复合材料-第二章-复合原理简介

第二章复合理论简介2010.11.02主要内容复合材料增强理论物理性能复合法则一、复合材料增强机制弥散增强颗粒增强纤维增强（连续纤维，短纤维）弥散增强型50x50μm颗粒增强型50x50μm弥散增强原理硬质颗粒如Al2O3，TiC，SiC阻碍基体中的位错运动(金属基)或分子链运动(高聚物基)。增强机理可用位错绕过理论解释。载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。（1）弥散增强复合材料的屈服强度

弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般Vp=0.01~0.15，dp=0.001μm~0.1μm

08537.416.70.058878.017.30.109408.518.00.2010557.621.0不同体积分数纳米粒子SiC(0.07μm)增强Si3N4(0.5μm)的性能（2）颗粒增强

颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般在颗粒增强复合材料中，颗粒直径为1~50μm，颗粒间距为1~25μm，颗粒的体积分数为0.05~0.5。颗粒的尺寸较大(>1μm)，基体承担主要的载荷，颗粒阻止位错的运动，并约束基体的变形用金属或高分子聚合物把有耐热性、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、氮化物、碳化物复合的材料时，由于强化相颗粒较大，故强化效果并不显著，但这种复材主要不是提高强度,而是为了改善耐磨性或提高综合力学性能。（3）连续纤维增强通常根据纤维形态可以分为连续纤维、非连续纤维(短纤维)或晶须(长度约为100--1000μm、直径约为1--10μm的单晶体)两类．其增强机理是高强度、高模量的纤维承受载荷，基体只是作为传递和分散载荷的媒介。

M为基体F为纤维连续纤维增强（纤维轴向模量）（1）（1）式的两边同时除以得到实际中还有不同的泊松比导致的附加应力。通过试验分析，误差小于1%~2%。测出两种玻璃纤维增强聚酯树脂体系的E1、Vf之间的线型关系复合材料纵向断裂强度可以认为与纤维断裂应变值对应的复合材料应力相等，根据混合法则，得到复合材料纵向断裂强度，即

SiC/硼硅玻璃复合材料的强度随纤维体积含量线性增加14Chapter9Composites连续纤维增强（横向模量）EmEf串联模型并联模型体积分数fr在高性能纤维增强复合材料中，纤维模量比基体树脂模量大的多，在纤维体积含量为50％～60％的复合材料中，基体对E1的影响很小，纤维对E2的影响也很小，所以可以得到近似

纤维增强复合材料横向强度

纤维对横向强度有减弱的作用。纤维在与其相邻的基体中产生的应力和应变对基体产生约束，使复合材料的断裂应变比复合前要低的多(断裂应力课本P28式2.34)

前提是基体和增强体很好的结合。

4)短纤维增强（１）作用于复合材料的载荷是作用于基体材料并通过纤维端部与端部附近的纤维表面将载荷传递给纤维。当纤维长度超过应力传递所发生的长度时，端头效应可以忽略，纤维可以被认为是连续的，但对于短纤维复合材料，端头效应不可忽略，同时复合材料的性能是纤维长度的函数。短纤维增强（２）l/lc越大，拉伸强度越大;2l/lc>>1时，拉伸强度为连续纤维的强度公式;l=lc时，短纤维增强的效果仅有连续纤维的50%;l/lc=10时，短纤维增强的效果可达到连续纤维的95%所以为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。为了使纤维的承载达到纤维的最大应力值，纤维长度必须大于临界纤维长度lc或临界长径比(lc/d)

几种典型复合材料的临界长度Lc和长径比Lc/d基体Tm

(MN/m2)

纤维σfTS

(MN/m2)

d

(μm)

Lc/d

Lc

(mm)Ag55Al2O3晶须2080021890.38Cu76钨丝290020001938Al80硼纤维2800100181.75环氧40硼纤维2800100353.5聚脂30玻璃纤维240013400.52环氧40碳纤维26007330.23

短纤维增强（３）当短纤维按不同取向程度取向分布时，短纤维的增强效率随取向程度的降低而降低。对于取向分布的短纤维复合材料，可以在混合弹性模量式中增加一个取向效率因子η0对于平行于纤维方向和垂直于纤维方向的单向板，η0分别为1和0，对于面内随即分布的纤维复合材料η0＝3/8，三维随机分布纤维复合材料η0＝1/5二、物理性能的复合法则

对于复合材料，最引人注目的是其高比强度、高比模量等力学性能。但是其物理性能也应该通过复合化得到提高。复合法则有两种：１、加权（平均）特性２、乘积（传递）特性1、加权特性

Pc为复合材料的特性，Pi为构成复合材料的原材料的特性，Vi为构成复合材料的原材料的体积分数，n由实验确定，其范围为-1

n

1。密度、热膨胀系数热传导、电导、透磁率等都属于此类。２、乘积特性把两种性能可以相互转换的功能材料――热－形变材料（以X/Y表示）与另一种形变－电导材料（Y/Z）复合，其效果是：由于两组分的协同作用得到了另一种热－电导功能复合材料，借助类似关系可以通过各种功能材料复合成各种功能复合材料

Y/X（状态1）Z/Y（状态2）传递特性（Z/X）磁/压力电阻变化/磁场压力电阻效应磁场/压力旋光性/磁场（法拉第效应）由机械负荷引起偏光面回转电场/压力发光/电场（电光亮度）压力光亮度电场/压力复折射/电场由机械负荷引起偏光面回转应变/磁场电场/应变磁电效应应变/磁场电阻变化/应变磁电阻效应温度差/磁场电场/温度差拟洞穴效应（磁电效应）应变/磁场复折射/应变磁感应折射应变/电场磁场/应变电磁效应磁场/光应变/磁场应变/光电场/光应变/电场应变/光电场/光光/电场波长变换同位素导电性/光放射线诱起电导同位素荧光放射线检测器思考题

１、弥散颗粒、颗粒增强机理是什么

２、纤维增强复合材料中，轴向和横向的强度各有什么特点３、复合材料物理性能有什么样的复合法则，分别有哪些性能适合这些法则？谢谢！三、复合材料设计原则调整复合度（参与复合的各组分的体积（或质量）分数），即改变各组分的含量调节联接方式，即增强材料的形状调节对称性－－分散相的形状调整尺度－