混杂复合材料

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1、混在复合材料概述：以玻璃钢为代表的现代复合材料自从上世纪四十年代问世以来，迅速发展成为一个举足 轻重的工业材料。渗透到了国民经济的各个领域。随后，以硼、碳、芳纶等纤维为增强材料 的先进复合材料在宇航、航空领域也得到了迅速发展。概念：混在复合材料是指将两种或两种以上的增强体增强同一基体或多种基体而制成的复合 材料。因此混杂复合材料可以看成是两种或多种纤维或颗粒增强复合材料的相互复合。 分类按照基体分，混杂复合材料可分为金属基混杂复合材料、陶瓷基混杂复合材料、树脂基 混杂复合材料和多种基体复合的混杂复合材料。按照增强体分，可以分为混杂纤维复合材料，混杂颗粒复合材料以及纤维和颗粒混杂复 合材料。当增

2、强体和基体都多于一种的混杂复合材料称为超混杂复合材料。混杂复合材料的结构形式研究表明，影响混杂纤维复合材料性能的因素很多，除了一般复合材料性能的影响因素 之外，还与所用混杂纤维的类型，混杂比，混杂方式有关，其中增强纤维的混杂方式也称混 杂复合材料的结构形式的影响尤为重要。混杂复合材料的结构形式大致可分为1. 层内混杂复合材料它是由两种纤维按比例均匀分散在同一基体中构成，2. 层间混杂复合材料由两种不同的单纤维复合材料单层以不同比例及方式交替铺设构 成3. 夹芯结构由一种单纤维复合材料芯层和另一种单纤维复合材料表层组成。4. 层内/层间混杂复合材料5. 超混杂复合材料 由金属材料，各种单一复合材

3、料(包括蜂窝夹芯或泡沫塑料夹芯等) 组成如铝/芳纶-环氧层合板混杂方式对力学性能影响实例：UHMWPE纤维/T300混杂复合材料的混杂方式图中小直径代表T300(7.3|J m左右)，大直径代表UHMWPE纤维(2030|J m)。层内混杂 时，两种纤维有(a)、(b)两种可能的分布形式,(a)相当于两种纤维单纤级的层内混杂，纤维在树 脂基体中分布均匀且很好地嵌合在一起，树脂基体均匀地分布于纤维之间，因此出现(a)分布 方式的混杂有利于提高复合材料的力学性能。(b)相当于两种纤维束级的层内混杂，在模压过 程中粗纤维受到的压力较大，两种纤维有趋于最紧密结构的趋向,而纤维间的空隙会被直径细 小的碳

4、纤维及树脂填充,造成树脂基体在一部分纤维的周围分布不均匀,因此混杂复合材料中 (b)不如(a)分布均匀。在制备纤维混杂复合材料时很难做到单纤级的混杂，通常是用纤维束间 的混杂方式来进行层内混杂。这种层内混杂的方式虽然使得纤维在分布均匀性上不如(a)，但 是比层间混杂方式(c)、(d)的分布均匀。在层间混杂(c)、(d)的结构中，大量的是(d)结构，在受 力时容易从UHMWPE纤维层之间开裂，因此，层间混杂复合材料的力学性能要比层内混杂复 合材料的差。UHMWPE纤维/T300混杂复合材料的弯曲强度和层间剪切强度随T300质量分数的变化图1混杂复合材料的弯曲强度图2混杂材料的层间剪切强度从以上两

5、图中可以看出，UHMWPE纤维/T300混杂复合材料的弯曲强度及ILSS随着 T300质量分数的增加而增加，在T300质量分数一定时的弯曲强度及ILSS与混杂方式有很大 的关系，层内混杂复合材料的弯曲强度及ILSS要好于层间混杂复合材料，层内混杂方式所得 复合材料的弯曲强度及ILSS比层间混杂的高11.5倍。混杂效应混杂纤维复合材料由于采用两种纤维混杂，复合材料的性能出现综合效果。某些性能， 在一定条件下符合混合律关系，而另一些性能则与混合律关系出现正的（偏高）或负的（偏 低）偏差。人们普遍地将此偏离混合律关系的现象称为混杂效应”。混杂效应是混杂纤维复合材料所特有的一种现象，不仅与材料的组分结

6、构、性能有关， 而且还与混杂的结构类型、受力形式、界面状况，以及对能量的不同响应等有关。正确理解 与应用混杂效应是发挥混杂纤维复合材料等特性的重要工作。引起混杂效应的因素混杂纤维复合材料承受各种形式载荷会引起各种破坏过程。破坏的形式多种多样，如基 体开裂、界面脱胶、纤维断裂、拔出、分层损伤、扩展及整体断裂等。这些形态可能分别发 生、也可能几个同时发生、由于混杂纤维复合材料存在两种以上纤维，增加了界面类型、界 面数、各种纤维的力学性能差异以及相互协调制约等，使由此而引起的“混杂效应”十分复杂。1. 制造工艺的热收缩一般而言，混杂纤维复合材料体系中两咱纤维的热膨胀系数存在差异，这两种纤维在复 合材

7、料固化后，由于不同的热收缩造成零载时两种纤维所处的受力状态不同。如碳纤维（CF） /玻璃纤维（GF）混杂复合后，由于热收缩造成零载时，CF受压，GF受拉。当复合材料受 力时，就会出现混杂效应。如CF/GF混杂复合材料，达到CF断裂应力时，其断裂应变提高， 而使GF的破坏应变降低，因此，制造工艺的热收缩对混杂效应有明显的影响。2. 基体的影响基体的混杂效应的关系尚没有定量的认识，一般考虑为协调两种纤维的力学行为而选用 中等模量的树脂基体。其实，复合材料很多性能与树脂基体的性能有关，而有些性能又是由 基体的性能怕决定的。由于树脂的结构不同，必然引起不同的界面效应及裂纹在树脂基体中 的行为，树脂基体

8、固化形成的不同残余应力，基体的韧性会明显影响混杂复合材料中裂纹的 传播方式，因而混杂复合材料的破坏模式也将不同。这些必然对混杂效应产生不同的影响。3. 混杂结构因素的影响混杂复合材料的断裂应变并不恒定，它和纤维的位置分布有关，一般可用混杂比和分散 度这两个结构参数表示两种纤维的位置分布。混杂比是指两种纤维相对体积分数之比。分散 度是指混杂复合材料最小复合单元厚度的倒数，在许多场合，断裂应变值随混杂体系的分 散度增加而增加，也随着混杂比变化而明显变化。研究表明，层间混杂结构的一层断裂后裂纹并不趋势传入另一层，而是转化为分层裂纹， 并且由于裂纹长度有限，经过一段距离后载荷又重新由界面传递到原层中继

9、续承载，这种现 象只在混杂结构中低伸长（LE）纤维的体积分数低于某一临界值时才有。也就是说，在脆 性纤维断裂后，基体可承受全部载荷而不发生破坏。其次，低伸长一高伸长（LE-HE）纤维 间界面具有良好的粘结性，才能有效地传递应力。再者就是混杂纤维的分散度应高于某一临 界值。如在层间混杂中的CF的绝对厚度必须小到一定的程度才能得到多重断裂模式，而夹 芯混杂如夹芯厚度超过三层则几乎看不到混杂效应一当然对导观众混杂是很容易观察到的。混杂比对热效应是明显的。在GF/CF比值较大的混杂复合材料中，热收缩造成的内应 力较大，因此热效应也较大，当然对混杂效应也不。如层内混杂和夹芯混杂时，在GF/CF 比值相等

10、的条件下，是热效应引起的残余应力，在层内混杂中它均匀地分布在整个体系内， 而夹层混杂则主要集中在芯层与表层的界面，因此产生的各种效应也各不相同。表1 CF/UHMWPEF为75/25时的复合材料的力学性能表2 CF/UHMWPEF为50/50时的复合材料的力学性能从以上上两个表中可以看出，除了冲击韧性以外，其他力学性能均是碳纤维含量高的复 合材料好。这是由于复合材料的力学性能主要取决于增强纤维。当复合材料承受外载荷时， 增强纤维起主要承受载荷的作用。碳纤维具有很高的强度和模量，而UHMWPEF具有高的断 裂韧性。碳纤维在复合材料中的体积含量高，拉伸性能、弯曲性能和压缩性能均高，冲击性能 则低。

11、图3层内混杂复合材料冲击强度与压缩强度从图3可以看出，混杂复合材料的压缩强度随着碳纤维质量分数的增加而增加，冲击强 度随着T300质量分数的增加出现一个最大值。当混杂纤维中UHMWPE纤维的质量分数相 对于T300为43%时冲击强度有一个最大值423.3kJ/m2,这时所得混杂复合材料兼有碳纤维与 树脂基体黏接性好及UHMWPE纤维冲击韧性好的优点。4. 界面状态的影响混杂纤维复合材料的界面，从概念上说与复合材料的界面含义是一样的；但它又有特殊 的地方，由于混杂纤维复合材料由多于一种的纤维以不同的混杂形态进行复合，因此在复合 材料中所造成的界面将有几种不同的类型，且有不同的界面数。界面数的多少

12、是混杂纤维复合材料的特征参数，而界面的状态一纤维和基体间粘合效应 等将在混杂复合材料的热性能、物理性能等方面引起不同效果。如果界面粘合情况好，可以提高纤维粘合性能的界面值并降低分散度的临界值。这必然 反映到混杂结构因素与混杂效应的关系上。一般认为CF/GF的界面的脱胶范围随着分散度 的增加和CF体积分数降低而减少。另外，有人认为，混杂复合材料中的低伸长纤维断裂时 会产生强烈的声发射，而不同的纤维具有不同的弹性模量和密度，因此将会对低伸长纤维断 裂产生的应力波表现出不同的动态响应，即出现应力幅值差和相位差，从而在邻近纤维中所 引起的动应力集中系数也不同。根据所提出的模型进行数学推导，找出纯低伸长

13、复合材料和 混杂复合材料的动应力集中系数，并用它们的比值表示混杂效应。混杂复合材料的特性混杂复合材料最大的特点就是多种材料性能的兼容性，可以最大限度的针对不同的应用 条件和要求，进行复合材料结构设计，充分发挥混杂增强体和基体的性能，获得具有更好的 综合性能及更高性价比的复合材料，甚至包括同时兼有相反性能的复合材料，如导电和绝热， 强度优于钢而弹性优于橡胶等性能。一、改善复合材料的性能通过两种或多种增强体、两种或多种基体混杂复合，依据组分，含量，复合结构类型的 不同可得到不同的混杂复合材料，以提高或改善复合材料的某些性能。1. 提高复合材料的强度和韧性碳纤维复合材料的冲击强度低，在冲击载荷下呈明

14、显的脆性破坏形式，如在该复合材料 中用15%的玻璃纤维与碳纤维混杂，其冲击韧性可以得到改善，冲击强度可提高2-3倍。 同时纤维混杂也可以是拉伸强度及剪切强度都相应的提高。例如:碳纳米管/碳纤维增强环氧基复合材料的界面剪切强度(IFSS)可达到106.55Mpa, 比T300复合材料大150%。油棕榈纤维/玻璃纤维混合双层复合材料拉伸强度、杨氏模 量和断裂延伸率都有所提高。对于拉伸强度和杨氏模量一一正的混杂效应；对于断裂延伸率 负的混杂效应。随着玻璃纤维的增多，材料的抗冲击性能也有所提高。在玻璃纤维层做 冲击试验比在油棕榈纤维上得到更高的冲击性能和更正的混杂效应。芳纶纤维的加入对芳纶-木粉/HD

15、PE混杂复合材料的各项力学性能都有明显的提高。当 未改性KF的含量为3%(质量分数,下同)时,复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲 模量、缺口及无缺口冲击强度分别较未添加KF的木塑复合材料(WPC)提高了12.1%、28.7%、 39.7%、56.6%、42.8%和52.3%。接枝处理后的KF比未接枝的KF对KWPCs的力学性能改善更加 显著。当接枝KF的含量为3%时,复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、缺 口及无缺口冲击强度分别提高了59.4%、60.5%、60.4%、76.5%、44.6%和78.8%。2. 提高复合材料的疲劳强度相对于普通纤维复合材料，混杂纤维复合材

16、料的疲劳强度大为提高，在某些特定纤维含 量及混杂形式下，混杂纤维复合材料的疲劳强度可高于构成它的普通纤维复合材料中的最高 者。例如，玻璃纤维复合材料的疲劳强度为非线性递减。由于碳纤维具有较高的模量和损伤 容限，若引入50%的碳纤维，混杂复合材料的疲劳强度将转变为现行递减，其循环应力会 有较大提高，当加入2/3的碳纤维后，其疲劳强度可接近单一碳纤维复合材料的水平。3. 增大复合材料的刚度高级增强纤维一般具有高模量，它的加入可使普通纤维复合材料的刚度大大提高，尤其 是夹芯结构的混杂复合材料更是如此，如玻璃纤维复合材料的模量一般较低，在一些主承力 构件上的应用受到限制，但如加入50%的碳纤维作为表层，复合成夹芯形式，其模量可达 到碳纤维复合材料的90%，因此可用这种混杂复合材料制造易失稳破坏的大型薄板或薄壳。4. 改善复合材料的热膨胀性能碳纤维，芳纶纤维