复合材料原理09第1讲.ppt

1、复合材料原理,课程学科分类：材料学 课程授课人：成来飞 殷小玮 超高温结构复合材料国防科技重点实验室 2009.3.3,前 言,40学时 先修课：复合材料学 参考教材： 1 复合材料概论 王荣国等编著 2 陶瓷基复合材料原理、工艺、性能与设计 张长瑞等编著,课外读物,1. Interfaces in composites TB33-53 I61 2. Control of Interfaces in Metal and Ceramic Composites TB T626.2 1994 3. Processing, Fabrication and Application of Advanced

2、 Composites TB33 P963 1993 4. High performance composites for the 1990s TB33 T626 1990 5. Processing of Ceramic and Metal Matrix Composites TB33 I61 1989 6. Inter-Metallic Matrix Composites TB33 I61.2 1990 7. Ceramic-and Carbon-Matrix Composites TB332 C411 8. Carbon-Carbon Materials and Composites T

3、B332 C257 9. Composites Applications The Role of Matrix, Fiber, and Interfaces TB33 C737,课外读物,10. Metal and Polymer Matrix Composites TB333, C478 11. Composites Materials TB333, C512 12.复合材料 主编：吴人洁,天津大学出版社 13.复合材料大全 主编：沃丁柱, 化学工业出版社 14.先进复合材料 主编：鲁云 朱世杰 马鸣图 潘复生 机械工业出版社 15.先进复合材料手册 主编：赵渠森 , 机械工业出版社 16.

4、复合材料的结构与性能 主编：邹祖违(美) , 机械工业出版社 17.工程复合材料主编：布莱恩哈里斯，陈祥宝， 张宝艳 （译）化学工业出版社,目 录,第一讲 绪论 第二讲 复合材料学基础 第三讲 表面与界面基础 第四讲 界面热化学相容性 第五讲 界面热物理相容性 第六讲 界面特性与性能(一) 第七讲 界面特性与性能(二) 第八讲 界面结合与模量匹配 第九讲 金属基复合材料界面控制 第十讲 陶瓷基复合材料界面控制 第十一讲 聚合物基复合材料界面控制 第十二讲 界面控制与复合工艺 第十三讲 自生复合材料,1.材料为什么要复合？（基础）Why？ 2.材料根据什么复合？（原理）What？ 3.材料怎样进

5、行复合？（工艺）How？,第一讲 绪论,1.1自然界的启示,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 漆器：复合材料 (胶为粘结剂，麻为增强体),不同尺度材料的复合,1.Why?,复合材料并不是人类发明的 木材：天然复合材料（纤维素纤维+聚多糖木质素）,1.Why?,1.1自然界的启示,广义地讲，天然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）,1.2 材料发展的启示,自然法则：周而复始、螺旋上升,1.Why?,一种材料在某一方面的性能可能是

6、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价格很高，复合可以降低成本。,复合技术是获得高性能低成本材料的必由之路，发挥各自组元的性能优势获得良好的综合性能,1.3 技术发展的需要,1.Why?,塑料：低密度、易成型和连接；热稳定性差、力学性能一般 陶瓷：低密度、热稳定性好、耐腐蚀、磨蚀、磨损性能好；脆；成型、加工难 金属：良好热稳定性、高力学性能和韧性、好成型和连接性；高温持久性差；高密度；低模量 。,1.Why?,1.4 传统材料及其局限性,2.1 复合材料定义,确切地下定义很难： a. 由基体和增强体复合而成的材料 b. 人工制造，两种以上的

7、物理和化学区域，具有明显的界面，与基体及增强体具有完全不同的特性。,2.What?,2.1 复合材料定义,ISO（国际标准化组织）的定义： a 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。 b 复合材料各个组分相之间不是简单的加和，而是在总体性能和结构上有着重要的改进。,2.What?,尺寸效应（热力学缺陷控制） 界面效应（界面区结构变化） 尺度效应（多尺寸效应协同） 结构效应（材料结构一体化） 复合原理：效应协同：和谐,2.2 复合效应,2.What?,2.2.1 尺寸效应,颗粒0维,纤维1维,薄膜2维,尺寸越小，材料中存在缺陷的可能性越低。,复合,搓绳,纳

8、米,微米,2.What?,碳纤维在约1%变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才会断裂。,2.2.2 界面效应,界面区结构变化引起的性能变化。,基体,增强体,界面区（无序结构）,2.What?,2.2.3 尺度效应,不同尺寸的材料复合产生的不同尺寸效应的叠加,纳米,微米,复合效应,钢筋混凝土水泥沙子石块钢筋,2.What?,多尺度复合效应实质上是不同尺度的材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。 Al/SiCp复合材料的流动应力主要取决于微结构尺度效应。若增强相尺寸，基体晶粒尺寸以及增强相间距三者大小相当，则复合材料的流动应力取决于增强相的分散程度和位错密度；若增强相尺寸

9、及其间距大小相当，但比基体晶粒大得多，那复合材料的流动应力主要取决于增强相的分散度。,2.What?,2.2.3 尺度效应,2.2.4 结构效应,不同的结构设计产生的系统综合效应,2.What?,2000年左右，在西方材料学界，哈佛大学的Evans教授、剑桥大学的Ashby教授、MIT的Gibson教授等人率先提出了一种空间点阵材料（结构）。这种结构类似于现有的空间网架，只是尺寸上要小得多。这类材料可能具有的优越性能是高比强度、高比刚度和多功能性等，因此越来越受到材料学界的重视,2.2.4 结构效应,杜善义，先进复合材料与航空航天，复合材料学报，241，1-12 (2007),点阵结构,2.W

10、hat?,2.2.4 结构效应,点阵结构,2.What?,形态多样，任意组合， 功能兼备，效果显著。,芯部形态的多结构设计,多结构设计具有创新性！,2.2.4 结构效应,点阵结构,2.What?,中空织物增强,-,普通玻璃钢增强,引航艇仓盖,2.2.4 结构效应,点阵结构,2.What?,现代复合材料=先进复合材料 Vf=3050%，E= 200GPa 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，构件是材料与结构一体化,2.3 复合材料分类,2.What?,现代复合材料历史60多年 20世纪40年代，美国 玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料 二战军用飞机雷达罩、远航副油箱

11、20世纪60-70年代，PMC航空、机械、建筑、化工、体育用品,2.What?,2.3 复合材料分类,根据基体的种类分为： PMC Polymer Matrix Composite CMC Carbon and Ceramic Matrix Composite, 包括 Carbon/Carbon MMC Metal Matrix Composite IMMC Intermetallic Matrix Composite,2.3 复合材料分类,2.What?,根据增强的种类分为： Fiber增强复合材料 Whiskes 增强复合材料 Particles 增强复合材料,2.What?,2.3 复合

12、材料分类,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，有些有害）,2.What?,2.3 复合材料分类,根据界面可以分为： 弹性界面弹性界面 弹性界面塑性界面 根据复合材料的作用分为： 结构复合材料综合力学性能 功能复合材料多种功能耦合 结构功能复合材料结构功能一体,2.What?,2.3 复合材料分类,基体 成形和防护 增强体 承载 界面 传力,2.4 复合材料三大要素,2.What?,增强体承载,这就是现代复合材料的最大特点 增强体承受90%以上的载荷 纤维束增大，3k, 12k, 24k, 36k, 48k,2.What?,2.4 复合材料三大要素,

13、基体材料成形和防护,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,2.What?,2.4 复合材料三大要素,界面传力,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，发挥纤维的承载能力。所以界面是传递载荷的桥梁 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。,2.What?,2.4 复合材料三大要素,界面结合强度,2.What?,2.4 复合材料三大要素,与复合材料强韧化相关的尺度范围,3.How?,尺寸跨度1010,3.1 复合材料的多尺度制造,3.How?,3.1 复合材料的多尺度制

14、造,材料复合过程与制品成型过程同时完成。 成型工艺主要取决于基体材料。 根据不同的基体和组分，复合材料的制备工艺和方法不同。,3.How?,3.1 复合材料的多尺度制造,可设计性 性能优越性 材料结构同一性 工艺依赖性,3.How?,3.1 复合材料的多尺度制造,复合材料多尺度建模,3.How?,3.2 复合材料的多尺度设计,多尺度模拟与实验,3.How?,3.2 复合材料的多尺度设计,1. 复杂的环境响应 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，但逐渐在考虑对环境的适应性。,相关

15、问题,2复杂微结构设计 为满足界面的性能及环境的要求，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结构设计。,相关问题,3结构不均匀性 均质材料追求均匀性，不均匀因素对性能影响极大，如孔隙、裂纹等。 复合材料追求不均匀性，不均匀因素对性能影响不大，甚至有利，如孔隙、裂纹等。,相关问题,4界面稳定性 物理稳定性：组成复合材料的结构单元具有不同的热膨胀系数,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。 化