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1、复合材料界面第1页，本讲稿共33页一、颗粒增强原理一、颗粒增强原理 弥散增强原理和颗粒增强原理弥散增强原理和颗粒增强原理(1)(1)弥散增强原理弥散增强原理 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，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。增强效果越好。在剪切应力在剪切应力i的作用下，位错的曲率半径为：的作用下，位错的曲率半径为：Gm：基体的剪切模量；：基体的剪切模量；b：柏氏矢量：柏氏矢量2第2页，本讲稿共33页当当R=Df/2时，屈服强度为：时，屈服强度为
2、：若微粒直径为若微粒直径为dp，体积分数为，体积分数为Vp 时时有：有：微粒尺寸越小，体积分数越高，微粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。强化效果越好。3第3页，本讲稿共33页(2)(2)颗粒增强原理颗粒增强原理 增强体是尺寸较大增强体是尺寸较大(粒径大于粒径大于1 1m)的坚硬颗粒的坚硬颗粒。虽然载荷。虽然载荷主要由基体承担，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。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：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。颗粒尺寸越小
3、，体积分数越高，增强效果越好。4第4页，本讲稿共33页二、单向排列连续纤维增强原理二、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。材料被认为是单向层片按照一定的顺序进行叠放。5第5页，本讲稿共33页(1)(1)纵向强度和刚度纵向强度和刚度 a.a.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 复合材料的弹性模量为：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，纤维、基体对复合材料性能的贡献正比于各自的体积分数，称为称为“混合
4、法则混合法则”。6第6页，本讲稿共33页在复合材料中，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（vol.%）：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第7页，本讲稿共33页SiC/硼硅玻璃复合材料的强度硼硅玻璃复合材料的强度随纤维体积含量线性增加随纤维体积含量线性增加8第8页，本讲稿共33页颗粒增强复合材料的颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系弹性模量与颗粒体积分量的关系9第9页，本讲稿共
5、33页10第10页，本讲稿共33页 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，大。因此，对于给定的纤维对于给定的纤维/基体复合材料体系，应尽可能提高纤维的体基体复合材料体系，应尽可能提高纤维的体积分数。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。及气孔率增加会破坏材料性能。11第11页，本讲稿共33页b.b.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：四个阶段：纤维和基体均为线弹性变形纤维和基体均为
6、线弹性变形 纤维继续线弹性变形，基体非线性变形纤维继续线弹性变形，基体非线性变形 纤维和基体都非线性变形纤维和基体都非线性变形 随纤维断裂，复合材料断裂随纤维断裂，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。对于脆性纤维复合材料，可能看不到第三阶段。12第12页，本讲稿共33页c.c.断裂强度断裂强度纤维控制复合材料断裂所需的最小体积分数：纤维控制复合材料断裂所需的最小体积分数：当基体断裂应变当基体断裂应变 纤维断裂应变时，纤维断裂应变时，fu：纤维强度；：纤维强度；(m)f：对应纤维断裂应变值的基体应力：对应纤维断裂应变值的基体应力13第13页，本讲稿共33页当基体断裂应变当基体
7、断裂应变 90 900 0：液体不能润湿固体：液体不能润湿固体(=180=1800 0时，完全不润湿固体时，完全不润湿固体)90 900 0：液体能润湿固体：液体能润湿固体(=0=00 0时，完全润湿固体时，完全润湿固体)根据力的合成：根据力的合成：19第19页，本讲稿共33页由由(4-2)(4-2)、(4-3)(4-3)得到得到可见，当可见，当 =0=00 0时，时，W WA A最大，表明液体全部铺平在固体上，同时最大，表明液体全部铺平在固体上，同时和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。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。19641964年，年，Zism
8、anZisman提出了能产生良好结合的两个条件：提出了能产生良好结合的两个条件：(1)(1)液体粘度要尽量低液体粘度要尽量低 (2)(2)略大于略大于 问题：复合材料中增强体表面越粗造，界面结合就越好？问题：复合材料中增强体表面越粗造，界面结合就越好？20第20页，本讲稿共33页聚合物基复合材料界面及改性方法聚合物基复合材料界面及改性方法(1)(1)改善树脂基体对增强材料的浸润程度改善树脂基体对增强材料的浸润程度热塑性聚合物基复合材料：热塑性聚合物基复合材料：a.a.基体熔体与基体与增强材料间的接触和润湿；基体熔体与基体与增强材料间的接触和润湿；b.b.复合体系冷却凝固定型。复合体系冷却凝固定
9、型。措施：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。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：热固性聚合物基复合材料：措施：措施：常采用预先形成预浸料常采用预先形成预浸料(干法、湿法干法、湿法)的办法，以提高聚合物基体对增强的办法，以提高聚合物基体对增强体的浸润程度。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。先决条件：充分浸润，使界面不出现空隙和缺陷。21第21页，本讲稿共33页(2)(2)适度的界面结合强度适度的界面结合强度结合方法：结合方法：a.a.物理机械结合物理机械结合 b.b.化学结合化学结合结合强度要适中，为
10、什么？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。界面黏结太强，容易导致增强材料的脆性破坏。22第22页，本讲稿共33页23韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂第23页，本讲稿共33页24(3)(3)减少复合材料成型中形成的残余应力减少复合材料成型中形成的残余应力 增强材料与基体之间热导率、热膨胀系数、弹性模量、泊松比等均增强材料与基体之间热导率、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
11、。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。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。解决方法：在增强材料与基体间引入一层可形变的界面层。第24页，本讲稿共33页(4)(4)调节界面内应力和减缓应力集中调节界面内应力和减缓应力集中内应力的形成：内应力的形成：a.a.界面黏结强度不均匀界面黏结强度不均匀 b.b.界面结晶成核作用界面结晶成核作用 c.c.界面附近的聚合物分子链发生取向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；解决方
12、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第25页，本讲稿共33页二、金属基复合材料界面及改性方法二、金属基复合材料界面及改性方法界面结合方式：界面结合方式：a.a.化学结合化学结合(主要的主要的)b.b.物理结合物理结合c.c.扩散结合扩散结合d.d.机械结合机械结合(1)(1)金属基复合材料界面结构及界面反应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；界面区：基体与增强体的接触连接面；反应产物和析出相；反应产物和析出相；增强体的表面涂层作用区；增强体的表面涂层作用区；元素的扩散和偏聚层；元素的扩散和偏聚层；近界面的高密度位错区。近界面的高密度位错区。
13、26第26页，本讲稿共33页金属基复合材料界面的典型结构：金属基复合材料界面的典型结构：a.a.有界面反应产物的界面微结构有界面反应产物的界面微结构轻微的界面反应有利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：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严重的界面反应有害：形成界面反应层：形成界面反应层27第27页，本讲稿共33页b.b.有元素偏聚和析出相的界面微结构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。界面析出相。28第28
14、页，本讲稿共33页c.c.增强体与基体直接进行原子结合的界面反应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。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第29页，本讲稿共33页d.d.其他类型的界面结构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。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.e.金属基复合材料的界面反应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产生脆性的界面反应产物
15、造成增强体损伤和改变基体成分造成增强体损伤和改变基体成分 30第30页，本讲稿共33页d.d.其他类型的界面结构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。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.e.金属基复合材料的界面反应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造成增强体损伤和改变基体成分界面反应分三类：界面反应分三类：弱界面反应弱界面反应 中等强度界面反应中等强度界面反应 强界面反应强界面反应
16、温度越高和停留时间越长，界面反应越严重。温度越高和停留时间越长，界面反应越严重。31第31页，本讲稿共33页(2)(2)金属基复合材料界面对性能的影响金属基复合材料界面对性能的影响连续纤维增强：要求界面强度适中连续纤维增强：要求界面强度适中(裂纹经过，纤维裂纹经过，纤维“桥接桥接”)非连续纤维增强：要求有足够的界面强度非连续纤维增强：要求有足够的界面强度32第32页，本讲稿共33页(3)(3)金属基复合材料界面改性的方法金属基复合材料界面改性的方法a.a.纤维等增强体的表面涂层处理纤维等增强体的表面涂层处理b.b.金属基体合金化金属基体合金化c.c.优化制备工艺方法和参数优化制备工艺方法和参数33第33页，本讲稿共33页