第二章复合材料增强体2017

复合材料中基体和增强体的作用一、引言复合材料是由两种或两种以上的不同材料组成的，其中基体和增强体是其最基本的组成部分。

基体是指复合材料中主要承受载荷的材料，而增强体则是为了增加其力学性能而添加到基体中的材料。

本文将详细探讨复合材料中基体和增强体的作用。

二、基体的作用1. 承载载荷基体是复合材料中最主要的承载载荷的材料。

它需要具备足够的强度和刚度来承受外部荷载，并且必须具有足够的韧性来防止断裂和破坏。

因此，在选择基体时，需要考虑其力学性能、化学稳定性、加工性能等因素。

2. 保护增强体在复合材料中，增强体容易受到外界环境和荷载的影响而发生破坏。

而基体可以起到保护增强体的作用，防止其在使用过程中发生损伤。

同时，基体还可以通过与增强体之间形成良好的结合来提高整个复合材料系统的力学性能。

3. 调节复合材料的性能基体的材料种类和性质可以影响复合材料的力学、热学、电学等性能。

例如，选择不同种类的基体可以使复合材料具有不同的强度、刚度和韧性等性能。

此外，基体还可以通过调节增强体的分布和排列方式来影响复合材料的力学性能。

三、增强体的作用1. 增加复合材料的强度和刚度增强体是为了增加复合材料的力学性能而添加到基体中的材料。

它通常具有高强度和高刚度，可以在很大程度上增加复合材料的整体强度和刚度。

在选择增强体时，需要考虑其与基体之间形成良好结合以及其自身特点。

2. 提高耐磨损性某些增强体具有较高的硬度和耐磨损性，在使用过程中可以有效地提高复合材料系统对摩擦磨损等外部环境因素的抵抗能力。

3. 改善阻尼特性一些特殊类型的增强体（如碳纤维）具有良好的阻尼特性，在使用过程中可以减少材料的振动和噪音，提高其使用寿命。

四、基体和增强体的协同作用基体和增强体之间需要形成良好的结合，才能发挥最佳的性能。

良好的结合可以使复合材料系统具有更高的强度、刚度和韧性等性能。

同时，基体和增强体之间还可以通过相互作用来改善复合材料系统的耐热性、耐腐蚀性等特殊性能。

复合材料增强体的作用
复合材料增强体是指在基体材料中添加的强化材料，可以包括纤维、颗粒、层状结构等。

这些增强体可以提高复合材料的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等方面的性能。

首先，添加纤维增强体可以大大提高复合材料的强度和刚度。

纤维可以分为长纤维和短纤维两种，长纤维增强体在复合材料中分布均匀，可以形成连续的纤维增强结构，提高材料的拉伸、弯曲和剪切强度。

而短纤维增强体则可以填充基体材料中的空隙，增加材料的密度和强度。

其次，添加颗粒增强体可以提高复合材料的硬度和耐磨性。

颗粒增强体可以填充基体材料中的孔隙和缺陷，增加材料的密度和硬度，提高材料的耐磨性和抗冲击性。

最后，添加层状结构增强体可以提高复合材料的耐腐蚀性和耐热性。

层状结构增强体可以形成层层叠加的结构，形成隔离层，防止氧气和水蒸气的侵蚀，增加材料的耐腐蚀性。

同时，层状结构增强体可以提高复合材料的耐高温性能，防止高温下材料的熔化和失效。

综上所述，复合材料增强体的作用是多方面的，可以提高材料的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐热性等方面的性能。

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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）。

第二章复合材料增强体(Reinforcement)重点：1、增强体种类2、各种纤维的制造工艺、性能特点掌握：各种纤维的制造工艺、性能特点熟悉：增强体种类第二章复合材料增强体(Reinforcement)纤维及其织物、晶须、颗粒一、复合材料增强剂的特点（图7–1）1、具有很低的比重；2、组成这些化合物的元素都处在元素周期表中的第二、第三周期；3、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合；4、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性。

二、纤维1、无机纤维1-1、玻璃纤维（Glass Fiber）1 玻璃纤维的制造生产玻璃纤维的过程是将硅砂、石英石、硼酸和其它成分（粘土，氟石等）干混后，经高温炉熔融，熔化后的玻璃液直接通过漏板形成了玻璃纤维。

2 玻璃纤维的品种A玻璃：高碱玻璃（钠玻璃），最常用，化学性能稳定；C玻璃：硼硅酸钠玻璃，抗化学作用；D玻璃：低介电性玻璃，用于雷达工业；E玻璃：无碱玻璃，电绝缘性能好；S玻璃：高强度玻璃纤维；R玻璃：粗纤维；M玻璃：高模量玻璃。

1-1、玻璃纤维（Glass Fiber）玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。

质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。

伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。

缺点是不耐磨、易折断，易受机械损伤。

1-２、碳纤维l碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的l纤维状聚合物碳。

含碳量95%左右的称为碳纤维；l含碳量99%左右的称为石墨纤维。

碳纤维比重小，l比强度、比模量大见下表，耐热性和耐腐蚀性l好，成本低，批生产量大，是一类极为重要的高l性能增强剂。

粘胶(rayon)系粘胶是一种热固性聚合物，将粘胶原丝转变成碳纤维的生产工艺过程与PAN系碳纤维的过程类似，同样分为预氧化、碳化和石黑化三个阶段，其制备的碳纤维力学性能较差而耐烧性和隔热性能好。

目前用量较少，美国等国有少量生产。

3 性能特点1 典型性能δ=0.5~2.5%2、线膨胀系数小，且各向异性。