材料科學基礎第27講 復合材料

D,g/cm3σb,MPaE,GPa,δ,%T,℃普通玻纖2.5-2.61370-2160592-3<700高模量玻纖2.5-2.6

3830

93-108

4.4-5

<870碳纖維1.7-1.9

2260-2850

275-304

1-2<2200硼纖維1.4-1.5

2750-3140383-3920.7-0.8<980氧化鋁纖維3.9

20601671000碳化硅纖維3.2

34304121200鈦絲4.5

1860-1960118鎢絲19.3

2160-4220343-412D=密度強度E=彈性模量伸長率T=使用溫度Boeing757飛機及復合材料2023/2/3WindowsinairplaneAircraftwindowsrequirebothtransparencyandacceptablemechanicalpropertiesduetothepressurisednatureoftheaircraft.Usuallythewindowconsistsofthreelayers:aglassloadbearinglayeraback-upglassloadcarryinglayerincasethefirstlayercracksaplasticshieldontheinsidetopreventscratchingbypassengers.2023/2/3復合效應1）混合效應，即加和效應：Pc=∑(pi)nφi。其中，φi是體積份數(shù)。當n>1，復合結(jié)果大于線性加和。2）傳遞效應：力、磁、電、光的轉(zhuǎn)換。3）界面效應：界面的浸潤性、相溶性、擴散性。硝酸處理碳纖維效果（環(huán)氧基）處理方法剪切強度MPa縱向拉伸模量GPa不處理22.7（彎曲），26.8（扭轉(zhuǎn)）34360%硝酸42.750.1

31670%硝酸23.3

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1922023/2/32復合材料增強原理1）彌散增強2）粒子增強3）纖維增強2023/2/3彌散粒子增強方法：用硬質(zhì)納米顆粒（如Al2O3,TiC,SiC,碳黑等）分散到基體中。適用于金屬和高分子基體。原理：對金屬基體是阻礙位錯運動。定量關系：剪切屈服強度:τy=Gmb/[(2dp/3φp)0.5(1-φp)]即：顆粒越細，顆粒體積分數(shù)越高，強化效果越好。實際用10-100nm顆粒，用量φp=0.01-0.15，即1%-15%。2023/2/3粒子增強加入1-50μm顆粒到金屬、陶瓷或樹脂中。原理：約束基體變形。定量關系：復合材料的密度ρc復合混合定律，但彈性模量Ec不符合混合定律，而是在Emφm+Epφp和EmEp/(Emφp+Epφm)之間。2023/2/3纖維增強1）長纖維增強法，即連續(xù)纖維增強法。2）短纖維增強法。2023/2/3連續(xù)纖維增強原理纖維方向的性能符合混合定律，即Ec=Emφm+Epφp垂直于纖維方向:εc=εfΦf+εmΦm故有：Ec=EmEp/(Emφp+Epφm)臨界纖維體積分數(shù)：φfcr=σmu-σm*/(σfu-σm*)，其中σm*是纖維斷裂時基體的應力。連續(xù)纖維復合材料力學分析2023/2/32023/2/3短纖維增強原理優(yōu)點：成本低，材料是各向同性的。增強原理：纖維限制基體的變形，并承擔載荷。纖維臨界長度：Lc=σfudf/2τy.纖維平均應力：σ#=(1-Lc/2L)σfu復合材料應力：σc=σ#φf+σmφm例：短纖維復合材料力學分析2023/2/32023/2/33復合材料的界面1）界面結(jié)合類型：機械結(jié)合，浸潤結(jié)合，反應結(jié)合，靜電結(jié)合。2）界面結(jié)合改善方法：降低界面殘余應力；基體改性；纖維