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时间:2021-04-09
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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
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