復(fù)合材料的性能PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能 4-7 復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能(properties of composites) 4-7-1 復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)(principle of combined action ） 1. 復(fù)合材料各組元（相）相互作用各組元（相）相互作用 基體：基體： 將增強(qiáng)材料粘合粘合成整體并使增強(qiáng)材料的位置固定。 增強(qiáng)材料間傳遞載荷傳遞載荷，并使載荷均勻，自身承受一定載荷。 保護(hù)增強(qiáng)體保護(hù)增強(qiáng)體免受各種損傷。 很大程度上決定成型工藝方法及工藝參數(shù)選擇。 決定部分性能。 增強(qiáng)體：增強(qiáng)體：主要承受絕大部分載荷、增強(qiáng)、增韌增強(qiáng)、增韌 功能體：功能體：賦予一

2、定功能 界面相層界面相層：復(fù)合材料產(chǎn)生組合力學(xué)及其它性能，復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)產(chǎn)生的 根源第1頁(yè)/共39頁(yè) PMC界面區(qū)域示意圖界面區(qū)域示意圖1-外力場(chǎng)；2-樹(shù)脂基體；3-基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)；5-增強(qiáng)劑表面區(qū)；6-增強(qiáng)劑第2頁(yè)/共39頁(yè) 2、復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng) 復(fù)合效應(yīng)表現(xiàn)形式形式多種多樣大致可分為：混合效應(yīng)混合效應(yīng)：線性加合線性加合 固有固有性質(zhì)，如密度、密度、 模量、模量、 比熱比熱 非固有非固有性質(zhì)， 如強(qiáng)度、強(qiáng)度、 泊松比等泊松比等 協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)：非線性綜合非線性綜合、轉(zhuǎn)遞性質(zhì)第3頁(yè)/共39頁(yè)混合效應(yīng)：平均效應(yīng)或組份效應(yīng)，混合效應(yīng)：平均效應(yīng)或組份效應(yīng)， 是組份材料性能取長(zhǎng)補(bǔ)短共同

3、作用取長(zhǎng)補(bǔ)短共同作用的結(jié)果，是組份材料性能比較穩(wěn)定的總體反應(yīng)，局部的撓動(dòng)、薄弱環(huán)節(jié)、界面、工藝因素等通常對(duì)混合效應(yīng)沒(méi)有明顯的作用，表現(xiàn)為各種形式的混合律混合律。協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)： 復(fù)合材料的本質(zhì)特征本質(zhì)特征， 使復(fù)合材料的性能與組份材料相比，發(fā)生飛躍式提高飛躍式提高，甚至具有組份材料沒(méi)有的性能，這些潛在性能是研制開(kāi)發(fā)新材料的源泉。復(fù)合材料追求的就是這種協(xié)同效應(yīng)。 對(duì)微觀非均勻性、薄弱環(huán)節(jié)、界面、制備工藝，甚至某些偶然因素都十分敏感。敏感。第4頁(yè)/共39頁(yè) 3. 協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)：界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、乘積效應(yīng)、 系統(tǒng)效應(yīng)、混雜效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)等。 ( 1) 混合律混合律 Xc = X

4、mVm + Xf1V1 + Xf2V2 + 復(fù)合材料性能與各組元性能及分量的關(guān)系（線性關(guān)系）。 組份效應(yīng)組份效應(yīng)：各組元性能確定，相對(duì)組成作為變量，不考慮組份的幾何形狀、分布狀態(tài)和尺度等影響。相對(duì)組成通常用體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)表達(dá)。 復(fù)合材料的固有性質(zhì)是指各相之間不相互作用所表現(xiàn)出來(lái)的材料性質(zhì)固有性質(zhì)是指各相之間不相互作用所表現(xiàn)出來(lái)的材料性質(zhì)，如密度密度 C和比熱容和比熱容Cc等，屬于固有性質(zhì)的物理量，都應(yīng)服從混合律，如： C = m(1 Vf) + fVfCC = Cm(1 Vf) + CfVf第5頁(yè)/共39頁(yè) (2) 幾何尺寸效應(yīng)幾何尺寸效應(yīng) 復(fù)合材料性能不僅與各組元分量各組元分量有關(guān)，還

5、強(qiáng)烈依賴于增加相的幾何形狀、尺寸、排布與分布狀態(tài)。增加相的幾何形狀、尺寸、排布與分布狀態(tài)。 復(fù)合材料中纖維上受力狀態(tài)和界面受力狀態(tài)纖維上受力狀態(tài)和界面受力狀態(tài)，隨纖維的長(zhǎng)徑比纖維的長(zhǎng)徑比變化而變化，見(jiàn)圖4-106、4-107，表4-40。 臨界長(zhǎng)度臨界長(zhǎng)度lc和臨界長(zhǎng)徑比和臨界長(zhǎng)徑比lc/d的概念見(jiàn)書(shū)P419-420，表4-41第6頁(yè)/共39頁(yè)第7頁(yè)/共39頁(yè)不同材料的不同材料的 lc第8頁(yè)/共39頁(yè)第9頁(yè)/共39頁(yè)納米量子尺寸效應(yīng)納米量子尺寸效應(yīng)：固體物理研究表明，固體顆粒尺寸減少到某一臨界值時(shí)（一般為0.1m或100nm），顆粒的某些性質(zhì)（如光、電、磁、熱、化學(xué)特性等）會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化某些性

6、質(zhì)（如光、電、磁、熱、化學(xué)特性等）會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，呈現(xiàn)與物體宏觀狀態(tài)下差異很大的特性。具有顯著的量子尺寸效應(yīng)。 納米復(fù)合材料是指分散相尺度至少有一維小于納米復(fù)合材料是指分散相尺度至少有一維小于102nm量級(jí)的復(fù)合材料量級(jí)的復(fù)合材料。由于其納米量子尺寸效應(yīng)，大的比表面積及強(qiáng)的界面相互作用大的比表面積及強(qiáng)的界面相互作用，使納米復(fù)合材料的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相同組份常規(guī)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。納米復(fù)合材料是獲得高性能復(fù)合材料的重要途徑之一。第10頁(yè)/共39頁(yè) ( 3) 界面效應(yīng)界面效應(yīng)(interface effect) 復(fù)合材料的絕大部分性能很大程度上取決于界面層的狀態(tài)和性質(zhì)，材料的破壞與失效機(jī)制往往是從界

7、面破壞與失效開(kāi)始的。 復(fù)合材料的力學(xué)性能，對(duì)界面層的狀態(tài)和性質(zhì)，界面缺陷都十分敏感，并很大程度上取決于界面層的狀態(tài)和性質(zhì)。 幾乎所有協(xié)同效應(yīng)（復(fù)合效應(yīng)的本質(zhì)特征）都是由界面層的存在帶來(lái)的，這就是所謂界面效應(yīng)的內(nèi)涵。而界面效應(yīng)的表現(xiàn)方式卻多種多樣。 從數(shù)學(xué)上可以由混合律和二次混合律混合律和二次混合律加以簡(jiǎn)述（見(jiàn)圖4-108，4-109）第11頁(yè)/共39頁(yè) 1). 界面上力的傳遞與殘余應(yīng)力界面上力的傳遞與殘余應(yīng)力 有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面（層），可在基體與增強(qiáng)體之間進(jìn)行a. 力的轉(zhuǎn)遞力的轉(zhuǎn)遞b. 力的分配力的分配c. 基體或增強(qiáng)體破壞過(guò)程中的應(yīng)力再分配基體或增強(qiáng)體破壞過(guò)程中的應(yīng)力再分配組合力學(xué)性能 在

8、復(fù)合材料未受外力時(shí)，界面上仍存在應(yīng)力或應(yīng)力分布，這就是“殘余應(yīng)力”。 殘余應(yīng)力來(lái)源：殘余應(yīng)力來(lái)源： 增強(qiáng)相與基體相CTE不匹配不匹配 相與相之間的彈性系數(shù)不匹配彈性系數(shù)不匹配，相內(nèi)的應(yīng)力分布不均 成型過(guò)程中成型過(guò)程中，由高溫-室溫由化學(xué)和物理變化引起的各組元體積 收縮的不同收縮的不同，如：基體固化、聚集態(tài)轉(zhuǎn)變、晶相轉(zhuǎn)變等 層合板中，鋪層方向不同帶來(lái)的層間殘余應(yīng)力鋪層方向不同帶來(lái)的層間殘余應(yīng)力（層合板的翹曲） 流變過(guò)程中，組元間的塑性變形差異流變殘余應(yīng)力流變殘余應(yīng)力 第12頁(yè)/共39頁(yè)2). 復(fù)合材料界面破壞機(jī)制復(fù)合材料界面破壞機(jī)制 破壞的來(lái)源破壞的來(lái)源 基體內(nèi)、增強(qiáng)體內(nèi)和層面層上均存在微裂紋、

9、微裂紋、氣孔、內(nèi)應(yīng)氣孔、內(nèi)應(yīng)力力在力場(chǎng)或外界環(huán)境（如介質(zhì)、水）微裂紋和缺陷按本身的規(guī)律發(fā)展，并消散能量 破壞形式破壞形式 5種基本破壞形式i) 基體斷裂基體斷裂ii) 纖維斷裂纖維斷裂iii) 纖維脫粘纖維脫粘iv)纖維拔出纖維拔出(摩摩擦功擦功)v) 裂紋擴(kuò)展與裂紋擴(kuò)展與偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)5種形式綜合體現(xiàn)復(fù)合材料的破壞與失效 復(fù)合材料的破壞機(jī)制則是上述5種基本破壞形式的組合與綜合體現(xiàn)的結(jié)果。第13頁(yè)/共39頁(yè) 4）乘積效應(yīng)乘積效應(yīng) (X/Y）（）（Y/Z）= X/Z（見(jiàn)表4-42） 主要表現(xiàn)在功能復(fù)合材料中，詳見(jiàn)P421 5）其它復(fù)合效應(yīng)其它復(fù)合效應(yīng)“界面誘導(dǎo)效應(yīng)、混雜效應(yīng)、共振效應(yīng)，一般了解見(jiàn)P42

10、2第14頁(yè)/共39頁(yè)Section 15.5第15頁(yè)/共39頁(yè)Ef、Em是纖維和基體的模量，Vf、Vm是纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)第16頁(yè)/共39頁(yè)第17頁(yè)/共39頁(yè)第18頁(yè)/共39頁(yè)第19頁(yè)/共39頁(yè)第20頁(yè)/共39頁(yè) (4) 單向板縱向拉伸的三種破壞模式三種破壞模式： 基體斷裂基體斷裂； 界面脫粘界面脫粘； 纖維斷裂纖維斷裂，第21頁(yè)/共39頁(yè) （5）單向板橫向拉伸強(qiáng)度單向板橫向拉伸強(qiáng)度 單向板橫向拉伸的三種破壞模式三種破壞模式： 基體破壞基體破壞； 界面脫粘界面脫粘； 纖維破壞纖維破壞YcVf fy Vm my YcVf（1/ y 1） my 應(yīng)力分配應(yīng)力分配系數(shù)系數(shù)第22頁(yè)/共39頁(yè) 單向板

11、復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 與拉伸方向與拉伸方向關(guān)系，圖4-116（6）單向板縱向壓縮強(qiáng)度單向板縱向壓縮強(qiáng)度)1 ( 32fffmfCVVEEVX失效模式失效模式fmCVGX1第23頁(yè)/共39頁(yè)表4-43單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂材料的典型性能單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂材料的典型性能 第24頁(yè)/共39頁(yè)表表4-44 幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能 第25頁(yè)/共39頁(yè)表表4-45 浸漬法制造的單向碳浸漬法制造的單向碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能碳復(fù)合材料的力學(xué)性能第26頁(yè)/共39頁(yè) 2. 復(fù)合材料的沖擊韌性沖擊韌性 沖擊韌性是復(fù)合材料的重要性能，可由 沖擊強(qiáng)度；斷裂韌性沖擊強(qiáng)度；斷裂韌性

12、Gc； 沖擊后的壓縮強(qiáng)度（沖擊后的壓縮強(qiáng)度（CAI）來(lái)表征。）來(lái)表征。沖擊實(shí)驗(yàn)中的典型加載歷程見(jiàn)圖4-118韌性指數(shù)韌性指數(shù)裂紋擴(kuò)展能裂紋擴(kuò)展能Qp與裂紋引發(fā)能與裂紋引發(fā)能Qi之比之比 ipQQDI 第27頁(yè)/共39頁(yè) 沖擊過(guò)程中裂紋擴(kuò)展模式?jīng)_擊過(guò)程中裂紋擴(kuò)展模式見(jiàn)圖4-119，受界面顯著影響沖擊過(guò)程的能量吸收包括： 基體變形和開(kāi)裂基體變形和開(kāi)裂； 纖維破壞纖維破壞； 纖維拔出纖維拔出（摩擦功）； 分層裂紋分層裂紋等多個(gè)方面?；w變形吸收較多的能量。 熱固性基體熱固性基體性脆，變形很小，沖擊韌性差。 熱塑性基體熱塑性基體可產(chǎn)生較大塑性變形，沖擊強(qiáng)度高。 CMC、纖維與基體-脆性特征，陶瓷基體中

13、加入連續(xù)纖維、短纖維和晶須時(shí)，能得到韌性大幅度提高的復(fù)合材料。圖4-120 CMC增韌理論增韌理論，詳見(jiàn)P431第28頁(yè)/共39頁(yè) 3. 復(fù)合材料的疲勞性能疲勞性能 疲勞的概念：低于靜態(tài)強(qiáng)度極限條件下的動(dòng)載荷（交變載荷）作用，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間（或次數(shù)）都會(huì)破壞失效。疲勞過(guò)程內(nèi)部損傷（或疲勞裂紋）內(nèi)部損傷累積至一定程度材料突然破壞失效 四種疲勞損傷：基體開(kāi)裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂四種疲勞損傷：基體開(kāi)裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂 疲勞S-N曲線見(jiàn)圖4-121，4-122，4-123，復(fù)合材料的疲勞性能一般高于基體高于基體的疲勞性能。第29頁(yè)/共39頁(yè)第30頁(yè)/共39頁(yè)第31頁(yè)/共39頁(yè)4-8 納米

14、材料及納米效應(yīng)納米材料及納米效應(yīng)1. 概述納米材料必須同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件兩個(gè)條件：(1)幾何尺寸至少一維在納米尺度（109107或0.1100nm）(2)必須具有納米效應(yīng)，即 小尺寸效應(yīng)， 表面效應(yīng)， 量子尺寸效應(yīng)， 宏觀量子隧道效應(yīng)等第32頁(yè)/共39頁(yè)納米材料包含三個(gè)層次： 零維：納米微粒、原子團(tuán)簇、人造原子量子點(diǎn)納米結(jié)構(gòu)單元納米結(jié)構(gòu)單元 一維：納米管、納米棒、納米絲量子線 二維：超薄膜、多層膜、超晶格量子阱 納米相材料：?jiǎn)蜗嗉{米微粒構(gòu)成 納米固體納米固體 納米復(fù)合材料：多種或多相納米微粒至少在一個(gè) 方面以納米尺寸復(fù)合而成 自組裝：通過(guò)共價(jià)鍵或弱作用力實(shí)現(xiàn)自組裝 （氫鍵、 范氏力、離子鍵等

15、） 納米組裝體系納米組裝體系 人工組裝：按人的意志，利用物理和化學(xué)方法構(gòu)筑成一個(gè)納米第33頁(yè)/共39頁(yè)1. 2. 納米結(jié)構(gòu)單元納米結(jié)構(gòu)單元 團(tuán)簇（團(tuán)簇（cluster）粒徑小于或等于1nm的原子聚集體，如Fen、CunSm、CnHm、C60、C70、富勒烯等。特點(diǎn)在于：以化學(xué)鍵緊密結(jié)合，但尚未形成軌整的晶體，不同于分子團(tuán)簇和周期性極強(qiáng)的晶體，有許多奇異的特性。 納米微粒納米微粒尺寸在1100nm之間的超細(xì)微粒，尺寸大于原子團(tuán)簇 人造原子人造原子（artificial atoms），又稱量子點(diǎn) 納米管納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜第34頁(yè)/共39頁(yè)1. 3. 納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料指分散

16、相尺度至少有一維小于102nm量級(jí)的復(fù)合材料，是獲得高性能復(fù)合材料重要途徑之一舉例：分子復(fù)合材料：P405 圖4-8-3第35頁(yè)/共39頁(yè)4-8-2 納米材料的基本物理效應(yīng)納米材料的基本物理效應(yīng)1.1. 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)、以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等物性與宏觀尺寸物體相比發(fā)生很大變化，甚至完全相反。 表面效應(yīng)隨粒徑的減少，微粒的比表面積，表面原子比例、表面能會(huì)成倍或成數(shù)量級(jí)增加。表面原子配位嚴(yán)重失配及高的表面能，使表面原子具有高的活性，易與其它原子結(jié)合。掌握比表面積計(jì)算式SW=K/eD第36頁(yè)/共39頁(yè) 量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降到某