材料科學(xué)基礎(chǔ)-10復(fù)合材料增強(qiáng)原理2

1、10.2 復(fù)合材料增強(qiáng)原理一、復(fù)合思想1.仿生思想2.綠色材料思想3.充分利用協(xié)同效應(yīng)思想4.智能材料思想 chapter 101山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫海洋動(dòng)物與仿生應(yīng)用仿生學(xué)是發(fā)展相當(dāng)迅速的一門新興科學(xué)，仿生學(xué)主要是利用自然界動(dòng)物的特性和習(xí)性來(lái)研究其特性應(yīng)用的一門科學(xué)。生活在海洋中的動(dòng)物是科學(xué)家們研究仿生應(yīng)用的重要?jiǎng)游镏弧，F(xiàn)在介紹幾種海洋動(dòng)物及其仿生應(yīng)用。金槍魚金槍魚是海洋魚類動(dòng)物中運(yùn)動(dòng)速度最快的動(dòng)物之一，金槍魚捕食時(shí)會(huì)達(dá)到大約公里的時(shí)速。在美國(guó)麻省理工大學(xué)，科學(xué)家們以金槍魚為模型，制造了一條名叫“查理”的米長(zhǎng)的機(jī)器魚，并在水箱中開(kāi)始了測(cè)試?？茖W(xué)家們已經(jīng)把這個(gè)發(fā)現(xiàn)推向技術(shù)方面的應(yīng)用。 魚

2、的尾鰭既能作為推進(jìn)動(dòng)力又能導(dǎo)向，考慮到這個(gè)特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上分析金槍魚的外形，研究的成果已經(jīng)為水面船只提供了鰭類推進(jìn)方式。并且，機(jī)器魚鰭的運(yùn)動(dòng)也經(jīng)過(guò)改善，能在角落里自由游動(dòng)?？茖W(xué)家們也研究了金槍魚的皮膚，希望能獲得更好的流線特性。chapter 102山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫鯊魚鯊魚在海洋里已經(jīng)生活了億年，能達(dá)到超過(guò)公里的高時(shí)速。科學(xué)家在顯微鏡下檢查深海鯊魚的皮膚時(shí)意外地發(fā)現(xiàn)鯊魚的鱗屑是扇形的，而且有小槽。然而，在傳統(tǒng)的觀念中，表面越光滑產(chǎn)生的阻力就越小。于是，科學(xué)家們把數(shù)百個(gè)模型鱗片按不同的角度裝配，形成了一個(gè)人造的測(cè)試表面。測(cè)試的結(jié)果表明：摩擦損失比光滑表面還要小，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)馬上找到了技術(shù)應(yīng)

3、用。這種仿生皮膚被用來(lái)包裹空中客車飛機(jī)的外表面，使每架飛機(jī)的年燃料消耗減少了噸。如果每年來(lái)往于世界各地的飛機(jī)都裝上這種皮膚，節(jié)省的燃料價(jià)值可達(dá)數(shù)十億美元之巨，造成溫室效應(yīng)的二氧化碳和氮氧化合物也將會(huì)大大減少。chapter 103山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫這些塑料都是可以回收的chapter 104山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫10.2.2 復(fù)合材料的增強(qiáng)原理彌散增強(qiáng)型Dispersion-Strengthened Composites 彌散增強(qiáng)主要是針對(duì)金屬基體，外加入顆粒尺寸小，而不是脫溶沉淀出的第二相。加入的都是硬質(zhì)顆粒如Al2O3,TiC,SiC等。這些彌散于金屬或合金中的顆粒，可以有效的阻止

4、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，起到顯著強(qiáng)化作用。因此，其強(qiáng)化機(jī)理與脫溶沉淀類似，基體仍是承受載荷的主體。正因?yàn)檫@些外加質(zhì)點(diǎn)不是相變脫溶產(chǎn)生的，隨溫度的升高仍可保持原有的尺寸，所以其增強(qiáng)效果在高溫仍能保持較長(zhǎng)的時(shí)間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能，持久性能明顯優(yōu)于基體合金。顆粒尺寸：10250nmchapter 105山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫Figure Electron micrograph of TD-nickel. The dispersed ThO2 particles have a diameter of 300 nm or less ( 2000). (From Oxide Dispersion Streng

5、thening, p. 714, Gordon and Breach, 1968. AIME.)chapter 106山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure Comparison of the yield strength of dispersion-strengthened sintered aluminum powder (SAP) composite with tha

6、t of two conventional two-phase high-strength aluminum alloys. The composite has benefits above about 300C. A fiber-reinforced aluminum composite is shown for comparison.chapter 107山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫Suppose 2 wt% ThO2 is added to nickel. Each ThO2 particle has a diameter of 1000 . How many particles are p

7、resent in each cubic centimeter?Example SOLUTIONThe densities of ThO2 and nickel are 9.69 and 8.9 g/cm3, respectively. The volume fraction is:Example ：TD-Nickel Compositechapter 108山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫Example SOLUTION (Continued)Therefore, there is 0.0184 cm3 of ThO2 per cm3 of composite. The volume of each

8、 ThO2 sphere is:chapter 109山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫 在金屬基體中加入粒子進(jìn)行增強(qiáng)與彌散強(qiáng)化的最大不同點(diǎn)是粒子的尺寸，粒子的尺寸為150 m。其它參數(shù)粒子間距為125m，體積分?jǐn)?shù)為0.050.5。這種復(fù)合材料的粒子也可承擔(dān)一部分載荷，基體仍承擔(dān)主要載荷，通過(guò)粒子約束基體變形達(dá)到強(qiáng)化的目的。原則上加入的粒子仍然為堅(jiān)硬的，幾何形狀也可以是任意的，但一般基本以幾何對(duì)稱形狀居多。2.粒子增強(qiáng)原理 Particulate Compositeschapter 1010山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫填料有碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽、碳素和金屬粒子等等。粒子的要求1.粒子的尺寸為150 m。其

9、它參數(shù)粒子間距為125m，體積分?jǐn)?shù)為0.050.5。2.粒子具有親水表現(xiàn)粒子的極性3.粒子的化學(xué)成分、制備方法、晶型、顆粒形狀、粒度分布、比表面積、表面結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)含量粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的性能與增強(qiáng)體和基體的比例有關(guān)，某些性能只取決于各組成物質(zhì)的相對(duì)數(shù)量和性能復(fù)合材料的密度、模量可用混合定則來(lái)的描述，即粒子復(fù)合材料，其體積分?jǐn)?shù)與E成非線性關(guān)系chapter 1011山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫對(duì)于基體為晶體體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，當(dāng)大的粒子存在于基體之上時(shí)，位錯(cuò)在不能繞過(guò)粒子的情況下位錯(cuò)滑移到基體一粒子界面上受阻塞積，約束了基體變形并在粒子與基體界面上產(chǎn)生應(yīng)力集中對(duì)于基體是非晶體或晶體的復(fù)合材料，其強(qiáng)度計(jì)算

10、過(guò)程復(fù)雜，這里只給出結(jié)果chapter 1012山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫Figure Microstructure of tungsten carbide20% cobalt-cemented carbide (1300). (From Metals Handbook, Vol. 7, 8th Ed., American Society for Metals, 1972.)chapter 1013山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark u

11、sed herein under license.Figure The steps in producing a silver-tungsten electrical composite: (a) Tungsten powders are pressed, (b) a low-density compact is produced, (c) sintering joins the tungsten powders, and (d) liquid silver is infiltrated into the pores between the particles.chapter 1014山東大學(xué)

12、材料學(xué)院李麗編寫A silver-tungsten composite for an electrical contact is produced by first making a porous tungsten powder metallurgy compact, then infiltrating pure silver into the pores. The density of the tungsten compact before infiltration is 14.5 g/cm3. Calculate the volume fraction of porosity and th

13、e final weight percent of silver in the compact after infiltration.Example SOLUTIONFrom the rule of mixtures:Example ：Silver-Tungsten Compositechapter 1015山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫Example SOLUTION (Continued)After infiltration, the volume fraction of silver equals the volume fraction of pores:chapter 1016山東大學(xué)材料學(xué)

14、院李麗編寫2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure The effect of clay on the properties of polyethylene.chapter 1017山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫3、 纖維增強(qiáng)型 (1)連續(xù)纖維增強(qiáng)原理 混合定則可很好的描述和預(yù)測(cè)復(fù)合材料的某些性能。若纖維在基體中呈單向均勻的排列，則沿纖維方向復(fù)合材料的性能可表示為例題：9.2.3 得出的結(jié)論，纖維承受載荷

15、的分?jǐn)?shù)0.92。所有載荷都由纖維承受。chapter 1018山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫復(fù)合材料制造中，難免造成纖維的部分損傷，與基體結(jié)合也有缺陷，排列方向性也可能不夠理想?？紤]這些因素，工程中為了更準(zhǔn)確地計(jì)算纖維方向的彈性模量，其計(jì)算式可改為混雜纖維chapter 1019山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure Increasing the length of choppe

16、d E-glass fibers in an epoxy matrix increases the strength of the composite. In this example, the volume fraction of glass fibers is about 0.5.chapter 1020山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure Effect of fib

17、er orientation on the tensile strength of E-glass fiber-reinforced epoxy composites.chapter 1021山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure (a) Tapes containing aligned fibers can be joined to produce a multi-lay

18、ered different orientations to produce a quasi-isotropic composite. In this case, a 0/+45/90 composite is formed.chapter 1022山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure A three-dimensional weave for fiber-reinfor

19、ced composites.chapter 1023山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫10.3 復(fù)合材料的界面 復(fù)合材料的界面是特有的而且是極其重要的組成部分，它是通過(guò)物理和化學(xué)作用把兩種或兩種以上異質(zhì)、異形和異性的材料復(fù)合起來(lái)所形成的。一般把基體和增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的構(gòu)成彼此結(jié)合的、能傳送載荷作用的區(qū)域稱之為界面。 界面是有層次的。 界面不是簡(jiǎn)單的幾何面。而是一個(gè)過(guò)渡區(qū)域。一般說(shuō)這個(gè)區(qū)域是從增強(qiáng)體內(nèi)部性質(zhì)不同的那一點(diǎn)開(kāi)始到基體內(nèi)部與基體性質(zhì)相一致的某點(diǎn)為止。該區(qū)域的材料結(jié)構(gòu)與性能應(yīng)該不同于組分材料的任意一個(gè)?？珊?jiǎn)稱該區(qū)域?yàn)榻缑嫦?Interphase)或界面層(Interlayer)。 界

20、面和界面相是有區(qū)別的但習(xí)慣稱上把界面相的問(wèn)題統(tǒng)稱為界面問(wèn)題。界面厚度很小，它可以是幾個(gè)nm到幾百個(gè)nm。chapter 1024山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫復(fù)合材料的界面類型 要形成復(fù)合材料、必須在界面上建立一定的結(jié)合力。界面結(jié)合力大致可分為物理結(jié)合力和化學(xué)結(jié)合力。物理結(jié)合力一般指范德華力，包括偶極定向力，誘導(dǎo)偶極定向力和色散力，也可將氫鍵作用力歸人物理結(jié)合力范疇，該結(jié)合力大大高于前三種結(jié)合力；化學(xué)結(jié)合力是在界面土產(chǎn)生共價(jià)鍵和金屬鍵。實(shí)際上又根據(jù)界面形成中物理和化學(xué)形式進(jìn)行分類。陶瓷甚和金局基復(fù)合材料分類情況類似，樹脂基復(fù)合材料與前者有一定差別。chapter 1025山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫金屬

21、基和陶瓷基復(fù)合材料的界面類型（1）機(jī)械結(jié)合 ：依靠粗糙表面機(jī)械結(jié)合和依靠基體復(fù)合中的收縮應(yīng)力包緊增強(qiáng)體的摩擦結(jié)合。（2）溶解浸潤(rùn)結(jié)合：基體能潤(rùn)濕增強(qiáng)體，相互之間發(fā)生擴(kuò)散和溶解形成結(jié)合。其作用力是短程的，只有幾個(gè)原子間距。例如CNi即屬于此類。（3）反應(yīng)結(jié)合：特征是通過(guò)基體與增強(qiáng)體的反應(yīng)生成化合物。（4）氧化結(jié)合：增強(qiáng)體表面吸附空氣帶來(lái)的氧化作用或是氧化物纖維與基體的結(jié)合。（5）混合結(jié)合： 這種結(jié)合是上述幾種結(jié)合方式的組合，其存在較普通，是最重要的一種結(jié)合方式。chapter 1026山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫樹脂基復(fù)合材料的界面類型（1）化學(xué)結(jié)合：基體表面上的官能團(tuán)與增強(qiáng)物表面上的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)

22、反應(yīng)，形成共價(jià)鏈結(jié)合的界面區(qū)。（2）浸潤(rùn)-浸濕吸附結(jié)合：增強(qiáng)材料被基體浸潤(rùn)，即物理吸附所產(chǎn)生的界面結(jié)合。這種結(jié)合有時(shí)會(huì)超過(guò)基體的內(nèi)聚力。（3）擴(kuò)散結(jié)合：界面擴(kuò)散作用使原有取銜的狀態(tài)破壞，形成界面模糊區(qū)。（4）機(jī)械結(jié)合：（5）靜電結(jié)合：兩相物質(zhì)對(duì)電子的親和力相差較大時(shí)(如金屬與聚合物)，在界面區(qū)容易產(chǎn)生接觸電勢(shì)并形成雙電層，靜電吸引力是產(chǎn)生界面結(jié)合力的直接原因之一。氫鍵可看作是一種靜電作用。chapter 1027山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫界面化學(xué)、擴(kuò)散效應(yīng)M O Si M O Si M O Si M O Si M O Si M O Si 無(wú)機(jī)介質(zhì)擴(kuò)散界面層偶聯(lián)劑高聚物化學(xué)鍵連接界面chapter

23、 1028山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫復(fù)合材料界面擔(dān)當(dāng)著由基體通過(guò)界面?zhèn)鬟f至增強(qiáng)體裁荷的任務(wù)、因此要求界面應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，復(fù)合中的困難也通常是界面難以形成一定強(qiáng)度的結(jié)合。另一方面復(fù)合材料斷裂中，纖維的斷裂、基體的變形與開(kāi)裂、裂紋擴(kuò)展中遇到增強(qiáng)體時(shí)的偏轉(zhuǎn)曲折路徑、纖維與基體界面脫粘和纖維從基體中克服摩擦力的拔出都要消耗能量，構(gòu)成材料的韌性行為。其中以纖維拔出對(duì)韌性的貢獻(xiàn)最大。因此，界面結(jié)合強(qiáng)度不是越高超好。雖然提高界面結(jié)合強(qiáng)度能有效傳遞載荷、進(jìn)一步提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)，改善耐環(huán)境的性能，但纖維難于與基體脫粘和從基體中拔出導(dǎo)致韌性降低。10.3.2界面改善對(duì)其性能的影響chapter

24、 1029山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫金屬基和陶瓷基復(fù)合材料界面要考慮其使用中的物理不穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。 物理不穩(wěn)定性表現(xiàn)在高溫下增強(qiáng)體與基體存在化學(xué)位梯度，纖維有可能向基體不斷熔解和擴(kuò)散，達(dá)成界面不穩(wěn)定、纖維損傷，復(fù)合材料強(qiáng)度降低。例如鎢絲增強(qiáng)鎳基合金，由于復(fù)合成形的溫度低，鎢絲并沒(méi)有溶入合金而降低強(qiáng)度。但在1100左右50h后，鎢絲直徑僅為原來(lái)的60、說(shuō)明鎢已溶人鎳合金中損失了強(qiáng)度。化學(xué)不穩(wěn)定性主要指復(fù)合材料制造和使用中界面通過(guò)擴(kuò)散產(chǎn)生基體與增強(qiáng)體的化學(xué)反應(yīng)，生成不希望得到的脆性化合物。這種化合物的厚度達(dá)到一定時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度會(huì)大幅度降低，因此預(yù)測(cè)化合物反應(yīng)厚度十分重要。chapter 1030山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫改善復(fù)合材料界面的方法界面殘余應(yīng)力大多數(shù)是復(fù)合制作過(guò)程中留下的復(fù)合材料制作工藝都要加熱和冷卻，由于基體和纖縫導(dǎo)熱性、彈性模數(shù)及熱膨脹系數(shù)不同引起了這種殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力會(huì)引發(fā)裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度下降。對(duì)于材胎基復(fù)合材料，還會(huì)引起界面易受氧和水的環(huán)境作用，造成材料過(guò)早破壞。殘余應(yīng)力通常是不可避免的，只能設(shè)法減小。在加熱和冷卻后，熱膨脹系數(shù)較大的組分處于張應(yīng)力，而另一組分則受到壓應(yīng)力。1.降低界面殘余應(yīng)力chapter 1031山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫2.基體