13复合材料力学性能要点

《13复合材料力学性能要点》由会员分享，可在线阅读，更多相关《13复合材料力学性能要点（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、复合材料力学性能为什么比赛用的自行车比普通的自行车要轻得多，而其强度却还高一些？为什么 现代飞机载重量越来越大，而自身重量却在降低？这些科技进步主要是大量的复合材 料替代原来的钢铁等金属材料的结果。另外，虽然人们能看到玻璃纤维增强复合塑 料（GRP快艇的华丽外表，或了解其比赛性能，但并不能感觉到复合材料直升机桨叶或 现代碳纤维增强复合塑料（CFRP网球拍结构的复杂性。当今是多种材料并存的时代，也是新材料迅速发展的时期，而复合材料是新材料 发展的重点，这主要是因为复合材料可以取各类材料之长，补各类材料之短，从而通过 不同材料的复合可以达到提高材料综合性能、节约资源的目的。事实上，天然材料,包括各

2、种生物体的构成，莫不以复合的形式存在，因而不同材料的复合是顺乎自然、 结构合理的一种形式。复合材料已在航空、航天、能源、交通、建筑、机械、生物 医学和体育运动等领域得到日益广泛的应用。可以预言，21世纪将进入复合材料的时代。随着复合材料的开发和应用，复合材料力学已初步形成学科体系并处于蓬勃 发展的阶段1,2。本章首先介绍复合材料的定义、特点和发展等内容，然后分别介绍两种典型的 复合材料即纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料的力学性能，主要包括其弹性性 能、强度、破坏特性等。最后，介绍复合材料的应用与发展趋势。344 14.1复合材料概论14.1.1复合材料的概念1,2复合材料是由两种或两种以上物

3、理和化学性质不同的物质组合而成的一种固体 材料，其中至少有一种物质为连续相，该相被称为基体，其他相为分散相，这些相被称为 增强相或增强体。复合材料在复合过程中既综合各组分材料的优点，又同时减少其不利影响。优化的复合工艺使设计者从传统材料的选择和制造的束缚中解放出来 使人们使用更轻、更韧的材料，其性能能够通过综合平衡来满足实际设计的需要。 由于复合材料很容易加工成复杂形状的构件，采用复合材料重新设计构件常常能够 获得在降低成本的同时提高性能的效果。复合材料的概念并不是人类发明的，自然界中就大量存在复合材料。木材是一 种天然的复合材料，它由纤维素纤维和聚多糖木质素复合而成。虽然人类能够利用 自然界

4、中的木材，通过将其复合成更大尺寸的材料以克服自然界中木材的各向异性 和轴向尺寸较小等缺点，但就制造木材那种结构的复合材料而言，自然界比人类做得 更好。骨头、牙齿和贝壳是另一类天然复合材料 ，它们由硬的陶瓷相增强天然有机 体复合而成。从远古时代，人类就认识到几种材料的结合是有益的。从现存的历史遗迹和史 籍考察可知，在距今7000年以前的西安半坡村遗址中曾发现用草拌泥做成的墙壁和 砖坯,用草拌泥制造的建筑材料性能既优于草又优于泥，这是人类最早使用复合材料 的先例。大约出现在4000年以前的漆器是一种典型的纤维增强复合材料，它是用 丝、麻及其织物为增强相，以生漆做粘接剂一层一层铺敷在底胎（模具上,待

5、漆干固后 挖去底胎成形。漆器表面光洁，具有良好的抗老化性能，现保存在扬州平山堂的鉴真 法师漆器像，距今已有1000多年,仍保持完好。中国古代的弓是用竹片、钢条等材料 经过巧妙的铺叠得到的高模量高强度的优良层合复合构件 ，也是复合材料应用的典 型实例。在世界上也发现古埃及人在公元前已知道将木材切成板后重新铺叠制成像 现代胶合板似的叠合材料，这样不仅可以提高强度，还可减少由湿、热引起的变形。 这些例子都说明了人类早已知道复合材料强于单一材料，并在可能条件下开始了应 用。材料科学发展到20世纪中叶,复合材料的制品已不仅仅是天然材料的复合利用 了，而是基于现代科学技术的综合产物。在化学、力学、机械学、

6、冶金、陶瓷等学 科现代成就基础上，复合材料已形成集科研、设计、生产、应用于一体的完整体系，它作为新技术正在国民经济和国防建设中发挥其先导和基础作用。图14畅1是不同工程材料之间的关系。大量应用的工程材料，如钢铁，就是由软的金属基体和硬的弥散陶瓷增强相复合而成的材料。这些陶瓷相有时呈片状，有时为针状，有时为球状或多边形状。聚合物也常常是二相结构，往往在基体中弥散分布 硬的增强相或软的增韧相，正像前面已经看到的那样，木材是这方面的典型例子。混 凝土是一类陶瓷基复合材料的典型例子，它是由砂粒和水泥组成3。目前,复合材料的品种繁多，有多种分类方法46。按其用途分类可分为功能复 合材料和结444 构复合

7、材料，利用复合材料的物理、化学和生物学的功能作为主要用途的复合 材料被称为功能复合材料；利用复合材料的各种优良力学性能用于制造受力结构的 复合材料被称为结构复合材料。按其增强材料的形状分类可分为颗粒增强复合材 料、薄片增强复合材料、纤维增强复合材料和叠层复合材料，它们的形态如图14畅2所示。按其基体材料分类可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复 合材料和碳基复合材料。图14畅1不同工程材料之间的关系|t W二棉崎梅1 X图14畅2复合材料增强相的各种形态14.1.2传统材料与复合材料的性能特点由于金属、塑料和陶瓷三类材料各自的性能分布范围非常宽，因此通过简单的列表来比较金属、塑料和陶

8、瓷材料的相对强弱是非常困难的。然而可以通过比较定 性地给出不同类型材料的明显优缺点3。 544 - 塑料是低密度材料，具有良好的短期化学稳定性和较好的耐环境性能，易成形 和连接，但热稳定性较差，力学性能一般较低。陶瓷也是低密度材料（也有些陶瓷密度较大，热稳定性极高,耐腐蚀、磨蚀和磨 损性能好，但陶瓷是脆性材料，成形和加工极其困难 金属是中高密度材料，镁合金、铝合金和铍合金的密度和塑料较接近。大部 分的金属有良好的热稳定性，在合金状态具有一定的耐腐蚀性能。金属材料有较优 良的力学性能，成型性和连接性较好。金属材料作为工程材料应用时，常常需要考虑 其抗裂纹扩展性能和持久性能。基于上面的比较可以发现

9、，每一类材料都有其优点和缺点。对于设计者来说，金 属材料相对塑料和陶瓷材料比较成熟。由于复合材料在复合过程中既综合各组分材 料的优点，又同时减少其不利影响。因此，复合材料具有比传统材料优异的性能。复 合材料的性能取决于基体和增强体的特性、含量和分布等因素，归纳有以下特点7: 高比强度、比模量。复合材料的突出优点是比强度和比模量（分别为强度、模量与密度之比高。如密度只有 1畅80g/cm3的碳纤维的强度可达到 37005500MPa石墨纤维的模量可达550GPa;硼纤维、碳化硅纤维的密度为2畅 503畅40g/cm3模量为350450MPa。加入高性能纤维作为复合材料的主要承载体 使复合材料的比

10、强度、比模量较基体的比强度、比模量成倍地提高。用高比强度、 比模量复合材料制成的构件质量轻、刚性好、强度高，是航天、航空技术领域理想的结构材料。 各向异性。纤维增强复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等方面具有明显的各向异性。通过铺层设计的复合材料，可能出现各种形式和不同程度的各向异 性。各向异性这一特性使复合材料及其结构的力学行为复杂化，但也可作为一种优 点在设计时加以利用。因为结构的形式、加载方式、边界条件和使用要求不同，结构在不同方向对强度、刚度的要求也往往不同，如采用合理的铺层可在不同的方向 分别满足不同的设计要求，使结构设计得更为合理，能明显地减轻重量，更好地发挥结 构的效能。 抗疲

11、劳性好。金属材料的疲劳破坏是没有明显预兆的突发性破坏，而纤维复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展。因此，纤维复合材料疲劳破坏总是从 纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料 的疲劳极限是其抗拉强度的40% 50%,而复合材料可达70%80%。 减振性能好。构件的自振频率除了与其本身结构有关外，还与材料比模量的平方根成正比。纤维复合材料的比模量大，因而它的自振频率很高，在通常加载速率 下不容易出现因共振而快速脆断的现象。同时复合材料中存在大量纤维与基体的界 面,由于界面对振动有反射和吸收作用，所以复合材料的振动阻尼强，即使激起振动也 会很快衰减。 可设计性强

12、。通过改变纤维、基体的种类及相对含量，纤维集合形式及排布 方式等可满足复合材料结构与性能的设计要求。复合材料的高比强度、高比模量特点是由这种材料在受力时高强度、高模量的 增强纤维承受了大部分载荷，基体只是作为传递和分散载荷给纤维的媒介所致。如 聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，抗拉强度可从600MPa提高到lOOOMPa，弹性模量从 3000MPa提高到8000MPa, -40C下的冲击强度可提高 10倍。总之，随着复合材料性能的不断提高，以及价格的不断降低，复合材料在各种行业 中将得到644 更加广泛的应用7。14.1.3增强纤维、增强颗粒及金属基体复合材料中的增强体按几何形状划分为颗粒状（简称

13、零维、纤维状（简称一维、 薄片状（简称二维和由纤维编制的三维立体状。下面我们主要介绍常用的增强颗粒 和增强纤维，其他两种增强体请参见有关文献57。增强纤维有玻璃纤维、碳纤维以及碳化硅纤维等。玻璃纤维和其他新型无机纤 维一样具有高的强度，但其结构决定了它的模量较低。玻璃纤维的性能可通过改变 其化学成分而得以改善。目前在复合材料中大量应用的玻璃纤维是硼硅（酸玻璃纤维，称为E-玻璃纤维。复合材料中应用量最大的是E-玻璃纤维。S-玻璃纤维（在法国称为R-玻璃纤维的某些性能比E-玻璃纤维高，热稳定性也较高,但其成本较高，限制 了它的应用范围。碳纤维是通过氧化和热解高拉伸的有机织物纤维得到的，如PAN纤维

14、，为了防止它在热解过程中的早期收缩，通过热拉伸，可以获得接近于石墨晶体结构模量理论值 的模量，但其最终强度仍然明显低于C-C键碳纤维的理论强度。考虑到缺陷对强度 的影响，生产现场的净化可以明显提高材料的拉伸强度。碳纤维在出售之前，通常采用化学或电化学氧化法进行表面处理以提高纤维和基体之间的粘结。通过控制工艺 条件进而控制微观结构，可以获得不同力学性能的纤维，满足不同复合材料的性能要 求。虽然纤维是高度无机化和石墨化的，但其结构和石墨并不完全相同。虽然碳纤 维在美国通常被称为石墨纤维，但其结构和名称是有差别的。增强颗粒主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等 非金属颗粒，如碳

15、化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。 这些颗粒增强体也被称为刚性颗粒增强体或陶瓷颗粒增强体，增强颗粒的尺寸一般在0畅1100卩m颗粒的体积百分比一般在 5% 50%。常用的颗粒增强体的性能如 表14畅1所示。表14畅1常用颗粒增强体的性能颗粒名称密度/g 畅 cm-3热膨胀系数/ X0GC -1导热系数/W (cm C-1硬度/MPa弯曲强度/MPa弹性模量/GPa碳化硅（SiC3 畅 214 畅 81 畅 82700400500427碳化硼（B4C2 畅 525 畅 73 2700300500360460碳化钛（TiC4 畅 927 畅 40 2600500-氧化铝（AI2O39畅00氮化硅（Si3N43 畅 22 畅 53 畅 20 畅 30 畅 7900330 莫来石（3AI2O3-2SiO23 畅 174 畅 2 32501200-硼化钛（TiB24畅5陶瓷颗粒的形状对颗粒增强金属基复合材料（PMMC的性能有显著的影响。图14畅3是三种颗粒的扫描电镜图，它们分别是角 状SiC颗粒、颗粒熔化后用粒子喷射凝结的方法制备的球形Al2O3颗粒和用溶胶-凝胶法制备的球形Al2O3颗粒4。由于制造工艺水平的差异，其实最常见的颗粒是具有一定长径比的不规则的多 面体颗粒。颗粒增强金属基复合材料的基体起主