聚合物復合材料第四章結構與性能1第1頁，課件共65頁，創作于2023年2月第四章結構和性能1聚合物基復合材料的結構2聚合物基復合材料的性能2第2頁，課件共65頁，創作于2023年2月1聚合物基復合材料的結構復合材料是由兩種或兩種以上的組分相所組成。組分相由性質、形態和分布狀態的不同，可形成不同結構類型的復合材料。在復合材料，基體通常是三維連續的物質，也就是將不同組分相形成整體材料的物質，而另一個（或幾個）以獨立的形態分布于整個連續相中的相稱為分散相。對于結構復合材料，分散相的強度、模量通常高于基體相，分散相當加入往往使復合材料的力學性能高于基體相，故人們習慣地把這類分散相稱為增強體。對于功能復合材料，分散相往往賦予復合材料以特殊的化學或物理機械功能，故稱之為功能體。3第3頁，課件共65頁，創作于2023年2月聚合物基復合材料由聚合物與粒子填料或纖維狀填料組成，通常形成聚合物為連續相，填料、纖維為分散相，個別的形成兩相共連續結構1聚合物基復合材料的結構4第4頁，課件共65頁，創作于2023年2月顆粒填充聚合物復合材料：無機粒子為分散相、聚合物為連續相1聚合物基復合材料的結構5第5頁，課件共65頁，創作于2023年2月各向異性纖維增強聚合物基復合材料：纖維為分散相、聚合物為連續相1聚合物基復合材料的結構6第6頁，課件共65頁，創作于2023年2月連通性：復合體系中的任何相，在空間的零維、一維、二維或三維方向上是相互連通的。任意彌散和孤立的顆粒的連通性為0，是零維材料（0維）而包圍它們的介質是網絡體狀的連續材料，連通性為3，即是三維材料（3維）纖維狀材料的連通性為1，是一維材料（1維）相應的片狀材料連通性為2，即二維材料（2維）1聚合物基復合材料的結構7第7頁，課件共65頁，創作于2023年2月按照連通性，理論上可以把復合材料劃分為以下幾種結構：各向同性各向異性1聚合物基復合材料的結構8第8頁，課件共65頁，創作于2023年2月①無規分散（彌散）增強結構（含顆粒、晶須、短纖維）②連續長纖單向增強結構（單向板）③層合(板)結構(二維織布或連續纖維鋪層，每層不同)④三維編織體增強結構⑤夾層結構（蜂窩夾層等）⑥混雜結構增強體的排列方式1聚合物基復合材料的結構9第9頁，課件共65頁，創作于2023年2月彌散結構顆粒增強短纖維增強片狀物增強10第10頁，課件共65頁，創作于2023年2月單向板結構單向連續纖維增強復合材料示意圖

連續纖維在基體中呈同向平行排列的復合材料叫單向連續纖維增強復合材料（單向板）。

沿纖維方向具有較高的強度，與纖維任意夾角方向的強度明顯下降。11第11頁，課件共65頁，創作于2023年2月層合（板）結構雙向板正交織物增強（雙向板）多向板層向強度最差12第12頁，課件共65頁，創作于2023年2月三維正交非織造的纖維結構

(a)非線性法平面增強(b)一種開式格狀結構

(c）一種柔性結構管、容器的螺旋纏繞、平面纏繞線型(a)(b)(c)三維編織纖維結構厚度方向有增強纖維，可以獲得較高的層間強度13第13頁，課件共65頁，創作于2023年2月夾層結構

夾層結構一般都是由高強度的蒙皮(表層)與輕質芯材組成的一種結構材料。由于芯材的容重小，用它制成的夾層結構，能在同樣承載能力下，大大減輕結構的自重。14第14頁，課件共65頁，創作于2023年2月混雜復合材料的混雜類型

15第15頁，課件共65頁，創作于2023年2月2聚合物基復合材料的基本性能與傳統的均質材料相比，聚合物復合材料具有許多優異的性能：

1、設計制造方法有許多優點：投資少、上馬快、設計自由度大、成型簡單、制品尺寸不限、著色自由等；

2、具有優異的基本性能：比強度和比剛度高、電性能和熱性能良好、耐化學腐蝕性良好、耐水性優異、耐候性和耐紫外線性良好、阻燃性和半透明、透明等特點。16第16頁，課件共65頁，創作于2023年2月影響復合材料性能的因素：增強材料的強度及彈性模量、基體材料的強度及化學穩定性等是決定復合材料性能的最主要因素；原材料選定，增強材料的含量及其排布方式與方向又躍居重要地位；此外，采用不同的成型工藝，制品性能亦有較大差異；最后，增強纖維與基體樹脂的界面粘結狀況很大程度上影響復合材料的性能。2聚合物基復合材料的基本性能17第17頁，課件共65頁，創作于2023年2月基體材料力學性能對復合材料力學性能的影響。縱向拉伸強度弱縱向壓縮強度強橫向拉伸強度強橫向壓縮強度弱邊緣剪切強度強層間剪切強度很強彎曲強度弱、強18第18頁，課件共65頁，創作于2023年2月復合效應：對于由A、B兩種原材料復合而成的材料C，其性能既包含A、B兩種原材料所固有的性能，又具有A、B兩種原材料所不具備的新性能。源于耦合：原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互補充的結果。復合效應表現為復合材料的性能在其組分材料基礎上的線性和非線性的綜合。2聚合物基復合材料的基本性能19第19頁，課件共65頁，創作于2023年2月復合材料的復合效應復合效應線性效應非線性效應平均效應相乘效應平行效應誘導效應相補效應共振效應相抵效應系統效應不同復合效應的類別復合材料的性質與增強組元（功能組元）的含量有線性關系20第20頁，課件共65頁，創作于2023年2月符合混合規則正效應負效應突變復合材料的復合效應21第21頁，課件共65頁，創作于2023年2月1.平均效應：復合材料的某項性能等于各組分的該項性能乘以該組分體積分數之加和。表示為：Pc=PmVm+PfVf，式中P為材料性能，V為材料體積含量，角標c、m、f分別表示復合材料、基體和增強體。如復合材料的彈性模量，若用混合率來表示，則為：Ec=EmVm+EfVf線性效應復合材料的復合效應22第22頁，課件共65頁，創作于2023年2月2.平行效應：即組成復合材料的各組分在復合材料中，均保留本身的作用，既無制約也無補償。

Kc≌Ki

對于增強體（如纖維）與基體界面結合很弱的復合材料所顯示的復合效應，可以看作是平行效應。3.相補效應：組成復合材料的基體與增強體，在性能上能互補，從而提高了綜合性能，則顯示出相補效應。C=A×B對于脆性的高強度纖維增強體與韌性基體復合時，兩相間若能得到適宜的結合而形成的復合材料，其性能顯示為增強體與基體的互補。線性效應復合材料的復合效應23第23頁，課件共65頁，創作于2023年2月4.相抵效應：基體與增強體組成復合材料時，若組分間能相互制約，限制了整體性能提高，則復合后顯示出相抵效應。Kc<ΣKiφi比如脆性的纖維增強體與韌性基體組成的復合材料，當兩者間界面結合很強時，復合材料整體顯示為脆性斷裂。比如CF/GF混雜復合材料，強度不高、韌性差。

線性效應復合材料的復合效應24第24頁，課件共65頁，創作于2023年2月5.相乘效應：兩種具有轉換效應的材料復合在一起，即可發生相乘效應。電磁效應·磁光效應=電光效應。通常可以將一種具有兩種性能相互轉換的功能材料X/Y和另一種換能材料Y/Z復合起來，即：

X/Y·Y/Z＝X/Z式中，X、Y、Z分別表示各種物理性能。有機熱敏電阻：溫度/體積·體積/電阻

非線性效應復合材料的復合效應25第25頁，課件共65頁，創作于2023年2月6.誘導效應：在一定條件下，復合材料中的一組分材料可以通過誘導作用使另一組分材料的結構改變而改變整體性能或產生新的效應。例如結晶的纖維增強體對非晶基體的誘導結晶或結晶基體的晶形取向作用。非線性效應復合材料的復合效應26第26頁，課件共65頁，創作于2023年2月纖維/樹脂界面橫晶形態：A碳纖維/聚苯硫醚B碳纖維/尼龍66C石墨纖維/聚醚醚酮27第27頁，課件共65頁，創作于2023年2月滌綸纖維增強聚丙烯復合材料橫晶球晶28第28頁，課件共65頁，創作于2023年2月7.共振效應：兩個相鄰的材料在一定條件下，會產生機械的或電、磁共振。

由不同材料組分組成的復合材料其固有頻率不同于原組分的固有頻率，當復合材料中某一部位的結構發生變化時，復合材料的固有頻率也會發生改變。非線性效應復合材料的復合效應29第29頁，課件共65頁，創作于2023年2月某一組元a具有一系列性能A，B，C……，與另一組元b復合后，能使a的多數性能B，C……受到較大抑制，唯獨使其性能A能充分地體現在復合材料中。例如，有關領域要求導電而不導熱的材料，就是通過選擇組元和復合狀態，在保留導體組元導電性的同時，抑制其導熱性而獲得的特殊功能材料。共振效應在阻尼減振和電磁波吸收復合材料的研究和設計中獲得利用。復合材料的復合效應30第30頁，課件共65頁，創作于2023年2月8.系統效應：這是一種材料的復雜效應，至目前為止，這一效應的機理尚不清楚，但在實際現象中存在著這種效應。比如紅、黃、藍三色組成的彩色世界比如涂膜的硬度大于基體和膜層硬度之和非線性效應復合材料的復合效應31第31頁，課件共65頁，創作于2023年2月2復合材料的性能32第32頁，課件共65頁，創作于2023年2月2復合材料的性能單向板的縱向拉伸性能33第33頁，課件共65頁，創作于2023年2月單向板的縱向拉伸性能34第34頁，課件共65頁，創作于2023年2月復合材料斷裂行為脫粘或基體剪切破壞初始開裂纖維抽出縱向拉伸破壞模式脆性斷裂35第35頁，課件共65頁，創作于2023年2月單向板的縱向拉伸性能脆-脆復合材料（基體韌性小于增強材料）的拉伸特性36第36頁，課件共65頁，創作于2023年2月單向板的縱向拉伸性能脆-韌復合材料（基體韌性大于增強材料）的拉伸特性37第37頁，課件共65頁，創作于2023年2月1023484624321σc（MPa）σf（MPa）復合材料應力σc與玻璃纖維應力σf的關系1.表面甲基硅油處理；2.未處理；3.NDZ-101處理；4.KH-570處理界面粘結對縱向拉伸性能的影響38第38頁，課件共65頁，創作于2023年2月界面粘結的纖維39第39頁，課件共65頁，創作于2023年2月拉伸時的應力分布復合材料中纖維上受力狀態和界面受力狀態，隨纖維的長徑比變化而變化，要增強，需達到臨界長度和臨界長徑比剪切力與拉應力轉變40第40頁，課件共65頁，創作于2023年2月纖維長度對拉伸強度影響41第41頁，課件共65頁，創作于2023年2月填料含量對拉伸強度的影響臨界體積分數：基體真正得到增強時的加入增強體的最小體積分數。42第42頁，課件共65頁，創作于2023年2月單向板的強度與模量—縱向拉伸性能應力作用于纖維軸向時纖維增強復合材料的縱向強度和彈性模量的混合定律為：sc＝sfVf＋smVmEc＝EfVf＋EmVm43第43頁，課件共65頁，創作于2023年2月單向板的強度與模量—橫向拉伸性能應力作用于纖維軸向時纖維增強復合材料的橫向強度和彈性模量的混合定律為：

sc＝sf＝sm1/Ec＝Vf/Ef＋Vm/Em44第44頁，課件共65頁，創作于2023年2月單向板的橫向拉伸性能單向板橫向拉伸的三種破壞模式：①基體破壞；②界面脫粘；③纖維破壞提高復合材料的橫向拉伸強度，可以通過提高基體強度來實現。45第45頁，課件共65頁，創作于2023年2月

單向板復合材料的拉伸強度與拉伸方向關系一般都是根據構件受力情況來決定纖維排列的方向、層數及鋪層順序，即鋪層設計，獲得多向纖維復合材料。46第46頁，課件共65頁，創作于2023年2月單向板縱向壓縮性能失效模式壓縮破壞取決于基體材料的破壞，選用抗壓強度高的樹脂47第47頁，課件共65頁，創作于2023年2月復合材料沖擊斷裂形貌單向板沖擊性能破壞區域缺口48第48頁，課件共65頁，創作于2023年2月短纖維增強熱塑性塑料的斷裂示意圖單向板沖擊性能纖維增強復合材料的破壞過程包括：①基體變形和開裂；②纖維破壞；③纖維拔出；④界面脫粘；⑤分層裂紋等。缺口49第49頁，課件共65頁，創作于2023年2月沖擊過程中裂紋擴展模式如右圖，受界面顯著影響。沖擊過程的能量吸收包括：①基體變形和開裂；②纖維破壞；③纖維拔出（摩擦功）；④界面脫粘；⑤分層裂紋等多個方面；基體變形吸收較多的能量。

熱固性基體性脆，變形很小，沖擊韌性差。

熱塑性基體可產生較大塑性變形，沖擊強度高。沖擊過程中裂紋擴展模式單向板沖擊性能50第50頁，課件共65頁，創作于2023年2月復合材料的沖擊韌性：沖擊韌性是復合材料的重要性能，可由沖擊強度和斷裂韌性來表征。韌性指數：裂紋擴展能Qp與裂紋引發能Qi之比

單向板沖擊性能51第51頁，課件共65頁，創作于2023年2月52第52頁，課件共65頁，創作于2023年2月（1）纖維增強樹脂復合材料的沖擊特性主要取決于成型方法和增強材料的形態沖擊性能的影響因素成型工藝：纖維纏繞制品的沖擊性能最佳，約500kJ/m2，模壓成型次之，約50~100kJ/m2，手糊成型和注射成型較低，在10~30kJ/m2之間。纖維形態：玻璃布增強復合材料的沖擊性能在200~300kJ/m2左右，玻璃氈增強復合材料則在100~200kJ/m2之間，短玻纖復合材料的沖擊性能最低。53第53頁，課件共65頁，創作于2023年2月（2）纖維的種類、體積含量、基體材料以及界面粘結狀況等因素均影響復合材料的沖擊性能。如纖維的含量提高，沖擊強度提高；韌性樹脂為基體，沖擊強度對應高些；界面粘結的影響就比較復雜。沖擊性能的影響因素54第54頁，課件共65頁，創作于2023年2月玻璃纖維/PP的沖擊強度55第55頁，課件共65頁，創作于2023年2月界面對沖擊強度的影響56第56頁，課件共65頁，創作于2023年2月疲勞的概念：在低于靜態強度極限條件下的動載荷（交變載荷）作用下，經過不同時間（或次數）破壞失效的現象。失效過程：疲勞過程→內部損傷（或疲勞裂紋）→內部損傷累積至一定程度→材料突然破壞失效四種疲勞損傷：基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂復合材料的疲勞性能一般高于基體的疲勞性能。復合材料的疲勞性能57第57頁，課件共65頁，創作于2023年2月疲勞S-N曲線復合材料與金屬材料的結構構造不同，疲勞的機理不同，所表現出來的疲勞現象也有很大的差別，總的來說，復合材料的抗疲勞的破壞比傳統金屬材料好的多。復合材料和金屬材料疲勞的對比58第58頁，課件共65頁，創作于2023年2月復合材料與金屬材料的疲勞性能區別如下：1）金屬材料在交變載荷的作用下，可以觀察到單一主裂紋有規律的擴展現象，這一主裂紋控制這最終的疲勞破壞。對于復合材料往往出現較大范圍的損傷，表現出非常復雜的疲勞破壞行為，很少出現單一裂紋控制的破壞機理。2）疲勞破壞在復合材料中總是從承載能力比較薄弱的纖維處開始，然后逐漸擴展到結合面上，由于大范圍的損傷，所以復合材料的疲勞極限比較高。例如碳纖維－聚酯樹脂復合材料的疲勞極限是拉伸強度的70%～80%，而金屬材料的疲勞極限只有強度極限值的40%～50%。復合材料和金屬材料疲勞的區別59第59頁，課件共65頁，創作于2023年2月3）復合材料在疲勞過程中，盡管初始損傷尺寸比金屬材料大，例如纖維斷裂、脫粘、基體開裂、分層等，但疲勞壽命比金屬大；4）復合材料的疲勞損傷是累積的，在破壞之前，損傷已經有了較大的發展，有明顯的征兆。而金屬材料損傷累積卻很隱蔽，破壞有很大的突發性，這對工程結構來說是很危險的。60第60頁，課件共65頁，創作于2023年2月復合材料的蠕變特性蠕變：當應力保持不變時應變隨著時間的延續而增加的現象。初始蠕變：應變隨時間延續而增加，但增加的速度逐漸減慢（減速蠕變）；穩態蠕變：應變隨時間延續而勻速增加，這個階段較長（平緩蠕變）；加速蠕變：應變隨時間延續而加速增加,直達破裂點。61第61頁，課件共65頁，創作于2023年2月復合材料的蠕變特性填料加入使塑料的剛性增大，可明顯地改善塑料的蠕變性能，使復合材料具有小的蠕變；復合材料的蠕變通常隨溫度或應力提高而增加，不同樹脂有不同蠕變特性；復合材料的蠕變與基體有很大關系