复合材料第三章1复合材料增强体

（1）固体材料的理论强度：
σth = (Eγ/a0)1/2
纤维类增强体： Be (铍)、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化 合物 （常温下原子半径小、化学性质稳定）
纤维类增强体理论强度高！
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材料的理论强度应从原子间的结合力入手， 只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。
第三章 复合材料的增强材料
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1.1 增强体的概念
增强体的概念：
复合材料中能明显提高基体材料某一性能的组 元物质。起承受载荷、增强、增韧作用。
增强体的特征：
（1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能； （2）增强体应具有稳定的化学性质； （3）与基体有良好的润湿性
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（4）金属丝增强体（一维）
不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢 丝/Al）
（5）片状物增强体（二维）
织物、毡等。陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2、 Si3N4/BN等。
（6）纤维编织类增强体（三维）
纤维编织成的三维结构
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1.3 纤维类增强体具有高强度的原因
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C-玻璃纤维：
内部轴向最大裂纹尺寸 ？ 对性能有怎样的影响呢？
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内部轴向最大裂纹尺寸：
一般 一般
（纤维类增强材料） （同质地块状材料）
纤百度文库中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料
中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维 主要承受轴向拉伸载荷）
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1.4 纤维类增强体具有较高柔曲性的原因
40 - 100 MPa 1000MPa（直径为10微米） 2400MPa（直径5微米以下）
随着纤维直径减小，强度将获得进一步提高！
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纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目 都有别与同质地的块状材料
内部径向最大裂纹尺寸：
非常小 一般
（纤维类增强材料） （同质地块状材料）
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1.2 增强体的分类
（1）颗粒类增强体（零维）
性能特点： 高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀
实 例： 碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、 碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒
复合材料性能特点：具有各向同性
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（2）纤维类增强体（一维）
连续长纤维：
长 度： 连续长度一般超过数百米；
(1)
材料的断裂是在拉应力作用下，原子
沿与拉应力垂直的面被拉开。
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（2）固体材料的实际强度：
固体材料实际强度远远低于理论强度！
碳纤维、氮化硼纤维等 复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序)
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（3）晶须类增强体（一维）
外形尺寸： 直径0.2-1微米，长约为几十微米
性能特点： 有很高的强度和模量
（结构细小、缺陷少）
应 用： 陶瓷增韧（成本比颗粒高得多）
实 例： 碳化硅、氧化铝、氮化硅等 复合材料性能特点：各向同性。
性能特点： 沿轴向有很高的强度和弹性模量
分 类： 分为单丝和束丝两种。
应 用： 成本高、性能高，只用于高性能复合材料 复合材料性能特点：具有各向异性
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连续长纤维实例
单 丝：
硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为
95-140微米）
束 丝：
碳纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维、
原 因： 缺陷的存在；应力集中；破坏失效。
断裂力学的研究结果： σ = (Eγ/4c)1/2
高 强 度： 高的弹性模量、高的表面能
尽可能小的内部或表面的最大裂纹长度
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（3）纤维材料具有高强度的原因：
纤维类增强材料： 同质地块状材料：
强度很高 强度一般
E-玻璃： E-玻璃纤维：
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2.1 玻璃纤维的种类
（1）按玻璃原料成分分类（最重要的分类方法）
E-玻璃纤维（电气玻璃）：
又称无碱玻璃，由钙铝硼硅酸盐组成的玻璃，碱金属氧化物 （R2O）含量一般小于0.8%（国外小于1%）。E-玻璃纤维
的电绝缘性能特别好，并且有较高的强度和较好的耐环
境老化性能，但易被稀的无机酸腐蚀（ 耐酸性差 ）。
1/(Mρ)表示材料的柔曲性，与1/d4成正比。
玻璃是典型脆性材料，为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性？
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图3.2 各种纤维材料的柔曲性与纤维直径和杨氏模量的关系
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§2 玻 璃 纤 维
➢ 2.1 玻璃纤维的种类 ➢ 2.2 玻璃纤维的制造 ➢ 2.3 玻璃纤维的结构和化学组成 ➢ 2.4 玻璃纤维的性能 ➢ 2.5 玻璃纤维的应用
两原子间的结合力如图所示，原子间距随应 力的增加而增大，在某点处，应力克服了原子之 间的作用力达到一个最大值，这一最大值即为理 论断裂强度sm。
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不同材料的组成、结构及键合方式不 同，各种材料的理论断裂强度都不一样， 计算公式十分复杂。
为简单、粗略地估计各种情况都能适 应的材料理论强度，可假设用波长为l的正 玄波来近似原子间约束力与原子间距离x之 间的关系：
烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝，
单丝直径5.6-14微米）和芳纶、超高分子量聚乙烯等
有机纤维。
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不连续纤维（短纤维）：
长 度： 连续长度一般几十毫米
性能特点： 沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低
应 用： 成本比较低，应用广 实 例： 硅酸铝纤维、氧化铝纤维
玻璃是典型的脆性材料， 为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性 ？
柔曲性的表示方法：
ρ
M M
图3.1 作用于受力梁上的力矩M及由此力矩产生的曲率半径ρ
以1/(Mρ)表示材料的柔曲性
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材料力学的研究结果给出了下式：
1 64
M Ed 4
上式中，E为材料的杨氏模量，d为圆柱的直径 。以