复合材料-第六章

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第六章复合材料mme06

第六章复合材料mme06

6.4.1 金属陶瓷
一、组成及分类
金属陶瓷是金属(通常为钛、镍、钴、铬等及其合金) 和陶瓷(通常为氧化物、碳化物、硼化物和氮化物 等)组成的非均质材料,是颗粒增强型的复合材料。 金属和陶瓷按不同配比组成工具材料(陶瓷为主)、 高温结构材料(金属为主)和特殊性能材料。 二、性能及应用 ●氧化物金属陶瓷 ---多以钴或镍作为粘接金属,热 稳定性和抗氧化能力较好,韧性高。
通常,复合材料的复合结果是密度大大减小,高的比 强度和比模量是复合材料的突出性能特点。 二、抗疲劳性能和抗断裂性能
1. 很好的抗疲劳性能
●复合材料中的纤维缺陷少,本身抗疲劳能力高;
●基体的塑性和韧性好,能够消除或减少应力集中,不易产生 微裂纹; ●塑性变形的存在又使微裂纹产生钝化而减缓了其扩展。
例如:碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸强度的 70%~ 80%,一般金属材料却仅为30%~50%。 2. 抗断裂能力好 基体中有大量细小纤维,较大载荷下部分纤维断裂 时载荷由韧性好的基体重新分配到未断裂纤维上, 构件不会瞬间失去承载能力而断裂。
6.3.3 碳基复合材料
• 一、组成及特点---碳基复合材料是碳纤维及其制品(如
碳毡)增强的碳基复合材料。
●具有许多碳和石墨的特点,如密度小、导热性 高、膨胀系数低以及对热冲击不敏感; ●具有优越的机械性能:强度和冲击韧性比石墨高5 ~10倍,比强度非常高;随温度升高强度升高;断裂 韧性高、蠕变低; ●化学稳定性高,耐磨性极好, 是耐温最高的高温复合材料 (达2800℃)。
●自动控温开关
由温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复合而成的,如果单 用黄铜或铁片,不可能达到自动控温的目的。导电的铜片 两边加上两片隔热、隔电塑料,可实现一定方向导电、另 外方向绝缘及隔热的双重功能。

第六章复合材料表界面的分析表征

第六章复合材料表界面的分析表征
A. 接枝聚丙烯酰胺碳纤维; B. 接枝聚丙烯酸 碳纤维; C. 氧等离子处理碳纤维; D. 未处理 碳纤维
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不同处理碳纤维增强复合材料冲击 载荷与冲击时间的对应关系
A. 接枝聚丙烯酰胺碳纤维; B. 接枝聚丙烯 酸碳纤维; C. 氧等离子处理碳纤维; D. 未 处理碳纤维
氧等离子处理(曲线C)碳纤维 复合丝试样的冲击载荷曲线主 要弹性承载能U1差不多比未处 理者增加近3倍,表明基体变形 更大,也有更多的纤维发生形 变。相反塑性承载能U2却小到 可略视的地步,几乎没有什么 纤维拔出和与基体的脱粘,充 分表明了强结合的界面特征。
25
碳纤维表面官能团的分析
还原剂,消除自由基,证明等 离子处理产生的大部分是游离
基,不是酚羟基
图6-25 等离子处理时间对自由基浓度的影响
在等离子处理初期,自由基浓度迅速增加,处 理5分钟后,自由基浓度增加渐趋平缓。
27
图6-26 UHMWPE纤维表面活性的衰减
经等离子处理后的UHMWPE纤维暴露在空气中,表 面自由基的浓度随时间而衰减,表面活性在逐渐减小
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6.4.2 复合材料界面的动态力学分析
a-接枝玻纤 b-未接枝玻纤 涂敷聚苯乙烯树脂的玻璃纤维辫子的动态
力学扭辫曲线
曲线b在92℃处出现一个 尖锐的聚苯乙烯玻璃化转变 损耗峰,而曲线a上,在聚 苯乙烯玻璃化转变损耗峰高 温一侧还有一个小峰,一般 称为α’峰,也叫做界面峰。
界面粘结强,则试样承 受周期负荷时界面的能力损 耗大,α’峰越明显。
复合材料界面受到因 热膨胀系数不同引起 的热残余应力。热残 余应力的大小正比于 两者的热膨胀系数之 差Δα和温差ΔT, 也与基体和纤维的模 量有关。
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❖ 6.4 界面力学性能的分析表征

复合软包装材料

复合软包装材料
聚偏二氯乙烯的水基乳液粘合剂已经得到了广泛的应用。这 种粘合剂同时又是氧和水蒸气的阻隔层。它适用于涂履塑料、 纸及纸板等基材。
层合粘合剂
[挤塑粘合剂]
聚乙烯和乙烯共聚物是广泛应用的挤塑粘合剂。在没有铝箔 原情况下,层合材料中的共挤塑乙烯层能起防潮作用。 在挤出层合时,由于挤出温度较高,使表面分子部分氧化, 形成极性结构,有利于层合。 乙烯共聚物粘合剂与各种基材的粘合性都很好。
常见的基材
[玻璃纸]
玻璃纸是透明的软材料
PVDC -玻璃纸-PVDC-粘合剂- PVDC -玻璃纸-PVDC的对称 层合结构已用于立式成型-充填-封合的糖果包装 用聚乙烯(PE)作粘合剂能形成高强度的气密性封合,可广泛 地用于加工肉片和禽肉类产品的充气包装以及干粉、葵花籽、 瓜子、药片等产品。 乙烯共聚物代替PE作粘合剂可降低热封合温度。 层合时用加入白色颜料的PE薄膜可使其不透明。
第六章 复合软包装材料
软包装——使用柔软性材 料 (纸、薄膜、铝箔和镀金 属膜)的包装,这些材料通 常是印刷或层合的卷筒材, 它们能顺应内容物的形状。 (美国包装协会)
复合包装材料的组成 基材
层合粘合剂 封闭物及热封合材料
印刷与保护性涂料
层合粘合剂 溶剂型和乳液型 热塑性和热固性
挤塑粘合剂 蜡及蜡混合物
常见的基材
[双向拉伸热定型聚丙烯(BOPP)]
BOPP是层合软包装中使用最广的塑料薄膜材料。 ——良好的阻隔功能(经PVDC涂布) ——有热封合性 ——可背面印刷 ——可与其他材料共挤塑,形成多种基合结构
常见的基材
[双轴取向热定形聚酯(BOPET)]
BOPET有极好的尺寸稳定性、耐热性和良好的印刷适, 因此他被广泛应用的层合结构中的外层组分。

5.第六章 复合材料的性能及表界面

5.第六章 复合材料的性能及表界面

若按比强度计算,玻璃纤维增强的树脂基复合材 比强度计算 若按比强度计算,玻璃纤维增强的树脂基复合材 料不仅超过碳钢 而且可超过某些特殊合金纲 碳钢, 合金纲。 料不仅超过碳钢,而且可超过某些特殊合金纲。 碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃 碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃 复合材料 复合材料具有比 纤维复合材料更低的密度和更高的强度, 纤维复合材料更低的密度和更高的强度,因此具有更 复合材料更低的密度和更高的强度 高的比强度。 高的比强度。
复合材料既能保留原组分材料的主要特色, 复合材料既能保留原组分材料的主要特色,并 通过复合效应获得组分材料所不具备的性能, 通过复合效应获得组分材料所不具备的性能,还可 以通过材料设计 材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关 以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关 联,从而获得新的性能。 从而获得新的性能。 复合材料设计:选择复合材料的组分、 复合材料设计:选择复合材料的组分、增强体 复合材料的组分 分布和复合材料制造工艺、使其具有使用所要求的 分布和复合材料制造工艺、使其具有使用所要求的 性能过程。 性能过程。 过程
复合材料设计可分为三个层次:单层材料设计、 复合材料设计可分为三个层次:单层材料设计、铺 可分为三个层次 设计 层设计、结构设计。 设计、结构设计。 设计 单层材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及 单层材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及 包括正确选择增强材料 共配比,该层次决定单层板的性能; 共配比,该层次决定单层板的性能; 铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理的安 铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理的安 包括对铺层材料的铺层方案 排,该层次决定层合板的性能; 该层次决定层合板的性能; 结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。 结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。 则最后确定产品结构的形状和尺寸 上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。 上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。

材料科学与工程学导论

材料科学与工程学导论
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向垂直
σc= σf = σm。 εc = εfVf+εmVm。 1/Ec = Vf/Ef+Vm/Em。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
复合原理
2。颗粒增强复合材料的复合原理 ρc = ρpVp+ρmVm。
复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向一致
Fc=σcAc = σfAf +σmAm。
σc = σfVf+σmVm。
Ec = EfVf+EmVm。
条件是复合材料中基体是连续的、均匀的,纤维的性质和 直径都是均匀的,且平行连续排列,同时纤维与基体间的 结合为理想结合,在界面上不产生滑移。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
颗粒增强复合材料的机理:
弥散分布在金属或合金中基体中的硬颗粒可以有效地阻止 位错运动,产生显著的强化作用。这种复合强化机制类似 与合金的析出强化机理,基体乃是承受载荷的主体。 不同的是,这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的 硬颗粒,他们在温度升高时仍保持其原有尺寸,因而,增 强效果可在高温下持续较长时间,使复合材料的抗蠕变性 能明显优于金属或合金基体。
复合材料的基本理论
增强机理
颗粒增强
颗粒增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒 作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多 相材料。 颗粒增强复合材料的种类: 纳米微细硬颗粒弥散增强,微米颗粒增强。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
弥散强化复合材料中弥散颗粒种类 金属氧化物 碳化物 硼化物
4。由被动复合向主动复合材料发展

第六章 陶瓷基复合材料

第六章 陶瓷基复合材料

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3、化学气相浸渗法 (Chemical Vapor Infiltration,简称CVI法)
定义:
反应物以气体的形式渗入到纤维预制体的内部并发
生化学反应,形成陶瓷固体沉积在预制体表面,使预
制体逐渐致密形成陶瓷基复合材料的一种工艺。
20
CVI的突出优点是:
能在较低温度进行高温材料的制备,SiC陶瓷的烧结温度通常 高达2000℃以上,而采用CVI法则能在900-1100℃的温度下 制备出高纯度的SiC陶瓷:
21
CVI法制备的Cf/SiC陶瓷基复合材料的显微结构
22
4、反应性熔体浸渗法 (Reactive Melt Infiltration,简称RMI法)
在采用RMI法制备SiC陶瓷基复合材料过程中, 将Si熔化后,在毛细管力的作用下Si熔体渗入到以 多孔C/C材料内部,并同时与基体碳发生化学反应 生成SiC陶瓷基体。
SiC变体很多,但作为陶瓷材料的主要有两种晶体
结构,一种是-SiC,属六方晶系;一种是-SiC,属
立方晶系,具有半导体特性。
SiC具有很高的热传导能力,较好的热稳定性、耐 磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。
12
4、玻璃陶瓷(glass-ceramics)
某些玻璃经热处理后可以晶化形成大量的微晶体。这种含
抗弯强度MPa
弹性模量Gpa 断裂韧性K1C,MPam1/2
473±30
247±16 3.7±0.7
454±42
188±18 15.6±1.2
热膨胀系数
(室温-1000℃)10-3/℃
4.62
2.51
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(3)纤维/碳化硅陶瓷基复合材料 SiC基CMC的密度2~2.5g/cm3,仅为高温合金和铌

6 金属基复合材料

6 金属基复合材料

6.2.2金属基复合材料的基本性能
5. 耐磨性好 6. 良好的疲劳性能和断裂韧性 良好的界面结合状态可有效传递载荷, 阻止裂纹的扩展, 提高材料的断裂韧性. 7. 不吸潮, 不老化,气密性好
6.2.3 金属基体在复合材料中的作 用
1. 固结增强体 2. 传递和承受载荷 3. 赋予复合材料一定形状, 保证复合材 料具有一定的可加工性. 4. 复合材料的强度、 刚度、密度、耐高 温、 耐介质、 导电、导热等性能均与基 体的相应性质密切相关.
二、钛及钛合金
钛及其合金由于具有比强度高、耐热性好、耐 蚀性能优异等突出优点,自1952年正式作为结构材 料使用以来发展极为迅速,在航空工业和化学工业 中得到了广泛的应用。化学性质十分活泼,缺点是 在真空或惰性气体中进行生产,成本高,价格贵。
钛基复合材料
二、钛及钛合金
(一)纯钛 钛是一种银白色的金属,密度小,熔点高,高的 比强度和比刚度,较高的高温强度。钛的热膨胀系数 很小,热应力较小,导热性差,切削、磨削加工性能 较差。在空气中,容易形成薄而致密的惰性氧化膜, 在氧化性介质中的耐蚀性优良,在海水等介质中也具 有极高的耐蚀性;钛在不同浓度的酸( HF 除外)以及 碱溶液和有机酸中,也具有良好的耐蚀性。 纯钛具有同素异构转变,在882.5℃以上直至熔点 具有体心立方晶格,称为β —Ti。在882.5℃以下具有 密排六方晶格,称为α —Ti。
(二)钛合金
钛合金分为α 型钛合金 β 型钛合金 α +β 型钛合金 以TA、TB和TC表示其牌号
三、铜及铜合金
在自然界中既以矿石的形式存在,又以纯金属的形 式存在。其应用以纯铜为主。铜及铜合金的产品中, 80%是以纯铜被加工成各种形状供应的。
(一)纯铜 呈紫红色,又称紫铜。属重金属范畴,无同素异构 转变,无磁性。最显著的特点是导电、导热性好,仅次于 银。 高的化学稳定性,在大气、淡水中具有良好的抗蚀 性,在海水中的抗蚀性较差。 纯铜具有立方面心结构,极优良的塑性,可进行冷热 压力加工。

--复合材料力学第六章细观力学基础

--复合材料力学第六章细观力学基础
称为纵向有效模量的混合律。
(二)纵向泊松比
21
RVE的纵向应变关系式:
2 f 2V f m2Vm
两边同时除以 1 ,可得:
21 f V f mVm
(三)纵横(面内)剪切模量
G12
在剪应力作用下,RVE的剪应变有如下 关系:
12 f V f mVm

12
12
G12
可在复合圆柱模型上施加不同的均匀应力边界条件,利用 弹性力学方法进行求解而得到有效模量,结果为:
2
2Gm
E
f
rf2
ln(
R rf
)
其中 Gm 为基体剪切模量,rf 为纤维半经,R为纤维间距,
l为纤维长度,R与纤维的排列方式和 V f 有关。
ET(短) ET (长)
2、Halpin-Tsai方程
EL Em
1
2
l d
LV
f
1 LV f
ET
1 2TV f
Em 1 TV f
此时,对L取:
RVE的要求: 1 、 RVE 的 尺 寸 << 整 体 尺 寸 , 则宏观可看成一点;
2、RVE的尺寸>纤维直径;
3、RVE的纤维体积分数=复合材料的纤维体积分数。
纤维体积分数:
Vf
vf v
v f —纤维总体积;
v —复合材料体积
注意:
只有当所讨论问题的最小尺寸远大于代表性体积单元时,
复合材料的应力应变等才有意义。
并可由RVE的解向邻近单元连续拓展到整体时,所得的有效 弹性模量才是严格的理论解。
则只有满足上述条件的复合材料的宏观弹性模量才能通过 体积平均应力、应变进行计算;或按应变能计算。

复合材料力学第六章2

复合材料力学第六章2
其中 N x , N xy , N y为已知外加平面内膜内力载荷值
变分符号
屈曲前平板保持平的,当外载荷达到某一临 界值时,层合板产生微弯状态,即小变形范围。 满足平衡方程。
像弯曲问题推导基本微分方程那样,将几何方程代入 物理方程,再代入平衡方程,就可得以下方程:
0 x Nx kx 0 Ny Aij y Bij ky 0 xy N xy k xy
D12 D22 D26
D16 k x D26 k y D66 k xy
u0, x w0, xx Bij v0, y Dij w0, yy u0, y v0, x 2w0, xy
B12 B22 B26
B16 k x B26 k y B66 k xy
u0, x w0, xx Aij v0, y Bij w0, yy u0, y v0, x 2w0, xy
D11 w, xxxx 4 D16 w, xxxy 2 D12 2 D66 w, xxyy 4 D26 w, xyyy D22 w, yyyy B11 u, xxx 3B16 u, xxy B12 2 B66 u, xyy B26 u, yyy B16 v, xxx B12 2 B66 v, xxy 3B26 v, xyy B22 v, yyy N x w, xx 2 N xy w, xy N y w, yy 0
A11u, xx 2 A16u, xy A66u, yy A16v, xx A12 A66 v, xy A26v, yy B11w, xxx 3B16 w, xxy B12 2 B66 w, xyy B26 w, yyy 0 A16u, xx A12 A66 u, xy A26u, yy A66v, xx 2 A26v, xy A22v, yy B16 w, xxx B12 2 B66 w, xxy 3B26 w, xyy B22 w, yyy 0

第六章 纤维复合材料的力学性能2

第六章 纤维复合材料的力学性能2

第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 如图为不同结构形式层合板的S-N曲线。可 见,加入适量90°铺层或采用±5°对称铺 层结构的层合板较单向层合板的拉伸疲劳 特性能有所改进。等量的0°和90°铺层构 成的正交铺层层合板的疲劳强度明显高于 玻璃布铺层层合板。由于无纺材料中纤维 处于平行和舒直状态,不象编织物中纤维 那样弯曲,所以一般而言,无纺材料在抗 疲劳性方面优于编织材料。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 随着裂纹进一步发展,横向层在纵向 正应力较大的区域继续产生新的横向 裂纹,使裂纹密度逐渐趋于饱和。此 时,横向层失去了承载能力,仅依靠 界面将其与纵向层粘结在一起。但是, 横向层对纵向层泊松变形的抑制作用 又诱发了纵向层中的纵横向裂纹,出 现了纵横裂纹交叉现象。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在正交(0°/90°)层合复合材料中,横向 层(90)与纵向层(0°)的强度和模量相 差很大。通常,在交变载荷作用下,横向 层将首先出现裂纹,并往往同时伴随界面 脱前和基体开裂及分层。分层是因横向与 纵向两层的泊松比不同引起层间剪切应力 和层间正应力所致。裂纹出现后,裂纹附 近横向层内的纵向正应力为零,而离裂纹 稍远处应力较大。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为
• 在复合材料疲劳过程中,一般不出现主裂 纹扩展现象,其损伤机理非常复杂,难以 用简单的数学模型加以描述,因此对疲劳 行为的检测是十分重要的。然而,由于复 合材料的非均质各向异性以及层合结构等 增大了疲劳试验的难度。目前,复合材料 疲劳损伤的测试主要有显微镜直接观察、 声性射、X-射线衍射及红外热像技术等无 损检验方法。以下简要介绍纤维复合材料 疲劳损伤的特点以及影响疲劳性能的因素。
第三节 纤维复合材料的疲劳行为

复合材料第六章功能复合材料

复合材料第六章功能复合材料
45
2.1.2 软磁复合材料
电器元件的小型化,导致磁路中追求更 高的驱动频率,为此应用的软磁材料,除在 静态磁场下经常要求的高饱和磁化强度和高 磁导率外,还要求它们具有低的交流损耗PL。
46
通常较大尺寸的金属软磁材料,其相对 磁导率 r 随驱动频率的增大而急速下降, 如下图所示:
47
Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化 48
18
相补效应和相抵效应常常是共同存在的。 显然,相补效应是希望得到的,而相抵 效应要尽量能够避免。 所有这些,可通过相应复合材料的设计 来加以实现。
19
相乘效应
两种具有转换效应的材料复合在一起, 即可发生相乘效应。
例如,把具有电磁效应的材料与具有 磁光效应的材料复合时,将可能产生具有 电光效应的复合材料。
58
2.2 磁性材料
作为记录介质的强磁性材料,主要性能 指标是矫顽力Hc和剩余磁化强度Mr的大小。
这两个性能指标不仅受磁性材料种类的 影啊,也受颗粒的大小和形状的影响。
59
下表列出了目前使用的磁记录介质材料的磁
特性。
各种磁性粉末的特性
磁性材料
Mr/T
Hc/A.m-1
-Fe2O3
(1400~1800)*10-4
常用的物理乘积效应见下表所示:
22
复合材料的乘积效应
A相性质X/Y
压磁效应 压磁效应 压电效应 磁致伸缩效应 光导效应 闪烁效应 热致变形效应
B相性质Y/Z
复合后的乘积性质
(X/Y)(Y/Z)=X/Z
磁阻效应
压敏电阻效应
磁电效应
压电效应
场致发光效应
压力发光效应
压阻效应
磁阻效应

第六章复合材料结构设计

第六章复合材料结构设计

为了修正误差,有人建议在上述公式的基本模量上乘以 修正系数0.63,即
E f ( 0 . 63 E m ) v f 3 (1 v f )
X
c
2v f
(拉压型)
X
c

0 . 63 G m 1 v
f
(剪切型)
6.2.2单层性能的确定 设计的初步阶段,为了层合板设计、结构设计的需要,必须 提供必要的单层性能参数,特别是刚度和强度参数。为此,通常 是利用细观力学分析方法推得到预测公式确定的。而在最终设计 阶段,一般为了单层性能参数的真实可靠,使设计更为合理,单 层性能的确定需用试验的方法直接测定。 A.单层树脂含量的选择

2、横向弹性模量
并联模型的横向弹性模量与串联模型的纵向弹性模量相同。故
ET E L E f v f E m vm


复合材料单层基本强度的预测
1. 纵向拉伸强度Xt 单层在承受纵向拉伸应力时,假定(1)纤维与基体之间没有 滑移,具有相同的拉伸应变;(2)每根纤维具有相同的强度,且 不计初应力。则在工程上发生上述两种破坏模式: A 基体延伸率小于纤维延伸率时 在应变达到εmu时,基体将先于纤维而开裂,但是纤维尚 能继续承载,直至应变达到εfu时,纤维断裂,复合材料彻底 破坏。对此,可偏于安全地认为纵向拉伸强度只取决于纤维。
1、串联模型的弹性常数 A 纵向弹性模量ELΙ
由模型І取出代表性体积单元, 作用平均应力δ1,在平面应力状态 下,如右图所示。这如同材料力学 中由两种材料并联组成的杆受拉时 的分析。由材料力学知道,已知纤 维材料的弹性模量Ef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EL的问题是 一次超静定问题。

6.聚合物基复合材料的性能

6.聚合物基复合材料的性能


玻璃钢 碳纤维Ⅰ/ 环氧 碳纤维Ⅱ/ 环氧 有机纤维 / 环氧
硼纤维 / 环氧
7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1
1.03 0.47 0.96 1.06 1.5 1.07 1.4 1.38
2.1 0.75 1.14 0.4 1.4 2.4 0.8 2.1
0.13 0.17 0.21 0.53 1.03 0.7 1.0 0.66
直线上的两个力F作用时,发生简单剪切。 g = △l / l0 = tan q, s s = F/ A0 • 均匀压缩: gv = △V / V0
力学性能的基本指标—弹性模量
弹性模量(模量)
单位应变所需应力的大小,是材料刚性的表征。
三种形变对应三种模量 拉伸模量(杨氏模量):E = s / e 剪切模量 :G = ss / g 体积模量(本体模量):B = P / gv
应变
受到外力作用而又不产生惯性移动时,材料的几何形状和尺寸发生的变化
应力
定义为单位面积上的内力,内力是材料宏观变形时,其内部分子及原子间 发生相对位移,产生分子间及原子间对抗外力的附加内力。
材料的受力方式
• 简单拉伸:张应变e = △l / l0, 习用应力s = F/ A0.
• 简单剪切:材料受到与截面相平行、大小相等、方向相反且不在同一
会迅速重新分配到未破坏的纤维上,使整个构件在短期内不致于失去承 载能力。
聚合物基复合材料的总体性能(3)
可设计性强、成型工艺简单
通过改变纤维、基体的种类及相对含量、纤维集合形式及排列方式、 铺层结构等可满足材料结构和性能的各种设计要求。 整体成型,一般不需二次加工,可采用手糊成型、模压成型、缠绕成 型、注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的产品。

教学课件:第六章-复合材料层合板的湿热效应

教学课件:第六章-复合材料层合板的湿热效应
加强跨学科合作
复合材料层合板的湿热效应涉及到多个学科领域,如材料科学、物理学、化学和工程学等。因此,需要 加强跨学科合作,整合各学科的优势资源和技术手段,共同推进复合材料层合板湿热效应的研究进展。
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主要包括湿气的吸附、扩散和传 递,这些过程主要依赖于材料的 孔隙结构和湿度梯度。
化学过程
在某些情况下,湿气可能与复合 材料层合板中的组分发生化学反 应,导致材料的化学性质发生变 化。
04 复合材料层合板的湿热性 能测试
湿热性能测试的方法与标准
测试方法
采用标准ASTM D7379-17,通过在 湿热环境中对复合材料层合板进行周 期性温度和湿度循环,观察其性能变 化。
03 湿热效应的原理与影响
湿气的吸附与扩散
01
02
03
湿气吸附
当湿气与复合材料层合板 接触时,湿气分子会吸附 到材料的表面和孔隙中。
湿气扩散
吸附在材料中的湿气分子 会随着时间的推移,从高 湿度区域向低湿度区域扩 散。
湿度传递
湿气在复合材料层合板中 的传递是一个复杂的过程, 涉及到扩散、吸附和解吸 等物理和化学过程。
复合材料层合板的应用领域
• 总结词:复合材料层合板因其优异的性能和可定制的特点,在航空航天、 汽车、船舶、体育器材等领域得到了广泛应用。
• 详细描述:复合材料层合板因其高强度、高刚度、耐腐蚀、抗疲劳等优 异性能,在许多领域都有着广泛的应用。在航空航天领域,复合材料层 合板被用于制造飞机和卫星的结构件和蒙皮,以提高飞行器的性能和安 全性。在汽车领域,复合材料层合板被用于制造车身面板、车底板和发 动机罩等部件,以提高车辆的外观和性能。在船舶领域,复合材料层合 板被用于制造船体和甲板等部件,以提高船舶的耐腐蚀性和航行效率。 在体育器材领域,复合材料层合板被用于制造球拍、滑雪板、自行车等 运动器材,以提高运动员的成绩和安全性。

第六章 功能复合材料

第六章 功能复合材料

压力-发光 电场-发光 (场致发光)
压电复合材料
• 压电陶瓷和聚合物基体按照一定的联接方 式、一定的体积比例和一定的空间几何分 布复合而成。
• 在电场的作用下,可以引起电介质中带电 粒子的相对位移而发生极化。但是,在某 些电介质晶体中,也可以通过纯粹的机械 作用(拉应力、压应力或切应力)而发生极化, 并导致介质两端表面内出现符号相反的束 缚电荷,其电荷密度与外力成比例。这种 由于机械力的作用而使电介质晶体产生极 化并形成表面荷电的效应,称为压电效应。 晶体的这一性质就叫压电性。
1-3型水泥基压电复合材料
• 1-3型水泥基压电复合材料是由一维的压电 陶瓷柱平行地排列于三维连通的水泥基体 中而构成的两相压电复合材料。这种复合 材料集中了各相材料的优点,互补了单相的 缺点,具有低声阻抗、高机电耦合系数和低 机械品质因数等优点,更重要的是通过调节 压电陶瓷柱的体积分数及形状参数便可使 复合材料的声阻抗与混凝土材料的声阻抗 相匹配,从而有效地解决智能材料在土木工 程中的相容性问题。
压电陶瓷弯曲变形器
压电陶瓷风扇和继电器
压电振动加速计
0-3型压电复合材料
• 由不连续的陶瓷颗粒分散于三维连通 的聚合体基体中形成的。 • 可以做成薄片、棒或线材。
• 浇注树脂是非常关键的步骤,为了使树脂与 PZT柱结合紧密,树脂与PZT柱的界面上不 能存在气孔,因为气孔的存在易使声波产生 全反射,而且会导致力的传递不连续。因此, 要求树脂的流动性好,固化时间长。
功能复合材料的主要类型
功能特征 磁功能 复合材料 主要类型 屏蔽复合材料 吸波复合材料 透波复合材料 聚合物基导电复合材料 本征导电聚合物材料 压电复合材料 陶瓷基导电复合材料 水泥基导电复合材料 金属基导电复合材料 导电纳米复合材料 超导复合材料 减少电磁波对信息 用途 系统的干扰、减弱 吸收或衰减入射的 柔韧磁体、磁记录 电磁波对人体健康 电磁波,使其因干 隐身材料 的损害。 涉而消失或将其电 雷达罩、天线罩 磁能转换为其他形 屏蔽 式的能量。 防静电、开关 压电传感器 高压绝缘 建筑物绝缘 高强、耐热导电材料 锂电池 医用核磁成像技术

6-第六章_复合材料层合板的湿热效应解析

6-第六章_复合材料层合板的湿热效应解析

x, y T 1 L, T
(3.19)
T ex x eT T y y 1 eT 1 xy xy 2 2
(6.4)
式中,x,y和xy为单层非材料主方向的热膨胀系数。则有
图6.1 .2 碳纤维增强环氧单层 面内剪切应力—应变曲线
图6.3给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料单层在常温干燥和常温 吸湿1%下以及在高温(90℃)、干燥和吸湿1%下的面向剪切应力—应变 曲线。可以看到吸湿1%后的材料在高温下的面内剪切模量和强度均有大 幅度的下降。这一实验结果表明,在树脂基复合材料的刚度和强度分析 中必须考虑湿热的影响。
x m2 n2 2m n L 2 2 m 2m n T y n 2 2 xy 2m n 2m n ( 2 m n ) 0
(6.5)
二、湿膨胀变形
单层吸入水分后质量的增量和干燥状态下的质量之比称为单层的吸湿量, 用符号c表示, c m 100 % (6.6) m 式中,m为单层干燥状态的质量,m为吸湿后的质量增量。 单层吸湿后材料主方向的湿自由应变为 e H 和 e H , e H 0 ,
6.1 湿热对单层力学性能的影响
高温尤其是湿热联合作用对树脂基复合材料力学性能的影响是显著的。 树脂基体在高温下,特别是吸入一定水分的基体在高温下的性能有明显下降, 因而导致复合材料单层力学性能中由基体性能控制的横向模量和强度、剪切 模量和强度下降。图6.1和图6.2给出了典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料 单层在22℃,60℃和128℃三种温度和干燥条件下的横向拉伸和面内剪切应 力—应变曲线。可以看到随着温度的升高,该材料的横向模量和剪切模量明 显下降,横向拉伸强度下降较小,剪切强度在128℃时下降显著。

第6章-金属基复合材料制备技术

第6章-金属基复合材料制备技术
(2)主要用于低熔点金属与高熔点金属复合。
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6.4.4 液体浸渍法
是美国宇航公司发明的一种制造碳纤维增强铝基、镁基复合材 料的方法。原理:通过对碳(或石墨)纤维表面进行活化处理, 经处理的碳纤维与铝液、镁液相互自发浸润。当纤维束经过铝熔 池时,金属液就自发浸渍到纤维束中,形成复合丝。
(3)工艺简单、成本低,易于批量生产。
(4)主要用于制备短纤维、晶须、颗粒增强的铝、镁基复合 材料。
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6.4.3 无压浸渗法(自发浸渗法)
无压浸渍是指金属液体在无外力作用下自发浸渗固体颗粒多孔 预制件制备金属基复合材料的方法。
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1. 无压浸渍需要满足的条件 (1)金属液体对增强体颗粒润湿。 (2)预制件应具有相互连通的浸渗通道。 (3)体系组分性质需相匹配。 2. 特点和应用 (1)工艺简单、成本低,可实现近终成型。
液体金属浸渍法主要用于碳、石墨、碳化硅等丝束连续纤维增强 复合材料。这类纤维直径细,一般为7-11μm,每束含纤维数量 多,一般为500-3000根/束,金属液体渗透入纤维束相当困难, 也是制造C/Al、C/Mg、SiC/Al 复合材料的主要障碍,用Ti-B 涂层、超声波振动有效地解决了这一关键问题。
3. 冷却速度大,液滴冷却速度可达103~106K/s,基体金属组 织可获得快速凝固金属所具有的细晶组织,无宏观偏析, 组织 均匀致密。
4. 增强物分布均匀。 5. 有少量气体存在,最低 2%,最高5%。
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6.4.6 液态金属搅拌铸造法
1. 基本工艺原理
将颗粒增强体直接加入到熔融的基体金属液中,通过一定方式 的搅拌使颗粒增强体均匀地分散在金属熔体中,与金属基体形成 复合熔体,浇注成锭坯、铸件。 2. 工艺难点

第六章 纳米复合材料

第六章   纳米复合材料
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③聚合物基本原位聚合法。此法主要是在纳米微粒的 有机单体的胶体溶液中,有机单体在一定条件下,原 位聚合生产有机聚合物,形成分散有纳米微粒的复合 材料。这种方法的关键是保持胶体溶液的稳定性,胶 体粒子不发生团聚。利用NaBH4还原 HAuCl4得到纳 米金粒子,再包裹上一层十二烷基硫醇进行表面功能 化,这不仅阻止了Au粒子的团聚,而且其烃基强Au 粒子与许多聚合物的相容性。 ④ 两相同步原位合成法。此法是指纳米材料和高分 子基体同步原位形成纳米复合材料,包括插层原位聚 合法、蒸发-沉积法、辐射法及溶胶-凝胶法等。如水 溶性丙烯酸酯类在SiO2网络中聚合形成和纳米复合材 料。
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纳米复合材料的制备 ①纳米微粒填充法。即直接填充粉体在聚合 物基体中合成纳米复合材料的方法。首先是 纳米微粒与高分子材料的直接混合的方法, 混合的形式可以是溶液、乳液,也可以是熔 融等共混。此法简单易行,适合范围广泛, 无机纳米材料与有机聚合物的几何参数和体 积分数等便于控制。如利用反相胶乳制备纳 米TiO2粒子,在N-甲基吡咯酮(NMP)中与 聚酰亚胺溶液共混,制备出纳米TiO2粒子/PI 纳米复合材料。
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•这些特点受到了材料界及产业界的高度重视。 在有机/无机纳米复合材料中最有发展前景的复 合材料就是聚合物插层复合材料。具有层状结 构的无机化合物主要是硅酸盐矿物, 它包括高岭 土、滑石、膨润土、云母4大类, 其中膨润土的 主要成分为含有蒙脱土的层状硅酸盐、钠蒙脱 土、锂蒙脱土和海泡石等可用于制备聚合物/层 状纳米硅酸盐复合材料(PLS)。膨润土是用 插层法制备有机/无机纳米复合材料最重要的一 类无机物。
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5. 3纳米复合材料的性能与特点 5. 3. 1纳米复合材料的基本性能
可综合发挥各种组分的协同效能。这是单一 的任何一种材料都不具备的多种性能,是复 合材料的协同效应赋予的。纳米复合材料的 这种协同效应非常显著。 性能可设计性,可针对纳米复合材料的性能 需求进行材料的设计和制造。如:当强化紫 外光屏蔽作用时,可选用TiO2纳米材料进行 复合;当强化耐热性时,可选用聚酰胺基体 材料与纳米材料进行复合。 可按需要加工材料的形状。
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Introduction
Implications of the Kirchhoff hypothesis
Part
1
introduction
background
Fibers reinforced materials are most frequently used by employing multiple layers of material to form a laminate. Following instructions: 1. Each layer may have a different fiber orientation. 2. Some layers may use graphite fibers ,while others may use glass fibers. 3. The number of layers that make up laminates may be different. 4. There are differences in fiber angles and the arrangement of layers. The reason is the arrangement : The first is [0/90/90/0]������ The second is [90/0/0/90]������
Because before deformation the plate is flat and the layer interfaces are parallel to each other and to
the geometric mid-plane of the
plate, line AA’ is normal to each interface.
It is of prime concern to understand how changing these variables influence laminate response and structural response .
The ultimate purpose is to be able to design laminates so that structures have a specific response, so that deformation are within certain limits and stress levels are below a given level.
How changing material properties in a group of layers changes response
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focus point
The magnitude and character of the load
The dependent factors of stress
When the stacking sequence involves adjacent layers of opposite orientation, short hand notation is used.
When a stacking sequence is a subset consisting of several layers is repeated, further shorthand notation is used.
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Part
3
Implications of the Kirchhoff hypothesis
implications
We should stress that no mention has been made of material properties. If we accept the validity of the Kirchhoff hypothesis, then we assume that it is valid for the wide range of material properties that are available with fiber-reinforced composite material.
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focus point
How the fiber angles of the individual layers influence laminate response
How laminates the stacking arrangement of the layers influences the response
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Laminate nomenclature
Two requires: First, we have a method of describing a laminate, particularly the fiber orientation of each layer . second, we must establish a coordinate system for specifying locations through the thickness, along the length, and across the width of the laminate.
Extend in the z direction from – H/2 to +H/2 The locations of the layer interfaces are denoted by a subscripted z . The kth layer by ������������−������ and ������������ .
direction of the laminate. The distance between
point t and t' in figure, then, is the same as the distance between t and t' in figure, According to this hypothesis, there is no through-thickness.
change length.
The normal line does
not deform
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content
The normal of the above figure has rotated and translated due to the deformation caused by the applied loads . That the line doer not change length is another important part of the assumption. For the length of the line to remain unchanged, the top and bottom surfaces of the laminate must remain the same distance apart in the thickness
To identify the fiber angles of the various layers, the fiber angle relative the +x axis of each layer is specified
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Laminate nomenclature
To indicate the total stacking, we need to use a subscript T. The laminate is symmetric, the stacking notation can be abbreviated by referring to only one-half of it and subscripting the notation with the symbol S.
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Part
2
The Kirchhoff hypothesis
2-1 研究思路
2-2 研究方法 2-3 可行性说明
content
Line AA’ is straight and normal to the laminate’s geometric mid-surface, and passes through the laminate
Composite Materials
Chapter 6 hypothesis 课件组员:
Classical lamination theory : the Kirchhoff
目录
CONTENTS
Laminate strains
The Kirchhoff hypothesis Laminate stresses
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essentials
This chapter will introduce simplifications in the analysis of fiberreinforced composite materials that will allow us to obtain answers for a large class of problems. we can thus evaluate the influence of fiber directions, stacking arrangements, material properties, and so forth, on laminate and structural response .the simplified theory is called classical laminate theory.
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summary
The displacements of an arbitrary point P with coordinate(x, y, z) is given by : ������������ ������ (������, ������) ������ ������, ������, ������ = ������ ������, ������ − ������ ������������
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