第6章 复 合 材 料解析.ppt

6.4　复合材料的力学性能预测 6.4.1　定向连续长纤维复合材料的力学性能6.4.2　随机取向短纤维复合材料的力学性能 6.4.1　定向连续长纤维复合材料的力学性能 1.载荷平行于纤维2.载荷垂直于纤维 对于随机取向的短纤维复合材料，其性能混合定则，如弹性模量变为 Ec=KEfVf+EmVm(6-9) 式中，K为纤维系数，它与纤维的体积分数Vf和纤维与基体材料的弹性模量的比值Ef/Em有关，通常，K=0.1~0.6。由于短纤维的取向是随机的，复合材料在各个取向具有相同的力学性能。 6.4.2　随机取向短纤维复合材料的力学性能 例题　连续单一取向的玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料，含有体积分数为40%的玻璃纤维，其弹性模量为69GPa；含有体积分数为60%聚酯树脂，其弹性模量为3.4GPa。 1)计算复合材料在纤维方向的弹性模量。2)计算复合材料在垂直纤维方向的弹性模量。3)假设玻璃纤维和聚酯树脂的拉伸强度分别为3500MPa和69MPa，计算复合材料在纤维方向的拉伸强度。 1.浸润 图6-8　液体在固体表面的平衡 2.界面结合 (1)机械铰合　增强纤维与基体之间的机械铰合可形成界面结合。(2)静电结合　当增强纤维和树脂基体二者表面带不同的电荷时，正电荷-负电荷之间会产生界面静电结合。(3)化学键结合　增强纤维表面的化学基团与树脂基体表面的化学基团之间靠化学反应形成化学键结合。(4)分子缠结结合　当基体与增强体都是聚合物材料时，增强纤维表面的长链高分子与树脂基体表面的长链高分子相互缠结结合。(5)扩散反应结合　扩散反应结合发生在金属基与陶瓷基复合材料中。 3.增强材料的表面处理 (1)玻璃纤维　通常玻璃纤维(主要成分是硅酸盐)与树脂基体的界面粘接性不好，故常采用偶联剂涂层的方法对纤维表面进行处理。(2)碳纤维　碳纤维(主要为石墨结构)轴平行于石墨结构的基本平面，因此，用未经表面处理的碳纤维制成的复合材料其层间剪切强度低。(3)芳纶纤维　目前主要是基于化学键理论，通过有机化学反应和等离子体处理，在纤维表面引进或产生活性基团，从而改善纤维与基体之间的界面粘接性能。 (4)其他纤维　对于用于制备金属基复合材料的纤维，表面处理的目的主要是改善纤维的浸润性和抑制纤维与金属基体之间生成界面反应层。 6.3　常用复合材料及其性能 6.3.1　聚合物基复合材料6.3.2　金属基复合材料6.3.3　陶瓷基复合材料 6.3.1　聚合物基复合材料 1.聚合物基复合材料的基体与增强体2.聚合物基复合材料的成型加工技术3.聚合物基复合材料的性能4.常用聚合物基复合材料5.聚合物基复合材料的应用 1.聚合物基复合材料的基体与增强体 (1)基体　聚合物基复合材料的基体可分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。(2)增强体　在聚合物基复合材料中，常用的增强体形状为颗粒状、短纤维和长纤维，其中长纤维应用最多。 图6-9　用热固性树脂制备预浸料坯带示意图 2.聚合物基复合材料的成型加工技术 1)浸渍。2)铺层。3)合并。4)固化。 (1)手糊成型　手糊成型是早期采用的简单聚合物基复合材料的制备方法，可以用图6-10所示的生产流程图来表示。(2)喷射成型　图6-11所示为喷射成型示意图。(3)模压成型　模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法，其设备与塑料成型设备类似。(4)树脂传递模塑成型(Resin Transfer Molding，简称RTM)　RTM是一种闭模成型方法，其基本过程如图6-12所示。 (5)连续缠绕成型　连续纤维缠绕成型如图6-14所示。(6)拉挤成型　图6-15所示为拉挤成型过程原理图。(7)真空压力成型　真空热压成型以预浸料坯带为原材料，经过铺层，将铺层件用真空袋包装，抽真空及加热加压等过程使产品固化成型。 图6-10　手糊成型生产流程图 图6-11　喷射成型示意图 图6-12　树脂传递模塑成型 3.聚合物基复合材料的性能 (1)具有较高的比强度和比模量　纤维聚合物复合材料的强度及模量与常用的金属材料，如钢、铝、钛相当。(2)抗疲劳性能好　金属材料的疲劳破坏是由里向外发展的，断裂突然发生，事前没有任何预兆。(3)减振性能好　具有较高自振频率的受力部件会避免工作状态下引起的早期破坏。(4)安全可靠性高　聚合物基复合材料中有大量的独立纤维，每平方厘米的复合材料上有几千根甚至上万根纤维，在短期内不至于使整个构件失去承载的能力。 (5)可设计性强、成型工艺简单　通过改变纤维、基体的种类和相对含量，以及纤维集合形式和排列铺层方式等可以满足对复合材料结构与性能的各种设计要求。 表6-4　金属与聚合物基复合材料的比强度和比模量对比 4.常用聚合物基复合材料 (1)玻