第七章_复合材料力学性能的复合规律

1、分散强化原理
• 分散强化复合材料是由微细硬质点与金属基体复合而成。 作为增强剂的硬点主要是金属氧化物、碳化物和硼化物， 如Al2O3、TiC、SiC等。
• 分散强化原理与析出强化机理相似，可用Orowan位错绕过 机制说明。
• 载荷分布：载荷主要由基体负担，分散微质点阻碍基体中 的位错运动，质点阻止位错运动能力越大，强化效果越好.
2、颗粒增强原理
• 颗粒增强复合材料是由尺寸较大〈>1mm〉的坚硬颗粒与金 属基体复合而成。
• 载荷分布：增强原理与分散强化不同，虽然载荷主要由基体 承受，但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。
• 在外力作用下，基体内位错的滑移在基体—颗粒界面上受到 阻滞，并在颗粒上产生应力集中，其值为
又
Dp(3 2d2/Vp)1 2(1Vp)
1
得出
y=
3G
m
G
p
bV
2 p
2d (1 p )C
讨论影响强度的因素
y =
1
3G
m
G
p
bV
2 p
2d (1 V p )C
• 质点尺寸d越小，体积分数Vp越高，强度越高，颗粒 对复合材料的增强效果越好。
• 在实用的颗粒增强复合材料中，增强颗粒的直径为 1~50μm，颗粒间距为1~25mm，颗粒体积分数为 0.05~0.50。
3、纤维增强原理
• 纤维增强复合材料是由连续〈长〉纤维或不连续〈短〉纤维 与金属基体复合而成。
• 载荷分布：复合材料受力时，高强度、高模量的增强纤维承 受大部分载荷，而基体主要作为媒介，传递和分散载荷。
• 复合材料的力学性能：除与纤维和基体性能、纤维体积分数 有关外，还与纤维与基体界面的结合强度，基体剪切强度和 纤维排列，分布方式和断裂形式有关。

界面作用
界面在复合材料中起到传递载荷、阻止裂纹扩展和调节内应力的作 用。
界面优化
通过改变界面形态、引入界面相容剂或采用表面处理技术等方法，可 改善界面性能，提高复合材料的综合性能。
03
复合材料的制备工艺
原材料选择与预处理
增强材料选择
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比强度、高比模量等 优点。
医疗器械
复合材料可用于制造医疗器械如手术器械、牙科 设备和医疗床等，具有轻质便携、X光透过性好 和耐消毒等优点。
能源领域
复合材料可用于制造风力发电机叶片、太阳能板 支架和石油管道等，具有耐候性强、抗腐蚀和轻 质高强等优点。
06
复合材料的未来发展趋势
新型复合材料研究进展
碳纳米管增强复合材料
具有优异的力学、电学和热学性能，广泛应用于航空航天、汽车 、电子等领域。
航天器结构
复合材料用于制造卫星、火箭和导弹等航天器的结构件，如碳纤维/环 氧树脂复合材料在卫星结构中的应用。
03
发动机部件
复合材料可用于制造航空发动机的叶片、机匣和涡轮等部件，提高发动
机的推力和效率，如陶瓷基复合材料在发动机热端部件中的应用。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度 。
桥梁和道路
复合材料可用于制造桥梁结构、道路护栏和标志牌等，具有耐久性强、维护成本低等优点 。
其他领域应用
1如网球拍、高尔 夫球杆和自行车车架等，具有轻质高强和良好的 力学性能。

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”。

树脂基复合材料＜400℃)； 碳-碳复合材料＜2400℃)； 金属基复合材料(400-1300℃)； 陶瓷基复合材料(1300-1650℃)。
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4）电磁波屏蔽材料：应选用含有导电性功能剂的树脂 基复合材料。 5）化工防腐蚀的复合材料
对于酸性介质：用中碱玻璃纤维为增强体和耐酸性良好 的树脂(如乙烯基酯树脂)为基体；
硫化法，在橡胶原但 些料也最中有新加研发入究展硫人研化员制剂将的、其、填概具料念有、扩先增展进强到性剂一能和防老 剂等助剂所制得的的一其种他工复业合复材合料材，料如；金属基复合材
☼ 2、玻璃纤维增料强、塑陶料瓷：基上复世合纪材4料0年等代。，首先在美国出
现；
☼ 3、先进复合材料：上世纪60年代相继出现了以碳纤维
计往往相互交叉而没有明显的分界线，同时这种设计都 受到成型技术的制约。通常认为复合材料中的材料设计 属于复合材料科学(材料物理及材料化学)的研究范畴， 而结构设计则属于复合材料力学的研究范畴。
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1.2 本课程研究的范围 范围：研究复合材料中的材料设计。 本课程是一门研究材料设计的课程，研究范围涉及到
作业：
1、增强体和功能体在复合材料中起的主导作用？ 2、复合材料区别于单一材料的主要特点？
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增强体和功能体在复合材料中起主导作用
用廉价的增强体， 特别是颗粒状填 料可降低成本。
功能体可赋予聚合物基体 本身所没有的特殊功能。 功能体的这种作用主要取 决于它的化学组成和结构。
纤维状或片状增强体可提高 聚合物基复合材料的力学性 能和热性能。其效果在很大 程度上取决于增强体本身的 力学性能和形态等。
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(1) 密度低 ； (2) 耐腐蚀； (3) 易氧化、老化； (4) 聚合物的耐热性通常较差； (5) 易燃； (6) 低的摩擦系数； (7) 低的导热性和高的热膨胀性； (8) 极佳的电绝缘性和静电积累； (9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。 (10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。