基体产牛图17.6所示的变形。换句话说，在每一个纤维的末端，基体不向纤维传递载荷。图16.6在拉伸载荷作用下纤维附近的基体的变形方式要有效的强化和刚化复合材料，纤维有一个临界长度。临界长度/.与纤维直径d和最终（拉伸）强度以及纤维•基体键合强度（或基体的剪切屈服强度，任何小的一个）5有关，表示为:(17.3)对某些玻璃和碳纤维■基体组合，临界长度在1mm量级，人约在纤维直径的20〜150倍范围。当具有临界长度的纤维上所加的应力等于。严时，应力分布如图16.7a所示，即纤维轴的屮心处，纤维载荷达到极人值。随着纤维长度1增长，纤维的增强效果越来越好。这一点示于图16.7b,当1>lc,所加应丿J等于纤维强度时，应力随轴向位置分布图。图16.7c是1<lc时，应力随轴向位置分布图。

(b)sQPositionslclc(b)sQPositionslclc图16.7当纤维■增强复合材料承受的拉伸应力等于纤维的拉伸强度。件时，应力•位迸分布图。（a）纤维长度/等于临界长度厂（b）纤维长度/人于临界长度；（c）纤维长度/小于临界长度。»le的纤维（通常/=15/r）称为连续纤维。不连续或短纤维的长度比这要短。对于长度显著小于/（.i勺不连续纤维，纤维周围的基体将发生这样一种变形即没有应力传递，此时纤维没有增强效应：这必然是上而所描述的特殊复合材料。要对复合材料的强度产生显著的改善，纤维必须是连续纤维。Longitudinal

direction•.Transversedirection Longitudinal

direction•.Transversedirection >(a)(c)11'llI11JI.I.II・Il|l|'ii|l|i'i|lIIIIII!|I'Ll

出h叫111.l'll>(b)图16.8纤维增强复合材料示意图，（a）纤维连续、取向排列；（b）纤维不连续、取向排列；（c）纤维不连续、无序排列16.5纤维浓度和取向的影响纤维的排列或取向（是相关的），纤维的浓度和分布对纤维•增强复合材料的强度和其它特性都有显著的彩响。例如，取向存在两个极端：（1）纤维的长轴沿同一个方向平行排列；（2）完全无序排列。连续纤维常常取向排列（如图16.8a）,而不连续纤维可能是取向排列（图16.8b）、无序排列（图16.8c）或部分取向排列。当纤维均匀分布时，可以实现更好的全血复合特性。连续和取向纤维复合材料拉伸应力•应变行为•轴向加载这类复合材料的力学响应与儿个因子有关，这些因子包括：纤维和基体相的应力■应变行为；各相的体积分数以及加应力或载荷的方向。纤维取向排列的复合材料的特性是高度各向异性，即特性与测量方向冇关。我们首先考虑应力沿取向排列方向•轴向丿施加时，复合材料的应力•应变行为。轴的方向如图16.8a所示。首先，假设纤维和基体相的应力■应变行为如图16.9a所示，在此处理中，我们认为纤维是完全脆性的，基体相具有适当的延展性。图屮也分别标出了纤维和基体相的拉伸断裂强度和卍，”，和断裂时的应变£*/和£*，”，而且假设£*/«>£*/（事实上也如此）o由这种纤维和基体材料构成的纤维增强复合材料将表现出图16.9b所示的单轴应力■应变响应。为了观察方便，图16.9b也包含了图16.9a所示的纤维和基体的应力■应变行为。在起始阶段I区，

纤维和基体均为弹性形变。正常情况下，这i部分的Illi线是线性的。典型情况下，这种复合材料，基体在即„屈服发生塑性形变（如图16.9b）,而纤维继续弹性伸长。这是因为纤维的拉伸强度比基休的屈服强度耍高的多。这一过程构成了笫II阶段，如图所示，此区通常非常接近线性，但是相对阶段I,斜率有所降低。此外，由第I阶段到第II阶段，纤维承受的载荷比例提高了。当纤维开始断裂时，复合材料失效开始启动，这对应于图16.9b中应变大约为£*/点。由于下面几个原因，复合材料失效不是灾难性的。首先并不是所冇的纤维同时断裂，因为脆性纤维材料的断裂强度总有各种差别（12.8节）。其次，即使纤维断裂后，基体仍然完整，因为凸＜£*加（图16.9a）。因此这些断裂的纤维比原來的长度短，仍然镶嵌在完整的基体内，因而当基体继续塑性变形时，能够承受减弱的载荷。- Strain- Strain（a） （b）图16.9（a）脆性纤维和延性基体的应力•应变曲线，图中标岀了两种材料断裂时的应力和应变；（b）取向增强复合材料的应力-应变曲线，单轴应力沿取向排列方向施加。图中也包含了（a）所示的纤维和慕体材料的应力-应变曲线。考虑取向排列的连续纤维的复合材料的弹性行为，载荷沿纤维排列方向施加。首先假设纤维・基体界而键合很好，因为基体和纤维的形变相同（等应变状态）。在此条件下，复合材料承受的总的载荷尺等于基体相承受的载荷F加和纤维相承受的载荷刃之和,即：F=F+Rcm/（16.4）由应力的定义，公式6.1,F=oA,用应力（o,o,可）和界面面积（A,A, A.）表cm] cmj示载荷巧丿化?和Ffi16.4式变为：*广—竝+°几 （16®公式的两边同时除以聚合物总的界而而祜，得到：氐=%詈+ （16・6）

其中，Am/Ac和％%分别是基体相和纤维相的而积比。如果复合材料、纤维相和基体相的长度相同，那么人皿等于基体相的体积分数几。同样，对于纤维相也有Vf=AfIACQ因此公式(16.6)(16.7)变为：(16.7)O=G74-O..K.cmm//前iBi的等应变状态假设意味看:将16.7式中的每一项除以各自的应变，得到：8=8=8将16.7式中的每一项除以各自的应变，得到：8=8=8cm,(16.8)(16.9)此外，如果复合材料、基体和纤维的形变均为弹性的，那么纹二空倪，£w=o/ew，Qp/%E分别是各相的弹性模量，将弹性模量代入16.9式，得到连城、曲矗纤维潺强姜合务料轴向弹性模量Ew表达式：E=EV+EV. (16.10a)clmm/J \ /或者(16.10b)当复合材料仅仅由基体相和纤维相构成，即几+忙1。因此等于纤维相和基体相的弹性模量的体积分数权重平均。其它特性包括密度也有上述对体积分数的依赖关系。公式16.10a类似颗粒■增强复合材料的上限公式16.1式。对于轴向载荷，可以证明，纤维和基体承受的载荷的比值为：Fc=EfVf此式的证明作为作业留给同学。例题17.1连续、取向排列玻璃纤维■增强复合材料含有40vol%的玻璃纤维和60vol%聚合酯，玻璃纤维的弹性模量为69GPa,聚合酯的弹性模量为3.4GPa。计算这种复合材料轴向弹性模量。2如果截而面积为250mm,轴向所加应力为50MPa,计算纤维和基体相所承受的载荷的大小。当施加(b)中所述的应力时，确定每个相所发生的应变。解：(a)利用公式16・10a，计算复合材料的弹性模量2厂(3.4GPq)(06)+(69GPa)(0A)=30GPa(b)耍解出此问题，首先利用公式16.11找到纤维承受载荷与基体承受载荷的比值，W：Ff二(69GPa)(0.4)=

石一(3・4GPa)(0・6)一-或者Fr=13.5Fw此外，复合材料承受的总的载荷Fc山所加的应力和复合材料总的横截而积Ac根据下而公式计算：F=A0=(250mm)(50MPa)=12,500N((用上血的结果替代前血式子中的号，得到：13.5尸+F=12,500Nmm或者F=860Nm而Ff=Fc-化=12,500N-860N=11,640N由此可见，纤维相承受了主要的外加载荷。(c)首先计算纤维和基体相的应力，然后利卅两相的弹性模量确定应变值。计算应力，需要各相的横截面积:22Am=y=(0.6)(250mm)=150mm和22Af= =(0.4)(250mm)=100mm因此，Fm 860N(ym=-—= 7=5.73MPa"Am150mm2Ff11640NOf———77^： 7=116.4MParAf100mm2最后，计算应变。应变为：(jm 5.73MPa q=-=o.a2___=1.69x103mEm3.4x103MPaOf 116.4MPa QSf=_= =169x103/Ef69x103MPa所以，基体相和纤维相的应变相同。根据公式16.8两个相的应变应该相同。弹性行为——横向加载一个连续、取向排列纤维复合材料可以横向加载，即加载方向与纤维排列方向成90。，如图16.8a所示。在这种情况卜复合材料以及两个组成相的应力。相同，即：=°f=b (16」2)这称为等应力状态。同样复合材料总的应变或形变为:(16.13)但是，由于£=q/E，因此：—=—"I Vr （16」4）EctEm(16.13)但是，由于£=q/E，因此：—=—"I Vr （16」4）EctEmmEfJ其中，Ect是横向弹性模量，等式两边同时除以6得到：2_=空+冬EctEm Ef从而冇:VmEf+VfEm(16」5)(16.16)公式16.16类似于颗粒复合材料屮下界限的表达式16.2。例题16.2假设加力方向垂直纤维排列方向，计算例题16」小所述的复合材料的弹性模量。解：根据公式16.16,(0.6)(69GPa)+(0.4)(3.4GPa)=5.5GPaE“的值比革体相的值稍大。但是由例题16.1a的结果nJ知，横向弹性模量大约仅仅是纤维排列方向的1/5,这说明了连续、取向纤维增强复合材料的各向界性程度。轴向拉伸强度考虑连续、収向纤维•增强复合材料（轴向加载）的强度特性。在此情形下，强度通常是应力■应变曲线上最大应力（图16.9b）o这一点经常对应于纤维断裂，而且标志看复合材料失效的起始点。表16」列出了三种普通纤维复合材料的轴向拉仲强度值。这种类型复合材料的火效是一个相对复杂的过程，而且几种不同的失效模式都启可能。对一种具体的复合材料起用那种模式由纤维和基体的特性以及纤维■基体界面键合的本质和强度决定。如果我们假设£*/<£%图16.9a（这是通常的情形）,那么纤维先于基体失效。一旦纤维断裂后，纤维承受的绝人部分载荷将传递给基体，如果这种情形属实，可以将这种类型复合材料的应力表达式公式16.7改编成下而的复合材料轴向强度表达式，oci*%*=5（1一匕）+。*必 （1617）这里，从是纤维断裂时基体中的应力（如图16.9a所示）；同样巧是纤维拉伸强度。横向拉伸强度连续、单轴取向纤维复合材料是高度各向界性的，这类复合材料通常设计成沿高强度的轴向加载。然而，在服役应用过程中，也存在横向拉伸载荷。在这种時况下，因为横向强度通常极低——冇时低于基体的拉仲强度，冇可能导致过早失效。因此实际上，纤维的增强效应是负的。表16」包含了三种典型的未取向复合材料的横向拉伸强度。表16.1三种单取向纤维•增强复合材料的轴向和横向拉伸强度，每种材料中纤维的含量大约为50vol%材料轴向拉伸强度（MPa）横向拉伸强度（MPa）玻璃■聚合酯70020碳（高模量）■坏氧树脂100035Kevlar•■环氧树脂120020尽管轴向强度主要由纤维强度决定，横向强度将受到一系列因了的显著影响。这些因了包插：纤维和基体的特性、纤维■基体键合强度和孔洞的存在用来改善这类复合材料的横向强度的方法通常涉及改善基体的特性。不连续、取向纤维增强复合材料尽管不连续纤维的增强效率不如连续纤维的效率高，不连续、取向纤维复合材料（图16.8b）在商业市场上的重要性正在逐渐增加。切断的玻璃纤维的应用最广泛。然而也使用碳和芳族聚酰胺不连续纤维。冃前可以生产出弹性模量和拉伸强度分别达到连续纤维对应物的90%和50%的短纤维复合材料。一个具有均匀的纤维分布的不连续、取向排列的纤维复合材料，而且/>人，轴向强度Led由下面关系式给出：/*Cd=切（1-今）+/*f今（1-等） （16」8）其中和几分别代表纤维的断裂强度和复合材料失效时基体中的应力。如果纤维长度小于临界/</c,那么轴向强度Ocd*由下式给出:。*cd"=刃血（1 （16.19）其屮，d是纤维肓径；j是纤维■基体键合强度和基体剪切屈服强度两者屮小的一个值。不连续和随机取向纤维复合材料正常情况下，当纤维随机取向时，使用短的不连续纤维。这种类型的增强示于图17.8co在这种情况下，可以使用类似于式16.10a的弹性模量的“混合规则”表达式：(16.20)Ec厂广(16.20)在此表达式中，K是纤维效率参数，K依赖于勺和弓丿£加比值。当然K的值小于1,通常在0.1至U0.6范围内。因此对随机纤维增强（与取向纤维比较）模量增加与纤维的体积分数成某种比例。表16.2给出了某些不连续和随机分布纤维未强化和强化的聚碳酸酯的力学特性。为可能达到的增强虽级提供了•个概念。表16.2山随机取向玻璃纤维强化和未强化的聚碳酸酯的特性特性未强化纤维增强（vol%）203040比重1.19-1.221.351.431.52拉伸强度[MPa]59-62110131159弹性模量[GPa]2.24-2.3455.938.6211.6伸长率（％）90-1154-63-53-5冲击强度12-162.02.02.5切口埃左冲击实验（Ibf/in.）作为总结，可以看到，取向纤维复合材料是固有的各向异性，其中，沿排列方向（轴向）强化效应和强度达到最大。在横向实质上不存在强化，断裂常常发生在较低的应力下。在其他方向，复合材料的强度处于两个极端之间。儿种情形下纤维强化效率列在表16.3中，表中沿取向纤维复合材料的排列方向，强化效率为1,垂直方向效率为0。表16.3几种纤维取向和各种加力方向时纤维■增强复合材料的增强效率纤维取向应力方向增强效率所有纤维平行平行纤维方向1垂直纤维方向0在一个特殊平而上纤维随纤维平而内任意方向3/8机、均匀分布纤维在三维空间随机.均任意方向1/5匀分布当在一个平而内施加多方向应力时，通常使用将不同方向的取向排列层，层层相摞压在一起，这称为层状复合材料。这将在16.14节讨论。涉及的全部是多方向加力的应用通常使川不连续纤维。不连续纤维在基体材料中随机取向。表16.3表明了强化效率仅仅是取向复合材料轴向的1/5o然而，力学特性是各向同性的。一种具体的复合材料对纤维长度和取向的考虑依赖于所加应力的本质和水平以及住产成本。短纤维复合材料（无论是取向还是随机取向）牛产速度高，可以形成连续纤维强化不能形成的复杂形状。此外，生产成木远远低于连续、取向复合材料的成木。在短纤维复合材料屮使用的生产技术包括：压缩、灌浆和挤压成型。这些技术的描述见15.22节未强化聚合物中的描述。16.6纤维相大多数材料尤其是脆性材料的一个主要特性是总径很小的纤维比大块材料更强。正如12.8节所讨论的，能够导致断裂的临界表面缺陷（裂纹）存在的几率随样品体积的减小而降低，在纤维・增强复合材料中有利的使用了这一特点。而R，用于增强纤维的材料有高的拉伸强度。基于宜径和特点，纤维分为三类：晶须，纤维和丝。晶须是非常薄的单晶体，具有极人的长度/点径比。山于尺寸小，晶须具有高度晶体完整性，而且实质上无缺陷，这一点说明了品须为什么具有界常高的强度。品须是目前已知的最强的材料。除了高强度之外，作为增强介质，品须的应用不广泛，因为它们特别昂贵。另外，将晶须掺入到基体屮很难，而且常常是不切实际的。晶须材料包括：石墨、碳化硅、氮化硅和氧化铝。表16.4给出了这些材料的某些力学特性。分类为纤维的材料可以是多晶或非晶，肓径小。纤维类材料通常或者是聚合物或者是陶瓷（例如，聚合物芳族聚酰胺纤维、玻璃、碳、硼、氧化铝和碳化硅)。表16.4也给出了少数材料以纤维的方式使用时的某些数据。细丝具有较人玄径，典型材料包括：钢、钳和钙。丝作为径向钢增强使用在汽车轮胎、缠丝火箭壳体和绕丝高压水龙带屮。16.7基体相纤维复合材料的基体相可以是金属、聚合物或陶瓷。通常，用金属和聚合物作为基体材料，基体材料具有一定程度的延性是非常理想的。陶瓷基体复合材料(见16.10节)可以填加补强组元改善断裂韧性。这一节主耍讨论聚合物和金属基体。表16.4儿种纤维■增强材料的特性材料比重拉伸强度[GPa]比强度(GPa)弹性模量[GPa]比模量(GPa)石墨2.2晶须209.1700318氮化硅3.25-71.56-2.2350-380109-118氧化铝4.010-202.5-5375碳化硅3.2206.25480150氧化铝3.95纤维1.380.3537996芳纶纤维(Kevlar49)1.443.6-4.12.5-2.8513191碳a1.78-2.151.5-4.80.70-2.70228-724106-407E■玻璃2.583.451.3472.52&1硼2.573.61.4010.5400156碳化硅3.03.91.30400133UHMWPE(光谱900)0.972.62.68117121高■强度钢7.9金属丝2.390.3021026.6232431.819.32.890.1540721.1纤维■增强复合材料，基体相具有以下几个功能：第一，基体将纤维胶合在一起，作为介质将外加应力传递给并分布在纤维上，基体相只承受很小比例的外加载荷。基体材料应该具有延展性，而且纤维的弹性模量应该远远人于基体的弹性模量；第二，基体保护单个纤维，避免机械磨耗和与周围环境发牛•化学反应造成的表面损伤。这种相互作用可能引入能够形成裂纹的表面缺陷，而裂纹可以导致材料在很低的拉伸应力水平失效；最后，基体和将纤维分隔开。山于基体相软而塑，因此可以阻止脆性裂纹由一个纤维扩展到另一个纤维，这种裂纹扩展能够导致突然失效。换句话说，基体相成为裂纹传播的障碍。即使单个纤维失效，总的复合材料也不发牛断裂，除非人量的已经断裂的相邻纤维形成具有临界尺寸的团。为了减小纤维拉拔，必须增强纤维和棊体Z间的粘着键合。事实上，键合强度是选择棊体——纤维组合时的一个重要考虑。复合材料的最终强度在很大程度上依赖于这一•键合的大小。为了将应力最大程度的从弱的基体传递给强的纤维，充分键合是必要的。16.8聚合物基复合材料聚合物■基体复合材料（PMCs）由作为基体的聚合物树脂'和作为增强介质的纤维构成。由于室温特性好，容易加工，价格低，这种材料在复合材料的应川屮种类最多，用量最大。这一节根据增强类型（即玻璃、碳和芳族聚酰胺纤维）讨论PMCs的各种分类，应用和使用的聚合物树脂种类。'课文中使用的术语树脂表示高分子量增强塑料。玻璃-纤维增强聚合物（GFRP）复合材料纤维玻璃是一种仅仅由玻璃纤维，连续或不连续，和包容纤维的聚合物基体构成的复合材料。此类复合材料可以大批量牛产。表13」含有常川來拉成纤维的玻璃（有时被称为E・玻璃）的成分。纤维直径通常在3〜20pm范围内。玻璃作为纤维增强材料很普遍，因为：在熔化状态下很容易拉成高强度纤维。速效而目.使用多种复合材料■生产技术可以经济的加工成玻璃■增强鴉料。作为纤维很强，恢入塑料基体内时，生产出的复合材料具有很鬲的比强度。当与各种塑料结合时，纤维具有化学不活泼性，这使得复合材料对以在多种腐蚀坏境中使用。玻璃纤维的表面特性非常重要。因为即使很小的表面缺陷也可以破坏拉伸强度（见12.8节）。用另一种硬材料摩擦或磨损表面很容易引入表面缺陷，而且即使暴露在正常的大气中很短的时间,玻璃的表而也会产生一个弱化层，这一弱化层将影响纤维与基体的键合。新拉伸的纤维，在拉伸的同时表面涂胶,胶是一层很薄的物质,保护纤维的表面免受破坏以及与周围不理想的环境发生相互作川。在复合材料生产Z前取掉胶，用偶联剂或抛光取而带Z,促进纤维和基体Z间更好的键合。这组材料存在几个局限性。尽管有高的强度，但是不够刚，没有表现出菜些应用所需要的坚硬（如飞机构件或桥梁的结构构件）。大多数纤维玻璃的服役温度限制在200°C以下，温度再高时，多数聚合物开始流变或打劣化。使川高纯度的熔融硅石纤维和高温聚合物如聚酰亚胺树脂可以将服役温度提高到大约300°C。纤维玻璃的许多应用是我们熟悉的：汽车外壳、船体、鴉料管、储藏容器和工业地板。在努力降低汽年的重量，提高燃烧效率中，运输丄业越来越多的使用玻璃纤维■增强塑料。冃前汽不丄业正在使用和研制一系列新的应用。碳纤维-增强聚合物（CFRP）复合材料碳是一种高性能纤维材料，是先进（非纤维玻璃）聚合物■基体复合材料中最常用的增强剂。原因如下：在所有的增强纤维材料屮，碳纤维具有最高的比模量和比强度。在高温下，碳纤维保持高拉伸模量和高强度。但是高温氧化性可能是个问题。室温时，碳纤维不受湿气和多种溶剂、酸、碱的影响，纤维表现出多种多样的物理和力学特性，使得与纤维结合的复合材料具有特殊的工程特性。已经发展了不太昂贵和费用有效的纤维和复合材料生产过程。术语碳纤维的使用似乎很困惑，正如12.4节所指出的，碳是一种元素，在大气条件下晶体碳的稳定形态是石墨，石墨的结构如图12」7所示。碳纤维不是完全晶体，而是市石墨和非晶区共同组成，非品区域是具有石墨特征的六角碳网（图12.17）缺乏三维有序的排列（三维无序排列）。碳纤维的生产技术比较复杂，这里将不讨论。然而使用的三种不同的有机母体材料是粘胶、聚丙烯腊（PAN）、沥青。加工技术随着使用的母体不同而不同，合成的纤维的特性也将不同。一种分类方法是根据拉伸模量将碳纤维分成四类：标准、适中、髙和超高模量。纤维直径通常在4〜lOym之间，纤维可以是连续的，也可以是短切形式。此外，碳纤维通常用保护性的环氧涂胶进行涂层。涂层改善了纤维与聚合物阜体的粘着性。碳■增强聚合物复合材料目前广泛的应用在运动和娱乐器械（钓鱼杆、高尔夫球棒）、缠丝火箭马达箱体、压力仓、飞机结构构件——无论是军用飞机还是商业飞机、固定翼飞机和直升飞机（例如，作为机翼、机体、减摇装置和方向舵构件）。芳纶纤维•增强聚合物复合材料芳纶纤维是20世纪70年代早期引进的一•种高强度、高模量材料。它们高于金属的优界的强度■重量比是特别理想的。化学上这类材料被称为聚对苯撑（polyparaphenyleneterephthalamide）对瞅酰胺。芳族聚酰胺纤维有儿种，其屮两种最常见材料的商业名称是：Kevlar和Nomex。前者分儿个等级（viz.Kevlar29,49,149）,具有不同的力学行为。在合成过程中,象液晶畴（15.19节）一样，坚硬分子沿纤维轴方向排列。基体化学和链排列模式如图16.10所示。力学上，这类纤维的轴向拉伸强度和拉伸模量（表16.4）比其它聚合物纤维材料高。然而在压缩中比较弱。此外，这种材料因其韧性、抗冲击能力、抗蠕变和抗疲劳失效而闻名。尽管芳族聚酰胺是热塑塑料，然而它们抗燃烧，在比较高温度保持稳定。它们保持高力学特性的温度范围为-200-200°C。化学上它们容易受到强酸和强碱的破坏。但是在具它溶剂和化合物中不活泼。Repeatunit图16.10Repeatunit图16.10芳纶纤维基体和链结构示意图。分了链沿着纤维方向取向，图中还示意了相邻链Z间形成的氢键。v Fiberdirection a芳族聚酰胺纤维最常用于具冇聚合物慕体的复合材料中。常川的棊体材料是环氧和聚合酯。由于纤维比较柔韧，冇微屋延展性，因此可以通过许多常用的纺织操作加工。芳族聚酰胺复合材料的典型应用是弹道制品、防弹背心、运动工具、轮胎、绳子、导弹箱体、压力仓以及汽车车闸、离合器衬垫、密封垫中石棉的替代品。表16.5包含了连续和取向玻璃、碳和芳族聚酰胺纤维增强环氧复合材料的特性，可以对这三种材料的轴向和横向力学特性进行比较。表16.5连续和和取向玻璃、碳和芳族聚酰胺纤维增强环氧基复合材料的轴向和横向特性，对所有的情况纤维的体积分数是0.60特性玻璃(E-glass)碳高强度芳族聚酰胺(Kevlar49)比重拉伸模量轴向[GPa]4514576横向[GPa]12105.5拉伸强度轴向[MPa]102012401380横向[MPa]404130最大拉伸应变轴向横向其它纤维增强材料玻璃、碳和芳族聚酰胺是与聚合物相结合的最常见的纤维增强材料。具它使用程度比较低的纤维材料是硼、碳化硅和氧化铝。表16.4含有这类材料纤维状态时的拉伸模量、拉伸强度、比强度和比模屋。硼纤维■增强聚合物复合材料已经用于军用飞机构件，直升飞机马达叶片，某些运动工具中。碳化硅和氧化铝用于网球球拍、线路板和火箭鼻锥体。聚合物基体材料16.7节对聚合物基体所具有的作用进行了概要总结。此外，基体经常决定最高服役温度，因为正常情况卜一，与纤维增强休相比，基休在更低温度软化、熔化或降解。应用最广泛、价格最便宜的聚合物树脂是聚合酯和乙烯基酯1这两种慕体材料主要用在玻璃纤维■增强复合材料中。人最的树脂配方为这类聚合物提供了宽泛围的特性。环氧类要贵的多，除了商业应用之外，也广泛用于航空航天应用的PMCs中。环氧类与聚合酯和乙烯基酯和比有更好的力学特性和抗潮湿能力。在高温应用中使用聚酰亚胺树脂，连续使用的温度上限为230°C(450°F)o最后将要说的是，高温热塑树脂为将来的航空航天应用提供了潜在的可能。这类热塑树脂材料包括：polyetheretherketone(PEEK),polyphenylenesulfide(PPS),polyetherimide(PEI)。17.9金属基复合材料正如名字所指，金属■基体复合材料(MMCs),基体是延展性的金属。这类材料与基体金属对偶件相比，可以使用在更高的服役温度。而且，增强可以改善比刚度、比强度、抗磨耗、抗蠕变能力、热导率和尺寸稳定性。与聚合物复合材料和比，这类材料的优点有：更高的运行温度、不可燃性和巨大的抗有机流体裂解的能力。金属■基体复合材料比PMCs要贵的多，因此在一定程度上，它们的应用受到了限制。超合金以及铝合金、镁、钛和铜也被用做基体材料。增强剂可以是颗粒状的，也可以是连续和不连续纤维和品须，浓度范围通常在10-60vol%之间。连续纤维材料包括：碳、碳化硅、硼、氧化铝和耐火金属。另一方面，不连续增强剂主要包括：碳化硅晶须、切断的氧化铝和碳纤维、碳化硅和氧化铝颗粒。在某种意义上，金属陶瓷（见16.2节）也属于MMC一类。表16.6列出了几种常见连续和取向纤维•增强金属•基体复合材料的特性。表16.6儿种连续和取向纤维•增强金屈■基体复合材料的特性纤维基体纤维含蜃（vol%）密度(g/cm3)轴向拉伸模量（GPa）轴向拉伸强度（MPa）碳硼6061AI412.443206206061A148—2071515碳化硅6061A1502.932301480氧化铝380.0A124—120340碳AZ31Mg381.83300510硅硼Ti453.682201270某些基体■增强体组合在高温卜•高度活泼，因此高温加工或者肓温服役将MMC置于高温可能导致复合材料降解。解决这一问题通常是对增强体涂敷保护性表面涂层或者改善基体合金组分。通常，MMCs过程涉及至少两步：固结或合成（在基体中引入增强剂），随后是成型操作。可以使用一系列的固结技术，某些技术相当复杂。不连续纤维MMCs可以川金属的标准成型操作成型（例如锻造、挤压、扎制）。最近-些汽车生产厂家已经引进由氧化铝和碳纤维增强的铝.合金基体构成的发动机部件。这种MMCs重量轻，抗磨损，抗热扭曲。先进铝合金金属■基体复合材料已经用于航空航天结构应用屮。硼纤维作为增强剂用于宇宙飞船轨道器；连续碳纤维用于哈勃（Hubble）望远镜.一些超合金（Ni和Co基合金）,高温蠕变和断裂特性可以通过使用耐火金属（如钩）纤维增强剂得到增强，同时保持了优秀的高温抗氧化性和高冲击强度。使用这类材料设计的涡轮发动机可以允许更高的运行温度和更好的效率。16.10陶瓷基复合材料正如12和13章指出的，陶瓷材料在高温下天生抗氧化和抗破坏。如果不是因为容易脆性断裂，它们将是高温和严峻应力•应变中使用的理想侯选材料，特别是汽车和飞机的气体涡轮发动机部件。陶瓷材料断裂韧性的值比较低，一般在1〜5MPaV五Z间，见表&1和附录B.5。作为对比,大多数金属的K/c值要高的多（从15到大于150MPMG。新一•带陶瓷•基体复合材料（CMCs）的发展显著的改善了陶瓷的断裂韧性。陶瓷基体复合材料是将一种陶瓷材料颗粒、纤维或晶须镶恢到另一种陶瓷材料基体中。陶瓷基体复合材料具有大范围的断裂韧性，断裂韧性的值大约在6〜20MPaVmZ间。从本质上，断裂韧性的改善是前进的裂纹与分散相的颗粒Z间发牛相互作用造成的。裂纹通常起始于基体相，而裂纹扩展被颗粒、纤维或晶须阻止或阻碍。下面将讨论阻止裂纹扩展使川的几种技术。-•种很有意义而「L很有前途的增韧技术是使用和变制动裂纹扩展，这被贴切的称为相变增韧。部分稳定氧化铠小颗粒（见12.7节）分散在基体材料内，基体材料经常是AbO3和ZrO2自身。典型情况是CaO,MgO,Y2O3和CcO作为稳定剂，部分稳定使得亚稳四方相而不是稳定单斜相保留到

大气条件。图13.25ZrO2-ZrCaOs相图中标出了这两个相。扩展裂纹前端的应力场造成亚稳残留四方相颗粒发生相变形成稳定单斜相，伴随相变的是颗粒体积的微小增大，结果是裂纹尖端附近裂纹表面建立了压应力状态，压应力趋向于将裂纹收紧，从而制动了裂纹生长。这一过程示于图16.11oMonoclinicZrO2particlesparticles particlesMonoclinicZrO2particlesparticles particles图16.11相变增韧示意图；（a）诱导ZrO2颗粒相变前的裂纹；（b）血力诱导相变造成的裂纹制动其它最新发展的增韧技术涉及到陶瓷晶须的使用，所使用的晶须通常是SiC或Si3N4晶须。晶须可以阻止裂纹扩展，通过（1）使裂纹尖端偏转；（2）搭桥连通裂纹表面；（3）在拉拔过程中晶须从基体中剥离出來时吸收能量；（4）在裂纹尖端附近区域造成应力重新分布。-•般情况下，增加纤维含量，强度和断裂韧性提高，见表16.7SiC晶须增强氧化铝的结果。与未增强对应件相比，晶须增强陶瓷的断裂强度分散性显著减小。此外，CMCs表现岀改善的高温蠕变行为和抗热震性（即温度突变造成失效）。表16.7室温下，SiC品须含量不同时，AI2O3材料的断裂强度和断裂韧性晶须含量（vol%}断裂强度（MPa）断裂韧性（MPay/m）04.510455±557.120655±1357.59.040850±1306.0陶瓷■基体复合材料可以使用热压、热等静压和液相烧结技术生产。在应用方面，SiC晶须■增强氧化铝用作刀具插入切削加工硬金属合金，这类材料的工具的使用寿命远远大于硬质合金（16.2节）O16.11碳■碳复合材料最先进最冇前途的工程材料z—是碳纤维增强碳呈体复合材料，常称为碳•碳复合材料。止如名字所指，增强剂和基体均为碳。这种材料相当新，也很昂贵，因此冃前应用并不广泛。这种材料的理想特性是：保持高拉伸模量和高拉伸强度的温度超过2000°C,抗蠕变，较大断裂韧性值。而目•，碳•碳复合材料有低的热膨胀系数，较高的热导率。这些特点与高强度结合引起对热震有较低的敏感性。主要缺陷是高温氧化倾向。碳■碳复合材料用于火箭发动机，在飞机和高性能汽车中用作摩擦材料，用作热压模具，用于先进涡伦发动机构件屮，以及在返冋式运载器屮用作烧蚀保护层。这类复合材料昂贵的主要原因是需要使用比较复杂的加工技术。初步扭施与碳纤维聚介物复合材料中使用的和似，即连续碳纤维放置成理想的二维或三维模式，随后这些纤维浸渍在液体聚合物树脂（常常是酚醛）中，然后工件成型为最终形状，讣树脂熟化。此时基体树脂热解，也就是说在惰性气体中加热树脂转变成碳。在热解过程屮，由氧、氢和氮组成的分了组分被驱赶走，只附下人的碳链分子，随后在更高温度热处理，引起碳基体致密，强度增加。生成的复合材料由热解后的碳基体和包含在基体中的原来的碳纤维（本质保持不变）构成。16.12杂化（混合，混杂）复合材料一种比较新的纤维增强复合材料是杂化复合材料。在单一基体内使用两种或两种以上不同种类的纤维得到的复合材料。杂化复合材料比只含一-种类型纤维的复合材料有更好的全面特性组合。可以使用多种纤维组合和多种革体材料，但是最常见的体系是碳和玻璃纤维少聚合树脂组合。碳纤维强而刚，提供低密度增强，然而价格贵。玻璃纤维便宜，缺乏碳的刚性。玻璃■碳杂化复合材料更强，更韧，具有更高抗冲击能力，生产成木比完全碳或者完全玻璃增强槊•料的生产成木都要低。将两种不同类型的纤维进行组合的方法有儿种，这些纽合方法最终将影响整体特性。例如可以使全体纤维取向排列，而且相互之间密切混合。或者，纤维一层一•层构成分层结构，每一层是i种类型的纤维，不同类型的纤维层相问放置。事实上，在有杂化复合材料的特性都是各向界性的。对杂化复合材料施加拉伸应力时，失效通常不是灾难性的（即不是突然发生）。最先失效的是碳纤维，此时碳纤维载荷转移给玻璃纤维，随着玻璃纤维失效，基体相必须承担全部外加载荷，最终随着基体相失效，复合材料同时失效。杂化复合材料的主要应用是轻质连接盘、水力和风力运输、运动工具、和轻质整形部件。16.13纤维增强复合材料加工要生产满足设计要求的连续纤维增强塑料，纤维应该在塑料基体内均匀分布，而且在绝大多数情况下，所有纤维沿同一个方向収向。这一节将讨论新发展的生产技术（pultrusion,长纤维卷绕法、预浸渍生产过程）。拉挤成型拉挤成型用來牛产长度连续，截面固定的构件（如棒，管子，束等）。如图16.12所示，在此技术中，连续纤维粗纱或丝束“首先浸渍在热固树脂中。然麻拉过一个钢模，预成型预期形状，而粗纱或丝束是疏松的，未绞合的一束连续纤维，作为平行单丝一起拉出。且确定了树脂/纤维比值。接着为了使原料具有最终形状，让原料穿过一个经过精加工的熟化模具，在此过程中加热模具,起动树脂基体熟化。牵引装置将原料拉过模具，并决定了生产速度。使川中心芯棒或插入屮空心了就能够生产管了和屮空部件。主要的增强剂是玻璃纤维、碳纤维和芳族聚酰胺纤维，添加浓度通常在40〜70vol%Z间。常用的基体材料有：聚合酯、乙烯基酯、和环氧树脂。ResinimpregnariontankResinimpregnariontank图16.12拉挤成型生产过程示意图Pultrusion是非常容易实现自动化的连续过程。生产速度高使得成木非常冇效，而可以生产许多种形状，对生产出的材料的长度没有限制。预浸渍生产过程预浸渍是合成工业的一个术语，是连续纤维增强剂预浸渍到只冇部分熟化的聚合树脂中。材料以带状形式交付给制造商，然后制造商肓接成型，不需要添加任何树脂，完全熟化产品。这可能是结构应用中最广泛使用的复合材料形式。图16.13是热固聚合物的预浸渍过程示意图。最初，将一组连续纤维丝束线轴准总，然后将丝束作成三名治结构，并使用加热的滚扎冲压粘性处理纸和载体纸Z间的丝束，这一过程称为“碾光”。粘性处理纸涂冇一层冇较低粘稠度的热的树脂肥液薄膜，保证纤维充分浸渍。一个刮浆刀将树脂刮成厚度和宽度均匀的薄膜。最终预浸渍制品——由部分熟化的树脂和镶嵌在树脂屮的连续和取向排列纤维组成的薄带——绕到一个硕纸板芯上制成一个包装。如图16.13所示，当浸渍的带缠绕到线轴上后，将粘性处理纸拿走。典型的带的厚度范围为0.08〜0.25mm之间，带宽在25〜1525mmZ间，树脂含量通常在35〜45vol%Z间。图16.13使川热固聚合物牛产预浸渍带的说明示意图图16.13使川热固聚合物牛产预浸渍带的说明示意图热固基体在室温发生熟化反应。因此预浸渍料坯在0°C或零度以下贮存，而且室温使用的吋间必须尽可能短。如果操作适当，热固预浸渍料坯的寿命至少为6个月，通常更长。无论热册还是热固树脂都可以使用。常用的增强剂有碳纤维、玻璃纤维和芳族聚酰胺纤维。实际生产由铺放开始——将预浸渍的带放在加工过的表面，通常铺放儿层（取掉载体纸Z后）,以获得期望的厚度。铺放时排列可以是单方向的，但通常变化纤维取向生产出斜纹或夹角层压板，最终熟化由同时加热加压完成。铺放可以完全是手工操作，这时操作者既要将带了切成一定长度，又要将带了沿期望的方向放在加工过的表面。另一•种方法是，带子式样由机器切割，手工铺放。通过预浸溃、铺放和其它生产步骤（例如，下面将要讨论的绕丝）的自动化，生产成本可以进一步降低，这实质上消除了手工劳动的必耍性，口动化方法对复合材料的许多应用成本有效是必要的。缠丝是将连续的增强纤维按照预定的样式准确放置成中空（通常是圆柱）形状。无论是单根纤维还是一束纤维，首先穿过装有-树脂的缸，然后连续的绕到线轴上，通常使用白动缠丝机器（图16.⑷。绕了适当层数的纤维后，在炉子或室温进行熟化，熟化后将线轴取岀。另一种方法是，薄而窄，宽度在10mm以下的预浸渍原料（即预浸渍丝束）可以缠丝。图16.14薄而窄，宽度在10mm以下的预浸渍原料（即预浸渍丝束）可以缠丝。图16.14螺旋、环状和极线缠丝技术示意图。Circumferentialwinding儿种缠丝方式都能够给出理想的力学特性。缠丝部件具有很高的强度•重量比。这些技术可以提供对缠丝均匀性和取向的高度控制。此外实现H动化时，这一过程是最具经济吸引力的。普通的缠丝结构包含火箭发动机体、贮存槽、管子和压力仓。

现在生产技术已经用于生产各种结构形状，并不仅仅限制于回转而（例如工字型）。这一技术由于耗费有效，发展很快。设计例题一个管状缠丝复合材料轴，外直径为70mm,内直径为50.8mm,长为1.22m。最重要的力学特性是用轴向弹性模量表示的弯Illi刚性。在使用丝复合材料的应用中，强度和抗疲劳性是不太重要的参数。刚性特指弯Illi时最人允许的挠度（偏转）。如图12.29所示，进行三点弯llh实验（支撑点在管子的两端，载荷加在轴向的中点），所加载荷为890N,屮点位置产生的弹性挠度不人于0.330mmo使用类似图16.14所示的环状方式缠丝，纤维的倾伏角用角度8表示，见图16.15o为了使轴向刚性极大，3应该比较小。这种特殊设计要求洁15。，可能的纤维材料为：玻璃、标准碳、适中碳和高模量碳；基体材料为环氧树脂，授大口J允许的纤维体积分数是0.60o设计问题要求：（a）确定四种纤维材料中，那-•种镶嵌在环氧基体中吋，满足规定的标准？（b）在四种可能性中，那种纤维材料生产出的缠丝复合材料成本最低（假设所有纤维的生产成木相同）？表16.8是玻璃和各种碳纤维以及环氧树脂的弹性模量、密度、成木数据。表16.8纤维和基体材料的弹性模量、密度、成本数据50 70mmmm50 70mmmm材料弹性模量密度成本(GPa)(g/cm3)($/Kg)玻璃纤维72.52.582.50碳纤维（标准模量）2301.8035.00碳纤维（中间模量）2851.8070.00碳纤维（高模量）4001.80175.00环氧树脂01.0m图16.15设计问题16.1中所说的缠丝复合材料轴示意图解：（a）首先必须确定满足规定标准，复合材料耍求的轴向弹性模量。计算必须使用三点挠度表达式：△y=△y=48EI(16.21)其屮V是小点处的挠度；F是外加载荷；L是支撐点Z间的距离；E是弹性模量；I是横截面的转动惯最。对内径和外径分别为N和必的管了，转动惯最为:(16.22)

而且,E=——(必-df)而且,E=——(必-df)(16.23)对此设计轴,F=890NL=1.22m△y=0.330mm6^=70numc/i=50.8mm因此轴要求的轴向弹性模量思E=4(890/V)(l,22m)3E=371(0.33xlO"3m)[(70X10"3m)4-(50.8X10"3m)4]=120GPa第二步是确定四种可选择材料中，纤维和基体的体枳分数。这可以使用混合原则公式确定。混合原则公式类似公式16.10,但是考虑到连续纤维是缠丝，而fl.纤维取向与缠丝轴不平行，必须对公式进行修改。由公式16.10,写出这种复合材料轴的轴向弹性模量&$表达式为：E=(cos0)(£A+E.Vf) (16.24a)cs' 八mm /f7 v 7其屮，。是缠丝倾伏角，(图16.15),由于0=15。，cos0=0.966,因此：E「E「0.966(E/〃+E刀)(16.24b)参考表16.8,很明显的一点是由于玻璃纤维的E是72.5GPa远远低于120GPa，因此玻璃纤维缠丝复合材料的弹性模量值为120GPa是不可能的。表16.9列出了Ecs=120GPa所要求的Vm和值。在计算中使用了公式16.24b和表16.8的模量数据。由于三种碳纤维类型的Vf均不人于0.60,因此三种碳纤维类型仍然都有可能。(b)现在有必要确定三种纤维类型的复合材料的纤维和基体体积。总的管了的体积Vc(立方厘米)为:(16.25)必=号(芒_卡)(16.25)cm)〔a5)2_(508cm)2]=2222cm3因此纤维和棊体的体积町以由上述Vc的值和表16.9中列出的Vm和Vf值推导出来°求出的体积值列在表16.10中，然后利用表16.8的密度值，将体积转变成质量值。最后由单位体积物质的花费(见表16.8)，转变成材料成木。表16.9复合材料的模量满足120GPa时三种碳纤维增强复合材料屮纤维和基体相的体积分数纤维类型Vfvm标准模量0.5350.465中模量0.4310.569高模量0.3060.694疋如表16.10所注明的，最便宜的材料选择是标准模量碳纤维复合材料，这种纤维材料单位质量比较低的花费弥补了材料较低的弹性模量和所需的高体积分数

表16.10纤维和基体体积，质量，花费和三种碳纤维■环氧基体复合材料总的材料成本材料类型纤维体积(cm3)纤维质量(Kg)纤维花费($)棊体体积(cm3)基体质量(Kg)基体花费($)总的成木($)标准模量11892.1474.9010331.1810.6085.50中间模量9581.72120.7012641.4412.96133.66高模量6801.22214.2015421.7615.82230.00结构复合材料结构复合材料通常山均匀和复合材料构成。结构复合材料的特性不仅依赖于组成材料的特性,也依赖于各种结构元素的儿何设计。层状复合材料和三名治板料是最常见的结构复合材料。这里仅仅讨论给出很肤浅的讨论。16.14层状复合材料层状复合材料由二维片或板构成，二维片或板具有择优高强度方向，例如在木材和连续取向纤维•增强塑料中发现的。将各层摞在一起，然后胶结，和邻层血上高强度的取向不同(图16.16)o例如，胶合板中相邻木板层沿着木纹方向取向，相互Z间成直角。层叠材料也可以由二维织物材料构造，如棉花、纸或编织玻璃镶嵌在塑料基体中。因此层状复合材料在二维平面的儿个方向上具有较高的强度。然而在任何一个具体的方向上，强度将低丁•所有纤维全部沿此方向取向时的强度。现代滑雪板(图527页)是比较复杂的分层结构的一个例子。图16.16叠层复合材料屮连续、取向纤维增强层的连续堆垛。16.15三明治板料三明治板料是--组结构复合材料，由两个强的外板或表面和一层隔离两个表面的低密度的材料或芯构成，芯材料有更低的刚性和更低的强度。两个外表面承受绝人部分的平面载荷和全部的横向弯曲应力。典型的表面材料有：铝合金、纤维增强蛾料、钛、钢、和胶合板。图16.17具有蜂窝芯的三明治板材的构造示意图结构上，芯具有两个功能：第一，将两个表面分开，抵抗与表而垂肓的形变；第二，在与表而垂直的平而上，捉供一定程度的剪切刚性。芯可以使用各种材料和各种结构，包括：泡沫聚合物、合成橡胶、无机胶结剂和香脂木材。另一种流行的芯具冇蜂窝状结构——薄的箔，形成连锁的六角单元，轴的取向与表面板垂直。制备蜂窝的材料与面材料相似，图16.17是蜂'禽芯三明治板的剖面视图示意图。三明治板材有很多应用，这些应用包括：房顶、地板、建筑墙、飞机机翼、机身和水平尾翼表面护板。小结复合材料是人工生产的多相材料，具冇理想的综合了组成相的最好特性。通常一个相（基体）是连续的完全包围另一个相（分散相）。在本书的讨论屮，复合材料分为：颗粒•增强、纤维■增强和结构复合材料。颗粒•增强乂分为人•颗粒和分散■增强复合材料两小类。分散■增强通过分散相的极小的颗粒实现强度改善，极小的分散相颗粒阻止位错运动，也就是说，强化机制包含可以在原了虽级处理的相互作用。大颗粒复合材料的颗粒尺寸通常要大一些，力学特性通过强化作用提高。水泥是一种类型的大■颗粒复合材料，由水和水泥键合的颗粒聚合体构成。波特兰水泥混凝土小，聚合体由沙子和烁石组成。水泥状键合作为波特兰水泥和水Z间化学反应的结构形成。水泥的力学强度可以通过强化的方法得到改善（例如，在新鲜的水泥屮嵌入钢棍、钢丝等）。其它的强化也是可能的，如利用预应力和后加应力迫使材料内产生残余压应力进行强化。在儿种复合类型中，增强效率潜力最大的是纤维增强。这种复合材料中外加载荷通过基体相传递给纤维并分布在纤维上。在绝大多数情况下，基体相至少有适度延展性，只有当基体■纤维键合强时，才可能显著增强。基于直径，纤维增强分为：晶须、纤维和丝三类。由于在纤维的两个

末端，强化不连续，因此强化效率依赖于纤维长度。对每种纤维■基体组合，存在一个临界长度，连续纤维的长度远远超过这个临界长度，而短纤维是不连续的。纤维的放置对复合材料的特性也是至关重要的。连续、取向排列纤维复合材料的力学特性是高度各向界性的。在取向排列方向，增强和强度为极大值，垂直取向排列方向，增强和强度为极小值。讨论了轴向加载时的应力•应变行为，推倒了轴向和横向模量的“混合原则”表达式，此外也推出了轴向强度公式。短的不连续复合材料，纤维可以是取向排列，也可以是随机取向排列。短■纤维复合材料在轴向可以具有显著的强度和刚性。除了对增强效率的一些限制外，随机取向短■纤维复合材料的特性是各向同性的。纤维•增强复合材料有时根据基体类型分类。根据这一分类法，纤维•增强复合材料可以分为三类：聚合物・、金属■和陶瓷■基体。最常见的基体是聚合物基体。聚合物基体可以用玻璃、碳和芳族聚酰胺纤维增强。金属