复合材料原理09第8讲.ppt

复合材料原理,课程学科分类：材料学课程授课人：成来飞殷小玮超高温结构复合材料国防科技重点实验室2009.3.31,第八讲界面结合与模量匹配,1界面结合与失效模式2模量匹配问题3模量匹配控制,引入无量纲参数表示界面结合强度，的取值范围为01,=0，界面完全弱结合=1，界面完全强结合01，界面介于强弱之间,界面结合状态最佳=max，断裂强度最大,1.1界面结合与增强效果,1界面结合与失效模式,01，出现非积累型断裂基体不能将载荷有效地传递给纤维，整个复合材料内部出现不均匀的积聚损伤2l，出现积聚型断裂复合材料断裂主要集中在一个截面上，在断裂过程不存在纤维的拔出12，出现混合型断裂在纤维与基体之间结合弱的部位发生非积聚断裂，而在结合较强的部位发生积聚性断裂,1.2界面结合与失效模式,1界面结合与失效模式,lc太长，非积累型破坏，强度低而韧性高；lc太短，积累型破坏，强度高而韧性低；lc在一定范围内，混合型破坏，强度和韧性匹配。,1.3失效模式与临界长度,1界面结合与失效模式,2模量匹配问题,典型复合材料纤维与基体模量比与失效特征：前提：界面不发生滑移,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,在复合材料界面不发生滑移的情况下：,基体模量必须低于纤维模量，纤维才有增强效果,2.1弹性界面的模量匹配,多孔弹性基体可以改善界面模量匹配：,Em：弹性基体的名义模量远低于理论模量,连续纤维/多孔基体Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13)微结构特征:基体孔隙率60-85Vol%纤维体积分数42-48Vol%总孔隙率35-50Vol%,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13)微结构特征:基体孔隙率30-50Vol%纤维体积分数42-48Vol%总孔隙率20-30Vol%,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,WalterKrenkel，CarbonFibreReinforcedSiliconCarbideComposites(C/SiC,C/C-SiC),2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,WalterKrenkel，CarbonFibreReinforcedSiliconCarbideComposites(C/SiC,C/C-SiC),2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,The90fiberdirectionstrengthsfortheuni-directionalsamples,withdensestructureand0.15m-thicknessSiCcoating(a),withporousstructureand0.15m-thicknessSiCcoating(b),withporousstructureand0.48m-thicknessSiCcoating(c).,S.SUYAMA,JOURNALOFMATERIALSSCIENCE37(2002)11011106,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,多孔弹性基体可以改善界面模量匹配：,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,Gm/Gb30%控制的弱基体可降低Gm,弹性界面的裂纹偏转条件：,criterionforcrackdeflection,Tuetal.,1996,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,控制基体孔隙率控制纤维临界长径比：,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,低模量界面相可以改善界面模量匹配：,Ei：界面相的模量,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,弹性界面的裂纹偏转条件：,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,A.G.EVANS,F.W.ZOK,JOURNALOFMATERIALSSCIENCE29(1994)38573896,Gi/GfGi:界面脱粘能Gf:纤维丝断裂能由弱界面控制的纤维基体脱粘可降低Gi(PyC,BN),弹性界面的裂纹偏转条件：,纤维的断裂能f20Jm-2挑战：选择抗氧化界面层,Evansetal.,1994,criterionforcrackdeflection,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,控制界面层厚度控制纤维临界长径比：,控制基体孔隙率控制纤维临界长径比：,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,控制界面层厚度控制纤维临界长径比：,T.Nozawa，TheEffectsofNeutronTheEffectsofNeutronIIrrrradiiattiionontheIIntterrffaciiallShearrSttrrengtthoffSiiC/SiiCComposiittes,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,控制界面层厚度控制纤维临界长径比：,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,EffectonmechanicalpropertiesofcarboncoatingsonNicalonfibresinaSiCmatrix.临界长度影响复合材料韧性,T.W.Clyne,F.R.Jones,Composites:Interfaces,“Composites:MMC,CMC,PMC”,AMortensen(ed.),Elsevier,2001,2.1弹性界面的模量匹配,2模量匹配问题,低模量：缓解热膨胀失配；低剪切强度：控制界面结合强度；与纤维和基体共有化学组元：防止界面化学反应。,弹性界面的界面相,2模量匹配问题,2.1弹性界面的模量匹配,纤维临界长径比与纤维和基体模量比有关：,如果模量比太小，需要低模量界面层：,如果模量比太大，需要高模量界面层：,2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,模量比和体积分数影响载荷传递效果：,2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,纤维临界长度与纤维和基体模量比有关：,E-glass/Nylon-6复合材料,2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,温度升高，基体模量下降，纤维临界长径比增加：,E-glass/Nylon-6复合材料,2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,模量比对纤维和界面应力的影响大：,2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,模量比对界面剪切应力的影响(R=Em/Ef,:x=0,:x=L),模量比对界面剪切应力的影响(:0.001,:0.025,:0.1,:0.2:0.3,:0.4,:0.5),2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,模量比对纤维径向应力的影响(:0.001,:0.025,:0.1,:0.2:0.3,:0.4,:0.5),模量比对纤维轴向应力的影响(:0.001,:0.025,:0.1,:0.2:0.3,:0.4,:0.5),2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,R/rf,几何比对界面剪切应力的影响(PMC:Steel/epoxy,:上部,:底部),模量比越大，界面剪切应力越低，影响区域越大：,2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,R/rf,几何比对界面剪切应力的影响(MMC:SiC/Al,:上部,:底部),模量比适中，界面剪切应力适中，影响区域适中：,2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,R/rf,几何比对界面剪切应力的影响(CMC:SiC/ZrO2:上部,:底部),模量比越小，界面剪切应力越大，影响区越越小：,2.2屈服界面的模量匹配,2模量匹配问题,模量梯度可减小基体应力，抑制基体裂纹扩展：,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,密度和成分梯度均可形成模量梯度，形成混合拔出：,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,密度梯度造成模量梯度，形成分区拔出：,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,2DC/SiC复合材料及其改性A和B的性能,3DC/SiC复合材料及其改性A和B的性能,成分梯度控制模量梯度：,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,改性A的PyC层纤维束内部较薄，纤维束外部较厚,改性B的PyC层纤维束内部较厚，纤维束外部较薄,基体改性2DC/SiC的显微结构：,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,基体改性对2D/SiC性能的影响,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,基体改性对C/SiC应力应变的影响：,B,A,2DC/SiC,2DC/SiC的应力应变,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,A,B,2DC/SiC,2DC/SiC的弯曲载荷位移,基体改性对C/SiC载荷扰度的影响,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,基体改性对C/SiC综合性能的影响,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,2DC/SiC,改性,Thefirstpull-out,Thesecondpull-out,Thefirstpull-out,Thesecondpull-out,模量梯度造成两级拔出：,3.1弹性界面模量梯度,3模量匹配控制,纤维束内基体的模量应该比纤维束外基体的模量低纤维束内和纤维束外基体模量都应该比纤维的模量低靠近纤维丝和束的基体模量应该比远离的基体模量低,界面和基体一体化,基体模量,低高,3.2界面模量匹配原则,3模量匹配控制,弹性界面模量匹配原则,模量梯度可增加界面剪切强度，抑制界面裂纹扩展：,3.2界面模量匹配原则,3模量匹配控制,屈服界面模量匹配原则,屈服界面模量匹配原则,纤维束内基体的模量应该比纤维束外基体的模量高纤维束内和纤维束外基体模量都应该比纤维的模