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2 高性能复合材料的增强体
2 复合材料的 增强体 2.1 概述 2.1.1 增强体在复合材料中的作用 2.1.2 增强体的分类 2.1.3 高性能复合材料对增强体的要求 2.1.4 纤维具有高强度的原因 2.1.1 增强体在复合材料中的作用 (1)什么是增强体 ▲能强化第二相(基体)的材料称为增强体。 ▲增强体在复合材料中是分散组元。 (2)纤维增强体的作用 ◇对于结构复合材料,纤维(fiber,简记为f)是主要承载相。承受载荷的比例远大于基体(matrix,简记为m) 。 ◇对于多功能复合材料,纤维的作用是吸波、隐身、防热、耐磨、耐腐蚀、抗热震等等 ◇对于陶瓷基复合材料,纤维的作用是增韧。 用模型推导公式,说明单向纤维复合材料沿纤维方向施力时,纤维和基体的载荷分配。 假设条件: (A)变形前界面不开裂(不脱粘原理); (B)变形协调(等应变理论):即在界面处同一点,纤维、基体与复合材料的应变相等; (C)弹性变形; (D)纤维排列规整:其体积分数等于其面积分数。 模型和符号意义 ?P为载荷; ? ?为体积分数; ? A为横截面积; ? E为弹性模量 ? ?为应变; ? c、f 和m分别代表复合材料、纤维和基体。 推导过程: Pc=Pf+Pm 即: ?cAc=?fAf+?mAm 根据假设条件: ? =E? 和 ?c=?f=?m 则: Pf /Pm=Ef?fAf /(Em?mAm)=Ef?f /(Em?m) 如果 Ef =20Em,?f=0.3 ,则 Pf / Pm≈ 8.6。 ★增强效果取决于Ef /Em之比值 由式 Pc / Pm = (Pf+ Pm) /Pm = Pf / Pm +1 = ?f Af /(?mAm) +1 = [Ef / Em][( ?f /(1 - ?f) ]+1 1 可见,增强效果(Pc/Pm)取决于纤维模量与基体模量之比值(Ef/Em)高和纤维体积分数(?f)高。这说明作为复合材料的纤维增强体,其弹性模量必须远高于基体。 2.1.2 增强体的分类 纤维(连续纤维、非连续纤维) 颗粒(延性颗粒、刚性颗粒) 片状(人造、天然或原位生成的 片状物) 织物(二维布、带、管或多向编织) 晶板(宽厚比大于5) 微球(空心微球和实心微球) 无机纤维(天然无机纤维、人造无机 纤维、金属纤维、无机非金属纤维) 有机纤维(天然有机纤维、合成有机 纤维) (3)按结构分类 非晶纤维(玻璃纤维) 单晶纤维(SiC晶须、Al2O3晶须) 多晶纤维(C纤维、B纤维、SiC纤维、 FP-氧化铝纤维) 复合多晶纤维(W芯SiC纤维、 W芯B纤维) ★本章主要介绍下列增强体的制造、结构、性能和应用 ◇碳(石墨)(C、Gr)纤维 ◇硼(B)纤维 ◇碳化硅(SiC)纤维 ◇氧化铝(Al2O3)纤维 ◇碳、碳化硅、氧化铝、钛酸钾晶须 ◇芳纶(Kevlar)纤维 ◇超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维 2.1.3 高性能复合材料对纤维增强体的要求 ◆高比强度、高比刚度 ◆高长径比(或称为纵横比) ◆与基体相容性好 ◆成本较低 ◆工艺性好(易挠曲、具有柔韧性) ◆高温抗氧化性好 ◆不污染环境 2.1.4 纤维具有高强度的原因 (1)固体材料的理论强度 1)公式推导 假设条件:绝对零度、理想固体材料、拉断。 (推导过程自学) 结果: 最大破坏应力:?th=(E? /a0)1/2 最大破坏应变:?max=(? /2)[? /(Ea0)]1/2 式中,E为弹性模量;a0为原子半径;? 为表面能。 (2)裂纹对脆性材料强度的影响 ▲由于上述这些物质的块状材料存在大量缺陷,从而使它们的实际强度远远小于其理论强度。 ▲ Griffith研究了脆性材料内部的固有裂纹对性能的影响。 ▲自学: A)Griffith理论(1920年) B)尖锐裂纹的影响 ★Griffith理论简介 ▽Griffith认为:材料内存在初始裂纹,在外加应力作用下,裂纹尖端处应力集中,达到一定程度时裂纹将扩展,伴随着弹性应变能W1减少和表面能W2
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