第3章 OK复合原理-good

1、第三章 复合原理作用n复合材料叶片原材料及其产业发展现状n高性能纤维及其应用n碳纳米管研究现状n复合材料在航空航天中的应用n汽车轻量化材料产业现状及问题n自动化在航空复合材料生产中的应用参数连续变化界面参数不连续变化界面参数内容：晶体结构，元素浓度梯度，热膨胀系数，密度等 一般把基体和增强物之间一般把基体和增强物之间化学成分化学成分有显著有显著变化变化的构成彼此结合的、能传送载荷作用的区域称之为的构成彼此结合的、能传送载荷作用的区域称之为界面。界面。 界面不是简单的几何面。而是一个过渡区域。界面不是简单的几何面。而是一个过渡区域。一般说该区域是从增强体内部性质不同的那一点开一般说该区域是从增强

2、体内部性质不同的那一点开始到基体内部与基体性质相一致的某点为止。始到基体内部与基体性质相一致的某点为止。该区该区域的材料结构与性能应该不同于组分材料的任意一域的材料结构与性能应该不同于组分材料的任意一个。可简称该区域为界面相个。可简称该区域为界面相(Interphase)或界面层或界面层(Interlayer)。 界面厚度很小，可以是几个界面厚度很小，可以是几个nm到几百个到几百个nm。 主要由热膨胀系数不同引发的应力变化界面扩散，溶解，析出，反应研究最为复杂，关系最为重大研究最为复杂，关系最为重大n界面效应与界面界面效应与界面结合状态结合状态、形态形态和和物理物理-化化学性质学性质有关，也与

3、界面两侧的组分的浸润有关，也与界面两侧的组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相联性、相容性、扩散性等密切相联.传递效应传递效应阻断效应阻断效应 不连续效应不连续效应 散射和吸收效应散射和吸收效应诱导诱导( (感应感应) )效应效应 界面结晶效应界面结晶效应 界面化学效应界面化学效应(1)(1)传递效应传递效应 界面能传递力界面能传递力, ,即将外力传递给增强物即将外力传递给增强物, , 桥梁作用。桥梁作用。(2)(2)阻断效应阻断效应 阻止裂纹扩展，减缓应力集中等。阻止裂纹扩展，减缓应力集中等。(3)(3)不连续效应不连续效应 在界面上引起的物理性质的不连续在界面上引起的物理性质的不连续性和界面

4、摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、磁性和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。性、耐热性、尺寸稳定性等。(4)(4)散射和吸收效应：散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收，如透光性、隔热性、波等在界面产生的散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。隔音性、耐冲击性等。一种物质一种物质( (通常是增强通常是增强物物) )的表面结构使另一种的表面结构使另一种( (通常是聚合物基体通常是聚合物基体) )与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变改变, ,由此产生一些现象由

5、此产生一些现象, ,如强的弹性、低的如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。膨胀性、耐冲击性和耐热性等。基体结晶时易在界面上形基体结晶时易在界面上形核，界面形核诱发了基体结晶核，界面形核诱发了基体结晶基体与增强体间的化学反基体与增强体间的化学反应，官能团、原于分子之间的作用应，官能团、原于分子之间的作用电阻R1电阻R1电阻R2ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi无机表面聚合物表面界面浸润理论界面浸润理论化学键理论化学键理论物理吸附理论物理吸附理论变形层理论变形层理论拘束层理论拘束层理论扩散层理论扩散层理论减弱界面局部应力作用理论减弱界面局部应力作用理论196

6、3年年Zisman 主要论点：填充剂被液体树脂良好浸润是极其主要论点：填充剂被液体树脂良好浸润是极其重要，重要，浸润浸润不良易在界面形成空隙，使应力集不良易在界面形成空隙，使应力集中而使复合材料发生开裂；如果完全浸润，则中而使复合材料发生开裂；如果完全浸润，则基体与填充剂间的粘结强度将大于基体的内聚基体与填充剂间的粘结强度将大于基体的内聚强度。强度。 两个表面结合与其表面能的关系。用表面张力两个表面结合与其表面能的关系。用表面张力表征表面能：表征表面能：(/)FA T V 如果两个表面结合，体系由于减少了两个表面而如果两个表面结合，体系由于减少了两个表面而增加了一个界面，增加了一个界面，自由能

7、降低自由能降低，定义为粘合功，定义为粘合功WA 任何物体都有减少其自身表面能的趋势，液任何物体都有减少其自身表面能的趋势，液体收缩成圆球状，固体则把其接触的液体铺体收缩成圆球状，固体则把其接触的液体铺展开覆盖其表面。展开覆盖其表面。ASGLGSLWcos(1cos)LGSGSLALGW当/2时，不浸润；当3.5%时，性能下降，原因是反应过分。 此时认为反应促进了浸润。（2）加入Mg。 当Mg4%时，浸润。 发现：Mg富集优先氧化与Al2O3形成MgOAl2O3尖晶石。 此时认为Al的不浸润能是由Al2O3所致。（3）加入冰晶石。 由于冰晶石能溶Al2O3，所以润湿问题得以解决。2.表面处理：对

8、纤维涂层（1）镀金属： 例如：碳纤维电镀一层Cr、Cu（2）化学沉积： 例如：SiC、B4C、TiC、TiB2等涂层方法效果Ni电镀强度低Ag电镀不良Cu电镀强度低，短时间浸可达ROM的75Ti电镀ROM 95B4CCVD强度低BCVD浸润不良SiCVD浸润不良TiCCVD浸润不良Ti + BCVD浸润良好 ROM95100Na,Zn,Mg 熔融金属液（Na法）浸润良好 ROM95100TiCl4和BCl3进入反应室； 载气氩气把Zn蒸汽也带入反应室，使Ti，B或钛硼化合物沉积在碳纤维上：TiCl4 Zn ZnCl2 Ti BCl3 Ti TiCl2 B钠 法1. 表面涂覆Na 2. 被Zn置

9、换获Zn涂覆层3. 被Al置换获Al层处理增强剂表面的偶联剂应既含有能处理增强剂表面的偶联剂应既含有能与增强剂起化学作用的官能团，又含有能与树脂与增强剂起化学作用的官能团，又含有能与树脂基体起化学作用的官能团。基体起化学作用的官能团。由此在界面上形成共由此在界面上形成共价键结合，可获得最强的界面粘结能。价键结合，可获得最强的界面粘结能。若无偶联剂，如果基体与纤维表面可以发生化学若无偶联剂，如果基体与纤维表面可以发生化学反应，亦可形成牢固的界面。反应，亦可形成牢固的界面。该理论的实质即强调增加界面的化学作用。该理论的实质即强调增加界面的化学作用。增强纤维与树脂基体之间的结合是属于增强纤维与树脂基

10、体之间的结合是属于机机械铰合械铰合和基于次价键作用的和基于次价键作用的物理吸附物理吸附。偶。偶联剂的作用主要是促进基体与增强纤维表联剂的作用主要是促进基体与增强纤维表面浸润。面浸润。粗糙表面能实现力的传递。2.2.化学反应结合：化学反应结合： 以B/Ti为例： M(Ti) f(B)BTi 界面层固溶体化合物 TiB21.反应层由固溶体和化合物组 成2. 过渡层厚度：温度，时间，合金化。 目前将润湿及反应一起考虑，即希望又能增加浸润性，而又减小反应的表面处理方法。1.界面反应层对抗拉强度的影响：反应层厚度x500埃例一：例一：B/TiB/Ti制造温度：制造温度：980980 接触时间：接触时间：

11、1 1秒秒 反应厚度反应厚度500500埃埃在区，由于反应物薄，对纤维破坏不大区，由于反应物薄，对纤维破坏不大在在区，超过临界厚度时，区，超过临界厚度时，TiBTiB2 2本身是脆性，首先被破坏本身是脆性，首先被破坏在在区，纤维已不起作用区，纤维已不起作用 通常用界面剪切强度来表征上海交通大学提出直观法评定结合强度.以C/Al复合材料为例： 不良结合纤维大量拔出，长度很长，呈刷子状 结合适中纤维拔出，有一定长度 结合稍强出现不规律断面，拔出纤维很短 结合太强平断口 弱界面弱界面和强界面强界面 界面结合的强弱界面结合的强弱与性能要求有关。如疲劳强度来说，希望强一点，因为在交变应力作用下，容易发生

12、界面松脱现象。 在韧性要求时，应采用弱界面结合，允许有一定的蠕变。2.界面结合强度的概念：(a)(a)是玻纤增强是玻纤增强PPPP（聚丙烯聚丙烯树脂树脂 ）的冲击试样的）的冲击试样的断口扫描电镜照片断口扫描电镜照片（a a）是加入）是加入MPPMPP相相容剂的玻纤增强体容剂的玻纤增强体系，系，( a( a）中玻璃）中玻璃纤维与基体的结合纤维与基体的结合较好，纤维拔出较较好，纤维拔出较少少. .（b b）是未加相容剂的玻纤增强体系）是未加相容剂的玻纤增强体系从中可以看出，而从中可以看出，而（b b）中有大量的玻）中有大量的玻纤从基体中拔出，证纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较明与基体的粘接性较

13、差，因而体系的力学差，因而体系的力学性能不高。性能不高。 线性效应线性效应非线性效应非线性效应界面效应界面效应尺寸效应尺寸效应各向异性效应各向异性效应 复合效应复合效应线性效应可细分为线性效应可细分为平均效应平均效应、平行效应、相补效应、平行效应、相补效应、相抵效应。相抵效应。非线性效应可细分为非线性效应可细分为乘积效应乘积效应、系统效应、诱导效、系统效应、诱导效应、共振效应。应、共振效应。相补效应和相抵相应相补效应和相抵相应AB 例如对材料例如对材料X输入时输出为输入时输出为Y，即一种转换功能，即一种转换功能材料材料Y/X(如磁场压力的换能材料如磁场压力的换能材料)；而；而Y又作为另又作为另

14、一种材料的第二次输入，产生输出一种材料的第二次输入，产生输出Z，即为另一种，即为另一种换能材料换能材料ZY(如电阻磁场转换材料如电阻磁场转换材料)。两种材料。两种材料复合得出一新的机能材料，即复合得出一新的机能材料，即Y/XZ/YZ/X(即电即电阻压力转换材料阻压力转换材料)。 乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，因乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，因为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新的至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。功能效应。n指在复合材料中两组元(两相)的界面上，一相

15、对另一相在特定条件下产生诱导作用(如诱导结晶)，使之形成相应的界面层。这种界面层结构上的特殊性能使复合材料在传递载荷的能力上或功能上具有特殊性，从而使复合材料只有某种独特的性能。n指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复合后，使复合材料具有单个组分不具有的新性能。n经典例子：利用彩色胶卷能分别感应蓝、绿、红的三种感光乳剂层，即可记录宇宙间千变万化异彩纷呈的各种绚丽色彩。n又称强选择效应，它是指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使A组分的大多数性能受到较大抑制，而使其中某一项性能在复合材料中突出地发挥。n例如，在要求导电而不导热的场合，可以通过选择组分和复合状态，在保留导电组

16、分导电性的同时，抑制其导热性而获得特殊功能的复合材料。(1)(1)连续纤维增强原理连续纤维增强原理 混合定则混合定则可很好的描可很好的描述和预测复合材料的某些性能。若纤维在基述和预测复合材料的某些性能。若纤维在基体中呈单向均匀的排列，则沿纤维方向复合体中呈单向均匀的排列，则沿纤维方向复合材料的性能可表示为材料的性能可表示为NiiiVPP1nnc复合材料的并列模型与串列模型n=1 n=-1基体强化相当n=1时，复合材料由基体和一种强化相组成（N =2），称为并列模型 ，也称为经典复合准则 。rrmmcVPVPP rrmmc111VPVPPmrrmrmcVPVPPPP rrmmclnlnlnPVP

17、VPrmPPPvrvmc)()(NiiiVPP1nnc弹性模量：弹性模量： 纤维方向：纤维方向：Ec=k（Pf p+Pm m ） 垂直纤维方向：垂直纤维方向：纤维方向的强度：纤维方向的强度： cu=fuf+ m*m1 f mEc Ef Em= +连续纤维增强连续纤维增强弥散增强型弥散增强型50m颗粒增强型颗粒增强型50m弥散增强弥散增强Dispersion-Strengthened Composites 弥散增强主要是针对金属基体，外加入颗粒尺寸小，弥散增强主要是针对金属基体，外加入颗粒尺寸小，而不是脱溶沉淀出的第二相。加入的都是硬质颗粒如而不是脱溶沉淀出的第二相。加入的都是硬质颗粒如AlAl

18、2 2O O3 3、TiCTiC、SiCSiC等。这些弥散于金属或合金中的颗粒，等。这些弥散于金属或合金中的颗粒，可以有效的阻止位错的运动，起到显著强化作用。因此，可以有效的阻止位错的运动，起到显著强化作用。因此，其强化机理与脱溶沉淀类似，基体仍是承受载荷的主体。其强化机理与脱溶沉淀类似，基体仍是承受载荷的主体。正因为这些外加质点不是相变脱溶产生的，随温度的升高正因为这些外加质点不是相变脱溶产生的，随温度的升高仍可保持原有的尺寸，所以其增强效果在高温仍能保持较仍可保持原有的尺寸，所以其增强效果在高温仍能保持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能，持久性能明显优于长的时间，使复合材料的抗蠕变性能，持

19、久性能明显优于基体合金。基体合金。颗粒尺寸：颗粒尺寸：10250nm条件：条件： 质点是弥散于基体中且均匀分布的球形质点是弥散于基体中且均匀分布的球形 d为微粒直径为微粒直径 Vp为体积分数为体积分数 Gm为基体的切变模量为基体的切变模量 b为柏氏矢量为柏氏矢量 y为复合材料的屈服强度为复合材料的屈服强度 弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般一般Vp=0.01-0.15，dp=0.01m-0.3m基体发生位错运动时，复合材料产生塑性变形，此时剪基体发生位错运动时，复合材料产生塑性变形，此时剪切应力切应力y即为复合材料的屈服强度即为复合材料的屈服强度ymppG bdVV231212弥散增强弥散增强 在金属基体中加入粒子进行增强与弥散强化的在金属基体中加入粒子进行增强与弥散强化的最大不同点是粒子的尺寸，粒子的尺寸为最大不同点是粒子的尺寸，粒子的尺寸为150 m。其它参数粒子间距为其它参数粒子间距为125m，