第二篇 复合材料增强原理

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
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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：
δ f Af V f E f = = Pm δ m Am Vm Em
Pf
纤维/基体弹性模量↑，纤维体积含量↑，则纤 维承载越大
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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： 纤维的强度和弹性模量应远高于基体； 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； 纤维的排列方向要与构件的受力方向一致； 纤维与基体的热胀系数应匹配； 纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应； 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。
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位错在晶面上滑移（ 和在TiC颗粒前位错的塞积（ TiC颗粒前位错的塞积 图2.2 位错在晶面上滑移（a）和在TiC颗粒前位错的塞积（b）
图2.3 两相不均匀变形在界面形成的位错环
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不同体积分数的粒子对性能的影响
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纤维增强机制 纤维增强复材： 纤维增强复材： 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 基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维 基体 等），不是主承力相。 纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。 纤维 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）
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图2.4 短纤维周围的应变
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裂纹扩展方向
Biblioteka Baidu纤维断裂
当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂， 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。 体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。
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当纤维与基体有适当的界面结合强度时， 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， 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。
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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
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弥散增强机制—位错绕过理论 位错绕过理论 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0.1～0.01µm，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。 强化效果： 强化效果： 取决于粒子直径、体积分数。
图2.1 颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图
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颗粒增强机制 颗粒增强复合材料：尺寸较大(>1µm)的坚硬颗粒及基体 复合而成 粒子直径为1～50µm，体积分数>20% 机理： 机理： 颗粒阻碍基体位错运动强化 不均匀变形引起位错增殖强化 与弥散增强机制的不同点： 与弥散增强机制的不同点： 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。