復(fù)合材料_第二章_復(fù)合原理簡(jiǎn)介

1、第二章第二章 復(fù)合理論簡(jiǎn)介復(fù)合理論簡(jiǎn)介 2010.11.02 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一一復(fù)合材料增強(qiáng)理論復(fù)合材料增強(qiáng)理論 二二物理性能復(fù)合法則物理性能復(fù)合法則 一、復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制一、復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制 l彌散增強(qiáng)彌散增強(qiáng) l顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng) l纖維增強(qiáng)（連續(xù)纖維，短纖維）纖維增強(qiáng)（連續(xù)纖維，短纖維） 彌散增強(qiáng)型彌散增強(qiáng)型 50 x 50m 顆粒增強(qiáng)型顆粒增強(qiáng)型 50 x 50m 彌散增強(qiáng)原理彌散增強(qiáng)原理 硬質(zhì)顆粒如硬質(zhì)顆粒如Al2O3， TiC，SiC阻礙基體中阻礙基體中 的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(金屬基金屬基) 或分子鏈運(yùn)動(dòng)或分子鏈運(yùn)動(dòng)(高聚物高聚物 基基) 。增強(qiáng)機(jī)理可用。增強(qiáng)機(jī)理可用 位錯(cuò)繞過理

2、論解釋。位錯(cuò)繞過理論解釋。 載荷主要由基體承擔(dān)載荷主要由基體承擔(dān) ，彌散微粒阻礙基體，彌散微粒阻礙基體 的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。 （1）彌散增強(qiáng)彌散增強(qiáng) 復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度 彌散質(zhì)點(diǎn)的尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越大，強(qiáng)化彌散質(zhì)點(diǎn)的尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越大，強(qiáng)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 不同體積分?jǐn)?shù)納米粒子不同體積分?jǐn)?shù)納米粒子SiC(0.

3、07 m)增強(qiáng)增強(qiáng) Si3N4(0.5 m)的性能的性能 （2）顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng) cVd bVGG p ppm y )1 (2 3 21 顆粒的尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越大，強(qiáng)化效果越好。一般顆粒的尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越大，強(qiáng)化效果越好。一般 在顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中，顆粒直徑為在顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中，顆粒直徑為 1 50m，顆粒間，顆粒間 距為距為1 25m，顆粒的體積分?jǐn)?shù)為，顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.05 0.5。 顆粒的尺寸較大顆粒的尺寸較大(1 m)，基體承擔(dān)主要，基體承擔(dān)主要 的載荷，顆粒阻止位的載荷，顆粒阻止位 錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，并約束基錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，并約束基 體的變形體的變形 用金屬或高分子聚合物把有耐熱性、硬

4、度用金屬或高分子聚合物把有耐熱性、硬度 高但不耐沖擊的金屬氧化物、氮化物、碳高但不耐沖擊的金屬氧化物、氮化物、碳 化物復(fù)合的材料時(shí)，由于強(qiáng)化相顆粒較大，化物復(fù)合的材料時(shí)，由于強(qiáng)化相顆粒較大， 故強(qiáng)化效果并不顯著，但這種復(fù)材主要不故強(qiáng)化效果并不顯著，但這種復(fù)材主要不 是提高強(qiáng)度是提高強(qiáng)度, ,而是為了改善耐磨性或提高綜而是為了改善耐磨性或提高綜 合力學(xué)性能。合力學(xué)性能。 （3）連續(xù)纖維增強(qiáng)）連續(xù)纖維增強(qiáng) 通常根據(jù)纖維形態(tài)可以分為連續(xù)纖維、非連續(xù)纖通常根據(jù)纖維形態(tài)可以分為連續(xù)纖維、非連續(xù)纖 維維(短纖維短纖維)或晶須或晶須(長(zhǎng)度約為長(zhǎng)度約為100-1000m、直徑約、直徑約 為為1-10m的單晶體

5、的單晶體)兩類兩類 其增強(qiáng)機(jī)理是高強(qiáng)度、高模量的纖維承受載荷，其增強(qiáng)機(jī)理是高強(qiáng)度、高模量的纖維承受載荷， 基體只是作為傳遞和分散載荷的媒介?；w只是作為傳遞和分散載荷的媒介。 M為基體為基體 F為纖維為纖維 連續(xù)纖維增強(qiáng)（纖維軸向模量）連續(xù)纖維增強(qiáng)（纖維軸向模量） 1VVV VVV fmc ffmmcc fmc （1） （1）式的兩邊同時(shí)除以）式的兩邊同時(shí)除以 ffmm EEEVV 得到得到 )1 ( 1fmff VEVEE 實(shí)際中還有不同的實(shí)際中還有不同的 泊松比導(dǎo)致的附加泊松比導(dǎo)致的附加 應(yīng)力。通過試驗(yàn)分應(yīng)力。通過試驗(yàn)分 析，誤差小于析，誤差小于 1%2%。測(cè)出兩種。測(cè)出兩種 玻璃纖維增強(qiáng)

6、聚酯玻璃纖維增強(qiáng)聚酯 樹脂體系的樹脂體系的E1、Vf 之間的線型關(guān)系之間的線型關(guān)系 復(fù)合材料縱向斷裂強(qiáng)度可以認(rèn)為與纖維斷復(fù)合材料縱向斷裂強(qiáng)度可以認(rèn)為與纖維斷 裂應(yīng)變值對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料應(yīng)力相等，根據(jù)混裂應(yīng)變值對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料應(yīng)力相等，根據(jù)混 合法則，得到復(fù)合材料縱向斷裂強(qiáng)度，即合法則，得到復(fù)合材料縱向斷裂強(qiáng)度，即 )1 ()( frmffueu VV SiC/硼硅玻璃復(fù)合材料的強(qiáng)度硼硅玻璃復(fù)合材料的強(qiáng)度 隨纖維體積含量線性增加隨纖維體積含量線性增加 14Chapter 9 Composites 連續(xù)纖維增強(qiáng)（橫向模量）連續(xù)纖維增強(qiáng)（橫向模量） Em Ef 串聯(lián)模型 并聯(lián)模型 體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)fr f

7、m fffm f f m m c EE VEVE E V E V E )1 ( 1 在高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維模量比在高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維模量比 基體樹脂模量大的多，在纖維體積含量為基體樹脂模量大的多，在纖維體積含量為50 60的復(fù)合材料中，基體對(duì)的復(fù)合材料中，基體對(duì)E1的影響很的影響很 小，纖維對(duì)小，纖維對(duì)E2的影響也很小，所以可以得到的影響也很小，所以可以得到 近似近似 mm ff VEE VEE / 2 1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橫向強(qiáng)度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橫向強(qiáng)度 纖維對(duì)橫向強(qiáng)度有減弱的作用。纖維在與其相纖維對(duì)橫向強(qiáng)度有減弱的作用。纖維在與其相 鄰的基體中產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)基體產(chǎn)

8、生約束，鄰的基體中產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)基體產(chǎn)生約束， 使復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變比復(fù)合前要低的多使復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變比復(fù)合前要低的多(斷裂斷裂 應(yīng)力課本應(yīng)力課本P28式式2.34) 前提是基體和增強(qiáng)體很好的結(jié)合前提是基體和增強(qiáng)體很好的結(jié)合。 4)短纖維增強(qiáng)（）短纖維增強(qiáng)（） 作用于復(fù)合材料的載荷是作用于基體材料并通作用于復(fù)合材料的載荷是作用于基體材料并通 過纖維端部與端部附近的纖維表面將載荷傳遞過纖維端部與端部附近的纖維表面將載荷傳遞 給纖維。當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過應(yīng)力傳遞所發(fā)生的長(zhǎng)給纖維。當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過應(yīng)力傳遞所發(fā)生的長(zhǎng) 度時(shí)，端頭效應(yīng)可以忽略，纖維可以被認(rèn)為是度時(shí)，端頭效應(yīng)可以忽略，纖維可以被認(rèn)為是 連續(xù)

9、的，但對(duì)于短纖維復(fù)合材料，端頭效應(yīng)不連續(xù)的，但對(duì)于短纖維復(fù)合材料，端頭效應(yīng)不 可忽略，同時(shí)復(fù)合材料的性能是纖維長(zhǎng)度的函可忽略，同時(shí)復(fù)合材料的性能是纖維長(zhǎng)度的函 數(shù)。數(shù)。 短纖維增強(qiáng)（）短纖維增強(qiáng)（） l/lc越大，拉伸強(qiáng)度越大越大，拉伸強(qiáng)度越大; ; 2l/lc1時(shí)，拉伸強(qiáng)度為連續(xù)纖維的強(qiáng)度公式時(shí)，拉伸強(qiáng)度為連續(xù)纖維的強(qiáng)度公式; ; l=lc時(shí)，短纖維增強(qiáng)的效果僅有連續(xù)纖維的時(shí)，短纖維增強(qiáng)的效果僅有連續(xù)纖維的50%; l/lc=10時(shí)，短纖維增強(qiáng)的效果可達(dá)到連續(xù)纖維的時(shí)，短纖維增強(qiáng)的效果可達(dá)到連續(xù)纖維的95% 所以為了提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，應(yīng)盡量使用長(zhǎng)纖維。所以為了提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，應(yīng)盡量使用

10、長(zhǎng)纖維。 為了使纖維的承載達(dá)到纖維的最大應(yīng)力值，纖維長(zhǎng)為了使纖維的承載達(dá)到纖維的最大應(yīng)力值，纖維長(zhǎng) 度必須大于臨界纖維長(zhǎng)度度必須大于臨界纖維長(zhǎng)度lc或臨界長(zhǎng)徑比或臨界長(zhǎng)徑比(lc/d) my f f c d l 2 max, 幾種典型復(fù)合材料的臨界長(zhǎng)度幾種典型復(fù)合材料的臨界長(zhǎng)度Lc和長(zhǎng)徑比和長(zhǎng)徑比Lc/d 基體基體 Tm (MN/m2)纖維纖維 fTS (MN/m2) d (m) Lc/dLc (mm) Ag55Al2O3晶須晶須20 80021890.38 Cu76鎢絲鎢絲2 9002 0001938 Al80硼纖維硼纖維2 800100181.75 環(huán)氧環(huán)氧40硼纖維硼纖維2 800100

11、353.5 聚脂聚脂30玻璃纖維玻璃纖維2 40013400.52 環(huán)氧環(huán)氧40碳纖維碳纖維2 6007330.23 短纖維增強(qiáng)（）短纖維增強(qiáng)（） 當(dāng)短纖維按不同取向程度取向分布時(shí)，短纖維的增強(qiáng)效率當(dāng)短纖維按不同取向程度取向分布時(shí)，短纖維的增強(qiáng)效率 隨取向程度的降低而降低。對(duì)于取向分布的短纖維復(fù)合材隨取向程度的降低而降低。對(duì)于取向分布的短纖維復(fù)合材 料，可以在混合彈性模量式中增加一個(gè)取向效率因子料，可以在混合彈性模量式中增加一個(gè)取向效率因子0 )1 ( 01fmff VEVEE 對(duì)于平行于纖維方向和垂直于纖維方向的單向板，對(duì)于平行于纖維方向和垂直于纖維方向的單向板，0分別分別 為為1和和0，對(duì)

12、于面內(nèi)隨即分布的纖維復(fù)合材料，對(duì)于面內(nèi)隨即分布的纖維復(fù)合材料03/8，三維，三維 隨機(jī)分布纖維復(fù)合材料隨機(jī)分布纖維復(fù)合材料01/5 二、二、 物理性能的復(fù)合法則物理性能的復(fù)合法則 對(duì)于復(fù)合材料，最引人注目的是其高比強(qiáng)度、高對(duì)于復(fù)合材料，最引人注目的是其高比強(qiáng)度、高 比模量等力學(xué)性能。但是其物理性能也應(yīng)該通過比模量等力學(xué)性能。但是其物理性能也應(yīng)該通過 復(fù)合化得到提高。復(fù)合化得到提高。 復(fù)合法則有兩種：復(fù)合法則有兩種： 、加權(quán)（平均）特性、加權(quán)（平均）特性 、乘積（傳遞）特性、乘積（傳遞）特性 1 、加權(quán)特性加權(quán)特性 PPV ci n i i N () 1 Pc為復(fù)合材料的特性，為復(fù)合材料的特性，

13、Pi為構(gòu)成復(fù)合材料的原為構(gòu)成復(fù)合材料的原 材料的特性，材料的特性，Vi為構(gòu)成復(fù)合材料的原材料的體積分為構(gòu)成復(fù)合材料的原材料的體積分 數(shù)，數(shù)，n由實(shí)驗(yàn)確定，其范圍為由實(shí)驗(yàn)確定，其范圍為 -1 n 1。密度、熱膨。密度、熱膨 脹系數(shù)熱傳導(dǎo)、電導(dǎo)、透磁率等都屬于此類。脹系數(shù)熱傳導(dǎo)、電導(dǎo)、透磁率等都屬于此類。 、乘積特性、乘積特性 把兩種性能可以相互轉(zhuǎn)換的功能材料把兩種性能可以相互轉(zhuǎn)換的功能材料熱形變材料（以熱形變材料（以 X/Y表示）與另一種形變電導(dǎo)材料（表示）與另一種形變電導(dǎo)材料（Y/Z）復(fù)合，其效果是：）復(fù)合，其效果是： Z X Z Y Y X 由于兩組分的協(xié)同作用得到了另一種熱電導(dǎo)功能復(fù)合材料

14、，由于兩組分的協(xié)同作用得到了另一種熱電導(dǎo)功能復(fù)合材料， 借助類似關(guān)系可以通過各種功能材料復(fù)合成各種功能復(fù)合材借助類似關(guān)系可以通過各種功能材料復(fù)合成各種功能復(fù)合材 料料 Y/X（狀態(tài)（狀態(tài)1）Z/Y（狀態(tài)（狀態(tài)2）傳遞特性（傳遞特性（Z/X） 磁磁/壓力壓力電阻變化電阻變化/磁場(chǎng)磁場(chǎng)壓力電阻效應(yīng)壓力電阻效應(yīng) 磁場(chǎng)磁場(chǎng)/壓力壓力旋光性旋光性/磁場(chǎng)（法拉第效應(yīng)）磁場(chǎng)（法拉第效應(yīng)）由機(jī)械負(fù)荷引起偏光面回轉(zhuǎn)由機(jī)械負(fù)荷引起偏光面回轉(zhuǎn) 電場(chǎng)電場(chǎng)/壓力壓力發(fā)光發(fā)光/電場(chǎng)（電光亮度）電場(chǎng)（電光亮度）壓力光亮度壓力光亮度 電場(chǎng)電場(chǎng)/壓力壓力復(fù)折射復(fù)折射/電場(chǎng)電場(chǎng)由機(jī)械負(fù)荷引起偏光面回轉(zhuǎn)由機(jī)械負(fù)荷引起偏光面回轉(zhuǎn) 應(yīng)

15、變應(yīng)變/磁場(chǎng)磁場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)/應(yīng)變應(yīng)變磁電效應(yīng)磁電效應(yīng) 應(yīng)變應(yīng)變/磁場(chǎng)磁場(chǎng)電阻變化電阻變化/應(yīng)變應(yīng)變磁電阻效應(yīng)磁電阻效應(yīng) 溫度差溫度差/磁場(chǎng)磁場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)/溫度差溫度差擬洞穴效應(yīng)（磁電效應(yīng)）擬洞穴效應(yīng)（磁電效應(yīng)） 應(yīng)變應(yīng)變/磁場(chǎng)磁場(chǎng)復(fù)折射復(fù)折射/應(yīng)變應(yīng)變磁感應(yīng)折射磁感應(yīng)折射 應(yīng)變應(yīng)變/電場(chǎng)電場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)/應(yīng)變應(yīng)變電磁效應(yīng)電磁效應(yīng) 磁場(chǎng)磁場(chǎng)/光光應(yīng)變應(yīng)變/磁場(chǎng)磁場(chǎng)應(yīng)變應(yīng)變/光光 電場(chǎng)電場(chǎng)/光光應(yīng)變應(yīng)變/電場(chǎng)電場(chǎng)應(yīng)變應(yīng)變/光光 電場(chǎng)電場(chǎng)/光光光光/電場(chǎng)電場(chǎng)波長(zhǎng)變換波長(zhǎng)變換 同位素同位素導(dǎo)電性導(dǎo)電性/光光放射線誘起電導(dǎo)放射線誘起電導(dǎo) 同位素同位素?zé)晒鉄晒夥派渚€檢測(cè)器放射線檢測(cè)器 思考題思考題 、彌散顆粒、顆

16、粒增強(qiáng)機(jī)理是什么、彌散顆粒、顆粒增強(qiáng)機(jī)理是什么 、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，軸向和橫向的強(qiáng)度、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，軸向和橫向的強(qiáng)度 各有什么特點(diǎn)各有什么特點(diǎn) 、復(fù)合材料物理性能有什么樣的復(fù)合法則，、復(fù)合材料物理性能有什么樣的復(fù)合法則， 分別有哪些性能適合這些法則？分別有哪些性能適合這些法則？ 謝謝 謝！謝！ 三、復(fù)合材料設(shè)計(jì)原則三、復(fù)合材料設(shè)計(jì)原則 l 調(diào)整復(fù)合度（參與復(fù)合的各組分的體積調(diào)整復(fù)合度（參與復(fù)合的各組分的體積 （或質(zhì)量）分?jǐn)?shù)），即改變各組分的含量（或質(zhì)量）分?jǐn)?shù)），即改變各組分的含量 l 調(diào)節(jié)聯(lián)接方式，即增強(qiáng)材料的形狀調(diào)節(jié)聯(lián)接方式，即增強(qiáng)材料的形狀 l 調(diào)節(jié)對(duì)稱性分散相的形狀調(diào)節(jié)對(duì)稱性分散相的形狀 l 調(diào)整尺度復(fù)合體的尺寸在不同的量級(jí)，調(diào)整尺度復(fù)合體的尺寸在不同的量級(jí)， 宏觀物理性能會(huì)有很大的改變宏觀物理性能會(huì)有很大的改變 l 調(diào)節(jié)疊