1、第二章第二章 復合理論簡介復合理論簡介 2010.11.02 主要內容主要內容 一一復合材料增強理論復合材料增強理論 二二物理性能復合法則物理性能復合法則 一、復合材料增強機制一、復合材料增強機制 l彌散增強彌散增強 l顆粒增強顆粒增強 l纖維增強（連續纖維，短纖維）纖維增強（連續纖維，短纖維） 彌散增強型彌散增強型 50 x 50m 顆粒增強型顆粒增強型 50 x 50m 彌散增強原理彌散增強原理 硬質顆粒如硬質顆粒如Al2O3， TiC，SiC阻礙基體中阻礙基體中 的位錯運動的位錯運動(金屬基金屬基) 或分子鏈運動或分子鏈運動(高聚物高聚物 基基) 。增強機理可用。增強機理可用 位錯繞過理

2、論解釋。位錯繞過理論解釋。 載荷主要由基體承擔載荷主要由基體承擔 ，彌散微粒阻礙基體，彌散微粒阻礙基體 的位錯運動。的位錯運動。 （1）彌散增強彌散增強 復合材料的屈服強度復合材料的屈服強度 彌散質點的尺寸越小，體積分數越大，強化彌散質點的尺寸越小，體積分數越大，強化 效果越好。一般效果越好。一般Vp=0.01 0.15，dp=0.001m 0.1 m )1 () 3 2 ( G 2 12 m p p p y V V d b 08537.416.7 0.058878.017.3 0.109408.518.0 0.201 0557.621.0 不同體積分數納米粒子不同體積分數納米粒子SiC(0.

3、07 m)增強增強 Si3N4(0.5 m)的性能的性能 （2）顆粒增強顆粒增強 cVd bVGG p ppm y )1 (2 3 21 顆粒的尺寸越小，體積分數越大，強化效果越好。一般顆粒的尺寸越小，體積分數越大，強化效果越好。一般 在顆粒增強復合材料中，顆粒直徑為在顆粒增強復合材料中，顆粒直徑為 1 50m，顆粒間，顆粒間 距為距為1 25m，顆粒的體積分數為，顆粒的體積分數為0.05 0.5。 顆粒的尺寸較大顆粒的尺寸較大(1 m)，基體承擔主要，基體承擔主要 的載荷，顆粒阻止位的載荷，顆粒阻止位 錯的運動，并約束基錯的運動，并約束基 體的變形體的變形 用金屬或高分子聚合物把有耐熱性、硬

4、度用金屬或高分子聚合物把有耐熱性、硬度 高但不耐沖擊的金屬氧化物、氮化物、碳高但不耐沖擊的金屬氧化物、氮化物、碳 化物復合的材料時，由于強化相顆粒較大，化物復合的材料時，由于強化相顆粒較大， 故強化效果并不顯著，但這種復材主要不故強化效果并不顯著，但這種復材主要不 是提高強度是提高強度, ,而是為了改善耐磨性或提高綜而是為了改善耐磨性或提高綜 合力學性能。合力學性能。 （3）連續纖維增強）連續纖維增強 通常根據纖維形態可以分為連續纖維、非連續纖通常根據纖維形態可以分為連續纖維、非連續纖 維維(短纖維短纖維)或晶須或晶須(長度約為長度約為100-1000m、直徑約、直徑約 為為1-10m的單晶體

5、的單晶體)兩類兩類 其增強機理是高強度、高模量的纖維承受載荷，其增強機理是高強度、高模量的纖維承受載荷， 基體只是作為傳遞和分散載荷的媒介。基體只是作為傳遞和分散載荷的媒介。 M為基體為基體 F為纖維為纖維 連續纖維增強（纖維軸向模量）連續纖維增強（纖維軸向模量） 1VVV VVV fmc ffmmcc fmc （1） （1）式的兩邊同時除以）式的兩邊同時除以 ffmm EEEVV 得到得到 )1 ( 1fmff VEVEE 實際中還有不同的實際中還有不同的 泊松比導致的附加泊松比導致的附加 應力。通過試驗分應力。通過試驗分 析，誤差小于析，誤差小于 1%2%。測出兩種。測出兩種 玻璃纖維增強

6、聚酯玻璃纖維增強聚酯 樹脂體系的樹脂體系的E1、Vf 之間的線型關系之間的線型關系 復合材料縱向斷裂強度可以認為與纖維斷復合材料縱向斷裂強度可以認為與纖維斷 裂應變值對應的復合材料應力相等，根據混裂應變值對應的復合材料應力相等，根據混 合法則，得到復合材料縱向斷裂強度，即合法則，得到復合材料縱向斷裂強度，即 )1 ()( frmffueu VV SiC/硼硅玻璃復合材料的強度硼硅玻璃復合材料的強度 隨纖維體積含量線性增加隨纖維體積含量線性增加 14Chapter 9 Composites 連續纖維增強（橫向模量）連續纖維增強（橫向模量） Em Ef 串聯模型 并聯模型 體積分數體積分數fr f

7、m fffm f f m m c EE VEVE E V E V E )1 ( 1 在高性能纖維增強復合材料中，纖維模量比在高性能纖維增強復合材料中，纖維模量比 基體樹脂模量大的多，在纖維體積含量為基體樹脂模量大的多，在纖維體積含量為50 60的復合材料中，基體對的復合材料中，基體對E1的影響很的影響很 小，纖維對小，纖維對E2的影響也很小，所以可以得到的影響也很小，所以可以得到 近似近似 mm ff VEE VEE / 2 1 纖維增強復合材料橫向強度纖維增強復合材料橫向強度 纖維對橫向強度有減弱的作用。纖維在與其相纖維對橫向強度有減弱的作用。纖維在與其相 鄰的基體中產生的應力和應變對基體產

8、生約束，鄰的基體中產生的應力和應變對基體產生約束， 使復合材料的斷裂應變比復合前要低的多使復合材料的斷裂應變比復合前要低的多(斷裂斷裂 應力課本應力課本P28式式2.34) 前提是基體和增強體很好的結合前提是基體和增強體很好的結合。 4)短纖維增強（）短纖維增強（） 作用于復合材料的載荷是作用于基體材料并通作用于復合材料的載荷是作用于基體材料并通 過纖維端部與端部附近的纖維表面將載荷傳遞過纖維端部與端部附近的纖維表面將載荷傳遞 給纖維。當纖維長度超過應力傳遞所發生的長給纖維。當纖維長度超過應力傳遞所發生的長 度時，端頭效應可以忽略，纖維可以被認為是度時，端頭效應可以忽略，纖維可以被認為是 連續

9、的，但對于短纖維復合材料，端頭效應不連續的，但對于短纖維復合材料，端頭效應不 可忽略，同時復合材料的性能是纖維長度的函可忽略，同時復合材料的性能是纖維長度的函 數。數。 短纖維增強（）短纖維增強（） l/lc越大，拉伸強度越大越大，拉伸強度越大; ; 2l/lc1時，拉伸強度為連續纖維的強度公式時，拉伸強度為連續纖維的強度公式; ; l=lc時，短纖維增強的效果僅有連續纖維的時，短纖維增強的效果僅有連續纖維的50%; l/lc=10時，短纖維增強的效果可達到連續纖維的時，短纖維增強的效果可達到連續纖維的95% 所以為了提高復合材料的強度，應盡量使用長纖維。所以為了提高復合材料的強度，應盡量使用

10、長纖維。 為了使纖維的承載達到纖維的最大應力值，纖維長為了使纖維的承載達到纖維的最大應力值，纖維長 度必須大于臨界纖維長度度必須大于臨界纖維長度lc或臨界長徑比或臨界長徑比(lc/d) my f f c d l 2 max, 幾種典型復合材料的臨界長度幾種典型復合材料的臨界長度Lc和長徑比和長徑比Lc/d 基體基體 Tm (MN/m2)纖維纖維 fTS (MN/m2) d (m) Lc/dLc (mm) Ag55Al2O3晶須晶須20 80021890.38 Cu76鎢絲鎢絲2 9002 0001938 Al80硼纖維硼纖維2 800100181.75 環氧環氧40硼纖維硼纖維2 800100

11、353.5 聚脂聚脂30玻璃纖維玻璃纖維2 40013400.52 環氧環氧40碳纖維碳纖維2 6007330.23 短纖維增強（）短纖維增強（） 當短纖維按不同取向程度取向分布時，短纖維的增強效率當短纖維按不同取向程度取向分布時，短纖維的增強效率 隨取向程度的降低而降低。對于取向分布的短纖維復合材隨取向程度的降低而降低。對于取向分布的短纖維復合材 料，可以在混合彈性模量式中增加一個取向效率因子料，可以在混合彈性模量式中增加一個取向效率因子0 )1 ( 01fmff VEVEE 對于平行于纖維方向和垂直于纖維方向的單向板，對于平行于纖維方向和垂直于纖維方向的單向板，0分別分別 為為1和和0，對

12、于面內隨即分布的纖維復合材料，對于面內隨即分布的纖維復合材料03/8，三維，三維 隨機分布纖維復合材料隨機分布纖維復合材料01/5 二、二、 物理性能的復合法則物理性能的復合法則 對于復合材料，最引人注目的是其高比強度、高對于復合材料，最引人注目的是其高比強度、高 比模量等力學性能。但是其物理性能也應該通過比模量等力學性能。但是其物理性能也應該通過 復合化得到提高。復合化得到提高。 復合法則有兩種：復合法則有兩種： 、加權（平均）特性、加權（平均）特性 、乘積（傳遞）特性、乘積（傳遞）特性 1 、加權特性加權特性 PPV ci n i i N () 1 Pc為復合材料的特性，為復合材料的特性，

13、Pi為構成復合材料的原為構成復合材料的原 材料的特性，材料的特性，Vi為構成復合材料的原材料的體積分為構成復合材料的原材料的體積分 數，數，n由實驗確定，其范圍為由實驗確定，其范圍為 -1 n 1。密度、熱膨。密度、熱膨 脹系數熱傳導、電導、透磁率等都屬于此類。脹系數熱傳導、電導、透磁率等都屬于此類。 、乘積特性、乘積特性 把兩種性能可以相互轉換的功能材料把兩種性能可以相互轉換的功能材料熱形變材料（以熱形變材料（以 X/Y表示）與另一種形變電導材料（表示）與另一種形變電導材料（Y/Z）復合，其效果是：）復合，其效果是： Z X Z Y Y X 由于兩組分的協同作用得到了另一種熱電導功能復合材料

14、，由于兩組分的協同作用得到了另一種熱電導功能復合材料， 借助類似關系可以通過各種功能材料復合成各種功能復合材借助類似關系可以通過各種功能材料復合成各種功能復合材 料料 Y/X（狀態（狀態1）Z/Y（狀態（狀態2）傳遞特性（傳遞特性（Z/X） 磁磁/壓力壓力電阻變化電阻變化/磁場磁場壓力電阻效應壓力電阻效應 磁場磁場/壓力壓力旋光性旋光性/磁場（法拉第效應）磁場（法拉第效應）由機械負荷引起偏光面回轉由機械負荷引起偏光面回轉 電場電場/壓力壓力發光發光/電場（電光亮度）電場（電光亮度）壓力光亮度壓力光亮度 電場電場/壓力壓力復折射復折射/電場電場由機械負荷引起偏光面回轉由機械負荷引起偏光面回轉 應

15、變應變/磁場磁場電場電場/應變應變磁電效應磁電效應 應變應變/磁場磁場電阻變化電阻變化/應變應變磁電阻效應磁電阻效應 溫度差溫度差/磁場磁場電場電場/溫度差溫度差擬洞穴效應（磁電效應）擬洞穴效應（磁電效應） 應變應變/磁場磁場復折射復折射/應變應變磁感應折射磁感應折射 應變應變/電場電場磁場磁場/應變應變電磁效應電磁效應 磁場磁場/光光應變應變/磁場磁場應變應變/光光 電場電場/光光應變應變/電場電場應變應變/光光 電場電場/光光光光/電場電場波長變換波長變換 同位素同位素導電性導電性/光光放射線誘起電導放射線誘起電導 同位素同位素熒光熒光放射線檢測器放射線檢測器 思考題思考題 、彌散顆粒、顆

16、粒增強機理是什么、彌散顆粒、顆粒增強機理是什么 、纖維增強復合材料中，軸向和橫向的強度、纖維增強復合材料中，軸向和橫向的強度 各有什么特點各有什么特點 、復合材料物理性能有什么樣的復合法則，、復合材料物理性能有什么樣的復合法則， 分別有哪些性能適合這些法則？分別有哪些性能適合這些法則？ 謝謝 謝！謝！ 三、復合材料設計原則三、復合材料設計原則 l 調整復合度（參與復合的各組分的體積調整復合度（參與復合的各組分的體積 （或質量）分數），即改變各組分的含量（或質量）分數），即改變各組分的含量 l 調節聯接方式，即增強材料的形狀調節聯接方式，即增強材料的形狀 l 調節對稱性分散相的形狀調節對稱性分散相的形狀 l 調整尺度復合體的尺寸在不同的量級，調整尺度復合體的尺寸在不同的量級， 宏觀物理性能會有很大的改變宏觀物理性能會有很大的改變 l 調節疊