复合材料力学性能的复合规律

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复合材料的复合原则与机制

复合材料的复合原则与机制

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。

复合材料----复合材料的复合原理及界面

复合材料----复合材料的复合原理及界面

复合材料
第二章复合材料的复合原理及界面
1、弥散增强和颗粒增强的原理
1)弥散增强:复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成,荷载主要由基体承担,弥散微粒阻碍基体的位错运动,微粒阻碍基体位错运动能力越大,增强效果愈大,微粒尺寸越小,体积分数越高,强化效果越好。

2)颗粒增强:复合材料是由尺寸较大(直径大于1 m)颗粒与基体复合而成,载荷主要由基体承担,但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形,颗粒阻止基体位错运动的能力越大,增强效果越好;颗粒尺寸越小,体积分数越高,颗粒对复合材料的增强效果越好。

2、什么是混合法则,其反映什么规律
混合法则(复合材料力学性能同组分之间的关系):σc=σf V f+σm V m,E c=E f V f+E m V m式中σ为应力,E为弹性模量,V 为体积百分比,c、m和f 分别代表复合材料、基体和纤维;反映的规律:纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。

3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些
金属基复合材料界面结合方式:
①化学结合
②物理结合
③扩散结合
④机械结合。

界面改性方法:
①纤维表面改性及涂层处理;
②金属基体合金化;
③优化制备工艺方法和参数。

4、界面反应对金属基复合材料有什么影响
界面反应和反应程度(弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应)决定了界面的结构和性能,其主要行为有:
①增强了金属基体与增强体界面的结合强度;
②产生脆性的界面反应产物;
③造成增强体损伤和改变基体成分。

3(1).复合材料的复合效应详解

3(1).复合材料的复合效应详解
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超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置,也被称为超声 波倒车雷达或倒车声纳系统,尤其适用于加长型装载汽车、 载重大货车、矿山汽车等大型车辆。 原理上利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转 换的正、逆压电效应,既在压电陶瓷加一电信号,便产生机械 振动而发射超声波,当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即 被反射回来,作用于它的陶瓷时,则会有电信号输出,通过数 据处理时间差测距,计算显示车与障碍物的距离及危险相撞时 报警,可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障 碍物,实用性相当强。
17
3.1 材料的复合效应
7.共振效应:两个相邻的材料在一定条件下,会产生 机械的或电、磁共振。
由不同材料组分组成的复合材料其固有频率不同 于原组分的固有频率,当复合材料中某一部位的结构 发生变化时,复合材料的固有频率也会发生改变。
利用该效应,可以根据外来的工作频率,改变复合材料固有频率 而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料,同样可以根据 外来波长的频率特征,调制复合材料频率,达到吸收外来波的目 18 的。
线性效应 非线性效应
一 次 函 数 y=kx+b 叫 线 性 函 数 , 它 的 图 象 是 一 条 直 线 。 非一次函数 (如y=x2, y=k/x, y=sinx...)都叫非线性函数 , 它们的图象都不是直线。 与一次函数相关的一次方程叫线性方程 , 一次方程组叫线 5 性方程组。
3.1 材料的复合效应
3. 复合材料的 复合效应
1
3 复合材料的复合效应
3.1 材料的复合效应
掌握:复合效应的分类及其特点;
3.2 复合材料的结构与复合效果
3.3 复合材料的模型及性能的一般规律 3.4 复合材料的设计原理和复合理论

第8章复合材料力学性能

第8章复合材料力学性能
1.76g/cm3);
➢强度高,拉伸强度为3.62GPa; ➢模量高于GF,为125GPa; ➢韧性好,断裂伸长率为2.5%; ➢缺点:表面惰性大,与树脂界面粘结性能差,抗压、抗
扭曲性能差。
14
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基体材料
① 基体材料选择三原则:
第一,基体材料本身力学性能较好,如有较高的内聚强 度、弹性模量;与增强纤维有相适应的断裂伸长率; 第二,对增强材料有较好的润湿能力和粘结力,保证良 好的界面粘结; 第三,工艺性优良,成型和固化方法与条件简单,固化 收缩率低。
Ⅱ型CF(高强型): 强度>3GPa; 模量为230~270GPa; 断裂伸长率为0.5~1%
联碳化合物公司P-140 型CF: 模量高达966GPa
东丽公司T1000型CF: 强度达到7.05GPa; 模量为295GPa;
13
13
③ 芳纶的力学特性
➢以Kevlar-49为代表的芳纶是一种高模量有机纤维; ➢密度小(1.44g/cm3,GF为2.54g/cm3,T300为
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17
8.2.1 纵向拉伸性能 (1)纵向拉伸应力σL 、拉伸模量EL
单向纤维复合材料纵向拉伸加载示意图和单向板纵向拉伸 简化力学模型图如下: PL = Pf + Pm
Pf 、 Pm分别为纤维(fibre)和基体(matrix)承受的载荷
18
18
当用应力表示
PL = Pf + Pm
σL AL = σf Af + σm Am
单向(纤维增强)复合材料 双向(正交纤维)复合材料 多向(纤维增强)复合材料 三向(正交纤维增强)复合材料 短纤维增强复合材料
4
4
(1)单向(纤维增强)复合材料

复合材料的复合效应

复合材料的复合效应
例:复合材料的弹性模量 Ec=EmVm+EfVf
平行效应
➢其组成复合材料的各组分在复合材料中,
均保留本身的作用,即无制约也无补偿。
➢例如:增强体(纤维)+基体界面很弱的复
合材料。
相补效应
➢组成复合材料的基体与增强体,在性能上能
互补,从而提高了综合性能,则显示出相补 效应。
➢对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复
Mc 代表复合材料的模量,ξ取决于增强材料特征。
二、单向复合材料强度的预测
I L
Vf f
Vm m
(4)面内剪切弹性模量
G
I LT
f12 m12 12
f m
b 12
f V f b f 12
m Vmb m12
12
12
GLT
,
f12
f12
Gf
,
m12
m12
Gm
1 GI
LT
Vf Gf
Vm Gm

GI
GmGf
LT VmGf Vf Gm
2、 并联模型的弹性常数
的复合材料
材料的拉伸强度高出30%~40
%,而且湿态强度保留率也明显提高。
➢这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性
能的降低。在金属基、陶瓷基增强复合材料中,
过强的界面结合不一定是最适宜的。
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。这样的组合可以非常广泛, 已被用于设计功能复合材料。
共振效应
➢ 两个相邻的材料在一定条件下,会产生机械
的或电、磁的共振。
➢由不同材料组分组成的复合材料其固有频率
不同于原组分的固有频率,当复合材料中某 一部位的结构发生变化时,复合材料的固有 频率也会发生改变。利用这种效应,可以根 据外来的工作频率,改变复合材料固有频率 而避免材料在工作时引起的破坏。

复合材料原理

复合材料原理

第二章 材料的复合原理
2.1 材料的复合效应:
二、非线性效应
(4)系统效应
多种组分复合后,复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。
举例:
(1)彩色胶片是以红黄蓝三色感光 材料膜组成的一个系统,能显示出各种颜 色,单独存在则无此效应。
(2)交替层叠镀膜的硬度大于原来各 单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值。
金属基复合材料(铝、镁、铜、钛及其合金,等) • 碳炭复合材料
第一章 绪论
(4)复合材料具体有哪些类型?
结构功能复合材料(增强材料:玻璃纤维、碳 纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、 金属、颗粒)
功能复合材料(光学、电学、磁学、热学、声 学、生物、仿生,等等)
第一章 绪论
1.2 复合材料未来发展新领域 1)多功能,机敏、智敏复合材料 2)纳米复合材料 3)仿生复合材料
第二章 材合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型
复合材料主要由基体、增强体或功能体等共同组成。 由于他们在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同,因此根 据不同的性质或形态,他们可形成多种不同结构类型的复合材料。
基体通常是三维连续的物质,也就是将不同组分相形 成整体材料的物质。
复合材料原理
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南京工业大学
Nanjing University of Technology
明德 厚学 沉毅 笃行
《材料复合原理》
陆春华
E-mail:chhlu2019hotmail Tel: 13951739343
复合效应本质上是组分A、B的性能,及两 者间形成的界面性能,相互作用、相互补充, 使得复合材料在其组分材料性能的基础上产生 线性和非线性的特性。

复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价

复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价

文章标题:深度剖析复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价一、引言复合材料作为一种具有优异性能的新型材料,在工程领域中得到了广泛的应用。

复合材料的力学特性、结构设计、应用领域和评价标准是复合材料研究的重要内容。

本文将从深度和广度两个方面来探讨复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价,以帮助读者全面了解这一主题。

二、复合材料的力学特性1.1 引言复合材料的力学特性是指复合材料在受力作用下的力学行为,包括抗拉、抗压、屈服等特性。

1.2 弹性模量和强度复合材料的弹性模量是衡量其刚度的重要参数,而强度则是衡量其承载能力的重要指标。

复合材料的弹性模量和强度与其结构设计和材料组成密切相关,需要根据实际应用来评价。

1.3 疲劳特性复合材料具有疲劳寿命有限的特点,其疲劳特性是指在受到交变载荷下,复合材料的力学性能变化规律。

评价复合材料的疲劳特性对于其在实际工程中的应用具有重要意义。

1.4 断裂韧性复合材料的断裂韧性是指其在受到外部冲击或载荷作用下耐受破坏的能力,是衡量复合材料抗拉伸、抗压、抗扭转能力的重要参数。

三、复合材料的结构设计2.1 纤维增强复合材料纤维增强复合材料是指将纤维材料与基体材料结合形成复合结构的材料。

纤维增强复合材料的结构设计是根据不同的应用场景和受力条件进行优化的重要环节。

2.2 层合板结构设计层合板是一种典型的复合材料结构,在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。

其结构设计需要考虑到不同材料层间的粘结、层间应力分布等因素。

2.3 复合材料复合结构设计复合材料的复合结构设计是指在复合材料的基础上,结合其他材料或结构进行设计,以满足特定工程需求。

四、复合材料的应用领域3.1 航空航天领域复合材料在航空航天领域中得到了广泛的应用,例如飞机机身、发动机零部件等都采用了复合材料的结构设计。

3.2 汽车制造领域汽车制造领域是复合材料的另一个重要应用领域,车身、发动机罩等部件都在不同程度上采用了复合材料。

复合材料力学性能

复合材料力学性能

复合材料力学性能复合材料是由两种或两种以上的不同材料按照一定规律组合而成的材料。

与传统材料相比,复合材料具有独特的力学性能,以下将分别从强度、刚度、韧性、疲劳性能以及抗冲击性能等方面详细介绍复合材料的力学性能。

首先是复合材料的强度。

由于复合材料采用了不同种类的材料组合,在强度上具有明显的优势。

根据不同材料的组合方式和比例,复合材料可以获得高于单一材料的强度水平。

此外,由于复合材料具有随机分布的纤维增强体,使得复合材料具有较好的抗层状剪切破坏能力,提高了材料的整体强度。

其次是复合材料的刚度。

复合材料在刚性方面比传统材料更优越。

这是因为纤维增强体具有高弹性模量和高刚度特性,并且材料中纤维的方向性可以调整,所以在应力作用下,纤维能够承受更多的外力而不易产生位移。

因此,在力学应用中,复合材料能够提供更高的刚度和更小的变形。

再次是复合材料的韧性。

韧性是指材料在受到外力作用下产生破坏之前能够吸收的能量。

与传统材料相比,复合材料具有更好的韧性。

这是因为在复合材料中纤维的分布可以有效地防止裂纹扩展,同时由于纤维的存在可以将应力分散到整个材料中,从而提高韧性。

此外,复合材料也可以通过调整纤维增强体的类型和量来改善韧性。

复合材料的疲劳性能也是其重要的力学性能之一、在疲劳应力作用下,材料会出现裂纹的扩展,从而导致材料失效。

复合材料由于具有纤维增强体和基体的分离结构,在疲劳载荷下,纤维增强体能够吸收部分载荷,减缓增长速率,提高疲劳寿命。

此外,纤维增强体还能够增加复合材料的纵向和横向强度,降低应力集中,从而提高疲劳性能。

此外,复合材料的抗冲击性能也值得关注。

复合材料由于纤维增强体的存在,使得其在受冲击或振动载荷下具有更好的表现。

纤维增强体能够吸收冲击能量,减缓冲击载荷的传递,从而降低材料的损伤程度和失效概率。

综上所述,复合材料具有一系列优异的力学性能,如强度、刚度、韧性、疲劳性能和抗冲击性能等。

这得益于其具有多种材料的组合优势以及纤维增强体的特殊结构。

3(2).复合材料的复合效应解析

3(2).复合材料的复合效应解析
10
表3.3 单向复合材料模型的基本假设
名称
基本假设
单元体 宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性
增强体 匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续
基 体 匀质、各向同性、线弹性
界 面 粘结完好(无孔隙、滑移、脱粘等)、变形协调
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3.3.1 复合材料的模型
根据复合材料组分之增强体(或功能体)和基体的几何形 态,常见的几何结构模型有以下几种。
Vm=1-V f -Vi
注:对于非球形体微粒增强体,可以采用粒子的当
量半径rd=(0.75Vf/π)1/3代替rf。球形模型的特点是各 向同性材料。
13
作业2
假设2 wt%二氧化钍(ThO2)加入到镍 (Ni)中, ThO2颗粒直径为100 nm, 已知ThO2和Ni的密度分别为9.69和8.9 g/cm3,请计算每立方厘米的复合材料中 有多少个ThO2颗粒。(假设界面上没有反 应产物)
y
3GmGpbVp1 2 2d (1Vp )c
作用
响应 4
材料模型化的方法
连续介质理 论
待确定复合 模型化 材料的微观
体系性能
结构模型
相微观作用
O
(O)
1 V


OdV
场Ii,响应场Oi
给定宏观作 用场I
有效性能ε
O= ε(I)
宏观响应场 O
O表示宏观响应场,V表示单元体积
5
3.3.1 复合材料的模型
在研究材料复合的有关理论时,建立一个能包含主要 影响因素、显示材料真实性能、易得确切结果的材料模型 是十分重要的。
(Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 7035 –7039)

复合材料的复合原则及界面

复合材料的复合原则及界面
第七章
复合材料的复合原则及界面
整理课件
1
第一节 复合原则
要想制备一种好的复合材料,首先应 根据所要求的性能进行设计,这样才能成 功地制备出性能理想的复合材料。
复合材料的设计应遵循的原则如下:
整理课件
2
一、材料组元的选择
挑选最合适的材料组元尤为重要。
在选择材料组元时,首先应明确各组 元在使用中所应承担的功能,也就是说, 必须明确对材料性能的要求。
表面层的力学特性,润湿速度等。
整理课件
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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)阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹
扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。
整理课件
27
(3)不连续效应 在界面上产生物理性能 的不连续性和界面摩擦出现的现象,如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应 光波、声波、热弹
性波、冲击波等在界面产生散射和吸收,如透
光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲
20
如金属基复合材料中,采用纤维与颗粒、 晶须增强时,同样采用固态法,但用纤维增 强时,一般采用扩散结合;而用颗粒或晶须 增强时,往往采用粉末冶金法结合。
因为颗粒或晶须增强时若采用扩散结合,
势必使制造工艺十分复杂,且无法保证颗粒

复合材料讲稿2

复合材料讲稿2

第二章复合材料的复合效应第一节复合效应概述复合材料的复合原理是研究复合材料的结构特性、开拓新材料领域的基础。

耦合:不同性质材料之间的相互作用。

→复合材料性能与结构的协同相长特性(即复合后的材料性能优于每个单独组分的性能)。

从力学、物理学上理解复合材料多样性的基础。

拟解决的问题:寻找材料复合的一般规律。

研究增强机理。

一、材料的复合效应线性效应:平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。

非线性效应:相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应。

复合效应是复合材料的研究对象和重要内容,也是开拓新型复合材料、特别是功能型复合材料的基础理论问题。

非线性效应尚未被充分认识和利用,有待于研究和开发。

1、平均效应:P c=P m V m+P f V f(P:材料性能;V:材料体积含量;c:复合材料;m:基体;f:增强体或功能体)应用:力学性能中的弹性模量、线膨胀率等结构不敏感特性;热传导、电导等物理常数。

例:复合材料的弹性模量:E c=E m V m+E f V f(混合定律)2、相补效应:性能互补→提高综合性能。

例:脆性高强度纤维与韧性基体复合,适宜的结合形成复合材料。

→性能显示为增强体与基体互补。

3、相乘效应:X/Y·Y/Z=X/Z(X、Y、Z:物理性能)两种具有转换效应的材料复合→发生相乘效应→设计功能复合材料。

例:磁电效应(对材料施加磁场产生电流)——传感器,电子回路元件中应用。

压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。

对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力,此压力传递到BaTiO3,就会在复合材料中产生电场。

最大输出已达103V·A。

单一成分的Cr2O3也有磁电效应,但最大输出只有约170V·A。

4、共振效应:两个相邻的材料在一定条件下,产生机械的、电的、磁的共振。

应用:改变复合材料某一部位的结构→复合材料固有频率的改变→避免材料工作时引起的破坏。

吸波材料:调整复合材料的固有频率,吸收外来波。

复合材料的力学性能复合材料(Composite materials),是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理化学方法

复合材料的力学性能复合材料(Composite materials),是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理化学方法
T,
复合材料的力学性质
形 变 % T, 5 4 3 2 1
增塑剂加入量对刚性高聚物形变增塑剂加入量对刚性高聚物形变-温度的影响 如图,适当加入后,玻璃化温度下降比黏温度下降 快,使高弹区加宽,材料使用范围加大。 实例: PVC只能作塑料,适当加入增塑剂 ▓实例:纯PVC只能作塑料,适当加入增塑剂 后,可以作人造革、鞋、薄膜等。
复合材料的力学性质
前 性能对比 静态强度 A 抗张强度 抗弯强度 动态强度 B 抗疲劳性能 冲击强度 C D E F G H 脆性材料 韧性材料 蠕变强度 热变形温度 线膨胀系数 成型收缩率 吸水率 (2~3)B 脆性材料(2~3)C 韧性材料变化不大 (2~3)D 10~200℃ <F <G <H 非晶偏小 结晶偏大 (2~4)A 后
PP/LDPE 0/100
形 变 %
40/60 60/40 100/0
0/100
形 50/50 变 % 80/20
100/0
PP/LDPE
T,℃ PP/LDPE共混材料 -机械
T,℃ PP/LDPE共混材料DTA
复合材料的力学性质
特例: 特例:以橡胶为改性剂,提高高聚物材料抗冲击性能。 对橡胶的要求: 对橡胶的要求:玻璃化温度必须远低于使用温度;橡胶不溶于刚性高聚物而形成二 相;两种高聚物溶解行为上相似,有利于相互黏着。若三条件达不到,加入第三组分。 效果:原脆性高聚物的冲击强度提高5 10倍。 效果:原脆性高聚物的冲击强度提高5~10倍。
三、高聚物材料的共混改性(blending modification) modification) 高聚物材料的共混改性(
▲本质 同于增强和填充,只是改性剂为其他聚合物。
复合材料的力学性质
●共混的方式

第七章_复合材料力学性能的复合规律

第七章_复合材料力学性能的复合规律
第七章复合材料力学性能的复合规律
连续纤维增强复合材料的力学复合表面及 界面的化学基础 短纤维增强复合材料的力学复合关系 粒子复合材料的力学性能
引言
细观力学 复合材料力学复合的两个方面 宏观力学
细观力学: 细观力学:根据增强体和基体性能及相互作用来了 解复合材料(更多的是单向复合材料)的特性, 解复合材料(更多的是单向复合材料)的特性,用 近似的模型来模拟复合材料的细观结构,然后根据 近似的模型来模拟复合材料的细观结构, 复合材料组分的性能来预测材料的平均性能。 复合材料组分的性能来预测材料的平均性能。
( (
Mf Mm Mm
) −1 )+ξ
Mf
ξ − −取决于增强体的特征,还取决于加载条件。 ξ 必须通过曲线与实验结果的拟合来经验地确定
●纤维在基体内的应变非均匀分布: 纤维在基体内的应变非均匀分布: Kies利用最简单的纤维按正方形陈列分布模型,在承 利用最简单的纤维按正方形陈列分布模型, 利用最简单的纤维按正方形陈列分布模型 受简单拉伸应变 εx 时,在树脂中沿AB线的应变放大 在树脂中沿 线的应变放大 为:
σ1
ε1 = ε f = εm
E1 = E f V f + E m (1 − V f )
σ 1 = E1ε1 , σ m = Emε1 , σ f = E f ε1
σ 1 = E1ε 1 = E f ε 1V f + E m ε 1 (1 − V f )
σ 1 = E1ε 1 = σ f V f + σ m (1 − V f )
Af
Af ⋅ l
σ 1 = σ f V f + σ mV m
E1 = E f V f + E mVm

复合材料物理和化学性能的复合规律

复合材料物理和化学性能的复合规律
4、氢氧化物
氢氧化物阻燃剂主要有:氢氧化铝、氢氧化镁
§8. 3 复合材料的耐化学性
耐化学性主要指耐酸、碱、盐。
一、玻璃钢的耐腐蚀性 1、玻纤——聚合物基体的界面粘接
粘附功: Wf mfm P151式(8.12)
2、界面对玻璃钢耐水性的影响 二、玻璃钢的致密性 1、介质对玻璃钢的渗透 2、耐腐蚀玻璃钢的致密性
46MPa受压负荷下)、维卡软化点温度、马丁耐热等物理量作为材料耐热性的指标。 表征聚合物基体耐热性的物理量是玻璃化温度Tg(对结晶性聚合物则是熔点Tm)
热变形温度的负荷依赖
材料
PP PP/滑石粉(30%)
PP/GF(20%) 尼龙-66
尼龙-66/GF(30%) AS
AS/GF(30%)
热变形温度(℃)
谢谢观看
含磷化合物对成焦聚合物的阻燃效果好。
1 复合材料的物理性能 用作聚合物阻燃添加剂的含磷化合物是多种多样的,例如,红磷、多磷酸铵、有机磷酸酯和亚磷酸酯、含磷聚合物等等。
3 复合材料的耐化学性 2、界面对玻璃钢耐水性的影响 空气中O2的含量为21%。 二、填料对聚合物基复合材料燃烧性的影响
含磷化合物的阻燃效果见下页表8. 三氧化钼和钼酸锑等钼化合物通常被用作PVC和含卤聚酯等塑料的阻燃剂。 阻燃性判据——氧指数(OI) 钼化物具有抑制燃烧时发烟的特点
0.46MPa
1.86MPa
105
60
145
95
162
150
190
70
255
250
100
90
115
105
3、光学性能(自学)
§8. 2 复合材料的燃烧特性 一、聚合物的燃烧特性
热散失
热分解 聚合物
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f 2
E2 E f Em E f Vf E f /VmEm 1
有人提出了更简单的关系式:E2 E f
Em E f 1Vf Vf Em
P105(7.24)
其中,Em
Em
1 m2
3、弹性理论法分析单向板的弹性性能
确定复合材料单向板弹性常数的弹性理论方法 基于各种模型和能量平衡法。
其中,Em=1
Em
2
m
2
m 基体的泊松比
分析复合材料的横向弹性模量E2时,没考虑在横
向载荷作用下,纤维和基体在纤维纵向所产生的不
同约束而引起的双轴效应明显不同。不同的约束是
由于两相的应变不同产生的,并且当两相的泊松比
不同时,则更加明显,于是Ekvall提出了对E2修正
公式:
1
Vf
Vm Vf E f m / Em
受同样的外加应力。
=2
f Ef


m
2
Em

= 2
2 E2
由于变形是在宽度W上产生的,所以复合材料的变 形增量为:
2
W W
W W f Wm
m
Wm Wm
Wm VmW
f
W f Wf
W f VfW
2W mVmW f V f W
2 mVm f V f
2
E2
Vm
2
Em
Vf
2
Ef
G12 、G f、Gm —分别为复合材料、纤维基体的
剪切模量
2、材料力学法预测E1、E2的修正 由于前面分析纵横向模量时,都作了一些假定,
分析材料纵向模量E1时,没有考虑基体内由于纤维 约束所引起的三轴应力情况。于是Ekvall提出了一 个考虑泊松收缩时对E1的修正公式:Biblioteka E1 E f Vf EmVm
纤维分布的邻接概念
● Halpin和Tsai利用简化的方法,提出了复合材 料弹性性能的预测方程:
E1 E f V f Em (1 V f )
12 f V f m (1V f )
P107(7.30)
M c 1 V f M m 1 V f
而 (M f M m ) 1
(M
f
M
)
m
M c 复合材料的E2 , G12 ,或12
式中:
12
(1 m 2 m 2 ) f E f V f (1 m 2 m 2 )E f V f
(1 f (1 f
2 f 2 ) m EmVm 2 f 2 )EmVm
当 12 f m 时,则上界变为:
E1 E f V f EmVm
⑵直接法确定单向板的弹性常数 邻接度(c):纤维之间的接近程度。(Tsai提出) c可由实验确定
面积 Am 组成的复合材料横截面积A上,纤维和基
体平行地承受应力,则有:
F Ff Fm
1A f Af m Am
设 Vf 和 Vm 分别为复合材料中的纤维体积含量和
基体体积含量,则有:
Vf
Af l Al
Af A
Vm
Am l Al
Am A
V f Vm 1
1 f V f mVm
两方法均以复合材料的组分特性来确定复合材料的 弹性模量和强度。
§7.1 连续纤维增强复合材料的力学复合
纤维形态
连续纤维 非连续纤维(短纤维)或晶须
晶须:长度为100~1000μm,直径约为1~10μm的单 晶体。
一、单向板的力学性能 1、材料力学法分析单向板的弹性性能
简单模型:
⑴ 单向板的纵向弹性模量E 1
1,1--复合材料的最终应变和应力
1m,m --基体的应变和应力
1 f , f --纤维的应变和应力
复合材料、基体和纤维的弹性模量分别为:
E1
Em
Ef
当一拉伸载荷沿平行于纤维方向作用在单向板上时:
则有: 1 1m 1 f
1 E11 m Em1 f E f f
当外加应力作用在由纤维横截面积 Af 和基体横截
D W
D W
若D

f
Dm分别为纤维和基体的变形量,则有
D D f Dm
f
D WV f
m
D WV m
W f WV f mWV m
f V f mVm

G12
f
Gf
m
Gm
G12
Gf
Vf
Gm Vm
1 V f Vm G12 G f Gm

G12
G f Gm G f Vm GmV f
1 Vm V f

E2 Em E f
E2
EmV f
EmE f E f (1 V f )
⑶单向板的主泊松比ν12
复合材料的主泊松比——是指在轴向外加应力时横 向应变与纵向应变的比值。
横向收缩,纵向伸长
主泊松比
12
2 1
1 —纵向应变
2 —横向应变
横向变形增量 W为:
W W f Wm
W
12
W
1
W f
f
VfW
1
Wm
m
VmW
1
121W V f f 1W Vm m1W
12 V f f Vm m
⑷单层板的面内剪切模量G12
假定纤维和基体所承受的剪切应力相等,并假 定复合材料的剪切特性是线性的,总剪切变量为D。
试样的剪切特性: f m
若试样宽度为W,则有剪切应变:
E1 E f V f EmVm
混合定律
或 E1 E f V f Em (1 V f )
上式为复合材料性能与复合材料组成性能加权和 之间的关系,被称为混合定律。
⑵ 单向板的横向弹性模量E 2
2 2m 2 f
垂直于纤维的横向载荷等同地作用载纤维和基
体上,即可以看作纤维与基体的串联模型,两者承
引言
复合材料力学复合的两个方面
细观力学 宏观力学
细观力学:根据增强体和基体性能及相互作用来了 解复合材料(更多的是单向复合材料)的特性,用 近似的模型来模拟复合材料的细观结构,然后根据 复合材料组分的性能来预测材料的平均性能。
细观力学处理方法
“材料力学”法 “弹性理论”法
宏观力学:依据单向复合材料的物理和力学试验所 得到的结果来进行分析。即根据单向复合材料的纵 向弹性模量E1、横向弹性模量E2、主泊松比ν12、面 内剪切模量G12以及适当的强度平均值,用宏观力学方 法来设计或预测复合材料的性能。
⑴ 能量法确定单向板的弹性常数
E1的下界的确定: 1 Vm V f E2 Em E f

E1 E2
1 Vm Vf E1 Em E f
( E1 的下界)
E1 的上界确定:
E1
1 f
(1
4 f
f 12 2
2 12 2
f 2)
EfVf
1
m
(1
4 m
m 12 2
2
m2)
12
2
EmVm
M f 对应纤维的E f ,Gf ,或 f
M m 对应基体的Em ,Gm ,或 m 取决于增强体的特征,还取决于加载条件。
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