復(fù)合材料的性能

1、6-2 復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能properties of compositesprinciple of combined action of composites, rule of mixture of particle compositesWhat is difference of particle size, fiber length and orentation for strengthening compositesCalculate longitudinal and transverse modulus, and longitudinal strength for an ali

2、gned and continuous fiber-reinforced composite.Compute longitudinal strengths for discontinuous and aligned fibrous composite materials.6-2 復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能(properties of composites) 6-2-1 復(fù)合材料的復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)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

3、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 PMC界面區(qū)域示意圖界面區(qū)域示意圖1-外力場(chǎng)；2-樹脂基體；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 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、

4、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)混合效應(yīng)：混合效應(yīng)：平均效應(yīng)或組份效應(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有的性能，這些潛在性能是研制開發(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

5、、制備工藝，甚至某些偶然因素都十分敏感。敏感。 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 = XmVm + 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)出來的材料固有性質(zhì)是指各相之間不相互作用所表現(xiàn)出來的材料性質(zhì)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

6、從混合律，如： C = m(1 Vf) + fVfCC = Cm(1 Vf) + CfVf (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)，還強(qiáng)烈依賴于增加相的幾增加相的幾何形狀、尺寸、排布與分布狀態(tài)。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的概念見書P419-420，表4-41不同材料的不同材料的 lc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

7、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量量級(jí)的復(fù)合材料級(jí)的復(fù)合材料。由于其納米量子尺寸效應(yīng)，大的比表面大的比表面積及強(qiáng)的界面相互作用積及強(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。 ( 3) 界面效應(yīng)界面效應(yīng)(interface effect)

8、 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)制往往是從界面破壞與失效開始的。 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（見圖4-108，4-109） 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

9、增強(qiáng)基體或增強(qiáng)體破壞過程中的體破壞過程中的應(yīng)力再分配應(yīng)力再分配組合力學(xué)性能 在復(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)力來源殘余應(yīng)力來源： 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 成型過程中成型過程中，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，鋪層方向不同帶來的層間殘余應(yīng)力鋪層方向不同帶來的層間殘余應(yīng)力（層合板的翹曲） 流變過程中，組元間的塑性變形差異流變殘余應(yīng)力流變殘余應(yīng)力 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

10、的來源破壞的來源 基體內(nèi)、增強(qiáng)體內(nèi)和層面層上均存在微裂紋、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)展與偏裂紋擴(kuò)展與偏轉(zhuǎn)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。 4）乘積效應(yīng)乘積效應(yīng) (X/Y）（）（Y/Z）= X/Z（見表4-42） 主要表現(xiàn)在功能復(fù)合材料中，詳見P421 5）其它復(fù)合效應(yīng)其它復(fù)合效應(yīng)“界面誘導(dǎo)效

11、應(yīng)、混雜效應(yīng)、共振效應(yīng)，一般了解見P4226-2-2 復(fù)合材料的力學(xué)性能復(fù)合材料的力學(xué)性能（mechanical properties of composites) 1.單向板的強(qiáng)度與模量單向板的強(qiáng)度與模量（strength and modulus of an aligned fiber-reinforced composites)Section 15.5(1)縱向載荷彈性行為縱向載荷彈性行為（Elastic Behavior longitudinal loading)條件；FC=Fm + Ff c= m= f Vm +Vf =1推導(dǎo)結(jié)果：模量模量 Ecl=Em(1-Vf)+EfVf Ff/F

12、m=(EfVf)/(EmVm) 強(qiáng)度強(qiáng)度 *cl= (1-Vf) + *fVfEf、Em是纖維和基體的模量，Vf、Vm是纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)（2）橫向載荷彈性行為橫向載荷彈性行為（Elastic Behavior-transverse loading)條件： c= m= f = c= m Vm +Vf f Vm +Vf =1推導(dǎo)結(jié)果：模量模量 Ect=(EmEf)/(1-Vf)Ef+VfEm 或 1/Ect=Vm/Em +Vf/Ef（3）不連續(xù)短纖增強(qiáng)單向板縱向拉伸強(qiáng)度不連續(xù)短纖增強(qiáng)單向板縱向拉伸強(qiáng)度（Longitudinal tensile strength of discontinuous

13、 and aligned fiber (composites) llc: *cd= * fVf1-lc/(2l)+ m(1-Vf )llc: *cd= lcVf/d + (1-Vf ) (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， （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) 單向板復(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

14、（6）單向板縱向壓縮強(qiáng)度單向板縱向壓縮強(qiáng)度)1 (32fffmfCVVEEVX失效失效模式模式fmCVGX1表6-4單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料的典型性能單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料的典型性能 表表6-5 幾種典型幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能金屬基復(fù)合材料的性能 表表6-6 浸漬法制造的浸漬法制造的單向碳單向碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料的力學(xué)性能的力學(xué)性能 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；沖擊強(qiáng)度；斷裂韌斷裂韌性性Gc； 沖擊后的壓縮強(qiáng)度（沖擊后的壓縮強(qiáng)度（CAI）來表征。）來表征。沖擊實(shí)驗(yàn)中的典型加載歷程見圖4-118韌性指數(shù)韌性指數(shù)裂紋擴(kuò)展能裂紋擴(kuò)展能Q

15、p與與裂紋引發(fā)能裂紋引發(fā)能Qi之之比比 ipQQDI 沖擊過程中裂紋擴(kuò)展模式?jīng)_擊過程中裂紋擴(kuò)展模式見圖4-119，受界面顯著影響沖擊過程的能量吸收包括： 基體變形和開裂基體變形和開裂； 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。基體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P431 3. 復(fù)合材料的疲勞性能疲勞性能 疲勞的概念：低于靜

16、態(tài)強(qiáng)度極限條件下的動(dòng)載荷（交變載荷）作用，經(jīng)過不同時(shí)間（或次數(shù)）都會(huì)破壞失效。疲勞過程內(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：基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂四種疲勞損傷：基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂 疲勞S-N曲線見圖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。6-3 納米材料及納米效應(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)

17、等納米材料包含三個(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） 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

18、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1. 3. 納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料指分散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4-8-32 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)