复合材料的复合原理及界面

1、1复合材料原理复合材料原理2第一章第一章 概论概论1.1 复合材料的定义复合材料的定义1.2 复合材料的命名复合材料的命名1.3 复合材料的分类复合材料的分类1.4 复合材料的组成复合材料的组成1.5 复合材料的基本性能复合材料的基本性能1.6 复合材料发展概况复合材料发展概况3思考题思考题在给定基体材料和增强材料的前提下，如何才能获得优在给定基体材料和增强材料的前提下，如何才能获得优异性能的复合材料，试举一例说明。异性能的复合材料，试举一例说明。4复合材料的复合原理及界面复合材料的复合原理及界面2.1 复合原则复合原则2.2 弥散增强及颗粒增强原理弥散增强及颗粒增强原理 2.3 单向连续纤维

2、增强原理单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理短纤维增强原理2.5 混杂增强原理混杂增强原理2.6 复合材料界面及其改性复合材料界面及其改性2.7 复合材料界面表征复合材料界面表征5 2.1 要想制备一种要想制备一种，首先应根据，首先应根据所要求所要求的性能的性能进行设计。复合材料设计应进行设计。复合材料设计应如下：如下： 一、材料组元的选择一、材料组元的选择 二、制备方法的选择二、制备方法的选择6l挑选最合适的挑选最合适的尤为重要。尤为重要。l在选择材料组元时，首先应明确在选择材料组元时，首先应明确，也就是说，必须明确，也就是说，必须明确对材料性能的要求对材料性能的要求。l对对，既可能

3、要求复合后材料达到如下性能，既可能要求复合后材料达到如下性能，如如高强度高强度、高刚度高刚度、高耐蚀高耐蚀、耐磨耐磨、耐热耐热或或导电导电、传热传热等性等性能，也可能是要求某些能，也可能是要求某些综合性能综合性能如如既高强又耐蚀、耐热既高强又耐蚀、耐热。一、材料组元的选择一、材料组元的选择7必须根据必须根据来选择组成复合材料的来选择组成复合材料的和和。如所设计的复合材料是如所设计的复合材料是，则复合的目的就，则复合的目的就是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性等。是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性等。8设计设计时，首先必须明确其中时，首先必须明确其中，它必须具有，它必须具有高强度和

4、高模量高强度和高模量。这种组元就是所要选择的这种组元就是所要选择的；而其它组元应起而其它组元应起，而且要，而且要把把增强材料粘结在一起增强材料粘结在一起，这类组元就是要选的，这类组元就是要选的。9其次，除考虑其次，除考虑外，还应考虑组成复合材料外，还应考虑组成复合材料的的，这包括，这包括物理物理、化学化学、力学力学等性等性能的相容，使材料各组元能的相容，使材料各组元彼此和谐地彼此和谐地共同发挥作用。共同发挥作用。在任何使用环境中，复合材料的在任何使用环境中，复合材料的各组元之间的各组元之间的、等都应等都应相互或彼此协调一致相互或彼此协调一致。10第三，要考虑复合材料第三，要考虑复合材料，使，使

5、增强增强材料与基体之间材料与基体之间形成比较理想的形成比较理想的具有一定结合强度的界面具有一定结合强度的界面。适当的适当的不仅有利于不仅有利于提高材料的整体强度，提高材料的整体强度，更便于更便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料，以，以充分发挥其增强作用。充分发挥其增强作用。11若若，界面很难传递载荷界面很难传递载荷，不能起潜在材，不能起潜在材料的作用，料的作用，影响复合材料的整体强度影响复合材料的整体强度；但但也不利，它也不利，它遏制复合材料断裂对能量遏制复合材料断裂对能量的吸收的吸收，易发生，易发生。除此之外，材料设计还应联系除此之外，材料设计

6、还应联系整个复合材料的结构整个复合材料的结构来来考虑。考虑。12具体到具体到和和增强复合材料增强复合材料来说，来说，与与颗粒颗粒或纤维的或纤维的、及及有关。有关。131）(1)颗粒应颗粒应分散在基体中分散在基体中 阻碍阻碍的的位错运动位错运动(金属、陶瓷基体金属、陶瓷基体)或或分子链的运动分子链的运动(聚合物基体聚合物基体)。(2)要合适要合适因为因为，会引起，会引起应力集中应力集中或或本身破本身破碎碎，从而导致材料强度降低；，从而导致材料强度降低；，则起不到，则起不到大的强化作用大的强化作用。因此，一。因此，一般粒径为几微米到几十微米。般粒径为几微米到几十微米。14(3)。数量太少，达。数量

7、太少，达不到不到最佳的强化效果最佳的强化效果。(4)颗粒与基体之间颗粒与基体之间应有应有。152）(1)纤维的纤维的都要都要高于基体高于基体，即纤维，即纤维应应。因为除个别情况外，在多。因为除个别情况外，在多数情况下数情况下承载主要是靠增强纤维承载主要是靠增强纤维。(2)纤维与基体之间要有纤维与基体之间要有，两者，两者之间结合要保证之间结合要保证传递给纤维。传递给纤维。16(3)纤维与基体的纤维与基体的不能相差过大不能相差过大，否则，否则在热胀冷缩过程中在热胀冷缩过程中会自动会自动削弱它们之间的结合强度削弱它们之间的结合强度。(4)纤维与基体之间纤维与基体之间，特，特别是别是不发生强烈的反应不

8、发生强烈的反应，否则将引起，否则将引起而而失去强化作用。失去强化作用。17(5)、和和必须适宜。必须适宜。一般而言，基体中一般而言，基体中，其，其；，则，则，；大大高于大大高于，必须大于一定的长度必须大于一定的长度(一般是长径比一般是长径比5)才能显示才能显示出出明显的增强效果明显的增强效果。18 二、制备方法的选择二、制备方法的选择选择后，就要考虑所采用的选择后，就要考虑所采用的，即，即具体的制备方法具体的制备方法。主要应考虑以下四个主要应考虑以下四个方面：方面：19(1)所选的所选的对材料组元的损伤最小对材料组元的损伤最小，尤其是，尤其是纤维或晶须掺入基体之中时纤维或晶须掺入基体之中时，一

9、些，一些往往造往往造成成；(2)能使能使(纤维纤维、颗粒颗粒、晶须晶须)均匀均匀分布分布或按预设计要求或按预设计要求规则排列规则排列；(3)使最终形成的复合材料使最终形成的复合材料在性能上在性能上达到达到，即达到，即达到扬长避短扬长避短，且各组元仍保留着，且各组元仍保留着固有的特固有的特性性。20 (4)在在制备方法的选择上制备方法的选择上还应考虑还应考虑，在，在能能达到复合材料使用要求达到复合材料使用要求的情况下，尽可能选择的情况下，尽可能选择以以降低制备成本降低制备成本。针对不同的针对不同的增强材料和基体特性增强材料和基体特性应采用不同的制备应采用不同的制备方法。方法。21如如，采用，采用

10、纤维与颗粒、晶须纤维与颗粒、晶须增增强时，同样采用固态法，但强时，同样采用固态法，但用纤维增强时用纤维增强时，一般采用，一般采用；而用；而用颗粒或晶须增强时颗粒或晶须增强时，往往采用，往往采用。因为因为颗粒或晶须增强时颗粒或晶须增强时若采用若采用，势必使，势必使制造工艺十分复杂制造工艺十分复杂，且，且无法保证颗粒或晶须均匀分散无法保证颗粒或晶须均匀分散。22氧化铝纤维形貌采用挤压铸造法制备活塞用氧化铝短纤维增强铝基复合材料23压铸浸渗法制备的SiC 颗粒增强铝基复合材料(颗粒体积分数为50%)a) 铸态b) 时效后242.2 弥散增强及颗粒增强原理弥散增强及颗粒增强原理v弥散增强原理弥散增强原

11、理（弥散颗粒与基体复合）（弥散颗粒与基体复合）v颗粒增强原理颗粒增强原理（较大颗粒与基体复合）（较大颗粒与基体复合）25弥散强化弥散强化奥罗万机制（位错绕过机制位错绕过机制）：使位错线弯曲到曲率半径为R时，所需的切应力为=Gb/（2R）。设颗粒间距颗粒间距为D，则=Gb/D，所以Rmin=D/2。只有当外力大于Gb/D时，位错线才能绕过颗粒颗粒。26位错绕过第二相粒子的机制位错绕过第二相粒子的机制D2728v颗粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。v一般颗粒的体积分数为1%15%，颗粒直径为0.0010.1m。29位错概念引入及位错观察位错概念引入及位错观察v30年代，在研究晶体滑移时，发现

12、理论屈服强度和实际强度间有巨大差异，为了解释这种差异，人们设想晶体中存在某种缺陷缺陷。形变就在这种局部缺陷处发生。v晶体结构晶体结构规则的完整排列是主要的，非完整排列则是次要的。v晶体力学性能力学性能晶体的非完整性是主要的，完整性处于次要地位。3031实际观察到的位错图片32矛盾之一：v原子由一个平衡位置滑到下一个平衡位置需要G/2的应力，而在通常受力条件下，是难达到的，即晶体难于滑动。v而实际上，（103 104）G。33矛盾之二：v设想原子滑移时的切应力是周期性变化，并假定为刚性球。vx很小时为弹性变形，sin2x/a2x/a。sin2226mmmxxGaaxxGGGaa34v若假定原子不

13、是刚性的，而是可压缩的，则矛盾之三：111050mG35由上面的理论和实际的差别，可见规则整体刚性滑移模由上面的理论和实际的差别，可见规则整体刚性滑移模型是不切合实际的。型是不切合实际的。设想晶体具有不完整性，则可以引入位错概念：设想晶体具有不完整性，则可以引入位错概念：1）缺陷运动符合滑移特征。）缺陷运动符合滑移特征。2）缺陷是易动的，但不如点缺陷那样易热激活。）缺陷是易动的，但不如点缺陷那样易热激活。3）说明这种缺陷的来源和增殖。）说明这种缺陷的来源和增殖。引入位错概念引入位错概念36实际上，有许多方法可观察到位错：透射电镜、浸实际上，有许多方法可观察到位错：透射电镜、浸蚀法、缀饰法、蚀法

14、、缀饰法、X射线衍射法、场离子显微镜等。射线衍射法、场离子显微镜等。37位错分为两类：位错分为两类：刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错，由滑移区，由滑移区与未滑移区的分界线来确定类型。与未滑移区的分界线来确定类型。38刃型位错刃型位错v如图：上半部分相对下半部分沿ABCD滑移了一个原子间距，多余的半原子面与滑移面交线即为刃型位错。v多余的半原子面不一定是平面，可以是见曲面。但位错线是一定垂直于滑移方向的，这是刃型位错的特征之一。39刃型位错示意图刃型位错示意图( (可分为正负刃型位错可分为正负刃型位错) )40位错滑移过程示意图位错滑移过程示意图41刃型位错正负的判定刃型位错正负的判定刃型位

15、错中柏氏矢量与位错线垂直。正刃型位错正刃型位错：出纸面的方向为位错线的正向，用右手螺旋法则确定回路方向，拇指位错线方向；四指柏氏矢量回路方向。向向方方线线错错位位柏氏矢量回路方向柏氏矢量回路方向柏氏回路的确定柏氏回路的确定42v半原子面的下部相当于刀刃，刃口的交界线称为刃型位错，是已滑移区和未滑移区的分界线。v畸变量左右对称，但并不是一条线，而是一个细长管道。v位错线与滑移方向相垂直。43v一简单立方晶体，受切应力作用，右侧上下两部分原子沿滑移面ABCD滑移，滑移区与未滑移区的分界线即为螺型位错。v位错线平行于滑移方向，可分为左螺型位错和右螺型位错。v位错线周围存在畸变，实际上是一个管道。44

16、螺型位错示意图螺型位错示意图45混合位错混合位错v实际中的位错一般来说很少是单纯的刃型位错或是螺型位错，更普遍的是其混合产物混合位错。v混合位错的滑移矢量不平行也不垂直位错线，而是与位错线成任意角度。46在切应力作用下混合位错的产生在切应力作用下混合位错的产生(a)及其原子错排结构及其原子错排结构(b)47位错的强度柏氏矢量的确定v1939年，柏格斯(J.M.Burgers)采用一个矢量来提示位错的本质并描述位错的各种行为称为柏氏矢量。v在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错(避开位错线)，以一定的步数作闭合回路(柏氏回路、逆时针)；在完整晶体中按同样方向和步数作相同回路；再自完整晶体中回路终

17、点向始点引一矢量使回路闭合，该矢量就是实际晶体中位错的柏矢矢量 。bv48柏氏矢量示意图柏氏矢量示意图刃型位错刃型位错MbvMQ柏氏氏量bv49柏氏矢量示意图柏氏矢量示意图螺型位错螺型位错50位错柏氏氏量和位错线的关系位错柏氏氏量和位错线的关系在切应力作用下混合位错的产生在切应力作用下混合位错的产生(a)及其及其原子错排结构原子错排结构(b)EE处为螺型位错F处为刃型位错EF之间为混合位错be=bsinbf=bcosFb51位错环与柏氏矢量的确定52位错的性质位错的性质v已滑移区与未滑移区的边界线就是位错线位错线。v位错线不能终止于晶体内部，只能露头于晶体表面(包括晶界)，或与其它位错线相连接

18、、或自成封闭线。v柏氏矢量与位错线垂直的位错是刃型位错，分为正、正、负刃型位错负刃型位错。v柏氏矢量与位错线平行的位错是螺型位错，分为左、左、右旋螺位错右旋螺位错。53切割机制切割机制：适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形。：适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形。542.1 复合原则复合原则2.2 弥散增强弥散增强及颗粒增强及颗粒增强原理原理 2.3 单向连续纤维增强原理单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理短纤维增强原理2.5 混杂增强原理混杂增强原理2.6 复合材料界面及其改性复合材料界面及其改性2.7 复合材料界面表征复合材料界面表征55思考题：1 1、复合材料制备方法的选择要

19、遵循哪些原则、复合材料制备方法的选择要遵循哪些原则? ?( (增强材料损伤小、分布可控、发挥性能优势、性能增强材料损伤小、分布可控、发挥性能优势、性能/ /价格比低）价格比低）2 2、弥散强化是如何实现的？、弥散强化是如何实现的？（弥散颗粒对位错的钉扎）（弥散颗粒对位错的钉扎）56颗粒增强原理颗粒增强原理v颗粒增强复合材料是由尺寸较大（直径大于颗粒增强复合材料是由尺寸较大（直径大于1m）颗粒与基）颗粒与基体复合而成，增强原理与弥散增强原理有明显区别。体复合而成，增强原理与弥散增强原理有明显区别。v此时，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束此时，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷

20、并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好。越好。v颗粒尺寸越小颗粒尺寸越小，体积分数越高体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果，颗粒对复合材料的增强效果越好。越好。v一般颗粒直径为一般颗粒直径为150m，颗粒间距为，颗粒间距为125m ，颗粒的体积，颗粒的体积分数为分数为550%。57弥散增强弥散增强vsvs颗粒增强颗粒增强颗粒尺寸越小颗粒尺寸越小，体积分数越高体积分数越高，增强效果越好？，增强效果越好？58Al10Ti elemental powder mixtures via friction stir proces

21、sing离心条件下离心条件下SiC 颗粒增强铝基颗粒增强铝基活塞微观组织图活塞微观组织图59小颗粒小颗粒：尺寸上有优势，但体积分数难以提高，且在基体上分散困难。大颗粒大颗粒：体积分数高，但尺寸、性能上没有优势。60锆刚玉颗粒增强铁基表面复合材料 612.3 单向连续纤维增强原理单向连续纤维增强原理v单向连续纤维增强复合材料v纵向强度和刚度v横向刚度和强度62图图1 1 玻璃纤维增强复合材料制品及其原料玻璃纤维增强复合材料制品及其原料63图图2 不同复合材料的不同复合材料的SEM断口形貌断口形貌a: GF/ PPESK; b: GF/ PPESK/ PEI ; c: GF/ PPESK/ PES

22、64图3 连续SiC纤维增强Ti基复合材料横截面的金相照片65图4 C/ SiC复合材料及其制造的火箭“Uncooled”同轴双壁燃烧室66图5 火箭及其结构示意图67图6 火箭发动机及待组装零件68复合材料要解决涉及工程应用的关键技术涉及工程应用的关键技术，为连续纤维增强复合材料的实际应用奠定基础。如CFRCMCs主要包括：纤维预制件的结构设计与制作、致密化技术、加工技术、CFRCMCs与金属的焊接技术、构件的无损检测及性能评估技术和标准等。69v连续纤维增强连续纤维增强SiC复合材料复合材料的制备存在工艺复杂 、成本高、生产周期长等问题 。v我国在复合材料成型技术上有很大改进，性能指标也达

23、到国际先进水平 ，但在应用方面与发达国家如美国、法国、日本等相比存在差距。v在使用温度范围内、使用寿命达几千小时的复合材料航空发动机部件，如“幻影 ”-2000战机的发动机燃烧室衬板 、调节片等已经在国外得到应用 。v对于该复合材料制备时存在的工艺与成本等问题，如果加强与传统金属材料如高温合金等结合使用，既有利于降低成本，又能够扩大该先进陶瓷基复合材料的应用范围。70纤维增强复合材料增强机制纤维增强复合材料增强机制基体通过界面将载荷有效地传递到纤维，不是主承基体通过界面将载荷有效地传递到纤维，不是主承力相。力相。纤维承受由基体传递来的有效载荷，为主承力相。纤维承受由基体传递来的有效载荷，为主承

24、力相。假定：纤维、基体理想结合，且泊松比相同；在外力假定：纤维、基体理想结合，且泊松比相同；在外力作用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位作用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上。递到纤维上。71图图7 纤维增强复合材料的受力情况分析纤维增强复合材料的受力情况分析72混合法则混合法则 （不考虑界面效应时）（不考虑界面效应时） 当当连续纤维增强连续纤维增强复合材料满足以下条件复合材料满足以下条件: （1）复合材料宏观上是均质的，不存在内应力；）复合材料宏观上是均质的，不存在内应力； （2

25、）各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料；）各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料； （3）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。 复合材料力学性能同组分之间的关系复合材料力学性能同组分之间的关系 Xc= XmVm + XfVf 或或 Xc=XfVf +Xm（1 - Vf） 式中式中 X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；V：材：材料的体积百分比；下标料的体积百分比；下标 c、m、f 分别代表复合材料、基体和分别代表复合材料、基体和纤维。纤维。73对于对于单向连续纤维增强复合材料单向连续纤维增强复合

26、材料弹性模量弹性模量、拉伸强、拉伸强度、泊度、泊松比、剪切强度等性能均符合松比、剪切强度等性能均符合混合定律混合定律。如果考虑界面效应，如果考虑界面效应，通常是在纤维的影响因子前面乘以一通常是在纤维的影响因子前面乘以一个系数。个系数。在平行于纤维长度方向的强度计算，主要考虑基体的强度在平行于纤维长度方向的强度计算，主要考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。和纤维与基体的结合强度。 74平行于纤维方向称为平行于纤维方向称为“纵向纵向”，垂直于纤维方向为，垂直于纤维方向为“横向横向”。假设纤维性能和直径是均匀的、连续的并全部相互平行，界面假设纤维性能和直径是均匀的、连续的并全部相互平行，界面结合良

27、好且无相对滑动。结合良好且无相对滑动。忽略热膨胀系数、泊松比以及弹性变形差等引起的附加应力，忽略热膨胀系数、泊松比以及弹性变形差等引起的附加应力，认为整个材料的认为整个材料的纵向应变是相同的纵向应变是相同的。75纵向强度和刚度纵向强度和刚度复合材料应力复合材料应力-应变曲线的初始阶段应变曲线的初始阶段复合材料的强度、应力-应变曲线斜率、弹性模量等符合“混合法则”，即与组元的性能、体积分数成正比。复合材料中，各组分承载的应力比等于相应的弹性模量比，为了有效利用纤维的高强度，应使纤维具有比基体高得多的弹性模量。76vf/m=Ef/Em，f/c=Ef/Ecv纤维与基体弹性模量比值越大，纤维的体积含量

28、越高，则纤维承载越大。v对于给定的纤维/基体复合材料体系，应尽可能提高纤维的体积分数。前提前提：保证纤维与基体之间有良好的界面结合。77复合材料初始变形后的行为复合材料初始变形后的行为四个阶段：1）纤维与基体均为线弹性变形；2）纤维继续线弹性变形，基体为非线性变形；3）纤维与基体都是非线性变形；4）随着纤维断裂，复合材料断裂。金属基复合材料金属基复合材料的第二阶段占比较大的比例，而脆性纤维复合材料未观察到第三阶段。78断裂强度断裂强度v一般来说，基体的断裂应变大于纤维的断裂应变。v在这种条件下，复合材料纵向断裂的强度可以认为与纤维断裂应变值对应的复合材料应力相等。v根据混合法则，可以得到复合材

29、料的纵向断裂强度为：cu=fuVf+(m)f(1-Vf)79v在纤维体积分数很小的情况下，纤维断裂后基体能承担所转移的全部载荷，随基体应变值增加基体可进一步承载直至断裂。v此时，复合材料断裂强度为cu=mu(1-Vf)。v可以得到控制复合材料断裂所需要的最小纤维体积分数为：Vmin=mu-(m)f/fu-(m)f 其中， (m)f是对应纤维断裂应变值的基体应力，fu是纤维的强度。80v对于纤维增强陶瓷复合材料，基体的断裂应变则小于纤维的断裂应变。v此时，可以得到控制复合材料断裂所需要的最小纤维体积分数为：Vmin=mu/(fu+mu-*f)式中*f为对应基体应变时纤维承受的应力。81Halpi

30、n-Tsia 公式v在纤维的体积分数不为1的情况，可以采用Halpin-Tsia 公式预测复合材料的弹性摸量。vHalpin-Tsia 公式为ET =（1+Vf）/（ 1-Vf ）式中=（ Ef /Em-1）/ （Ef /Em+）。是与纤维几何形状等有关的参数。横向刚度和强度横向刚度和强度82横向强度横向强度v纤维对横向强度不仅没有增强作用，反而有相反作用。v纤维在与相邻的基体中所引起的应力和应变将对基体形成约束，使复合材料的断裂应变比未增强的基体低得多。v假设纤维与基体之间有完全的结合，断裂发生在基体或界面附近。83v假设复合材料的强度受基体强度的控制，则可以引入一个强度衰减因子S。此时tu= mu/S。vS与纤维、基体性能及纤维的体积分数有关。v可以采用最大形变能（Umax）判据对复合材料的断裂进行判断，即当任何一点的形变能达到临界值时即发生断裂。v形变能判据可以表达为：S= Umax/ c式中c是外加应力。84图 玻璃纤维布、毡非单向