短纤维或晶须增强材料单向纤维复合材料
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复合材料的复合原则与机制复合材料的性能与微观相的特性、形状、体积分数、分散程度以及界面特性等有很大的关系。
在对复合材料进行设计和性能预测以及性能分析时,需要用到复合材料的一些基本理论,即复合材料的复合原则与机制。
一、颗粒增强原理颗粒增强复合材料中主要承受载荷的是基体而非颗粒。
从宏观上看,颗粒增强复合材料中的颗粒是随机弥散分布在基体中的,这些弥散的质点阻碍基体中的位错运动。
如果质点是均匀分布的球形颗粒,直径为d,体积分数为Vp,则复合材料的屈服强度可用下式表示:式中Gm为基体的切变模量,b为柏氏矢量。
可以看出,弥散颗粒的尺寸越小,体积分数越大,强化效果越好。
颗粒增强的拉伸强度往往不是增强,而是降低的。
当基体与颗粒无偶联时,可以认为颗粒最终与基体完全脱离,颗粒占有的体积可看作孔洞,此时基体承受全部载荷,颗粒增强复合材料的拉伸强度为:式中为基体的拉伸强度。
上式表明,随颗粒体积含量Vp 的增加而下降。
并且此式仅适用于Vp≤40%的情况。
有偶联时的情况比较复杂,此时材料的拉伸强度不再出现随颗粒体积含量的增加而单调下降的情况,且拉伸强度明显提高。
除了以上直接的影响之外,加入颗粒导致晶粒尺寸、空洞和晶界性能的变化也间接的影响复合材料的力学性能。
二、连续纤维增强连续纤维增强复合材料是由长纤维和基体组成的复合材料。
在工程上,一般将复合材料简化为图3的层板模型来分析其力学行为。
图3的二维层板模型有并联和串连两种考虑方式。
在串联模型中,纤维薄片和基体薄片在横向上呈串联形式,意味着纤维在横向上完全被基体隔开,适用于纤维所占百分比较少的情况;而并联模型则意味着纤维在横向上完全连通,适用于纤维含量较多的情况。
1.串联模型的弹性常数:(1)纵向弹性模量E11在串联模型中取出代表体积单元,平均应力σ1。
由材料力学知道,已知纤维材料的弹性模量E f和基体材料的弹性模量Em, 欲求单元应变ε1或纵向弹性模量E11的问题是一次超静定问题。
摘要:本文详细阐述了 SIC 复合材料的主要分类,包括 SIC 颗粒增强复合材料、SIC 纤维增强复合材料和 SIC 晶须增强复合材料等。
深入探讨了每类复合材料的特性、制备方法以及它们在航空航天、汽车工业、电子领域、能源领域和生物医学等多个重要领域的广泛应用。
分析了 SIC 复合材料在实际应用中所面临的挑战,并对其未来发展趋势进行了展望。
关键词:SIC 复合材料;分类;制备方法;应用领域1、引言在现代材料科学领域,复合材料因其能够结合不同组分的优点,从而获得优异的综合性能,已成为研究和应用的热点。
其中,SIC(碳化硅)复合材料以其出色的力学、热学和化学性能,在众多高新技术领域展现出巨大的应用潜力。
对 SIC 复合材料进行分类研究,并深入了解其应用,对于推动材料科学的发展和拓展其工程应用具有重要意义。
2、SIC 复合材料的分类2.1SIC 颗粒增强复合材料SIC 颗粒增强复合材料是将 SIC 颗粒作为增强相均匀分散在基体材料中。
常用的基体材料包括金属(如铝、镁等)和陶瓷(如氧化铝、氮化硅等)。
SIC 颗粒的加入可以显著提高基体的强度、硬度和耐磨性。
制备方法主要有粉末冶金法、搅拌铸造法等。
通过这些方法,可以使 SIC 颗粒在基体中均匀分布,形成良好的界面结合。
2.2SIC 纤维增强复合材料SIC 纤维具有高强度、高模量和耐高温的特性。
以 SIC 纤维作为增强体的复合材料在力学性能和耐高温性能方面表现更为出色。
常见的有SIC 纤维增强陶瓷基复合材料(如SIC/SiC)和 SIC 纤维增强金属基复合材料(如 SIC/Ti)。
其制备方法通常包括预制体浸渍法、化学气相渗透法等。
这些方法能够保证纤维在复合材料中保持良好的完整性和定向排列,从而有效地传递载荷,提高复合材料的性能。
2.3SIC 晶须增强复合材料SIC 晶须是一种具有高长径比的单晶纤维,具有极高的强度和韧性。
将 SIC 晶须添加到基体材料中,可以显著改善材料的断裂韧性和抗疲劳性能。
学院:材料学院专业班级:材料09-1班姓名:***学号:************复合材料概况人类进步的历史与人类应用材料的历史密切相关。
在迈向现代文明的进程中,人类经历了石器时代、铜器时代、铁器时代、合成材料时代,现已迈入应用复合材料的新时代。
长期以来,人们不断改进原有材料、开发新的材料品种,在实践中积累了丰富的应用材料的经验。
但是,任何一种单一的材料(金属、陶瓷、聚合物),虽有许多优点,但都存在着一些明显的不足,改性也往往是有限的。
随着现代科学技术的迅猛发展,对材料提出了越来越高、越来越严、越来越多的要求,既要求良好的综合性能,如高强度、高刚度、高韧性、低密度等性能,又希望能够在高温、高压、强腐蚀等恶劣的环境下服役。
这些是传统的单一材料所不能满足的。
于是人们想到将一些不同性能的材料复合起来,相互取长补短,这样就出现了复合材料。
复合材料并不是人类发明的新材料,在自然界存在许多天然的复合材料,人类使用复合材料有着悠久的历史。
复合材料定义及特点复合材料是指将两种或以上的不同材料,用适当的方法复合成一种新材料。
各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。
金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。
非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。
增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等复合材料应具有以下三个特点:①复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料,组元之间存在着明显的界面。
②复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性,并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。
③复合材料具有可设计性。
复合材料的结构通常是一个相为连续相,称为基体;而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相,与连续相相比,这种分散相的性能优越,会使材料的性能显著增强,故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)。
FRP 材料的特点纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称FRP)也称纤维增强塑料,是由短切纤维或者连续纤维及其织物与热固性或热塑性基体经过一定的工艺复合而成的一种新型材料。
利用先进的成型工艺,纤维增强复合材料可以整体成型做成各种复杂的形状,整体性较强,减少了装配的成本。
与钢材以及合金等金属材料相比,复合材料能够同时达到轻质、高强、刚度高等特点,近年来表明,先进复合材料在飞机制造业的应用迅速扩大。
复合材料及其发展由两种或两种以上不同物质经材料设计、人工组合而得到的具有新的优越性能的多相固体材料。
按此定义,通常可将结构用复合材料(Composite materials)的基本组分划分为基体材料(Matrix)和增强材料(Reinforcement)。
其中基体材料大都为连续相,主要起粘结或连接的作用;增强材料多为分散相,主要用来承受载荷,亦称增强体。
复合材料常见的分类方法有:按材料的作用,可分为主要使用其力学性能的结构复合材料和主要发挥其功能特性的功能复合材料;按基体材料,可分为树脂基、金属基、陶瓷基复合材料等;按增强体的种类和形态,可分为长纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料、层状增强复合材料及填充骨架型复合材料等。
目前研究最多、应用前景最广的是上世纪60 年代以来发展起来的所谓先进复合材料,包括以高强碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、陶瓷颗粒等高性能增强体增强的耐高温高聚物或金属、增韧的陶瓷,以及功能复合材料。
复合材料最显著的特性,是其性能(主要指力学性能、物理性能和工艺性能)在一定范围内具有可设计性,同时还具有材料与结构同一性、发挥复合效应优越性及性能对工艺依赖性等特点。
与传统材料相比,复合材料在性能上具有优势,比如比强度、比模量大,耐疲劳性能好,阻尼减震性好,破损安全性高等。
因此,复合材料已成为材料研究领域的热点,并已在航空、航天、能源、电子、海洋、汽车,乃至生物工程等方面得到了广泛应用。
复合材料组成
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上复合而成的一种新型材料。
复合材料主要由两部分组成:
•增强材料(或称为粒料、纤维或片状材料),主要用于承受载荷,提供复合材料力学性能。
增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、天然纤维、合成纤维等,以及各种金属和非金属基体。
•基体材料(或称为粘结材料),主要用于保护固定增强材料,并改善复合材料部分性能。
基体材料可以分为金属基体和非金属基体,常用的金属基体材料有钛、铝、铜、镁及其合金;常用的非金属基体材料有树脂、碳、石墨、橡胶等。
这两部分材料在复合材料中发挥着不同的作用,通过精心的组合和设计,可以显著提高材料的综合性能,使其优于各单独的组分材料。
根据增强材料的形态,复合材料大致可以分为纤维增强复合材料、细粒增强复合材料和薄片增强复合材料三类。
其中,纤维增强复合材料由纤维状增强材料和基体材料组成,其纤维材料包括玻璃纤维、石棉纤维、天然纤维、合成纤维以及碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维、晶须等。
常用的基体材料有塑料、橡胶、水泥、陶瓷、金属等。
复合材料因其比强度高、抗疲劳性和减振性好、耐高温、易成型及性能可按使用要求设计等特点,广泛应用于宇航、航空、国防、机电、建筑、化工、交通等各部门。