复合材料第三章(1)复合材料的增强体.ppt

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1、1第三章复合材料的增强材料21.1增强体的概念增强体的概念：复合材料中能明显提高基体材料某一性能的组元物质。起承受载荷、增强、增韧作用。增强体的特征：（1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能；（2）增强体应具有稳定的化学性质；（3）与基体有良好的润湿性31.2增强体的分类（1）颗粒类增强体（零维）性能特点：高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒复合材料性能特点：具有各向同性4（2）纤维类增强体（一维）连续长纤维：长　　度：连续长度一般超过数百米；性能特

2、点：沿轴向有很高的强度和弹性模量分　　类：分为单丝和束丝两种。应用：成本高、性能高，只用于高性能复合材料复合材料性能特点：具有各向异性5连续长纤维实例单丝：硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为95-140微米）束丝：碳纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维、烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝，单丝直径5.6-14微米）和芳纶、超高分子量聚乙烯等有机纤维。6不连续纤维（短纤维）：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维

3、、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序)7（3）晶须类增强体（一维）外形尺寸：直径0.2-1微米，长约为几十微米性能特点：有很高的强度和模量（结构细小、缺陷少）应用：陶瓷增韧（成本比颗粒高得多）实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅等复合材料性能特点：各向同性。8（4）金属丝增强体（一维）不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢丝/Al）（5）片状物增强体（二维）织物、毡等。陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2、Si3N4/BN等。（6）纤维编织类增强体（三维）纤维编织成的三维结构91.3纤维类增强体具有高强度的原

4、因（1）固体材料的理论强度：σth=(Eγ/a0)1/2纤维类增强体：Be(铍)、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化合物（常温下原子半径小、化学性质稳定）纤维类增强体理论强度高！10材料的理论强度应从原子间的结合力入手，只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。两原子间的结合力如图所示，原子间距随应力的增加而增大，在某点处，应力克服了原子之间的作用力达到一个最大值，这一最大值即为理论断裂强度sm。11不同材料的组成、结构及键合方式不同，各种材料的理论断裂强度都不一样，计算公式十分复杂。为简单、粗略地估计各种情况都能适应的材料理

5、论强度，可假设用波长为l的正玄波来近似原子间约束力与原子间距离x之间的关系：(1)材料的断裂是在拉应力作用下，原子沿与拉应力垂直的面被拉开。1213141516（2）固体材料的实际强度：固体材料实际强度远远低于理论强度！原因：缺陷的存在；应力集中；破坏失效。断裂力学的研究结果：σ=(Eγ/4c)1/2高强度：高的弹性模量、高的表面能尽可能小的内部或表面的最大裂纹长度17（3）纤维材料具有高强度的原因：纤维类增强材料：强度很高同质地块状材料：强度一般E-玻璃：40-100MPaE-玻璃纤维：1000MPa（直径为10微米）2400

6、MPa（直径5微米以下）随着纤维直径减小，强度将获得进一步提高！18纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目都有别与同质地的块状材料内部径向最大裂纹尺寸：非常小（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）内部轴向最大裂纹尺寸？对性能有怎样的影响呢？19内部轴向最大裂纹尺寸：一般（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）纤维中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维主要承受轴向拉伸载荷）201.4纤维类增强体具有较高柔曲性的原因玻璃是典型的脆性材料，为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性？柔曲性的表示方法：

7、MMρ图3.1作用于受力梁上的力矩M及由此力矩产生的曲率半径ρ以1/(Mρ)表示材料的柔曲性21材料力学的研究结果给出了下式：上式中，E为材料的杨氏模量，d为圆柱的直径。以1/(Mρ)表示材料的柔曲性，与1/d4成正比。玻璃是典型脆性材料，为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性？22图3.2各种纤维材料的柔曲性与纤维直径和杨氏模量的关系23§2玻璃纤维2.1玻璃纤维的种类2.2玻璃纤维的制造2.3玻璃纤维的结构和化学组成2.4玻璃纤维的性能2.5玻璃纤维的应用242.1玻璃纤维的种类（1）按玻璃原料成分分类（最重要的分类方法）E-玻璃纤

8、维（电气玻璃）：又称无碱玻璃，由钙铝硼硅酸盐组成的玻璃，碱金属氧化物（R2O）含量一般小于0.8%（国外小于1%）。E-玻璃纤维的电绝缘性能特别好，并且有较高的强度和较好的耐环境老化性能，但易被稀的无机酸腐蚀（耐酸性差）。2526C-玻璃纤维：又称中碱玻璃，是一