聚合物复合材料(第四章结构与性能)
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弱 强 强 弱 强 很强 弱、强
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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。
➢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)
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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:
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
• 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。
✓ 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;
✓ 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
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复合材料的性质 与增强组元(功 能组元)的含量 有线性关系
复合材料的复合效应
不同复合效应的类别
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复合材料的复合效应
符合混合规则 负效应
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正效应
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性
能乘以该组分体积分数之加和。
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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。
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弥散结构
颗粒增强
短纤维增强
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片状物增强 10
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202夹1/2角/21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)
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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
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复合材料断裂行为
脆性 断裂
纤维 抽出
脱粘或基体 剪切破坏
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
2021/脆2/21-脆复合材料(基体韧性小于增强材料)的拉伸特性 36
各向同 性
各向异 性
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1 聚合物基复合材料的结构
增强体的排 列方式
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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) 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) ⑥混杂结构
➢有机热敏电阻:温度/体积·体积/电阻
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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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处理
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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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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
➢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
化学或物理机械功能,故称之为功能体。
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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
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单向板纵向压缩性能
失效模式
压2021缩/2/2破1 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
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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。
• 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。
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非线性效应
复合材料的复合效应
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
➢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。
小体积分数。 2021/2/21
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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
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
层向强度最差
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双向板
多向板
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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)
பைடு நூலகம்(b)
(c)
厚度方向有增强纤维,可以获得较高的层间强度
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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。
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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
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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。
100~200kJ/m2之间,短玻纤复合材料的冲击性能最低。
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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。 ✓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。
聚合物复合材料(第四章结构与性能)
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
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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。
夹层 结构
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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纤维/树脂界面横晶形态:A碳纤维/聚苯硫醚
2021/2/21 B 碳纤维/尼龙66 C 石墨纤维/聚醚醚酮
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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
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,
均保留本身的作用,既无制约也无补偿。 Kc ≌ Ki
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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。
缺口
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短纤维增强热塑性塑料的断裂示意图 49
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。
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
➢ 影响复合材料性能的因素:
性能
✓ 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;
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
σf MPa
( )
3 6
2
4
1
2
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
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热塑性基体可产生较大塑性变形, 冲击强度高。
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 Q p Qi
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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
提20高21/2复/21合材料的横向拉伸强度,可以通过提高基体强度来实现。45
单向板复合材料的拉伸强度与拉伸方向关系
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,
即铺20层21/设2/21计,获得多向纤维复合材料。
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。
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