短纤维或晶须增强材料单向纤维复合材料课件.ppt

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1、第九章复合效应与界面9.1材料复合、增强体及复合效应9.1.1复合材料概念、分类及特点：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料叫复合材料。通常由基体、增强体及两者的界面组成。复合材料的三种分类方法：１按复合效果分为结构复合材料和功能复合材料；２按基体类型分为树脂基或聚合物复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等等；３按增强体的形态与排布方式分为颗粒增强复合材料、连续纤维增强材料、短纤维或晶须增强材料、单向纤维复合材料、二向织物层复合材料、三向及多向编织复合材料和混合复合材料等。复合材料的显著特征是

2、：材料性能的可设计性；各向异性及结构一次成型性。与传统材料相比的优点是：比强度高和比模量高；抗疲劳性能好；减振性好；耐高温性能好；抗破坏安全性好；成型工艺性好。*比强度(模量)：强度(模量)/比重，材料承载能力指标之一。抗疲劳性能：材料在交变载荷作用下，由于内部裂纹的形成和扩展而导致的低应力破坏的抵抗性能。疲劳破坏由里向外发展，无预兆。减振性好：复合材料中的纤维与基体界面有较强的吸振能力，阻尼高。高温性能好：常用无机纤维(Al2O3,C,W,SiC,B,SiO2)在数百摄氏度时强度和模量基本不变。破坏安全性好：纤维复合材料中有

3、大量独立纤维，当构件超载使少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未断裂纤维上，构件不至于在短期内破坏。成型工艺好：可一次成型或整体成型。9.1.2增强体的性能：常用的复合材料增强体为纤维材料，有无机的，也有有机的。主要特点是高强度和高模量(参见表9-1)。9.1.3复合效应：复合效应主要指复合材料除保持原有组分的性能外，还增添了原有组分所没有的性能。可分为：线性效应、非线性效应、界面效应、尺寸效应和各向异性效应5种。线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应和相抵效应。平均效应也称加和效应，由混合定则表述：pc=Σ(pi)nφ

4、i(9-1)指复合材料的某一性能pc由单一组分的同一性能pi加和而得；φi为体积分数；n是由实验确定的常数(-1≤n≤1)。相补(协同)效应和相抵(不协同)效应往往共存，如图9-1。AB两种材料有4种组合结果，在研制复合材料时应尽量取优值互补.比如PZT(锆钛酸铅)陶瓷的弹性柔顺系数(弹性常数)SE33的优值为2×10-12m2/N,把它与高分子聚合物复合后，SE33可高达2000×10-12m2/N*性能良好的省电换能器(声纳)需要从压电体与负载的最佳声匹配，与超声发射接收装置的最佳电声匹配，提高分辨力等几个方面来考虑设计，

5、使换能器达到宽带窄脉冲，高灵敏度，高分辨力等性能指标。通过分析换能器的暂态特性，可以从理论上计算出，压电晶片、背衬和前匹配层(增透膜)的性能参数。选择适合的压电材料，来保证换能器的高灵敏度和宽带，选取适合的背衬以及声阻抗相近的前匹配层来保证换能器的窄脉冲，以获得高的分辨率。混杂复合材料是由两种以上纤维增强同一基体或两种相容基体的复合材料。多材料混杂会使某些性能加强产生相补效应或叫正混杂效应，也会使某些性能减弱产生负混杂效应。只要需要的性能得以改善，而负混杂效应可以容忍时，该种复合材料就算成功。非线性效应可细分为乘积效应、系统

6、效应、诱导效应和共振效应。乘积效应也称交叉耦合效应或传递特性，比如把一种功能转换(Y/X)材料与另一种功能转换(Z/Y)材料复合可得到一种新功能转换(Z/X)材料，其转换效率比单一材料组合提高两个数量级以上。复合材料的传递特性实例参见表9-2。系统效应的机理还未确定，但效果很奇妙，如彩色胶片只有红绿蓝三种感光层，但照片色彩千变万化；又如玻纤断裂能约0.0075kg/cm，常用树脂断裂能约0.226kg/cm，而两者复合成玻璃钢后，断裂能猛增到176kg/cm。诱导效应指增强体晶形会诱导基体结构改变形成界面层相，使增强体与基体结

7、合更为牢固。复合材料的界面效应可归纳为6种：1阻断效应：阻止裂纹扩展，减缓应力集中，中断材料破坏等。2不连续效应：物理性能在界面处发生突变。3散射和吸收效应：界面对各种波传递的散射和吸收。4感应效应：一种物质的表现结构使与之接触的另一种物质的结构发生改变。5界面结晶效应：材料固化时，容易在界面形核结晶。6界面化学效应：官能团、原子间发生化学反应。在颗粒增强复合材料中，增强颗粒尺寸为1~50μm的称为颗粒增强复合材料，颗粒尺寸在0.01~1μm称为弥散强化复合材料，把亚微米至纳米级颗粒增强的称为精细复合材料。在声、光、电、磁等领

8、域，功能材料应用十分普遍。制造复合功能材料时，第二相粒子尺寸必须小于其工作波长。在纤维束增强复合材料中，若纤维束长度为L，承受应力为σ，则拉伸断裂概率符合Weibull分布方程：F(σ)=1-exp(-αLσβ)(9-2)式中α为尺寸参数，β为形状参数，都由实验测定。纤维平均