第二篇 复合材料增强原理.ppt

弥散增强机制—位错绕过理论 颗粒增强机制 纤维增强机制 几种典型复合材料的临界长度Lc和长径比Lc/d 在单向连续纤维增强复合材料中，复合材料中组分承载应力表达式： 高分子复合材料 第2章 复合材料增强原理 按增强材料的种类和性质，复合材料的强化机制可以分为三种： 弥散增强机制 颗粒增强机制 纤维增强机制 强化效果： 弥散强化复合材料： 弥散微粒、基体复合而成 粒子直径为0.1～0.01μm，体积分数为1%～15% 载荷主要有基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。 图2.1 颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图 取决于粒子直径、体积分数。 颗粒增强复合材料：尺寸较大(1μm)的坚硬颗粒及基体 复合而成 粒子直径为1～50μm，体积分数20% 颗粒阻碍基体位错运动强化 不均匀变形引起位错增殖强化 载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束变形 强化效果：取决于粒子直径、体积分数。 与弥散增强机制的不同点： 机理： 图2.2 位错在晶面上滑移（a）和在TiC颗粒前位错的塞积（b） 图2.3 两相不均匀变形在界面形成的位错环 不同体积分数的粒子对性能的影响 基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维 等），不是主承力相。 纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。 假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上（图2.3、2.4） 由高强度、高模量、连续（长）纤维或不连续（短）纤维与基体复合而成 纤维增强复材： 图2.4 短纤维周围的应变 纤维断裂 裂纹扩展方向 当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。 当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。 为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则： 纤维的强度和弹性模量应远高于基体； 纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂； 纤维的排列方向要与构件的受力方向一致； 纤维与基体的热胀系数应匹配； 纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应； 纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。 纤维/基体弹性模量↑，纤维体积含量↑，则纤维承载越大 高分子复合材料