混杂复合材料

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。当增强体和基体都

2、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，各种单一复合材料（包括蜂窝夹芯或泡沫

3、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(7.3m左右),大直径代表UHMWPE纤维(2030m)。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纤维及树脂填充,造成树脂基体在一部分纤维的周

4、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图中可以看出,UHMWPE纤维/T300混杂复合材

5、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构、性能有关，而且还与混杂的结构类型、受力形式、界面状况，

6、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

7、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

8、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

9、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，

10、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。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

11、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。界面数的多少是混杂纤维复合材料的特征参数，而界面的状态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

12、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

13、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

14、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/ HDPE 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

15、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

16、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，芳纶纤维等沿轴向具有负的热膨胀系数，

17、如与具有正热膨胀系数的纤维混杂便可以得到预定热膨胀系数的材料，甚至零热膨胀系数的材料，这种材料对制造一些飞机、卫星、高精密设备构件非常重要，如探测卫星上的摄像机支架系统就是由零膨胀系数的混杂复合材料制成的，它可使焦距不受太空温度剧烈交变的影响，保证精度5提高材料的破坏应变碳纤维复合材料具有较低的破坏应变，引入玻璃纤维后，由于混杂效应，复合材料的破坏应变可以提高40%6. 提高材料的耐磨性颗粒增强复合材料可以显著提高材料的耐磨性， A12O3短纤维和石墨颗粒混杂增强ZL109（铝合金）复合材料通过加入低含量（0.3）的稀土可以使复合材料的磨损体积降低，随着载荷的逐渐增加，稀土加入对复合材料磨损体

18、积损失的影响逐渐降低。图所示为不同载荷下稀土含量对复合材料磨损体积损失的影响。由图可看出，当载荷较低(8ON)时，加入较低含量(O3 )的稀土即可使复合材料的磨损体积损失明显降低；随着载荷的逐渐增加，稀土加入对复合材料磨损体积损失的影响逐渐降低。在3种不同载荷下，稀土含量在03 06 之间变化对复合材料的磨损体积损失影响并不显著，但当稀土加入量为09 时，复合材料的磨损体积损失略有增大，特别在高载荷(160 N)时更为明显。可见，加入少量稀土元素可在一定程度上改善A12O3短纤维和石墨颗粒混杂增强ZL109复合材料的耐磨性能，特别在较低载荷下，其作用更为显著，但稀土的加入量不宜太高。聚乙烯纤维

19、/金属纤维/玻璃布（PEMG）超混杂复合材料板的耐磨损性能远远优于玻璃钢板，其体积磨耗损失率仅为玻璃钢板的412，并与钢的耐干磨性能(体积损失率0.37)相等；其耐腐蚀、耐磨损性能更佳，在H2SO4溶液中浸泡3O d后进行磨耗试验时，其体积损失率仅为093%，是玻璃钢板的3.81%。而在此种酸性腐蚀环境下，钢材已不复存在。这表明PEMG超混杂复合板的耐磨损性，以及在腐蚀磨损工况条件下的性能都远优于玻璃钢板，从而为该材料在煤矿、井下及船舶制造等领域的应用打下了基础。7. 改善其他性能混杂复合材料亦可以改善材料的其他性能，如导电性，耐老化性，耐腐蚀性，如玻璃纤维复合材料，虽然属于绝缘材料，但有产生

20、静电而带点的性质，因而不能用来制造电子设备的外壳，碳纤维是导电，非磁性材料，将两种纤维混杂后，可以得到除电和防止带电的特性。又如芳纶纤维的耐老化性很差，如果加入耐老化性能好的碳纤维，就可以使复合材料的耐老化性能大大提高。用三维网状的碳化硅陶瓷（3DRC），高性能碳纤维和改性酚醛树脂（BPR）合成的一种新型超级杂交复合材料（NSHC）。结果表明，NSHC线性消融速度比单一的BPR和CF / BPR的复合材料小，例如，同一纤维含量的情况下，NSHC的线烧蚀率是CF / BPR的复合材料的50，3DRC可以提高抗腐蚀材料的能力，因为其特殊的网状结构，可以控制材料变形和加强结构的稳定性。2、 扩大构件

21、自由度与工艺实现的可能性普通复合材料构件的设计自由度较一般工程材料的自由度大，而混杂复合材料构件的设计自由度又可进一步扩大。例如高速飞机的机翼，由玻璃纤维复合材料制造，其刚度除翼尖外都可以满足，为了解决翼尖处刚度不足的问题，可以利用混杂复合材料，在翼尖处加入碳纤维可以增加刚度，较容易达到设计要求，这共混杂复合材料结构的设计，在工艺上是不难实现的，3、 降低材料成本高性能增强材料，如碳纤维，硼纤维等。它们的模量比普通的玻璃纤维高出一个数量级，但价格却比玻璃纤维高数十倍至数百倍，故用这些纤维制备的复合材料价格十分昂贵，况且其综合性能并不理想，而将少量的高级纤维加入到一般纤维复合材料中，可能得到综合

22、性能好的混杂复合材料，同时成本也大大降低。混杂复合材料的设计材料的设计是材料应用的基础，对复合材料来说，包括材料设计和结构设计两个方面，一般来说材料设计和结构设计是紧密联系在一起，材料设计一般是结构设计的一部分，而结构设计则是材料设计的延续。混杂复合材料设计还存在着混杂效应，因此增加了设计自由度，混杂复合材料是一种可设计性很强的材料，在原材料上有广阔的选择余地，即使在原材料被给定的情况下还可以通过调整铺层的角度，纤维的含量，纤维混杂化以及分散度等设计出性能不同的混杂材料对于结构混杂复合材料来说，需要具备以下条件1.力学性能优良 2.性能数据分散性小，可靠性好，3.成型工艺简单，方便。4.加工性

23、好5.经济性合理。结构混杂材料设计流程1对象（流程）：首先要熟悉对象和其所负担的职能，载荷以及载荷的分布情况。2.材料特性：是指需要了解对于具体使用条件下可选用的混杂复合材料的全部性能知识，包括材料的成本3.选择材料：在前两步中尽可能确定一种或几种方案，并按照后面的步骤选择最合适的方案。4.应力状态分析：虽然不能精确的确定构建的几何尺寸和铺层结构，但通常情况下仍能计算出作用在构件上的应力，进行应力状态分析，当无法计算应力时，应从第六项开始，首先寻找压板试探性的模型5.与结构的关系：本阶段中应该考虑构件与结构以外的其他一切关系，在使用混杂复合材料结构时，还必须考虑到作用在结构上的特殊叠加效应6.

24、几何形状的工艺性：初步定出层压板的形状，几何尺寸和结构。同时要考虑结构要求与经济现实性。7.层压板应力状态分析：利用数学手段计算整个结构和层压板中每块单层板的应力，变形和弹性特性8.强度分析：预测每块单层板的特性以及用强度准则计算与单元件逐步破坏和整体崩溃有关的安全系数。9.最终设计：用迭代方法从第六项或第四项开始，反复进行验证，最终设计出一个充分满足要求的具体结构。混杂复合材料结构设计的要求一、 结构的力学要求1.构件在使用载荷下不会发生有害变形2.疲劳变形的积累不会达到有害的程度3.结构破坏强度的可靠性以及具有足够长的安全使用寿命4.在特殊环境下使用的结构还应保证它的耐久性结构设计在力学上不仅是强度的要求，更多的是刚度的要求，刚度要求和强度要求是两个主要方面，当选择强度大的结构时，刚度同时也大，不过对强度和刚度的要求根据具体使用情况的不同将有所不同。此外由于构件在使用过程中不仅要受到静载荷的作用，还可能受到动载荷的作用，因此设计中还要考虑到冲击载荷的作用。对于设计得当的混杂复合材料来说，不仅要有较高的强度，模量还要有良好的冲击韧性。二、结构的质量要求按性能设计的结构，其性能又与结构的质量有