复合材料第三章(1)复合材料的增强体.

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1、1 第三章 复合材料的增强材料 2 1.1 1.1 增强体的概念增强体的概念 增强体的概念： 复合材料中能明显提高基体材料某一性能提高基体材料某一性能的组 元物质。起承受载荷、增强、增韧作用。 增强体的特征： （1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能 ； （2）增强体应具有稳定的化学性质； （3）与基体有良好的润湿性 3 1.2 1.2 增强体的分类增强体的分类 （1）颗粒类增强体（零维） 性能特点： 高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀 实 例： 碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、 碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒 复合材料性能特点：具有各向同性 4 （2）纤维类增强体（一维） 连续

2、长纤维连续长纤维： 长 度： 连续长度一般超过数百米； 性能特点： 沿轴向有很高的强度和弹性模量 分 类： 分为单丝和束丝两种。 应 用： 成本高、性能高，只用于高性能复合材料 复合材料性能特点：具有各向异性 5 连续长纤维实例连续长纤维实例 单丝： 硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为 95-140微米） 束丝： 碳纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维、 烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝， 单丝直径5.6-14微米）和芳纶、超高分子量聚乙烯等 有机纤维。 6 不连续纤维（短纤维）不连续纤维（短纤维）： 长度： 连续长度一般几十毫米 性能特点：沿轴向有方向性，但性能

3、一般比长纤维低 应用： 成本比较低，应用广 实例： 硅酸铝纤维、氧化铝纤维 碳纤维、氮化硼纤维等 复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序) 7 （3）晶须类增强体（一维） 外形尺寸：直径0.2-1微米，长约为几十微米 性能特点：有很高的强度和模量 （结构细小、缺陷少） 应用： 陶瓷增韧（成本比颗粒高得多） 实例： 碳化硅、氧化铝、氮化硅等 复合材料性能特点：各向同性。 8 （4）金属丝增强体（一维） 不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢 丝/Al） （5）片状物增强体（二维） 织物、毡等。陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2 、Si3N4/BN等。 （6）纤维编织类增强体（三维）

4、 纤维编织成的三维结构 9 1.3 1.3 纤维类增强体具有高强度的原因纤维类增强体具有高强度的原因 （1）固体材料的理论强度： th = (E/a0)1/2 纤维类增强体： Be (铍)、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化 合物 （常温下原子半径小、化学性质稳定） 纤维类增强体理论强度高！ 10 材料的理论强度应从原子间的结合力入手， 只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。 两原子间的结合力如图所示，原子间距随应 力的增加而增大，在某点处，应力克服了原子之 间的作用力达到一个最大值，这一最大值即为理 论断裂强度sm。 11 不同材料的组成、结构及键合方式不 同，各种材料的理论断裂强度都

5、不一样， 计算公式十分复杂。 为简单、粗略地估计各种情况都能适 应的材料理论强度，可假设用波长为l的正 玄波来近似原子间约束力与原子间距离x之 间的关系： (1) 材料的断裂是在拉应力作用下，原子 沿与拉应力垂直的面被拉开。 12 13 14 15 16 （2）固体材料的实际强度： 固体材料实际强度远远低于理论强度！ 原 因： 缺陷的存在；应力集中；破坏失效。 断裂力学的研究结果： = (E/4c)1/2 高 强 度： 高的弹性模量、高的表面能 尽可能小的内部或表面的最大裂纹长度 17 （3）纤维材料具有高强度的原因： 纤维类增强材料：强度很高 同质地块状材料：强度一般 E-玻璃：40 - 1

6、00 MPa E-玻璃纤维：1000MPa（直径为10微米） 2400MPa（直径5微米以下） 随着纤维直径减小，强度将获得进一步提高！ 18 纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目 都有别与同质地的块状材料 内部径向最大裂纹尺寸： 非常小（纤维类增强材料） 一般（同质地块状材料） 内部轴向最大裂纹尺寸内部轴向最大裂纹尺寸 ？ 对性能有怎样的影响呢？对性能有怎样的影响呢？ 19 内部轴向最大裂纹尺寸： 一般（纤维类增强材料） 一般（同质地块状材料） 纤维中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料 中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维 主要承受轴向拉伸载荷） 20 1.4 1.4 纤维类增强

7、体具有较高柔曲性的原因纤维类增强体具有较高柔曲性的原因 玻璃是典型的脆性材料， 为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性 ？ 柔曲性的表示方法： M M 图3.1 作用于受力梁上的力矩M及由此力矩产生的曲率半径 以1/(M)表示材料的柔曲性 21 材料力学的研究结果给出了下式： 上式中，E为材料的杨氏模量，d为圆柱的直径 。以 1/(M)表示材料的柔曲性，与1/d4成正比。 玻璃是典型脆性材料，为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性？玻璃是典型脆性材料，为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性？ 22 图图3.2 各种纤维纤维 材料的柔曲性与纤维纤维 直径和杨杨氏模量的关系 23 2 2 玻玻 璃璃 纤纤 维维 2.1

8、玻璃纤维的种类 2.2 玻璃纤维的制造 2.3 玻璃纤维的结构和化学组成 2.4 玻璃纤维的性能 2.5 玻璃纤维的应用 24 2.1 2.1 玻璃纤维的种类玻璃纤维的种类 （1）按玻璃原料成分分类（最重要的分类方法） E-E-玻璃纤维（电气玻璃）玻璃纤维（电气玻璃）： 又称无碱玻璃，由钙铝硼硅酸盐组成的玻璃，碱金属氧化物 （R2O）含量一般小于0.8%（国外小于1%）。E-玻璃纤维 的电绝缘性能特别好，并且有较高的强度和较好的耐环 境老化性能，但易被稀的无机酸腐蚀（ 耐酸性差 ）。 25 26 C-C-玻璃纤维玻璃纤维： 又称中碱玻璃，是一种钠硼硅酸盐玻璃，国产的不含硼 ，碱金属氧化物的含量

9、为11.5% 12.5%，电绝缘性差 ，强度和模量低，成本低，但耐酸性好。 A-A-玻璃纤维玻璃纤维： 又称有碱玻璃，碱金属氧化物的含量在15%以上，耐老 化性能差，电绝缘性和耐水性差，强度和模量低( (破坏破坏 网络网络) )，成本低，但耐酸性优良。国内已停止生产。 用于增强沥青和牛毛毡，以及耐酸玻璃钢的增强材料。 27 28 S-S-玻璃纤维（玻璃纤维（高强玻璃纤维）： ，属镁铝硅酸盐玻璃纤维，其强度和弹性模量均优于E 玻璃纤维，高温性能好，主要用于飞机和火箭的高强度 部件。 M-M-玻璃纤维（高模量玻璃纤维）玻璃纤维（高模量玻璃纤维）： 氧化铍含量高的玻璃纤维，弹性模量比一般的玻璃纤维

10、高1/3，主要用于航空航天领域。 29 （2）按玻璃纤维单丝直径分类 超细纤维超细纤维：直径为3.8 - 4.6 微米 柔曲性、耐磨性好 防火衣、宇宙服、地毯、帐篷等 中粗纤维中粗纤维：直径为5.3 - 7.4 微米 绝缘材料，过滤布等 粗粗 纤纤 维维：直径为9.2 - 21.6 微米 与树脂浸透性好，成本低、产量高 经济性和工艺性好，有多种用途 30 2.2 2.2 玻璃纤维的制造玻璃纤维的制造 （1）原丝的制造：原丝由若干根单丝组成 图3.3 拉丝玻璃纤维示意图 原丝制造工艺流程： (1) 按要求配料并送入熔窑制成 玻璃液 (2) 玻璃液经制球机制成玻璃球 (3) 玻璃球加入加料斗并在铂

11、金 坩埚中熔化 (4) 熔化玻璃液自小漏孔流出并 冷却形成单纤维 (5) 单纤维经过浸润、集丝后形 成单股原丝 (6) 单股原丝被绕到控丝机头上 的卷筒 31 （2）纤维纱的制造：通过原丝的退绕、加捻、 并股、络纱而制成的玻璃纤维成品纱为有捻纱 ，直接并股、络纱制成的为无捻纱。 （3）玻璃布的制造：将有捻纱或无捻纱经过纺织工 艺可制成各种玻璃布。 （4）玻璃纤维制品的制造：除了以上的各种制品 ，玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、防虫网等。 32 （3）玻璃布的制造：将有捻纱或无捻纱经过纺 织工艺可制成各种玻璃布。 （4）玻璃纤维制品的制造：除了以上的各种制品 ，玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布

12、、防虫网等。 33 34 35 （4）玻璃纤维制品的制造：除了以上的各 种制品，玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布 、防虫网等。 36 2.3 2.3 玻璃纤维的结构和化学组成玻璃纤维的结构和化学组成 （1）玻璃纤维的结构： 玻璃纤维结构理论有晶子说、无规网络学说、过 冷液体说、五角十二面体说、仲晶说、聚合说等 。较为流行的是晶子说和无规网络说。 玻璃纤维具有比块体玻璃高许多倍的强度 玻璃纤维具有良好的柔曲性 玻璃纤维结构与块体玻璃是相同的 ！ 37 玻璃结构的两种假说玻璃结构的两种假说： 微晶假说： 列别捷夫认为，玻璃是有无数二氧化硅的 “微晶子”所组成。所谓晶子，不同于一般的微 晶，是带有点

13、阵变形的有序区域，它们分散在无 定型介质中。晶子学说揭示了玻璃结构的微观不 均匀性，并以“晶子”描述了短程有序性。 38 网络假说： 以石英玻璃为例，每个硅原子与周围四个氧 原子形成硅氧四面体SiO4，这些四面体相互之间 通过共有顶角连接，从而构成三维网络。由于网络 中的四面体排列不规则，故与晶态石英的结构有所 不同。钠、钾、钙、镁等阳离子无序、均匀地分布 在不规则的三维网络的空隙中。这一理论不能解释 微观不均匀性和短程有序性。 二氧化硅四面体的三维网络结构是决定玻璃性 能的基础，阳离子称为网络改性物。 39 玻璃纤维的结构特点玻璃纤维的结构特点： 具有短程有序、长程无序的特点。 玻璃纤维的性

14、能特点玻璃纤维的性能特点: 具有各向同性，杨氏模量、热膨胀系数等性能，在 纤维的轴向和径向都是相同的。 40 （2）玻璃纤维的化学组成： SiO2： 硅酸盐玻璃主要成份（玻璃的骨架） B2O3： 硼酸盐玻璃的主要成分； Na2O、K2O： 制造玻璃的助熔剂 降低玻璃熔化温度和玻璃液粘度 但也降低强度、电绝缘性 CaO： 加速玻璃熔化，提高玻璃稳定性 Al2O3： 提高机械强度、降低热膨胀系数等。 41 2.4 2.4 玻璃纤维的性能玻璃纤维的性能 2.4.1 2.4.1 物理性能物理性能 （1）外观和相对密度 玻璃纤维表面呈光滑的圆柱，其横断面几乎 是完整的圆型，这种外观不利于纤维和基体材料

15、的黏结，但却有利于复合材料制备过程中增强体 体积含量的提高。玻璃纤维的直径为1.5 25 微 米，大多数为4 14 微米。玻璃纤维的密度为 2.16 4.30 g/cm3，较有机纤维大很多，但比 一般的金属密度低，跟铝相当。 42 表3.1 各种纤维纤维 的密度 纤维种类密度（ g/cm3） 纤维种类密度（ g/cm3） 羊毛1.281.33尼龙1.14 蚕丝1.301.45碳纤维1.4 棉花1.501.60玻璃纤维（ 无碱） 2.62.7 人造丝1.501.60玻璃纤维（ 有碱） 2.42.7 43 （2）力学性能 拉伸强度拉伸强度： 玻璃纤维具有很高的拉伸强度，较之块体 玻璃有几十倍的提高

16、，甚至比高强合金钢还高 。 一般地，玻璃纤维含碱量越高，强度越低 ； 在湿气环境中有碱玻璃比无碱玻璃更容易 老化；湿气环境能加剧玻璃纤维的疲劳破坏等 。 44 材料纤维直 径（微 米） 拉伸强 度（ MPa） 材料纤维直 径（微 米） 拉伸强度 （MPa） 羊毛 15100300 高强合 金钢 块状 1600 亚麻 1650350 铝合金块状 40460 棉花 1020300700 玻璃块状 20120 尼龙 块状300600 玻璃纤 维 58 10003000 表3.2 几种纤维材料和金属材料的强度 45 延伸率延伸率：较低，一般为3%（远低于有机纤维） 直径越小，断裂延伸率越大。 弹性模量弹性模量：较低（约为钢的1/3）（只与结构有关 ） 弹性模量与纤维直径无关 表3.3 几种纤维和金属材料的弹性模量与延伸率 材料弹性模量（ GPa） 断裂延伸率 （%） 材料弹性模量（ GPa） 断裂延伸率 （%） 羊毛62535钢210514 亚麻30502