聚合物复合材料(第四章结构与性能)

复合材料的复合效应
复合材料的性质 与增强组元（功 能组元）的含量 有线性关系
不同复合效应的类别 复合效应
线性效应
平均效应 平行效应
非线性效应
相乘效应 诱导效应
相补效应 相抵效应
共振效应 系统效应
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复合材料的复合效应
正效应 符合混合规则
负效应 突变
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复合材料的复合效应
线性效应 1.平均效应：复合材料的某项性能等于各组分的该项
一般都是根据构件受力情况来决定纤维排列的方向、层数及铺层顺序， 46 即铺层设计，获得多向纤维复合材料。
单向板纵向压缩性能
失效模式
压缩破坏取决于基体材料的破坏，选用抗压强度高的树脂 47
单向板冲击性能
缺口
破坏区域
复合材料冲击断裂形貌
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单向板冲击性能
纤维增强复合材 料的破坏过程包 括：①基体变形 和开裂；②纤维 破坏；③纤维拔 出；④界面脱粘； ⑤分层裂纹等。
复合材料的复合效应
线性效应
4.相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，若组分间
能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵 效应。Kc <ΣKiφi
比如脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当 两者间界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。 比如CF/GF混杂复合材料，强度不高、韧性差。
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1 聚合物基复合材料的结构
按照连通性，理论上可以把复合材料划分为以下几种 结构：
各向同 性
各向异 性
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1 聚合物基复合材料的结构
①无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、 晶须、短纤维）
②连续长纤单向增强结构（单向板） 增强体的排 列方式
③层合 ( 板 ) 结构 ( 二维织布或连续纤维铺 层，每层不同) ④三维编织体增强结构 ⑤夹层结构（蜂窝夹层等）
对于结构复合材料，分散相的强度、模量通常高于基体 相，分散相当加入往往使复合材料的力学性能高于基体相， 故人们习惯地把这类分散相称为增强体。 对于功能复合材料，分散相往往赋予复合材料以特殊的 3 化学或物理机械功能，故称之为功能体。
1 聚合物基复合材料的结构
聚合物基复合材料由聚合物与粒子填料或纤维状填料组 成，通常形成聚合物为连续相，填料、纤维为分散相，个 别的形成两相共连续结构
0
1
2
3
4
σc（MPa）
复合材料应力σc与玻璃纤维应力σf的关系 1.表面甲基硅油处理；2.未处理；3.NDZ-101处理；4.KH-570处 38 理
界面粘结的纤维
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拉伸时的应力分布
剪切力与拉应力转变
复合材料中纤维上受力状态和界面受力状态，随纤维的长径比 变化而变化，要增强，需达到临界长度和临界长径比
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复合材料断裂行为
脆性 断裂
脱粘或基体 剪切破坏 纤维 抽出
初始开裂
纵向拉伸破坏模式
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单向板的纵向拉伸性能
脆-脆复合材料（基体韧性小于增强材料）的拉伸特性
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单向板的纵向拉伸性能
脆-韧复合材料（基体韧性大于增强材料）的拉伸特性
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界面粘结对纵向拉伸性能的影响
4 8
3 6 2 4 2 1
σf MPa （ ）
1）金属材料在交变载荷的作用下，可以观察到单一主裂纹 有规律的扩展现象，这一主裂纹控制这最终的疲劳破坏。对 于复合材料往往出现较大范围的损伤，表现出非常复杂的疲 劳破坏行为，很少出现单一裂纹控制的破坏机理。 2）疲劳破坏在复合材料中总是从承载能力比较薄弱的纤维 处开始，然后逐渐扩展到结合面上，由于大范围的损伤，所 以复合材料的疲劳极限比较高。例如碳纤维－聚酯树脂复合 材料的疲劳极限是拉伸强度的70%～80%，而金属材料的疲劳 极限只有强度极限值的40%～50%。
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复合材料的复合效应
非线性效应 8.系统效应：这是一种材料的复杂效应，至目前为止，
这一效应的机理尚不清楚，但在实际现象中存在着这 种效应。 • 比如红、黄、蓝三色组成的彩色世界
• 比如涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和
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2 复合材料的性能
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2 复合材料的性能
单向板的纵向拉伸性能
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单向板的纵向拉伸性能
应力作用于纤维轴向时纤维增强复合材料的横向强度和弹性 模量的混合定律为： sc＝sf＝sm 1/Ec＝Vf/Ef＋Vm/Em
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单向板的横向拉伸性能
单向板横向拉伸的三种破坏模式：①基体破坏；②界面脱粘；③ 纤维破坏
45 提高复合材料的横向拉伸强度，可以通过提高基体强度来实现。
单向板复合材料的拉伸强度与拉伸方向关系
⑥混杂结构
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弥散结构
颗粒增强
短纤维增强
片状物增强
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单向板结构
单向连续纤维增强复合材料示意图 连续纤维在基体中呈同向平行排 列的复合材料叫单向连续纤维增强 复合材料（单向板）。
沿纤维方向具有较高的强度，与纤 维任意夹角方向的强度明显下降。
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层合（板）结构
正交织物增强（双向板）
层向强度最差
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1 聚合物基复合材料的结构
颗粒填充聚合物复合材料：无机粒子为分散相、聚合物为 连续相
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1 聚合物基复合材料的结构
纤维增强聚合物基复合材料：纤维为分散相、聚合物为连续 相
各向异性
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1 聚合物基复合材料的结构
连通性：复合体系中的任何相，在空间的零维、一 维、二维或三维方向上是相互连通的。
任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0，是零维材料（0维） 而包围它们的介质是网络体状的连续材料，连通性为 3， 即是三维材料（3维） 纤维状材料的连通性为1，是一维材料（1维） 相应的片状材料连通性为2，即二维材料（2维）
缺口
短纤维增强热塑性塑料的断裂示意图
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单向板冲击性能
冲击过程中裂纹扩展模式如右图，受 界面显著影响。 冲击过程的能量吸收包括：① 基体变 形和开裂；② 纤维破坏；③ 纤维拔 出（摩擦功）；④界面脱粘； ⑤分层 裂纹等多个方面；基体变形吸收较多 的能量。 热固性基体性脆，变形很小，冲击 韧性差。 热塑性基体可产生较大塑性变形， 冲击强度高。
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复合材料的复合效应
非线性效应 5.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。 电磁效应· 磁光效应=电光效应。 通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和 另一种换能材料Y/Z复合起来，即： X/Y· Y/Z＝X/Z 式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。
有机热敏电阻：温度/体积· 体积/电阻
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横晶 球晶
涤纶纤维增强聚丙烯复合材料
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复合材料的复合效应
非线性效应
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。
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复合材料的复合效应
由于芯材的容重 小，用它制成的 夹层结构，能在 同样承载能力下 ，大大减轻结构 的自重。
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混杂复 合材料 的混杂 类型
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2 聚合物基复合材料的基本性能
与传统的均质材料相比，聚合物复合材料具有许多优 异的性能：
1、设计制造方法有许多优点：投资少、上马快、设 计自由度大、成型简单、制品尺寸不限、着色自由等；
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2 聚合物基复合材料的基本性能
复合效应：对于由A、B两种原材料复合而成的材料C，其性
能既包含A、B两种原材料所固有的性能，又具有A、B两种原 材料所不具备的新性能。
源于耦合：原相材料及其所形成的界面相互作用、相互
依存、相互补充的结果。 复合效应表现为复合材料的性能在其组分材料基础上的线 性和非线性的综合。 19
此外，采用不同的成型工艺，制品性能亦有较大差异；
最后，增强纤维与基体树脂的界面粘结状况很大程度 上影响复合材料的性能。
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基体材料力学性能对复合材料力学性能的影响。 纵向拉伸强度 纵向压缩强度 横向拉伸强度 横向压缩强度 边缘剪切强度 层间剪切强度 弯曲强度 弱 强 强 弱 强 很强 弱、强
均保留本身的作用，既无制约也无补偿。 Kc ≌ Ki
对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱的复合材料所显示 的复合效应，可以看作是平行效应。
3.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。 C = A×B
对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到 适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补。 23
复合材料的疲劳性能一般高于基体的疲劳性能。
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复合材料和金属材料疲劳的对比
复合材料与金属材料 的结构构造不同，疲 劳的机理不同，所表 现出来的疲劳现象也 有很大的差别，总的 来说，复合材料的抗 疲劳的破坏比传统金 属材料好的多。
疲劳S-N曲线
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复合材料和金属材料疲劳的区别
复合材料与金属材料的疲劳性能区别如下：
2、具有优异的基本性能：比强度和比刚度高、电性 能和热性能良好、耐化学腐蚀性良好、耐水性优异、 耐候性和耐紫外线性良好、阻燃性和半透明、透明等 特点。
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2 聚合物基复合材料的基本性能
影响复合材料性能的因素：
增强材料的强度及弹性模量、基体材料的强度及化学 稳定性等是决定复合材料性能的最主要因素； 原材料选定，增强材料的含量及其排布方式与方向又 跃居重要地位；
双向板
多向板
三维编织纤维结构
三维正交非织造的纤维结构
(a)非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构 (c）一种柔性结构
(a)
厚度方向有增强纤维，可以获得较高的层间强度
(b)
(c)
管、容器的螺旋缠绕、平面缠绕线型
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夹层结构一般都是由高强度的蒙皮(表层)与轻质芯材组成 的一种结构材料。
夹Leabharlann Baidu 结构
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复合材料的复合效应
非线性效应 6.诱导效应：在一定条件下，复合材料中的一组分材料
可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整 体性能或产生新的效应。
例如结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或结晶基 体的晶形取向作用。
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纤维/树脂界面横晶形态：A碳纤维/聚苯硫醚 B 碳纤维/尼龙66 C 石墨纤维/聚醚醚酮
性能乘以该组分体积分数之加和。
表示为：Pc=PmVm+PfVf，式中P为材料性能，V为材料体 积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体。 如复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为： Ec=EmVm+EfVf
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复合材料的复合效应
线性效应 2.平行效应：即组成复合材料的各组分在复合材料中，
聚合物复合材料
1
第四章 结构和性能
1 聚合物基复合材料的结构 2 聚合物基复合材料的性能
2
1 聚合物基复合材料的结构
复合材料是由两种或两种以上的组分相所组成。组分相 由性质、形态和分布状态的不同，可形成不同结构类型的 复合材料。
在复合材料，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，而另一个（或几个）以独 立的形态分布于整个连续相中的相称为分散相。
• 某一组元a具有一系列性能A，B，C……，与另一组元b复 合后，能使a的多数性能B，C……受到较大抑制，唯独使 其性能A能充分地体现在复合材料中。
• 例如，有关领域要求导电而不导热的材料，就是通过选 择组元和复合状态，在保留导体组元导电性的同时，抑 制其导热性而获得的特殊功能材料。 • 共振效应在阻尼减振和电磁波吸收复合材料的研究和设 计中获得利用。
冲击过程中裂纹扩展模式
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单向板冲击性能 复合材料的冲击韧性：冲击韧性是复合材料的重要
性能，可由冲击强度和断裂韧性来表征。
韧性指数：裂 纹扩展能Qp与 裂纹引发能Qi 之比
DI
Qp Qi
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冲击性能的影响因素
（ 1 ）纤维增强树脂复合材料的冲击特性主要取决于成 型方法和增强材料的形态
成型工艺：纤维缠绕制品的冲击性能最佳，约 500kJ/m2 ，模压成型次之，约 50~100kJ/m2 ，手糊成 型和注射成型较低，在10~30kJ/m2之间。
如纤维的含量提高，冲击强度提高；
韧性树脂为基体，冲击强度对应高些； 界面粘结的影响就比较复杂。
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玻璃纤维/PP的冲击强度
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界面对冲击强度的影响
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复合材料的疲劳性能
疲劳的概念：在低于静态强度极限条件下的动载荷（交 变载荷）作用下，经过不同时间（或次数）破坏失效的现 象。 失效过程：疲劳过程→内部损伤（或疲劳裂纹）→内部 损伤累积至一定程度→材料突然破坏失效 四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂
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纤维长度对拉伸强度影响
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填料含量对拉伸强度的影响
临界体积分数：基体真正得到增强时的加入增强体的最 42 小体积分数。
单向板的强度与模量—纵向拉伸性能
应力作用于纤维轴向时纤维增强复合材料的纵向强度和弹性 模量的混合定律为：sc＝sfVf＋smVm Ec＝EfVf＋EmVm
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单向板的强度与模量—横向拉伸性能
纤维形态：玻璃布增强复合材料的冲击性能在 200~300kJ/m2 左 右 ， 玻 璃 毡 增 强 复 合 材 料 则 在 100~200kJ/m2之间，短玻纤复合材料的冲击性能最低。 53
冲击性能的影响因素
（ 2 ）纤维的种类、体积含量、基体材料以及界面粘结 状况等因素均影响复合材料的冲击性能。