復(fù)合材料基礎(chǔ)課件

復(fù)合材料復(fù)合材料1緒論一、學(xué)習(xí)本課程的目的和意義通過(guò)本課程的教學(xué)，使學(xué)生獲得復(fù)合材料開發(fā)和應(yīng)用的基本知識(shí)，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。二、本課程的性質(zhì)、任務(wù)和教學(xué)內(nèi)容1、本課程的性質(zhì)：專業(yè)選修課。2、本課程的任務(wù)使學(xué)生了解復(fù)合材料的原材料、種類、性能特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域，基本掌握其基本原理、生產(chǎn)工藝。3、教學(xué)內(nèi)容《復(fù)合材料》1～5章，補(bǔ)充一點(diǎn)水泥其復(fù)合材料緒論一、學(xué)習(xí)本課程的目的和意義2三、課程的有關(guān)情況1、學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)（第1～17周，12周金工實(shí)習(xí)）2、教學(xué)參考書（TB類）：（1）馮小明，張崇才．復(fù)合材料．重慶：重慶大學(xué)出版社，2019（2）王榮國(guó)，武衛(wèi)莉，谷萬(wàn)里．復(fù)合材料概論．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2019（3）陳華輝，鄧海金，李明，林小松編著．現(xiàn)代復(fù)合材料．北京：中國(guó)物資出版社，2019（4）吳人杰．復(fù)合材料．天津：天津大學(xué)出版社，2000（5）王汝敏，鄭水蓉，鄭亞萍．聚合物基復(fù)合材料及工藝．北京：科學(xué)出版社，2019三、課程的有關(guān)情況31

復(fù)合材料基礎(chǔ)

1.1復(fù)合材料發(fā)展概況

1.1.1復(fù)合材料發(fā)展歷史第一代，1940～1960，玻璃纖維增強(qiáng)塑料第二代，1960～1980，發(fā)明了碳纖維和芳綸，發(fā)展高性能樹脂基（環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺樹脂）復(fù)合材料。第三代，1980～1990，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料。第四代，1990年以后，多功能復(fù)合材料如智能材料、梯度功能材料、新型復(fù)合材料等。1復(fù)合材料基礎(chǔ)

1.1復(fù)合材料發(fā)展概況1.1.141.1.2復(fù)合材料的性能特點(diǎn)聚合物基復(fù)合材料：（1）比強(qiáng)度、比模量大。比強(qiáng)度相當(dāng)于鈦合金的3～5倍，比模量相當(dāng)于金屬的4倍。（2）耐疲勞性好。疲勞極限強(qiáng)度是抗張強(qiáng)度的70～80%，金屬僅為20～50%。（3）減震性好。比模量高，具有高的自振頻率，很高的吸振能力。輕合金梁9s停止振動(dòng)，復(fù)合材料2.5s。（4）過(guò)載時(shí)安全性好。（5）具有多種功能。耐燒蝕性，減摩性能，電絕緣性能，耐腐蝕性，特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)。（6）良好的加工性能。缺點(diǎn)：耐高溫、耐老化、強(qiáng)度一致性較差。金屬基復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量大，熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好，良好的抗疲勞性和斷裂韌性等。陶瓷基復(fù)合材料提高抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性。1.1.2復(fù)合材料的性能特點(diǎn)51.1.3主要用途1．航空航天：飛機(jī)的垂直尾翼、水平安定面、方向舵、副翼、機(jī)身、機(jī)翼蒙皮等，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等。2．交通運(yùn)輸：魚雷快艇、掃雷艇、救生艇、游船等，汽車的車身、儀表盤、車門、座椅等，火車的車箱、車門窗、座椅等。3．房屋建筑：衛(wèi)生潔具、冷卻塔、波形瓦、通風(fēng)管道等。4．電子工業(yè)：絕緣線路板、絕緣器材等。5．機(jī)械工業(yè)：各種機(jī)械部件等。風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。6．化工設(shè)備：管道、泵、風(fēng)機(jī)、容器、反應(yīng)釜等。7．體育器材：撐桿、弓箭、賽車、賽艇、滑板、球拍、釣魚桿等。

1.1.3主要用途1．航空航天：飛機(jī)的垂直尾翼、水平安定6

7飛機(jī)在波音777飛機(jī)上復(fù)合材料只占重量的9%，而在波音787上復(fù)合材料占到重量的50%，所采用的碳纖維增強(qiáng)塑料達(dá)到35噸。在波音787上大面積使用碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，減輕了飛機(jī)重量并使創(chuàng)新理念得以實(shí)現(xiàn)。機(jī)身、機(jī)翼等主承力構(gòu)件都采用復(fù)合材料。與其他同類飛機(jī)相比：（1）更輕。飛機(jī)重量大大減輕，運(yùn)行成本也大幅下降；（2）更節(jié)能。節(jié)省20%的燃料，同時(shí)釋放更少的溫室氣體；（3）噪音更低。起飛和降落時(shí)的噪音要比其他飛機(jī)低60%；（4）更耐用。使用期更長(zhǎng)，檢修率要低30%。A380約25%由復(fù)合材料制造，其中22%由各種不同的增強(qiáng)型塑料復(fù)合材料制成，大部分是碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂(CFRP)。飛機(jī)在波音777飛機(jī)上復(fù)合材料只占重量的9%，而在波音7878龐巴迪宇航公司全新的全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)里爾85型噴氣機(jī)(8座）波音787飛機(jī)龐巴迪宇航公司全新的全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)里爾85型噴氣機(jī)(8座）波9空客380飛機(jī)及使用的新復(fù)合材料空客380飛機(jī)及使用的新復(fù)合材料10復(fù)合材料基礎(chǔ)PPT課件11武鋒概念車車身采用碳纖維復(fù)合材料，車架為碳纖維硬殼式用SMC工藝制造的復(fù)合材料后行李廂蓋被用在雷諾車上武鋒概念車車身采用碳纖維復(fù)合材料，車架為碳纖維硬殼式用SMC12復(fù)合材料基礎(chǔ)PPT課件13風(fēng)力發(fā)電至2019年底，中國(guó)全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)達(dá)1600萬(wàn)千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到4182.7萬(wàn)千瓦，首次超過(guò)美國(guó)，躍居世界第一。按照規(guī)劃，2019年中國(guó)風(fēng)電規(guī)模將達(dá)到1億千瓦，2020年將達(dá)2億千瓦，相當(dāng)于11個(gè)三峽電站。整個(gè)風(fēng)電制造業(yè)可以分為：葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)等主要零部件的生產(chǎn)體系。風(fēng)電機(jī)組成本結(jié)構(gòu)中，葉片20%，齒輪箱15%，電機(jī)12%，軸承8%，塔架13%，機(jī)艙罩9%，控制系統(tǒng)8%，其他15%。葉片長(zhǎng)幾十米，6MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片長(zhǎng)66.5m。風(fēng)力發(fā)電至2019年底，中國(guó)全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)達(dá)1600萬(wàn)14復(fù)合材料基礎(chǔ)PPT課件15

1.2復(fù)合材料的定義、命名和分類

1.2.1定義復(fù)合材料：是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合而成的新型材料。三個(gè)特點(diǎn)：1．組分之間存在明顯的界面。2．各組元保持各自固有的特性，并產(chǎn)生原組分所不具備的特性。3．具有可設(shè)計(jì)性。

連續(xù)相——基體分散相——增強(qiáng)材料復(fù)合材料界面

1.2復(fù)合材料的定義、命名和分類1.2.1定義連161.2.2命名（1）強(qiáng)調(diào)基體，以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料。（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)材料，以增強(qiáng)材料的名稱為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。（3）基體材料名稱與增強(qiáng)材料名稱并用，增強(qiáng)材料在前、基體材料在后，中間用“/”分開。如玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料、碳/鋁復(fù)合材料等。1.2.2命名171.2.3復(fù)合材料的分類

（1）按基體材料分：聚合物基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，石墨基復(fù)合材料（碳-碳復(fù)合），混凝土基復(fù)合材料。（2）按增強(qiáng)纖維種類分：玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料、金屬纖維復(fù)合材料、陶瓷纖維復(fù)合材料。（3）按增強(qiáng)材料形狀分：連續(xù)纖維復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料、粒狀填料復(fù)合材料、編織復(fù)合材料等。（4）按用途分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料，智能復(fù)合材料。1.2.3復(fù)合材料的分類（1）按基體材料分：聚合物基復(fù)181.3.1復(fù)合材料基體1.3.1.1聚合物基體1.熱固性樹脂由某些低分子的合成樹脂，在加熱、固化劑或紫外光等作用下，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，并經(jīng)過(guò)凝膠化階段和固化階段形成不溶、不熔的固體。受熱后不再軟化，高溫分解破壞。一般是網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)。（1）不飽和聚酯樹脂（UP）主鏈上同時(shí)具有重復(fù)酯鍵及不飽和雙鍵（-C=C-）的聚合物。按化學(xué)結(jié)構(gòu)分為順酐型、丙稀酸型、丙稀酸環(huán)氧酯型和丙烯酸型聚酯樹脂等。由二元醇與不飽和二元酸或酸酐、飽和二元酸或酸酐經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的低聚物，溶于苯乙烯等單體中得到低粘度樹脂，在引發(fā)劑作用下，聚酯中的雙鍵與固化劑苯乙烯共聚形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。工藝性能好，力學(xué)性能較好，價(jià)格低，用量大，約占60%，可適合各種工藝。但體積收縮率較大，成型時(shí)氣味和毒性大，耐熱性、強(qiáng)度和模量較低，易變形。1.3復(fù)合材料的組成1.3.1復(fù)合材料基體1.3復(fù)合材料的組成19(2)環(huán)氧樹脂（EP）分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上活性環(huán)氧基團(tuán)的低聚物統(tǒng)稱為環(huán)氧樹脂按分子結(jié)構(gòu)分為縮水甘油醚、縮水甘油酯、縮水甘油胺、線性脂肪族和環(huán)型脂肪族五類。適合作復(fù)合材料的是雙酚A、多官能團(tuán)、酚醛環(huán)氧樹脂。工藝性能好，力學(xué)性能優(yōu)異，良好的電學(xué)性能，耐熱性較好（120～180℃），優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，突出的尺寸穩(wěn)定性和耐久性，但較脆，需增韌，價(jià)格較貴。使用范圍最廣，用于主承力結(jié)構(gòu)和耐腐蝕結(jié)構(gòu)。(2)環(huán)氧樹脂（EP）20(3)酚醛樹脂（PF）酚醛樹脂：由酚類和醛類的縮聚產(chǎn)物。通常由苯酚和甲醛在催化劑條件下縮聚、經(jīng)中和、水洗而制成。(4)其它熱固性樹脂熱固性聚酰亞胺樹脂：（PI），主鏈上帶有大量芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，端頭帶有不飽和鏈而發(fā)生加成反應(yīng)，形成交聯(lián)性聚合物。由聯(lián)苯四甲酸二酐和對(duì)苯二胺合成的聚酰亞胺，熱分解溫度達(dá)到600℃。乙烯基酯樹脂：乙烯基酯樹脂是由環(huán)氧樹脂與丙烯酸及其衍生物通過(guò)開環(huán)加成化學(xué)反應(yīng)而制得。(3)酚醛樹脂（PF）212.熱塑性樹脂熱塑性樹脂：指具有線性或支鏈型結(jié)構(gòu)的一類有機(jī)高分子化合物，可以反復(fù)受熱軟化（或熔化）冷卻后變硬。特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，成本低，相對(duì)密度小，但其力學(xué)性能、使用溫度、抗老化性能方面不如熱固性樹脂。（1）聚丙烯。無(wú)毒、無(wú)味，具有強(qiáng)度高、硬度大、耐磨、耐彎曲疲勞、耐熱溫度高、耐濕和耐化學(xué)性優(yōu)良、容易加工成型、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)具有低溫韌性差、不耐老化等缺點(diǎn)。（2）聚酰胺。主鏈上含有酰胺基團(tuán)的高分子聚合物，俗稱尼龍（Nylon）。具有優(yōu)良的力學(xué)性能，強(qiáng)韌性好，蠕變變形小，耐汽油、耐高溫、耐寒，良好的電絕緣性、阻燃性、自熄性；減摩耐磨、耐腐蝕。但易吸潮，使機(jī)械、電氣性能下降。（3）聚醚醚酮。半結(jié)晶性，熔點(diǎn)334℃，熱分解溫度650℃，長(zhǎng)期使用溫度250℃；模量與環(huán)氧樹脂相當(dāng)，強(qiáng)度高于環(huán)氧，斷裂韌性比環(huán)氧高一個(gè)數(shù)量級(jí)，已經(jīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)。2.熱塑性樹脂221.3.1.2金屬基體1.用于450℃以下的輕金屬基體：鋁基、鎂基合金（1）鋁：熔點(diǎn)660℃，密度2.7g/cm3。合金，強(qiáng)度達(dá)600MPa。鋁合金用于航天航空、電力、建材等。（2）鎂：密度1.74g/cm3，熔點(diǎn)648.8°C，彈性模量低（44.6GPa）、強(qiáng)度低。合金的比強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度達(dá)300MPa）、比剛度較高。鎂合金是航空工業(yè)常用的結(jié)構(gòu)材料，并用于光學(xué)儀器、電子、機(jī)械、汽車等行業(yè)。1.3.1.2金屬基體232.用于450～700℃的金屬基體(鈦合金)鈦的密度4.51g/cm3，熔點(diǎn)1678℃，熱膨脹系數(shù)?。?.35×10-6℃-1），導(dǎo)電導(dǎo)熱差（僅為銅的1/17和1/25），優(yōu)異的耐蝕性，強(qiáng)度高，韌性和塑性好。摻少量Al、Cr、V的鈦合金經(jīng)熱處理，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1.4GPa，高溫強(qiáng)度也大提高。2.用于450～700℃的金屬基體(鈦合金)243.用于1000℃以上高溫的金屬基體：鎳基、鐵基合金和金屬間化合物鎳基合金：鎳的熔點(diǎn)是1453℃，鎳大量用于制造合金。其中鎳基高溫合金，鎳含量高于50%的高溫合金（鐵含量很少<5%），用量占現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)總重的40%，最高使用溫度達(dá)1000℃。純鐵的熔點(diǎn)1534℃。鐵鎳基高溫合金，鎳含量25～50%，鐵含量30～50%的高溫合金。用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件，最高使用溫度達(dá)900℃。3.用于1000℃以上高溫的金屬基體：鎳基、鐵基合金和金25部分鋁合金制品部分鋁合金制品26部分鎂、鈦合金制品部分鎂、鈦合金制品271.3.1.3陶瓷基復(fù)合材料的基體1.玻璃玻璃：無(wú)機(jī)物經(jīng)熔融、冷卻、硬化得到的非晶態(tài)固體。性能特點(diǎn)：透明、耐腐蝕、耐熱、絕緣、美觀。品種：硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃等?；瘜W(xué)組成：硅酸鹽玻璃主要SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO、K2O、PbO等硼硅酸鹽玻璃主要SiO2、B2O3、Na2O、Al2O3等。1.3.1.3陶瓷基復(fù)合材料的基體28表1-1常用玻璃和玻璃陶瓷基體的基本特性基本類型主要成分輔助成分主要晶相Tmax/℃彈性模量/GPa玻璃7740B2O3，SiO2Na2O600651723Al2O3，MgO，CaO，SiO2B2O3，BaO700907933SiO2B2O3115065玻璃陶瓷LAS-ⅠLi2O，Al2O3，MgO，SiO2ZnO，ZrO2，BaOβ-鋰輝石100090LAS-ⅡLi2O，MgO，Al2O3，SiO2，Nb2O5ZnO，ZrO2，BaOβ-鋰輝石110090LAS-ⅢLi2O，MgO，Al2O3，SiO2，Nb2O5ZrO2β-鋰輝石120090MASAl2O3，MgO，SiO2BaO堇青石1200BMASBaO，Al2O3，MgO，SiO21250105CASCaO，Al2O3，SiO2鈣長(zhǎng)石125090MLASMgO，Li2O，Al2O3，SiO2α-堇青石1250表1-1常用玻璃和玻璃陶瓷基體的基本特性基本類型主要成分292．微晶玻璃定義：特定組成的玻璃經(jīng)過(guò)控制晶化得到的多晶多相固體材料。性能特點(diǎn)：采用玻璃生產(chǎn)工藝，具有陶瓷制品的結(jié)構(gòu)、性能特征，很多性能得到改進(jìn)。品種：鋰鋁硅微晶玻璃（LAS），熱膨脹系數(shù)幾乎為零，抗熱震性好；鎂鋁硅微晶玻璃（MAS），硬度高，耐磨性好，介電及絕緣性好。2．微晶玻璃303.氧化物陶瓷Al2O3陶瓷，常用，硬度高、耐高溫、耐侵蝕、絕緣好，但脆性大、抗熱震性差。莫來(lái)石（3Al2O3·2SiO2）陶瓷，熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)和熱容低，抗熱震性好，強(qiáng)度較高。ZrO2陶瓷，耐高溫（2000℃以上），導(dǎo)熱系數(shù)小。部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）斷裂韌性遠(yuǎn)高于其它結(jié)構(gòu)陶瓷，稱“陶瓷鋼”。3.氧化物陶瓷Al2O3陶瓷，常用，硬度高、耐高溫、耐侵31氧化鋯陶瓷制品氧化鋯陶瓷制品324.非氧化物陶瓷Si3N4陶瓷，強(qiáng)度高（室溫抗彎強(qiáng)度達(dá)200MPa），抗熱震性和抗高溫蠕變性能好，硬度高，耐腐蝕，抗氧化溫度達(dá)1000℃，電絕緣性好。SiC陶瓷，高溫強(qiáng)度高，1400℃仍達(dá)600MPa，高溫導(dǎo)電性能好。4.非氧化物陶瓷Si3N4陶瓷，強(qiáng)度高（室溫抗彎強(qiáng)度達(dá)2033表1-2常用耐高溫陶瓷基體材料的基本性能類型密度/g·cm-3熔點(diǎn)/℃彈性模量/GPa熱導(dǎo)率/W·m-1·K-1熱膨脹系數(shù)/×10-6K-1莫氏硬度氧化鋁3.9920534355.828.89氧化鋯6.1026772381.678～107莫來(lái)石3.1718602003.835.66～7碳化硅3.21254542041.05.129氮化硅3.19190038530.03.29表1-2常用耐高溫陶瓷基體材料的基本性能類型密度/g·cm34氮化硅陶瓷制品氮化硅陶瓷制品351.3.1.4水泥基復(fù)合材料的基體硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥混凝土。1.3.2復(fù)合材料增強(qiáng)體按形態(tài)分為顆粒狀、纖維狀、片狀、編織狀等按化學(xué)組成分為無(wú)機(jī)非金屬、有機(jī)聚合物和金屬類。1.3.1.4水泥基復(fù)合材料的基體36圖1-3各種纖維增強(qiáng)體的拉伸強(qiáng)度和彈性模量圖1-3各種纖維增強(qiáng)體的拉伸強(qiáng)度和彈性模量37表1-3纖維增強(qiáng)體的典型品種和性能性能指標(biāo)高分子系列碳纖維無(wú)機(jī)纖維對(duì)位芳酰胺聚乙烯tekmilon聚芳酯VectranPNA基碳纖維碳化硅Hi-Nicalon氧化鋁Neatel-610玻璃纖維E-GlassKevler-49Kevler-129標(biāo)準(zhǔn)級(jí)T300高強(qiáng)高模M60J高強(qiáng)中模T800H密度/g·cm31.451.440.961.411.761.911.812.743.752.54強(qiáng)度/GPa2.803.403.433.273.533.825.492.803.203.43模量/GPa109.096.998.074.5230.0588.0294.0270.0370.072.5伸長(zhǎng)率/%2.53.34.03.91.50.71.91.40.54.8比強(qiáng)度/106cm19.32.036.524.020.020.030.310.08.512.0比模量/108cm7.76.810.45.413.031.016.29.69.92.9表1-3纖維增強(qiáng)體的典型品種和性能性能指標(biāo)高分子系列碳纖381.2.3復(fù)合材料的界面1.3.3.1復(fù)合材料界面的定義界面：基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。尺寸很小，只有幾納米至幾微米。1.3.3.2界面相的作用1．傳遞作用。將外力由基體傳遞給增強(qiáng)物，起到基體與增強(qiáng)物的橋梁作用。2．阻斷作用。阻止裂紋擴(kuò)展、中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中。3．保護(hù)作用。保護(hù)增強(qiáng)體免受環(huán)境的侵蝕，防止基體與增強(qiáng)體之間的化學(xué)反應(yīng)。1.2.3復(fù)合材料的界面1.3.3.1復(fù)合材料界面的391.3.3.3聚合物基復(fù)合材料的界面界面性能是由界面組成和結(jié)構(gòu)所決定的，因而與增強(qiáng)體與基體的組成、復(fù)合工藝密切相關(guān)。主要是界面結(jié)合強(qiáng)度和界面滑移阻力。界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)于不同的復(fù)合材料要求不同，聚合物基復(fù)合材料的目的是提高強(qiáng)度和剛度，希望界面結(jié)合強(qiáng)度較高（但不是越強(qiáng)越好）；陶瓷基主要提高韌性，希望界面結(jié)合強(qiáng)度較低。界面滑移阻力主要影響纖維拔出過(guò)程所消耗的能量，影響纖維與基體之間的載荷傳遞、纖維拔出長(zhǎng)度和增韌效果。1.3.3.3聚合物基復(fù)合材料的界面40圖1-4兩種具有不同界面性能復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1-4兩種具有不同界面性能復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線41碳纖維增強(qiáng)鋁的抗拉強(qiáng)度和斷口形貌界面結(jié)合狀態(tài)抗張強(qiáng)度/MPa斷口形貌結(jié)合不良206纖維大量拔出，長(zhǎng)度很長(zhǎng)，呈刷子狀結(jié)合適中612有的纖維拔出，有一定長(zhǎng)度，鋁基體發(fā)生頸縮，可觀察到劈裂狀結(jié)合稍強(qiáng)470出現(xiàn)不規(guī)則斷面，可觀察到很短的拔出纖維結(jié)合過(guò)強(qiáng)224展開的脆性斷裂，平斷口碳纖維增強(qiáng)鋁的抗拉強(qiáng)度和斷口形貌界面結(jié)合狀態(tài)抗張強(qiáng)度/MPa421.3.3.4界面工程界面工程：研究不同異質(zhì)材料復(fù)合過(guò)程的合理設(shè)計(jì)、控制界面相的結(jié)構(gòu)和性能及其與復(fù)合材料整體性能的關(guān)系。通過(guò)對(duì)增強(qiáng)體表面改性、基體改性、引入某種界面調(diào)節(jié)劑，從而形成最佳的界面層。1．有機(jī)硅偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維表面改性可以大大提高樹脂與纖維的結(jié)合性能。2．碳纖維表面沉積Ti-B涂層可以改善碳纖維與鋁液的浸潤(rùn)性、阻礙纖維與鋁的界面反應(yīng)。3．碳纖維表面沉積熱解碳對(duì)碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的作用。1.3.3.4界面工程43

1.4復(fù)合材料的復(fù)合原理1.4.1顆粒增強(qiáng)原理1.4.1.1彌散增強(qiáng)原理彌散增強(qiáng)原理可用位錯(cuò)繞過(guò)理論解釋。彌散微粒阻礙基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。在剪應(yīng)力τi的作用下，位錯(cuò)的曲率半徑為：式中：Gm為基體剪切模量，b為柏氏矢量。

1.4復(fù)合材料的復(fù)合原理1.4.1顆粒增強(qiáng)原理44圖1-6彌散增強(qiáng)原理圖

圖1-6彌散增強(qiáng)原理圖45若微粒之間的距離為Df，當(dāng)剪切應(yīng)力大到使位錯(cuò)的曲率半徑R=Df/2時(shí)，基體產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)的剪切應(yīng)力即為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度：若微粒之間的距離為Df，當(dāng)剪切應(yīng)力大到使位錯(cuò)的曲率半徑R=D46假定基體的理論斷裂應(yīng)力為Gm/30，基體的屈服強(qiáng)度為Gm/100，則得到微粒間距的上下限分別為0.3μm和0.01μm。即微粒直徑在0.01μm～0.3μm時(shí)，具有增強(qiáng)作用。若微粒直徑為dp，體積分?jǐn)?shù)為Vp，微粒彌散且均勻分布。根據(jù)體視學(xué)原理，則：微粒尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化效果越好。一般，Vp為0.01～0.15，dp為0.001～0.1μm。假定基體的理論斷裂應(yīng)力為Gm/30，基體的屈服強(qiáng)度為Gm/1471.4.1.2顆粒增強(qiáng)原理由尺寸較大（粒徑大于1μm）的堅(jiān)硬顆粒與基體復(fù)合而成，其增強(qiáng)原理是雖然載荷主要由基體承擔(dān)，但顆粒也承受載荷并通過(guò)阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而約束基體的變形。在外載荷作用下，基體內(nèi)位錯(cuò)滑移在基體與顆粒界面上受到阻滯，并在顆粒上產(chǎn)生應(yīng)力集中，其值為：σi=nσ根據(jù)位錯(cuò)理論，應(yīng)力集中因子為：n=σDf/(Gmb)則：σi=σ2Df/(Gmb)1.4.1.2顆粒增強(qiáng)原理48如果σi=σp時(shí)，顆粒開始破壞，產(chǎn)生裂紋，引起復(fù)合材料變形，令σp=Gp/c，則：式中：Gp為顆粒剪切模量，c為常數(shù)。由此得到顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度為：將體視學(xué)關(guān)系式代入得：顆粒尺寸越小、體積分?jǐn)?shù)越高，增強(qiáng)效果越好。一般顆粒直徑1～50μm，顆粒間距1～25μm體積分?jǐn)?shù)5～50%。如果σi=σp時(shí)，顆粒開始破壞，產(chǎn)生裂紋，引起復(fù)合材料變形，491.4.2單向排列連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板理論：認(rèn)為是單向?qū)悠砸欢樞虔B放起來(lái)。1.4.2.1縱向強(qiáng)度和剛度1.復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始階段假定：纖維性能和直徑是均勻的、連續(xù)的并全部相互平行，纖維與基體之間的結(jié)合良好，在界面無(wú)相對(duì)滑動(dòng)；忽略纖維與基體之間熱膨脹系數(shù)、泊松比及彈性變形差引起的附加應(yīng)力；整個(gè)材料的縱向應(yīng)變可以認(rèn)為是相同的，即復(fù)合材料、纖維與基體具有相同的應(yīng)變：1.4.2單向排列連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板理論：認(rèn)為是單50圖1-7單向纖維復(fù)合材料中的單層板圖1-7單向纖維復(fù)合材料中的單層板51沿纖維方向的外載荷由纖維和基體共同承擔(dān)，應(yīng)有：式中：A為相應(yīng)組分的橫截面積。上式變?yōu)椋簩?duì)于平行排列纖維的復(fù)合材料，體積分?jǐn)?shù)等于面積分?jǐn)?shù)，則：沿纖維方向的外載荷由纖維和基體共同承擔(dān)，應(yīng)有：52因?yàn)閺?fù)合材料、纖維與基體具有相同的應(yīng)變，對(duì)應(yīng)變求導(dǎo)數(shù)：式中：表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率，在初始階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線是直線，斜率是常數(shù)，可用相應(yīng)的彈性模量代入，則：符合“混合法則”（加和法則）因?yàn)閺?fù)合材料、纖維與基體具有相同的應(yīng)變，對(duì)應(yīng)變求導(dǎo)數(shù)：53因?yàn)椋核裕簭?fù)合材料中各組分所承載的應(yīng)力比等于相應(yīng)的彈性模量比。復(fù)合材料中各組分的承載比為：圖1-8所示：纖維與基體的彈性模量比值越大，纖維體積分?jǐn)?shù)越高，則纖維承載越大。因?yàn)椋?4圖1-8纖維/復(fù)合材料承載比與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖1-8纖維/復(fù)合材料承載比與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系552.復(fù)合材料初始變形后的行為復(fù)合材料的變形階段：①纖維和基體均為線彈性變形；②纖維為繼續(xù)線彈性變形，基體非線性變形；③纖維和基體均為非線性變形；④隨著纖維斷裂，復(fù)合材料斷裂。對(duì)于金屬基復(fù)合材料，由于基體的塑性變形，第二階段占應(yīng)力-應(yīng)變曲線的相當(dāng)部分，此時(shí)復(fù)合材料的彈性模量為：式中：是復(fù)合材料應(yīng)變點(diǎn)基體應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率。2.復(fù)合材料初始變形后的行為563.斷裂強(qiáng)度(1)基體斷裂應(yīng)變大于纖維斷裂應(yīng)變當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)足夠大時(shí)，基體不能承擔(dān)纖維斷裂后轉(zhuǎn)移的全部載荷，則復(fù)合材料斷裂。根據(jù)混合法則，復(fù)合材料縱向斷裂強(qiáng)度為：式中：σfu是纖維強(qiáng)度，是對(duì)應(yīng)纖維斷裂應(yīng)變值的基體應(yīng)力。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)很小時(shí)，基體能夠承擔(dān)纖維斷裂后轉(zhuǎn)移的全部載荷，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度為：解上述兩式，得到纖維控制復(fù)合材料斷裂所需的最小體積分?jǐn)?shù)為：3.斷裂強(qiáng)度57(2)基體斷裂應(yīng)變小于纖維斷裂應(yīng)變當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，纖維不能承擔(dān)基體斷裂后所轉(zhuǎn)移的全部載荷，根據(jù)混合法則，復(fù)合材料縱向斷裂強(qiáng)度為：式中：σcu是基體強(qiáng)度，σf*是對(duì)應(yīng)基體斷裂應(yīng)變時(shí)纖維承受的應(yīng)力。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，纖維能夠承擔(dān)基體斷裂后所轉(zhuǎn)移的全部載荷。假定基體能夠繼續(xù)傳遞載荷，則復(fù)合材料可進(jìn)一步承載，直至纖維斷裂。復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度為：纖維控制復(fù)合材料斷裂所需的最小體積分?jǐn)?shù)為：(2)基體斷裂應(yīng)變小于纖維斷裂應(yīng)變58圖1基體斷裂應(yīng)變小于纖維時(shí)σu與Vf關(guān)系

圖1基體斷裂應(yīng)變小于纖維時(shí)σu與Vf關(guān)系591.4.2.2橫向剛度和強(qiáng)度1．橫向模量（Halpin-Tsia公式）復(fù)合材料橫向彈性模量ET為：其中：式中：ξ是與纖維幾何、堆積幾何及關(guān)的參數(shù)，當(dāng)纖維截面積為圓形和正方形時(shí)，ξ=2；矩形纖維，ξ=2a/b，a/b是矩形截面尺寸，a是加載方向。1.4.2.2橫向剛度和強(qiáng)度60圖1-9Halpin-Tsia橫向彈性模量與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖1-9Halpin-Tsia橫向彈性模量與纖維體積分?jǐn)?shù)612.橫向強(qiáng)度纖維對(duì)橫向強(qiáng)度不僅沒有增強(qiáng)作用，反而有反作用。假設(shè)復(fù)合材料橫向強(qiáng)度σtu受基體強(qiáng)度σmu控制，強(qiáng)度衰減因子S與纖維、基體性能及纖維體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，即：按傳統(tǒng)材料強(qiáng)度方法，S是應(yīng)力集中系數(shù)SCF或應(yīng)變集中系數(shù)SMF，若忽略泊松效應(yīng)，則：

2.橫向強(qiáng)度62最大形變能判據(jù)：當(dāng)任何一點(diǎn)的形變能達(dá)到臨界值時(shí)，材料發(fā)生斷裂。則：式中：Umax是基體中任何一點(diǎn)的最大歸一化形變能，是纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維堆積方式、纖維與基體界面條件、組分性質(zhì)的函數(shù)；σc是外加應(yīng)力。仿照顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的經(jīng)驗(yàn)公式，可以得到復(fù)合材料橫向斷裂應(yīng)變?chǔ)與b的表達(dá)式：式中：εmb是基體的斷裂應(yīng)變。如果基體和復(fù)合材料之間有線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得到復(fù)合材料橫向斷裂應(yīng)力：最大形變能判據(jù)：當(dāng)任何一點(diǎn)的形變能達(dá)到臨界值時(shí)，材料發(fā)生斷裂631.4.3短纖維增強(qiáng)原理1.4.3.1短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力傳遞機(jī)理復(fù)合材料受力時(shí)，由基體傳遞給增強(qiáng)纖維?；w的變形量大于纖維，因此在界面上產(chǎn)生剪切力和剪應(yīng)變，界面上剪切力沿纖維方向的各處也不相同。1.4.3短纖維增強(qiáng)原理64圖1-10短纖維埋入基體受力前后變形示意圖

圖1-10短纖維埋入基體受力前后變形示意圖65圖1-11纖維長(zhǎng)度微元上力的平衡

圖1-11纖維長(zhǎng)度微元上力的平衡661.4.3.2短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力傳遞理論1.應(yīng)力傳遞分析剪切滯后分析，纖維長(zhǎng)度微元dz在應(yīng)力平衡時(shí)有：即：式中：σf是纖維軸向應(yīng)力，τ是作用于柱狀纖維與基體界面的剪應(yīng)力，r是纖維半徑。積分得：式中：σf0是纖維端部應(yīng)力，由于高度應(yīng)力集中，可以忽略。1.4.3.2短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力傳遞理論67假設(shè)纖維中部的界面剪切應(yīng)力和纖維端部的正應(yīng)力為零，假設(shè)纖維周圍的基體是完全塑性的，這樣，沿纖維長(zhǎng)度的界面剪切應(yīng)力可以認(rèn)為是常數(shù)，并等于基體剪切屈服強(qiáng)度τγ，則：對(duì)于短纖維，最大應(yīng)力發(fā)生在纖維中部（z=l/2）處：式中：l是纖維長(zhǎng)度。纖維承載能力存在一極限值，應(yīng)等于相應(yīng)應(yīng)力作用于連續(xù)纖維復(fù)合材料時(shí)連續(xù)纖維的應(yīng)力：式中：σc是作用于復(fù)合材料的外加應(yīng)力，Ec根據(jù)混合法則得到。假設(shè)纖維中部的界面剪切應(yīng)力和纖維端部的正應(yīng)力為零，假設(shè)纖維周68將能夠達(dá)到最大纖維應(yīng)力(σf)max的最短纖維長(zhǎng)度定義為載荷傳遞長(zhǎng)度lf，載荷從基體向纖維的傳遞就發(fā)生在纖維的lf長(zhǎng)度上。由下式定義為：式中：d是纖維直徑。載荷傳遞長(zhǎng)度lf是外加應(yīng)力的函數(shù)，lc被定義為與外加應(yīng)力無(wú)關(guān)的臨界纖維長(zhǎng)度，即可以達(dá)到纖維允許應(yīng)力σfu的最小纖維長(zhǎng)度為：臨界纖維長(zhǎng)度也稱為“無(wú)效纖維長(zhǎng)度”，即在這個(gè)長(zhǎng)度上纖維承載應(yīng)力小于最大纖維強(qiáng)度。將能夠達(dá)到最大纖維應(yīng)力(σf)max的最短纖維長(zhǎng)度定義為載荷692.應(yīng)力分布的有限元分析有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元方法與其他求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念。基體實(shí)際上不是完全塑性體，而是彈塑性體。2.應(yīng)力分布的有限元分析70圖1-13纖維應(yīng)力沿纖維長(zhǎng)度的變化圖1-13纖維應(yīng)力沿纖維長(zhǎng)度的變化713.平均纖維應(yīng)力纖維平均應(yīng)力為：積分可以用應(yīng)力-纖維長(zhǎng)度曲線下的面積表示，使用圖1-13的應(yīng)力分布，則：（l<lf）（l>lf）得到不同纖維長(zhǎng)度時(shí)的最大應(yīng)力比如表1-4所示。3.平均纖維應(yīng)力72表1-4平均應(yīng)力-最大應(yīng)力比l/lf1251050100σf/σmax0.500.750.900.950.990.995表1-4平均應(yīng)力-最大應(yīng)力比l/lf1251050100731.4.3.3短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量與強(qiáng)度1．短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量Halpin-Tsia公式：其中：1.4.3.3短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量與強(qiáng)度74圖1-16縱向彈性模量與纖維長(zhǎng)徑比的關(guān)系圖1-16縱向彈性模量與纖維長(zhǎng)徑比的關(guān)系75對(duì)