复合材料的复合.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料在复合后产生的效应特征,线性效应,非线性效应,平均效应,平行效应,相补效应,相抵效应,相乘效应,诱导效应,共振效应,系统效应,5.3,复合材料的复合效应,材料的复合效应,平均效应,显示的复合材料的最典型的一种复合效应,P,c,=P,m,V,m,+P,f,V,f,P,为材料性能，,y,为材料体积含量；角标,c,、,m,、,f,分别表示复合材料、基体和增强体,例：复合材料的弹性模量,E,c,=E,m,V,m,+E,f,V,f,其组成复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的作用，即无制约也无补偿例如：增强体,(,纤维,),基体界面很弱的复合材料平行效应,组成复合材料的基体与增强体，在性能上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补相补效应,基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。

1),脆性的纤维增强体韧性基体复合材料,(,界面结合很强,),显示为脆性断裂2),玻璃纤维增强塑料硅烷偶联剂树脂基体组成的复合材料 材料的拉伸强度高出,30,40,，而且湿态强度保留率也明显提高这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性能的降低在金属基、陶瓷基增强复合材料中，过强的界面结合不一定是最适宜的相抵效应,相乘效应,两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生,相乘效应这样的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料电磁效应材料磁光效应的材料,电光效应复合材料,X,Y,Y,Z=X,Z,将一种具有两种性能互相转换的功能材料,X,Y,和另一种换能材料,Y,Z,复合起来，式中，,X,、,Y,、,Z,分别表示各种物理性能上式符合乘积表达式，所以称之为相乘效应在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过,诱导,作用使另一组分材料的,结构改变,而,改变整体性能,或,产生新的效应,1),如结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向作用2),在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作用。

诱导效应,共振效应,两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁的共振由不同材料组分组成的复合材料其固有频率不同于原组分的固有频率，,当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变利用这种效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频率特征，调整复合材料频率，达到吸收外来波的目的是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实际现象中已经发现这种效应的存在例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值，说明组成了复合系统才能出现的现象系统效应,上述的各种复合效应，都是复合材料科学所研究的对象和重要内容，这也是开拓新型复合 材料的基础理论问题,性质分类,固有性质,传递性质,强度性质,转换性质,复合材料在各相之间不相互作用所表现出来的材料性质这类性质往往是材料性质的直观表现，如材料的密度、比热容它们从本质上表示材料所含有的,物质量和能量,的额度，在数学形式上，该量是一个,标量,复合材料的固有性质在组分复合前后，其,物质量和能量的总含量不会变化,(,包括复合过程中的能量变化量,),。

此时，复合材料的性质是各相组分按含量的加和性，而与各相的几何状态、分析状态无关固有性质,密度、比热,标量,式中，,为材料某一性能，,i,为组分材料的性能,，,V,为组分体积含量上式即为混合律对复合材料而言，属于固有性质的物理量，都应服从混合律要注意的是，对于复合材料的某些性质，尽管也近似于服从混合律，但并不是从本质上服 从混合律，故不属于固有性质材料的传递性质是材料在外作用场作用时，表征某通量通过材料,阻力大小,的物理量，诸如导热性质,(,导热系数,),、导电性质,(,电阻率,),等等该类性质本质上表征材料中微粒子的运动状态 及通过运动传递能量、物质的能力对于复合材料多相体系，由于不同介质的传递性质的差异、相结构及相间边界条件的差异，使传递的路径、速率与均质材料不相同从物理角度讲，即使由作用场输入的是一维均匀 流，输出的通量仍是非均匀的杂散流传递性质,作为最简单的传递方式，有串联和并联两种基本形式对复杂的多相结构，往往可以采用这两种形式的多次组合对于不同物理场的传递，材料阻力系数,具有不同的物理含义如在电场作用下，,为材料的电阻率，表征材料的导电性能；在热传导时，,为导热系数，表征材料的热传递性能；对于复杂体系的给热传递时，,为系统的导热系数。

导热性质（导热系数）、导电性质（电阻）,式中，,为材料某一性能，,i,为组分材料的性能,，,V,为组分体积含量广义欧姆定律）,材料的,强度特性,是材料承受外作用场,极限能力,的表征，这一概念对于结构体系也是同样的含义材料的力学强度是材料承受外力的极限能力，如拉伸强度、冲击强度等；材料对电场的承受能力，则为电击穿强度对于非均质的复合材料，材料对外作用场的承载能力不是各组分相承载力的叠加，而与外作用场的分布、分组分相之间的相互作用有关，也与组分相的含量、几何状态、分布状态及各相的失效过程有关强度性质,转换性质,:,是指材料在一种外场作用下，转换产生另一种新场量表征两种场量的相互关系则称为转换关系如材料在电场作用下产生热量，在热作用下产生光，在应力作用下发生变化，都是材料的转换性质转换性质是表征材料的微观结构，拓扑在外作用场下的变化材料的转换性质通常是张量转换性质,对于复合材料，其转换性质除了取决于各组分相的微观结构外，还取决于各组分相间的相互作用由于不同组分的转换性质不同，复合材料的转换性质更为复杂前面提到的材料复合的相乘效应是复合材料转换性质的典型效应由于材料转换性质的复杂性，确定其一般规律是困难的。

不同性质的转换具有不同规律,往往必须根据其特征、分析复合系统的宏观及微观场量才可能确定在分析方法上，细观力学可采用,材料力学法、弹性力学法和半经验法材料力学法要对代表件体积单元作一些简化假设，得出较为简单实用的结果；,弹性力学法从组分材料的非均匀性和某些相几何的具体假设出发，运用弹性理论进行分析，导出较为繁复冗长的公式，并引入了难以确定的相几何条件参数；,半经验法则是在细观力学分析的基础上，以宏观实验值为依据作出某种修正，以使所获得的计算结果与实验值接近5.5,力学性能复合原理,等初应力假设,增强材料和基体材料是均匀、连续、各向同性的纤维平行等距排列，其性质和直径也是均匀的；,纤维和基体初应力相等，且为,0,变形一致性假设（整体性假设）,复合材料所承受载荷，由增强材料和基体材料共同承担纤维与基体牢固地粘结在一起，形成一个整体，受力变形一致；,界面破坏前，纤维与基体不发生滑动线弹性假设：在弹性范围受载时，纤维、基体和复合材料的应力与应变为线性关系，服从虎克定律不考虑泊松效应：讨论纵向受力时，不考虑纤维和基体因泊松比不同导致的横向变形不同5.5.1,细观力学,的基本假设,5.5.2,连续介质力学基本方程,平衡方程,几何方程,物理方程,各向同性材料,按纤维排列方式，从力学角度将复合材料分为：,单向纤维增强复合材料：以连续纤维为增强材料，且所有纤维均平行排列在同一方向上的复合材料。

单向板）,纤维体积分数,6075%,显著的各向异性5.5.3,单向纤维复合材料力学性能,一、单向连续纤维增强复合材料弹性常数的预测,复合材料单向板，将它简化为薄片模型,I,和薄片模型,II,模型,I,称为,串联模型,它意味着纤维在横向完全被基体隔开，,适用于纤维所占百分比少的情况模型,II,称为,并联模型它意味着纤维在横向完全连通，,运用于纤维所占百分比较高的情况一般说来，实际情况是介于两者之间的某个状态1,、串联模型的弹性常数,(1),纵向弹性模量,静力关系,几何关系,物理关系,或,(2),横向弹性模量,或,(3),主泊松比,(4),面内剪切弹性模量,或,2,、,并联模型的弹性常数,(1),纵向弹性模量,可以看出，纵向弹性模量 与 相同,(2),横向弹性模量,(3),主泊松比,(4),面内剪切弹性模量,为了说明薄片模型预测的精度，以玻璃,/,环氧复合材料为例，组分材料的参数为,E,f,=68.9GPa,、,f,=0.23,，,E,m,=68.9GPa,、,m,=0.36,；其理论预测与实验比较3,、材料力学法预测 、的修正,理论与实验结果比较吻合，但仍有一定的离散，其主要原因是汉有考虑基体内由于纤维约束所引起的三轴应力情况。

Ekvall,提出了一个考虑泊松收缩的修正公式,4,、植村山胁的经验公式,式中的,c,称为接触系数，它表示纤维横向接触的程度，且,c,0,表示纤维横向完全隔开,(,对应模型,I),，,c,1,表示纤维横向完全接触,(,对应模型,II),，实际情况的,c,值介于,0,与,1,之间从实用的观点来看，,c,值可以通过实验得到因此，该方法实际上是半经验的方法植村等通过单向玻璃纤维,/,环氧树脂复合材料的试验给出了经验公式,Halpin,和,Tsai,采用简化的方法提出了复合材料弹性性能的预测方程,5.Halpin,和,Tsai,方程,代表复合材料的模量,取决于增强材料特征二、单向复合材料强度的预测,复合材料的强度预测要比弹性常数预测复杂得多这是因为强度对缺陷敏感，并与材料的破坏机理相关，往往预测结果与实验值相差较大1,、纵向拉伸强度 预估公式,V,f,较低时，单向复合材料的纵向拉伸强度主要依赖于基体，基体先于纤维断裂，而纤维不能承受这些载荷而断裂,基体延伸率小于纤维延伸率时,式中 和 分别为纤维基体的拉伸强度V,f,较大时，基体断裂后，由纤维承载,单向复合材料沿纵向拉伸时，由于界面的粘结作用，纤维和基体协同工作，具有相同的拉伸应变。

假设纤维初始应力为零，则,基体延伸率大于纤维延伸率时,式中 是基体应变等于纤维破坏应变 时对应的基体应力（见左图）是纤维起增强作用所需的最少纤维体积含量比（见右图）工程中的复合材料的 均大于 ，因此复合材料的纵向强度是由纤维控制的2,、纵向压缩强度,假设单向复合材料受到纵向压缩时，其破坏模式是因纤维的微屈曲引起的基体拉压破坏和基体剪切破坏两种,拉压型微屈曲引起破坏的纵向压缩强度为,剪切型微屈曲引起破坏的纵向压缩强度为,取上两式计算值中较小的一个为单向复合材料的纵向压缩强度上述两公式的计算值通常比实测值高得多，这是因为计算值是在假定纤维为完全平直的理想状态下推算的，而实际上偏离理想状态的种种原因促使纵向压缩强度有明显的降低为了修正误差，有人建议在上述公式的基体模量上乘以修正系数,0.63,，即,（拉压型）,（剪切型）,5.5.4,短纤维增强复合材料,短纤维（不连续纤维）增强复合材料受力时，力学特性与长纤维不同该类材料受力基体变形时，短纤维上应力的分布载荷是基体通过界面传递给纤维的在一定的界面强度下，纤维端部的切应力最大，中部最小而作用在纤维上的拉应力是剪应力由端部向中部积累的结果所以拉应力端部最小，中部最大。

l,l,c,l,c,/2,max,作用在短纤维上的平均拉应力为,为图中,l,c,/2,线段上的面积与（,f,max,乘以,l,c,/2,积）之比值当基体为理想塑性材料时，纤维上的拉应力从末端为零线形增大，则,=1/2,，因此,式中,fF,为纤维的平均拉伸应力，,。