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1、复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院第2章复合材料的复合原理本章教学目的：本章教学目的：了解复合材料的复合原理复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院复合材料的复合材料原理，是反映各种因素对复合材料性能的影响规律。影响复合材料性能的因素：工艺因素基体和增强材料的性能增强材料的形状、含量、分布增强材料的以及与基体的界面结合、结构按照复合原理，可以对所需要研究和开发的复合材料的性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、预测和评估。复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院按增强材料的种类和性质，复合材料的强化机制可以分为三种
2、：弥散增强机制 颗粒增强机制 纤维增强机制复合材料的增强原理复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院弥散增强机制位错绕过理论强化效果：弥散强化复合材料：位错绕过理论强化效果：弥散强化复合材料：弥散微粒、基体复合而成粒子直径为0.10.01m，体积分数为1%15%载荷主要有基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。图2.1 颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图图2.1 颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图取决于粒子直径、体积分数。复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院颗粒增强机制颗粒增强复合材料：尺寸较大(1m)的坚硬颗粒及基体复合而成粒子直径为150m
3、，体积分数20%颗粒阻碍基体位错运动强化不均匀变形引起位错增殖强化载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束变形强化效果：强化效果：取决于粒子直径、体积分数。与弥散增强机制的不同点：机理：与弥散增强机制的不同点：机理：复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院图图2.2 位错在晶面上滑移（位错在晶面上滑移（a）和在）和在TiC颗粒前位错的塞积（颗粒前位错的塞积（b）图2.3 两相不均匀变形在界面形成的位错环图2.3 两相不均匀变形在界面形成的位错环复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院纤维增强机制基体基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、
4、纤维等），不是主承力相。 纤维纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。由高强度、高模量、连续（长）纤维或不连续（短）纤维与基体复合而成纤维增强复材：纤维增强复材：复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）：）： NiVPP 1iicPc ：复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；：复合材
5、料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等； Pi ：各组分材料的对应复合材料的某性能；：各组分材料的对应复合材料的某性能； V ： 组成复合材料各组分的体积百分比；： 组成复合材料各组分的体积百分比； i ：表示组成复合材料的组分数。：表示组成复合材料的组分数。混合法则 （混合法则 （mixing rule）复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院在单向连续纤维增强复合材料中，复合材料中组分承载应力表达式：mmffmmffmf EVEVAAPP纤维/基体弹性模量，纤维体积含量，则纤维承载越大复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院图短纤维周围的应变
6、短纤维增强原理（剪切滞后短纤维增强原理（剪切滞后应力传递方式）应力传递方式）假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院纤维断裂纤维断裂裂纹扩展方向裂纹扩展方向当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍
7、裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院颗粒增强复合材料的 弹性模量与颗粒体积分量的关系颗粒增强复合材料的 弹性模量与颗粒体积分量的关系复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院SiC/硼硅玻璃复合材料的强度 随纤维体积含量线性增加/
8、硼硅玻璃复合材料的强度 随纤维体积含量线性增加复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院纤维种类弹性模量纤维种类弹性模量(Mpa)玻璃纤维玻璃纤维70000-10000碳纤维碳纤维200000-550000芳纶纤维芳纶纤维3000合金钢合金钢160000有机树脂有机树脂2000-3500复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则：为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则：纤维的强度和弹性模量应远高于基体；纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂；纤维的排列方向要
9、与构件的受力方向一致；纤维与基体的热胀系数应匹配；纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应；纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learningis a trademark used herein under license.Figure Increasing the length of chopped E-glass fibers in an epoxy matrix incre
10、ases the strength of the composite. In this example, the volume fraction of glass fibers is about 0.5.复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院Figure Effect of fiber orientation on the tensile strength of E-glass fiber-reinforced epoxy composites.复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院2003 Brooks/Cole, a division o
11、f Thomson Learning, Inc. Thomson Learningis a trademark used herein under license.Figure (a) Tapes containing aligned fibers can be joined to produce a multi-layered different orientations to produce a quasi-isotropic composite. In this case, a 0/+45/90composite is formed.单向板准向各项同性板单向板准向各项同性板复合材料201
12、2-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院222003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learningis a trademark used herein under license.Figure A three-dimensional weave for fiber- reinforced composites.复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院复合材料增韧机理复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。以纤维增强复合材料为例主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制以纤维增强复合材料为例主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。复合材料2012-6-6北方民族大学材料学院北方民族大学材料学院纤维脱粘纤维脱粘纤维搭桥纤维搭桥纤维拔出纤维拔出
