《复合材料原理》PPT课件.ppt

,明德 厚学 沉毅 笃行,南京工业大学Nanjing University of Technology,材料复合原理陆春华,E-mail:Tel:13951739343,第一章 绪论,什么是复合材料?为何要进行多种材料的复合？复合材料发展需求体现？复合材料具体有哪些类型？,1.1 有关复合材料的几个基本问题,第一章 绪论,(1)什么是复合材料?国际标准化组织的定义:复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组成而成的一种多种固体材料。,第一章 绪论,(2)为何要进行多种材料的复合？有什么好处？,各个组分取长补短、刚柔相济，发挥协同作用，使材料综合性能优于原组成材料而满足各种不同要求。,三峡大坝,长江二桥,第一章 绪论,(2)为何要进行多种材料的复合？有什么好处？,各个组分取长补短，功能互补，发挥协同作用，使材料综合性能优于原组成材料而满足各种不同要求。,纳米石墨烯,石墨烯导电薄膜,(3)复合材料发展需求体现？,衣、食、住、行等生存的根本需求 科学技术发展的内在需求 探索大自然与宇宙的重要需求,第一章 绪论,1、生活领域2、资源、能源领域3、信息领域4、国防安全与空间技术,（1）生活领域,复合材料轻质高强、隔音隔热、减振降噪，可提高生活舒适性；复合材料抗冲击与吸收冲击能量好，可用于航空、交通、抗震等领域，保障安全性；新型生物功能材料、人造器官可延长寿命，提高健康水平。,第一章 绪论,(4)复合材料具体有哪些类型？,四大基本材料：,第一章 绪论,无机材料（水泥,玻璃,陶瓷）有机材料金属材料碳材料,无机非金属基复合材料（陶瓷、水泥，等）聚合物基复合材料（树脂、橡胶，等）金属基复合材料（铝、镁、铜、钛及其合金，等）碳炭复合材料,第一章 绪论,(4)复合材料具体有哪些类型？,结构功能复合材料（增强材料：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、金属、颗粒）功能复合材料（光学、电学、磁学、热学、声学、生物、仿生，等等）,第一章 绪论,(4)复合材料具体有哪些类型？,1.2 复合材料未来发展新领域,第一章 绪论,多功能，机敏、智敏复合材料,1.2 复合材料发展新领域,智能服装:随心情起伏而变色,变色机器人，30秒伪装,第一章 绪论,多功能，机敏、智敏复合材料,新型的可变色的聚合物基复合材料（聚丁二炔脂质体/两亲性聚合物),第一章 绪论,1.2 复合材料发展新领域,1.3 基础理论、设计以及制备方法发展,(1)复合材料基础理论 包括：材料界面研究、材料可靠性研究(2)复合材料新的设计和制备方法 包括：新设计方法，如虚拟设计；新制备方法，如梯度复合、仿生制备等。,第一章 绪论,本课程考核方法：学习环节：平时 测验+期末考试平时测验：1次/4周，总共4次 计入总成绩占20%期末考试：开卷+闭卷，计入总成绩占70%实践环节：期末专题PPT报告 计入总成绩占10%,第一章 绪论,1、材料复合内涵与需求2、复合材料分类3、复合材料应用领域,简要回顾:,第二章 材料的复合原理,基本要求:了解：复合材料性质与一般规律。熟悉：材料的复合效应，材料的复合效果，复合材料的结构类型，复合材料的模型。重点:复合效应，复合材料结构类型，复合效果。难点:复合材料性质与一般规律，复合材料的结构类型。,1、什么是复合效果？2、复合效应的本质是什么？3、复合效应有哪些具体的类型？,需要了解的基本概念：,第二章 材料的复合原理,1、什么是复合效果？,将A、B两种材料复合起来，既能得到A组分的性能特征，又具有B组分的性能特征这样的一种效果，称为复合效果。,需要了解的基本概念：,第二章 材料的复合原理,1、什么是复合效果？,需要了解的基本概念：,第二章 材料的复合原理,纳米石墨烯导电、无法自支撑,透明导电薄膜,塑料薄膜透明、不导电,1、什么是复合效果？,需要了解的基本概念：,第二章 材料的复合原理,玻纤柔韧、强度高,玻璃钢缠绕管道：轻质、高强,2、复合效应的本质是什么？,复合效应本质上是组分A、B的性能，及两者间形成的界面性能，相互作用、相互补充，使得复合材料在其组分材料性能的基础上产生线性和非线性的特性。,需要了解的基本概念：,第二章 材料的复合原理,2、复合效应的本质是什么？,复合效应有正、有负，即不同组分复合后，有些性能得到提高，有些性能则可能出现降低甚至抵消的现象。,需要了解的基本概念：,第二章 材料的复合原理,3、复合效应有哪些类型？,需要了解的基本概念：,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,一、线性效应（1）平均效应（加合效应、混合效应）,（并联模型）,（串联模型）,其中：PC为复合材料的某项性能；i为组分i的体积分数；Pi为组分i与对应的性能。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,（并联模型）,适用对象:复合材料的密度、单向纤维复合材料的纵向杨氏模量、纵向泊松比等等。,第二章 材料的复合原理,一、线性效应（1）平均效应（加合效应、混合效应）,（串联模型）,适用对象：串联模型适用于单向纤维复合材料的横向杨氏模量和横向泊松比和纵向剪切模量等等。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,一、线性效应（1）平均效应（加合效应、混合效应）,其中：当n介于1，-1之间时，可以用来描述复合材料的某项性能（如介电常数、热传导率等等）随体积分数变化的规律。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,一、线性效应（1）平均效应（加合效应、混合效应）,最简单的线性效应，主要是指复合材料的某项性能与其中某一组分的性能基本相当。,举例：玻纤增强环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能与环氧树脂的耐腐蚀性能基本相当。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,一、线性效应（2）平行效应,玻璃钢防腐管道,材料各组份复合后，在性能上相互补充，从而提高了复合材料的整体性能。,其中：C为复合材料某项性能，其主要取决于组分A和组分B的该项性能。当组分A和组分B的该项性能均具有优势时，则在复合材料中获得相互补充。,举例：脆性的高强度纤维增强体与韧性基体通过适当的复合，复合材料的性能就表现为两者的互补。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,一、线性效应（3）相补效应,基体与增强体组成复合材料后，组分之间在性能上相互制约，限制了整体性能的提高。,举例：脆性的高强度纤维增强体与韧性基体通过强界面复合后，复合材料的性能就表现为脆性断裂。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,一、线性效应（3）相抵效应,二、非线性效应（1）相乘效应,基本原理：具有转换效应X/Y的材料A，与具有转换效应Y/Z的材料B复合后，由于A，B组份间的协同作用就会具有X/Z效应。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应。,二、非线性效应（1）相乘效应 相乘效应存在一个耦合函数F，即,其中：fA、fB、fC 分别为X/Y、Y/Z以及X/Z的换能效率。,F=1时，表示完全耦合；由于耦合作用受到复合材料相组成以及相界面的传递效率等因素影响，实际耦合因子F往往小于1。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,二、非线性效应（1）相乘效应,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,二、非线性效应（2）诱导效应 在一定条件下，复合材料两个组分的界面上，某一组分通过诱导作用使得另一组分的结构发生改变，因而改变材料整体性能或产生新的效应。,典型案例：结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或使得基体的晶形发生取向作用。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,二、非线性效应（3）共振效应（强选择效应）某材料组分具有一系列性能，当与另一组分复合后，该组分的某一性能得到突出发挥，而其他性能受到很大抑制。,适用范围：复合材料固有频率不同于原组分固有频率，当复合材料的结构产生变化时，材料固有频率也会产生相应变化。利用这种效应可以通过改变复合材料的结构避免共振现象对材料的破坏作用或者实现对特定波长的吸收。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,二、非线性效应（4）系统效应 多种组分复合后，复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。,举例：（1）彩色胶片是以红黄蓝三色感光材料膜组成的一个系统，能显示出各种颜色，单独存在则无此效应。（2）交替层叠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。,第二章 材料的复合原理,2.1 材料的复合效应：,2.2 复合材料的结构与复合效果,基体（聚合物、金属、无机非金属）：力学性能较弱和物理功能相对单一，需要改善与提高，这主要依赖于引入的增强体和功能体。增强体：强度、模量通常高于基体相，分散相的加入往往使复合材料的力学性能高于基体相。功能体：在材料中赋予复合材料以特殊的化学或物理机械功能。,第二章 材料的复合原理,一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型,复合材料主要由基体、增强体或功能体等共同组成。由于他们在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同，因此根据不同的性质或形态，他们可形成多种不同结构类型的复合材料。,基体通常是三维连续的物质，也就是将不同组分相形成整体材料的物质。功能体或增强体则以独立的形态分布于整个连续相中，构成所谓的分散相。,2.2 复合材料的结构与复合效果,第二章 材料的复合原理,“连通性”的概念：复合体系中的任何相，在空间的零维、一维、二维或三维方向上是相互连通的。因而：任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0，是零维材料(0维)；纤维状材料的连通性为1，是一维材料(1维)；相应的片状材料连通性为2。包围它们的介质是网络体状的连续材料，连通性为3，即是三维材料(3维)；,2.2 复合材料的结构与复合效果,第二章 材料的复合原理,一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型,根据增强体或功能体和基体的连通性以及联结方式，复合材料组成相有二个相时，可形成(0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3)等10种可能连通结构；复合材料组成相有三个相时，组成的复合体系结构有20种可能存在的连通性。复合材料组成相有四个相时，它可能存在35种连通性。,2.2 复合材料的结构与复合效果,第二章 材料的复合原理,一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型,2.2 复合材料的结构与复合效果,第二章 材料的复合原理,(1)0-3型结构 基体为三维连续相，而增强体或功能体以不连续相的微粒状分布在基体中。例如：,一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构,目前研究得比较多的纳米/有机无机复合材料。钙塑材料、部分粘结磁铁(磁性复合材料)、PbTiO3型压电复合材料、部分导电复合材料等都是这类复合结构。,(2)1-3型结构 基体为三维连续相，增强体为纤维状一维材料。当长度有限的短纤维状增强体随机分布在基体中时，复合材料性能呈各向同性；当增强体呈一定取向分布时，复合材料性能呈各向异性。例如：,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构,常见的短纤维增强复合材料、连续纤维增强复合材料均属此类结构。聚合物分子复合材料在微观或亚微观结构上也是此类结构。,(3)2-2型结构 两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。其最大特点：无一组分呈三维连续相状态。例如：由多层金属和聚合物复合而成的薄板状导电玻璃材料。在这种均为二维连续相组成的材料中，垂直于组分相和平行于组分相的方向上有机无机镀膜复合功能玻璃材料等等。,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构,(4)2-3型结构 这类复合材料结构中，基体相为三维连续相，而增强体或功能体为二维结构的片状材料。后者可以随机分布于基体中，也可以以一定的取向方向分布于基体中。例如：由云母和聚合物构成的复合材料是典型的23型结构。,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构,(5)3-3型结构 基体相为三维连续相，而增强体或功能体为三维网状结构或块状结构镶嵌在基体之中。块状结构镶嵌于基体中时，增强体或功能体仍为不连续相。例如:纤维的三维编织物与基体形成的纤维复合材料是典型的3-3型复合材料。聚合物互穿网络结构材料(1PN)在微观上也可视为这类复合材料。,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构,二、复合材料的复合效果 随着构成复合材料的组成与结构的变化，复合材料的在性能上也各有千秋。影响材料复合效果的因素主要有：组 分 因 素 结 构 因 素 界 面 因 素,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,1、组分效果 在复合材料的基体和增强体(或功能体)的物理机械性能确定的情况下。仅考虑组成含量对复合材料复合效果的影响。不考虑组分几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响。,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,1、组分效果 通常用体积分数和质量分数,其中：i,Wi,.Vi分别为组分I的密度、质量分数和体积分数。,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,增强体体积分数：,R=r时，Vf=0.785纤维间距：,R=r时，Vf=0.907纤维间距：,增强体体积分数：,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,1、组分效果,2、结构效果 结构效果是复合材料性能用组分性能和组成来描述时，必须考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等可变因素产生的效果。这类效果往往可以用数学关系描述，结构效果可以分为以下几种类型：（1）几何形态效果(形状效果)（2）分布状态效果(取向效果)（3）尺度效果,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,2、结构效果（1）几何形态效果(形状效果),该效果也可表示出相的连续和不连续效果。对于结构效果，其决定因素是组成中的连续相。对于0维分散质，若为大小相等的球状微粒，则在复合材料中最紧密填充时的体积分数为0.74，此时复合材料的性能在不考虑界面效果的情况下，仍决定于连续相(基体)的性质。当分散质为一维连续相时，若其性质与基体有较大差异时，分散质性能可能会显示出对复合材料性能的支配作用。,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,2、结构效果（2）分布状态效果(取向效果),对于1-3型、2-3型、2-2型、3-3型复合结构，增强体或功能体的几何取向对复合材料性能有着明显影响。1-3型结构，增强体轴向与径向，复合性能有明显差异；2-3型、2-2型结构，在增强体或功能体的平面平行方向和平面垂直方向其性能截然不同；3-3型复合材料，主要根据增强体本身在不同方向上的特性，可显示出取向效果。,第二章 材料的复合原理,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,以2-2型复合结构的材料为例：,在增强体所在平面的垂直方向上施加外力时，成为串联式结构，则弹性模量为：在增强体所在平面的平行方向上施加外力时，成为并联式结构，则弹性模量为：,注：上两式中，E为弹性模量，V为组分的体积分数，角标m、f、c分别表示基体、增强体和复合材料。,第二章 材料的复合原理,2、结构效果（2）分布状态效果(取向效果),2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,在分布状态效果中，除几何状态分布，即几何体的取向外，还存在物理性能的取向；物理性能的取向对复合材料的性能有很大的影响，特别是功能复合材料。例如，磁性复合材料中，磁轴在外加磁场下的取向，将显著导致磁性复合材料磁性的各向异性。,第二章 材料的复合原理,2、结构效果（2）分布状态效果(取向效果),2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,复合材料中增强或功能物质的尺度大小变化，会导致其表面物理化学性能的变化，诸如比表面积、表面自由能的变化以及它们在复合材料中的表面应力的分布和界面状态的改变，从而使复合材料性能发生变化。,第二章 材料的复合原理,2、结构效果（3）尺度效果,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,SiO2/PMMA复合材料：通常情况下，粉末经硅烷偶联剂处理后所得材料的强度要大于相同体积含量下的未处理粉末体系。当SiO2粉末微粒尺度降低到一定尺度时(约500nm以下)，硅烷偶联剂的处理反而会导致材料强度的下降。这是因为SiO2粒度降到一定尺度后，由于比表面积和表面能的显著提高，增大了表面活性，使之与基体的结合强于硅烷偶联剂对基体和SiO2的结合。,第二章 材料的复合原理,2、结构效果（3）尺度效果,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,复合材料的界面效果是基体与增强体或功能体复合效果的主要因素。只有界面效果的存在，才能充分地显示复合材料的各种优越性能。,第二章 材料的复合原理,3、界面效果,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,（1）界面结构(物理/化学结构)界面物理和化学结构的变化会引起复合材料性能的明显变化。例如：在玻璃纤维增强不饱和聚酯塑料中的玻璃纤维，用不同的处理剂处理时，材料在相同应力条件下，导致纤维承受不同的应力，显示出界面层的不同应力传递能力和界面层的不同应力梯度(图2.3,P12)。,第二章 材料的复合原理,3、界面效果,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,（2）界面(物理化学结构)尺度的变化 界面物理、化学结构尺度的变化会有不同于其他组分相的作用。例如：金属复合材料中，当不同相晶界出现位错时，复合材料的内耗就会明显表示出来。碳纤维增强的水泥中，当碳纤维经过热碱处理后，其表面富集了Ca2+致使复合材料的强度、浆体的流变特性发生了改变。,第二章 材料的复合原理,3、界面效果,2.2 复合材料的结构与复合效果,二、复合材料的复合效果,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,为了预测和分析复合材料性能，除掌握基本的复合材料复合原理外，还必须进行必要的理论计算，才能进行真正的材料性能设计。,其中：O表示宏观响应场，V表示单元体积。,第二章 材料的复合原理,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,一、复合材料的模型,对材料性能进行准确的分析和计算，是材料复合研究的重要内容，它可以为复合材料的材料设计提供充足依据。因此，材料复合理论模型的建立具有非常重要的地位与意义。实际复合材料性能影响因素相当多，如基体和增强体、功能体缺陷，界面缺陷，等等。但是，在模型建立过程中我们只能考虑主要因素，然后再根据实际情况进行逐步地修正、完善。材料微观模型的建立，主要包含：材料的几何结构模型和材料的物理模型。,第二章 材料的复合原理,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,一、复合材料的模型,模型建立，必须注意：1.首先要确定好坐标系和材料的主轴方向；2.模型中组份含量必须与实际材料组份含量一致；3.组分相的分布往往采用统计分布状态。除了以上三个因素之外，还必须考虑相之间的作用等等。,第二章 材料的复合原理,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,一、复合材料的模型,单向复合材料细观力学模型建立，主要考虑四个方面：单元体 增强体 基 体 增强体与基体形成的界面,第二章 材料的复合原理,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,一、复合材料的模型,常见结构模型：1、0-3型（颗粒增强或功能复合材料）,Vm=1-Vi-Vf当增强体非球形，粒子当量半径：,第二章 材料的复合原理,常见结构模型：2、1-3型（纤维、晶须增强或功能复合材料）,Vm=1-Vi-Vf,第二章 材料的复合原理,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,一、复合材料的模型,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,二、复合材料的性质与一般规律,1、复合材料的固有性质 组成复合材料的各个组成所独立表现出来的材料性质，如材料的密度、比热等等；这些性质符合复合材料的混合定律。,第二章 材料的复合原理,第二章 材料的复合原理,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,二、复合材料的性质与一般规律,2、复合材料的传递性质 在外场作用下，表征材料对通过其内部的某种通量阻力大小的一种物理量。如导热性质、导电性质等等。根据传递方式的不同，复合材料的性质也有所不同：在并联情况下，表征材料的性质参数的倒数符合加合规律；在串联情况下，表征材料的性质参数符合加合规律。,3、复合材料的强度性质 材料的强度是材料承受外场极限作用能力的一种表征。这里的外场包括电场、作用力等等。对于非均质复合材料，复合材料的在外场下的极限承受能力与外场的分布、复合材料的组成含量以及不同组份间的相互作用均有密切的关系，不存在简单的加合规律。,第二章 材料的复合原理,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,二、复合材料的性质与一般规律,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律,二、复合材料的性质与一般规律,4、复合材料的转换性质 材料在一种场的作用下产生了另外一种新的场，那么表征这两种场之间的关系的特性参数，就称为转换关系。这种转换性质表征了材料的微观结构在外场作用下的变化特点，除了与材料的微观结构有关以外，还与材料各组份之间的相互作用有密切的关系。,第二章 材料的复合原理,第三章复合材料力学性能的复合规律,邮箱：密码：20122012,课件及作业下载：,1、复合材料的复合效应2、复合材料的结构与复合效果3、模型与性能的一般规律,简要回顾:,第3章 复合材料力学性能的复合规律,基本要求:了 解：复合材料物理和化学性能的复合规律 超细粒子对复合材料力学性能的影响重 点:连续纤维增强复合材料的力学复合 短纤维增强复合材料的力学复合 粒子复合材料的力学性能 复合材料力学复合的其他问题难 点:纤维增强复合材料的力学复合，复合材料物理和化学性能的复合规律,研究层次：,第3章 复合材料力学性能的复合规律,宏观侧重于对材料实际物理化学等性能的测试研究 微 观根据材料微观结构以及组成结构的各组份间的相互作用对材料的“平均性能”进行预测，而非准确的设计数据,研究模型及方法：,细观力学结构模型 一种理想的情况：增强体均匀、细弹性、各向同性、间隔相、排列整齐等等；基体均匀、细弹性、各向同性等等。在处理的方法上则采用“材料力学”方法和“弹性理论”宏观模型结构模型 材料中存在孔隙、脱粘以及残余应力等诸多缺陷,第3章 复合材料力学性能的复合规律,本章主要是从细观力学的角度，采用“材料力学”方法和“弹性理论”的方法，根据材料的组分、结构来确定纤维增强、粒子增强复合材料的弹性模量以及强度等力学性质。,基本参数含义：作为单向纤维复合材料，其主弹性常数为：材料的主强度值为：,-纵向弹性模量,-横向弹性模量,-主泊比,-面内剪切模量,-纵向强度（拉、压）,-横向强度（拉、压）,-剪切强度,3.1 连续纤维增强复合材料的力学复合,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.1 单向板的力学性能 1、纵向弹性模量E1,单向板模型,产生的应变（外力作用下长度变化量）,各部分承受的应力：各部分的弹性模量：,对于复合材料有：对于基体材料有：对于 增强体 有：,（1.1）,（1.2）,（1.3）,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.1 单向板的力学性能 1、纵向弹性模量E1,根据力的合成原理:,；,定义：,符合加合规律,（1.4）,（1.5）,（1.6）,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.1 单向板的力学性能 1、纵向弹性模量E1,；,复合材料的横向收缩产生的附加应力对材料纵向模量的影响的没有考虑在内,影响小于12%，可忽略不计,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.1 单向板的力学性能 2、横向弹性模量E2,结构简化模型,产生的应变：,（2.1）,（2.2）,承受的应力：,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.1 单向板的力学性能 2、纵向弹性模量E2,材料宽度W上变形是由增强体和基体共同产生的：,（2.3）,（2.5）,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.1 单向板的力学性能 2、纵向弹性模量E2,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.1 单向板的力学性能 2、弹性模量E1，E2,高性能纤维复合材料，由于Ef Em,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.1 单向板的力学性能 3、单向板的主泊松比,主泊松比定义为:,宽度变形=增强体+基体,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.1 单向板的力学性能 4、单向板的剪切模量,条件：基体及增强体所承剪切应力相等，满足线性关系,材料总剪切变形：,其中：为复合材料的剪切应变；W为试样的宽度,复合材料、基体及增强体所受剪切应力相等：,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.2 材料力学法预测 E1,E2的修正,在材料力学进行复合材料弹性性能的讨论时，没考虑复合材料横向收缩产生的附加应力对材料纵向模量的影响，Ekavall 进行修正：E1，E2的修正结果分别如下：,其中，m为基体的泊松比；m=0.3时修正量不大,其中，m为基体的泊松比；与实验结果更符合,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能,由于复合材料在横向的拉伸、剪切刚度和强度要比纵向的小得多，因此单向的复合材料应用得很少。前者取决于基体，后者取决于纤维的性质。,一、单向板的纵向拉伸强度,符号及其意义：,材料 破坏前 单向板承受的应力 纤维 破坏前 纤维 承受的应力 基体 破坏前 基体 承受的应力单向板平行轴向纤维的拉伸破坏应力平行于纤维轴向的拉伸破坏应力平行于基体轴向的拉伸破坏应力基体破坏时纤维承受的拉伸应力 纤维破坏时纤维承受的拉伸应力,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能,1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度,复合材料、纤维及基体的应变、强度以及模量满足以下关系：,在外力作用下，复合材料的强度取决于基体以及纤维的性能，主要是材料的应变情况,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能,1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度,（1）,在纤维断裂前，先发生基体的断裂，此时所有载荷转移到纤维上。材料最终的状态取决于材料中纤维的体积含量 a)Vf 低，纤维不能承受载荷，被破坏，复合材料强度为：b)Vf 高，纤维承受载荷不被破坏，此时复合材料的强度为：,临界体积分数,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能,1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度,（2）,在基体断裂前，先发生纤维的断裂，此时所有载荷转移到基体上。材料最终的状态取决于材料中纤维的体积含量 a)Vf 高，基体不能承受载荷，被破坏，复合材料强度为：b)Vf 低，基体承受载荷，不被破坏，复合材料强度为：,临界体积分数,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能,2、单向板纵向拉伸中纤维的拔出,假设：基体纤维长度为le、纤维直径为2r、强度fu、界面剪切度、破坏拉力 r2=2r le lc=fu r/2,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能,3、单向板的横向拉伸强度,特点：无法直接计算，横向强度小于基本强度，纤维具有负增强作用。界面效应弱时，由基体决定材料的横向拉伸强度。此时，材料的强度，可简单计算为：2u=mu 1-2（Vf/）1/2 根据应变放大理论，可以证明：Vf 增加，2u 降低提高强度方法：弹性微粒改性体增强 增强体一基体界面采用过渡层，消除应力集中效应,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能,4、单向板的纵向压缩强度,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能,4、单向板的纵向压缩强度,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能,5、单向板的横向压缩强度2u 取决于作用力与纤维的方向6、单向板的偏轴拉伸强度 对于大多数复合材料 1u2 cos4/1u2（1/u21/1u2）sin2cos2sin4/2u2-1/2 在介于812 上式可表达为：u0.5usin2,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.4 单向板断裂韧性的一般概念,1、断裂表面能（）,衡量材料断裂韧性或抗裂纹护层阻力的度量。定义为：产生单位自由表面所需求的最小能量，单位：千焦/米2 R2断裂阻力 Gc 称为断裂能量 对于复合材料 R1 VfRfVmRm,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.1.4 单向板断裂韧性的一般概念,2、断裂力学 裂纹扩展的能量条件：能量释效率 Gs 断裂表面能R 临界条件:G=Gc=R 应力强度因子：KI 各相同性材料的张开型裂纹：临界破坏状态：小裂纹薄板承受拉伸载荷情况：破坏时：裂纹转向条件：,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.2 面内随机分布纤维单层板的弹性性能,模量预测：,取向板随取向变化的弹性模量,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.2 面内随机分布纤维单层板的弹性性能,Akasaka简化式：,纤维的体积含量Vf的影响是通过其对E1、E2的依赖关系体现的,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.3 短纤维增强复合材料的力学复合关系,短纤维增强复合材料：增强体（或功能体）具有一定长径比的复合系统,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.2 面内随机分布纤维单层板的弹性性能,1、纤维长度的定义,3.2.1 短纤维复合材料中纤维的长度分布,纤维的数均长度：,纤维的重均长度：,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.2 面内随机分布纤维单层板的弹性性能,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.2.2 短纤维复合材料中的纤维取向分布,在讨论注射成型的短纤维增强复合材料的纤维取向分布特性时，需要在三维方向上加以描述。,定义方法有2,1、纤维的取向分布,由方位角，定义取向,由纤维截面形状和方位角定义,第3章 复合材料力学性能的复合规律,2、复合体系在流动过程中的纤维取向,流速分布,高粘度层,流头的流向,流道壁,与流动状态密切相关，如：注射过程中缺陷：分布不均匀，应力和力学性质发生取向,3.2.2 短纤维复合材料中的纤维取向分布,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.2 面内随机分布纤维单层板的弹性性能,3.2.3 纤维端部的应力分布,理论及其实验研究表明：纤维端头效应明显，不可忽视，影响增强效果，断裂作用。,Cox用“剪切滞后分析”得沿纤维方向，X位置的拉伸压力:剪切应力:,x=0,fx=0；x=l/2,=0 沿纤维方向，随着x增加，拉伸压力增加，剪切应力减小,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合,1、短纤维复合材料的弹性性能,单向短纤维复合材料的纵向弹性性能,当,时，,对短纤维复合材料有：,对连续纤维复合材料有：,所以：,当,时，,取向短纤维复合材料的弹性性能,3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合,1、短纤维复合材料的弹性性能,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合,2、短纤维复合材料的强度性能,第3章 复合材料力学性能的复合规律,当l lc,时，,纤维的平均应力为：,复合材料承受的最大应力为：,纤维受拉应力作用达到它的拉伸屈曲破坏应力时基体 所受应力,3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合,第3章 复合材料力学性能的复合规律,2、短纤维复合材料的强度性能,短,短,短,短,3.2.4 单向短纤维复合材料的力学复合,第3章 复合材料力学性能的复合规律,2、短纤维复合材料的强度性能,短,当 l lc 时，,3.3 粒子复合材料的力学性能,第3章 复合材料力学性能的复合规律,Guth：适用于粒径较大及物料刚性较大的粒子复合材料 Kerner：复合材料中的粒子刚性远大于基体刚性时，适用于无机填料聚合物体系 Nielsen：除了粒子的形状之外，粒子的聚集状态、粒子与基体的模量特性等均对材料的性能有重要的影响,3.3.1 粒子复合材料的弹性性能,3.3 粒子复合材料的力学性能,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.3.2 粒子复合材料的强度特性,在粒子复合材料中，粒子对其强度的影响有两种情况：,1、粒子表面呈惰性的复合体系,Nielsen公式：,PawderBeecher提出了以临界纵横比为界面的两个估算式：,2、粒子表面呈活性的复合体系,3.3 粒子复合材料的力学性能,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.3.3 粒子复合材料的延伸率,Nielesn 对粒子复合材料设想为粒子与聚合物基体完全粘结和无粘结两种模型，并提出了适合于各个类型延伸率的理论公式：完全粘结体系=u/E 无粘结体系 m（1-Vf 1/3）左图显示 粘无粘,3.3 粒子复合材料的力学性能,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.3.4 超细粒子对复合材料力学性能的影响,超细粒子的体积和表面积与通常粒子相比，表现出特有的体积效应和表面效应。作用效果：具有极强的表面活性；粒子目身易发生集聚而不易分散到聚合物基体中。,3.4 复合材料力学复合的其他问题,第3章 复合材料力学性能的复合规律,一、抗冲击特性,二、撕裂强度,三、蠕变特性,四、疲劳特性,五、硬度,六、摩擦系数,试验方法：悬臂梁、简之梁、杜邦和落球冲击等,支配因素：裂缝的传播提高的措施：提高填料和聚合物的粘结性,Nielsen 估算了复合材料的儒变（t）m(t)Em/Ec,取决于：基体聚合物种类、填料的刚度和形态、填料与聚合物的界面粘结,填料粗：摩擦系数大；反之，摩擦系数小,3.5 复合材料物理和化学性能的复合规律,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.5.1 密度,复合材料密度：c=m（1-Vf）+f Vf（混合规律）其中c 复合材料密度；m 基体密度；f 增强体密度 Vf增强体体积分数如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数，则有：Vf=（1-Wm）m/Wmf+（1-Wm）m 所以c=mf/Wmf+（1-Wm）m 对于其他材料如玻璃，密度也符合加合规律=wii（i从1到n）,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.5.2 热性能（热基础物性和耐热性）,1、热基础物性a）热膨胀系数=m（1-Vf）+f Vf=mf/Wmf+（1-Wm）m实测值小于计算值原因：填料粒子束缚了其周围聚合物的热运动 P142b）导热系数：重要意义A影响成型速度B制备导热或隔热性制品 在理想情况下：c=m（1-Vf）+f Vf 在实际情况下：Nielsen公式 c/m=1+AB Vf/1-BVf 其中 A=KE-1；B=f/（m-1）/+（m+A）；=1+（1-Pf）/Pf2 Vf 式中 KE：爱因斯坦系数；Pf：填料的最高填充容积分数c）比热 一定温度下：比热计算（复合规律）：Cc=Cm(1-Vf)+Cf Vf 实测值不明时，可按KaPP法计算（P144）,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.5.2 热性能（热基础物性和耐热性）,2、耐热性（复合材料主要目的之一）a）表征耐热性的物理量：玻璃化温度Tg.宏观：Tg指聚合物玻璃态转变为高弹态的特征温度微观：Tg指高分子链段开始运动的温度b）填料对玻化温度的影响：一般是Vf大，玻化温度高.原因：1）改变界面聚合物大分子的活动能力，改变玻化温度 2）填料与聚合物的作用力阻隔聚合物分子链的运动，提高玻化温度。实际应用中，可采用热变形温度作为材料耐热性的指标。热变形温度：1.86MPa或0.46Mpa，材料变形达到一定尺寸时的温度。,3.5 复合材料物理和化学性能的复合规律,第3章 复合材料力学性能的复合规律,3.5.3 燃烧特性,a）聚合物的燃烧特性 燃烧过程：分解、燃烧。阻燃性判据：氧指数，取决于聚合物本身