复合材料的复合原则与机制
第六章复合材料mme06
(2) 热塑性玻璃钢 • 以热塑性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强材料：尼 龙66玻璃钢、ABS玻璃钢、聚苯乙烯玻璃钢等 。热塑性玻璃钢强度不如热固性玻璃钢, 但成形 性好、生产率高，且比强度不低。 • 主要用途： ●尼龙66玻璃钢 刚度、强度、减 摩性好，作轴承、轴承架、齿轮等精密件、电工 件、汽车仪表、前后灯等 ；●ABS玻璃钢 化工 装臵、管道、容器等 ；●聚苯乙烯玻璃钢 汽车 内装饰、收音机机壳、空调叶片等 ；●聚碳酸 酯玻璃钢 耐磨件、绝缘仪表等 ；
2. 碳纤维树脂复合材料
• 碳纤维特点：
●碳是六方结构的晶体(石墨)，共价键结合。
●比玻璃纤维强度更高，弹性模量也高几倍； ●高温、低温性能好； ●很高的化学稳定性、导电性； ●低的摩擦系数； ●脆性大，与树脂的结合力不如玻璃纤维，表面氧 化处理可改善其与基体的结合力。 碳纤维是很理想的增强剂。
细粒和晶须增强金属基复合材料是目前应用最广泛 的一类金属基复合材料。 。 二、细粒和晶须增强金属基复合材料特点及应用 具有极高的比强度和比模量。
广泛应用于：
• ●军工行业 如轻质装甲、导弹飞翼 ； • ●航空工业 飞机部件 ； • ●汽车工业 发动机活塞、制动件、喷油嘴件。
第６章
小结
• 1.复合材料是由金属材料、高分子材料和陶瓷材料 中任两种或几种物理、化学性质不同的物质，经一 定方法得到的一种 新的多相固体材料。复合材料 改善或克服了组成材料的弱点，能按零件结构和受 力情况进行最佳设计，可创造单一材料不具备的双 重或多重功能，或在不同时间或条件下发挥不同的 功能。 2.复合材料一般由基体相和增强相组成。基体相分金 属和非金属两大类；增强相是具有强结合键材料或 硬质材料（陶瓷、玻璃等），可以是纤维、颗粒、 晶须等。高分子基复合材料的纤维增强相可有效阻 止基体分子链的运动；金属基复合材料的纤维增强 相可有效阻止位错运动而强化基体。 ；
复合材料的复合原理及界面
作用，而且在不同的生产过程中或复合材料的使
用期间，粘结机理还会发生变化，如由静电粘结 变成反应粘结。
33
体系不同，粘结的种类或机理不同，这主要取决于
基体与增强材料的种类以及表面活性剂(或称偶联剂) 的类型等。 界面粘结机理主要有机械作用理论、静电作用理论、 界面反应理论、浸润理论、可变形层理论、约束层 理论等。
34
1．机械作用理论
机械作用机理如图 3所示，当两个表面相互接触 后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁[interlocking) 。很显然表面越粗糙，互锁作用越强，因此机械粘结 作用越有效。
35
图3 界面粘结机理示意图
机械作用理论（mechanical bonding）
36
在受到平行于界面的作用力时，机械粘结作用 可达到最佳效果，获得较高的剪切强度。但若界面 受拉力作用时，除非界面有如图中A处所示的‘锚 固’形态，否则拉伸强度会很低。
41
化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表
面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联剂具有两种性质不
同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团(X)，一端为亲 材脂的官能团(R)，将玻璃wenku.baidu.com维与树脂粘结起来，在界面
上形成共价键结合，如图6所示。
42
图6 界面粘结机理示意图
复合材料
四、非金属基复合材料
4.1 聚合物基复合材料 聚合物基复合材料发展
七十年代初期的聚芳酰胺纤维增强聚合物基复合材料加快了 复合材料发展，同时树脂反应注射成型RIM （Reaction 复合材料发展，同时树脂反应注射成型 树脂反应注射成型 Injection Molding）和增强树脂反应注射成型 ） 增强树脂反应注射成型RRIM （Reinforced Reaction Injection Molding）技术研究成功，进 ）技术研究成功， 一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁， 一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁，已大量用于卫生洁具 和汽车的零件生产； 和汽车的零件生产； 八十年代初期热固性基础上产生的热塑性复合材料完善了工 八十年代初期热固性基础上产生的热塑性复合材料完善了工 热塑性 艺及理论，加上离心浇铸成型法的成功应用， 艺及理论，加上离心浇铸成型法的成功应用，使得玻璃钢 在航 离心浇铸成型法的成功应用 空航天、汽车、建筑等各领域得到全面应用。 空航天、汽车、建筑等各领域得到全面应用。
14
三、复合材料的性能特点
3.3 高温性能 优越的耐高温性能；高温下保持很高的强度 优越的耐高温性能；
聚合物基复合材料使用温度100℃～350℃； 聚合物基复合材料使用温度100℃ 350℃； 100℃～ 金属基复合材料使用温度350℃～1100℃； 金属基复合材料使用温度350℃ 1100℃； 350℃～ SiC纤维、Al2O3纤维陶瓷复合材料在1200℃～1400℃ SiC纤维 纤维、 纤维陶瓷复合材料在1200℃ 1200℃～
包材技术丨复合材料的成型工艺,一起了解一下
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导读
从简单纸包装，到单层塑料薄膜包
装，发展到复合材料的广泛使用。复
合包装能使包装内含物具有保湿、保
香、美观、保鲜、避光、防渗透等特
点，本文我们浅述复合材料的成型工
艺，内容供优品包材系统的采供朋友
们参考：
一、基本概念
复合材料的最大优点，就是它的性能
比其组成材料要好得多。一方面它可
以改善组成材料的弱点，充分发挥其
性能优势，例如玻璃和树脂的韧性和强度都不高，但用它们制成的复合材料--玻璃钢的比强度、比刚度和韧性却很高；另一方面可以根据结构和受力要求制成预定的性能分布，对材料进行优化设计。
1.复合材料的分类
1)按材料的作用分类
结构复合材料和功能复合材料。2)按基体材料分类
树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳/碳复合材料等。
3)按增强材料的性质和形态分类
层叠复合材料、细粒复合材料、连续纤维复合材料、短切纤维复合材料、碎片增强复合材料和骨架复合材料等。
2.复合材料的特点
1)比强度和比刚度高
2)抗疲劳性好
3)高温性能好
4)减振性能好
5)断裂安全性高
6)可设计性好
二、复合材料用原料
1、增强材料
(1)碳纤维
(2)硼纤维
(3)芳纶
(4)玻璃纤维
(5)碳化硅纤维
(６)晶须
2、基体材料
(1)热固性树脂
(2)热塑性树脂
3、夹层结构材料
夹层结构一般由两层薄的高强度板和中间夹着一层厚而轻的芯结构构成。
三、复合材料的增强机制和复合原则
1.增强原理
复合材料的复合不是由基体和增强两种材料简单的组合而成，而是两种材料发生相互的物理、化学、力学等作用的复杂组合过程。
复合材料_第二章_复合原理简介
，弥散微粒阻碍基体
的位错运动。
弥散增强原理
复合材料的屈服强度
y
G mb 2d ( ) (1 V p ) 3 Vp
2 1 p 2
弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化 效果越好。一般Vp=0.01 ~ 0.15，dp=0.001μm ~ 0.1 μm
4)短纤维增强（１）
作用于复合材料的载荷是作用于基体材料并通
过纤维端部与端部附近的纤维表面将载荷传递
给纤维。当纤维长度超过应力传递所发生的长 度时，端头效应可以忽略，纤维可以被认为是
连续的，但对于短纤维复合材料，端头效应不
可忽略，同时复合材料的性能是纤维长度的函
数。
短纤维增强（２）
为了使纤维的承载达到纤维的最大应力值，纤维长 度必须大于临界纤维长度lc或临界长径比(lc/d)
不同体积分数纳米粒子SiC(0.07 μm)增强 Si3N4(0.5 μm)的性能
0 0.05
0.10 0.20
853 887
940 1 055
7.4 8.0
8.5 7.6
16.7 17.3
18.0 21.0
（2）颗粒增强
颗粒的尺寸较大(>1
μm)，基体承担主要
的载荷，颗粒阻止位
y
复合材料结构稳定性及损伤机制研究
复合材料结构稳定性及损伤机制研究
一、引言
复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、高温、抗疲劳和抗冲
击等特点，因此被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域。
然而，复合材料的结构稳定性和损伤机制一直是制约其应用的
主要因素之一。本文旨在介绍复合材料结构稳定性和损伤机制的
研究现状，以期提供参考和启示。
二、复合材料的结构稳定性研究
1. 基本原理
复合材料的结构稳定性表现为其对外部荷载的承载能力，是指
该材料在外界作用下保持原有形状的能力。
首先，大约50%的复合材料结构失效是与稳定性相关的，其次，由于复合材料对外部环境的敏感性，其出现形变和大幅度活动的
可能性较高。因此，结构的稳定性对于提高复合材料的性能和使
用寿命非常重要。
2. 研究方法
在复合材料的结构稳定性研究中，主要采用有限元法和试验相
结合的方法。首先，将复合材料的结构建模为需要进行分析的对象。然后，对所建立的模型应用施加荷载条件。接下来，利用有
限元方法进行数值分析，以计算该结构的应力值、应变、变形等
物理量。根据计算结果，可以对复合材料结构的稳定性进行评估。
试验方法可以通过悬挂加荷、弯曲、剪切和拉伸等不同荷载方
式实现。首先，通过制作试样，将所调制的复合材料结构进行实验，以获得与众不同的负载荷载数据。根据试验数据，可以对复
合材料结构的稳定性进行严格的评估和验证。
3. 结构稳定性影响因素
（1）材料性质
复合材料的组成和性质直接影响其结构稳定性。不同的复合材
料具有不同的组成和结构，因此其稳定性也有所差异。
（2）几何形状
复合材料结构的几何形状对其稳定性影响很大。例如，长条形
复合材料的界面及复合原则
复合材料面临的挑战与解决方案
01
界面性能控制
复合材料的界面性能对其整体性能具有重要影响，但界面性能的调控仍
面临挑战。解决方案包括优化界面设计、改进制备工艺和引入新型界面
改性技术等。
02
增强材料的分散与取向
增强材料的分散和取向对复合材料的力学性能和功能性能有显著影响。
解决这一问题需要深入研究增强材料的物理和化学性质，优化分散和取
04
复合材料的应用
航空航天领域
航空航天领域是复合材料应用的重要领域之一，主要应用于飞机和航天器的制造 。复合材料具有高强度、轻质、耐腐蚀等优点，能够显著提高航空航天器的性能 和安全性。
例如，飞机机身、机翼、尾翼等部件可以采用复合材料制造，以减轻重量、提高 结构效率。在航天器方面，复合材料可用于制造卫星结构、太阳能电池板、天线 等部件。
良好的界面相容性可以降低组分之间的应力集中，提高材料的力学性能、耐久性和 稳定性。
通过选择合适的界面相容剂或对材料表面进行改性处理，可以改善界面相容性，提 高复合材料的性能。
界面粘附力
01
界面粘附力是指复合材料中各组分之间的粘附力，它决定了材 料在使用过程中的可靠性和稳定性。
02
界面粘附力的大小取决于组分之间的化学性质、物理结构和表
03
提高界面稳定性的方法包括选 择具有长期稳定性的材料、优 化复合工艺和使用保护涂层等 。
复合材料定义
复合材料定义：由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。
复合材料的几个发展阶段：天然复合材料、传统复合材料、通用复合材料、先进复合材料、复合材料分类：1.按用途分类结构复合材料和功能复合材料2.按基体类型分类聚合物基、金属基、无机非金属基复合材料3.按增强体形式分类颗粒增强型、纤维增强型、片材增强型、层叠式
增强纤维种类：、碳纤维（CF）按纤维组成分类:无机纤维：玻璃纤维（GF）、硼纤维（BF）、碳化硅纤维、氧化铝纤维等；有机纤维：芳纶纤维KF、聚酯纤维、聚乙烯纤维等
复合材料性能：优点：1.比强度与比模量高（有利于材料减重） 2.良好的抗疲劳性能 3.减振性能好4 抗腐蚀性好5 高温性能好6 导电导热性能好7 耐磨性好8 容易实现制备与形成一体化
比强度和比模量是用来衡量材料承载能力的性能指标。比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。缺点：稳定性稍差，耐温和老化性差，层间剪切强度低等比强度：材料的抗拉强度与材料比重之比叫做比强度。
比模量：材料的模量与密度之比。比强度和比模量是用来衡量材料承载能力的性能指标。比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。
影响复合材料性能的主要因素：增强材料的性能；基体材料的性能；含量及其分布状况；界面结合情况；作为产品还与成型工艺和结构设计有关
选择基体金属的原则①根据金属基复合材料的使用要求②根据金属基复合材料组成特点③基体金属与增强物的相容性（尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应）
金属基体的温度范围：1.用于450 ℃以下的轻金属基体，主要是铝基和镁基复合材料2.用于450-700 ℃的复合材料的金属基体，主要是钛合金基体复合材料3.用于600-900 ℃的复合材料的金属基体，主要是铁和铁合金 4.用于1000 ℃以上的金属基体，主要是镍基耐热合金和金属间化合物
复合材料概论
复合材料概论
王荣国武卫莉谷万里主编
复习
第一章总论
复合材料定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料；在复合材料中通常有一个相为连续相，称为基体，另一相为分散相，陈伟增强材料。
生产量较大，适用面广，性能相对较低的为常用复合材料，高精尖的为先进复合材料。
复合材料的命名：玻璃纤维环氧树脂复合材料、玻璃/环氧复合材料，玻璃纤维复合材料，环氧树脂复合材料，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。
常用的分类方法：
1．按增强材料形态分类（连续纤维复合、短纤维复合、颗粒复合、编织复合）
2．按增强材料纤维种类分类（玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维、混合）3．按基体材料分类（聚合物基、金属基、无机非金属基）
4．按材料作用分类（结构复合材料、功能复合材料）
复合材料的共同特点：
1．可综合发挥各组成材料的优点
2．可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造（最大特点！！）
3．可制成所需的任意形状的产品
聚合物基复合材料的主要性能：
1．比强度、比模量大
2．耐疲劳性能好
3．减震性能好
4．过载时安全性能好
5．具有多种功能性
6．良好的加工工艺性
金属基复合材料的主要性能
1．高比强度、比模量
2．导热导电性能优良
3．热膨胀系数小、尺寸稳定
4．良好的高温性能
5．耐磨性好
6．良好的疲劳性能
7．不吸潮、不老化、气密性好
陶瓷基复合材料的主要性能：强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下抗磨损性能好、耐化学腐蚀性优良、热膨胀系数和相对密度较小；断裂韧性低，限制其为结构材料使用。
复合材料力学性能取决于增强材料的性能、含量和分布，取决于基体材料的性能和含量
复合材料的复合原理及界面
43
一、混杂增强的基本概念
混杂增强复合材料最早出现于 20 世纪 70 年代初，主要是混 杂增强树脂基复合材料 。 目的在于保持各组元材料优点的同时，获得优良的综合性能， 既降低了成本，又提高了材料的实用性。 混杂增强复合材料由于各种增强材料不同性质的相互补充， 特别是可以产生混杂效应，将明显提高或改善原单一增强材 料的某些性能，同时也大大降低复合材料的原料费用。
53
54
麻纤维毡/短玻璃纤维增强聚丙烯的断面形貌
55
56
3、混杂纤维增强环氧树脂复合材料
复合材料线芯铝绞线是对普通钢芯铝绞线进行的 一场根本性的变化。 采用拉挤工艺制备了一种碳/玻璃混杂纤维增强环 氧树脂复合线芯。 复合材料线芯的密度仅为1.76 g/cm3，抗弯强度大 于1600MPa，抗拉强度大于2000MPa。
尺寸和形貌差距大的两种增强体之间的混合更为制备成 分均匀的复合材料带来了一定难度。 增强体组成和成分的复杂导致复合材料的结构复杂化， 以往建立的很多模型不能很好地描述混杂增强复合材料 的力学行为。 界面问题是制备组织均匀和性能优良的复合材料的重要 环节，需要加强建立完善的基体-增强相界面对性能影响 的理论模型，从而有利于实现大规模的工业应用。
复合材料的氧化质量损失率随温度的升高而变小，
表明温度越高复合材料的抗氧化性能越好 。
复合材料原理的应用原则
复合材料原理的应用原则
选择性原则是指根据工程要求和材料性能的需求来选择合适的复合材料。具体而言，需要考虑材料的强度、刚度、耐久性、导热性、绝缘性、
耐腐蚀性等方面的特性。根据不同的应用场景选择适合的复合材料，可以
有效提高产品的性能。
一体化原则是指在复合材料的设计和制造过程中，要将纤维和基体材
料紧密结合在一起，形成具有协同作用的整体结构。这种一体化设计可以
实现复合材料的优点，如高强度、高刚度、低密度，并避免材料之间的界
面失效。
适应性原则是指根据不同的应用环境和工艺要求，对复合材料进行相
应的设计和制造。不同的应用场景对复合材料的性能有不同的要求，如在
航空航天领域需要具有高温、高强度和耐氧化性能的复合材料，在汽车领
域则需要具有良好的冲击吸能性能。
经济性原则是指在选择和使用复合材料时要考虑其成本效益。复合材
料一般比传统材料更昂贵，因此在考虑使用复合材料时需要综合考虑材料
成本、加工成本、维修成本等因素，确保其经济性。
可靠性原则是指在使用复合材料时要确保其性能的可靠性和稳定性。
复合材料的性能可能会受到应力、温度、湿度等因素的影响，因此需要进
行充分的设计和测试，确保复合材料在预期的工作环境下能够可靠地工作。
综上所述，复合材料原理的应用原则包括选择性原则、一体化原则、
适应性原则、经济性原则和可靠性原则。在复合材料的设计和制造过程中，应根据工程要求、材料性能需求、应用环境等因素综合考虑，并确保复合
材料具有合适的性能、可靠性和经济性。
复合材料结构设计设计要求和原则
复合材料结构设计设计要求和原则
1.强度和刚度要求：设计复合材料结构时，需要保证所选材料的强度和刚度满足设计要求。根据实际使用条件和工作负荷，选择适当的复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、金属基等，以满足结构的强度和刚度要求。
2.轻量化要求：复合材料结构的一个重要设计要求是实现轻量化。由于复合材料具有较高的比强度和比刚度，可以在结构设计中使用更少的材料来实现相同的功能，从而减轻结构的自重。轻量化不仅可以降低能耗和生产成本，还可以提高结构的性能和可靠性。
3.热膨胀匹配要求：由于不同材料的热膨胀系数不同，在复合材料结构设计中需要考虑材料之间的热膨胀匹配问题。选择具有相似热膨胀系数的材料，或者通过采取合适的复合材料设计和工艺方法来改善热膨胀匹配性能，以减小结构在温度变化下的应力和应变。
4.基体和增强相的设计要求：在复合材料结构设计中，基体和增强相起着不同的作用，需要根据设计要求对其进行合理的选择和设计。基体通常选择具有良好耐热性、耐蚀性和耐磨性的材料，而增强相则选择具有高强度和高刚度的材料。同时，需要考虑基体和增强相之间的黏结力和界面效应，以确保复合材料结构的性能和可靠性。
5.界面设计要求：复合材料结构中的界面设计尤为重要。界面质量直接影响到材料的性能和可靠性。在界面设计中，需要考虑界面黏结强度、界面渗透性和界面应力分布等因素。通过合理的设计和加工工艺，可以改善材料的界面性能，提高结构的性能和可靠性。
6.设计可加工性要求：复合材料结构设计不仅要考虑结构的性能和可靠性，还要考虑可加工性。选择适合的复合材料和合适的加工工艺，能够
复合材料
复合材料 1
§1、概述
❖1、复合材料的定义
复合材料——由两种或两种以上，物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料，并具有复合效应。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
❖2、复合材料的组成
复合材料的组成相：
增强相 ---- 纤维、晶须、颗粒。（不连续相）增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。
基体相 ---- 金属、陶瓷、聚合物。（连续相）基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。
❖3、比较结构复合材料和功能复合材料
结构复合材料（注重力学性能）
树脂基 < 250 金属基 < 600℃陶瓷基 < 1500℃
碳/碳～3000℃水泥基
功能复合材料（注重物理性能）
换能热电、光电、声电等阻尼吸声导电导磁摩擦磨耗烧蚀❖4、复合材料的性能特点
性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是它们的结合界面、成型工艺等。
1、主要取决于增强相的性能
⑴.比强度比刚度高
⑵.冲击韧性和断裂韧性高
⑶.耐疲劳性好
⑷.减震性
⑸.热膨胀系数小
2、取决于基体相的性能
⑴、硬度
陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
⑵、耐热性
树脂基: 60 ～ 250℃
金属基: 400 ～ 600℃
陶瓷基: 1000 ～ 1500℃
⑶、耐自然老化
陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
⑷、导热导电性
金属基 > 陶瓷基 > 树脂基
⑸、耐蚀性
陶瓷基和树脂基 > 金属基
⑹、工艺性及生产成本
复合材料
复合材料
【摘要】复合材料一词出现在20世纪50年代。复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没有的新性能的一种多相材料。复合材料是多相结构，可分为两类，一类相为基体，起连接作用；另一类为增强相，起提高强度（或韧性）作用。本文介绍了纤维增强复合材料的增强机制与复合原则、粒子增强型复合材料的增强机制与复合原则、复合材料的性能特点、和一些常用的复合材料。
【关键词】复合材料；常用；特点；性能；前景
引言：
自20世纪80年代以来，随着纳米复合材料的出现和纳米技术的形成，环氧树脂纳米复合材料以其卓越的性能引起了人们的广泛关注。在高聚物的基体材料中，环氧树脂以其优异的粘接性、耐磨性、机械强度、电绝缘性能、化学稳定性、耐高低温性、收缩率低、易加工成型和成本低廉等特性，广泛用于电子电器、工程建设等方面。但由于纯环氧树脂固化后呈三维交联网络结构、交联密度高、内应力大、质脆、抗冲击韧性差等缺点。难以满足日益发展的工程技术的要求，使其应用受到一定的限制。因此，近几十年来逐步发展了应用橡胶类弹性体、热塑性树脂、液晶聚合物(TLCP)、纳米材料等对环氧树脂的多种改性方法。然而，前三种方法在改善韧性的同时，材料的耐热性和其它力学性能( 如拉伸强度、弹性模量等)，则有所下降；TLCP改性法因成本昂贵难以实现工业化。纳米改性环氧树脂复合材料具有卓越的综合性能，并且成本适中，成为目前研究的一大热点。
材料的发展与人类社会的进步：
复合材料的复合原则及界面
整理课件
31
复合材料中的界面并不是一个单纯的 几何面，而是一个多层结构的过渡区域， 界面区是从与增强剂内部性质不同的某一 点开始，直到与树脂基体内整体性质相一 致的点间的区域。
整理课件
32
界面区域的结构与性质都不同于两相 中的任一相。
从结构上来分，这一界面区由五个亚 层组成(见下图所示)：
整理课件
整理课件
51
结构复合材料中，界面层的作用首先是 把施加在整体上的力，由基体通过界面层传 递到增强材料组元，这就需要有足够的界面 粘接强度，粘接过程中，两相表面能相互润 湿是首要的条件。
整理课件
52
界面层的另一作用是在一定的应力条件 下能够脱粘，以及使增强纤维从基体拔出并 发生摩擦。这样就可以借助脱粘增大表面能、 拔出功和摩擦功等形式来吸收外加载荷的能 量以达到提高其抗破坏能力。
表面层的力学特性，润湿速度等。
整理课件
37
由于界面区相对于整体材料所占比重甚 微，欲单独对某一性能进行度量有很大困难。
因此常借于整体材料的力学性能来表征 界面性能，如层间剪切强度(ILSS)就是研究 界面粘结的良好办法；
如再能配合断裂形貌分析等即可对界面
的其他性能作较深入的研究。
整理课件
38
由于复合材料的破坏形式随作 用力的类型、原材料结构组成不同 而异，故破坏可开始在树脂基体或 增强剂，也可开始在界面。
2-34复合材料的复合原理及界面解析(1)
一、混杂增强的基本概念
混杂增强复合材料最早出现于 20 世纪 70 年代初，主要是混 杂增强树脂基复合材料 。
目的在于保持各组元材料优点的同时，获得优良的综合性能， 既降低了成本，又提高了材料的实用性。
混杂复合材料由于各种增强材料不同性质的相互补充，特别 是可以产生混杂效应，将明显提高或改善原单一增强材料的 某些性能，同时也大大降低复合材料的原料费用。
44
混杂效应：利用各种不同材料之间的协同增强作用， 在不同层次上对基体进行强化、 韧化等。
除了各种混杂增强树脂基复合材料外，目前在颗粒混 杂增强金属基复合材料、纤维混杂增强水泥基复合材 料等均得到了比较充分的研究。
45
在制备混杂增强复合材料时，最不易解决的就是增强体 均匀分布的问题。
35
SiCf/C-SiC复合材料不同温度下氧化失重率与时间的关系
36
复合材料的氧化质量损失率随温度的升高而变小， 表明温度越高复合材料的抗氧化性能越好 。
因为高温使试样表面的氧化形成SiO2保护层的速度 加快，有利于减少和阻碍氧气对试样中C相的进一 步氧化。因而氧化质量损失率减小 。
37
需要提高预制体的强度和稳定预制体的形状以外 , 还能够调整复合材料的界面结构。
26
多数纤维直径为 5～ 15μm , 长度约 30～ 200μm。
硅酸铝短纤维增强 AZ91D 复合材料微观结构
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复合材料的复合原则与机制
复合材料的性能与微观相的特性、形状、体积分数、分散程度以及界面特性等有很大的关系。在对复合材料进行设计和性能预测以及性能分析时，需要用到复合材料的一些基本理论，即复合材料的复合原则与机制。
一、颗粒增强原理
颗粒增强复合材料中主要承受载荷的是基体而非颗粒。从宏观上看，颗粒增强复合材料中的颗粒是随机弥散分布在基体中的，这些弥散的质点阻碍基体中的位错运动。如果质点是均匀分布的球形颗粒，直径为d，体积分数为Vp，则复合材料的屈服强度可用下式表示：
式中Gm为基体的切变模量，b为柏氏矢量。可以看出，弥散颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。
颗粒增强的拉伸强度往往不是增强，而是降低的。当基体与颗粒无偶联时，可以认为颗粒最终与基体完全脱离，颗粒占有的体积可看作孔洞，此时基体承受全部载荷，颗粒增强复合材料的拉伸强度为：
式中为基体的拉伸强度。上式表明，随颗粒体积含量Vp 的增加而下降。并且此式仅适用于Vp≤40%的情况。
有偶联时的情况比较复杂，此时材料的拉伸强度不再出现随颗粒体积含量的增加而单调下降的情况，且拉伸强度明显提高。
除了以上直接的影响之外，加入颗粒导致晶粒尺寸、空洞和晶界性能的变化也间接的影响复合材料的力学性能。
二、连续纤维增强
连续纤维增强复合材料是由长纤维和基体组成的复合材料。在工程上，一般将复合材料简化为图3的层板模型来分析其力学行为。图3的二维层板模型有并联和串连两种考虑方式。在串联模型中，纤维薄片和基体薄片在横向上呈串联形式，意味着纤维在横向上完全被基体隔开，适用于纤维所占百分比较少的情况；而并联模型则意味着纤维在横向上完全连通，适用于纤维含量较多的情况。
1．串联模型的弹性常数：
（1）纵向弹性模量E11
在串联模型中取出代表体积单元，平均应力σ1。由材料力学知道，已知纤维材料的弹性模量E f和基体材料的弹性模量Em, 欲求单元应变ε1或纵向弹性模量E11的问题是一次超静定问题。可以利用静力、几何和物理作用三方面关系的材料力学基本方法来解决。
静力关系。由于平均应力σ1作用在单元截面A上, 而纤维应力σf 作用在纤维横截面Af上,基体应力σm作用在基体横截面Am上，根据静力平衡, 有几何关系。按照材料力学平面假设（即垂直于正轴1的平面，变形后仍为平
面），纤维和基体具有相同的线应变，且等于单元的纵向线应变。
物理关系。根据基本假设，单层板、纤维和基体都是线弹性的，都服从虎克定律，即
综合（4，5，6）式，可得
这就是纵向弹性模量的混合法则公式。如果忽略空隙含量的影响，则，因此（7）式又可写成
式中E11为单层板的纵向弹性模量，由于纤维模量远大于基体模量，所以E11主要由纤维模量和纤维含量决定。
（2）横向弹性模量E21
由串联模型给出的代表性体积单元，在正轴2方向（图3）作用平均应力σ2。纤维材料的弹性模量E f和基体材料的弹性模量E m, 单元应变ε2或纵向弹性模量E2的可以用下式表示：
从单层板来看，单元的变形量
从细观来看，
所以
对于串联模型，各部分应力相同。因此，单元、纤维和基体的应变分别为：
因此
（3）泊松比
确定纵向泊松比用类似于确定E1的方法，当正轴1方向上受σ1作用时，纵向泊松比为：
从单层板来看，单元的横向变形量为：
从细观来看，单元的横向变形量是纤维与基体的横向变形量之和。即
因为
横向泊松比为：
（4）面内剪切弹性模量
2．并联模型的弹性常数
（1）纵向弹性模量E111
（2）横向弹性模量E211
并联模型的横向弹性模量与纵向弹性模量相同。
（3）泊松比
（4）面内剪切弹性模量
3．单向连续纤维增强复合材料单层基本强度预测
（1）纵向拉伸强度
（2）纵向压缩强度
三、晶须（包括短纤维和晶片）增强
晶须（包括短纤维和晶片）增强复合材料与长纤维增强复合材料相比，虽然强度略差，但由于可以制成各种复杂形状的制品，易使生产过程自动化降低生产成本，所以在各类工业产品的应用中（特别是金属基以及陶瓷基复合材料）
占主导地位。图5给出了短纤维增强复合材料的几种形式。
1．应力传递理论
复合材料受载荷作用时，载荷直接作用在基体上，然后通过纤维与基体间界面的剪应力传递到纤维上。在短纤维（不连续纤维）增强复合材料受力时，力学特性与纤维长度关系密切。
（1）理想刚塑性基体：罗森（Rosen）最早用剪切滞后法研究了有关应力沿纤维长度的变化规律。在图6所示的单元体受纵向应力σ1时,由于纤维和基体的弹性模量不同，在界面上将产生剪应力г。
(2)弹性基体：若刚性短纤维完全埋在树脂基中，在受到沿纤维轴向的拉应力时，基体中产生应变，Cox采用剪滞理论进行分析，得到纤维中的拉伸应力分布和界面上的剪应力分布
2．单向短纤维，二维随机分布短纤维复合材料的弹性模量和强度单向短纤维增强复合材料宏观弹性模量预单向长纤维增强复合材料类似，上述关于长纤维增强复合材料的各种力学分析均可用于此种情况。
二维随机分布的短纤维复合材料在二维平面上可以看作是各向同性的，而在其他两个坐标面内是正交各向异性的。因此有关长纤维增强复合材料的层合板的各理论以及公式均适用于二维随机分布的短纤维复合材料。
3．三维随机分布短纤维增强复合材料。