复合材料增强原理.ppt

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1、高分子复合材料第2章 复合材料增强原理按增强材料的种类和性质，复合材料的强化机制可以分为三种：弥散增强机制颗粒增强机制纤维增强机制高分子复合材料n弥散增强机制位错绕过理论位错绕过理论 强化效果：强化效果：弥散强化复合材料：弥散强化复合材料：弥散微粒、基体复合而成粒子直径为0.10.01m，体积分数为1%15%载荷主要有基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。图图2.1 2.1 颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图 取决于粒子直径、体积分数。高分子复合材料n颗粒增强机制颗粒增强复合材料：尺寸较大(1m)的坚硬颗粒及基体 复合而成粒子直径为150m，体积分数20%颗粒

2、阻碍基体位错运动强化不均匀变形引起位错增殖强化 载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束变形 强化效果：强化效果：取决于粒子直径、体积分数。与弥散增强机制的不同点：与弥散增强机制的不同点：机理：机理：高分子复合材料图图2.2 2.2 位错在晶面上滑移（位错在晶面上滑移（a a）和在）和在TiCTiC颗粒前位错的塞积（颗粒前位错的塞积（b b）图图2.3 2.3 两相不均匀变形在界面形成的位错环两相不均匀变形在界面形成的位错环 高分子复合材料不同体积分数的粒子对性能的影响不同体积分数的粒子对性能的影响高分子复合材料n纤维增强机制 基体基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维 等），不

3、是主承力相。纤维纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上（图2.3、2.4）由高强度、高模量、连续（长）纤维或不连续（短）纤维与基体复合而成纤维增强复材：纤维增强复材：高分子复合材料 图2.4 短纤维周围的应变 高分子复合材料纤维断裂纤维断裂裂纹扩展方向裂纹扩展方向 当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。高分子复

4、合材料 当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。提高。高分子复合材料为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则：为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则：1.纤维的强度和弹性模量应远高于基体；2.纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂；3.纤维的排列方向要与构件的受力方向一致；4.纤维与基体的热胀系数应匹配；5.纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应；6.纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。高分子复合材料 几种典型复合材料的临界长度Lc和长径比Lc/d高分子复合材料n在单向连续纤维增强复合材料中，复合材料中组分承载应力表达式：纤维/基体弹性模量，纤维体积含量，则纤维承载越大