第9章 復合效應與界面

1、第一節(jié) 材料復合、增強體及復合效應 第二節(jié) 復合材料增強原理 第三節(jié) 復合材料界面 9 9 復合效應與界面復合效應與界面 9.1 9.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增強體及復合效應 9.1.1 9.1.1 復合材料概念、分類及特點復合材料概念、分類及特點 (1)(1)復合材料的定義及分類復合材料的定義及分類 1)1)定義定義 復合材料的組分是人為有意選擇和設計。其性能取決于每種組分相及其 相應的含量，尺寸和分布狀態(tài)。 -復合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合起來的一種多相固體復合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合起來的一種多相固體 材料。材料。 2)2)分類分類 按基體材

2、料的類別按基體材料的類別 金屬基復材：金屬基復材：AlAl、CuCu、NiNi、TiTi等為基體等為基體 非金屬基復材：陶瓷基、樹脂基、橡膠基非金屬基復材：陶瓷基、樹脂基、橡膠基 按增強體的形態(tài)和分布按增強體的形態(tài)和分布 纖維增強復合材料纖維增強復合材料 顆粒增強復合材料顆粒增強復合材料 疊層復合材料疊層復合材料 9.1 9.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增強體及復合效應 9.1.1 9.1.1 復合材料概念、分類及特點復合材料概念、分類及特點 以基體為主命名，如金屬基復合材料。以基體為主命名，如金屬基復合材料。 以增強體為主命名，如碳纖維增強復合材料。以增強體為主命名，如碳纖維增強

3、復合材料。 以基體與增強體并用，如以基體與增強體并用，如C/A1C/A1復合材料。復合材料。 3 3）命名）命名 9.1.2 9.1.2 增強體的性能增強體的性能 增強體的種類繁多，增強體的特點是高強度、高模量。增強體直 徑較小，合有缺陷的機率少，所以保持了高強度、高模量的特性。 用于航空、航天結構的復合材料的增強體密度一般都低。 9.1 9.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增強體及復合效應 9.1.3 9.1.3 復合效應復合效應 復合效應分為復合效應分為線性效應、非線性效應、界面效應、尺寸效應及各向線性效應、非線性效應、界面效應、尺寸效應及各向 異性效應異性效應。 復合材料不但基本

4、保持了原有組分的性能，還增添了原有組分沒有復合材料不但基本保持了原有組分的性能，還增添了原有組分沒有 的性能。的性能。 表表 復合效應類型復合效應類型 線性效應線性效應非線性效應非線性效應線性效應線性效應非線性效應非線性效應 平均效應平均效應 平行效應平行效應 相乘效應相乘效應 誘導效應誘導效應 相補效應相補效應 相抵效應相抵效應 共振效應共振效應 系統(tǒng)效應系統(tǒng)效應 1 1）平均效應平均效應又可稱為加和效應又可稱為加和效應(Mean Properties)(Mean Properties)，反映在復合材料的 混合定則(Rule of Mixture。)中，該定則通常用來計算增強材料和基體 復合

5、后對某一性質(zhì)產(chǎn)生的效果，即 9.1 9.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增強體及復合效應 9.1.3 9.1.3 復合效應復合效應 （1 1）線性效應）線性效應 相補效應(協(xié)同效應)和相抵效應(不協(xié)同效應)往往是共存的。 9.1 9.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增強體及復合效應 9.1.3 9.1.3 復合效應復合效應 3 3）相補效應相補效應指組元材料性能相互補充，彌補各自的弱點，從而使復合材 料具有優(yōu)異的性能。 4 4）相抵效應相抵效應指各組分之間出現(xiàn)性能相互制約，結果使復合材料的性能低 于混合物定律預測值，這是一種負的復合效應。 通過原材料的選擇、設計和工藝盡可能得到

6、相補的情況，盡量減少相通過原材料的選擇、設計和工藝盡可能得到相補的情況，盡量減少相 抵的情況抵的情況 (有時是無法避免的)。 2 2）平行效應平行效應是指復合材料的某項性能與其中某一組分的該項性能基本相 當。 （1 1）線性效應）線性效應 混雜復合材料混雜復合材料(Hybrid composite)(Hybrid composite)是最能體現(xiàn)相補和相低效是最能體現(xiàn)相補和相低效 應的。應的。 混雜復合材料是由兩種混雜復合材料是由兩種( (或兩種以上或兩種以上) )纖維增強同一基體纖維增強同一基體( (或兩或兩 種相容的基體種相容的基體) )，混雜復合而成的材料，混雜復合而成的材料。 9.1 9

7、.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增強體及復合效應 9.1.3 9.1.3 復合效應復合效應 混雜效應混雜效應是指混雜復合材料的某些性能偏離按混合定則計算結果是指混雜復合材料的某些性能偏離按混合定則計算結果 的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 正混雜效應：正混雜效應：向增加方向(性能改善)偏離的情況(相補效應、協(xié) 同效應)。 負混雜效應：負混雜效應：向減少方向偏離的(性能下降)的情況(相報效應、 不協(xié)同效應)。 混雜復合材料在改善材料韌性方而和抗疲勞性能方而取得了相混雜復合材料在改善材料韌性方而和抗疲勞性能方而取得了相 當成功的效果。當成功的效果。 9.1 9.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增

8、強體及復合效應 9.1.3 9.1.3 復合效應復合效應 1 1）相乘效應相乘效應又叫傳遞特性，交叉耦合效應。又叫傳遞特性，交叉耦合效應。是把兩種具有能量(信息)轉(zhuǎn)換 功能的組分復合起來，使它們相同的功能得到復合，而不相同的功能得到新 的轉(zhuǎn)換。 （2 2）非線性效應）非線性效應 例如有一種功能材料Y/X(假設為磁場/壓力)，另一種材料為 Z/Y(假設為 電阻/磁場)這兩種材料復合后得到一種新的功能材料，即 Y/X Y/XZ/Y=Z/X (Z/Y=Z/X (即電阻即電阻/ /壓力壓力) ) 因為這種效應不僅比單一材料獲得很強的性能，甚至可利用它創(chuàng)造出任因為這種效應不僅比單一材料獲得很強的性能，甚

9、至可利用它創(chuàng)造出任 何單一材料都不存在的新的功能效應。何單一材料都不存在的新的功能效應。 乘積效應對開發(fā)新型功能材料指出了方向。 復合材料傳遞特性實例復合材料傳遞特性實例 Y/X(Y/X(狀態(tài)狀態(tài)1 1）Z/Y(Z/Y(狀態(tài)狀態(tài)2 2）傳遞特性（傳遞特性（Z/X)Z/X) 磁場磁場/ /壓力壓力電阻變化電阻變化/ /磁場磁場壓力電阻效應壓力電阻效應 電場電場/ /壓力壓力發(fā)光發(fā)光/ /電場（電光亮度）電場（電光亮度）壓力光亮度壓力光亮度 應變應變/ /磁場磁場電場電場/ /應變應變磁電效應磁電效應 應變應變/ /磁場磁場電阻變化電阻變化/ /應變應變磁電阻效應磁電阻效應 應變應變/ /磁場磁場

10、復折射復折射/ /應變應變磁感應折射磁感應折射 應變應變/ /電場電場磁場磁場/ /應變應變電磁效應電磁效應 磁場磁場/ /光光應變應變/ /磁場磁場應變應變/ /光光 電場電場/ /光光應變應變/ /電場電場應變應變/ /光光 電場電場/ /光光光光/ /電場電場波長變換波長變換 同位素同位素導電性導電性/ /光光放射線誘起電導放射線誘起電導 9.1 9.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增強體及復合效應 9.1.3 9.1.3 復合效應復合效應 4 4）共振效應共振效應又稱強選擇效應。又稱強選擇效應。它是指某一組分A具有一系列性能，與另一 組分B復合后，能使A組分的大多數(shù)性能受到較大

11、抑制，而使其中某一項性 能在復合材料中突出地發(fā)揮。 3 3）系統(tǒng)效應系統(tǒng)效應是指將不具備某種件能的諸組分通過特定的復合狀態(tài)復合后， 使復合材料具有單個組分不具有的新性能。 這種界面層結構上的特殊性使復合材料在傳遞載荷的能力上或功能上具有 特殊性，從而使復合材料只有某種獨特的性能。 2 2）誘導效應誘導效應是指在復合材料中兩組元(兩相)的界面上，一相對另一相在特 定條件下產(chǎn)生誘導作用(如誘導結晶)，使之形成相應的界面層。 9.1 9.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增強體及復合效應 9.1.3 9.1.3 復合效應復合效應 （2 2）非線性效應）非線性效應 （3 3）復合材料的界面效應）

12、復合材料的界面效應 9.1 9.1 材料復合、增強體及復合效應材料復合、增強體及復合效應 9.1.3 9.1.3 復合效應復合效應 3)3)散射和吸收效應：散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生的散射 和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐沖擊性等。 4)4)感應效應：感應效應：在界面產(chǎn)生的感應效應，特別是應變、內(nèi)部應力和由此而引 起的現(xiàn)象，如彈性、熱膨脹性、抗沖擊性和耐熱性的改變等。感應(或誘導) 可以是一種物質(zhì)(通常是增強物)的表面結構使另一種(通常是聚合物基體) 與之接觸的物質(zhì)的結構出于誘導作用而改變。 5)5)界面結晶效應：界面結晶效應：基體結晶時，易在界面上形核，界面

13、成核誘發(fā)了基體結 晶。 6)6)界面化學效應：界面化學效應：基體與增強材料間的化學反應，官能團、原子分子之間的 作用。 2)2)不連續(xù)效應：不連續(xù)效應：在界面上引起的物理性質(zhì)的不連續(xù)性和界面摩擦出的現(xiàn) 象如電阻、介電特性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。 1)1)阻斷效應：阻斷效應：起到阻止裂紋擴展，中斷材料破壞，減緩府力集中等。 9.29.2復合材料增強原理復合材料增強原理 按照增強體的種類和形態(tài)，復合材料的強化機制分為按照增強體的種類和形態(tài)，復合材料的強化機制分為3 3種。種。 （1 1）彌散增強機制）彌散增強機制 -由一種或多種材料的微粒彌散、均勻地分布在基體材料內(nèi)所形成的材料， 稱為彌散強

14、化復合材料彌散強化復合材料。 其粒子直徑為其粒子直徑為0.10.10.01 0.01 mm，體積分數(shù)為，體積分數(shù)為1%1%15%15%。強化效果，取決于粒。強化效果，取決于粒 子直徑、體積分數(shù)。子直徑、體積分數(shù)。 -與彌散強化的最大不同點是粒子的尺寸，此處粒子直徑為與彌散強化的最大不同點是粒子的尺寸，此處粒子直徑為1 150 50 mm，體積分數(shù)，體積分數(shù)20%20%。材料的性能取決于粒徑體積分數(shù)配比。材料的性能取決于粒徑體積分數(shù)配比。 （2 2）顆粒增強機制）顆粒增強機制 粒子增強復合材料的性能與增強體和基體的比例有關，某些性能只取決于 各組成物質(zhì)的相對數(shù)量和性能， 復合材料的密度可用混合定

15、則足夠精確的描述，即復合材料的密度可用混合定則足夠精確的描述，即 9.29.2復合材料增強原理復合材料增強原理 （3 3）纖維增強機制）纖維增強機制 -纖維增強復合材料是由高強度、高模量、連續(xù)（長）纖維或纖維增強復合材料是由高強度、高模量、連續(xù)（長）纖維或 不連續(xù)（短）纖維與基體復合而成。其增強效果，取決于纖維的不連續(xù)（短）纖維與基體復合而成。其增強效果，取決于纖維的 特性。特性。 為了達到纖維增強的效果，須遵循以下原則：為了達到纖維增強的效果，須遵循以下原則： 此類復合材料主要靠纖維承受外加載荷；此類復合材料主要靠纖維承受外加載荷； 纖維與基體之間要有一定的相溶性或浸潤性；纖維與基體之間要有

16、一定的相溶性或浸潤性； 纖維排列方向要與構件受力方向一致；纖維排列方向要與構件受力方向一致； 纖維與基體的熱膨脹系數(shù)應匹配；纖維與基體的熱膨脹系數(shù)應匹配； 纖維的體積分數(shù)、長度、長度和直徑比纖維的體積分數(shù)、長度、長度和直徑比( (L L/ /d d) )必須滿足一定要求。必須滿足一定要求。 9.3 9.3 復合材料界面復合材料界面 界面界面: :基體和增強物之間化學成分有顯著變化，構成彼此結合、能 傳遞載荷的區(qū)域。 復合材料的界面是特有的、極其重要的組成部分復合材料的界面是特有的、極其重要的組成部分。 界面與金屬纖維增強體內(nèi)部的晶界不同，它是一個過渡區(qū)域過渡區(qū)域。該 區(qū)域的材料結構與性能結構與

17、性能應該不同于組分材料中的任意一個不同于組分材料中的任意一個，故稱為 界面相或界面層，其厚度為幾個nm到幾百個nm。 由于界面所占的面積比例很大，由于界面所占的面積比例很大， 故界面的性質(zhì)、結構、完整性對故界面的性質(zhì)、結構、完整性對 復合材料性能影響很大。復合材料性能影響很大。 根據(jù)界面處原子配位的類型，可以將界面分為根據(jù)界面處原子配位的類型，可以將界面分為共格界面、半共格共格界面、半共格 界面和非共格界面。界面和非共格界面。 9.3 9.3 復合材料界面復合材料界面 9.3.1 9.3.1 復合材料界面結合的類型復合材料界面結合的類型 （1 1）金屬基及陶瓷基復合材料界面結合類型）金屬基及陶

18、瓷基復合材料界面結合類型 機械結合機械結合 指依靠粗糙表面機械結合和磨擦結合，如指依靠粗糙表面機械結合和磨擦結合，如AlAl2 2O O3 3/Ni/Ni。 混合結合混合結合 即上述結合的組合，是最重要的一種方式。即上述結合的組合，是最重要的一種方式。 溶解和浸潤結合溶解和浸潤結合 如如C/NiC/Ni 反應結合反應結合 通過基體與增強體的反應生成物，如硼纖維增強鈦合金時通過基體與增強體的反應生成物，如硼纖維增強鈦合金時 在界面上生成在界面上生成TiBTiB2 2。 氧化結合氧化結合 如硼纖維增強鋁合金時，硼纖維吸附的氧與之形成如硼纖維增強鋁合金時，硼纖維吸附的氧與之形成BOBO2 2，這，這

19、 層氧化物與鋁接觸時又把層氧化物與鋁接觸時又把BOBO2 2還原，生成還原，生成 AlAl2 2O O3 3，再通過，再通過AlAl2 2O O3 3與鋁基體結與鋁基體結 合。合。 9.3 9.3 復合材料界面復合材料界面 9.3.1 9.3.1 復合材料界面結合的類型復合材料界面結合的類型 （2 2）樹脂基復合材料界面結合的類型樹脂基復合材料界面結合的類型 靜電結合靜電結合 兩相物質(zhì)對電子的親和力相差較大時，靜電吸引力使界面兩相物質(zhì)對電子的親和力相差較大時，靜電吸引力使界面 產(chǎn)生結合。產(chǎn)生結合。 化學鍵合化學鍵合 基體表面上的官能團與增強體表面上的官能團發(fā)生化學基體表面上的官能團與增強體表面

20、上的官能團發(fā)生化學 反應，形成共價鍵結合的界面區(qū)。反應，形成共價鍵結合的界面區(qū)。 浸潤浸潤- -浸吸附結合浸吸附結合 增強材料被基體浸潤，即物理吸附所產(chǎn)生的界面增強材料被基體浸潤，即物理吸附所產(chǎn)生的界面 結合。結合。 擴散結合擴散結合 通過擴散，形成界面模糊區(qū)。通過擴散，形成界面模糊區(qū)。 機械結合機械結合 類似金屬基復合材料。類似金屬基復合材料。 9.3 9.3 復合材料界面復合材料界面 9.3.2 9.3.2 界面對復合材料性能的影響界面對復合材料性能的影響 1 1）力學要求力學要求：界面可在增強體與基體之間傳遞各類型的載荷。界面可在增強體與基體之間傳遞各類型的載荷。 2 2）物理化學要求物

21、理化學要求：界面能在整個服役期內(nèi)保持穩(wěn)定性。界面能在整個服役期內(nèi)保持穩(wěn)定性。 考慮界面對復合材料性能的影響，主要應降低界面殘余應力； 改善纖維表面，選擇合理的復合工藝等。 （2 2）復合材料性能特點及未來材料的發(fā)展趨勢）復合材料性能特點及未來材料的發(fā)展趨勢 （1 1）對界面的要求）對界面的要求 1 1）復合材料性能特點）復合材料性能特點 高的比強度和比模量高的比強度和比模量 良好的抗疲勞性能良好的抗疲勞性能 纖維復合材料纖維復合材料, ,特別是纖維樹脂復合材料對缺口、應力集中敏感性小，特別是纖維樹脂復合材料對缺口、應力集中敏感性小， 且纖維與基體界面能夠阻止疲勞裂紋擴散，改變裂紋擴展方向，故纖

22、維且纖維與基體界面能夠阻止疲勞裂紋擴散，改變裂紋擴展方向，故纖維 復合材料有較高的疲勞極限。復合材料有較高的疲勞極限。 如鋁合金在如鋁合金在300300時，強度由室溫的時，強度由室溫的500MN/m2500MN/m2降到降到303050 MN/m2,50 MN/m2,而用而用 碳纖維或硼纖維增強后，在此溫度的強度與室溫基本相同。碳纖維或硼纖維增強后，在此溫度的強度與室溫基本相同。 優(yōu)良的高溫性能優(yōu)良的高溫性能 9.3 9.3 復合材料界面復合材料界面 9.3.2 9.3.2 界面對復合材料性能的影響界面對復合材料性能的影響 1 1）復合材料性能特點）復合材料性能特點 減震性好減震性好 結構的自

23、振頻率與材料的比模量平方根成正比，而復材比模量高，故可較大結構的自振頻率與材料的比模量平方根成正比，而復材比模量高，故可較大 程度地避免構件在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振；另外程度地避免構件在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振；另外, ,其界面有吸收振動能量的作用。其界面有吸收振動能量的作用。 破斷安全性好破斷安全性好 纖維復合材料中，平均每平方厘米中有幾千到幾萬根纖維。當纖維纖維復合材料中，平均每平方厘米中有幾千到幾萬根纖維。當纖維 斷裂時，載荷就會重新分配到其他未破裂的纖維上，因而構件不致在斷裂時，載荷就會重新分配到其他未破裂的纖維上，因而構件不致在 短期內(nèi)突然斷裂。短期內(nèi)突然斷裂。 2 2）未來材料的發(fā)展方向）未來材料的發(fā)展方向 9.3 9.3 復合材料界面復合材料界面 9.3.29.3.2界面對復合材料性能的影響界面對復合材料性能的影響 國民經(jīng)濟和現(xiàn)代科學技術的進步為