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1、第二章 复合理论简介 2010.11.02 主要内容 l复合材料增强理论 l物理性能复合法则 一、复合材料增强机制 l弥散增强 l颗粒增强 l纤维增强（连续纤维，短纤 维） 弥散增强型 50 x 50m 颗粒增强型 50 x 50m 弥散增强原理 硬质颗粒如Al2O3， TiC，SiC阻碍基体中 的位错运动(金属基) 或分子链运动(高聚物 基) 。增强机理可用 位错绕过理论解释。 载荷主要由基体承担 ，弥散微粒阻碍基体 的位错运动。 （1）弥散增强 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 效果越好。一般Vp=0.01 0.15，dp=0.001m 0.1 m 08537.4
2、16.7 0.058878.017.3 0.109408.518.0 0.201 0557.621.0 不同体积分数纳米粒子SiC(0.07 m)增强 Si3N4(0.5 m)的性能 （2）颗粒增强 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 1 50m，颗粒间 距为1 25m，颗粒的体积分数为0.05 0.5。 颗粒的尺寸较大(1 m)，基体承担主要 的载荷，颗粒阻止位 错的运动，并约束基 体的变形 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 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
3、是提高强度,而是为了改善耐磨性或提高 综合力学性能。 （3）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 维(短纤维)或晶须(长度约为100-1000m、直径约 为1-10m的单晶体)两类 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。 M为基体 F为纤维 连续纤维增强（纤维轴向模量） （1） （1）式的两边同时除以 得到 实际中还有不同的 泊松比导致的附加 应力。通过试验分 析，误差小于 1%2%。测出两种 玻璃纤维增强聚酯 树脂体系的E1、Vf 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 裂应变值对应的复合材料应力相等，根据混 合法则，
4、得到复合材料纵向断裂强度，即 SiC/硼硅玻璃复合材料的强度 随纤维体积含量线性增加 14Chapter 9 Composites 连续纤维增强（横向模量 ） Em Ef 串联模型 并联模型 体积分数fr 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50 60的复合材料中，基体对E1的影响很 小，纤维对E2的影响也很小，所以可以得到 近似 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 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(断裂 应力课本P28式2.34) 前提是基体和增强体很好的结合。 4)短纤维
5、增强（） 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 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 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 数。 短纤维增强（ ） l/lc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; l=lc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95% 所以为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。 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lc或临界
6、长径比(lc/d) 几种典型复合材料的临临界长长度Lc和长长径比Lc/d 基体 Tm (MN/m2 ) 纤维纤维 fTS (MN/m2) d (m) Lc/dLc (mm) Ag55Al2O3晶须须20 80021890.38 Cu76钨丝钨丝2 9002 0001938 Al80硼纤维纤维2 800100181.75 环环氧40硼纤维纤维2 800100353.5 聚脂30玻璃纤维纤维2 40013400.52 环环氧40碳纤维纤维2 6007330.23 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 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
7、弹性模量式中增加一个取向效率因子0 对于平行于纤维方向和垂直于纤维方向的单向板，0分别为 1和0，对于面内随即分布的纤维复合材料03/8，三维随 机分布纤维复合材料01/5 二、 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 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。 复合法则有两种： 、加权（平均）特性 、乘积（传递）特性 1 、加权特性 Pc为复合材料的特性，Pi为构成复合材料的原 材料的特性，Vi为构成复合材料的原材料的体积分 数，n由实验确定，其范围为 -1n1。密度、热膨 胀系数热传导、电导、透磁率等都属于此类。 、乘积特性 把两种性能可以相互转换
8、的功能材料热形变材料（以 X/Y表示）与另一种形变电导材料（Y/Z）复合，其效果是 ： 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料 Y/X（状 态态1） Z/Y（状态态2）传递传递 特性（Z/X） 磁/压压力电电阻变变化/磁场场压压力电电阻效应应 磁场场/压压力 旋光性/磁场场（法拉 第效应应） 由机械负负荷引起偏光 面回转转 电场电场 /压压 力 发发光/电场电场 （电电光 亮度） 压压力光亮度 电场电场 /压压 力 复折射/电场电场 由机械负负荷引起偏光 面回转转 应变应变 /磁 场场 电场电场 /应变应变磁电电效应应 应变
9、应变 /磁 场场 电电阻变变化/应变应变磁电电阻效应应 温度差/磁 场场 电场电场 /温度差 拟拟洞穴效应应（磁电电效 应应） 应变应变 /磁 场场 复折射/应变应变磁感应应折射 应变应变 /电电 场场 磁场场/应变应变电电磁效应应 磁场场/光应变应变 /磁场场应变应变 /光 电场电场 /光应变应变 /电场电场应变应变 /光 电场电场 /光光/电场电场波长变换长变换 同位素导电导电 性/光放射线诱线诱 起电导电导 同位素荧荧光放射线检测线检测 器 思考题 、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 度各有什么特点 、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？ 谢 谢！ 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 （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 l 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，宏观物理性能会有很大的改变 l 调节叠层各层 增强系数 复合材料屈服强度与基体屈服强度之比 ，即 对于不同复合材料，增强系数不同。对于颗粒 增强复合材料，增强系数与增强材料的粒子直 径，粒子间距、体积分数有关；对于纤维增强 复合材料，增强系数与纤维体积分数、纤维直 径、纤维长度和纤维取向度有关
