1、纖維增強樹脂基復合材料強化機制纖維增強樹脂基復合材料強化機制福建土樓土樓墻壁先用石塊和灰漿砌筑起墻基，接著就用夾墻板夯筑墻壁，土墻的原料為當地粘質紅土，摻入適量的小石子和石灰，俗稱熟土。一些關鍵部位還要摻入適量糯米飯，紅糖，以增加其粘性，土墻中間還要買入杉木枝條竹片為墻骨增強其拉力。Content01 復合材料02 纖維的強化機制03 纖維增強樹脂基課題04碳纖維復合材料復合材料第一章復合材料復合材料，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。

2、復合材料復合材料 基體 增強材料 金屬 非金屬鋁、鎂、銅、鈦及其合金合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等纖維強化機制纖維強化機制第二章1.復合材料的斷裂強度當復合材料承受載荷時，如圖 l 所示， 其應力和彈性模量服從混合法則，即：式中 表示承受的應力， E 為彈性模量，V 代表體積分數，下標 c、 f 和 m 分別代表復合材料（ composites）、纖維 （ fiber）和基體 （ matrix）。在復合材料斷裂前，無論是基體還是纖維，其應變應該是一致的： c=m=f=m/Em=f/Ef (4)對于脆性基體復合材

3、料， 當基體的應變大于其臨界斷裂應變時， 基體發生斷裂。 由于基體彈性變形極小，也沒有塑性變形，所以在基體斷裂瞬間， 纖維并未充分發揮作用。 設mufu，基體斷裂后， 它所承載的應力分量全部轉移給纖維。 此時復合材料所承擔的應力由式（ l）和式 （ 4）可推導出：下標 mu 和 fu 分別代表基體和纖維斷裂。從式 （ 5）看出， 對于脆性基體復合材料， 如果基體的斷裂應變mu 小于纖維的斷裂應變fu， 要想復合材料得到強化， 必須 Ef 大于 Em， 即纖維需要較高的彈性模量。 強度提高的程度取決于Ef / Em 之比。如果選擇的強化組元 Ef 小 于Em，基體不僅得不到強化，反而會使強度降低

4、。對于短纖維強化復合材料， 僅僅只是那些平行于拉伸方向的纖維和當纖維的長度超過臨界長度的情況下， 纖維的極限強度才能發揮作用。 現研究基體中只有一條短纖維的情況 。考慮長度為 L 的短纖維嵌入在彈性模量小的基體上， 假設纖維與基體的界面粘結很好且界面很薄，當沿纖維方向施加一載荷時，那么施加到基體上的應力將通過界面傳遞到纖維上。 由于基體與纖維的彈性模量不同， 因此產生的拉伸應變不同， 在纖維末端處纖維的應變將小于基體的應變，如圖 2 所示。由于應變的差異， 造成纖維上的拉應力和界面上的剪應力分布如圖 3 所示，即在纖維末端的拉應力為零， 界面剪應力最大；在纖維的中點拉應力最大，界面剪應力幾乎趨

5、于零 （ 若纖維足夠長）。 正是界面剪應力的變化 （ 稱為剪切效應 （ shear effect）才引起了纖維上的拉應力變化。 在彈性變形范圍內， 纖維上的拉應力f =mEf，隨載荷的增加，基體的應變 m 增大， 因此f 也隨之增大。 從圖 3 可知， 只有當纖維長度等于 Lc 時，纖維上的拉應力才能達到纖維的斷裂強度fu， 因此 Lc 稱為臨界纖維長度， 它是使應力達到纖維斷裂時的最短纖維長度， 可定義為在給定纖維長度范圍內， 引起拉伸失效而不是界面剪切失效的最短纖維長度。 L Lc 時， 才有強化效果。在復合材料中， 如果纖維的長度大大長于臨界長度， 那么復合材料的強度與連續長纖維強化情況

6、相當。 在復合材料承受載荷時， 纖維所承受的應力是沿纖維長度方向變化的， 在中心達到最大值。 對于隨機取向的纖維強化復合材料， 能承受斷裂應力的纖維比例大大減小， 所以復合材料的極限強度將低于單向纖維強化的復合材料。 因此， 決定短纖維強化復合材料強度的要素應考慮纖維取向和纖維長度兩個因素。2 復合材料的韌性和斷裂功為了提高復合材料的韌性， 必須盡可能提高材料斷裂時消耗的能量。吸收能量的方式材料變形形成新的表面脆性基體和纖維增加斷裂表面，即增加裂紋的擴展路徑纖維斷裂、基體變形、裂紋彎曲 和偏轉、纖維脫粘 、纖維拔出 、分層裂紋 、纖維橋接。1.纖維斷裂斷裂從材料中固有的小缺陷開始。 這些小缺陷

7、或許是已斷裂的纖維基體中的裂紋或脫粘的界面。 原始裂紋形成之后， 在負載產生的應力作用下，裂紋開始擴展。 這時，在距裂紋前端一定距離的纖維是完好的， 但處于高應力狀態下裂紋前端的纖維則可能斷裂， 盡管這種斷裂不一定發生在材料的斷裂面。 緊靠裂紋前端的纖維在斷裂之前可能發生從基體中拔出 ， 與基體脫粘 等行為。 纖維在發生拔出和脫粘的瞬間，仍然可能保持完好，隨著裂紋的進一步擴展， 纖維在脫粘或拔出后斷裂。 這種斷裂可能發生在斷口， 也可能發生在基體內部。2.纖維脫粘復合材料中纖維脫粘產生了新的表面， 因此需要能量。 盡管單位面積的表面能很小， 但所有脫粘纖維總的表面能則很大。 每根纖維的脫粘能量

8、 Q p為：其中 d：纖維直徑 lc:纖維臨界長度 fu：纖維拉伸強度 Ef：纖維彈性模量3.纖維拔出纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應力作用下沿著它和基體的界面滑出的現象。 纖維首先應發生脫粘才能被拔出。 纖維拔出會使裂紋尖端應力松弛， 從而減緩了裂紋的擴展。纖維的拔出需要外力做功，因此起到增韌作用。3.纖維拔出纖維拔出需做的功Q t:Qt= 平均力 距離 = d l 2 / 2 當纖維發生斷裂，此時纖維的最大長度為l c/ 2 ，拔出每根纖維所做的最大功為：Qt= d lc2 / 8 = d2 fu lc/ 16Qt/ Qp= fu / 3 Ef因Ef fu，所以纖維拔出能總大于纖維脫粘

9、能，纖維拔出的增韌效果要比纖維脫粘更強。因此，纖維拔出是更重要的增韌機理。4.纖維橋接對于特定位向和分布的纖維， 裂紋很難偏轉，只能沿著原來的擴展方向繼續擴展，這時緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂， 而是在裂紋兩岸搭起小橋，使兩岸連在一起，這會在裂紋表面產生一個壓應力，以抵消外加拉應力的作用，從而使裂紋難以進一步擴展，起到增韌作用。纖維強化樹脂基課題纖維強化樹脂基課題第三章近幾十年來， 材料學者們越來越重視新開發的工程材料要具備生態友好性， 這種趨勢同樣也已深入到摩擦材料行業中。 過去人們關注高性能汽車制動材料合適的摩擦系數、 可靠的穩定性、 滿意的舒適性及合理的使用壽命等 ， 卻忽略了摩擦材料在

10、制動過程中被釋放到環境中的化學物質粒子可能具有的毒性或可致基因突變性。 植桿復合材料 ,是利用一年生的植物桿維作為增強組分材料 , 以脂樹作為粘結 的基體材料 , 通過物理與化學的雙重作用 , 制成性能優良的復合材料 。靠基體將纖維粘合在一起（樹脂，金屬）靠纖維塑化形成的氫鍵結合力成材（纖維板）1.試驗材料及制備本試驗中配方原料如下: 以腰果殼油改性酚醛樹脂為粘結劑，竹纖維鋼纖維、 無機鹽晶須等為增強相，銅粒、 人造石墨、 剛玉微粉、 氧化鐵粉等為摩擦性能調節劑，硫酸鋇、 葉臘石粉等為填料進行制動摩阻材料的配方設計。試樣制備采用熱壓成型工藝 工藝路線如下: 原料預處理稱料混料模具預熱熱壓成型熱

11、處理手工加工產品( 合格試樣) 其中烘干預處理采用 DHG9076A 型電熱恒溫鼓風干燥箱，混料采用主軸轉速為1000r/min 的JF801S 型實驗用犁耙式混料機進行攪拌， 熱壓成型在 Y32 63T 四柱上壓式液壓機上進行。2.實驗方法 3.現有的實驗儀器及設備摩擦磨損試驗設備X-DM調壓變速摩擦試驗機、MM-1000型摩擦磨損試驗機、 MMS-2A微機控制摩擦試驗機機械性能測試設備 XJJU-5.5擺錘式沖擊試驗機XHR-150型塑料洛氏硬度計 混料設備 SK2高速攪拌機 制樣設備飛納臺式掃描電鏡，白光共焦三維輪廓儀4.竹纖維增強制動摩阻材料的摩擦磨損機理分析 分別對含質量百分數為 0

12、% 、 13% 和 17% 的竹纖維試樣在盤溫為 100 和300 測試后的表面形貌進行微觀分析。( a)中可以觀察到，盤溫在 100 時未增強試樣摩擦后表面呈不規則的崎嶇狀， 有平行于摩擦力方向的摩擦痕跡，呈明顯的磨粒磨損特征，此外還有較小的帶片形態的黏著磨損特征 表面存在大量碎片狀、 瓣狀和球狀等不同形狀磨屑，可能由表面流動、 切削或細微層搓卷而成，說明樹脂對基體中增強纖維相、 填料等粘結作用不佳 此時材料摩擦系數為 0.32，磨損率為0.68107cm3/( Nm) ( b) 所示， 表面膜的塑性變形更加均勻化，且磨屑的形狀細小 摩擦表面出現疲勞磨損和熱磨損特征 此時摩阻材料表面產生較大

13、的溫度梯度，受循環熱應力的作用，在表面膜產生冷焊現象，使摩阻材料的表面產生裂紋，并擴展至小塊磨粒而剝落，就會產生熱疲勞磨損 因此在該溫度下的磨損主要是由于樹脂高溫粘結作用逐步失效后引起表面材料脫落的磨損 此時材料的摩擦系數( 0 32) 變化不大而磨損率 0.6310-7cm3 /( Nm) 略有減小定速摩擦試驗表明竹纖維對基體的增強作用在其體積百分數為 13% 時達到較佳果 從圖 ( c)中可以看出: 在盤溫 100 下試樣磨損表面仍存在大量連續的摩擦膜， 僅在摩擦膜邊緣交界處分布著一些剝落的屑 說明材料承受干摩擦狀態的滑動磨損時主要以磨粒磨損為主， 此時其摩擦系數為0. 31，磨損率為 0

14、.4310-7 cm3 /( Nm) 當溫度升高到 300 時，竹纖維和樹脂基體熱解導致摩擦表面形成黏著磨損為主的微觀形貌， 不斷熔融和冷卻界面物質以轉移膜的形式以涂抹覆蓋在基體表面，如圖 ( d) 所示 而大量轉移膜在摩擦力的作用下不斷地被剪切、涂覆、 碾壓、 展開，使材料表現出較好的摩擦阻力，并在連續摩擦過程中保持較少的磨損量，故 試 樣 摩 擦 系 數 為 0.33， 磨 損 率 為 0.4210-7cm3 /( Nm) 這可以說明適量竹纖維的加入對穩定不同盤溫下復合材料的摩擦磨損率性能有較積極的作用，能提高摩阻材料在實際工況中的制動安全性和使用壽命當竹 纖 維 體 積 百 分 數 達

15、到 17% 時， 材 料 在100 的磨損測試后基體和竹纖維的結合仍較緊密，表面膜連續穩定，如圖 ( e) 所示 此時材料具有相對較好的摩擦磨損性能， 其摩擦系數為 0.33， 磨損率 0.34 10-7cm3 /( N m ) 但 當 盤 溫 升 至300 時情況發生了變化，如圖 ( f) 所示，高溫不僅使大量竹纖維碳化、 剝落而失去了混雜增強的效果，同時也使周邊的樹脂及其他組分致密性嚴重降低并更多地暴露在惡劣的摩擦副表面 此時竹纖維碳化形成的膜在摩擦表面起到了潤滑作用， 使摩擦系數降低至0.27; 且在摩擦剪切力作用下更多地出現斷裂、 剝落等現象，成為摩擦對偶間的磨料而加速了系統的磨損，

16、故磨損率也急劇升高至 1.1810-7cm3 /( Nm) 5.結論a 在樹脂基制動復合材料中加入竹纖維能改善低溫摩擦磨損性能， 并具有一定的減震降噪的效果，而在超過其熱分解溫度的高溫下磨損時其增強效果會被削弱，甚至出現熱衰退現象b 適當的竹纖維含量( 如質量百分數為 13%時) 能在保證良好的制備工藝性的前提下， 穩定制動材料在不同盤溫下的摩擦系數并降低磨損率， 提高制動安全性和使用壽命c 若竹纖維含量過多 ( 如質量百分數超過17% ) ，復合材料在低溫時仍保持較理想的摩擦磨損性能，但高溫下由于大量竹纖維碳化剝落并使周邊的樹脂及其他組分致密性嚴重降低， 穩定的摩擦表面膜遭到破壞，惡化了制動材料的摩阻性能碳纖維復合材料碳纖維復合材料第四章碳纖維復合材料優勢1.高強度（是鋼的5倍）2.出色的耐熱性（可以耐受2000以上的高溫）3.出色的抗熱沖擊性4.低熱膨脹系數（變形量小）5.熱容量小（節能）6.比重小（鋼的1/5）7.優秀的抗腐蝕與輻射性能分類分類碳纖維增強陶瓷基用碳纖維增強陶瓷可有效改善韌性，改變陶瓷脆性斷裂形態，同時阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴展。目前比較成熟的碳纖維增強陶瓷材料是碳纖維增強碳化硅材料。