主要內容復合材料增強理論物理性能復合法則當前1頁，總共25頁。一、復合材料增強機制彌散增強顆粒增強纖維增強（連續纖維，短纖維）當前2頁，總共25頁。彌散增強型50x50μm顆粒增強型50x50μm當前3頁，總共25頁。彌散增強原理硬質顆粒如Al2O3，TiC，SiC阻礙基體中的位錯運動(金屬基)或分子鏈運動(高聚物基)。增強機理可用位錯繞過理論解釋。載荷主要由基體承擔，彌散微粒阻礙基體的位錯運動。（1）彌散增強當前4頁，總共25頁。復合材料的屈服強度

彌散質點的尺寸越小，體積分數越大，強化效果越好。一般Vp=0.01~0.15，dp=0.001μm~0.1μm

當前5頁，總共25頁。08537.416.70.058878.017.30.109408.518.00.2010557.621.0不同體積分數納米粒子SiC(0.07μm)增強Si3N4(0.5μm)的性能當前6頁，總共25頁。（2）顆粒增強

顆粒的尺寸越小，體積分數越大，強化效果越好。一般在顆粒增強復合材料中，顆粒直徑為1~50μm，顆粒間距為1~25μm，顆粒的體積分數為0.05~0.5。顆粒的尺寸較大(>1μm)，基體承擔主要的載荷，顆粒阻止位錯的運動，并約束基體的變形當前7頁，總共25頁。用金屬或高分子聚合物把有耐熱性、硬度高但不耐沖擊的金屬氧化物、氮化物、碳化物復合的材料時，由于強化相顆粒較大，故強化效果并不顯著，但這種復材主要不是提高強度,而是為了改善耐磨性或提高綜合力學性能。當前8頁，總共25頁。（3）連續纖維增強通常根據纖維形態可以分為連續纖維、非連續纖維(短纖維)或晶須(長度約為100--1000μm、直徑約為1--10μm的單晶體)兩類．其增強機理是高強度、高模量的纖維承受載荷，基體只是作為傳遞和分散載荷的媒介。

M為基體F為纖維當前9頁，總共25頁。連續纖維增強（纖維軸向模量）（1）（1）式的兩邊同時除以得到當前10頁，總共25頁。實際中還有不同的泊松比導致的附加應力。通過試驗分析，誤差小于1%~2%。測出兩種玻璃纖維增強聚酯樹脂體系的E1、Vf之間的線型關系當前11頁，總共25頁。復合材料縱向斷裂強度可以認為與纖維斷裂應變值對應的復合材料應力相等，根據混合法則，得到復合材料縱向斷裂強度，即

當前12頁，總共25頁。SiC/硼硅玻璃復合材料的強度隨纖維體積含量線性增加13Chapter9Composites當前13頁，總共25頁。連續纖維增強（橫向模量）EmEf串聯模型并聯模型體積分數fr當前14頁，總共25頁。在高性能纖維增強復合材料中，纖維模量比基體樹脂模量大的多，在纖維體積含量為50％～60％的復合材料中，基體對E1的影響很小，纖維對E2的影響也很小，所以可以得到近似

當前15頁，總共25頁。纖維增強復合材料橫向強度

纖維對橫向強度有減弱的作用。纖維在與其相鄰的基體中產生的應力和應變對基體產生約束，使復合材料的斷裂應變比復合前要低的多(斷裂應力課本P28式2.34)

前提是基體和增強體很好的結合。

當前16頁，總共25頁。4)短纖維增強（１）作用于復合材料的載荷是作用于基體材料并通過纖維端部與端部附近的纖維表面將載荷傳遞給纖維。當纖維長度超過應力傳遞所發生的長度時，端頭效應可以忽略，纖維可以被認為是連續的，但對于短纖維復合材料，端頭效應不可忽略，同時復合材料的性能是纖維長度的函數。當前17頁，總共25頁。短纖維增強（２）l/lc越大，拉伸強度越大;2l/lc>>1時，拉伸強度為連續纖維的強度公式;l=lc時，短纖維增強的效果僅有連續纖維的50%;l/lc=10時，短纖維增強的效果可達到連續纖維的95%所以為了提高復合材料的強度，應盡量使用長纖維。為了使纖維的承載達到纖維的最大應力值，纖維長度必須大于臨界纖維長度lc或臨界長徑比(lc/d)

當前18頁，總共25頁。幾種典型復合材料的臨界長度Lc和長徑比Lc/d基體Tm

(MN/m2)

纖維σfTS

(MN/m2)

d

(μm)

Lc/d

Lc

(mm)Ag55Al2O3晶須2080021890.38Cu76鎢絲290020001938Al80硼纖維2800100181.75環氧40硼纖維2800100353.5聚脂30玻璃纖維240013400.52環氧40碳纖維26007330.23

當前19頁，總共25頁。短纖維增強（３）當短纖維按不同取向程度取向分布時，短纖維的增強效率隨取向程度的降低而降低。對于取向分布的短纖維復合材料，可以在混合彈性模量式中增加一個取向效率因子η0對于平行于纖維方向和垂直于纖維方向的單向板，η0分別為1和0，對于面內隨即分布的纖維復合材料η0＝3/8，三維隨機分布纖維復合材料η0＝1/5當前20頁，總共25頁。二、物理性能的復合法則

對于復合材料，最引人注目的是其高比強度、高比模量等力學性能。但是其物理性能也應該通過復合化得到提高。復合法則有兩種：１、加權（平均）特性２、乘積（傳遞）特性當前21頁，總共25頁。1、加權特性Pc為復合材料的特性，Pi為構成復合材料的原材料的特性，Vi為構成復合材料的原材料的體積分數，n由實驗確定，其范圍為-1n1。密度、熱膨脹系數熱傳導、電導、透磁率等都屬于此類。當前22頁，總共25頁。２、乘積特性把兩種性能可以相互轉換的功能材料――熱－形變材料（以X/Y表示）與另一種形變－電導材料（Y/Z）復合，其效果是：由于兩組分的協同作用得到了另一種熱－電導功能復合材料，借助類似關系可以通過各種功能材料復合成各種功能復合材料

當前23頁，總共25頁。Y/X（狀態1）Z/Y（狀態2）傳遞特性（Z/X）磁/壓力電阻變化/磁場壓力電阻效應磁場/壓力旋光性/磁場（法拉第效應）由機械負荷引起偏光面回轉電場/壓力發光/電場（電光亮度）壓力光亮度電場/壓力復折射/電場由機械負荷引起偏光面回轉應變/磁場電場/應變磁電效應應變/磁場電阻變化/應變磁電阻效應溫度差/磁場電場/溫度差擬洞穴效應（磁電效應）應變/磁場復折射/應變磁感應折射應變/電場磁場/應變電磁效應磁場/光應變/磁場應變/光電場/光應變/電場應變/光電場/光光/電場波長