复合材料-界面.ppt

1、第二章 复合材料的复合原理及界面 2.1 复合材料的复合原理,颗粒增强,纤维增强,短纤维增强,增强机理,颗粒与纤维混杂增强,1,一、颗粒增强原理 弥散增强原理和颗粒增强原理 (1)弥散增强原理 可用位错绕过理论来解释。载荷主要由基体承担，弥散 颗粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大， 增强效果越好。 在剪切应力i的作用下，位错的曲率半径为： Gm：基体的剪切模量；b：柏氏矢量,2,当R=Df /2时，屈服强度为：,若微粒直径为dp，体积分数为Vp 时 有：,微粒尺寸越小，体积分数越高， 强化效果越好。,3,(2)颗粒增强原理 增强体是尺寸较大(粒径大于1m )的坚硬颗粒。虽然载荷

2、 主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形，微粒 阻碍基体位错运动能力越大，增强效果越好。 复合材料的屈服强度：,颗粒尺寸越小，体积分数越高，增强效果越好。,4,二、单向排列连续纤维增强原理 对高性能纤维复合材料结构设计多用层板理论，纤维复合 材料被认为是单向层片按照一定的顺序进行叠放。,5,(1)纵向强度和刚度 a.复合材料应力-应变曲线的初始阶段 复合材料的弹性模量为： 纤维、基体对复合材料性能的贡献正比于各自的体积分数， 称为“混合法则”。,6,在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（v

3、ol.%）：,Pc ：复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等； Pi ：各组分材料的对应复合材料的某性能； V ：组成复合材料各组分的体积百分比； i：表示组成复合材料的组分数。,7,SiC/硼硅玻璃复合材料的强度 随纤维体积含量线性增加,8,颗粒增强复合材料的 弹性模量与颗粒体积分量的关系,9,10,纤维与基体弹性模量比值越大，纤维体积含量越高，则纤维承载越大。因此，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。但要考虑基体对纤维的润湿、浸渍程度问题，界面强度降低以及气孔率增加会破坏材料性能。,11,b.复合材料初始变形后的行为 四个阶段： 纤维和基体均为线弹性变形 纤

4、维继续线弹性变形，基体非线性变形 纤维和基体都非线性变形 随纤维断裂，复合材料断裂 对于脆性纤维复合材料，可能看不到第三阶段。,12,c.断裂强度 纤维控制复合材料断裂所需的最小体积分数： 当基体断裂应变 纤维断裂应变时， fu ：纤维强度；(m)f ：对应纤维断裂应变值的基体应力,13,当基体断裂应变 纤维断裂应变时， mu ：基体强度； f *：对应基体断裂应变值时纤维承受的应力,(2)横向强度和刚度 纤维对横向强度不仅没有增强作用，反而有相反作用。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，使得复合材料的断裂应变比未增强基体低得多。,14,三、短纤维增强原理 作用于复合材料的

5、载荷并不直接作用于纤维，而是作用于 基体材料并通过纤维端部与端部附近的纤维表面将载荷传递给 纤维。当纤维长度超过应力传递发生的长度时，端头效应可以 忽略，纤维可以被认为是连续的，但对于短纤维复合材料，端 头效应不可忽略，同时复合材料性能是纤维长度的函数。 将能够达到最大纤维应力(f)max的最短纤维长度定义为载荷传递长度lf： 载荷从基体向纤维的传递就发生在纤维的lf长度上。载荷传递长度的最大值lc称为“临界纤维长度”。,15,2.2 复合材料的界面 定义：是一层具有一定厚度(纳米以上)、结构随基体和增强体而异的、与基体有明显差别的新相界面相(界面层)。,一、聚合物基复合材料的界面 界面的形成

6、： 第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维吸附那些能降低其表面能的物质。 第二阶段：聚合物的固化阶段。 聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。,16,界面的结合力,界面的区域(厚度),界面的微观结构,宏观结合力：材料的几何因素 (机械铰合力),微观结合力：化学键和次价键,界面层结构,17,界面作用机理： 指界面发挥作用的微观机理。 (A)界面浸润理论 1963年Zisman提出，指出填充剂被液体树脂良好浸润是重要的。 表面张力：,：表面张力； F：自由能； A：面积,基体和增强体两表面结合，自由能下降，可定义为粘合功WA：,：固气的界面张力；,：液气的界面张力；,

7、：固液的界面张力,18,如果一滴液体滴在固体表面， 为接触角：, 900：液体不能润湿固体( =1800时，完全不润湿固体), 900：液体能润湿固体( =00时，完全润湿固体),根据力的合成：,19,由(4-2)、(4-3)得到,可见，当 = 00时，WA最大，表明液体全部铺平在固体上，同时,和,热力学说明了结合的可能性；动力学表明了结合的速度问题。 1964年，Zisman提出了能产生良好结合的两个条件： (1)液体粘度要尽量低 (2) 略大于,问题：复合材料中增强体表面越粗造，界面结合就越好？,20,聚合物基复合材料界面及改性方法 (1)改善树脂基体对增强材料的浸润程度 热塑性聚合物基复

8、合材料： a.基体熔体与基体与增强材料间的接触和润湿； b.复合体系冷却凝固定型。 措施：延长浸润时间，增大体系压力，降低熔体粘度，改善织物结构。 热固性聚合物基复合材料： 措施：常采用预先形成预浸料(干法、湿法)的办法，以提高聚合物基体对增强体的浸润程度。 先决条件：充分浸润，使界面不出现空隙和缺陷。,21,(2)适度的界面结合强度 结合方法： a.物理机械结合 b.化学结合 结合强度要适中，为什么？ 界面黏结太弱，界面容易发生脱粘，纤维不能充分发挥作用； 界面黏结太强，容易导致增强材料的脆性破坏。,22,23,韧性断裂,脆性断裂,24,(3)减少复合材料成型中形成的残余应力 增强材料与基体

9、之间热导率、热膨胀系数、弹性模量、泊松比等均不同，成型中界面处形成热应力，如果不能有效松弛，将成残余应力。降低应力传递能力，使复合材料的力学性能下降。 解决方法：在增强材料与基体间引入一层可形变的界面层。,(4)调节界面内应力和减缓应力集中 内应力的形成： a.界面黏结强度不均匀 b.界面结晶成核作用 c.界面附近的聚合物分子链发生取向 解决方法：控制复合材料成型中的冷却历程；对材料进行适当热处理；,25,二、金属基复合材料界面及改性方法 界面结合方式： a.化学结合(主要的) b.物理结合 c.扩散结合 d.机械结合 (1)金属基复合材料界面结构及界面反应 界面区：基体与增强体的接触连接面；

10、 反应产物和析出相； 增强体的表面涂层作用区； 元素的扩散和偏聚层； 近界面的高密度位错区。,26,金属基复合材料界面的典型结构： a.有界面反应产物的界面微结构 轻微的界面反应有利：局部区域中形成粒状、棒状、片状的反应产物 严重的界面反应有害：形成界面反应层,27,b.有元素偏聚和析出相的界面微结构 由于增强体表面吸附作用，金属基体中的合金元素在增强体表面富集，形成界面析出相。,28,c.增强体与基体直接进行原子结合的界面反应 增强体和基体直接原子结合的界面结构，界面平直，无中间相存在。,29,d.其他类型的界面结构 不同金属元素在高温下发生扩散、吸附和偏聚，在界面形成浓度梯度层。 e.金属基复合材料的界面反应 增强了金属基体与增强体界面结合强度 产生脆性的界面反应产物 造成增强体损伤和改变基体成分,30,d.其他类型的界面结构 不同金属元素在高温下发生扩散、吸附和偏聚，在界面形成浓度梯度层。 e.金属基复合材料的界面反应 增强了金属基体与增强体界面结合强度 产生脆性的界面反应产物 造成增强体损伤和改变基体成分 界面反应分三类： 弱界面