复合材料基础课件

1、复合材料基础,第十一章 复合材料基础,复合材料基础,本章主要内容： 11.1 概述 11.2 复合材料的界面 11.3 复合材料的增强机制,复合材料基础,11.1 概述,一、复合材料的定义 国际标准化组织：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单加和，而是有着重要改进。,复合材料基础,材料科学技术百科全书：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组

2、分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。,复合材料基础,材料大辞典：复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相材料范畴。复合材料的特点之一是不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能。特点之二是它的可设计性。,复合材料基础,材料的优缺点组合示意图,复合材料基础,综上所述，复合材料应具有以下三个特点： (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新

3、型材料，组元之间存在着明显的界面。 (2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能。 (3)复合材料具有可设计性。,复合材料基础,二、复合材料的分类 1、按材料的主要作用 （1）结构复合材料：质量轻、强度刚度高，耐一定温度，热膨胀系数小，绝热性能好，耐介质腐蚀等。 （2）功能复合材料：除力以外提供其他物理性能的复合材料。即电学性能、磁学性能、光学性能、热学性能、声学性能等。 （3）智能复合材料：自诊断、自适应、自愈合、自决策。,复合材料基础,2、按基体材料 （1）金属基复合材料(MMC) 基体：金属及其合金 增强材料：

4、多为无机非金属，如：陶瓷颗粒、碳、石墨、硼纤维等。 （2）陶瓷基复合材料(CMC)强化材料主要有：各种陶瓷颗粒、晶须、纤维及某些金属纤维。,复合材料基础,（3）高分子基复合材料(PMC)基体：热固性树脂和热塑性树脂增强材料：颗粒材料、有机纤维、无机纤维等 （4）碳/碳复合材料：以碳(或石墨)纤维及其织物为增强材料，以碳(或石墨)为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。,复合材料基础,3、组成复合材料的集散情况 （1）分散强化型复合材料 按基体不同 按强化材料形态：颗粒弥散强化 晶须强化 纤维强化 按强化材料加入方式：掺入型 原生复合型,复合材料基础,复合材料基础,（2）层状复合材料

5、 与强化分散型不同，不是一种材料分散于另一种材料之中，而是各组元自成一个或数个整体，组元间通过界面结合而复合成一体。传统的包覆材料是典型的层状复合材料。 金属/金属，金属/陶瓷，金属/高分子，陶瓷/高分子等。 （3）梯度功能材料 在这种复合材料中，组元的含量沿着某一方向产生连续或非连续的变化。组元梯度化的目的是为了实现材料性能的梯度化，赋予材料多种功能，以满足一些特殊的使用需要。,复合材料基础,复合材料基础,复合材料基础,三、复合材料的性能特点 1、比强度、比模量高 强度和弹性模量与密度的比值分别称为比强度和比模量。它们是衡量材料承载能力的一个重要指标，比强度愈高，在同样强度下，同一零件的自重

6、愈小；比模量越大，在重量相同的条件下零件的刚度越大。,复合材料基础,复合材料基础,复合材料基础,2、抗疲劳性能好 实验表明，碳纤维增强复合材料的疲劳极限可达抗拉强度的70一80，而金属材料的只有其抗拉强度的40一50。,复合材料基础,3、抗断裂性能好 纤维复合材料中有大量独立的纤维，平均每平方厘米面积上有几千到几万根。当纤维复合材料构件由于超载或其它原因使少数纤维断裂时，载荷就会重新分配到其它未破断的纤维上，因而构件不致在短期内突然断裂，故破断安全性好。,复合材料基础,4、高温强度好 大多数增强纤维在高温下仍能保持高的强度，用其增强金属和树脂基体时能显著提高它们的耐高温性能。 5、阻尼减震性好

7、 因为结构的自振频率与材料的比模量平方根成正比，而复合材料的比模模高，其自振频率也高。这样可以避免构件在工作状态下产生共振。而且纤维与基体界面能吸收振动能量，即使产生了振动也会很快地衰减下来，所以纤维增强复合材料具有很好的减震性能。,复合材料基础,四、复合材料的用途 1、机械工业的应用 主要用于阀、泵、齿轮、风机、叶片、轴承及密封件等。 2、汽车工业及交通运输的应用 汽车工业是复合材料应用最活跃的领域。车身、驱动轴、操纵杆、方向盘、发动机罩、散热器罩、底盘等。,复合材料基础,3、化学工业的应用 化学工业存在的主要问题是腐蚀。槽、罐、釜、塔、管道等。 4、航空宇航领域的应用 5、建筑领域的应用

8、桌椅门窗、安全帽、浴盆浴缸、通风设备等。纤维增强混凝土复合材料。,复合材料基础,复合材料基础,复合材料基础,复合材料基础,11.2 复合材料的界面,一、界面的含义 基体与增强体之间化学成分有显著变化、构成彼此结合的、能传递载荷的微小区域。,复合材料基础,二、界面的作用 阻断效应：阻止裂纹扩展，提高材料韧性； 传递效应：传递应力，提高材料的承载能力； 散射和吸收效应：分散和吸收各种机械冲击和热冲击的能量，提高材料抗外冲击的能力； 诱导效应：使强化相与基体既相互独立又相互协调，弥补各自缺点，获得新的使用性能。,复合材料基础,复合材料基础,三、影响界面结合强度的因素 1、强化相的几何形状、表面形貌

9、2、强化相与基体的性能匹配 物理性能匹配：要求复合材料在承受应力作用和环境温度变化时，各相组分材料的力学性能和其它的物理性能能够相互协调、匹配。 化学性能匹配：基体对增强材料表面的润湿性 ；基体与增强材料之间的化学反应。 3、制备与成型工艺的选择,复合材料基础,四、界面结合形式 复合材料界面结合形式一般分为三种类型： 粘结结合：基体与增强相之间既不发生化学反应，也不产生相互溶解； 扩散、溶解结合：基体与增强相之间不发生化学反应，但产生相互扩散或溶解； 反应结合：基体与增强相之间发生化学反应，在界面上生成化合物。,复合材料基础,1、粘结结合：指基体与增强相之间通过粘结作用而形成的一种界面结合形式

10、。 （1）表面润湿理论：界面的结合主要依靠基体对增强相的润湿作用。 机械粘结 物理吸附 （2）化学键理论：认为界面结合力是由化学键 所引起的。通过对增强相的表面处理形成能与基体和增强相表面之间产生化学作用的涂层。,复合材料基础,（3）可形变层理论：如果纤维与基体的热膨胀系数相差较大，成型后在界面会产生残余应力；载荷作用下界面上也会出现应力集中，形成微裂纹，降低复合材料性能。纤维经表面处理后在界面上形成一层塑性层，可以松弛并减小界面应力，这种理论称为可形变层理论。,复合材料基础,（4）扩散层理论：基体与增强体之间可以发生原子或分子的互扩散，从而形成互扩散结合。对于聚合物，这种粘结机理可以看作为分

11、子链的缠结；对于金属基和陶瓷基复合材料，是由于生产过程不可避免涉及到高温，高温下扩散系数随温度成指数关系增加。,D=D0exp(-Q/RT),复合材料基础,复合材料基础,2、溶解结合：基体与增强体之间在充分润湿的情形下产生一定的相互溶解的界面结合形式。这种结合形式具有较好的界面结合强度，但同时由于溶解作用而可能对强化相产生损伤作用。 3、反应结合：基体与增强相之间发生化学反应，在界面形成反应产物的结合形式。,复合材料基础,一、纤维增强复合材料的增强机制 纤维增强复合材料是由高强度、高弹性模量的连续(长)纤维或不连续(短)纤维与基体(树脂或金属、陶瓷等)复合而成。复合材料受力时，高强度、高模量的

12、增强纤维承受大部分载荷，而基体主要作为媒介，传递和分散载荷。,11.3复合材料的增强机制,复合材料基础, 增强纤维脆性较大，内部往往存在一些微裂纹，容易断裂，材料的强度不能被充分利用。但是如果能将脆性材料制成细纤维，因直径细小，而使产生裂纹的几率降低，有利于纤维脆性的改善和强度的提高。 纤维处于基体之中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保护作用，不易遭受损伤，不易在承裁过程中产生裂纹，使承载能力增强。,复合材料基础, 复合材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但塑性好和韧性好的基体能阻止裂纹扩展。 纤维受载断裂时，断口不可能都在一个平面上，若要使整体断裂，必然有许多根纤维从基体中被拔出，因

13、而必须克服基体对纤维的黏结力以及基体与纤维之间的摩擦力，从而使材料的抗拉强度大大提高，与此同时断裂韧度也增加。,复合材料基础,碳纤维环氧树脂复合材料断裂时，纤维断口不在一个平面上,复合材料基础,为达到强化目的，必须满足下列条件： 增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。 基体和纤维之间要有一定黏结作用，而且应具有适当的结合强度，以保证基体所受的应力通过界面传递给纤维。,复合材料基础,纤维应有合理的含量、尺寸和分布。 纤维越细，则缺陷越小，材料强度越高；同时细纤维的比表面积大，有利于增强与基体的结合力。 连续纤维比短纤维的增强效果好。 纤维的排列方向应符合构件的受力要求。,复合材料基础, 纤维

14、应与基体的线膨胀系数相匹配。通常要求两者的线膨胀系数相近。对于韧性较低的基体(例如陶瓷和热固性树脂)，纤维的线膨胀系数应略高于基体的线膨胀系数；对于韧性较好的基体，纤维的线膨胀系数应略低于基体的线膨胀系数。 纤维与基体之间要有良好的相容性。以便在高温作用下纤维与基体之间不发生化学反应，基体对纤维不产生腐蚀和损伤作用。,复合材料基础,二、粒子增强型复合材料的增强机制 粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为： 弥散强化的复合材料，其粒子直径d一般为0.0l0.1m，粒子体积百分数VP为115； 颗粒增强的复合材料，粒子直径d 为150m，体积百分数为VP20。,复合材料基础,（1）弥散强化的复合材料的增强机制 在外力的作用下，复合材料的基体主要承受载荷，而弥散均匀分布的增强粒子将阻碍导致基体塑性变形的位错运动(金属基体)或分于链运动(高聚物基体)。而且增强粒子熔点、硬度较高，化学稳定性好，所以粒子加入后，不但使常温下材料的强度、硬度有较大提高，而且使高温下材料的强度下降额度减少，即弥散强化复合材料的高温强度高于单一材料。,复合材料基础,复合材料基础,（2）颗粒增强的复合材料的增强机制 颗粒增强复合材料是用金属或高分子聚合物