材料的組成和結(jié)構(gòu)第講

材料的組成和結(jié)構(gòu)第講第1頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

3-5

復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)(compositionandstructureofcomposites)3-5-1復(fù)合材料定義及分類(definitionandclassificationofcomposites)1.定義(P225頁(yè))(1)種類不同，性質(zhì)差異很大的幾種材料及其界面相（層）所組成（組成上）

(2)多相固體材料（結(jié)構(gòu)）

(3)經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)合而成（制備上）

(4)通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組份材料所不具備的性能，或產(chǎn)生性能協(xié)同作用，與簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)的區(qū)別（性能上）簡(jiǎn)言之：復(fù)合材料由連續(xù)基體相(matrixphase)和分散增強(qiáng)相(dispersephase)及界面相(interfacephase)所構(gòu)成第2頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五復(fù)合材料系統(tǒng)組合分散相連續(xù)相金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬

材料金屬纖維(絲)纖維金屬基復(fù)合材料鋼絲/水泥復(fù)合材料增強(qiáng)橡膠金屬晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料

金屬片材

金屬/塑料板無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶瓷基復(fù)合材料

晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶基復(fù)合材料

顆粒彌散強(qiáng)化合金材料

粒子填充塑料玻璃纖維

纖維/村脂基復(fù)合材料粒子

碳纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶基復(fù)合材料纖維/樹脂基復(fù)合材料炭黑

顆粒/橡膠顆粒/樹脂基復(fù)合材料有機(jī)高分子材料有機(jī)纖維

纖維/樹脂基復(fù)合材料塑料金屬/塑料

橡膠

第3頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.分類：(1)按來(lái)源：天然、人工復(fù)合材料等(2)按基體：樹脂基、金屬基、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料等(3)按增強(qiáng)體形態(tài)：顆粒增強(qiáng)(particle-reinforced)

短纖或晶須增強(qiáng)(choppedfiberorwhiskersreinforced)

連續(xù)長(zhǎng)纖增強(qiáng)(continuousfiber-reinforced)

多維編織布增強(qiáng)(braidedfabricorfilamentwinding-reinforced)

三維編織體增強(qiáng)等(4)按應(yīng)用：結(jié)構(gòu)、功能、智能復(fù)合材料等(5)按增強(qiáng)材料品種：玻纖、碳纖、有機(jī)纖維復(fù)合材料等(6)按特定含義：通用、先進(jìn)、現(xiàn)代、近代、混雜、納米、原位、分子、宏觀復(fù)合材料等第4頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3-5-2

復(fù)合材料的組成與特性

1.概述聚合物基復(fù)合材料(polymer-matrixcomposites,PMC)金屬基復(fù)合材料(metal-matrixcomposites,MMC)陶瓷基復(fù)合材料(ceramics-matrixcomposites,CMC)碳/碳復(fù)合材料(carbon-carboncomposites,C/C)無(wú)機(jī)膠凝基復(fù)合材料(fiberreinforcedconcrete,FRC)

共同構(gòu)成現(xiàn)代復(fù)合材料（體系）第5頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（1）組成(composition)①基體(matrix)②增強(qiáng)材料(reinforcement)（是一個(gè)龐大的材料體系、品種繁多，結(jié)構(gòu)與性能呈多樣化，復(fù)合體系的系統(tǒng)組合、排列給復(fù)合材料的巨大的發(fā)展空間，原則上，基體與增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)與性能差異越大，愈具復(fù)合價(jià)值，但更為重要的是基體與增強(qiáng)體之間的匹配。）

A.顆粒增強(qiáng)體：高強(qiáng)、高模、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬材料的微細(xì)粉末，主要起增強(qiáng)、增韌作用，而不是普通填料的填充體積或降低成本的作用，增強(qiáng)體價(jià)格往往比基體還貴。

B.短纖維（晶須）(choppedfiberorwhisker)：長(zhǎng)徑比5~1000之間，橫截面積小于52×10―5cm2（當(dāng)量直徑約1~10m）的含缺陷很少的單晶纖維，其模量和強(qiáng)度接近其純晶體的理論值。主要有金屬晶須、氧化物晶須、氮化物晶須、硼化物晶須和無(wú)機(jī)鹽類晶須。

C.纖維及其織物(braidedfabricorfilamentwinding)：植物纖維、動(dòng)物纖維、碳物纖維、合成纖維等

第6頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（2）復(fù)合材料的特性(character)

一般特性：

a.可設(shè)計(jì)性

b.構(gòu)件復(fù)合與成型一次性完成，整體性好

c.性能分散性大，性能對(duì)工藝工程及工藝參數(shù)甚至一些偶然性因素都十分敏感，難以精確控制結(jié)構(gòu)和性能

d.復(fù)合效應(yīng)（多種復(fù)合效應(yīng)）(principleofcombinedaction)

一般性能特點(diǎn)：

a.比強(qiáng)度、比模量大

b.破壞安全性高

c.耐疲勞性好

d.阻尼減震性好

e.耐燒蝕性能好第7頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

2.

PMC的組成

(1)基體

熱固性基體(thermosettingmatrix)：

i)熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤(rùn)，成型工藝性好

ii)交聯(lián)固化成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尺寸穩(wěn)定性、耐熱性好，但性脆

iii)制備過(guò)程伴有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)

熱塑性基體(thermoplasticmatrix)：

i)熔體或溶液粘度大，浸漬與浸潤(rùn)困難，需在較高溫度和壓力下成型，工藝性差

ii)線性分子結(jié)構(gòu)，抗蠕變和尺寸穩(wěn)定性差，但韌性好

iii)制備過(guò)程中伴有聚集態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及取向、結(jié)晶等物理現(xiàn)象)(2)增強(qiáng)體主要有碳纖、玻纖維、芳綸纖維、硼纖維等樹脂基體與增強(qiáng)體相容性、浸潤(rùn)性較差，多經(jīng)過(guò)表面處理與表面改性，浸潤(rùn)劑、偶聯(lián)劑、涂復(fù)層的使用，使其組成復(fù)雜化。第8頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第9頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第10頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.MMC(1)基體：Al、Mg、Ti、Ni等輕金屬及其它們的合金（比強(qiáng)度、比模量高）

(2)增強(qiáng)體：強(qiáng)度、模量和熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于金屬基體的金屬或非金屬材料。主要有：硼纖維、碳纖維、

SiC纖維、Al2O3纖維鎢絲、鋼絲、不銹鋼絲陶瓷顆粒、晶須等特點(diǎn)：保持金屬材料特性外，與金屬基體相比具有高強(qiáng)、高模、高韌性、高抗沖、尺寸穩(wěn)定性好、抗疲勞性能好等特點(diǎn)，可沿用大部分金屬成型加工方法，適合于用作中、高溫結(jié)構(gòu)材料。第11頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4.CMC(1)基體：氧化鋁、氮化硅、碳化硅、玻璃等特種陶瓷

陶瓷本身：高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、耐磨、抗氧化等陶瓷致命缺點(diǎn)：性脆、抗熱震性（抗熱沖擊性）差，抗震性差且對(duì)裂紋、氣孔和混雜物等細(xì)微缺陷敏感，易突然失效

(2)增強(qiáng)材料：碳纖維、硼纖維、α-Al2O3纖維、氧化鋁-硼酸鹽纖維\鎢絲、鈮絲、不銹鋼絲、SiC晶須、SiN4晶須、

ZrO顆粒等，

復(fù)合的目的不是提高模量與強(qiáng)度，而是對(duì)陶瓷基體增韌

CMC仍以燒結(jié)成型為主，由于基體與增強(qiáng)體都具有高模量、高耐溫特點(diǎn)，殘余應(yīng)力很大，導(dǎo)致微裂紋，因此，兩相的CTE必須匹配,CMC適合于作高溫結(jié)構(gòu)材料，被稱為“材料的夢(mèng)想”。

第12頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第13頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五5.C/C復(fù)合材料化學(xué)組成單一，C元素，但C的形態(tài)與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜

(1)基體碳：i)CVD碳；ii)樹脂碳；iii)瀝青碳

(2)增強(qiáng)體：高性能碳纖維及其織物

(3)性能特點(diǎn)：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、低蠕變、高導(dǎo)熱、低CTE、高抗熱震性、高耐溫、耐燒蝕等的同時(shí)，還具有高強(qiáng)、高模、抗疲勞、力學(xué)性能隨溫度升高而升高的特點(diǎn)缺點(diǎn)：高溫下易氧化，材料多孔而疏松

高溫結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料，近年發(fā)展很快。第14頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五6.無(wú)機(jī)膠凝復(fù)合材料

氣硬性膠凝材料：只能在空氣中不能在水中硬化。如石灰、石膏、鎂質(zhì)膠凝材料等水硬性膠凝材料：既能在空氣中，又能在水中硬化（常稱為水泥）。如：硅酸鹽水泥、鋰酸鹽水泥、硫酸鋁水泥、磷酸鹽水泥等。

水泥的凝結(jié)硬化過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，硬化后的水泥是由晶體、凝膠體、未水化顆粒、游離水、氣孔等組成的多相不均質(zhì)結(jié)構(gòu)體，這一結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度低，沖擊韌性差（性脆），易突然失效，不能作結(jié)構(gòu)材料。

增強(qiáng)纖維：金屬纖維、無(wú)機(jī)纖維、合成纖維、植物纖維等復(fù)合的目的，是增強(qiáng)、增韌，用作結(jié)構(gòu)材料。第15頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3-5-1

復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)(structureofcomposites)

①

無(wú)規(guī)分散（彌散）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（含顆粒、晶須、短纖維）(randomlyoriented)②

連續(xù)長(zhǎng)纖單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（單向板）(aligned)③

層合(板)結(jié)構(gòu)(二維織布或連續(xù)纖維鋪層，每層

不同)(laminate)④

三維編織體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(braidedfabricorfilamentwinding)⑤

夾層結(jié)構(gòu)（蜂窩夾層等）(sandwichconstructure)⑥

混雜結(jié)構(gòu)(hybridconstructure)

第16頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五引入相的“連通性”概念，理論上可將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)劃分為

0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等幾種典型結(jié)構(gòu)第17頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三維編織纖維結(jié)構(gòu)

三維正交非織造的纖維結(jié)構(gòu)

(a)非線性法平面增強(qiáng)(b)一種開(kāi)式格狀結(jié)構(gòu)

(c）一種柔性結(jié)構(gòu)

管、容器的螺旋纏繞平面纏繞線型

第18頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五各種玻璃夾層結(jié)構(gòu)第19頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五單向及準(zhǔn)各向同性板的鋪層結(jié)構(gòu)第20頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五混雜復(fù)合材料的混雜類型

第21頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3-5-4

復(fù)合材料的界面(interfaceofcomposites)基本概念和界面現(xiàn)象

基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張力、界面能接觸角、粘附功

界面現(xiàn)象：①表面吸附作用與浸潤(rùn)②擴(kuò)散與粘結(jié)（含界面互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）③界面上分子間相互作用力（范氏力和化學(xué)鍵合力）第22頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.復(fù)合材料的界面形成過(guò)程(formationoftheinterfaceofcomposites)：

PMC、MMC、CMC、C/C等復(fù)合材料體系對(duì)界面要求各不相同，它們的成型加工方法與工藝差別很大，各有特點(diǎn)，使復(fù)合材料界面形成過(guò)程十分復(fù)雜，理論上可分為三個(gè)階段。（1）第一階段：增強(qiáng)體表面預(yù)處理或改性階段。

i)界面設(shè)計(jì)與控制的重要手段

ii)改性層成為最終界面層的重要組成部分

iii)為第二階段作準(zhǔn)備（2）第二階段：增強(qiáng)體與基體在一組分為液態(tài)（或粘流態(tài)）時(shí)的接觸與浸潤(rùn)過(guò)程

i)

接觸—吸附與浸潤(rùn)—交互擴(kuò)散—化學(xué)結(jié)合或物理結(jié)合—?；瘜W(xué)結(jié)合可看作是一種特殊的浸潤(rùn)過(guò)程

ii)界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段第23頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（3）第三階段：液態(tài)（或粘流態(tài)）組分的固化過(guò)程，即凝固或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

i)界面的固定（亞穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)）

ii)界面的穩(wěn)定（穩(wěn)態(tài)、平衡態(tài)）在復(fù)合材料界面形成過(guò)程中涉及：

i)界面間的相互置換：如，潤(rùn)濕過(guò)程是一個(gè)固-液界面置換固-氣表面的過(guò)程

ii)界面間的相互轉(zhuǎn)化：如，固化過(guò)程是固-液界面向固-固界面轉(zhuǎn)化的過(guò)程后處理過(guò)程：固-固界面自身完善與平衡的過(guò)程第24頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)(structureandpropertycharactersoftheinterlayer)：

i)非單分子層，其組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、形貌十分復(fù)雜、形式多樣界面區(qū)至少包括：基體表面層、增強(qiáng)體表面層、基體/增強(qiáng)體界面層三個(gè)部分

ii)

具有一定厚度的界面相（層），其組成、結(jié)構(gòu)、性能隨厚度方向變化而變化，具有“梯度”材料性能特征

iii)

界面的比表面積或界面相的體積分?jǐn)?shù)很大（尤其是納米復(fù)合材料）界面效應(yīng)顯著：復(fù)合材料復(fù)合效應(yīng)產(chǎn)生的根源

iv)

界面缺陷形式多樣（包括殘余應(yīng)力）(residualstress)，對(duì)復(fù)合材料性能影響十分敏感

第25頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五PMC界面區(qū)域(interfacezoneofPMC)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)劑第26頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4.界面上力的傳遞與殘余應(yīng)力(forcetransferenceofinterfaceandresidualstress)

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b.

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→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(lái)源：①

增強(qiáng)相與基體相CTE不匹配②

相與相之間的彈性系數(shù)不匹配，相內(nèi)的應(yīng)力分布不均③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，如：基體固化、聚集態(tài)轉(zhuǎn)變、晶相轉(zhuǎn)變等④

層合板中，鋪層方向不同帶來(lái)的層間殘余應(yīng)力（層合板的翹曲）⑤

流變過(guò)程中，組元間的塑性變形差異→流變殘余應(yīng)力

第27頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五5.復(fù)合材料界面破壞機(jī)制(interfacefailureofcomposites)（1）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、氣孔、內(nèi)應(yīng)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

（2）破壞形式

5種基本破壞形式——————i)

基體斷裂ii)

纖維斷裂iii)纖維脫粘iv)纖維拔出(摩擦功)v)裂紋擴(kuò)展與偏轉(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28頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期五6.復(fù)合材料的界面理論(TheInterfaceTheories)（1）界面設(shè)計(jì)與控制的概念(designandcontrolofinterlayer)

界面具有雙重功能①傳遞應(yīng)力，需要一定界面結(jié)合強(qiáng)度，但不是愈高愈好②界面破壞，界面結(jié)合弱，界面破壞形式愈豐富，能量耗散愈多,高的界面粘接強(qiáng)度，不一定帶來(lái)材料整體的高強(qiáng)度和高韌性。在脆性纖維-脆性基體復(fù)合體系中，強(qiáng)的界面結(jié)合往往導(dǎo)致各組元相中