复合材料资料

1、复合材料原理复合材料原理 40学时 先修课：复合材料学第一章绪论第一章绪论 11前言前言 广义地讲，原始材料均处于复合状态(自然复合)原始复合，性能不能充分发挥（第一阶段）提纯合成，挖掘材料潜能（第二阶段）人为复合，发挥联合优势 （第三阶段） 复合技术是获得高性能材料的必由之路：复合技术是获得高性能材料的必由之路：发挥各自组元的性能优势获得良好的综合性能： 一种材料在某一方面的性能可能是优异的 很多材料的性能已经得到了充分的发展，继续提高只能是通过复合 单一材料追求高性能时价格很高，复合可以降低成本广义复合材料 我们熟悉的所有的材料都可以被看成是复合材料，具有两种以上的相结构（第二相有些有利，

2、有些有害） 金属和无机非金属材料：性能表现为基体的特点，不是人为的 复相材料 竹子、木材、龟壳和鲍鱼壳等自然界生成的天然复合材料 天然复合材料 混凝土、土墙：原始复合材料复合材料定义 a. 由基体和增强体复合而成的材料由基体和增强体复合而成的材料 b. 人工制造，两种以上的物理和化学区人工制造，两种以上的物理和化学区域，具有明显的界面，与基体及增强体域，具有明显的界面，与基体及增强体具有完全不同的特性。具有完全不同的特性。确切地下定义很难 现代复合材料=先进复合材料 Vf=3050%，E= 200GPa 结构复合材料 综合力学性能均质材料：各向同性，材料与构件设计分步进行复合材料：各向异性，构

3、件是材料与结构一构件是材料与结构一体化体化 功能复合材料 综合各种功能 结构功能一体复合材料Smart复相结构、界面结构微结构设计与组装 12复合材料学基础复合材料学基础 复合材料三大要素复合材料三大要素 增强体 基体 界面根据基体的种类分为三种： PMC Polymer Matrix Composite CMC Carbon and Ceramic Matrix Composite, 包括Carbon/Carbon MMC Metal Matrix Composite IMMC Intermetallic Matrix Composite根据增强体可以分为： Fiber增强复合材料 连续 W

4、hiskes 增强复合材料 混杂 Particles 增强复合材料 弥散 Whiskers和Particles虽是均质，但第二相是加入的。因此，可以称为复合材料，也可称为增强或增韧材料，如SiC增强Al金属材料，ZrO2增韧陶瓷材料根据界面可以分为： 弹性界面弹性界面弹性界面弹性界面 弹性界面弹性界面塑性界面塑性界面 通常基体可以分为弹性和塑性，而增强体通常基体可以分为弹性和塑性，而增强体都是弹性的。都是弹性的。增强纤维承载 这就是现代复合材料的最大特点 纤维承受纤维承受90%以上的载荷以上的载荷 纤维束增大，3k, 12k, 24k, 36k, 48k用做高性能结构复合材料的增强纤维必须具有

5、如下的特征1.相对于晶粒尺寸或者其他显微结构单元，纤维的直径很相对于晶粒尺寸或者其他显微结构单元，纤维的直径很小，纤维的强度接近理论强度，比块体材料的强度高小，纤维的强度接近理论强度，比块体材料的强度高很多。这就是所谓的尺寸效应，尺寸效应最直接的结很多。这就是所谓的尺寸效应，尺寸效应最直接的结果即纤维直径越小，材料中存在缺陷的可能性越低。果即纤维直径越小，材料中存在缺陷的可能性越低。2.高的长径比高的长径比可以保证界面受到剪切应力时纤维能不很快拔出或者裂纹通过偏转从纤维的端部绕过，使施加的载荷大部分通过基体转移到刚度和强度都更高的纤维上。3.高度的柔软性高度的柔软性。这实际上是刚性很高，但直径

6、细小的材料的特性。高度的柔软性使人们使用各种复合技术，使用这些纤维制备复合材料成为可能。编制、缠绕、热压浸渍等。基体材料基体材料成形和防护成形和防护 作用两个方面：作用两个方面： 传递载荷到增强体上 保护增强体不受环境的有害影响基体材料主要分为三种：基体材料主要分为三种：聚合物聚合物 Polymer金属金属 Metal陶瓷陶瓷 Ceramic Polymer：thermoset, thermoplastic 四种链状分子键： 复杂程度 塑性 强度 1. Linear Polymer 2. Branched Polymers 3. Cross linked Polymers 4. Ladder

7、Polymers 使用温度提高 Polymer基体的特点是强度低，分子链与分子链之间主要是范德华作用力主要问题是增强 Metal：纤维增强主要为有色金属Al，Mg，Cu等及其合金 晶须或颗粒增强的有色和黑色金属复合材料均有 三种晶体结构：面心立方 体心立方密堆六方 滑移（有一定韧性） 金属键（有一定的强度） 主要是增强，降低比重(比强度)，提高使用温度 位错等热力学缺陷是影响强度的主要因素， 增强体不仅承受大部分载荷而且阻止位错的运动）。 Ceramic：氧化物 非氧化物 三种基本结构：面心立方 晶格上的原子团体心立方 晶格中溶入阳离子，造成变体密堆立方 经常出现同素异构体SiC，Si3N4

8、共价键和离子键：强度硬度高强度硬度高 对制造缺陷敏感对制造缺陷敏感 使用温度高使用温度高 纤维增韧可以消除缺陷的敏感性纤维增韧可以消除缺陷的敏感性增韧增韧 载荷只能施加在基体上，只有通过界面载荷只能施加在基体上，只有通过界面才能传递到增强体上，发挥纤维的承载才能传递到增强体上，发挥纤维的承载能力。所以界面是传递载荷的桥梁能力。所以界面是传递载荷的桥梁 复合材料三种结构单元中截面所占比重最大，因而界面性质与界面结合强度对复合材料性能影响很大。增强体与基体必然发生某种作用关系，以结合强度表现出来，所以复合原理重点是界面设计。界面传力界面结合强度界面结合强度：机械结合 （ 摩擦力）化学结合：接触结合

9、 （分子间力） 反应结合 强界面结合 适中界面结合 弱界面结合 PMC、MMC和CMC对界面结合的强弱由于本身的性质不同而有所不同，但绝对强绝对强（此时纤维为强化相）和绝对弱（相互独立的两相）对三种复合材料都是不能接受的 约束条件不同 14重点学习和解决的问题重点学习和解决的问题 基体和增强体是复合材料学学习的内容，本课程学习的重点是界面设计。界面是基体和增强体的桥梁，在现代复合材料在现代复合材料中由于纤维细小，体积分数很大，因而中由于纤维细小，体积分数很大，因而界面的比例很大。对性能的影响很大，界面的比例很大。对性能的影响很大，是复合原理的基础。是复合原理的基础。 界面特性、界面与性能、界面

10、热化学和热物理稳定性、界面控制与复合工艺等。特别强调深层次的问题1.环境响应环境响应 天然复合材料是经过千百万年的演变选择形成的，界面的形成与环境是关联的(龟壳等)，具有特别的优异性能。现代复合材料的界面设计首先考虑的是性能但没有考虑环境，这些环境包括自然环境、人造环境如燃气、太空环境，当然现代复合材料的界面不能象天然复合材料那样靠演变形成。2微结构设计 为满足界面的性能要求，界面可能是梯度的或多层的；基体中可能存在不同的组元，甚至复合材料的表面具有与基体性能不同的涂层或梯度层，所有这些使所有这些使复合材料中存在许多微结构单元复合材料中存在许多微结构单元，将这些微结构单元统一考虑进行设计就是微

11、结构设计。2界面行为的温度相关性 组成复合材料的结构单元具有不同的热不同的热膨胀系数膨胀系数，使用过程中温度变化导致界面结合强度和界面应力的变化，从而引起复合材料界面滑移、纤维断裂和基体开裂等一系列微结构变化，最终导致复合材料性能，特别是环境性能的变化。3.复合材料的材料学基础就是通常的材料学基础 复合材料与传统材料无严格划分，是传统材料优化设计的结果。复合材料主要不是研究复合材料主要不是研究材料而是研究复合技术材料而是研究复合技术。 复合原理主要研究界面和微结构设计及相应复合原理主要研究界面和微结构设计及相应的复合技术，的复合技术，但由于复合技术必须与构件的结构及构件的服役环境相适应，因而复

12、合技术是多种多样的，很少有共同遵循的原则，从这个意义上说复合材料原理的内容既是很少的也是很多的。 参考书：1Interfaces in composites TB33-53 I612Control of Interfaces in Metal and Ceramic Composites TB T626.2 19943Processing,Fabrication and Application of Advanced Composites TB33 P963 19934High performance composites for the 1990s TB33 T626 19905Processing of Ceramic and Metal Matrix Composites TB33 I61 19896Inter-Metallic Matrix Composites TB33 I61.2 19907Ceramic-and Carbon-Matrix Composites TB332 C4118Carbon-Car