纤维增强树脂基复合材料强化机制

料， 能承受断裂应力的纤维比例大大减小， 所以复合材料的极限强度将低于
单向纤维强化的复合材料。 因此， 决定短纤维强化复合材料强度的要素应考 虑纤维取向和纤维长度两个因素。
2 复合材料的韧性和断裂功
为了提高复合材料的韧性， 必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。
材料变形
吸收 能 量 的 方 式 形成新的表面
预热→热压成型→热处理→手工加工→产品( 合格试样) ． 其中烘干预处理采
用 DHG－9076A 型电热恒温鼓风干燥箱，混料采用主轴转速为1000r/min
的JF801S 型实验用犁耙式混料机进行搅拌， 热压成型在 Y32 － 63T 四柱 上压式液压机上进行。
2.实验方法
原料预处理 试 混料 样 制 模压成形 备 热处理 硬度测试 冲击试验 定速摩擦 磨损实验
式中 σ 表示承受的应力， E 为弹性模量，V 代 表体积分数，下标 c、 f 和 m 分别代表复合材料 （ composites）、纤维 （ fiber）和基体 （ matrix）。
在复合材料断裂前，无论是基体还是纤维，其应变应该是一致的：
εc=εm=εf=σm/Em=σf/Ef
(4)
对于脆性基体复合材料， 当基体的应变大于其临界断裂应变时， 基体发生断
复合材料
金属
复 合 材 料
铝、镁、铜、钛及其合金
基体
非金属
合成树脂、橡胶、陶瓷、 石墨、碳等
增强材料
玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶 纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶 须、金属丝和硬质细粒等
第二章
纤维强化机制
1.复合材料的断裂强度
当复合材料承受载荷时，如图 l 所 示， 其应 力和弹性模量服从混合法则，即：
裂。 由于基体弹性变形极小，也没有塑性变形，所以在基体断裂瞬间， 纤维
并未充分发挥作用。
设εmu＜εfu，基体断裂后， 它所承载的应力分量全部转移给纤维。 此时复合 材料所承担的应力由式（ l）和式 （ 4）可推导出：
下标 mu 和 fu 分别代表基体和纤维断裂。从式 （ 5）看出， 对于脆性基体 复合材料， 如果基体的断裂应变εmu 小于纤维的断裂应变εfu， 要想复合材料
于树脂高温粘结作用逐步失效后引起表面材料脱落的
磨损． 此时材料的摩擦系数( 0． 32) 变化不大而磨 损率［ 0.63×10-7cm3 /( N·m) ］ 略有减小．
定速摩擦试验表明竹纤维对基体的增强作用 在其体积百分数为 13% 时达到较佳果． 从 图 ( c)中可以看出: 在盘温 100 ℃ 下试样磨 损表面仍存在大量连续的摩擦膜， 仅在摩 擦膜边缘交界处分布着一些剥落的屑． 说 明材料承受干摩擦状态的滑动磨损时主要以 磨粒磨损为主， 此时其摩擦系数为0. 31， 磨损率为 0.43×10-7 cm3 /( N·m) ．
内， 引起拉伸失效而不是界面剪切失效的最短纤维长度。 L> Lc 时， 才有强
化效果。
在复合材料中， 如果纤维的长度大大长于临界长度， 那么复合材料的强度与 连续长纤维强化情况相当。 在复合材料承受载荷时， 纤维所承受的应力是沿 纤维长度方向变化的， 在中心达到最大值。 对于随机取向的纤维强化复合材
维首先应发生脱粘才能被拔出。 纤维拔出会使 裂纹尖端应力松弛， 从而减缓了裂纹的扩展。 纤维的拔出需要外力做功，因此起到增韧作用。
3.纤维拔出
纤维拔出需做的功Q t: Qt= 平均力 距离 = d l 2 / 2 当纤维发生断裂，此时纤维的最大长度为l c/ 2 ，拔出每根纤维所做的最大功 为：Qt= d lc2 / 8 = d2fu lc/ 16 Qt/ Qp= fu / 3 Ef 因Ef fu，所以纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧效果要比纤 维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的增韧机理。
却忽略了摩擦材料在制动过程中被释放到环境中的化学物质粒子可能具有的
毒性或可致基因突变性。
植杆复合材料 ,是利用一年生的植物杆维作为增强组分材料 , 以脂树作为
粘结 的基体材料 , 通过物理与化学的双重作用 , 制成性能优良的复合材料 。 靠基体将纤维粘合在一起（树脂，金属）
靠纤维塑化形成的氢键结合力成材（纤维板）
不同形状磨屑，可能由表面流动、 切削或细微层搓卷而
成，说明树脂对基体中增强纤维相、 填料等粘结作用不 佳． 此时材料摩擦系数为 0.32，磨损率为0.68×10－
7cm3/(
N·m) ．
( b) 所示， 表面膜的塑性变形更加均匀化，且磨屑 的形状细小． 摩擦表面出现疲劳磨损和热磨损特 征． 此时摩阻材料表面产生较大的温度梯度，受循 环热应力的作用，在表面膜产生冷焊现象，使摩阻材 料的表面产生裂纹，并扩展至小块磨粒而剥落，就会 产生热疲劳磨损． 因此在该温度下的磨损主要是由
较 优 含 量
竹,陶, 竹/陶 摩擦 磨损 实验
摩擦材料的磨 损磨损情况 摩擦材料的磨 损磨损情况
竹,陶 成分 范围
正交 优化 实验
CHASE实验 惯量实验 正交优化对比实验
与市 售刹 车片 对比
单因素实验
摩擦磨损实验
3.现有的实验仪器及设备
混料设备
SK2高速搅拌机
制样设备
飞纳台式扫描电镜，白光 共焦三维轮廓仪
机械性能测试设备
XJJU-5.5摆锤式冲击试验机 XHR-150型塑料洛氏硬度计
摩擦磨损试验设备
X-DM调压变速摩擦试验机、 MM-1000型摩擦磨损试验机、 MMS-2A微机控制摩擦试验机
4.竹纤维增强制动摩阻材料的摩擦磨损机理分析
分别对含质量百分数为 0% 、 13% 和 17% 的竹纤维试样在盘温为 100 和 300 ℃ 测试后的表面形貌进行微观分析。 ( a)中可以观察到，盘温在 100 ℃ 时未增强试样摩擦后 表面呈不规则的崎岖状， 有平行于摩擦力方向的摩擦痕 迹，呈明显的磨粒磨损特征，此外还有较小的带片形态 的黏着磨损特征． 表面存在大量碎片状、 瓣状和球状等
4.纤维桥接
对于特定位向和分布的纤维， 裂纹很难 偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩 展，这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断
裂， 而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸
连在一起，这会在裂纹表面产生一个压 应力，以抵消外加拉应力的作用，从而 使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。
第三章
纤维强化树脂基课题
近几十年来， 材料学者们越来越重视新开发的工程材料要具备生态友好性， 这种趋势同样也已深入到摩擦材料行业中。 过去人们关注高性能汽车制动材 料合适的摩擦系数、 可靠的稳定性、 满意的舒适性及合理的使用寿命等 ，
5.结论
a． 在树脂基制动复合材料中加入竹纤维能改善低温摩擦磨损性能， 并具有一定的 减震降噪的效果，而在超过其热分解温度的高温下磨损时其增强效果会被削弱，甚 至出现热衰退现象． b． 适当的竹纤维含量( 如质量百分数为 13%时) 能在保证良好的制备工艺性的前提 下， 稳定制动材料在不同盘温下的摩擦系数并降低磨损率， 提高制动安全性和使用 寿命． c． 若竹纤维含量过多 ( 如质量百分数超过17% ) ，复合材料在低温时仍保持较理想
纤维增强树脂基复合材料强化机制
主讲人：周子涵
福建土楼
土楼墙壁先用石块和灰浆砌筑 起墙基，接着就用夹墙板夯筑 墙壁，土墙的原料为当地粘质
红土，掺入适量的小石子和石
灰，俗称熟土。一些关键部位 还要掺入适量糯米饭，红糖， 以增加其粘性，土墙中间还要 买入杉木枝条竹片为墙骨增强
其拉力。
Content
01 02
去了混杂增强的效果，同时也使周边的树脂及其他
组分致密性严重降低并更多地暴露在恶劣的摩擦副 表面． 此时竹纤维碳化形成的膜在摩擦表面起到了 润滑作用， 使摩擦系数降低至0.27; 且在摩擦剪切 力作用下更多地出现断裂、 剥落等现象，成为摩擦
对偶间的磨料而加速了系统的磨损， 故磨损率也急
剧升高至 1.18×10-7cm3 /( N·m) ．
纤维断裂、基体变形、裂纹 弯曲 和偏转、纤维脱粘 、 纤维拔出 、分层裂纹 、纤 维桥接。
增加断裂表面，即增加裂纹 的扩展路径 脆性基体和纤维
1.纤维断裂
断裂从材料中固有的小缺陷开始。 这些小 缺陷或许是已断裂的纤维基体中的裂纹或脱粘 的界面。 原始裂纹形成之后， 在负载产生的应 力作用下，裂纹开始扩展。 这时，在距裂纹前端 一定距离的纤维是完好的， 但处于高应力状态 下裂纹前端的纤维则可能断裂， 尽管这种断裂 不一定发生在材料的断裂面。 紧靠裂纹前端的 纤维在断裂之前可能发生从基体中拔出 ， 与基体 脱粘 等行为。 纤维在发生拔出和脱粘的瞬间，仍 然可能保持完好，随着裂纹的进一步扩展， 纤维 在脱粘或拔出后断裂。 这种断裂可能发生在断口， 也可能发生在基体内部。
2.纤维脱粘
复合材料中纤维脱粘产生了新的表面， 因
此需要能量。 尽管单位面积的表面能很小， 但所有脱粘纤维总的表面能则很大。 每根纤维 的脱粘能量Q p为： 其中 d：纤维直径 lc:纤维临界长度 σfu：纤维拉伸强度 Ef：纤维弹性模量
3.纤维拔出
纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应
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力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。 纤
03 04
复合材料 纤维的强化机制 纤维增强树脂基课题 碳纤维复合材料
第一章
复合材料
复合材料
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的 方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。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。
由于应变的差异， 造成纤维上的拉应力 和界面上的剪应力分布如图 3 所示，即 在纤维末端的拉应力为零， 界面剪应力
最大；在纤维的中点拉应力最大，界面
剪应力几乎趋于零 （ 若纤维足够长）。 正是界面剪应力的变化 （ 称为剪切效应 （ shear effect））才引起了纤维上的 拉应力变化。
在弹性变形范围内， 纤维上的拉应力σf =εmEf，随载荷的增加，基体的应变 εm 增大， 因此σf 也随之增大。 从图 3 可知， 只有当纤维长度等于 Lc 时， 纤维上的拉应力才能达到纤维的断裂强度σfu， 因此 Lc 称为临界纤维长度， 它是使应力达到纤维断裂时的最短纤维长度， 可定义为在给定纤维长度范围
当温度升高到 300 ℃ 时，竹纤维和树脂基体热解 导致摩擦表面形成黏着磨损为主的微观形貌， 不断 熔融和冷却界面物质以转移膜的形式以涂抹覆盖在 基体表面，如图 ( d) 所示． 而大量转移膜在摩擦 力的作用下不断地被剪切、涂覆、 碾压、 展开， 使材料表现出较好的摩擦阻力，并在连续摩擦过程 中保持较少的磨损量，故 试 样 摩 擦 系 数 为 0.33， 磨 损 率 为 0.42×10-7cm3 /( N·m) ． 这可以说明 适量竹纤维的加入对稳定不同盘温下复合材料的摩 擦磨损率性能有较积极的作用，能提高摩阻材料在 实际工况中的制动安全性和使用寿命．
1.试验材料及制备
本试验中配方原料如下: 以腰果壳油改性酚醛树脂为粘结剂，竹纤维钢纤维、 无机盐晶须等为增强相，铜粒、 人造石墨、 刚玉微粉、 氧化铁粉等为摩擦性 能调节剂，硫酸钡、 叶腊石粉等为填料进行制动摩阻材料的配方设计。
试样制备采用热压成型工艺． 工艺路线如下: 原料预处理→称料→混料→模具
当竹 纤 维 体 积 百 分 数 达 到 17% 时， 材 料 在100 ℃ 的磨损测试后基体和竹纤 维的结合仍较紧密，表面膜连续稳定，如
图 ( e) 所示． 此时材料具有相对较好的
摩擦磨损性能， 其摩擦系数为 0.33， 磨 损率 0.34 × 10-7cm3 /( N · m ) ．
但 当 盘 温 升 至300 ℃ 时情况发生了变化，如图 ( f) 所示，高温不仅使大量竹纤维碳化、 剥落而失
得到强化， 必须 Ef 大于 Em， 即纤维需要较高的弹性模量。 强度提高的程度
取决于Ef / Em 之比。如果选择的强化组元 Ef 小 于Em，基体不仅得不到强化， 反而会使强度降低。
对于短纤维强化复合材料， 仅仅只是那些平行于拉 伸方向的纤维和当纤维的长度超过临界长度的情况 下， 纤维的极限强度才能发挥作用。 现研究基体 中只有一条短纤维的情况 。考虑长度为 L 的短纤维 嵌入在弹性模量小的基体上， 假设纤维与基体的界 面粘结很好且界面很薄，当沿纤维方向施加一载荷 时，那么施加到基体上的应力将通过界面传递到纤 维上。 由于基体与纤维的弹性模量不同， 因此产 生的拉伸应变不同， 在纤维末端处纤维的应变将小 于基体的应变，如图 2 所示。