第3章复合材料力学性能的复合规律2013

1、第三章第三章复合材料力学性能复合材料力学性能的复合规律的复合规律邮箱：邮箱：密码：密码：20122012课件及作业下载：课件及作业下载：1、复合材料的复合效应、复合材料的复合效应2、复合材料的结构与复合效果、复合材料的结构与复合效果3、模型与性能的一般规律、模型与性能的一般规律简要回顾简要回顾:第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律基本要求基本要求: :了了 解：解： 复合材料物理和化学性能的复合规律复合材料物理和化学性能的复合规律 超细粒子对复合材料力学性能的影响超细粒子对复合材料力学性能的影响重重 点点: : 连续纤维增强复合材料的力学复合连续纤维增强复合材料

2、的力学复合 短纤维增强复合材料的力学复合短纤维增强复合材料的力学复合 粒子复合材料的力学性能粒子复合材料的力学性能 复合材料力学复合的其他问题复合材料力学复合的其他问题难难 点点: : 纤维增强复合材料的力学复合，复合材料物理和纤维增强复合材料的力学复合，复合材料物理和化学性能的复合规律化学性能的复合规律 研究层次：研究层次：第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律 宏观侧重于宏观侧重于对材料实际物理化学等性能的测试研究性能的测试研究 微微 观观根据材料微观结构以及组成结构的各组份间的相互作用对材料的“平均性能平均性能”进行预测进行预测，而非准确的设计数据 研究模型

3、及方法：研究模型及方法： 细观力学结构模型细观力学结构模型 一种理想的情况：增强体均匀、细弹性、各向同性、间隔相、排一种理想的情况：增强体均匀、细弹性、各向同性、间隔相、排列整齐等等；基体均匀、细弹性、各向同性等等。在处理的方法上则列整齐等等；基体均匀、细弹性、各向同性等等。在处理的方法上则采用采用“材料力学材料力学”方法和方法和“弹性理论弹性理论” 宏观宏观模型结构模型模型结构模型 材料中存在孔隙、脱粘以及残余应力等诸多缺陷材料中存在孔隙、脱粘以及残余应力等诸多缺陷第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律本章主要是从细观力学的角度，采用“材料力学”方法和“弹性理论

4、”的方法，根据材料的组分、结构根据材料的组分、结构来确定纤维增强、粒子增强复合材料的弹性模量以及强度弹性模量以及强度等力学性质。基本参数含义：基本参数含义： 作为单向纤维复合材料，其主弹性常数为：作为单向纤维复合材料，其主弹性常数为： 材料的主强度值为：材料的主强度值为：1E - 纵向弹性模量 2E - 横向弹性模量 12 - 主泊比 12G- 面内剪切模量 u1u212 - 纵向强度（拉、压） - 横向强度（拉、压） - 剪切强度3.1 连续纤维增强复合材料的力学复合连续纤维增强复合材料的力学复合第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.1 单向板的力学性能

5、单向板的力学性能 1、纵向弹性模量纵向弹性模量E1单向板模型产生的应变（外力作用下长度变化量）1fm各部分承受的应力：各部分的弹性模量：mf,1 mfEEE,1对于复合材料有：对于复合材料有：对于基体材料有对于基体材料有： 对于对于 增强体增强体 有：有：111 EmmmEfffE（1.1）（1.2）（1.3）第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.1 单向板的力学性能单向板的力学性能 1、纵向弹性模量纵向弹性模量E1根据力的合成原理根据力的合成原理:mmffAAA1AAVff/AAVmm/1mfVV； 定义：定义：)1 (1fmffmmffVVVV)1 (

6、11fmmfffmmmfffVEVEVEVEE)1 (1fmffmmffVEVEVEVEE符合加合规律符合加合规律（1.4）（1.5）（1.6）第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.1 单向板的力学性能单向板的力学性能 1、纵向弹性模量纵向弹性模量E1； 复合材料的复合材料的横向收缩产生的附加应力横向收缩产生的附加应力对材料对材料纵向模量纵向模量的影响的没有考虑在的影响的没有考虑在内内影响小于影响小于12%，可忽略不计可忽略不计第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.1 单向板的力学性能单向板的力学性能 2、横、横向弹性

7、模量向弹性模量E2结构简化模型结构简化模型产生的应变产生的应变： （2.1）（2.2）mf222mmffEEE22222;基体的应变：增强体应变：复合料应变：承受的应力：承受的应力：第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.1 单向板的力学性能单向板的力学性能 2、纵向弹性模量纵向弹性模量E2材料宽度材料宽度W上变形是由增强体和基体共同产生的：上变形是由增强体和基体共同产生的：mfWWWWVWVWVWVWfmffmmff)1 ()()()(2)1 (2fmffmmffVVVVmmffEVEVE21（2.3）（2.5）mmffEEE22222;基体的应变：增强体

8、应变：复合料应变：mf222第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.1 单向板的力学性能单向板的力学性能 2、纵向弹性模量纵向弹性模量E2第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.1 单向板的力学性能单向板的力学性能 2、弹性模量弹性模量E1， E2mmffEVEVE21高性能纤维复合材料，由于高性能纤维复合材料，由于Ef EmmmffVEEVEE/21)1 (1fmffmmffVEVEVEVEE第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.1 单向板的力学性能单向板的力学性能 3、单向板的主泊

9、松比单向板的主泊松比主泊松比定义为主泊松比定义为: :1212/mfWWW212 1()()fffm mmfffm mmWWWWWVWV （） （）mf1mmffVV12宽度变形宽度变形 = = 增强体增强体+ +基体基体212 1()()fffmmmfffmmmWWWWWVWV （） （）212 1()()fffm mmfffm mmWWWWWVWV （） （）212 1()()fffmmmfffmmmWWWWWVWV （） （）第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.1 单向板的力学性能单向板的力学性能 4、单向板的剪切模量单向板的剪切模量12G条件：条

10、件：基体及增强体所承剪切应力相等基体及增强体所承剪切应力相等，满足线性关系满足线性关系)()(WVWVDDWDmmffmf材料总剪切变形：材料总剪切变形：其中：其中：为复合材料的剪切应变；为复合材料的剪切应变；W为试样的宽度为试样的宽度复合材料、基体及增强体所受剪切应力相等：复合材料、基体及增强体所受剪切应力相等：第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.2 材料力学法预测材料力学法预测 E1, E2的修正的修正在材料力学进行复合材料弹性性能的讨论时，没考虑复合材料横向收缩产生在材料力学进行复合材料弹性性能的讨论时，没考虑复合材料横向收缩产生的附加应力对材料纵

11、向模量的影响，的附加应力对材料纵向模量的影响，Ekavall 进行修正：进行修正：E1，E2的修正结果分别如下：的修正结果分别如下： 1=ffmmEEVEV221mmmEE其中其中 ，m为基体的泊松比；为基体的泊松比；m= 0.3时修正量不大时修正量不大)1 ( 2fffmmfVEVEEEE其中其中 ，m为基体的泊松比；与实验结果更符合为基体的泊松比；与实验结果更符合2 1mmmEE第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能材料力学法分析单向板的强度性能 由于复合材料在横向的拉伸、剪切刚度和强度要比纵向的小得多，因此由于复合材

12、料在横向的拉伸、剪切刚度和强度要比纵向的小得多，因此单向的复合材料应用得很少。单向的复合材料应用得很少。前者取决于基体，后者取决于纤维的性质。前者取决于基体，后者取决于纤维的性质。一、一、单向板的纵向拉伸强度单向板的纵向拉伸强度u1符号及其意义：符号及其意义：材料材料 破坏前破坏前 单向板承受的应力单向板承受的应力 纤维纤维 破坏前破坏前 纤维纤维 承受的应力承受的应力 基体基体 破坏前破坏前 基体基体 承受的应力承受的应力单向板平行单向板平行轴向纤维轴向纤维的拉伸破坏应力的拉伸破坏应力平行于平行于纤维轴向纤维轴向的拉伸破坏应力的拉伸破坏应力平行于平行于基体轴向基体轴向的拉伸破坏应力的拉伸破坏

13、应力基体破坏时纤维基体破坏时纤维承受的拉伸应力承受的拉伸应力 纤维破坏时纤维纤维破坏时纤维承受的拉伸应力承受的拉伸应力mfumufumf1111fmuufumfm第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能材料力学法分析单向板的强度性能1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度复合材料、纤维及基体的应变、强度以及模量满足以下关系：复合材料、纤维及基体的应变、强度以及模量满足以下关系：mf1mmmEfffE)1 (1ffffmmmmffVEVEVV 在外力作用下，复合材料的强度取决于基体以及纤维的性能

14、，主要是在外力作用下，复合材料的强度取决于基体以及纤维的性能，主要是材料的应变情况材料的应变情况第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能材料力学法分析单向板的强度性能1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度（1） 在在纤维断裂纤维断裂前，先发生前，先发生基体的断裂基体的断裂，此时所有载荷转，此时所有载荷转移到移到纤维纤维上。材料最终的状态取决于材料中纤维的体积上。材料最终的状态取决于材料中纤维的体积含量含量 a) Vf 低，纤维不能承受载荷，被破坏，复合材料强度低，纤维不能承受载荷，被破坏，复

15、合材料强度为：为： b) Vf 高高，纤维承受载荷不被破坏，此时复合材料的强，纤维承受载荷不被破坏，此时复合材料的强度为度为：fV 临界体积分数临界体积分数第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能材料力学法分析单向板的强度性能1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度（2） 在在基体断裂前基体断裂前，先发生，先发生纤维的断裂纤维的断裂，此时所有，此时所有载荷转移到载荷转移到基体基体上。材料最终的状态取决于材料中上。材料最终的状态取决于材料中纤维的体积含量纤维的体积含量 a) V a) Vf f

16、高，基体不能承受载荷，被破坏，复合高，基体不能承受载荷，被破坏，复合材料强度为材料强度为： b) V b) Vf f 低，基体承受载荷，不被破坏，复合材低，基体承受载荷，不被破坏，复合材料强度为料强度为：fV 临界体积分数临界体积分数第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能材料力学法分析单向板的强度性能2、单向板纵向拉伸中纤维的拔出单向板纵向拉伸中纤维的拔出假设假设：基体纤维长度为基体纤维长度为le 、纤维直径为纤维直径为2r、强度强度fu 、 界面剪切度界面剪切度、破坏拉力破坏拉力 r2=2r le lc=fu r/2第第

17、3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能材料力学法分析单向板的强度性能3、单向板的横向拉伸强度单向板的横向拉伸强度 特点特点：无法直接计算，横向强度小于基本强度，纤维具有负增强作用。：无法直接计算，横向强度小于基本强度，纤维具有负增强作用。 界面效应弱时，界面效应弱时，由基体决定材料的横向拉伸强度由基体决定材料的横向拉伸强度。此时，材料的强度。此时，材料的强度，可简单计算为：可简单计算为： 2u=mu 1-2（Vf/）1/2 根据应变放大理论，可以证明：根据应变放大理论，可以证明：Vf 增加，增加，2u 降低降低 提高强度方法：

18、提高强度方法： 弹性微粒改性体增强弹性微粒改性体增强 增强体一基体界面采用过渡层，消除应力集中效应增强体一基体界面采用过渡层，消除应力集中效应第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能材料力学法分析单向板的强度性能4、单向板的纵向压缩强度单向板的纵向压缩强度第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能材料力学法分析单向板的强度性能4、单向板的纵向压缩强度单向板的纵向压缩强度第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.3 材料力学法

19、分析单向板的强度性能材料力学法分析单向板的强度性能5、单向板的横向压缩强度单向板的横向压缩强度2u 取决于作用力与纤维的方向取决于作用力与纤维的方向6、单向板的偏轴拉伸强度单向板的偏轴拉伸强度 对于大多数复合材料对于大多数复合材料 1u2 cos4/1u2（1/u21/1u2）sin2cos2sin4/2u2-1/2 在在介于介于812 上式可表达为：上式可表达为：u0.5usin2第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.4 单向板断裂韧性的一般概念单向板断裂韧性的一般概念1、断裂表面能（断裂表面能（） 衡量材料断裂韧性或抗裂纹护层衡量材料断裂韧性或抗裂纹护

20、层阻力的度量阻力的度量。 定义为：产生单位自由表面所需求定义为：产生单位自由表面所需求的最小能量，的最小能量， 单位：单位：千焦千焦/米米2 R2断裂阻力断裂阻力 Gc 称为断裂能量称为断裂能量 对于复合材料对于复合材料 R1 VfRfVmRm 第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.1.4 单向板断裂韧性的一般概念单向板断裂韧性的一般概念2、断断裂力学裂力学 裂纹扩展的能量条件裂纹扩展的能量条件：能量释效率：能量释效率 Gs 断裂表面能断裂表面能R 临界条件临界条件: G=Gc=R 应力强度应力强度因因子子：KIu 各相同性材料的张开型裂纹：各相同性材料的张开

21、型裂纹： 临界破坏状态临界破坏状态： u 小裂纹薄板承受拉伸载荷情况：小裂纹薄板承受拉伸载荷情况： 破坏时破坏时： 裂纹转向条件：裂纹转向条件： EGKI222IccKEGERE第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.2 面内随机分布纤维单层板的弹性性能面内随机分布纤维单层板的弹性性能20)(2dEE模量预测：模量预测： )(E取向板随取向变化的弹性模量取向板随取向变化的弹性模量对同一对同一fV值有：值有： 4222112411)21(1)(1SESCEGCEEcosCsinS其中其中第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.2 面

22、内随机分布纤维单层板的弹性性能面内随机分布纤维单层板的弹性性能4222112411)21(1)(1SESCEGCEEAkasaka简化式简化式：218583EEE214181EEG纤维的体积含量纤维的体积含量Vf的影响是通过其对的影响是通过其对E1、E2的依赖关系体现的的依赖关系体现的第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.3 短纤维增强复合材料的力学复合关系短纤维增强复合材料的力学复合关系短纤维增强复合材料短纤维增强复合材料： 增强体（或功能体）具有增强体（或功能体）具有一定长径比一定长径比的复合系统的复合系统第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料

23、力学性能的复合规律3.2 面内随机分布纤维单层板的弹性性能面内随机分布纤维单层板的弹性性能1、纤维长度的定义、纤维长度的定义iiNiiiN LLNNL长度为 的纤维数量iiWiiiW LLWWL 长度为 的纤维质量3.2.1 短纤维复合材料中纤维的长度分布短纤维复合材料中纤维的长度分布 纤维的数均长度：纤维的数均长度： 纤维的重均长度：纤维的重均长度：第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.2 面内随机分布纤维单层板的弹性性能面内随机分布纤维单层板的弹性性能间接法纤维长度测定直接法第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.2.2 短

24、纤维复合材料中的纤维取向分布短纤维复合材料中的纤维取向分布 在讨论注射成型的短纤维增强复合材料的纤维取向分布特性时，需在讨论注射成型的短纤维增强复合材料的纤维取向分布特性时，需要在三维方向上加以描述。要在三维方向上加以描述。定义方法有定义方法有21、纤维的取向分布、纤维的取向分布由方位角由方位角，定义取向定义取向由纤维截面形状和方位角定义由纤维截面形状和方位角定义)arctan(plt2a2bxyarcsin( )ba第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律2、复合体系在流动过程中的纤维取向、复合体系在流动过程中的纤维取向流速分布流速分布高粘度层高粘度层流头的流向流

25、头的流向流道壁流道壁与流动状态密切相关，如：注射过程中与流动状态密切相关，如：注射过程中缺陷：分布不均匀，应力和力学性质发生取向缺陷：分布不均匀，应力和力学性质发生取向3.2.2 短纤维复合材料中的纤维取向分布短纤维复合材料中的纤维取向分布第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.2 面内随机分布纤维单层板的弹性性能面内随机分布纤维单层板的弹性性能3.2.3 纤维端部的应力分布纤维端部的应力分布理论及其实验研究表明：理论及其实验研究表明：纤维端头效应明显，不可忽视，影响增强效果，断裂作用。纤维端头效应明显，不可忽视，影响增强效果，断裂作用。Cox用用“剪切滞后分析

26、剪切滞后分析”得得沿纤维方向，沿纤维方向，X位置的位置的拉伸压力拉伸压力:剪切应力剪切应力:1cosh211cosh2fxfmlxEl)21cosh()21sinh()ln(221lxlrREGEfmmf x=0, fx=0 ；x=l/2, =0 沿纤维方向，随着沿纤维方向，随着x增加，拉伸压力增加，剪切应力减小增加，拉伸压力增加，剪切应力减小第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合单向短纤维复合材料的力学复合 1、短纤维复合材料的弹性性能、短纤维复合材料的弹性性能 单向短纤维复合材料的纵向弹性性能单向短纤维复合材料的纵向弹性

27、性能当当 时，时， 对短纤维复合材料有：对短纤维复合材料有： 对连续纤维复合材料有：对连续纤维复合材料有： 所以：所以：mfEE当当 时，时， mfEE01lffmfEE VEV 0取向效率因子 取向短纤维复合材料的弹性性能取向短纤维复合材料的弹性性能3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合单向短纤维复合材料的力学复合1、短纤维复合材料的弹性性能、短纤维复合材料的弹性性能第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律0103815 平行与纤维方向垂直于纤维方向面内随机分布纤维复合材料三维随机分布纤维复合材料3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合单向短纤维复合材料的力学复

28、合2、短纤维复合材料的强度性能短纤维复合材料的强度性能第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律当当l lc 时，时， 纤维的平均应力为：纤维的平均应力为： 复合材料承受的最大应力为：复合材料承受的最大应力为：ufm)( 纤维受拉应力作用达到它的拉伸屈曲破坏纤维受拉应力作用达到它的拉伸屈曲破坏应力时基体应力时基体 所受应力所受应力3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合单向短纤维复合材料的力学复合第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律2、短纤维复合材料的强度性能短纤维复合材料的强度性能() ,uufm fcfll V当且达到一定值时，纤维

29、起增强作用。0() ,uufmfV当时，只有基体承载。 短短1()2uuucffmfmllVV当时，短纤维的增强效果仅为长纤维增强时的一半。 短短2 ,10.750.75uucfffllVV当且时，短纤维的增强效果仅为长纤维增强时的倍。 短短 短短3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合单向短纤维复合材料的力学复合第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律2、短纤维复合材料的强度性能短纤维复合材料的强度性能 短短当当 l lc 时，时，mufmfufuVV）（1()20()10uucmfmuufmfufllVVV当时，短纤维不起增强作用，只有基体承载。时，时，。12c

30、uuffmmclllVVlf在时，短纤维不起增强作用，反而减少了相当于V的基体的承载能力，。3.3 粒子复合材料的力学性能粒子复合材料的力学性能 第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律212.514.1mffEEVV15 118 101fmmmfVEEV Guth：适用于粒径较大及物料刚性较大的粒子复合材料适用于粒径较大及物料刚性较大的粒子复合材料 Kerner：复合材料中的粒子刚性远大于基体刚性时，复合材料中的粒子刚性远大于基体刚性时， 适用于无机填料聚合物体系适用于无机填料聚合物体系 Nielsen：除了粒子的形状之外，粒子的聚集状态、粒子与基体除了粒子的形状

31、之外，粒子的聚集状态、粒子与基体的模量特性等均对材料的性能有重要的影响的模量特性等均对材料的性能有重要的影响11fmfABVMMBV3.3.1 粒子复合材料的弹性性能粒子复合材料的弹性性能3.3 粒子复合材料的力学性能粒子复合材料的力学性能 第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.3.2 粒子复合材料的强度特性粒子复合材料的强度特性在粒子复合材料中，粒子对其强度的影响有两种情况：在粒子复合材料中，粒子对其强度的影响有两种情况：1、粒子表面呈惰性的复合体系、粒子表面呈惰性的复合体系Nielsen公式：公式：2/31fmVSPawderBeecher提出了以临界纵横

32、比为界面的两个估算式：提出了以临界纵横比为界面的两个估算式：1,112cmfmfVV时,112ccffmfVV时2、粒子表面呈活性的复合体系、粒子表面呈活性的复合体系3.3 粒子复合材料的力学性能粒子复合材料的力学性能 第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.3.3 粒子复合材料的延伸率粒子复合材料的延伸率Nielesn 对粒子复合材料设想为粒子对粒子复合材料设想为粒子与聚合物基体与聚合物基体完全粘结和无粘结两完全粘结和无粘结两种模型种模型，并提出了适合于各个类型，并提出了适合于各个类型延伸率延伸率的理论公式：的理论公式： 完全粘结体系完全粘结体系 =u/E 无

33、粘结体系无粘结体系 m（1- Vf 1/3） 左左图显示图显示 粘粘无粘无粘3.3 粒子复合材料的力学性能粒子复合材料的力学性能 第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.3.4 超细粒子对复合材料力学性能的影响超细粒子对复合材料力学性能的影响超细粒子的体积和表面积与通常粒超细粒子的体积和表面积与通常粒子相比，表现出特有的子相比，表现出特有的体积效应和体积效应和表面效应表面效应。作用效果：作用效果：具有极强的表面活性具有极强的表面活性；粒子目身易发生集聚而不易分粒子目身易发生集聚而不易分散到聚合物基体中散到聚合物基体中。3.4 复合材料力学复合的其他问题复合材料力

34、学复合的其他问题第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律一、抗冲击特性一、抗冲击特性二、撕裂强度二、撕裂强度三、蠕变特性三、蠕变特性四、疲劳特性四、疲劳特性五、五、 硬度硬度六、摩擦系数六、摩擦系数试验方法：试验方法：悬臂梁、简之梁、杜邦和落球冲击等支配因素：支配因素：裂缝的传播裂缝的传播提高的措施：提高的措施：提高填料和聚合物的粘结性提高填料和聚合物的粘结性Nielsen 估算了复合材料的儒变估算了复合材料的儒变（t）m(t)Em/Ec取决于：取决于：基体聚合物种类、填料的刚度和形态、基体聚合物种类、填料的刚度和形态、 填料与聚合物的界面粘结填料与聚合物的界面粘结

35、填料粗：摩擦系数大；填料粗：摩擦系数大；反之，摩擦系数小反之，摩擦系数小3.5 复合材料物理和化学性能的复合规律复合材料物理和化学性能的复合规律第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.5.1 密度密度复合材料密度：复合材料密度： c=m（1- Vf）+f Vf （混合规律）（混合规律） 其中其中c 复合材料密度复合材料密度； m 基体密度基体密度； f 增强体密度增强体密度 Vf增强体体积分数增强体体积分数如果以基体在复合材料中的质量分数如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数，则有：为已知数，则有： Vf =（1-Wm）m/Wmf+（1-Wm）m 所以所以

36、c =mf/Wmf+（1-Wm）m 对于其他材料如玻璃，密度也符合加合规律对于其他材料如玻璃，密度也符合加合规律 =wii （i从从1到到n）第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.5.2 热性能（热基础物性和耐热性）热性能（热基础物性和耐热性）1、热基础物性、热基础物性a）热膨胀系数热膨胀系数 =m（1-Vf）+f Vf =mf/Wmf+（1-Wm）m实测值小于实测值小于计算值原因：计算值原因：填料粒子束缚了其周围聚合物的热运动填料粒子束缚了其周围聚合物的热运动 P142 b）导热系数：重要意义导热系数：重要意义A影响成型速度影响成型速度B制备导热或隔热性制品

37、制备导热或隔热性制品 在理想情况下：在理想情况下： c=m（1- Vf）+f Vf 在实际情况下：在实际情况下： Nielsen公式公式 c/m=1+AB Vf/1-BVf 其中其中 A=KE-1；B=f/（m-1）/+（m+A）；=1+（1-Pf）/Pf2 Vf 式中式中 KE：爱因斯坦系数：爱因斯坦系数； Pf：填料的最高填充容积分数：填料的最高填充容积分数c） 比热比热 一定温度下：比热计算（复合规律）：一定温度下：比热计算（复合规律）： Cc=Cm(1- Vf)+Cf Vf 实测值不明时，可按实测值不明时，可按KaPP法计算（法计算（P144）第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律

38、复合材料力学性能的复合规律3.5.2 热性能（热基础物性和耐热性）热性能（热基础物性和耐热性）2、耐热性、耐热性 （复合材料主要目的之一复合材料主要目的之一）a）表征耐热性的物理量：表征耐热性的物理量：玻璃化温度玻璃化温度Tg.宏观：Tg指聚合物玻璃态转变为高弹态的特征温度微观：Tg指高分子链段开始运动的温度b）填料对玻化温度的影响：填料对玻化温度的影响：一般是一般是Vf大，玻化温度高大，玻化温度高. 原因原因： 1）改变界面聚合物大分子的活动能力，改变玻化温度 2）填料与聚合物的作用力阻隔聚合物分子链的运动，提高玻化温度。实际应用中，可采用实际应用中，可采用热变形温度作为材料耐热性的指标热变形温度作为材料耐热性的指标。 热变形温度：热变形温度：1.86MPa或或0.46Mpa，材料变形达到一定尺寸时的，材料变形达到一定尺寸时的温度。温度。3.5 复合材料物理和化学性能的复合规律复合材料物理和化学性能的复合规律第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律3.5.3 燃烧特性燃烧特性a）聚合物的燃烧特性聚合物的燃烧特性 燃烧过程：分解、燃烧。燃烧过程：分解、燃烧。 阻燃性判据：氧指数，取决于聚合物本身结构和热分解机理。阻燃性判据：氧指数，取决于聚合物本身结构和热分解机理。b）填料对燃烧特性的影响填料对燃烧特性的影响 A三氧化二锑：三氧