复合材料增强机理PPT课件
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④ 施加负荷时间对强度的影响 玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低 环境湿度较高时，尤其明显 原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使 微裂纹扩展速度加速。
•氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏 玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。 •氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低
腓尼基人
生活在今天地中海东岸
Na2CO3·NaHCO3·2H2O
性能差，一般不 用于增强材料
有碱GF：碱性氧化物（ K2O，Na2O）含量大于12％
碳化物
氧化物 氮化物 硼化物
碳化硅晶须 氧化铝晶须
高强度钢丝
金 属丝
不锈钢丝
铍丝 钨丝
从提高强度的角度来看
A、玻璃纤维
玻璃纤维卷
A、玻璃纤维
玻璃纤维绳
玻璃纤维带
玻璃纤维的制造方法有十几种，最主要的是坩埚法和池窑法。 1） 坩埚法 将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后，在大约
1260℃熔炼炉中熔融后拉丝而得。
350
300~ 700
440
300~ 600
块状 1600
块状 块状 5~8
40~ 20~ 1000~ 460 120 3000
玻璃存在许多微小裂纹，裂纹的数量越多，对应材料的强度就会越低。玻璃 纤维，直径达到微米级，如此小的直径，裂纹很少、也很难出现，材料的缺 陷少，对应强度就高。
影响玻璃纤维强度的因素：
向阳面与背阳面温差260OC
碳纤维复合材料的热膨胀系数小， 可满足这种环境的要求。
1、概述
化学相容性：
★ 对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两 相化学势相等，比表面能效应也最小。
★ 对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。 1）相反应的自由能 F： 小 2）化学势U： 相近 3）表面能T： 低 4）晶界扩散系数D： 小
1、概述
基体和增强材料
Matrix and Reinforcement
• 基体——连续相 • 增强材料——分散相
– 也称为增强体、增强剂、增强相等 – 显著增强材料的性能 – 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 – 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填
料。
• 在基体和增强体之间存在着界面。
5
13
1500
20
12.5
Βιβλιοθήκη Baidu
1210
90
12.7
360
1560
13
720
② 化学组成对拉伸强度的影响 含碱量越高，强度越低。 无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。
玻璃纤维 无碱 有碱
纤维直径(μm) 拉伸强度(MPa)
5.01
2000
4.70
1600
•无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大
（1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。
（2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应 力不应在增强剂上形成高的局部应力。
（3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的
界面结合及各类性能产生重要的影响。
1、概述
卫星在轨道上飞行时，要经得起
太空环境剧烈的温度交变（白天 100℃，夜间- 100℃ ），以及阳 面与阴面的温度差。
复合材料
1、概述 2、复合材料增强体 3、复合材料的界面 4、复合材料的增强机制
1、概述
复合材料历史
• 古代－近代－先进复合材料 • 天然复合材料
– 竹、贝壳，树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 – 动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
• 古代：使用 、效仿
– 半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今 – 漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 – 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆
颗粒增强
增强相形状示意图
复
层压复合材料
合
材
料
长纤维 增强
定向排布
纤维增强复合材料
短纤维 增强
混乱排布
取向性排布
1、概述
燕子窝：泥土-草复合材料
6000年前人类就已 经会用稻草加粘土 作为建筑复合材料。 水泥复合材料已广 泛地应用于高楼大 厦和河堤大坝等的 建筑，发挥着极为 重要的作用。
1、概述
1、概述
胶原纤维+磷酸钙 胶原纤维：非常合理地向抵御外力的方向取向 磷酸钙：海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔
1、概述
贵、腐蚀
1、概述
复合材料的缺点： *制备工艺复杂，材料性能受制备工艺影响
大，而且制备方法在材料之间常常不通 用； *当前复合材料的性能仍远远低于计算值。
1、概述
物理相容性：
2、复合材料增强体
增强体的性能要求： 1)、增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能， 如高的强度、高导热性、耐热性、导电性
2)、增强体应具有良好的化学稳定性。 3)、增强体与基体有良好的润湿性，或通过表面处理能与基 体良好润湿性。
增强体的分类
纤维类增强体
颗粒类增强体 晶须类增强体
玻璃纤维 碳纤维 氧化铝纤维 碳化硅纤维 硼纤维 有机纤维
1、概述
复合材料：composite materials; composites
广义上讲：由两种或两种以上的物质组成的材料。 狭义上讲：由两种或两种以上的材料通过复合工艺组
合而成的新型材料。 三个要点：（1）材料组元——两种或以上不同组元
（2）制备工艺 （3）新型材料——具有原组元所不具备的新性能
中碱GF：碱性氧化物含量6％－12％ GF
低碱GF：碱性氧化物含量 2％－6％
耐酸腐蚀 价格便宜
无碱GF：碱性氧化物含量小于2％: E-GF
注意：碱性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纤维的 熔点越低，越容易制备，但纤维的强度降低，易吸潮
强度高，耐热性 能好，电气性能 好，在复合材料
中应用多
③ 存放时间对强度的影响 玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低—纤维的老化。 原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀
3-2
弹珠：均匀性、气泡
2） 池窑法
池窑法省去了制玻璃珠和二次熔融的过程，比坩埚法节 能50%左右，生产稳定，适用于大规模生产。
3-3
A、玻璃纤维
羊毛
亚麻
棉花
生丝
尼龙
高强合 金钢
铝合 金
玻璃
玻璃 纤维
纤维
直径 ~15 (μm)
16~ 50
10~ 20
18 块状
拉伸 强度
(MPa)
100~ 300
① 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 直径越细，拉伸强度越高。 长度增加，拉伸强度显著下降。
直径(μm) 性能
拉伸强度 (MPa)
4
3000~ 3800
5
2400~ 2900
7
1750~ 2150
9
11
1250~ 1050~ 1700 1250
玻璃纤维长度(mm) 纤维直径(μm) 平均拉伸强度(MPa)
•氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏 玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。 •氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低
腓尼基人
生活在今天地中海东岸
Na2CO3·NaHCO3·2H2O
性能差，一般不 用于增强材料
有碱GF：碱性氧化物（ K2O，Na2O）含量大于12％
碳化物
氧化物 氮化物 硼化物
碳化硅晶须 氧化铝晶须
高强度钢丝
金 属丝
不锈钢丝
铍丝 钨丝
从提高强度的角度来看
A、玻璃纤维
玻璃纤维卷
A、玻璃纤维
玻璃纤维绳
玻璃纤维带
玻璃纤维的制造方法有十几种，最主要的是坩埚法和池窑法。 1） 坩埚法 将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后，在大约
1260℃熔炼炉中熔融后拉丝而得。
350
300~ 700
440
300~ 600
块状 1600
块状 块状 5~8
40~ 20~ 1000~ 460 120 3000
玻璃存在许多微小裂纹，裂纹的数量越多，对应材料的强度就会越低。玻璃 纤维，直径达到微米级，如此小的直径，裂纹很少、也很难出现，材料的缺 陷少，对应强度就高。
影响玻璃纤维强度的因素：
向阳面与背阳面温差260OC
碳纤维复合材料的热膨胀系数小， 可满足这种环境的要求。
1、概述
化学相容性：
★ 对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两 相化学势相等，比表面能效应也最小。
★ 对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。 1）相反应的自由能 F： 小 2）化学势U： 相近 3）表面能T： 低 4）晶界扩散系数D： 小
1、概述
基体和增强材料
Matrix and Reinforcement
• 基体——连续相 • 增强材料——分散相
– 也称为增强体、增强剂、增强相等 – 显著增强材料的性能 – 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 – 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填
料。
• 在基体和增强体之间存在着界面。
5
13
1500
20
12.5
Βιβλιοθήκη Baidu
1210
90
12.7
360
1560
13
720
② 化学组成对拉伸强度的影响 含碱量越高，强度越低。 无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。
玻璃纤维 无碱 有碱
纤维直径(μm) 拉伸强度(MPa)
5.01
2000
4.70
1600
•无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大
（1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。
（2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应 力不应在增强剂上形成高的局部应力。
（3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的
界面结合及各类性能产生重要的影响。
1、概述
卫星在轨道上飞行时，要经得起
太空环境剧烈的温度交变（白天 100℃，夜间- 100℃ ），以及阳 面与阴面的温度差。
复合材料
1、概述 2、复合材料增强体 3、复合材料的界面 4、复合材料的增强机制
1、概述
复合材料历史
• 古代－近代－先进复合材料 • 天然复合材料
– 竹、贝壳，树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 – 动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
• 古代：使用 、效仿
– 半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今 – 漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 – 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆
颗粒增强
增强相形状示意图
复
层压复合材料
合
材
料
长纤维 增强
定向排布
纤维增强复合材料
短纤维 增强
混乱排布
取向性排布
1、概述
燕子窝：泥土-草复合材料
6000年前人类就已 经会用稻草加粘土 作为建筑复合材料。 水泥复合材料已广 泛地应用于高楼大 厦和河堤大坝等的 建筑，发挥着极为 重要的作用。
1、概述
1、概述
胶原纤维+磷酸钙 胶原纤维：非常合理地向抵御外力的方向取向 磷酸钙：海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔
1、概述
贵、腐蚀
1、概述
复合材料的缺点： *制备工艺复杂，材料性能受制备工艺影响
大，而且制备方法在材料之间常常不通 用； *当前复合材料的性能仍远远低于计算值。
1、概述
物理相容性：
2、复合材料增强体
增强体的性能要求： 1)、增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能， 如高的强度、高导热性、耐热性、导电性
2)、增强体应具有良好的化学稳定性。 3)、增强体与基体有良好的润湿性，或通过表面处理能与基 体良好润湿性。
增强体的分类
纤维类增强体
颗粒类增强体 晶须类增强体
玻璃纤维 碳纤维 氧化铝纤维 碳化硅纤维 硼纤维 有机纤维
1、概述
复合材料：composite materials; composites
广义上讲：由两种或两种以上的物质组成的材料。 狭义上讲：由两种或两种以上的材料通过复合工艺组
合而成的新型材料。 三个要点：（1）材料组元——两种或以上不同组元
（2）制备工艺 （3）新型材料——具有原组元所不具备的新性能
中碱GF：碱性氧化物含量6％－12％ GF
低碱GF：碱性氧化物含量 2％－6％
耐酸腐蚀 价格便宜
无碱GF：碱性氧化物含量小于2％: E-GF
注意：碱性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纤维的 熔点越低，越容易制备，但纤维的强度降低，易吸潮
强度高，耐热性 能好，电气性能 好，在复合材料
中应用多
③ 存放时间对强度的影响 玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低—纤维的老化。 原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀
3-2
弹珠：均匀性、气泡
2） 池窑法
池窑法省去了制玻璃珠和二次熔融的过程，比坩埚法节 能50%左右，生产稳定，适用于大规模生产。
3-3
A、玻璃纤维
羊毛
亚麻
棉花
生丝
尼龙
高强合 金钢
铝合 金
玻璃
玻璃 纤维
纤维
直径 ~15 (μm)
16~ 50
10~ 20
18 块状
拉伸 强度
(MPa)
100~ 300
① 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 直径越细，拉伸强度越高。 长度增加，拉伸强度显著下降。
直径(μm) 性能
拉伸强度 (MPa)
4
3000~ 3800
5
2400~ 2900
7
1750~ 2150
9
11
1250~ 1050~ 1700 1250
玻璃纤维长度(mm) 纤维直径(μm) 平均拉伸强度(MPa)