第2章复合材料的增强体

第二章增强材料1.增强材料的品种：1）无机纤维：（1）玻璃纤维（2）碳纤维：①聚丙烯腈碳纤维②沥青基碳纤维（3）硼纤维，（4）碳化硅纤维，（5）氧化铝纤维2）有机纤维：（1）刚性分子链——液晶（干喷湿纺）：①对位芳酰胺②聚苯并噁唑③聚芳酯（2）柔性分子链：①聚乙烯②聚乙烯醇2.玻璃纤维的分类：1）按化学组成份：有碱玻璃纤维，碱金属含量>12%；中碱玻璃纤维，碱金属含量6%~12%；低碱玻璃纤维，碱金属含量2%~6%；微碱玻璃纤维，碱金属含量<2%2）按纤维使用特性分：普通玻纤（A-GF）；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；高模玻纤（M-GF）；耐化学药品玻纤（C玻纤）……3）按产品特点分：长度（定长玻纤<6-50mm>，连续玻纤）；直径（粗纤维30μm，初级纤维20μm，中级纤维10-20μm，高级纤维3-9μm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，磨细纤维和玻璃粉）3.玻璃纤维的制备：目前生产玻璃纤维最多的方法有坩埚拉丝法（玻璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法）4.玻璃纤维的力学特性：1）玻璃纤维的拉伸应力--应变关系：玻璃纤维直到拉断前其应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段，呈脆性材料特征2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低；解释：（1）Griffith微裂纹理论：玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。

当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。

所以，缺陷尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低（2）分子取向理论：玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。

3）玻璃纤维强度特点：单丝直径越小，拉伸强度σb越高；试样测试段长度L越大，拉伸强度σb越低。

这两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应和体积效应，即体积或尺寸越大，测试的强度越低4）缺点：①强度分散性大，生产工艺影响②强度受湿度影响，吸水后，湿态强度下降③拉伸模量较低（70GPa），断裂伸长率约为2.6%5.玻璃纤维纱的常用术语、参数：（填空）1）原纱：指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱2）表示纤维粗细的指标：①支数β：指1g原纱的长度(m)，支数越大表示原纱越细②特(tex)：指1000m长原纱的质量(g)，tex数越大，纱越粗③旦、袋(den)：指9000m长原纱的质量(g)，den 数越大纱越粗3）捻度：表示纱的加捻程度，指每米长原纱的加捻数，即捻/m。

复合材料
第二章复合材料的复合原理及界面
1、弥散增强和颗粒增强的原理
1）弥散增强：复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成，荷载主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大，微粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。

2）颗粒增强：复合材料是由尺寸较大（直径大于1 m）颗粒与基体复合而成，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好；颗粒尺寸越小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。

2、什么是混合法则，其反映什么规律
混合法则（复合材料力学性能同组分之间的关系）：σc=σf V f+σm V m，E c=E f V f+E m V m式中σ为应力，E为弹性模量，V 为体积百分比，c、m和f 分别代表复合材料、基体和纤维；反映的规律：纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。

3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些
金属基复合材料界面结合方式：
①化学结合
②物理结合
③扩散结合
④机械结合。

界面改性方法：
①纤维表面改性及涂层处理；
②金属基体合金化；
③优化制备工艺方法和参数。

4、界面反应对金属基复合材料有什么影响
界面反应和反应程度（弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应）决定了界面的结构和性能，其主要行为有：
①增强了金属基体与增强体界面的结合强度；
②产生脆性的界面反应产物；
③造成增强体损伤和改变基体成分。

复合材料中基体和增强体的作用复合材料是由至少两种不同材料组成的材料，主要包括基体和增强体。

基体是复合材料的主体组成部分，起到支撑和固定增强体的作用。

增强体则是基体中的强化组分，负责提高复合材料的力学性能。

基体是复合材料的主要组成部分，起到支撑和固定增强体的作用。

基体通常是一种具有良好的柔韧性和强度的材料，如树脂、金属、陶瓷等。

基体的选择需要考虑复合材料的使用环境、应力要求以及成本等因素。

基体的性能决定了复合材料的整体性能，如强度、刚度、耐磨性等。

增强体是复合材料中起到强化作用的组分，通常是纤维、颗粒或片层状的材料。

增强体可以提高复合材料的强度、刚度和耐用性。

常见的增强体包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。

增强体的选择取决于对复合材料所需的特定性能，如高强度、高刚度或高温耐受性。

基体和增强体的相互作用是复合材料性能的关键因素。

增强体的存在增加了复合材料的强度和刚度，同时还可以提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。

基体则提供支撑和固定增强体的功能，防止其从基体中脱离。

1.机械锁定作用：基体和增强体之间的力学锁定作用是通过增强体与基体之间的相互作用力和摩擦力来实现的。

增强体的形状和分布对锁定效果起到重要作用。

2.能量转化作用：增强体能吸收和分散外部载荷作用时的能量，通过增强体和基体之间的相互作用将能量转移到基体中，从而提高了复合材料的韧性和抗冲击性能。

3.功率传递作用：增强体通过相互作用将应力传递到基体中，增加了复合材料的整体强度和刚度。

增强体的刚度和强度越高，功率传递效果越好。

4.界面作用：基体和增强体的界面对于复合材料的性能起着重要作用。

界面的结构和性质影响着基体和增强体之间的相互作用，如界面的粘着强度和亲和性。

5.互补效应：基体和增强体的不同性质和结构相互补充，共同提高了复合材料的综合性能。

增强体可以弥补基体的缺陷，提高复合材料的强度和刚度，而基体可以提供增强体所不具备的柔韧性。

综上所述，基体和增强体在复合材料中具有不可替代的作用。

图2-1复合材料的结构图2-1复合材料的结构
图2-2几种典型复合材料结构
7混合效应也称平均效应，是组份材料性能取长
单向连续纤维增强复合材料模型
14
(3)泊松比
12,I I νν
30
时对应的基
39当纤维体积含量太小时，复合材料的
破坏由基体控制，其纵向拉伸强度
mt f
为了修正误差，可采用基体模量前乘以小于1的修正系数β，即
βυ
E E
2-9单根纤维埋入基体模型受力前后变形示意图
2-10 平行于外载荷的伸直不连续纤维微元体的平衡
(a)受力前b)受力后
2-12 理想塑性基体的剪应力一应变曲线
max
()2f f t s
L d στ=能够达到连续纤维应力时的最短纤维长度定义为载荷传递长度Lt ，可以得到：
物理关系为
11C
εβ=1
f C σεβ=
+。

1.1 增强体的概念增强体的概念：复合材料中能明显提高基体材料某一性能的组元物质增强体的特征：（1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能；（2）增强体应具有稳定的化学性质；（3）与基体有良好的润湿性1.2 增强体的分类（1）颗粒类增强体（零维）性能特点：高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒复合材料性能特点：具有各向同性（2）纤维类增强体（一维）连续长纤维：长度：连续长度一般超过数百米；性能特点：沿轴向有很高的强度和弹性模量分类：分为单丝和束丝两种。

应用：成本高、性能高，只用于高性能复合材料复合材料性能特点：具有各向异性连续长纤维实例单丝：硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为95-140微米）束丝：碳纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝，单丝直径5.6-14微米）短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序)（3）晶须类增强体（一维）外形尺寸：直径0.2-1微米，长约为几十微米性能特点：有很高的强度和模量（结构细小、缺陷少）应用：陶瓷增韧（成本比颗粒高得多）实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅等复合材料性能特点：各向同性。

（4）金属丝增强体（一维）不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢丝/Al）（5）片状物增强体（二维）陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2、Si3N4/BN等。

（6）纤维编织类增强体（三维）纤维编织成的三维结构1.3 纤维类增强体具有高强度的原因（1）固体材料的理论强度：σth = (Eγ/a0)1/2纤维类增强体：Be、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化合物（常温下原子半径小、化学性质稳定）纤维类增强体理论强度高纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目都有别与同质地的块状材料内部径向最大裂纹尺寸：非常小（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）内部轴向最大裂纹尺寸：一般（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）纤维中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维主要承受轴向拉伸载荷）。