第6章 复合材料性能
- 格式：pdf
- 大小：4.35 MB
- 文档页数：86
下载文档原格式
合集下载
第6章(748)
第6章 非金属材料及成型 图6-2 结晶高聚物的温度—形变曲线(M3＞M2＞M1)
第6章 非金属材料及成型
3) 交联高聚物的力学状态 交联使高分子链之间以化学键相结合，若不破坏化学键， 分子键之间就不能产生相对位移，随着交联度的提高，不仅 形变能力变差，而且不存在粘流态，既不能溶解，也不能熔 融，当交联度增加到一定数值之后，聚合物就不会随温度升 高而出现高弹态。 4) 多相聚合物的力学状态 对于共混或接枝、嵌段共聚物，多数是处于微观或亚微 观相分离的多相体系。在该种体系中，各组分可能出现两个 以上玻璃化转化区，每个转化区表示一种均聚物的特性。对 于某些嵌段和共聚混合物材料，在外力的作用下会出现应变， 从而诱发塑料—橡胶转变。
第6章 非金属材料及成型 图6-1 非晶态高聚物的温度—形变曲线
第6章 非金属材料及成型
2) 结晶高聚物的温度—形变曲线 凡在一定条件下能够结晶的高聚物统称为结晶性高聚物。 结晶高聚物的结晶度不同，分子量不同，其温度—形变曲线 也不相同。当结晶度高于40%时，微晶贯穿整个材料，非晶 区Tg将不能明显出现，只有当温度升高到熔化温度Tm时，晶 区熔融，高分子链热运动加剧，如果聚合物的分子量不太大， 体系进入粘流态(此时熔化温度Tm与转变温度相等，即Tm＝ Tt)；如果聚合物分子量很高，Tt＞Tm，则在Tm之后仍会出现 高弹态。如果聚合物的结晶度不高，则也会出现玻璃化转变 的形变，但Tg以后，链段有可能按照结晶结构的要求重新排 列成规则的晶体结构。图6-2所示为分子量不同的结晶高聚物 的温度—形变曲线。由图可以看出，高弹态与粘流态的过渡 区随分子量M的增大而增大。
第6章 非金属材料及成型
4) 压延(rolling) 压延是橡胶工业的基本工艺之一，它是指混炼胶胶料通 过压延机两辊之间，利用辊筒间的压力使胶料产生延展变形， 制成胶片或胶布(包括挂胶帘布)半成品的一种工艺过程。它 主要包括贴胶、擦胶、压片、贴合和压型等操作。 (1) 压延准备工艺：热炼、供胶、纺织物烘干和压延机 辊温控制。 (2) 压延工艺。 ① 压片：是将已预热好的胶料，用压延机在辊速相等的 情况下，压制成一定厚度和宽度胶片的压延工艺。胶片表面 应光滑无气泡、不气皱、厚度一致。
清华大学《工程材料》第5版教材简介
清华大学《工程材料》第5版教材简介《工程材料》第5版教材由清华大学材料学院朱张校教授、姚可夫教授主编，清华大学出版社出版。
《工程材料》第5版教材目录如下：绪论0.1中华民族对材料发展的重大贡献0.2材料的结合键0.3工程材料的分类第1章材料的结构与性能特点1.1金属材料的结构与组织1.2金属材料的性能特点1.3高分子材料的结构与性能特点1.4陶瓷材料的结构与性能特点第2章金属材料组织和性能的控制2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3金属的塑性加工2.4钢的热处理2.5钢的合金化2.6表面技术第3章金属材料3.1碳钢3.2合金钢3.3铸钢与铸铁3.4有色金属及其合金第4章高分子材料4.1工程塑料4.2合成纤维4.3合成橡胶第5章陶瓷材料5.1普通陶瓷5.2特种陶瓷第6章复合材料6.1复合材料的复合原则6.2复合材料的性能特点6.3非金属基复合材料6.4金属基复合材料第7章功能材料及新材料7.1电功能材料7.2磁功能材料7.3热功能材料7.4光功能材料7.5隐形材料及智能材料7.6纳米材料第8章零件失效分析与选材原则8.1机械零件的失效8.2机械零件失效分析8.3机械零件选材原则第9章典型工件的选材及工艺路线设计9.1齿轮选材9.2轴类零件选材9.3弹簧选材9.4刃具选材第10章工程材料的应用10.1汽车用材10.2机床用材10.3仪器仪表用材10.4热能设备用材10.5化工设备用材10.6航空航天器用材附录1金属材料室温拉伸试验方法新、旧国家标准性能名称和符号对照表附录2金属热处理工艺的分类及代号(摘自GB/T 12603—2005) 附录3常用钢的临界点附录4钢铁及合金牌号统一数字代号体系(摘自GB/T 17616—1998)附录5国内外常用钢号对照表附录6常用铝及铝合金状态代号与说明(摘编自GB/T 16475—2008)附录7若干物理量单位换算表附录8工程材料常用词汇中英文对照表参考文献本教材有以下特点：（1）体系科学合理，内容丰富新颖，实例丰富。
陶瓷基复合材料
化学气相渗透（CVI）制备陶瓷基复合材料是将含 挥发性金属化合物的气体在高温反应形成陶瓷固体沉积 在增强剂预制体的空隙中，使预制体逐渐致密而形成陶 瓷基复合材料。
CVI工艺的优点在于：工艺温度低；适用范围广， 可制备碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及C/C等复合 材料，材料纯度高，工艺过程构件不收缩，适于制备大 尺寸、形状复杂构件。
第6章 陶瓷基复合材料
• 6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能 • 6.2 陶瓷基复合材料的制备工艺 • 6.3 氧化物基陶瓷复合材料 • 6.4 非氧化物基陶瓷复合材料 • 6.5 碳/碳复合材料 • 6.6 微晶玻璃基复合材料
6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能
现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐 磨损及相对密度优良的性能轻等许多优良 的性能。
• 此外，利用反应放热合成陶瓷粉体也较多， 如自蔓延高温燃烧合成等。
2. 成型 • 陶瓷成型方法主要有：模压成型、等静压成型、
热压铸成型、挤压成型、轧膜成型、流延法成 型、注射成型和直接凝固成型等。 a) 模压成型：将粉料填充到模具内部后，通过单 向或双向加压，将粉料压成所需形状。 b) 等静压成型：一般等静压指的是湿袋式等静压 （也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或 塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油后 水等流体介质中，加压获得所需的坯体。 c) 热压铸成型：将粉料与蜡（或其他有机高分子 粘结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分 子粘结剂）熔化，使混合料具有一定的流动性， 然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到 致密的较硬实的坯体。
a) Cr/Al2O3复合材料 Cr与Al2O3之间的润湿性 不好，但铬粉表面易形成致密的Cr2O3，因此可 通过形成Cr2O3-Al2O3固溶体来降低它们之间的 界面能，改善润湿性。为是金属铬部分氧化，工 艺上常采取的措施有：①在烧结气氛中引人微量 的水汽或氧气；②在配料是用一部分氢氧化铝代 替氧化铝，以便在高温下分解产生出水蒸气使铬 氧化；③在配料中用少量的氧化铬代替金属铬。
CVI工艺的优点在于：工艺温度低；适用范围广， 可制备碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及C/C等复合 材料，材料纯度高，工艺过程构件不收缩，适于制备大 尺寸、形状复杂构件。
第6章 陶瓷基复合材料
• 6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能 • 6.2 陶瓷基复合材料的制备工艺 • 6.3 氧化物基陶瓷复合材料 • 6.4 非氧化物基陶瓷复合材料 • 6.5 碳/碳复合材料 • 6.6 微晶玻璃基复合材料
6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能
现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐 磨损及相对密度优良的性能轻等许多优良 的性能。
• 此外，利用反应放热合成陶瓷粉体也较多， 如自蔓延高温燃烧合成等。
2. 成型 • 陶瓷成型方法主要有：模压成型、等静压成型、
热压铸成型、挤压成型、轧膜成型、流延法成 型、注射成型和直接凝固成型等。 a) 模压成型：将粉料填充到模具内部后，通过单 向或双向加压，将粉料压成所需形状。 b) 等静压成型：一般等静压指的是湿袋式等静压 （也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或 塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油后 水等流体介质中，加压获得所需的坯体。 c) 热压铸成型：将粉料与蜡（或其他有机高分子 粘结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分 子粘结剂）熔化，使混合料具有一定的流动性， 然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到 致密的较硬实的坯体。
a) Cr/Al2O3复合材料 Cr与Al2O3之间的润湿性 不好，但铬粉表面易形成致密的Cr2O3，因此可 通过形成Cr2O3-Al2O3固溶体来降低它们之间的 界面能，改善润湿性。为是金属铬部分氧化，工 艺上常采取的措施有：①在烧结气氛中引人微量 的水汽或氧气；②在配料是用一部分氢氧化铝代 替氧化铝，以便在高温下分解产生出水蒸气使铬 氧化；③在配料中用少量的氧化铬代替金属铬。
2020年智慧树知道网课《材料概论》课后章节测试满分答案1
第一章测试1【判断题】 (10分)材料是人类社会生活的精神基础。
A.对B.错2【判断题】 (10分)青铜是铜锡合金。
A.对B.错3【判断题】 (10分)芯片是各种集成电路和原件刻蚀在线路板上的一个综合体。
A.错B.对4【判断题】 (10分)日常生活中家庭用到的空调洗衣机、冰箱电视的壳体材料基本是塑料这种高分子材料。
A.错B.对5【单选题】 (10分)材料是人类用于制造各种产品和有用物件的（）。
A.生产力B.原料C.设备D.物质6【单选题】 (10分)恩格斯曾经这样论述，人类从低级阶段向文明阶段的发展，是从学会制开始的。
A.青铜器B.瓷器C.陶器D.铁器7【单选题】 (10分)目前风力发电机叶片所用的材料为。
A.高分子材料B.金属材料C.无机非金属材料D.复合材料8【多选题】 (10分)根据材料对社会历史发展作用，人类社会按照材料命名可以包括的时代为。
A.铁器时代B.新材料时代C.石器时代D.青铜器时代E.硅时代9【多选题】 (10分)以金属为主制造的建筑物包括。
A.金门大桥B.港珠澳大桥C.埃菲尔铁塔D.世界贸易中心大厦E.三峡大坝10【多选题】 (10分)超导计算机中的运算速度可以达到每秒8000万次，元件完全不发热。
这些优异性能主要基于超导陶瓷的基本特征。
A.完全抗磁性B.高度绝缘性C.完全导电性D.良好导热性E.完美半导体第二章测试1【判断题】 (10分)材料的组成与结构决定了材料的基本性质。
A.错B.对2【判断题】 (10分)材料合成是把原子和分子通过分子间作用力的方式结合起来，最终变成有着微观结构的宏观材料。
A.错B.对3【判断题】 (10分)原子的核外电子,包括原子核，是可以借助于显微镜这样的设备观察到的。
A.对B.错4【判断题】 (10分)金属键就是带正电荷的金属原子与核外带负电荷的自由电子通过静电作用而形成的化学键。
A.对B.错5【单选题】 (10分)材料的宏观尺度，就是通过人的肉眼可以见到的超过人眼极限分辨率以上的尺度。
复合材料的力学性能
18
3
三、复合材料的性能特点
1、高比强度、比弹性模量； 2、各向异性； 3、抗疲劳性能好； 4、减振性能好； 5、可设计性强。
4
四、结构设计原理
1、层次结构 一次结构（单层），不产生新相； 二次结构（铺层）有新相产生；能较好地过 渡； 三次结构（多层）形成多个铺层。 2、连续纤维与非连续纤维增强 连续纤维增强 方向性明显，性能受纤维的 粗细、数量、排列的影响。 非连续纤维增强 纤维的长度与直径之比 L/d，提高剪切强度。 返回
1 Vf Vm I: 1 Gc G f Gm (式11 - 20) 上限 下限
II II： GC G f Vf G m Vm (式11 - 26) II 合 成：G c (1 c )G 1 CG c C (式11 - 27)
9
4、泊松比υ
纵向泊松比
LT
横向泊松比
2
二、材料复合的物理冶金基础
1、界面与界面反应
界面上反应热力学与动力学： 相应温度下反应的可能性；反应常数；反应速度常数。 固溶与化合反应： 原子扩散，形成浓度不同的固溶体；新化合物。 过渡层的出现：
2、强化理论
第二相强化、弥散强化；形变带强化。 断裂及其机理： 裂纹的萌生及扩展；断裂。 聚合强度的作用。
14
二、弹性模量
弹性模量计算公式(式11-61）（式11-62）（式11-63）
三、强度
按混合定律计算。 用纤维的平均应力代替（11-39）中的纤维抗拉强度。 返回
15
§11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
一、断裂
1、损伤累积机理 裂纹萌生：缺陷处 扩展： 2、非累积损伤机理 ①接力破坏 ②脆性粘接断裂机理 ③最薄弱环节破坏机理 3、复合材料的破坏形式 ①纤维断裂 ②基体变形和开裂 ③纤维脱胶 ④纤维拨出
材料表界面 第六章 高分子材料的表面张力
6.3 表面张力与相对分子质量的关系
特例
聚乙二醇分子端基上的羟基之间发生氢键缔合作用，结果 使低聚物的性能变得像相对分子质量无穷大一样。
6.4 表面张力与分子结构的关系
等张比容经验公式：
摩尔体积
(P /V )4
等张比容
等张比容是与物质的分子结构密切有关的量，摩尔体积与物 质的密度有关，因而也与温度有关。因此，影响表面张力的两个 重要因素是温度和分子结构。
6.1 表面张力与温度的关系
利用表面张力与温度的线性关系，可间接地测试固态聚合物的 表面张力。--------第一种得到表面张力的方法
缺点： （1）没有考虑相 变的影响 （2）测试结果不 准确
6.1 表面张力与温度的关系
Macleod （麦克劳德）方程：
0 n log n log A
材料表界面课程主要内容
材料表界面
一、绪论
二、液体界面
三、固体表面 四、固液界面
表界面基础知识
五、表面活性剂
六、高分子材料的表面张力
七、聚合物的表面改性
八、金属材料的表面
九、无机非金属材料的表界面
十、复合材料的界面
第六章 高分子材料的表面张力
什么是高分子材料？
高分子材料：以高分子化合物为基础的材料。
包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶材料在国民经济中的地位
高分子材料占飞机总重的65％。
（即使采用最轻铝/钛合金，其比重也大于2.7，而高分子材料的比重为1.5左右）
高分子材料的重要性
高分子材料表界面特性
高分子材料表界面特性
合成纤维 表面的染色
塑料表面 的喷金
高聚物对 其他材料 的粘接
如果使高聚物熔体在具有不同表 面能的表面上冷却，可得到结晶 度不同的表面，这类表面具有不 同的表面张力。
材料学概论
材料学概论《材料学概论》是2012年化学工业出版社出版的图书，作者是胡珊、李珍。
该书可作为材料及相关专业的教材，同时可作为材料研究人员的参考用书。
[1《材料学概论》共7章。
第1章讲述材料与材料科学研究的内容及任务，材料的类别、性质、应用、发展现状及趋势。
第2～4章分别讲述金属材料、无机非金属材料、高分子材料的基础知识、结构、生产方法、性能特点及应用。
第5章讲述矿物材料基本概念、性能特点，矿物材料的加工及应用。
第6章讲述复合材料的基础知识，增强材料的特性，复合材料的性能特点、生产工艺及应用。
第7章介绍能源、环境、生物、智能、纳米等新型材料的特点、发展及应用。
第1章绪论1 1.1 材料科学与工程1 1.2 材料的分类2 1.3 材料的性能2 1.3.1 力学性能2 1.3.2 电学性能4 1.3.3 热学性能5 1.3.4 化学性能5 1.4 材料的应用6 1.5 材料在人类社会和国民经济发展中的地位与作用8 第2章金属材料11 2.1 概述11 2.1.1 金属材料的基本概念11 2.1.2 金属材料的晶体结构12 2.2 金属及合金的相图16 2.2.1 二元合金相图16 2.2.2 铁碳合金相图24 2.3 金属材料的结晶27 2.3.1 结晶的过程27 2.3.2 结晶的热力学条件28 2.3.3 形核28 2.3.4 晶核的长大33 2.4 金属材料的性能36 2.4.1 物理性能36 2.4.2 化学性能37 2.4.3 力学性能37 2.4.4 工艺性能40 2.5 金属的热处理41 2.5.1 退火和正火422.5.2 淬火及回火42 2.5.3 表面热处理43 2.6 新型金属材料简介43 2.6.1 形状记忆合金44 2.6.2 其他金属功能材料46 第3章无机非金属材料473.1 无机非金属材料概述47 3.1.1 无机非金属材料的概念及分类47 3.1.2 无机非金属材料主要性能及应用47 3.2 陶瓷材料48 3.2.1 陶瓷的概念及分类48 3.2.2 陶瓷的显微结构与性能49 3.2.3 普通陶瓷53 3.2.4 特种陶瓷54 3.2.5 耐火材料61 3.3 玻璃65 3.3.1 玻璃的概念、特点及分类65 3.3.2 玻璃的结构66 3.3.3 玻璃的性质67 3.3.4 普通玻璃69 3.3.5 特种玻璃72 3.4 胶凝材料76 3.4.1 胶凝材料的定义、分类及发展现状76 3.4.2 普通水泥77 3.4.3 特种水泥83 3.4.4 石膏和石灰85 第4章高分子材料87 4.1 概述87 4.1.1 高分子材料的基本概念87 4.1.2 高分子材料的命名87 4.1.3 高分子材料的分类88 4.1.4 聚合反应88 4.1.5 高分子材料的成型加工89 4.1.6 高分子材料的发展现状与趋势90 4.2 高分子的结构与性能91 4.2.1 高分子的结构91 4.2.2 高分子的物理状态94 4.2.3 高分子基本性能及特点95 4.3 常用的高分子材料99 4.3.1 塑料99 4.3.2 橡胶109 4.3.3 纤维114 4.3.4 胶黏剂116 4.3.5 涂料119 4.4 功能高分子120 4.4.1 离子交换树脂121 4.4.2 高吸水性树脂122 4.4.3 感光性高分子123 4.4.4 导电高分子123 第5章矿物材料1255.1 概述125 5.1.1 矿物材料概念125 5.1.2 矿物材料学的特点126 5.1.3 矿物材料分类127 5.1.4 矿物材料的现状与发展趋势127 5.2 矿物材料的加工129 5.2.1 初加工129 5.2.2 深加工130 5.2.3 矿物材料深加工技术发展趋势130 5.2.4 矿物材料制品132 5.3 单晶矿物材料及应用132 5.3.1 金刚石132 5.3.2 石墨134 5.3.3 刚玉136 5.3.4 石英136 5.3.5 高岭石137 5.3.6 蒙脱石138。
复合材料概论 复习 重点
第一章总论一．复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
★二．复合材料的命名和分类★1．按增强材料形态分类(1)连续纤维复合材料:作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都位于复合材料的边界处;(2)短纤维复合材料:短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料;(3)粒状填料复合材料:微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料;(4)编织复合材料:以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合材料。
2. 按增强纤维种类分类(1)玻璃纤维复合材料;(2)碳纤维复合材料;(3)有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料;(4)金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等)复合材料;(5)陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)复合材料。
如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料3．按基体材料分类(1)聚合物基复合材料:以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制成的复合材料;(2)金属基复合材料:以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等;(3)无机非金属基复合材料:以陶瓷材料(也包括玻璃和水泥)为基体制成的复合材料。
4.按材料作用分类(1)结构复合材料:用于制造受力构件的复合材料;(2)功能复合材料:具有各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等)的复合材料。
三．复合材料是由多相材料复合而成，其共同的特点是:★(1)可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。
(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。
四．影响复合材料性能的因素很多，主要取决于①增强材料的性能、含量及分布状况，②基体材料的性能、含量，以及③增强材料和基体材料之间的界面结合情况，作为产品还与④成型工艺和结构设计有关。
材料科学与工程导论 第6章 高分子材料
聚酰胺（PA） 聚碳酸酯（PC） 聚甲醛（POM） 聚对苯二甲酸丁二醇酯 （PBT） 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 （ABS） PC
挡 风 板
6.1.3 高分子材料简介
ABS树脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是 Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母缩写）是一 种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。
有机玻璃顶棚
29
6.1.3 高分子材料简介
▲工程塑料
热稳定性高是其最突出 的特点。使用温度 150~174℃。 用于机械设备等工业。
聚砜（PSU） 聚醚砜（PES） 聚醚醚酮（PEEK） 聚苯硫醚（PPS） 聚四氟乙烯 （PTFE）
30
又称尼龙。强 度较高，耐磨、 自润滑性好， 广泛用作机械、 化工及电气零 件。 优良的机械性能， 透明无毒，应用 广泛。
初～40年代末）。
●现代高分子科学阶段（20世纪50年代初～20世纪末）。 ●21世纪的高分子科学—分子设计。
——高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。1920年， 德国人Staudinger (施陶丁格)发表了“论聚合”的论文，提 出了高分子的概念。
9
6.1.1 高分子材料科学发展简史
高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它
▲单体 用来制备高分子的小分子物质称单体。 高分子的单体： 通过聚合反应能制备高分
子化合物的物质称做单体。
例如乙烯是单体，能聚合 生成聚乙烯。
[ CH2–CH2 ]n
13
6.1.2 高分子材料基本概念
▲结构单元 构成大分子的最小重复结构单元，简称结构 单元，或称链节。
[ CH2–CH2 ]n
▲聚合度
第6章-2 金属基复合材料的界面及其表征
5
6.2.6.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
界面结合强度对复合材料 的冲击性能影响较大。纤维 从基体中拔出，纤维与基体 脱粘后，不同位移造成的相 对摩擦都会吸收冲击能量， 并且界面结合还影响纤维和 基体的变形能力。
三种复合材料的典型冲击载荷－ 时间关系曲线
1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
10
6.3.1 界面组成及成分变化
确定界面上有无新相形成是界面表征的主要内容之一。新相可能是 增强体与基体通过扩散反应而在界面处形成的新相, 也可能是基体组 元与相界处杂质元素反应在界面处优先形核而成为新相。 一般情况下常用明场像或暗场像对界面附近区域形貌进行观察, 通 过选区衍射和X射线能谱进行微区结构和成分分析。 当析出物十分细小时, 可采用微衍射和电子能量损失谱来分析其结 构和成分, 电子能量损失谱尤其适合于对C、O等轻元素的分析。可 以准确判知界面析出物的结构、成分和形貌特征。
1、金属基复合材料界面可分成哪些类型？请分别举 例说明不同类型界面的特征。 2、金属基复合材料的界面结合有哪几种？什么样的 界面结合对力学性能更有利？
3
6.2.6 界面对性能的影响
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界面结构 性能有很大差别。
纤维增强脆性基体复合材料的微观断裂模型 （a）纤维“桥接” （b）裂纹穿过纤维造成脆断
11
挤压铸造Al18B4O33w /Al-2.5%Mg 复合材料界面 TEM 照片
4Al18B4O33+33Mg = 33MgAl2O4+6Al+16B
6.2.6.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
界面结合强度对复合材料 的冲击性能影响较大。纤维 从基体中拔出，纤维与基体 脱粘后，不同位移造成的相 对摩擦都会吸收冲击能量， 并且界面结合还影响纤维和 基体的变形能力。
三种复合材料的典型冲击载荷－ 时间关系曲线
1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
10
6.3.1 界面组成及成分变化
确定界面上有无新相形成是界面表征的主要内容之一。新相可能是 增强体与基体通过扩散反应而在界面处形成的新相, 也可能是基体组 元与相界处杂质元素反应在界面处优先形核而成为新相。 一般情况下常用明场像或暗场像对界面附近区域形貌进行观察, 通 过选区衍射和X射线能谱进行微区结构和成分分析。 当析出物十分细小时, 可采用微衍射和电子能量损失谱来分析其结 构和成分, 电子能量损失谱尤其适合于对C、O等轻元素的分析。可 以准确判知界面析出物的结构、成分和形貌特征。
1、金属基复合材料界面可分成哪些类型？请分别举 例说明不同类型界面的特征。 2、金属基复合材料的界面结合有哪几种？什么样的 界面结合对力学性能更有利？
3
6.2.6 界面对性能的影响
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界面结构 性能有很大差别。
纤维增强脆性基体复合材料的微观断裂模型 （a）纤维“桥接” （b）裂纹穿过纤维造成脆断
11
挤压铸造Al18B4O33w /Al-2.5%Mg 复合材料界面 TEM 照片
4Al18B4O33+33Mg = 33MgAl2O4+6Al+16B
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
复合材料基本力学特性－破坏机理
(1)脆性破坏
(2)脆性破坏 伴随纤维拔出
(3)不规则破坏
复合材料基本力学特性－破坏机理
纤维的表面都会有缺陷，使纤维沿长度方向存 在弱点，尤其是脆性纤维对这种缺陷敏感性强 缺陷在复合材料中或多或少地随机分布，纤维 在外力作用下将在缺陷处出现断裂，可见断裂 很难发生在一个平面内 纤维中的缺陷不仅位置不同，而且严重程度也 不同
复合材料基本力学特性－破坏机理
复合材料的破坏特征
⒈ 聚合物复合材料的拉伸σ～ε关系，呈脆 性破化特征（纤维无屈服） ⒉ 破坏形貌（拉伸）
⑴ 脆性破坏 况（见图a） 断面平滑整齐对，发生在f-r间粘附较好的情
⑵ 脆性破坏纤维拔出 断面较不规则，有纤维拔出对应σb较 低， 发生在r-f粘附较差的情况（见图b） ⑶ 不规则破坏 断面很不规则，纤维拔出很多，对应σb最 低，发生在r-f粘附很差的情况，产生大量脱胶现象（见图c）
复合材料基本力学特性－力学效应
σ f Ef ＝ σ m Em
组分应力比与相应的弹性模量比相等： 为了在纤维中达到高应力以充分发挥高强度 纤维的效用，纤维的弹性模量应远大于基体 的弹性模量。
复合材料基本力学特性－力学效应
横向拉伸模量（串联模型）
1 / E2 = V f / E f + Vm / Em
强度
σ Tu = σ mu
ET Em
1 ⎞ ⎛ ⎜1 − V f 2 ⎟ ⎠ ⎝
失效应变
ε Tu
⎛ ⎞ = ε mu ⎜1 − V f ⎟ ⎝ ⎠
1 2
复合材料基本力学特性－力学效应
纵向压缩性能的复合效应
纵向压缩载荷作用下，单向复合材料的失效模式有三种：
维微屈曲
先进复合材料
第六章 复合材料性能与评价
顾轶卓 李敏 张佐光
提 纲
• 基本概念 • 复合材料基本力学特性 • 复合材料力学性能测试方法 • 复合材料耐环境性能
基本概念
复合材料的复合效应 含义 复合材料中某种性能值偏离由
构成该复合材料的组分用混合定律所计算 的值的现象，称这种现象为复合效应。这 种效应是组分材料交互作用的结果 力学效应
1 G
LT
=
V G
f f
V + G
m m
复合材料基本力学特性－破坏机理
复合材料内部损伤有许多形式。如：
¾ ¾ ¾ ¾
纤维断裂 基体开裂 纤维与基体分离（脱胶） 在层合复合材料中铺层彼此分离（即分层）
这些损伤形式可能单独地发生，也可能联合出现仅 当内部损伤累积到一定程度时，材料才发生宏观断裂。
不同载荷条件下复合材料破坏模式不同
基本概念
各向异性 复合材料 力学性能的 基本特点
可设计性
结构特性
基本概念
纤维含量与缺陷
分散性与稳定性
分析力学 性能需要 注意的因素
测试条件
测试方法 测试标准
基本概念
设计用的力学性能 拉伸
纵 向 横 向 纵 向 L (x) T (y) L (x) T (y) 纵横剪切强度、纵横剪切模量 强度、模量 强度、模量 强度、模量、主泊松比
从力学性能上表现出来，例如 模量、泊松比、强度等
基本概念
¾
为了从力学角度正确选择、使用复合材料，合理设计复合材
料，需要掌握其力学性能的基本知识，掌握复合材料力学行为 的基本规律及有效的试验方法
¾
复合材料力学的研究内容分为细观力学和宏观力学两大部
分。微观力学主要研究纤维、基体组分性能与单向板性能关 系，宏观力学主要研究层合板的刚度与强度分析、温湿环境影 响等
体中的应力与复合材料中的应力是相等
（4）
假定纤维和基体处于弹性变形状态，纤维和基
由于横向载荷作用下，纤维和基体在纵向所产生的 不同约束而引起的双轴效应明显不同。不同的约束是由 于两相的应变不同产生的，并且当两相的泊松比不同 时，则更加明显，因此会出现复合效应（界面作用）
复合材料基本力学特性－力学效应
复合材料基本力学特性－力学效应
横向压缩性能的复合效应
在横向载荷作用下，单向复合材料的失效通常是由于基 体的剪切破坏，同时可能伴随组分脱胶和纤维的破碎。
复合材料基本力学特性－力学效应
面内剪切模量的复合效应
预测单向复合材料面内剪切模量通常采用串联模型 假定纤维和基体中的切应力相等，且切应力-切应变 关系是线性的
基本概念
层合板铺层表示方法
¾ ¾
一般性表示：[0/45/90/-45],由下至上 对称铺层： 偶数[0/90]s＝[0/90/90/0]; 奇数[0/90]s＝[0/90/0]
¾ ¾ ¾ ¾
重复铺层： [0/902]＝[0/90/90] 正负铺层：[0/±45/90]＝[0/45/-45/90] 子层压板：[0/90]2＝[0/90/0/90] 夹层板：[0/90/C2]2,C表示夹芯，下标为厚度
基本概念
¾
由于组成层合板的各单层板情况不同，所以层合板在厚度方
向上具有宏观非均质性。这种非均质性可以引起耦合效应，即 层合板的面内应力会引起弯曲变形（弯曲和扭曲），而弯曲内 力（弯矩和扭矩）会引起面内变形
¾
层合板的受力特性和各单层板密切相关。但是一层或几层
单层板的破坏，虽然将引起层合板刚度的显著变化，但是层 合板仍然可以由余下的各个单层板来承受更大的载荷，一直 到全部单层板破坏引起层合板的总体破坏为止
复合材料断裂的另一个主要特征是纤维－基体在 断裂纤维附近的相互作用（复合效应）。即实际 断裂的纤维并没有完全失效，它对复合材料强度 仍有贡献。这是因为基体能够把纤维断裂端的应 力重新传递到纤维上去。基体在传递应力中，首 先在纤维断裂端的基体产生高剪切应力，而后从 断裂处开始短距离衰减。同时纤维承受的拉应力 从断裂处的零增加到未断裂纤维承受的全部应力 （即平衡应力）。纤维应力由零增至满应力的特 征长度为无效长度
复合材料基本力学特性－力学效应
主泊松比
当单向复合材料在纤维方向受到拉伸时，由于泊松 效应，在横向要发生收缩。 单向复合材料正交各向异性决定了在纵、横两个方 向呈现不同泊松效应，因而有两个泊松比。 主泊松比定义为：
υ LT
εT =− εL
复合材料基本力学特性－力学效应
主泊松比
υLT的预测可用类似于纵向拉伸性能的并联模型
基本概念
¾
从宏观力学的观点看，纤维增强复合材料可以认为是均
匀，但是各向异性的
¾
单个铺层称为单层板，是层合板结构的基本结构单元
¾
层合板是指由两层或两层以上的单层板粘合在一起成为整体
的结构元件，层合板可以由不同材质的单层板构成，也可以由 不同纤维铺设方向上相同材质的各向异性单层板构成。层合板 的铺层顺序可用符号表示，这个符号叫做层合板标记。
复合材料基本力学特性－力学效应
公式（1）没有考虑基体内由于纤维约束所引起的三轴 应力（复合作用），因此应修正为：
E1 = E f V f + E Vm
' m
（2） （3）
E = Em /(1 － 2υ )
' m 2 m
其复合效应作用项为1/（1－2υm2），该值在υm＝0.3 左右时，影响不明显，但若υm＝0.5时，则Em´＝2Em 通常由于树脂基体的υm＝0.28～0.33。
复合材料基本力学特性－破坏机理
σ τ
τ
σ
相邻纤维的应力波图
σ0 τ 0 0 σ δ
δ
x
x
σ0
断裂处的无效长度
复合材料基本力学特性－破坏机理
复合材料断裂可能出现的模型
纤维－基体粘结不牢 剪应力使其脱胶 脱胶
纤维－基体粘结好，但纤维 断裂应力与基体中裂纹产生 应力集中，横向裂纹 断裂纤维由于基体作用可产 生多次断裂，断裂间距≥2δ 最多断裂点＝L/2δ
三条基本假设
复合材料承受载荷时，应由纤维与树脂基体共 同承担，要求纤维与树脂基体有足够的界面强 度，为一复合整体，保证基体、纤维、复合材 料应变一致 在应力状态下的弹性范围内，复合材料应力应变关系服从虎克定律
整体性 假设 弹性 假设 等初应 力假设
复合材料在承受载荷时，所有增强纤维都未受 力或每根纤维的初始应力相等
横向拉伸强度的复合效应
确定单向复合材料的横向强度是比较困难的， 它受许多参数的影响，包括：纤维性能、基体性 能与界面强度、孔隙，以及相互产生的内应力与 内应变。 横向强度一般小于基体材料的强度这意味着纤 维对基体产生负增强效应。
复合材料基本力学特性－力学效应
横向拉伸强度的复合效应
假定复合材料的失效起因于基体破坏
强度、模量
压缩
横 向
剪切
基本概念
单向板力学性能工程常数
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 性能项目 0°拉伸强度 0°拉伸模量 泊松比 90°拉伸强度 90°拉伸模量 0°压缩强度 0°压缩模量 90°压缩强度 90°压缩模量 面内剪切强度 面内剪切模量 环境 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温 室温
复合材料基本力学特性－力学效应
纵向压缩性能的复合效应
相邻的纤维可以独立的弯曲，也可能以联合方 式弯曲。在前一种情况中，当纤维间距离非常大 时，亦即纤维体积分数很小时，这种屈曲模式才可 能发生。第二种屈曲模式较为常见，它可能发生在 大多数真实体积分数下。在这种情况下，相邻纤维 的横向变形同相位，在基体中产生的应变主要是剪 切应变。
复合材料基本力学特性－力学效应
应力 所有纤维同时破坏
σfu σmu σm´
εfu
εmu
应变
复合材料基本力学特性－力学效应
横向拉伸强度的复合效应
垂直于加载方向的纤维，本质上的作用是在界面上和 基体内产生应力集中，因此单向复合材料受横向拉伸载 荷时失效起源于基体或界面的拉伸破坏。