复合材料期末复习资料3.ppt

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1、第三章复合材料的增强材料增强体作用：增强或改善基体材料的性能本章主要内容包括纤维增强体的特点和几种增强材料（Gf、Cf、Bf、SiCf、晶须）的制备、性能特点及应用3．1概述增强材料分类按几何形状分按材质分颗粒状（零维）纤维状（一维）薄片状（二维）纤维编织体（三维）无机（Gf、Cf、Bf、SiCf、Al2O3f等）有机（芳纶纤维）3.1.1纤维状增强材料的特点①与同材质的块体材料相比，强度高得多例如：E-玻璃40～100MPa，Gf：1000MPa（d10微米）2400MPa（d5微米）原因：影响材料强度

2、的主要因素是材料中存在缺陷的形状、位置、取向和数目。Cf强度与直径的关系②纤维状材料具有较高的柔曲性纤维单元受力矩M作用产生弯曲，曲率半径ρ与材质和圆柱横截面尺寸关系为d↓柔曲性↑③大的长径比（l/d）使纤维在复合材料中比其他形状的增强体更容易发挥其固有的强度作用于微圆柱上的力矩M玻璃纤维3.1.2增强体在复合材料中的作用结构复合材料（MMC,PMC）增强体主要作用是承载，其中连续纤维所承受载荷的比例远高于基体结构CMC增强体主要作用是增韧功能复合材料增强体主要作用是吸波、隐身、耐磨、耐腐蚀、抗热震等其中

3、一种或多种，同时为材料提供基本的结构性能假设：①界面结合良好；②变形协调（等应变）；③弹性变形范围（虎克定律）；④纤维排列规整（纤维的体积分数＝面积分数）复合材料的载荷由基体和增强体分担：纤维体积分数根据等应变的假设则纤维承担的载荷与基体之比为：讨论：①如果Ef=20Em，φf=0.6，则Pf/Pm=30②Pf/Pm随Ef/Em↑、φf↑而增加③选择纤维纤维与基体的杨氏模量与载荷分配增强效果用复合材料承担的载荷与基体之比表示：增强效果取决于Ef/Em和φf所以，作为复合材料的增强体，纤维弹性模量必须高于基

4、体，而且纤维体积分数越大增强效果越好。高比强度、比模量，与基体相容性好，成本低，工艺性好（具有柔韧性，易绕曲），高温抗氧化性好，不污染环境等3.1.3高性能复合材料对纤维增强体的要求3．2玻璃纤维3.2.1概述玻璃纤维的物理、化学性能几乎由其化学组成所决定。现在所使用的主要有无碱E玻璃、耐药品的C玻璃、含碱的A玻璃、高拉伸强度的S玻璃以及特殊用途的玻璃等。由于玻璃纤维的直径很小，单位质量所具有的表面积是普通玻璃的1000倍。所以对于普通玻璃来说不会成为问题的耐风化性、耐药品性，表面电阻等，对于玻璃纤维来说

5、都必须充分注意。例如玻璃纤维表面可能与空气中的水分反应，产生风化，使强度等下降。连续纤维的直径为3，4，5，6，7，9，10，13，16，24μm等。短纤维的直径多为5～20μm。玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，一根连续纤维的拉伸强度，E玻璃可达3400MPa，而S玻璃可达4800MPa。玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用于电绝缘，工业机器等。将玻璃加热至熔融状态，使其从漏嘴流出，再进行高速拔丝的方法。而且一般是使用多个漏嘴，同时纺丝。用这种方法既可制备连续纤维，也可以制备短纤维。坩埚法池窑法

6、3.2.2制造3.2.3性能和应用（E玻纤）典型性能：ρ=2.55g/cm3,σb=1750MPa，E=70GPa，α=4.7×10-6/K软化温度550～580℃，高温性能：300℃×24hσ↓20%400℃×24h↓50%，500℃×24h↓70%，600℃×24h↓80%应用：①交通工具零部件（自行车、汽车、飞机）；②建筑和土木工程中各类承重构件、室内装饰卫生设施；③电器/电子领域（工业家用电器、发电、输电设备）；④日常生活用品（鱼竿、球杆、球拍、乐器、家具）。开发方向：①高强度高模量4400MPa

7、/94GPa②耐高温玻纤软化温度1250℃（石英纤维）③空心玻纤高模量（同质量）3．3碳纤维3.3.1概述碳纤维（CarbonFibre,Cf）1880爱迪生最早用棉、麻、竹等天然植物纤维碳化发明的白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期用人造丝热解制造碳纤维开始。碳纤维是有机纤维经过固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。它不属于有机纤维范畴，但从制造方法上不同于普通无机纤维。3.3.2制造碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料，是以有机物为原料，但不

8、能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能采用间接方法制造，主要有以下两种方法：一、有机纤维碳化法，是将有机纤维经稳定化处理、再经高温焙烧碳化，去除其它非碳原子和部分碳，形成的以碳为主要成分的纤维状物，此法主要用于制造连续长纤维。二、气相法，在惰性气氛中小分子有机物在高温下沉积形成纤维，此方法只能制造短纤维。制作碳纤维的主要原材料有三种：①人造丝(粘胶纤维)；　　②聚丙烯腈(PNN)纤维；③沥青。原料不同碳纤维性能特点各异，制备高强高模