第二篇 复合材料增强原理
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复合材料学之二
2.1.6 单向连续纤维增强复合材料的强度
• 1 单向连续纤维增强复合材料的纵向拉伸强度 • 复合材料在纵向受拉时，由力平衡可知复合材料纵向平均应力为
σ 0 L = σ f V f + σ mVm
= σ f V f + σ m (1 − V f )
复合材料变形第一阶段，纤维和基体都是弹性变形，则有 ε = ε f = ε m 因此：
τ0 =
G (1 − v cos 2 α ) 2π (1 − v)
α = 90 α =0
τ0 =
G 2π (1 − v) G τ0 = 2π
R Gb 2 E (90) = ln 2 4π (1 − v) R1 Gb 2 R2 E ( 0) = ln 4π R1
Gb 2 R E= ln 4πk r0
纤维受应力为：
σ fT = E fT ε fT = E fT
基体应力为：
∆l fT = σ fT l fT / E fT
σ mT = EmT ε mT = EmT
∆lmT lmT
∆lmT = σ mT lmT / EmT
• 代入得：
σ 0T lT
ET 1
• 式中：
=
σ fT l fT
E fT
l fT lT
设L向拉力P，且纤维与基体界面牢固，变形时无相对滑动， 即基体与纤维应变相同，基体将力通过界面完全传递给纤 维，根据力平衡关系，有：
P = A f σ f + Amσ m
A = A f + Am
Vf = Af A
P－载荷 A－复合材料截面积 Vm －基体体积分数
Am Vm = A
• 因此复合材料流动应力为： σ 0L
第2章 复合材料的增强材料PPT
5
纤维可分为无机纤维和有机纤维
6
（一） 有机纤维
聚芳酰胺纤维 聚乙烯纤维
1.聚芳酰胺纤维制备
芳纶是分子链上至少含有85%的直接与
两个芳环相连接的酰胺基团的聚酰胺经纺丝
所得到的合成纤维。目前，供复合材料作增
强材料最多的是聚对苯二甲酰对苯二胺
（ Poly (P-Phenylene terephthalamide)，
(3) kevlar纤维的结构
kevlar纤维具有优异力学、化学、热 学、电学等性能，而这是与其化学和物理 结构密切关联的。
H
O
C
CN
NC
C
O
H
O
H CN
O NC
芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复 合材料制件。
12
自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量 逐年增加。
其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之 广泛应用到军工和国民经济各个部门。
13
(1)PPTA树脂的合成和kevlar纤维的制备
PPTA聚合物是由严格等摩尔比的高纯度对
苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二胺单体
第2章 复合材料的增强材料
在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械 性能的高强度材料称为增强材料。
增强材料有时也称作增强体、增强剂等。
1
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物 ② 晶须 ③ 颗粒
2
一、纤维
如，植物纤维－－－棉花、麻类；
动物纤维－－－丝、毛；
矿物纤维－－－石棉。
天然纤维
强度较低，
现代复合材料的增强材料 用合成纤维。
处理得Kevlar纤维
Hale Waihona Puke 17(2) 芳纶纤维的性能特点
纤维可分为无机纤维和有机纤维
6
（一） 有机纤维
聚芳酰胺纤维 聚乙烯纤维
1.聚芳酰胺纤维制备
芳纶是分子链上至少含有85%的直接与
两个芳环相连接的酰胺基团的聚酰胺经纺丝
所得到的合成纤维。目前，供复合材料作增
强材料最多的是聚对苯二甲酰对苯二胺
（ Poly (P-Phenylene terephthalamide)，
(3) kevlar纤维的结构
kevlar纤维具有优异力学、化学、热 学、电学等性能，而这是与其化学和物理 结构密切关联的。
H
O
C
CN
NC
C
O
H
O
H CN
O NC
芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复 合材料制件。
12
自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量 逐年增加。
其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之 广泛应用到军工和国民经济各个部门。
13
(1)PPTA树脂的合成和kevlar纤维的制备
PPTA聚合物是由严格等摩尔比的高纯度对
苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二胺单体
第2章 复合材料的增强材料
在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械 性能的高强度材料称为增强材料。
增强材料有时也称作增强体、增强剂等。
1
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物 ② 晶须 ③ 颗粒
2
一、纤维
如，植物纤维－－－棉花、麻类；
动物纤维－－－丝、毛；
矿物纤维－－－石棉。
天然纤维
强度较低，
现代复合材料的增强材料 用合成纤维。
处理得Kevlar纤维
Hale Waihona Puke 17(2) 芳纶纤维的性能特点
复合材料----复合材料的复合原理及界面
复合材料
第二章复合材料的复合原理及界面
1、弥散增强和颗粒增强的原理
1）弥散增强：复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成，荷载主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大，微粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。
2）颗粒增强：复合材料是由尺寸较大（直径大于1 m）颗粒与基体复合而成，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好；颗粒尺寸越小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。
2、什么是混合法则，其反映什么规律
混合法则（复合材料力学性能同组分之间的关系）：σc=σf V f+σm V m，E c=E f V f+E m V m式中σ为应力，E为弹性模量，V 为体积百分比，c、m和f 分别代表复合材料、基体和纤维；反映的规律：纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。
3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些
金属基复合材料界面结合方式：
①化学结合
②物理结合
③扩散结合
④机械结合。
界面改性方法：
①纤维表面改性及涂层处理；
②金属基体合金化；
③优化制备工艺方法和参数。
4、界面反应对金属基复合材料有什么影响
界面反应和反应程度（弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应）决定了界面的结构和性能，其主要行为有：
①增强了金属基体与增强体界面的结合强度；
②产生脆性的界面反应产物；
③造成增强体损伤和改变基体成分。
复合材料原理第2章
12
基本思想： 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，因而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)。
r
2
（六边形阵列）
Vf
r
4 R
2
(正方形阵列）
1 2 s 2 1 r (六边形阵列） 2 3V f
s 2 4V f
1 1 r (正方形阵列） 2
磁阻效应
压磁效应
压电效应 磁致伸缩效应 光导效应 闪烁效应 热致变形效应
磁电效应
场致发光效应 压阻效应 电致效应 光导效应 压敏电阻效应
压电效应
压力发光效应 磁阻效应 光致伸缩 辐射诱导导电 热敏电阻效应
9
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。这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材 料界面的两侧发现。 Eg ：结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基 体的晶形取向作用。
13
可以得到： 1）、两相复合体系有l0种可能的连通性复合材料结构(0-0、 0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3)； 2）、三个相组成的复合体系结构有20种可能存在的连通性； 3）、四个相时，它可能存在35种连通性。
14
归纳：复合材料中含有几个组分相时，按照不同的联结 方式可能组成C种连通结构：
复合材料增强原理
基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维 等），不是主承力相。
纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。
假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作 用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移）， 在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维 上（图2.3、2.4）
高分子复合材料
图2.4 短纤维周围的应变
高分子复合材料
裂纹扩展方向
纤维断裂
当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体 能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。
高分子复合材料
当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从 基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度 提高。
高分子复合材料
图2.1 颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图
高分子复合材料
颗粒增强机制 颗粒增强复合材料：尺寸较大(>1μm)的坚硬颗粒及基体
复合而成
粒子直径为1～50μm，体积分数>20% 机理： 颗粒阻碍基体位错运动强化
不均匀变形引起位错增殖强化
与弥散增强机制的不同点： 载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束变形
高分子复合材料
第Байду номын сангаас章 复合材料增强原理
按增强材料的种类和性质，复合材料的强化机制可以分为三种：
弥散增强机制 颗粒增强机制 纤维增强机制
高分子复合材料
弥散增强机制—位错绕过理论 弥散强化复合材料： 弥散微粒、基体复合而成 粒子直径为0.1～0.01μm，体积分数为1%～15% 载荷主要有基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。 强化效果： 取决于粒子直径、体积分数。
一定要求。
高分子复合材料
几种典型复合材料的临界长度Lc和长径比Lc/d
纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。
假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作 用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移）， 在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维 上（图2.3、2.4）
高分子复合材料
图2.4 短纤维周围的应变
高分子复合材料
裂纹扩展方向
纤维断裂
当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体 能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。
高分子复合材料
当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从 基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度 提高。
高分子复合材料
图2.1 颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图
高分子复合材料
颗粒增强机制 颗粒增强复合材料：尺寸较大(>1μm)的坚硬颗粒及基体
复合而成
粒子直径为1～50μm，体积分数>20% 机理： 颗粒阻碍基体位错运动强化
不均匀变形引起位错增殖强化
与弥散增强机制的不同点： 载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束变形
高分子复合材料
第Байду номын сангаас章 复合材料增强原理
按增强材料的种类和性质，复合材料的强化机制可以分为三种：
弥散增强机制 颗粒增强机制 纤维增强机制
高分子复合材料
弥散增强机制—位错绕过理论 弥散强化复合材料： 弥散微粒、基体复合而成 粒子直径为0.1～0.01μm，体积分数为1%～15% 载荷主要有基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。 强化效果： 取决于粒子直径、体积分数。
一定要求。
高分子复合材料
几种典型复合材料的临界长度Lc和长径比Lc/d
复合材料的复合原理及界面
22
按照热力学条件，只有体系自由能减少时，液体才能 铺展开来，即
SL LG SG
因此，铺展系数SC(Spreading Coefficient)被定义为：
SC SG ( SL LG )
23
只有当铺展系数SC＞0时，才能发生浸润。不完全浸 润的情况如下图所示，根据力平衡，可得
近似表示为
x kt
1
2
k-反应速度常数，与扩散系数有关。
复合材料在使用过程中，尤其在高温使用时，界面会
发生变化并可形成界面层，此外先前形成的界面层也 会继续增长并形成复杂的多层界面。
50
上述理论有一定的实验支待，但也有矛盾之处。 如静电粘结理论的最有力证明是观察聚合物薄膜从 各种表面剥离时所发现的电子发射现象，由电子发射速 度算出剥离功大小与计算的粘结功值和实际结果相当吻 合。
26
对于一个指定的体系，接触角随着温度、保持时 间、吸附气体等而变化。 浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况， 而并不能表示界面的粘结性能。
27
一种体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之 间的结合可能很弱，如范德华物理键合形式。
因此良好的浸润性，只是两个组元间可达到良好粘结
的必要条件，并非充分条件。
9
界面上产生的这些效应，是任何一种单体材料所 没有的特性，它对复合材料具有重要作用。 如在粒子弥散强化金属中，微细粒子阻止晶格位 错，从而提高复合材料强度； 在纤维增强塑料中，纤维与基体界面阻止裂纹进 一步扩展等。
10
界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质
Байду номын сангаас
等有关，也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、
3复合材料的增强材料(精)
18
特种玻璃纤维
如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅 系高强高弹玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐 蚀玻璃纤维，含铅纤维，高硅氧纤维，石英纤维 等。
19
玻璃纤维的其它分类方法
以单丝直径分类，单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分为 以下几种。
名称
粗纤维
初级纤维
中级纤维
高级纤维 （纺织纤维)
复合材料原理
江苏大学材料学院
1
第二章 复合材料的复合原理及界面
2.1 复合原则
2.2 弥散增强及颗粒增强原理
2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性 2.7 复合材料界面表征
2
2.7 复合材料界面表征
界面形态及界面层结构的表征
16
中碱玻璃纤维
它是指碱金属氧化物含量在11.5％ ~ 12.5％之间
的玻璃纤维。
国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸 性好，但强度不如E玻璃纤维高。
它主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。
17
有碱玻璃(A玻璃)纤维
有碱玻璃称A玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶 的钠钙玻璃。 此种玻璃由于含碱量高，强度低，对潮气侵 蚀极为敏感，因而很少作为增强材料。
(界面层厚度与结构——图像分析，快速获得统计结果和分 布、结构与界面结合强度之间的关系、非破坏性观察)
4
第三章 复合材料的增强材料
在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械 性能的高强度材料称为增强材料。 增强材料有时也称作增强体、增强剂等。 增强材料共分为三类：纤维及其织物、晶须、 颗粒。
复合材料的原理
复合材料的原理
复合材料是由两种或两种以上的材料组成的，以达到优化特定性能的目的。
其原理主要包括以下几个方面：
1. 分散增强原理：通过将纤维、颗粒或片材等增强材料分散在基体材料中，使增强材料能够有效地分担载荷并提高强度和刚度。
增强材料的分散能够有效地抵抗裂纹扩展，提高材料的断裂韧性。
2. 耦合增强原理：当不同材料的力学性能和热胀系数等性质相近时，通过耦合增强的原理，可以使各种组分之间紧密结合，共同发挥作用。
这种耦合增强既提高了材料的强度和刚度，又提高了材料的耐热性和耐磨性等性能。
3. 界面改性原理：在复合材料的界面处，通过改性处理，能够提高不同材料之间的结合强度和界面性能。
界面改性既可以通过化学方法，如表面处理、涂覆等手段实现，也可以通过物理方法，如填充剂、粘接剂等手段实现。
4. 各向异性设计原理：复合材料的各向异性是指在不同方向上具有不同的力学性能。
通过设计合适的纤维布局、层序和材料配比等参数，可以实现复合材料在不同方向上的性能优化，使其在特定方向上具有较高的强度和刚度，从而提高材料的应用性能。
通过以上原理的综合应用，复合材料可以具有较高的强度、刚
度、韧性、耐热性和耐腐蚀性等优良性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子、建筑等领域。
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高分子复合材料
几种典型复合材料的临界长度Lc和长径比Lc/d
高分子复合材料
在单向连续纤维增强复合材料中，复合材料中组分承 载应力表达式：
δ f Af V f E f = = Pm δ m Am Vm Em
Pf
纤维/基体弹性模量↑，纤维体积含量↑，则纤 维承载越大
高分子复合材料
为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则： 为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则： 纤维的强度和弹性模量应远高于基体； 纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承 受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂； 纤维的排列方向要与构件的受力方向一致； 纤维与基体的热胀系数应匹配； 纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应； 纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足 一定要求。
高分子复合材料
位错在晶面上滑移（ 和在TiC颗粒前位错的塞积（ TiC颗粒前位错的塞积 图2.2 位错在晶面上滑移（a）和在TiC颗粒前位错的塞积（b）
图2.3 两相不均匀变形在界面形成的位错环
高分子复合材料
不同体积分数的粒子对性能的影响
高分子复合材料
纤维增强机制 纤维增强复材： 纤维增强复材： 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 基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维 基体 等），不是主承力相。 纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。 纤维 假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作 用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移）， 在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维 上（图2.3、2.4）
图2.1 颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图
高分子复合材料
颗粒增强机制 颗粒增强复合材料：尺寸较大(>1µm)的坚硬颗粒及基体 复合而成 粒子直径为1～50µm，体积分数>20% 机理： 机理： 颗粒阻碍基体位错运动强化 不均匀变形引起位错增殖强化 与弥散增强机制的不同点： 与弥散增强机制的不同点： 载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束变形 强化效果： 强化效果：取决于粒子直径、体积分数。
高分子复合材料
第2章 复合材料增强原理
按增强材料的种类和性质，复合材料的强化机制可以分为三种：
弥散增强机制 颗粒增强机制 纤维增强机制
高分子复合材料
弥散增强机制—位错绕过理论 位错绕过理论 弥散强化复合材料： 弥散强化复合材料： 弥散微粒、基体复合而成 粒子直径为0.1～0.01µm，体积分数为1%～15% 载荷主要有基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。 强化效果： 强化效果： 取决于粒子直径、体积分数。
高分子复合材料
图2.4 短纤维周围的应变
高分子复合材料
裂纹扩展方向
纤ห้องสมุดไป่ตู้断裂
当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂， 当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基 体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。 体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。
高分子复合材料
当纤维与基体有适当的界面结合强度时， 当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从 基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力， 基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度 提高。 提高。