復合材料力學性能

1、第二篇 復合材料的力學性能2009.9第九章第九章 復合材料概述復合材料概述 運載火箭整流罩、廣播衛(wèi)星拋物面天線 復合材料的應用復合材料的應用雷達罩 無人駕馭長空一號飛機AD-200輕型飛機汽車外殼 汽車保險杠、后門 交通快艇大型封頭貯罐大型通風管道碳纖維自行車 氣象火箭頭錐 高硅氧纖維增強酚醛樹脂 模壓工藝制造 遠程導彈儀器艙口蓋遠程導彈儀器艙口蓋 碳化硅纖維增強鋁碳化硅纖維增強鋁(SiC/Al)復合材料復合材料 固態(tài)熱壓凈成型工藝制造固態(tài)熱壓凈成型工藝制造 TiC/Al TiC/Al復合材料復合材料 原位反應合成方法制造原位反應合成方法制造 SiC/Al SiC/Al管材試件管材試件 真空

2、液態(tài)浸滲工藝制造真空液態(tài)浸滲工藝制造 氮化硅陶瓷復合材料異形件氮化硅陶瓷復合材料異形件 熱壓工藝制造熱壓工藝制造3D-C-SiC預成型體（多向纖維編織物構成增強體，用于先驅體轉化法制備陶瓷基復合材料） 玻璃纖維/不飽和聚脂樹脂 拉擠方法制造的型材9.19.1復合材料及其分類復合材料及其分類 復合材料復合材料 由兩種或多種性質不同的組分構成的材料。材料各組分具有明顯不同性質、組分間存在明顯界面，且復合后材料性質也明顯不同于組分原有性質時，才稱之為真正的復合材料。增強相與基體增強相與基體 通常，復合材料中包含了一種或幾種不連續(xù)相和一種連續(xù)相，且不連續(xù)相鑲嵌于連續(xù)相中。 一般地，不連續(xù)相的強度和硬度

3、比連續(xù)相高，故稱為增強材料或增強相增強相；連續(xù)相則稱為基體基體。 復合材料的特點復合材料的特點 由于復合材料的組分是可人為選擇和設計的，材料中至少有兩種不同的獨立的相。因此，復合材料具有以下共同特點： 可綜合發(fā)揮各組成材料的優(yōu)點，使復合材料具可綜合發(fā)揮各組成材料的優(yōu)點，使復合材料具有多種性能。如玻璃纖維增強環(huán)氧基復合材料，有多種性能。如玻璃纖維增強環(huán)氧基復合材料，既具有類似鋼材的強度，又具有塑料的耐腐蝕既具有類似鋼材的強度，又具有塑料的耐腐蝕性、介電性能。性、介電性能。 可按對材料性能的需要進行材料設計與制造?？砂磳Σ牧闲阅艿男枰M行材料設計與制造。 可制成所需的任意形狀的產品，并避免多次加可

4、制成所需的任意形狀的產品，并避免多次加工工序。工工序。按增強材料的形態(tài)分類按增強材料的形態(tài)分類 連續(xù)纖維復合材料：作為增強相的纖維，各自的連續(xù)纖維復合材料：作為增強相的纖維，各自的兩個端點都位于復合材料的邊界。也稱長纖維復兩個端點都位于復合材料的邊界。也稱長纖維復合材料。合材料。 不連續(xù)纖維復合材料：短纖維無規(guī)則地或按一定不連續(xù)纖維復合材料：短纖維無規(guī)則地或按一定取向分布在基體中，也稱短纖維復合材料。取向分布在基體中，也稱短纖維復合材料。 粒狀復合材料：微小顆粒狀的增強材料分散在基粒狀復合材料：微小顆粒狀的增強材料分散在基體中制成復合材料。體中制成復合材料。 編織復合材料：以平面二維或立體三維

5、編織物為編織復合材料：以平面二維或立體三維編織物為增強材料與基體復合制成復合材料。增強材料與基體復合制成復合材料。 按增強纖維種類分類（對纖維增強復合材料）按增強纖維種類分類（對纖維增強復合材料）玻璃纖維復合材料玻璃纖維復合材料碳纖維復合材料碳纖維復合材料金屬纖維復合材料：如鎢絲、不銹鋼絲金屬纖維復合材料：如鎢絲、不銹鋼絲陶瓷纖維復合材料：如陶瓷纖維復合材料：如Al2O3、SiC等纖維等纖維有機纖維復合材料：如聚脂纖維、聚烯烴纖維有機纖維復合材料：如聚脂纖維、聚烯烴纖維等等 按基體材料種類分類按基體材料種類分類 聚合物基復合材料：如熱固性樹脂、熱塑聚合物基復合材料：如熱固性樹脂、熱塑性樹脂、橡

6、膠；性樹脂、橡膠； 金屬基復合材料：如鋁基、鈦基、鎂基、金屬基復合材料：如鋁基、鈦基、鎂基、鐵基等；鐵基等； 陶瓷基復合材料：如陶瓷基復合材料：如Al2O3基?；０床牧献饔梅诸惏床牧献饔梅诸?結構復合材料：用于制造受力構件的復合結構復合材料：用于制造受力構件的復合材料。材料。 功能復合材料：用于各種特殊性能（如阻功能復合材料：用于各種特殊性能（如阻尼、導電、導磁、屏蔽等）的復合材料。尼、導電、導磁、屏蔽等）的復合材料。 9.2 纖維增強復合材料及其基本特性纖維增強復合材料及其基本特性 纖維增強復合材料是由高強度、高模纖維增強復合材料是由高強度、高模量、連續(xù)（長）纖維或不連續(xù)（短）纖維量、連續(xù)

7、（長）纖維或不連續(xù)（短）纖維與基體復合而成的材料。該類復合材料的與基體復合而成的材料。該類復合材料的增強效果取決于纖維的特性，基體主要起增強效果取決于纖維的特性，基體主要起傳遞力的作用。此外，基體將纖維粘在一傳遞力的作用。此外，基體將纖維粘在一起形成一個整體、保護纖維不受環(huán)境介質起形成一個整體、保護纖維不受環(huán)境介質侵蝕。侵蝕。 一、制備纖維增強復合材料的一般原則制備纖維增強復合材料的一般原則 為達到纖維增強的效果，必須遵循以為達到纖維增強的效果，必須遵循以下原則：下原則： 要選用強度和模量均高于基體的纖維作為要選用強度和模量均高于基體的纖維作為增強材料，而基體要選擇軟而韌、有延展增強材料，而基

8、體要選擇軟而韌、有延展性的材料。并且，纖維尺寸越細，纖維復性的材料。并且，纖維尺寸越細，纖維復合材料強度越高，合材料強度越高， 纖維與基體之間要有一定的纖維與基體之間要有一定的相溶性相溶性或浸潤或浸潤性，以保證所受力能通過界面?zhèn)鬟f給纖維。性，以保證所受力能通過界面?zhèn)鬟f給纖維。 若相溶性不好，就需對纖維進行涂覆若相溶性不好，就需對纖維進行涂覆來改善。如碳纖維與鋁復合材料，須先在來改善。如碳纖維與鋁復合材料，須先在碳纖維表面涂敷一薄層銅或鎳。碳纖維表面涂敷一薄層銅或鎳。 若相溶性過強，會使纖維與基體界面若相溶性過強，會使纖維與基體界面結合力過大，當材料受力破壞時，會使纖結合力過大，當材料受力破壞時

9、，會使纖維失去拔出能而導致材料呈脆性斷裂。因維失去拔出能而導致材料呈脆性斷裂。因此，相溶性要適當。此，相溶性要適當。 纖維排列方向要與構件受力方向一致，以充分發(fā)纖維排列方向要與構件受力方向一致，以充分發(fā)揮纖維增強作用。揮纖維增強作用。這是因為纖維增強復合材料是這是因為纖維增強復合材料是各向異性的均質材料，沿纖維方向性能最高，而各向異性的均質材料，沿纖維方向性能最高，而垂直纖維方向強度低。因此，纖維在基體中的排垂直纖維方向強度低。因此，纖維在基體中的排列與構件的受力方向應合理配合。列與構件的受力方向應合理配合。 纖維與基體的熱脹系數應匹配，相差不能過大，纖維與基體的熱脹系數應匹配，相差不能過大，

10、否則會在熱脹冷縮過程中引起纖維與基體結合強否則會在熱脹冷縮過程中引起纖維與基體結合強度降低。度降低。且纖維與基體之間不能發(fā)生使結合強度且纖維與基體之間不能發(fā)生使結合強度降低的化學反應。降低的化學反應。 纖維所占體積分數、長度、長度與直徑比等必須纖維所占體積分數、長度、長度與直徑比等必須滿足一定要求。滿足一定要求。通常，纖維的體積分數越高、越通常，纖維的體積分數越高、越長、越細，增強效果越好。長、越細，增強效果越好。二、纖維復合材料的基本特性二、纖維復合材料的基本特性 比強度和比模量高，特別是連續(xù)復合纖維比強度和比模量高，特別是連續(xù)復合纖維材料。材料。 各向異性的可控制性。如在單向復合材料各向異性的可控制性。如在單向復合材料中，通過改變