材料科学基础第27讲 复合材料

D,g/cm3σb,MPaE,GPa,δ,%T,℃普通玻纤2.5-2.61370-2160592-3<700高模量玻纤2.5-2.6

3830

93-108

4.4-5

<870碳纤维1.7-1.9

2260-2850

275-304

1-2<2200硼纤维1.4-1.5

2750-3140383-3920.7-0.8<980氧化铝纤维3.9

20601671000碳化硅纤维3.2

34304121200钛丝4.5

1860-1960118钨丝19.3

2160-4220343-412D=密度强度E=弹性模量伸长率T=使用温度Boeing757飞机及复合材料2023/2/3WindowsinairplaneAircraftwindowsrequirebothtransparencyandacceptablemechanicalpropertiesduetothepressurisednatureoftheaircraft.Usuallythewindowconsistsofthreelayers:aglassloadbearinglayeraback-upglassloadcarryinglayerincasethefirstlayercracksaplasticshieldontheinsidetopreventscratchingbypassengers.2023/2/3复合效应1）混合效应，即加和效应：Pc=∑(pi)nφi。其中，φi是体积份数。当n>1，复合结果大于线性加和。2）传递效应：力、磁、电、光的转换。3）界面效应：界面的浸润性、相溶性、扩散性。硝酸处理碳纤维效果（环氧基）处理方法剪切强度MPa纵向拉伸模量GPa不处理22.7（弯曲），26.8（扭转）34360%硝酸42.750.1

31670%硝酸23.3

-

1922023/2/32复合材料增强原理1）弥散增强2）粒子增强3）纤维增强2023/2/3弥散粒子增强方法：用硬质纳米颗粒（如Al2O3,TiC,SiC,碳黑等）分散到基体中。适用于金属和高分子基体。原理：对金属基体是阻碍位错运动。定量关系：剪切屈服强度:τy=Gmb/[(2dp/3φp)0.5(1-φp)]即：颗粒越细，颗粒体积分数越高，强化效果越好。实际用10-100nm颗粒，用量φp=0.01-0.15，即1%-15%。2023/2/3粒子增强加入1-50μm颗粒到金属、陶瓷或树脂中。原理：约束基体变形。定量关系：复合材料的密度ρc复合混合定律，但弹性模量Ec不符合混合定律，而是在Emφm+Epφp和EmEp/(Emφp+Epφm)之间。2023/2/3纤维增强1）长纤维增强法，即连续纤维增强法。2）短纤维增强法。2023/2/3连续纤维增强原理纤维方向的性能符合混合定律，即Ec=Emφm+Epφp垂直于纤维方向:εc=εfΦf+εmΦm故有：Ec=EmEp/(Emφp+Epφm)临界纤维体积分数：φfcr=σmu-σm*/(σfu-σm*)，其中σm*是纤维断裂时基体的应力。连续纤维复合材料力学分析2023/2/32023/2/3短纤维增强原理优点：成本低，材料是各向同性的。增强原理：纤维限制基体的变形，并承担载荷。纤维临界长度：Lc=σfudf/2τy.纤维平均应力：σ#=(1-Lc/2L)σfu复合材料应力：σc=σ#φf+σmφm例：短纤维复合材料力学分析2023/2/32023/2/33复合材料的界面1）界面结合类型：机械结合，浸润结合，反应结合，静电结合。2）界面结合改善方法：降低界面残余应力；基体改性；纤维