復(fù)合材料力學(xué)性能

1、第二篇 復(fù)合材料的力學(xué)性能2009.9第九章第九章 復(fù)合材料概述復(fù)合材料概述 運(yùn)載火箭整流罩、廣播衛(wèi)星拋物面天線 復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用雷達(dá)罩 無(wú)人駕馭長(zhǎng)空一號(hào)飛機(jī)AD-200輕型飛機(jī)汽車(chē)外殼 汽車(chē)保險(xiǎn)杠、后門(mén) 交通快艇大型封頭貯罐大型通風(fēng)管道碳纖維自行車(chē) 氣象火箭頭錐 高硅氧纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂 模壓工藝制造 遠(yuǎn)程導(dǎo)彈儀器艙口蓋遠(yuǎn)程導(dǎo)彈儀器艙口蓋 碳化硅纖維增強(qiáng)鋁碳化硅纖維增強(qiáng)鋁(SiC/Al)復(fù)合材料復(fù)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(fù)合材料復(fù)合材料 原位反應(yīng)合成方法制造原位反應(yīng)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(fù)合材料異形件氮化硅陶瓷復(fù)合材料異形件 熱壓工藝制造熱壓工藝制造3D-C-SiC預(yù)成型體（多向纖維編織物構(gòu)成增強(qiáng)體，用于先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備陶瓷基復(fù)合材料） 玻璃纖維/不飽和聚脂樹(shù)脂 拉擠方法制造的型材9.19.1復(fù)合材料及其分類(lèi)復(fù)合材料及其分類(lèi) 復(fù)合材料復(fù)合材料 由兩種或多種性質(zhì)不同的組分構(gòu)成的材料。材料各組分具有明顯不同性質(zhì)、組分間存在明顯界面，且復(fù)合后材料性質(zhì)也明顯不同于組分原有性質(zhì)時(shí)，才稱(chēng)之為真正的復(fù)合材料。增強(qiáng)相與基體增強(qiáng)相與基體 通常，復(fù)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(qiáng)度和硬度

3、比連續(xù)相高，故稱(chēng)為增強(qiáng)材料或增強(qiáng)相增強(qiáng)相；連續(xù)相則稱(chēng)為基體基體。 復(fù)合材料的特點(diǎn)復(fù)合材料的特點(diǎn) 由于復(fù)合材料的組分是可人為選擇和設(shè)計(jì)的，材料中至少有兩種不同的獨(dú)立的相。因此，復(fù)合材料具有以下共同特點(diǎn)： 可綜合發(fā)揮各組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使復(fù)合材料具可綜合發(fā)揮各組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使復(fù)合材料具有多種性能。如玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，有多種性能。如玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，既具有類(lèi)似鋼材的強(qiáng)度，又具有塑料的耐腐蝕既具有類(lèi)似鋼材的強(qiáng)度，又具有塑料的耐腐蝕性、介電性能。性、介電性能。 可按對(duì)材料性能的需要進(jìn)行材料設(shè)計(jì)與制造?？砂磳?duì)材料性能的需要進(jìn)行材料設(shè)計(jì)與制造。 可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，并避免多次加可

4、制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，并避免多次加工工序。工工序。按增強(qiáng)材料的形態(tài)分類(lèi)按增強(qiáng)材料的形態(tài)分類(lèi) 連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為增強(qiáng)相的纖維，各自的連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為增強(qiáng)相的纖維，各自的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界。也稱(chēng)長(zhǎng)纖維復(fù)兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界。也稱(chēng)長(zhǎng)纖維復(fù)合材料。合材料。 不連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維無(wú)規(guī)則地或按一定不連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維無(wú)規(guī)則地或按一定取向分布在基體中，也稱(chēng)短纖維復(fù)合材料。取向分布在基體中，也稱(chēng)短纖維復(fù)合材料。 粒狀復(fù)合材料：微小顆粒狀的增強(qiáng)材料分散在基粒狀復(fù)合材料：微小顆粒狀的增強(qiáng)材料分散在基體中制成復(fù)合材料。體中制成復(fù)合材料。 編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維

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

6、膠；性樹(shù)脂、橡膠； 金屬基復(fù)合材料：如鋁基、鈦基、鎂基、金屬基復(fù)合材料：如鋁基、鈦基、鎂基、鐵基等；鐵基等； 陶瓷基復(fù)合材料：如陶瓷基復(fù)合材料：如Al2O3基。基。按材料作用分類(lèi)按材料作用分類(lèi) 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件的復(fù)合材料。材料。 功能復(fù)合材料：用于各種特殊性能（如阻功能復(fù)合材料：用于各種特殊性能（如阻尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、屏蔽等）的復(fù)合材料。尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、屏蔽等）的復(fù)合材料。 9.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其基本特性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其基本特性 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由高強(qiáng)度、高模纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由高強(qiáng)度、高模量、連續(xù)（長(zhǎng)）纖維或不連續(xù)（短）纖維量、連續(xù)

7、（長(zhǎng)）纖維或不連續(xù)（短）纖維與基體復(fù)合而成的材料。該類(lèi)復(fù)合材料的與基體復(fù)合而成的材料。該類(lèi)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果取決于纖維的特性，基體主要起增強(qiáng)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(gè)整體、保護(hù)纖維不受環(huán)境介質(zhì)起形成一個(gè)整體、保護(hù)纖維不受環(huán)境介質(zhì)侵蝕。侵蝕。 一、制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一般原則制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一般原則 為達(dá)到纖維增強(qiáng)的效果，必須遵循以為達(dá)到纖維增強(qiáng)的效果，必須遵循以下原則：下原則： 要選用強(qiáng)度和模量均高于基體的纖維作為要選用強(qiáng)度和模量均高于基體的纖維作為增強(qiáng)材料，而基體要選擇軟而韌、有延展增強(qiáng)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(xì)，纖維復(fù)性的材料。并且，纖維尺寸越細(xì)，纖維復(fù)合材料強(qiáng)度越高，合材料強(qiáng)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(rùn)或浸潤(rùn)性，以保證所受力能通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維。性，以保證所受力能通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維。 若相溶性不好，就需對(duì)纖維進(jìn)行涂覆若相溶性不好，就需對(duì)纖維進(jìn)行涂覆來(lái)改善。如碳纖維與鋁復(fù)合材料，須先在來(lái)改善。如碳纖維與鋁復(fù)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(guò)強(qiáng)，會(huì)使纖維與基體界面若相溶性過(guò)強(qiáng)，會(huì)使纖維與基體界面結(jié)合力過(guò)大，當(dāng)材料受力破壞時(shí)，會(huì)使纖結(jié)合力過(guò)大，當(dāng)材料受力破壞時(shí)

9、，會(huì)使纖維失去拔出能而導(dǎo)致材料呈脆性斷裂。因維失去拔出能而導(dǎo)致材料呈脆性斷裂。因此，相溶性要適當(dāng)。此，相溶性要適當(dāng)。 纖維排列方向要與構(gòu)件受力方向一致，以充分發(fā)纖維排列方向要與構(gòu)件受力方向一致，以充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)作用。揮纖維增強(qiáng)作用。這是因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料是這是因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料是各向異性的均質(zhì)材料，沿纖維方向性能最高，而各向異性的均質(zhì)材料，沿纖維方向性能最高，而垂直纖維方向強(qiáng)度低。因此，纖維在基體中的排垂直纖維方向強(qiáng)度低。因此，纖維在基體中的排列與構(gòu)件的受力方向應(yīng)合理配合。列與構(gòu)件的受力方向應(yīng)合理配合。 纖維與基體的熱脹系數(shù)應(yīng)匹配，相差不能過(guò)大，纖維與基體的熱脹系數(shù)應(yīng)匹配，相差不能過(guò)大，

10、否則會(huì)在熱脹冷縮過(guò)程中引起纖維與基體結(jié)合強(qiáng)否則會(huì)在熱脹冷縮過(guò)程中引起纖維與基體結(jié)合強(qiáng)度降低。度降低。且纖維與基體之間不能發(fā)生使結(jié)合強(qiáng)度且纖維與基體之間不能發(fā)生使結(jié)合強(qiáng)度降低的化學(xué)反應(yīng)。降低的化學(xué)反應(yīng)。 纖維所占體積分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)度、長(zhǎng)度與直徑比等必須纖維所占體積分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)度、長(zhǎng)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?jǐn)?shù)越高、越通常，纖維的體積分?jǐn)?shù)越高、越長(zhǎng)、越細(xì)，增強(qiáng)效果越好。長(zhǎng)、越細(xì)，增強(qiáng)效果越好。二、纖維復(fù)合材料的基本特性二、纖維復(fù)合材料的基本特性 比強(qiáng)度和比模量高，特別是連續(xù)復(fù)合纖維比強(qiáng)度和比模量高，特別是連續(xù)復(fù)合纖維材料。材料。 各向異性的可控制性。如在單向復(fù)合材料各向異性的可控制性。如在單向復(fù)合材料中，通過(guò)改變