復合材料1課件

復合材料Email:參考書張玉龍主編，先進復合材料制造技術(shù)手冊，機械工業(yè)出版社，2003.6沃丁柱主編，復合材料大全，化學工業(yè)出版社，2001.1吳人潔主編，復合材料，天津大學出版社，2000.12徐國財，張立德主編，納米復合材料，化學工業(yè)出版社，2002.3賈成廠主編，陶瓷基復合材料導論，冶金工業(yè)出版社，2002.1第一章前言一、材料的發(fā)展與人類社會的進步

材料是人類社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導，是人類進步的里程碑。當前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會將人類物質(zhì)文明推向新的階段。二十一世紀將是一個新材料時代。

三、復合材料的發(fā)展歷史和意義

1、復合材料的發(fā)展歷史6000年前人類就已經(jīng)會用稻草加粘土作為建筑復合材料。水泥復合材料已廣泛地應用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用；20世紀40年代，美國用碎布酚醛樹脂制備槍托、代替木材，發(fā)展成為玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）這種廣泛應用的較現(xiàn)代化復合材料。

2、復合材料的意義現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復合材料。例如：火箭殼體材料對射程的影響如下

第二章復合材料概述

一、復合材料的定義和特點：1、復合材料的定義：ISO定義為是：兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復合材料應滿足下面三個條件：（1）組元含量大于5%；（2）復合材料的性能顯著不同于各組元的性能；（3）通過各種方法混合而成。2、復合材料的特點：

1）由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微觀復合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯的界面。

2）各組分保持各自固有特性的同時可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。3）復合材料具有可設(shè)計性。3、復合材料的基本結(jié)構(gòu)模式復合材料由基體和增強劑兩個組分構(gòu)成：基體：構(gòu)成復合材料的連續(xù)相；增強劑（增強相、增強體）：復合材料中獨立的形態(tài)分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和增強。增強劑（相）一般較基體硬，強度、模量較基體大，或具有其它特性。可以是纖維狀、顆粒狀或彌散狀。增強劑（相）與基體之間存在著明顯界面。

2、按基體材料分類：聚合物復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料碳碳復合材料水泥基復合材料3、按用途分類結(jié)構(gòu)復合材料功能復合材料結(jié)構(gòu)/功能一體化復合材料4、按增強劑分類顆粒增強復合材料晶須增強復合材料短纖維增強復合材料連續(xù)纖維增強復合材料混雜纖維增強復合材料三向編織復合材料

四、

復合材料的基本性能（優(yōu)點）：

1、高比強度、高比模量（剛度）：比強度=強度/密度MPa/（g/cm3）,比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。

3、良好的尺寸穩(wěn)定性：加入增強體到基體材料中不僅可以提高材料的強度和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變復合材料中增強體的含量，可以調(diào)整復合材料的熱膨脹系數(shù)。

4、良好的化學穩(wěn)定性：聚合物基復合材料和陶瓷基復合材料。5、良好的抗疲勞、蠕變、沖擊和斷裂韌性：陶瓷基復合材料的脆性得到明顯改善6、良好的功能性能

第三章

復合材料界面

一、復合材料界面復合材料的界面是指基體與增強相之間化學成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。復合材料的界面是一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，約幾個納米到幾個微米。

1、外力場2、基體

3、基體表面區(qū)4、相互滲透區(qū)

5、增強劑表面區(qū)6、增強劑

1、界面效應界面是復合材料的特征，可將界面的機能歸納為以下幾種效應：（1）傳遞效應：界面可將復合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強相，起到基體和增強相之間

的橋梁作用。

（2）阻斷效應：基體和增強相之間結(jié)合力適當?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、減緩應力集中的作用。

（3）不連續(xù)效應：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等。2、界面的結(jié)合狀態(tài)和強度界面的結(jié)合狀態(tài)和強度對復合材料的性能有重要影響。對于每一種復合材料都要求有合適的界面結(jié)合強度。界面結(jié)合較差的復合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過強的復合材料則呈脆性斷裂，也降低了復合材料的整體性能。界面最佳態(tài)的衡量是當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進一步界面脫粘；即這時的復合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。

二、復合材料組分的相容性1、物理相容性：（1）基體應具有足夠的韌性和強度，能夠?qū)⑼獠枯d荷均勻地傳遞到增強劑上，而不會有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。（2）由于裂紋或位錯移動，在基體上產(chǎn)生的局部應力不應在增強劑上形成高的局部應力。（3）基體與增強相熱膨脹系數(shù)的差異對復合材料的界面結(jié)合及各類性能產(chǎn)生重要的影響。

★對于韌性基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)。這是因為熱膨脹系數(shù)較高的相，從較高的加工溫度冷卻時將受到張應力；

★對于脆性材料的增強相，一般都是抗壓強度大于抗拉強度，處于壓縮狀態(tài)比較有利。

★而對于像鈦這類高屈服強度的基體，一般卻要求避免高的殘余熱應力，因此熱膨脹系數(shù)不應相差太大。三、復合材料的界面理論

1、界面潤濕理論界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對纖維表面的浸潤親和，即物理和化學吸附作用。

浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，導致界面缺陷和應力集中，使界面強度下降。良好的或完全浸潤可使界面強度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強度。根據(jù)力的合成：Lcos=S-

SL

粘合功可表示為：WA=S+L-

SL=

L（1+cos

）粘合功WA最大時：cos

=1，即

=0，液體完全平鋪在固體表面。同時：=SL,S=L

潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。

5、界面反應或界面擴散理論在復合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴散或反應，從而形成反應結(jié)合或擴散結(jié)合。四、界面的表征

1、界面結(jié)合強度的測定1）三點彎曲法：

★測定界面拉伸強度時纖維的排布

★測定界面剪切強度時纖維的排布

2）聲發(fā)射（AcousticEmissin，AE）法：聲發(fā)射是當固體材料在外部條件（如載荷、溫度、磁場、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時，由于其內(nèi)部原因而產(chǎn)生的瞬時彈性應力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有材料內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動態(tài)信息，借助靈敏的電子儀器可以檢測到聲發(fā)射信號。用儀器檢測分析聲發(fā)射信號，推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。富碳處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為

富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為

2、界面結(jié)構(gòu)的表征界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過先進儀器觀察分析。包括：俄歇電子譜儀（AES）、電子探針（EP）X光電子能譜儀（XPS）掃描二次離子質(zhì)譜儀（SSIMS）電子能量損失儀（EELS）X射線反射譜儀（GAXP）透射電子顯微鏡（TEM）掃描電鏡（SEM）、拉曼光譜（Raman）等

TiB2纖維表面涂層SiCF/Ti復合材料界面SEM（黃線為連續(xù)線掃描）

3、界面殘余應力及其表征（1）界面殘余應力

復合材料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強體則體積相對穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應力，同時又因增強體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應力。這兩種應力的加和總稱為界面殘余應力。

（A）界面殘余應力可以通過對復合材料進行熱處理，使界面松弛而降低，但受界面結(jié)合強度的控制，在界面結(jié)合很強的情況下效果不明顯。（B）界面殘余應力的存在對復合材料的力學性能有影響，其利弊與加載方向和復合材料殘余應力的狀態(tài)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復合材料界面存在殘余應力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。（2）界面殘余應力的測量主要方法X射線衍射法和中子衍射法。

★中子的穿透能力較X射線強，可用來測量界面內(nèi)應力；其結(jié)果是很大區(qū)域的應力平均值。

★

X射線衍射法只能測定樣品表面的殘余應力。目前，應用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射線衍射法。

第四章復合材料的復合理論

一、復合材料增強機制1、顆粒增強復合材料增強機制

基體和顆粒共同承受外來載荷；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了位錯的移動性。另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒前受阻，發(fā)生應力鈍化或擴展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強度。顆粒增強復合材料的屈服強度可有下式表示：式中：

σy－復合材料屈服強度；Gm－基體的切變模量；b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；C－常數(shù)VP－顆粒體積分數(shù)；Gp－顆粒的切變模量。2、彌散增強復合材料增強機制

基體是承受外來載荷的主要相；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了位錯的流動性。另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒前受阻，發(fā)生應力鈍化或擴展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強度。彌散增強復合材料的屈服強度可由下式表示：式中：

σy－復合材料屈服強度；Gm－基體的切變模量；b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；VP－顆粒體積分數(shù)。3.纖維（包括晶須、短纖維）復合材料增強機制基體通過界面將載荷有效地傳遞到增強相（晶須、纖維等），不是主承力相。

纖維承受由基體傳遞來的有效載荷，主承力相。受力分析如下：假定：纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比相同；在外力作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不同形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應變，通過界面將外力傳遞到纖維上。短纖維增強復合材料的拉伸強度可由下式表示：式中：σm*－與纖維的屈服應變同時發(fā)生的基體應力；

σfF－纖維的平均拉伸應力；Vf－纖維的體積分數(shù)；

l－纖維的長度；

lc－最大拉應力等于纖維斷裂強度時纖維的強度，纖維的臨界長度，。分析上式可得：（1）l/lc愈大，復合材料的拉伸強度愈大。當l/lc＝10時，增強效果可達到連續(xù)纖維的95%。（2）引入纖維直徑d，