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第二章 复合理论简介 主要内容 复合材料增强理论 物理性能复合法则 一、复合材料增强机制 弥散增强 颗粒增强 纤维增强（连续纤维，短纤维） （2）颗粒增强 连续纤维增强（纤维轴向模量） 连续纤维增强（横向模量） 4)短纤维增强（１） 短纤维增强（２） 短纤维增强（３） 当短纤维按不同取向程度取向分布时，短纤维的增强效率随取向程度的降低而降低。对于取向分布的短纤维复合材料，可以在混合弹性模量式中增加一个取向效率因子η0 1 、加权特性 ２、乘积特性 思考题 １、弥散颗粒、颗粒增强机理是什么 　２、纤维增强复合材料中，轴向和横向的强度各有什么特点 　３、复合材料物理性能有什么样的复合法则，分别有哪些性能适合这些法则？ 谢 谢！ 三、复合材料设计原则 调整复合度（参与复合的各组分的体积（或质量）分数），即改变各组分的含量 调节联接方式，即增强材料的形状 调节对称性－－分散相的形状 调整尺度－－复合体的尺寸在不同的量级，宏观物理性能会有很大的改变 调节叠层各层 增强系数 复合材料屈服强度与基体屈服强度之比，即 * 2010.11.02 弥散增强型 50x 50μm 颗粒增强型 50x 50μm 弥散增强原理 硬质颗粒如Al2O3，TiC，SiC阻碍基体中的位错运动(金属基)或分子链运动(高聚物基) 。增强机理可用位错绕过理论解释。载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。 （1）弥散增强 复合材料的屈服强度 弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般Vp=0.01 ~ 0.15，dp=0.001μm ~ 0.1 μm 21.0 7.6 1 055 0.20 18.0 8.5 940 0.10 17.3 8.0 887 0.05 16.7 7.4 853 0 不同体积分数纳米粒子SiC(0.07 μm)增强Si3N4(0.5 μm)的性能 颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般在颗粒增强复合材料中，颗粒直径为 1 ~ 50μm，颗粒间距为1 ~ 25μm，颗粒的体积分数为0.05 ~ 0.5。 颗粒的尺寸较大(1 μm)，基体承担主要的载荷，颗粒阻止位错的运动，并约束基体的变形 用金属或高分子聚合物把有耐热性、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、氮化物、碳化物复合的材料时，由于强化相颗粒较大，故强化效果并不显著，但这种复材主要不是提高强度,而是为了改善耐磨性或提高综合力学性能。 （3）连续纤维增强 通常根据纤维形态可以分为连续纤维、非连续纤维(短纤维)或晶须(长度约为100--1000μm、直径约为1--10μm的单晶体)两类． 其增强机理是高强度、高模量的纤维承受载荷，基体只是作为传递和分散载荷的媒介。 M为基体 F为纤维 （1） （1）式的两边同时除以 得到 实际中还有不同的泊松比导致的附加应力。通过试验分析，误差小于1%~2%。测出两种玻璃纤维增强聚酯树脂体系的E1、Vf之间的线型关系 复合材料纵向断裂强度可以认为与纤维断裂应变值对应的复合材料应力相等，根据混合法则，得到复合材料纵向断裂强度，即 SiC/硼硅玻璃复合材料的强度 随纤维体积含量线性增加 * Chapter 9 Composites Em Ef 串联模型 并联模型 体积分数fr 在高性能纤维增强复合材料中，纤维模量比基体树脂模量大的多，在纤维体积含量为50％～60％的复合材料中，基体对E1的影响很小，纤维对E2的影响也很小，所以可以得到近似 纤维增强复合材料横向强度　 　纤维对横向强度有减弱的作用。纤维在与其相邻的基体中产生的应力和应变对基体产生约束，使复合材料的断裂应变比复合前要低的多(断裂应力课本P28式2.34) 前提是基体和增强体很好的结合。 作用于复合材料的载荷是作用于基体材料并通过纤维端部与端部附近的纤维表面将载荷传递给纤维。当纤维长度超过应力传递所发生的长度时，端头效应可以忽略，纤维可以被认为是连续的，但对于短纤维复合材料，端头效应不可忽略，同时复合材料的性能是纤维长度的函数。 l/lc越大，拉伸强度越大; 2l/lc1时，拉伸强度为连续纤维的强度公式; l=lc时，短纤维增强的效果仅有连续纤维的50%; l/lc=10时，短纤维增强的效果可达到连续纤维的95% 所以为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。 为了使纤维的承载达到纤维的最大应力值，纤维长度必须大于临界纤维长度lc或临界长径比(lc/d)　 几种典型复合材料的临界长度Lc和长径比Lc/d 0.23 33 7 2 600 碳纤维 40 环氧 0.52 40 13 2 400 玻璃纤维 30 聚脂 3.5 35 100 2 800 硼纤维 40 环氧 1.75 18 100 2 800 硼纤维