第二篇 复合材料的力学性能
第九章 复合材料概述
• 复合材料的应用
运载火箭整流罩、广播卫星抛物面天线
雷达罩
无人驾驭长空一号飞机
AD-200轻型飞机
汽车外壳
汽车保险杠、后门
交通快艇
大型封头贮罐
大型通风管道
碳纤维自行车
气象火箭头锥 高硅氧纤维增强酚醛树脂 ——模压工艺制造
远程导弹仪器舱口盖 碳化硅纤维增强铝(SiC/Al)复合材料 ——固态热压净成型工艺制造
按增强材料的形态分类
• 连续纤维复合材料：作为增强相的纤维，各自的 两个端点都位于复合材料的边界。也称长纤维复 合材料。 • 不连续纤维复合材料：短纤维无规则地或按一定 取向分布在基体中，也称短纤维复合材料。 • 粒状复合材料：微小颗粒状的增强材料分散在基 体中制成复合材料。
Байду номын сангаас
• 编织复合材料：以平面二维或立体三维编织物为 增强材料与基体复合制成复合材料。
一、制备纤维增强复合材料的一般原则
为达到纤维增强的效果，必须遵循以 下原则： • 要选用强度和模量均高于基体的纤维作为 增强材料，而基体要选择软而韧、有延展 性的材料。并且，纤维尺寸越细，纤维复 合材料强度越高，
• 纤维与基体之间要有一定的相溶性或浸润 性，以保证所受力能通过界面传递给纤维。 若相溶性不好，就需对纤维进行涂覆 来改善。如碳纤维与铝复合材料，须先在 碳纤维表面涂敷一薄层铜或镍。 若相溶性过强，会使纤维与基体界面 结合力过大，当材料受力破坏时，会使纤 维失去拔出能而导致材料呈脆性断裂。因 此，相溶性要适当。
二、纤维复合材料的基本特性
• 比强度和比模量高，特别是连续复合纤维 材料。 • 各向异性的可控制性。如在单向复合材料 中，通过改变组分的含量可以改变纵向与 横向性能及其比值；同样变换铺层材料和 铺层方位也可以在相当大的范围内改变层 合板的性能。即：纤维增强复合材料是一 种性能可设计的材料。
复合材料的特点
由于复合材料的组分是可人为选择和设计 的，材料中至少有两种不同的独立的相。因此， 复合材料具有以下共同特点： ① 可综合发挥各组成材料的优点，使复合材料具 有多种性能。如玻璃纤维增强环氧基复合材料， 既具有类似钢材的强度，又具有塑料的耐腐蚀 性、介电性能。 ② 可按对材料性能的需要进行材料设计与制造。 ③ 可制成所需的任意形状的产品，并避免多次加 工工序。
按增强纤维种类分类（对纤维增强复合材料）
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玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 金属纤维复合材料：如钨丝、不锈钢丝 陶瓷纤维复合材料：如Al2O3、SiC等纤维
有机纤维复合材料：如聚脂纤维、聚烯烃纤维 等
按基体材料种类分类
• 聚合物基复合材料：如热固性树脂、热塑 性树脂、橡胶； • 金属基复合材料：如铝基、钛基、镁基、 铁基等；
TiC/Al复合材料 ——原位反应合成方法制造
SiC/Al管材试件 ——真空液态浸渗工艺制造
氮化硅陶瓷复合材料异形件 ——热压工艺制造
3D-C-SiC预成型 体（多向纤维编 织物构成增强体， 用于先驱体转化 法制备陶瓷基复 合材料）
玻璃纤维/不饱和聚脂树脂 ——拉挤方法制造的型材
§9.1复合材料及其分类
• 复合材料 由两种或多种性质不同的组分构成的 材料。材料各组分具有明显不同性质、组 分间存在明显界面，且复合后材料性质也 明显不同于组分原有性质时，才称之为真 正的复合材料。
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增强相与基体 通常，复合材料中包含了一种或几种 不连续相和一种连续相，且不连续相镶嵌 于连续相中。 一般地，不连续相的强度和硬度比连 续相高，故称为增强材料或增强相；连续 相则称为基体。
• 纤维排列方向要与构件受力方向一致，以充分发 挥纤维增强作用。这是因为纤维增强复合材料是 各向异性的均质材料，沿纤维方向性能最高，而 垂直纤维方向强度低。因此，纤维在基体中的排 列与构件的受力方向应合理配合。 • 纤维与基体的热胀系数应匹配，相差不能过大， 否则会在热胀冷缩过程中引起纤维与基体结合强 度降低。且纤维与基体之间不能发生使结合强度 降低的化学反应。 • 纤维所占体积分数、长度、长度与直径比等必须 满足一定要求。通常，纤维的体积分数越高、越 长、越细，增强效果越好。
• 陶瓷基复合材料：如Al2O3基。
按材料作用分类
• 结构复合材料：用于制造受力构件的复合 材料。 • 功能复合材料：用于各种特殊性能（如阻 尼、导电、导磁、屏蔽等）的复合材料。
§9.2 纤维增强复合材料及其基本特性
纤维增强复合材料是由高强度、高模 量、连续（长）纤维或不连续（短）纤维 与基体复合而成的材料。该类复合材料的 增强效果取决于纤维的特性，基体主要起 传递力的作用。此外，基体将纤维粘在一 起形成一个整体、保护纤维不受环境介质 侵蚀。