第四章第七,八節(jié)教材

4-7

復(fù)合材料的性能

propertiesofcomposites

principleofcombinedactionofcomposites,ruleofmixtureofparticlecompositesWhatisdifferenceofparticlesize,fiberlengthandorentationforstrengtheningcompositesCalculatelongitudinalandtransversemodulus,andlongitudinalstrengthforanalignedandcontinuousfiber-reinforcedcomposite.Computelongitudinalstrengthsfordiscontinuousandalignedfibrouscompositematerials.

4-7復(fù)合材料的性能(propertiesofcomposites)

4-7-1復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)(principleofcombinedaction）

1.

復(fù)合材料各組元（相）相互作用

基體：①將增強(qiáng)材料粘合成整體并使增強(qiáng)材料的位置固定。②

增強(qiáng)材料間傳遞載荷，并使載荷均勻，自身承受一定載荷。③

保護(hù)增強(qiáng)體免受各種損傷。④很大程度上決定成型工藝方法及工藝參數(shù)選擇。⑤決定部分性能。

增強(qiáng)體：主要承受絕大部分載荷、增強(qiáng)、增韌

功能體：賦予一定功能

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)產(chǎn)生的根源

PMC界面區(qū)域示意圖

1-外力場；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)表現(xiàn)形式多種多樣大致可分為：混合效應(yīng)：線性加合

固有性質(zhì)，如密度、模量、比熱

非固有性質(zhì)，如強(qiáng)度、泊松比等

協(xié)同效應(yīng)：非線性綜合

｛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、薄弱環(huán)節(jié)、界面、工藝因素等通常對混合效應(yīng)沒有明顯的作用，表現(xiàn)為各種形式的混合律。協(xié)同效應(yīng)：①復(fù)合材料的本質(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，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)。②對微觀非均勻性、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。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)

混合定律

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)：各組元性能確定，相對組成作為變量，不考慮組份的幾何形狀、分布狀態(tài)和尺度等影響。相對組成通常用體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表達(dá)。（三個前提）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)出來的材料性質(zhì)，如密度

C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)+

fVf

CC=Cm(1

Vf)+CfVf

(2)

幾何尺寸效應(yīng)復(fù)合材料性能不僅與各組元分量有關(guān)，還強(qiáng)烈依賴于增加相的幾何形狀、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)，隨纖維的長徑比變化而變化，見圖4-106、4-107，表4-40。

臨界長度lc和臨界長徑比lc/d的概念見書P419-420，表4-41不同材料的lc

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（一般為0.1

m或100nm），顆粒的某些性質(zhì)（如光、電、磁、熱、化學(xué)特性等）會發(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102nm量級的復(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，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)(interfaceeffect)

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加以簡述（見圖4-108，4-109）

4）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P4215）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P4224-7-2復(fù)合材料的力學(xué)性能（mechanicalpropertiesofcomposites)

1.單向板的強(qiáng)度與模量（strengthandmodulusofanalignedfiber-reinforcedcomposites)(1)縱向載荷彈性行為（ElasticBehavior–longitudinalloading)條件；FC=Fm+Ff

εc=εm=εf

Vm+Vf=1推導(dǎo)結(jié)果：模量

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)強(qiáng)度

(2)單向板縱向拉伸的三種破壞模式：

①基體斷裂；②界面脫粘；③纖維斷裂，（3）單向板縱向壓縮強(qiáng)度失效模式拉壓屈服剪切屈服（2）橫向載荷彈性行為（ElasticBehavior-transverseloading)條件：σc=σm=σf=σεc=εm

Vm+Vf

εf

Vm+Vf=1推導(dǎo)結(jié)果：模量或

（1）單向板橫向拉伸強(qiáng)度

單向板橫向拉伸的三種破壞模式：①基體破壞；②界面脫粘；③纖維破壞Yc＝Vf

fy

＋Vm

my

Yc＝［１＋Vf（1/

y

－1）］

my

y：應(yīng)力分配系數(shù)表4-43單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料的典型性能

表4-44幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能

表4-45浸漬法制造的單向碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能

單向板復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與纖維方向關(guān)系，圖4-116

2.

復(fù)合材料的沖擊韌性

沖擊韌性是復(fù)合材料的重要性能，可由①沖擊強(qiáng)度；②斷裂韌性Gc；③沖擊后的壓縮強(qiáng)度（CAI）來表征。沖擊實驗中的典型加載歷程見圖4-118韌性指數(shù)裂紋擴(kuò)展能Qp與裂紋引發(fā)能Qi之比

沖擊過程中裂紋擴(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：①基體變形和開裂；②纖維破壞；③纖維脫膠拔出（摩擦功）；④分層裂紋等多個方面。基體變形吸收較多的能量。

熱固性基體性脆，變形很小，沖擊韌性差。

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，能得到韌性大幅度提高的復(fù)合材料。圖4-120

CMC增韌理論，詳見P431

3.

復(fù)合材料的疲勞性能

疲勞的概念：低于靜態(tài)強(qiáng)度極限條件下的動載荷（交變載荷）作用，經(jīng)過不同時間（或次數(shù)）都會破壞失效。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的疲勞性能。4-8納米材料及納米效應(yīng)

1.

概述納米材料必須同時滿足以下兩個條件：(1)幾何尺寸至少一維在納米尺度（10–9~10–7或0.1~100nm）(2)必須具有納米效應(yīng)，即①小尺寸效應(yīng)，②表面效應(yīng)，③量子尺寸效應(yīng)，④宏觀量子隧道效應(yīng)等納米材料包含三個層次：①納米結(jié)構(gòu)單元

零維：納米微粒、原子團(tuán)簇、人造原子——量子點一維：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②

納米固體

納米相材料：單相納米微粒構(gòu)成納米復(fù)合材料：多種或多相納米微粒至少在一個方面以納米尺寸復(fù)合而成③

納米組裝體系自組裝：通過共價鍵或弱作用力實現(xiàn)自組裝（氫鍵、范氏力、離子鍵等）

人工組裝：按人的意志，利用物理和化學(xué)方法構(gòu)筑成一個納米尺度的物質(zhì)1.

2.

納米結(jié)構(gòu)單元①

團(tuán)簇（cluster）粒徑小于或等于1nm的原子聚集體，如nFe、CunSm、CnHm、C60、C70、富勒烯等。特點在于：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。②

納米微粒

納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級的超細(xì)微粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉。尺寸在1~100nm之間的超細(xì)微粒，尺寸大于原子團(tuán)簇③

人造原子（artificialatoms），又稱量子點，是由一定數(shù)量的實際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于100nm

④

納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜1.

3.納米復(fù)合材料指分散相尺度至少有一維小于102nm量級的復(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4-8-2納米材料的基本物理效應(yīng)1.1.

納米效應(yīng)

①

小尺寸效應(yīng)

當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長、以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，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。②

表面效應(yīng)隨粒徑的減少，微粒的比表面積，表面原子比例、表面能會成倍或成數(shù)量級增加。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