材料科學(xué)基礎(chǔ)之復(fù)合效應(yīng)與界面(已改無錯(cuò)字)
2023-01-21 00:03:59 本頁面
【正文】 (917)? k取 值 ~ 間 。? 當(dāng)外力達(dá)到使基體發(fā)生塑性變形，基體對(duì)復(fù)合材料的剛度影響可以忽略不計(jì)時(shí)：? Ec=kEfφf (918)? 如果外 載 荷垂直于 單 向 連續(xù)纖維 復(fù)合材料的 纖維 方向 , 而 纖維 與基體 對(duì) 復(fù)合材料 線性伸 長(zhǎng) 的作用不相關(guān)， 則 每一 組 元的 應(yīng)變應(yīng)變加加 權(quán)權(quán) 和和 等于復(fù)合材料的 總應(yīng)變 。由此可 導(dǎo)出 垂直于 纖維 方向 彈 性模量 的 計(jì) 算式：? 1/Ec=φf/Ef+φm/Em (919)? 對(duì)于復(fù)混材料 ,若 Ef1和 Ef2分別表示第一和第二種纖維的彈性模量， Em表示基體的 彈 性模量， 則單向排列纖維的混雜復(fù)合材料模量可表示為：? Ec=Ef1φf1+Ef2φf2+ Emφm (920) 式中 φ為 體 積 分?jǐn)?shù)；? φf1＋ φf2＋ φm=1 。? 式 917~920適用于拉伸和 壓縮載 荷的 計(jì)算 , 但 對(duì) 拉伸 計(jì) 算更 為 精確 。? 單向連續(xù)纖維復(fù)合材料在纖維方向的強(qiáng)度為：? σ cu=σ fuφf+σ m*(1φf) (921) ? 式中 σ fu為纖維 抗拉 強(qiáng) 度； σ m*為纖維 斷裂時(shí) 的基體 應(yīng) 力； σ cu為 復(fù)合材料沿 纖維 方向的抗拉 強(qiáng) 度。? 由于 纖維 是復(fù)合材料的主要承 載 者，因此可以用基體屈服 強(qiáng) 度 σ mu為 來近似代替 σ m*。? 此式只適合于拉伸 載 荷的 計(jì) 算 。? 由式 921可以看出：復(fù)合材? 料的強(qiáng)度由基體強(qiáng)度 σ mu和? 增強(qiáng)纖維強(qiáng)度 σ fu兩部分線? 性組成，據(jù)此可作圖 94。? 圖中 φfmin表示 纖維 最小體? 積 分?jǐn)?shù)，當(dāng) φfφfmin時(shí) ，復(fù)? 合材料的 強(qiáng) 度由基體決定；? 當(dāng) φfφfmin時(shí) ，材料的 強(qiáng) 度? 由 纖維 控制。復(fù)合材料的目? 的是 為 了增 強(qiáng) 基體，要求? σ cu? σ mu。 由此可得 臨臨 界界 纖維纖維 體體 積積 分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)? φfer=(σ muσ m*)/(σ fuσ m*) (922)? φfer的意義是 基體真正得到增強(qiáng)時(shí)所應(yīng)該加入的纖維的最小體積分?jǐn)?shù)。? 單向復(fù)合材料在纖維方向的抗拉強(qiáng)度大大高于抗壓強(qiáng)度，但拉伸和壓縮模量相差不大；在垂直于纖維方向的拉伸強(qiáng)度低于基體強(qiáng)度，但壓縮強(qiáng)度大于基體強(qiáng)度，拉伸和壓縮模量都高于基體模量。? (2) 短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料：與長(zhǎng)纖維增強(qiáng)相比，短纖維和晶須增強(qiáng)的成本低，各向異性較小。? 圖 95中，短纖維或晶須復(fù)? 合材料受水平拉力作用變? 形后，因 基體變形量大于? 增強(qiáng)體變形量，而兩者結(jié)? 合緊密，于是在界面產(chǎn)生剪應(yīng)力 。 并通過剪應(yīng)力將承受載荷合理分?jǐn)傇诶w維和基體上， 纖維所受拉應(yīng)力更大 ，這就是短纖維或晶須增強(qiáng)的原理。? 短纖維或晶須復(fù)合材料強(qiáng)度可 大致 表示為：? σ cu=(1Lc/2L)σ fuφf+σ m*(1φf) ? (930) 式中 σ m* 為纖維 斷裂 時(shí) 的基體 應(yīng) 力； Lc為纖維臨 界 長(zhǎng) 度 (因拉 長(zhǎng) 而斷裂 時(shí) 的增 長(zhǎng) 度 )； L為纖維長(zhǎng) 度。? 短 纖維 或晶 須 增 強(qiáng) 的 臨 界體 積 分?jǐn)?shù) φfer的 導(dǎo) 出 過程與 連續(xù)纖維 復(fù)合材料相似 ，即：? φfer=(σ muσ m*)/(σ fσ m*) (931) ? 與式 922比 較 ， 由于 σ fσ fu，短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的臨界體積分?jǐn)?shù)高于連續(xù)纖維復(fù)合材料，說明增強(qiáng)作用較小一些。? 在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維斷裂應(yīng)變小于基體斷裂應(yīng)變時(shí)，纖維將先于基體斷裂為 Lc或 2Lc長(zhǎng)的短纖維。此時(shí)材料仍能承載，只是承載能力變?yōu)槎汤w維承載時(shí)的狀態(tài)。? 復(fù)合材料界面? 界面界面 是基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有顯著變化但彼此結(jié)合的、能傳遞載荷作用的過渡區(qū)域 (1~102nm)。 該區(qū)域中的材料 結(jié)構(gòu)和性能不同與組分材料中的任意一個(gè) 。簡(jiǎn)稱為界面相或界面層。? 由于增強(qiáng)體細(xì)小，界面層面積比例很大，其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和完整性對(duì)復(fù)合材料的性能影響極大 。? 復(fù)合材料界面結(jié)合類型? 建立界面需要一定的結(jié)合力
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