第7章 复合材料成形

σmax σ
l<l0
l=l0
作用在短纤维上的平均拉应力为
L >l0
l/2
1l l0
fd lf,m a 1 x1 ll0
l l0
β为图中l0/2线段上的面积与（σf,max乘以l0/2积）之比值。 当基体为理想塑性材料时，纤维上的拉应力从末端为零线形增大，则β=1/2，因此
• 对于纵向弹性模量，也可使用混合定律。
2.非连续金属基复合材料的强度
• 混合定律应用于短纤维（包括晶须）时， 应考虑长度对直径比L/d和基体抗剪强度。
• 短纤维长度不同时，最终表达式不同。
– 若纤维长度L小于临界长度Lc，则纤维的最大应 力达不到纤维的平均强度，纤维不会断裂，破 坏是由于界面或基体破坏所造成的。
Hale Waihona Puke 7.2.2 短纤维复合材料强度预测
• 复合材料力学行为的核心：基体与增强体 进行载荷分配。
• 混合定律： 外加载荷等于基体和增强体按体积平均载 荷的总和。
Aff (1f)M
1.连续纤维增强金属基复合材料的强度
• 主要靠连续纤维承受外加载荷 • 金属基体作为传递和分散载荷的媒体 • 纤维增强金属基复合材料的破坏，主要是由
– 若纤维长度L大于临界长度Lc，纤维的应力达到 平均强度时，材料开始断裂。
• 短纤维的增强作用不如连续纤维有效，因 此短纤维的f’比连续纤维的高。
3.颗粒增强金属基复合材料的强度 • 强化机制是弥散强化 • 复合材料破坏从颗粒界面开始，表现为界
面破坏或颗粒脱落
• 切应力导致颗粒破坏，引起材料变型
单向复合材料及铝合金的S-N曲线 1-Kevlar-49/环氧；2-硼纤维/环氧；3-S玻璃纤维/环

1.什么是复合材料？简述复合材料的特点与应用复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的机械工程材料。

各种组成材料在性能上能互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求。

复合材料的组成包括基体和增强材料两个部分。

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。

其特点是比重小、比强度和比模量大。

例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。

纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。

以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500C时仍能保持足够的强度和模量。

碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。

碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500C,比超合金涡轮叶片的使用温度（1100C）高得多。

碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。

非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。

用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5 倍多的钢片弹簧相当。

复合材料的成型方法按基体材料不同各异。

树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM 成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。

金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。

前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。

后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。

表 7-4 芳纶纤维主要力学性能参数
密度
拉伸强度
拉伸模量
/g/cm3
/GPa
/GPa
1.38
0.66
17.4
1.43~1.44
3.22
64.8
1.44
2.82
63.2
1.44
3.82
126.6
断裂伸长率 /% 22
1.43~1.44 3.6 2.4
二、聚合物基复合材料
2.组成
（2）树脂基体
树脂基体是聚合物基复合材料的重要组分，树脂基体的性能直接决定了
2）功能复合材料：主要使用功能特性，利用其在电、磁、声、光、热、 阻尼、烧蚀等方面的特殊性能。如压电功能复合材料、阻尼功能复合材料、 磁性复合材料等。
一、先进复合材料
3.复合材料的特点
与金属材料相比，飞机上采用复合材料，主要是因为先进复合材料具备 其独特的优点：
（1）高的比强度和比模量 （2）耐疲劳性能好 （3）安全性能好 （4）减震性好 （5）具有多种功能性：优良的导热、导电性能，热膨胀系数小、尺寸 稳定性好，耐磨性好，优良的耐腐蚀性能，良好的高温性能。
二、聚合物基复合材料
2.组成
（1）增强纤维
二、聚合物基复合材料
2.组成
（1）增强纤维
1）玻璃纤维
玻璃纤维的常见等级主要是“C”、“A”、“E”和“S”，代表玻璃纤维中的碱
金属含量， “A”代表普通，碱金属含量为15%，“C”代表中碱，碱金属含量
为11.5%~12%，“E”代表无碱，碱金属含量小于0.5%，“S”代表高强，碱金属
3）基体材料名称与增强体材料并用。 目前复合材料命名的主要形式为：“增强体”+“/”+“基体”+“复合材料”， 如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维/环氧树脂复合 材料或玻璃纤维/环氧”。

湿养护有利于水泥的充分水化，以降低混 凝土的孔隙率和切断毛细孔的连续性，温 度养护可减少温度裂缝，从而提高混凝土 抗渗性。因此，混凝土浇筑完毕后，应根 据现场气温条件及时覆盖和洒水，混凝土 养护时间一般不少于14天。
切缝机
50
3、无宏观缺陷水泥
无宏观缺陷水泥（Macro Defect Free，简称 MDF）是20世纪80年代初英国帝国化学公 司实验室的Bitchall和牛津大学的Howard发 明的。
2、水泥混凝土路面
路基土组
粘性土
由各种水干泥湿混类凝型土面层与基层、垫中层湿和路基所构成的路面
22
1:1.5
行车道及 硬路肩路面 结构图示
18
20
土基E0=35MPa
图
例
普通水泥 水泥稳定级配 级配碎石
混凝土面板 碎石基层 底基层
交通等级与混凝土抗折强度（抗压强度） 之间的关系
交通等级
抗折强度
抗碱玻璃纤维 8－20
2.7 1400－2500 70－80
2.0－3.5
中碱玻璃纤维 8－20
2.6 1000－2000 60－70
3.0－4.0
无碱玻璃纤维 8－20
2.54 3000－3500
高弹碳纤维 聚丙烯单丝 Kevlar-29 尼龙单丝 水泥净浆
9 ―――
12 100－200
―――
1.9 0.9 1.44 1.1 2.0－2.2
工艺路线：将水泥加少量的水、水溶性聚 合物、甘油经高效剪切搅拌后，在较低的 温度下压制成型，得到一种抗压强度可达 到200MPa，抗折强度可达到60-70MPa的新 型水泥基材料。
4、超细粒子均匀排列密实填充体系
超细粒子均匀排列密实填充体系（Densitif ied system contain ing homogeneously arranged u ltrafine particles， DSP）是丹麦A alborg波特兰水泥混凝土实验室的Bache 等在20世纪70年代末首先研制出来的一种水泥基高强 材料。