2 高性能复合材料的增强体.ppt

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